Общие характеристики схем формирования сигналов

СХЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ ПАССИВНЫХ ДАТЧИКОВ

3.1.1. Основные типы схем

Вариации импеданса Z_c пассивного (параметрического) датчика, связанные с изменениями измеряемой величины т, могут быть преобразованы в электрический сигнал путем включения датчика с источником напряжения е_s или тока i_s в измерительную схему. При этом измерительная схема характеризуется собственным импедансом Z_k, аизмеряемая величина преобразуется либо в напряжение выходного электрического сигнала

как в случае потенциометрических и мостовых схем, либо в изменение частоты

как в генераторных схемах.

Потенциометрическая схема (рис. 3.1, а) привлекает своей простотой, но ее главным недостатком является чувствительность к паразитным помехам; то же справедливо и для реостатной схемы с источником тока (рис. 3.1, б), при Z₁<<Z_с. В мостовой схеме, содержащей два делителя, дифференциальным включением датчиков удается существенно снизить влияние внешних факторов.

Когда в таких схемах формирования сигналов используют источник синусоидального напряжения е_s, то выходной сигнал схемы является результатом модуляции питающего напряжения сигналом Zc. При этом для извлечения информации необходимо продетектировать, а затем отфильтровать выходной сигнал. Для выполнения этих операций желательно, чтобы частота источника по меньшей мере в 5 раз превосходила максимальную частотуизменения измеряемой величины. Однако если частота питающего напряжения относительно высока, то на погрешность измерений начинают заметно влиять реактивные сопротивления паразитных емкостей и индуктивностей и их необходимо учитывать при измерениях. В измерительных схемах на постоянном токе, когда датчик является чисто активным сопротивлением, этот фактор несуществен, однако следует заботиться об устранении термо-э.д.с. и дрейфов.

 

Генераторы, используемые в схемах формирования сигналов датчиков, могут быть источниками синусоидальных (рис. 3.1, г) или прямоугольных сигналов; информация содержится в частоте этих сигналов, что обеспечивает хорошую защиту от паразитных влияний, особенно в случае телеизмерений. Кроме того, упрощается преобразование измеряемой величины в код, для чего достаточно подсчитать число периодов колебаний в единицу времени.

3.1.2. Параметры схем формирования

Чувствительность и линейность. Изменению Δm измеряемой величины соответствует изменение ΔZ_c импеданса датчика, которое в зависимости от типа схемы вызывает изменение либо амплитуды, либо частоты измеряемого напряжения. Общая чувствительность S_а измеряемой схемы равна

т.е. (амплитуда),

т.е. (частота).

В этих выражениях чувствительность собственно схемы формирования равна соответственно:

и ,

а чувствительность датчика .

Для получения хорошей чувствительности схемы формирования важен соответствующий выбор Z_k.

Передаточная характеристика схемы линейна, если чувствительность схемы не зависит от Z_c; соединение линейной схемы формирования с линейным датчиком обеспечивает пропорциональность сигнала измеряемой величине. Если схема формирования нелинейна, то ее можно линеаризовать, заменяя один из ее компонентов вторым датчиком (дифференциальное включение), имеющим обратную первому характеристику.

Рассмотрим, не нарушая общности выводов, пример резистивного датчика с импедансом R_с и схемы формирования сигнала, состоящей из резисторов R_k, чувствительных к измеряемой величине; тогда можно написать

Характеристика такой схемы с датчиком линейна при условии

В простейшем случае, когда потенциометр состоит из сопротивления R₁ и резистивного датчика R_c, имеем

и чувствительность равна

Выбирая в качестве R₁ датчик, подобный R_с, но такой, в котором воздействие измеряемой величины вызывает обратное познаку приращение сопротивления:

получаем следовательно, .

Общая чувствительность измерительной схемы в этом случае равна

и постоянна. Поскольку линеен каждый из датчиков, линейна и вся схема. Если датчик сам по себе нелинеен, иногда удается скомпенсировать его нелинейность направленной в обратную сторону нелинейностью характеристики схемы формирования; тогда вся совокупность (датчик — схема формирования) оказывается квазилинейной по крайней мере в ограниченном диапазоне изменения измеряемой величины.

Компенсация воздействия влияющих величии. Если датчик чувствителен к какой-либо из влияющих величин, например, температуре или излучению, необходимо по возможности устранить это влияние на выходной сигнал датчика.

Рассмотрим резистивный датчик с соответствующей схемой формирования, для которой выполняется условие

Влияющая величина амплитуды gможет воздействовать на определенные компоненты схемы формирования и на сам датчик; при этом ее приращения dg вызывают вариации dν_m измеряемого напряжения

Изменения величины gне оказывают влияния на выходное напряжение, когда выполняется условие

Если, например, влиянию величины g подвержены только собственно резистивные элементы схемы, но их изменения при этом идентичны изменениям сопротивления R._с датчика:

то компенсация вариаций величины gбудет достигаться при условии

Для потенциометрической схемы, рассмотренной выше, этому условию удовлетворяет равенство абсолютных приращений сопротивлений R₁=R_c.

Потенциометрические схемы

3.2.1. Схемы с резистивными датчиками

Датчик с изменяющимся сопротивлением Rc, включенный последовательно с резистором постоянного сопротивления R1, питается источником с внутренним сопротивлением Rs, э.д.с. еs которого постоянна или переменна (рис. 3.2). Выходное напряжение νm, измеряемое на выходе датчика прибором с входным сопротивлением Rd, равно

Напряжение на выходе датчика не зависит от используемого измерительного прибора при Rd>>Rc, в этом случае оно равно

и является нелинейной функцией Rс.

 

Линеаризация измерений. Желательно, чтобы вариации измеряемого напряжения были пропорциональны вариациям ΔRc сопротивления датчика.

Работа на малом участке характеристики. Сопротивление датчика меняется от Rc0 до Rc0 +ΔRc вызывая изменения напряжения от до

При условии ΔRc<<Rc0+R1+Rs с точностью до малых величин второго порядка имеем

Чувствительность схемы формирования Δνm/ΔRc максимальна, если выбрать Rs+R1=Rc0, в этом случае

Если внутреннее сопротивление источника Rs мало, то чувствительность максимальна на относительно большом участке характеристики, что подтверждается предыдущей формулой, поскольку в этом случае с хорошим приближением можно полагать, что R1≈Rc0.

Питание схемы источником тока. Внутреннее сопротивление источника Rs очень велико: Rs >>Rc0+R1. В этом случае должно выполняться условие ΔRc<<Rc0+R1+Rs. Подставляя is=es/Rs, получим

Исключение постоянной составляющей из выходного сигнала. Недостатком рассмотренной потенциометрической схемы является наличие в выходном сигнале постоянной составляющей, не содержащей полезной информации. Относительно большое значение этой составляющей требует использования вольтметров с неоправданно широким диапазоном измерений. Нередко это приводит к увеличению погрешности измерений и, во всяком случае, к неэффективному использованию измерительных средств.

Для выделения полезной (переменной) составляющей сигнала можно использовать емкостную связь между датчиком и вольтметром, как это показано на рис. 3.4. Конденсатор С и внутреннее сопротивление R_d вольтметра образуют фильтр верхних частот.

Если — постоянная составляющая напряжения на выходе схемы, то фильтр верхних частот позволяет отделить переменную составляющую от . Необходимо лишь, чтобы нижняя граничная частота фильтра была меньше самой низкой частотной составляющей измеряемой величины. Обычно для устранения постоянной составляющей используют мостовую схему, представляющую собой двойной потенциометр, и потенциометрическую схему с симметричным питанием.

В мостовой схеме, представленной на рис. 3.5, параллельно сопротивлениям R₁ и R_c включают сопротивления R₃ и R₄, которые здесь предполагаются постоянными. Эти сопротивления выбирают такими, чтобы относительно массы потенциал в точке В равнялся , потенциал в точке А был бы равен , а измеряемое между точками А и В выходное напряжение было бы равно .

 

Условием равенства потенциала в точке В значению ото является соотношение

, откуда .

Это условие равновесия моста Уитстона, который детально описан в разд. 3.3.1.

Потенциометрические схемы с симметричным питанием представлены на рис. 3.6.

Выходное напряжение , измеряемое относительно массы определяется выражением

.

Выбирая R₁ равным сопротивлению датчика R_c0 при U_m=U_m0,. т. е. до начала воздействия измеряемой величины, и полагая R_s<<R_c0, при R_c=R_c0+ΔR_c получим

, т. е. выходное напряжение не содержит постоянной составляющей.

Влияние нестабильности напряжения питания. Это влияние сказывается на изменении чувствительности потенциометрических схем. В схеме с несимметричным питанием (см. рис. 3.7, а) флуктуации Δе напряжения е_s0 приводят в процессе измерений к приращениям выходного сигнала (с погрешностью до величины второго порядка значимости)

При этом трудно выделить приращения, обусловленные отдельно изменениями и .

В схеме с симметричным питанием (рис. 3.7,6) следует учитывать два влияющих воздействия — и — на приращения измерительного сигнала напряжения (с точностью до малых второго порядка)

.

Кроме частного случая, когда , невозможно выделить полезную составляющую выходного сигнала, связанную только с изменением

3.2.2. Измерительные схемы с индуктивными и емкостными датчиками

Пусть датчик с импедансом включен последовательно с импедансом в цепь с источником синусоидальной э.д.с. , внутренний импеданс источника предполагается пренебрежимо малым. Рассмотрим особенности измерительных схем в зависимости от соотношений и .

1. . В этом случае импеданс представляет собой постоянноеактивное сопротивление (рис. 3.8, с). Когда импеданс датчика изменяется от до напряжение на его клеммах меняется на :

При выборе предыдущее выражение упрощается, т.е.

,

и через импеданс протекает постоянный ток .

Это означает возможность замены источника напряжения источником тока и отказ от сопротивления (рис. 3.8,6); тогда вариации выходного напряжения составят .

2. и изменяются в одном направлении. Рассмотрим схему на рис. 3.9, а, образованную двумя датчиками и .

В отсутствие измеряемой и влияющей величин импедансы датчиков равны .

При воздействиях этих величин импедансы датчиков изменяются, причем

где и

Здесь — чувствительность, характеризующая воздействие на и . влияющей величины при изменении ее на ; и — чувствительности соответствующих датчиков при изменениях измеряемой величины соответственно на и .

Выходное напряжение при этом равно

Рис. 3.9. Потенциометрические схемы с дифференциальным включением идентичных датчиков. а – принципиальная схема; б – датчик расстояния, использующий токи Фуко с компенсацией влияющей величины ( -неподвижная металлическая поверхность, - подвижная поверхность); в – датчик типа б с дифференциальным включением; г – датчики перемещения с дифференциальным включением.

а его изменение относительно начального значения составляет

Если датчик с импедансом играет только роль компенсатора влияющей величины, то

, а

Когда и оказываются существенно меньше , то с точностью до малых величин второго порядка можно записать, что .

Для случая взаимно обратных реакций датчиков на одно и то же воздействие измеряемой величины

имеем

Сигнал в этом случае дифференциального включения датчиков является линейной функцией приращения измеряемой величины, и когда , то

т. е. исключается также и влияющее воздействие. Такое включение целесообразно только для индуктивных датчиков с подвижным сердечником, предназначенных для измерения перемещений и расстояния (рис. 3.9,б, в, г).

При включении в потенциометрическую схему емкостного датчика возникает погрешность, вызванная наличием паразитных емкостей, образуемых каждой пластиной конденсатора (датчика) с массой. Действительно, как видно на рис. 3.10, а, паразитные емкости и включены параллельно емкости датчика и их изменения неотличимы от изменений емкости датчика, а емкость включена параллельно источнику и ее влияние пренебрежимо мало (если емкостное сопротивление велико по сравнению с импедансом источника).

В этом случае вместо потенциометрической лучше применять гальванометрическую схему, представленную на рис. 3.10,б. В этой схеме измеряется ток , который определяют с помощью прибора с очень малым входным сопротивлением . Паразитная емкость, параллельная , на погрешность измерений оказывает пренебрежимо малое влияние.

Пренебрегая значением , измеряемый ток можно выразить формулой

Если — емкость датчика: и , то .

В качестве примера работы двух включенных дифференциально конденсаторных датчиков и рассмотрим:

а) датчики перемещения с изменяющейся площадью поверхности пластин (см. разд. 7.3.2), для которых

Рис. 3.10. Измерительные схемы с емкостным датчиком.

а – потенциометрическая; б – гальванометрическая; в – гальванометрическая с трансформатором питающего напряжения с переменным коэффициентом трансформации.

откуда и , т.е. следует, что схема линейна;

б) датчики перемещения с изменяющимся расстоянием между пластинами конденсатора (см. разд. 7.3.3), для которых

, ,

при

и , откуда следует, что схема квазилинейна для небольших перемещений.

Рис. 3.11. Частотно-задающие контуры с индуктивными датчиками.

а — последовательная схема; 6 — параллельный контур (Е1есtго-Согрогаtion). 1 - управляемый контакт; 2 — источник постоянного тока.

Гальванометрические схемы в общем случае включают и трансформатор отношений (рис. 3.10,в): амплитуды напряжений на каждом выходе находятся в соотношении , точно определяемом положением отвода на землю. В этом случае измеряемый ток равен:

.

Если — емкость переменного опорного конденсатора и — емкость датчика , то эту последнюю можно определить с большой точностью по исчезновению измеряемого тока, наступающему при условии .

3. и имеют противоположные знаки. Пусть — емкостное сопротивление конденсатора переменной емкости с воздушным диэлектриком (рис. 3.11.а). Напряжение на конденсаторе в этом случае определяется как

.

При изменении емкости переменного конденсатора возникает резонанс, при котором максимальная амплитуда напряжения на конденсаторе равна

.

Здесь — амплитуда источника; отсюда следует, что

, .

На рис. 3.11,б представлена схема, в которой катушка датчика с индуктивностью и сопротивлением образует с постоянным конденсатором параллельный колебательный контур, резонансная частота которого

.

Контур возбуждается источником постоянного тока , прерываемым с частотой управляемым контактом; при этом напряжение на колебательном контуре равно . Учитывая резонансное свойство контура, его можно рассматривать как возбуждаемый синусоидальным сигналом на частоте , а сила протекающего через него тока , где () зависит от скважности тока прерывателя. При этих условиях напряжение на зажимах контура будет иметь амплитуду

.

Такая схема позволяет обойтись без источника с регулируемой частотой, так как возбуждение схемы на соответствующей частоте происходит автоматически.

3.2.3. Недостатки потенциометрической схемы

Основные трудности использования потенциометрической схемы связаны с опасностью изменения чувствительности из-за дрейфа источников питания и паразитных влияний.

Несимметричное питание (рис. 3.11,а). При одновременном изменении в электрической цепи сопротивления датчика и флуктуации напряжения источника вариация измеряемого напряжения с точностью до малых второго порядка равна

.

Очевидно, трудно заранее определить составляющие , ответственные за и .

Симметричное питание (рис. 3.11,б). В этом случае нужно рассмотреть паразитные влияния на отклонений и , индуцированных в двух ветвях источника; при этом общая вариация измеряемого напряжения с точностью до малых второго порядка определяется выражением

.

Вариацию, связанную только с изменением , можно выявить только в частном случае .

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: