Тема 2.2 Схемы включения датчиков

 

1. Мостовые измерительные схемы

2. Компенсационная и дифференциальная схемы

 

1. Существующие методы электрических измерений можно в основном разделить на два класса: непосредственной оценки и сравнения.

При непосредственной оценке измерительная схема выполняет лишь функции преобразования выходного сигнала датчика, например, усиливает его или согласует выходное сопротивление датчика с входным сопротивлением прибора. Этот метод прост, но применяется редко, так как ему свойственны значительные погрешности (особенно при изменении напряжения питания датчика).

Метод сравнения обеспечивает более высокие точность и чувствительность. При этом используются мостовые, дифференциальные и компенсационные схемы измерения.

 

Мостовые измерительные схемы применяют постоянного и переменного тока. Существуют мостовые схемы уравновешенные и неуравновешенные схемы. Уравновешенные мосты требуют ручной или автоматической балансировки, в то время как неуравновешенные мосты не требуют

Уравновешенный мост представляет собой схему (Рисунок 34, а), состоящую из ромба, образуемого четырьмя сопротивлениями R₁ R₂, R₃, R_t. Резисторы в схеме называют ветвями или плечами моста. Помимо этого в мостовую схему включены источник тока со своим сопротивлением R_E и измерительный прибор с сопротивлением R_np. В четырехугольнике также есть две диагонали, в одну из которых включен миллиамперметр, а в другую - источник тока. Для подстройки моста одно плечо (R₃) является переменным сопротивлением.

 

Закон уравновешенного моста: произведение сопротивлений противолежащих плеч должны быть равны.

R₁/R₂=R₃/R_t. или R₁·R_t=R₂·R₃ [2.3]

Если необходимо вычислить неизвестное сопротивление датчика, то можно включить его в одно из плеч моста, вместо резистора R₄· и воспользоваться формулой:

R_t=R₂·R₃/R₁ [2.4]

Ток в диагонали моста, содержащей измерительный прибор, через напряжение питания:

I_np=U(R₁R_t-R₂R₃)/M [2.5]

Основной характеристикой любой схемы является ее чувствительность. Она определяется как отношение приращения тока в измерительной диагонали ∆ I_np к вызвавшему его изменению сопротивления одного из плеч моста:

S_сх =∆ I_np /∆ R [2.6]

∆ I_np=U∆ RR_t/M [2.7]

где ∆ I_np - результирующий ток в диагонали моста, содержащей измерительный прибор, A; U - напряжение питания, В; М - входное напряжение, В.

Неуравновешенный мост представляет собой схему (Рисунок 34, б), состоящую из ромба, образуемого четырьмя сопротивлениями R₁ R₂, R₃, R₅, R_t. Помимо этого в мостовую схему включены источник тока со своим сопротивлением R_E и измерительный прибор с сопротивлением R_np. Для подстройки моста одно плечо (R₅) является переменным сопротивлением.

R5

б)

Рисунок 34 - Мостовые измерительные схемы а) уравновешенная; б) неуравновешенная а)

 

В качестве измерительного прибора в неуравновешенных мостах используются амперметры (так как токи невелики, то обычно мили- и микроамперметры). Неуравновешенный мост подчиняется тем же законам, что и уравновешенный.

 

2. Компенсационные схемы используют для измерения неэлектрических величин, которые преобразуются датчиками в ЭДС или напряжение. Сигнал датчика сравнивается с компенсирующим напряжением, вырабатываемым потенциометром. Подбор компенсирующего напряжения выполняется вручную или автоматически.

Компенсационная схема с ручным уравновешиванием, представлена на рисунке 35, а. Измеряемая ЭДС Е_х или напряжение U_х уравновешиваются напряжением U_к, снимаемым с резистора R_к , представляющего собой часть резистора R. Все сопротивление резистора R включено в цепь источника питания с ЭДС Е. Схема состоит из двух прямоугольников В нижней части находится датчик, имеющий сопротивление R_д. Резисторы в схеме называют ветвями или плечами моста. В состав схемы включен прибор, называемый нуль - индикатором (НИ), который служит для определения нулевого значения тока после компенсации.

Для поддержания стабильного тока питания I можно использовать регулировочный резистор R_рег и миллиамперметр или применить источник стабилизированного напряжения как в автоматическом потенциометре (Рисунок 35, б)

 

 

Ток через прибор:

I_пр =(U_х-U_к)/(R_д +R_к+R_пр ), [2.8]

где R_д- сопротивление датчика, R_к – сопротивление резистора, R_пр - сопротивление прибора, U_к – компенсирующее напряжение, U_х – измеряемое напряжение.

Чувствительность компенсационной схемы можно определить как отношение приращение тока через прибор к вызывающему его изменению измеряемого напряжения:

S_сх =∆ I_np /∆ U_х [2.9]

∆ I_np=∆ U_х/(R_аб+R_пр+R_д), [2.10]

R_аб – внутреннее сопротивление электрической цепи питания,

[2.11]

Компенсационный метод измерения применяется в цепях как постоянного, так и переменного тока.

 

Дифференциальная схема - это гибрид мостовой и компенсационной схем. Состоит из двух смежных контуров с источником питания, а измерительный прибор включен в общую ветвь контуров и реагирует на разность контурных токов. В дифференциальной схеме могут быть использованы параметрические (с изменяющимся сопротивлением) и генераторные (с изменяющейся ЭДС) датчики.

Дифференциальная схема включения параметрических датчиков показаны на рисунке 36, а (датчик включен в один контур). Дифференциальная схема включения генераторного датчика показана на рисунке 36, б. В этой схеме датчиком является так называемый дифференциальный трансформатор.

Для расчета токов в дифференциальной схеме используют метод наложения: сначала определяют токи от одной ЭДС, а затем от другой.

Изменение тока через прибор будет рассчитываться:

, [2.12]

 

где I_пр^/ - ток через прибор при включении параметрических датчиков в один контур

I^// - ток через прибор при включении параметрических датчиков в оба контура

 

 

Чувствительность дифференциальной схемы определяется аналогично предыдущим схемам эмпирически, путем подстановки опытных данных

Ток в измерительной цепи мостовых и дифференциальных схем зависит от напряжения питания. Колебания напряжения питания приводят к появлению погрешности, так как ток через прибор и отклонение его стрелки изменяются даже при неизменном сопротивлении датчика.