Измерение импеданса датчиков и его параметров

Для измерения импеданса датчиков и его параметров—ак­тивного и реактивных сопротивлений и соответственно R, L и С —используют мосты переменного тока.

Электрическую схему замещения датчика, характеризуемого импедансом, можно представить двухполюсником с последова­тельным или параллельным соединением активного и реактив­ных сопротивлений, как это показано на рис 3.19. Основные со­отношения, которыми характеризуются двухполюсники, приве­дены на рис. 3.19,а и 3.19,6. Та или иная схема замещения вы­бирается в зависимости от вида рассеиваемой (теряемой) мощ­ности «а элементах двухполюсника. Если эти потери пропорцио­нальны квадрату протекающего через двухполюсник тока I, что имеет место при наличии преобладающего активного сопротив­ления провода катушки индуктивности или утечки тока через конденсатор, т. е. теряется активная мощность на нагрев катуш­ки или конденсатора, то датчик замещают последовательными схемами. Если потери пропорциональны квадрату напряжения на двухполюснике, что имеет место в случае диэлектрических потерь в конденсаторе или большой индуктивности катушки (потери реактивной мощности), то выбирают параллельную схе­му замещения.

 

 

Измерение параметров емкостного датчика. Диэлектрические потерн в конденсаторе можно представить резистором с сопро­тивлением R_c включенным параллельно с конденсатором ем­костью С_c.

Принципиальная схема измерений с емкостным датчиком представляет собой так называемый мост Нернста (рис 3.20). Импеданс датчика равен

импеданс уравновешивающего плеча определяется выражением

Условие равновесия моста: , т.е. н . Мост уравновешивают при значении измеряемой ве­личины то, принимаемом за начальное. Когда т₀ изменяет­ся на , импеданс датчика

меняется от Z_co до _. Тогда между точками А и В в диагонали моста появляется напряжение разбаланса

и если , то с точностью до малых второго по­рядка

 

 

Выбирая. K=1, получают максимальную чувствительность схе­мы. Кроме того, благодаря симметрии моста легче скомпенси­ровать воздействие влияющих величин. При этих условиях

Если датчик представляет собой конденсатор с воздушным ди­электриком, то потери пренебрежимо малы, и импеданс датчика носит емкостной характер. В этом случае резистор R_е для урав­новешивания моста можно не использовать. В таком мосте, из­вестном как мост Саути (рис. 3.21), напряжение разбаланса равно

Мост уравновешивают при значении то, принимаемом за на­чальное значение измеряемой величины,, и устанавливают С_е= С_со. Тогда при

 

Если с точностью до малых

второго порядка.

 

 

Обкладки конденсаторов образуют с массой паразитные ем­кости, распределенные как показано на рис. 3.21,6. Эти пара­зитные конденсаторы параллельны каждому из резисторов R и входному импедансу измерительного прибора с активным со­противлением R_d. Их воздействие на плечи моста можно сде­лать пренебрежимо малым выбором весьма малых сопротивле­ний R (10²--10³ Ом) по сравнению с паразитным емкостным сопротивлением. Более удобным является включение параллель­но каждому резистору конденсатора небольшой емкости, что позволяет уравновесить мост компенсацией паразитных емко­стей.

Паразитное емкостное сопротивление, параллельное входной цепи измерительного прибора, не влияет на равновесие моста, но оно может влиять на чувствительность схемы к разбалансу, если это паразитное емкостное сопротивление не слишком вели­ко по сравнению со входным импедансом измерительного при­бора. В этом случае более разумно проводить измерение тока разбаланса, используя измерительный прибор с входным импе­дансом, намного меньшим, чем подключенное ему в параллель паразитное емкостное сопротивление.

Ток разбаланса моста Саути, когда входной импеданс изме­рительного прибора пренебрежимо мал, определяется выраже­нием

В легко реализуемом случае, когда

при замене.

Измерение параметров индуктивного датчика. В зависимости от того, как лучше представить потери в катушке датчика — последовательным или параллельным сопротивлением соответ­ствующей схемы замещения, используют соответственно мост Максвелла (рис. 3.22, а) или мост Гэя (рис. 3.22,б).

Условие равновесия для обеих мостовых схем одно и то же:

Для моста Максвелла

а для моста Гэя

Сопротивление и индуктивность датчика в функция значений параметров элементов моста определяются в обеих мостовых схемах как

 

Напряжение разбаланса в обеих схемах определяется выра­жением

и если \Z\<<\KR+Z_co\_, то с точностью до малых второго по­рядка

Чувствительность указанных мостовых схем максимальна при |Z_c0|=KR,и, принимая.K=1 и R=|Z_c0|, получим

Если выбрать KR>>|Z_c0|, то

Если два датчика с одинаковыми статическими импедансами помещаются в смежные ветви моста, образуя дифференциальную схему, то в результате обеспечивается компенсация воз­действия влияющих величин. И так как вариации измеряемой величины вызывают идентичные по значениям, но противопо­ложные по знаку реакции датчиков, то достигаются улучшение линейности характеристики преобразования схемы в целом и линеаризация совокупной характеристики датчиков в частности.

 

 

 

Принципиальные схемы мостов с дифференциальным вклю­чением индуктивных датчиков приведены на рис. 3.23. Напря­жение разбаланса в функции импедансов датчиков Z_c1 и Z_c2 выражается соотношением

Tax как при воздействии измеряемой величины

и ТО

Когда влияющая величина вызывает одинаковые изменения импедаисов Z_c1, и Z_c2, а измеряемая величина — им взаимообратные, то можно записать, что

где S_g —- чувствительность к влияющей величине, а S —чувст­вительность к измеряемой величине. С учетом этого предыду­щее выражение для напряжения разбаланса можно записать в виде

Таким образом, напряжение разбаланса есть линейная функция приращений измеряемой величины; при этом воздействие влия­ющей величины уменьшено. Если приращения импеданса дат­чика, вызванные влияющей величиной, малы по сравнению со статическим импедансом Z_c0, что обычно имеет место, то

В случае, когда характеристики датчиков нелинейны и нелиней­ность, к примеру, квадратичная, равные и противоположно на­правленные воздействия измеряемой величины вызывают изме­нения импедансов датчиков, которые уже не являются одинако­выми по величине и противоположными по знаку, т. е.

Напряжение разбаланса в этом случае выражается нелиней­ным соотношением

Которое, приводится к линейному виду

если , что обычно имеет место.

⇐ Предыдущая12

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: