Материал для самостоятельной работы слушателей по теме «Измерительные преобразователи и системы» (стр. 6 )

2.1.5. Примеры реализации датчика на основе неуравновешенного моста

Полную измерительную цепь можно представить в виде (2.45).

Рис. 2.45. Измерительная цепь на основе неуравновешенного моста.

1.  Блок питания.

Тензодатчики имеют низкое входное сопротивление (120-350 Ом), поэтому падение напряжения на проводах, соединяющих блок питания с мостом может привести к заметному снижению питающего напряжения. Проблему можно решить путём 4-х проводного соединения блока питания со входом моста (например, использовать микросхему ИС2В35) (рис.2.46).

Стабильность напряжения питания моста – одна из основных проблем, которые должны решаться при разработке датчика, поскольку Е прямо входит в чувствительность датчика.

Рис. 2.46. Четырехпроводная схема включения измерительного моста.

Второй способ подавления влияния нестабильности моста (рис.2.47).

Рис. 2.47. Схема подавления влияния нестабильности моста.

Для повышения чувствительности и стабильности измерительного моста в измерительную диагональ моста включают дифференциальный усилитель (рис.2.48).

Рис.2.48. Схема включения дифференциального усилителя.

Это дифференциальный усилитель, который обеспечивает:

- малый дрейф нуля,

- высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) (т. е. наводок и шумов, действующих в фазе на оба проводника) КОСС обеспечивается при условии выполнения равенства:

R1 = R2 + R3.

Для того, чтобы выполнялось это условие, R3 делается подстроечным и необходимо, чтобы выполнялось условие: Мах R3 ≈ 10% R2

R4 = R5

Коэффициент усиления: Кус » R1/R4 ((справедливо только для постоянных сигналов).

2.1.6. Методы возбуждения моста переменных токов

Будем считать, что мост не содержит реактивных элементов.

Преимущества питания переменным током:

- параметры меньше подвержены дрейфу,

- легче подавлять шумы наводки в сигнальной цепи.

Рассмотрим схему датчика на основе неуравновешенного моста, питаемого переменным током (рис.2.49):

Рис. 2.49. Схема неуравновешенного моста, питаемая

напряжением переменного тока.

Синхронный детектор обеспечивает наличие постоянной составляющей полезного сигнала, которая затем усредняется, а шум за счет усреднения обращается в ноль. Можно выделять сигналы меньше уровня шумов.

Сигналы на оба провода должны поступать в противофазе.

Обычно частота f ≈ 400 Гц ÷ 5 кГц, но наиболее часто используется частота f = 1 кГц, f = 2,5 кГц

Способы питания мостов переменного тока

Рассмотрим способы получения сигналов, сдвинутых по фазе на 1800.

1.  Использование трансформаторов (рис.2.50).

Рис. 2.50. Применение трансформатора.

Основные требования к блокам питания: стабильность питания.

Трансформатор должен быть хорошо сбалансирован и иметь бифилярную обмотку. Недостаток – высокая стоимость.

2.  Использование мощных операционных усилителей (ОУ) (рис.2.51).

Рис. 2.51. Применение операционных усилителей.

Недостатки:

-  очень дорого,

-  потребляет много энергии.

3.  Триггерная схема (рис.2.52):

Рис.2.52. Применение триггеров.

Импульсные сигналы легче сделать стабильными.

Повторитель служит для усиления мощности.

4.  Биквадратурная схема (рис.2.53):

Рис. 2.53. Биквадратурная схема.

Два интегратора обеспечивают сдвиг по фазе на 180°.

5.  Синхронный детектор (рис.2.54):

Рис. 2.54. Вариант схемы синхронного детектора.

2.1.7. Мосты с реактивными элементами

Приведем общую схему моста с реактивными элементами (рис.2.55).

Z1,…,Z4 – комплексные величины Z=R+X

Рис. 2.55. Мост с реактивными элементами.

Уравновешивание мостов с реактивными элементами – трудная задача, т. к. условие равновесия зависит и от активных и реактивных проводимостей элементов. В общем случае условие зависит от частоты питания, если в питающем напряжении присутствуют гармоники, то достигнуть строгого равновесия невозможно.

Ток Iн в нагрузке пропорционален разности Iн ~ Z1Z3–Z2Z4 – все эти величины комплексные, значит можно записать:

{

а (ω) = 0 b(ω) = 0

– условие равновесия;

Iн ~ a(ω) + jb(ω);

.

Коэффициенты а и b и ток нагрузки Iн зависит от частоты (рис.2.56, 2.57).

Рис. 2.56. Зависимость коэффициентов а и b от частоты.

Рис.2.57. Зависимость модуля тока нагрузки от частоты.

В общем случае уравновешивание приходится проводить в несколько этапов. Сначала добиваются минимального тока, уменьшая Rрег., затем добиваются минимального тока, уменьшая xрег, потом опять Rрег и т. д.

При прохождении через положение равновесия знак а и b меняется, но модуль тока нагрузки | Iн | не меняет знак, следовательно, измеряя ток в Iн, мы не можем сказать, где находимся от частоты равновесия. Это можно было бы сказать, если бы меняли активную и реактивную составляющие а и b по отдельности. Поэтому в этом случае необходимо установить фазочувствительный элемент.

В связи с этими проблемами стараются строить схему моста так, чтобы упростить максимально схему уравновешивания. Кроме того, пытаются построить схему так, чтобы равновесие не зависело от частоты. При наличии гармоник невозможно достичь равновесия.

Условия независимости уравновешивания от частоты

Условие равновесия: Z1Z3=Z2Z4

;

.

(2.15)

Пусть Х3=Х4=0, тогда из условия (2.15) получим

R1R3=R2R4 - не зависит от w

R3X1=R4X2 - не зависит от w, если signX1=signX2

Рис. 2.58. Мост с двумя емкостными элементами.

Условия раздельного уравновешивания

Условие равновесия: Z1Z3=Z2Z4.

Представим это условие в виде:

где α и β = соnst

Рассмотрим частные случаи:

1.  β = 0

тогда условие равновесия имеет вид:

Þ Z1=aZ2

Добиваясь равновесия, мы можем независимо изменять R2 и X2, отсчитывая результат по двум отдельным шкалам: активной и реактивной.

В этом случае

Þ j4-j3=0°; 180°

Рис. 2.59. Варианты мостов с реактивными элементами в плечах .

Должно выполняться условие: Z1 = αZ2

Реализовать последние два моста трудно, так как не существует индуктивности в чистом виде, т. к. есть активное сопротивление. Сделать одинаковыми индуктивности почти невозможно, следовательно, их трудно уравновесить.

2.  α = 0

Одно Z должно быть обязательно активным, а второе – реактивным, чтобы выполнялось это условие: