Тема 4. Методы и средства измерения неэлектрических величин Урок 1. Схемы включения и классификация измерительных преобразователей Раздел 1. Схемы включения измерительных преобразователей.

Схемы включения преобразователей для получения электрических величин во многом определяют метрологические свойства самих приборов. Приборы для измерения неэлектрических величин можно разделить на приборы прямого преобразования и компенсационного преобразования.

В приборах, использующих метод прямого преобразования, результат измерения получается после ряда последовательных преобразований измеряемой величины в отклонение подвижной части измерителя. На рис. 4.1 представлена структурная схема такого преобразования.

Рис. 4.1. Структурная схема прибора прямого преобразования

В измерительном преобразователе Пр происходит преобразование измеряемой неэлектрической величины X в электрическую Э. Эта величина в общем случае может быть преобразована в измерительной цепи ИЦ еще несколько раз. Затем величина Э_i = f(Э) усиливается в случае необходимости усилителем УС и поступает в измеритель Г, преобразующий ее в отклонение  подвижной системы. В случае применения такой схемы на погрешность измерения величины Х будут сказываться погрешности всех последовательно включенных элементов. С целью уменьшения этих погрешностей можно использовать метод сравнения, структурная схема которого представлена на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Структурная схема прибора уравновешивающего преобразования

Здесь имеются две самостоятельных, как правило, одинаковых, цепи преобразования, в одну из которых включен рабочий преобразователь Пр_X, а во вторую - нерабочий преобразователь Пр_N. После первого преобразования неэлектрических величин Х и N в электрические Э₁ и Э₁ включается преобразователь недокомпенсации ПН, который образует функцию разности выходных параметров Э₁ и Э₁ преобразователей П₁ и П₁. После звена ПН преобразование полученной величины Э₂ = (Э₁-Э₁) происходит тем же путем, что и в предыдущем случае прямого преобразования. Примером такого метода служит мостовая схема, которая может работать в равновесном (нулевом) или неравновесном режиме. В случае работы мостовой схемы в равновесном режиме из погрешности измерений исключается погрешность измерителя, так как в этом случае, важна не точность, а его чувствительность. В случае неравновесного режима исключаются лишь дополнительные погрешности, обусловленные влиянием внешних факторов на элементы моста. Погрешности же всех звеньев, в том числе измерителя, входят целиком.

Уменьшения погрешностей можно достичь, применяя компенсационный метод преобразования с применением отрицательной обратной связи. Структурная схема такого прибора, изображенная на рис. 4.3, представляет собой схему с компенсацией электрической величины на выходе преобразователя.

Рис.4.3. Структурная схема прибора с отрицательной обратной связью

Здесь некоторое напряжение U_x измерительной цепи, модулированное по величине измеряемым параметром X, компенсируется соответствующим напряжением U_k, получаемым от компенсационной цепи КЦ. Компенсационная цепь приводится в действие выходным напряжением усилителя УС с таким расчетом, чтобы разность U была достаточно мала. Мерой измеряемой неэлектрической величины является величина У_вых., воздействующая на компенсационную цепь КЦ. Измеритель Г в данном случае является механическим устройством, например, реохордом, включенным в цепь моста или компенсатора. В этом случае общая погрешность измерения складывается только из погрешности измерительного преобразователя Пр и измерительной и компенсационной цепей. Исключение погрешностей этих узлов может быть достигнуто в компенсационных приборах с компенсацией измеряемой неэлектрической величины (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Структурная схема прибора с частичной компенсацией погрешностей

Здесь обратный преобразователь (ОП) преобразует выходную электрическую величину У в неэлектрическую Х_k однородную с измеряемой величиной X. Разность между величинами Х и Х_k (X), преобразованная в электрическую величину Э и усиленная усилителем УС, воздействует на регулирующее устройство РУ, которое связано с источником питания ИП. В результате этого на измеритель Г и обратный преобразователь подается такая электрическая величина У, которая, будучи преобразована в неэлектрическую величину Х_к компенсирует измеряемую величину X. Таким образом, вся цепь прямого преобразования оказывается охваченной обратным преобразованием и при X X погрешность всех преобразующих звеньев практически исключается. Общая погрешность измерения складывается только из погрешностей измерителя Г и обратного преобразователя. Следовательно, по сравнению с предыдущим случаем, здесь вместо погрешности прямого преобразователя появляется погрешность обратного преобразователя. Реальный выигрыш в точности при переходе от схемы на рис. 4.3 к схеме на рис. 4.4 может быть получен лишь в том случае, когда погрешность обратного преобразователя будет меньше погрешности прямого преобразователя.

Каждый прибор характеризуется чувствительностью, т. е. отношением изменения выходной величины к изменению входной.

Чувствительность - величина размерная; ее размерность определяется единицами измерения выходной и входной величин. Например, чувствительность гальванометра определяется отношением отклонения подвижной части в делениях к току, подведенному к зажимам гальванометра.

Как было указано выше, прибор для измерения неэлектрической величины состоит из ряда отдельных измерительных преобразователей (звеньев). Поэтому чувствительность такого прибора в целом будет равна произведению чувствительностей всех звеньев цепочки X.

Так для схемы прибора прямого преобразования, приведенной в начале урока, чувствительность будет иметь вид:

Следовательно, для увеличения чувствительности прибора нужно стремиться к увеличению чувствительностей отдельных звеньев схемы. Однако, увеличивая чувствительность преобразователя к измеряемой величине, нужно заботиться в то же время об уменьшении чувствительности к внешним дополнительным факторам (колебание питающего напряжения, частоты, внешней окружающей температуры и т. д.). Увеличение чувствительности к дополнительным факторам ведет к появлению дополнительных погрешностей прибора, а эти погрешности будут тем больше, чем меньше различие чувствительности к дополнительным факторам и чувствительности к измеряемой величине.

Чтобы чувствительность всего прибора была постоянной, т. е. функция его преобразования f была строго линейной, функции преобразования всех измерительных преобразователей прибора должны быть линейными и постоянными. Однако чувствительность каждого преобразователя постоянна только на определенном участке характеристики, которая ограничивается, с одной стороны, пределом преобразования, а другой - порогом чувствительности.

Предел преобразования - это максимальное значение входной величины, которая еще может быть воспринята преобразователем без искажения этой величины и без повреждений преобразователя.

Порог чувствительности - это минимальное изменение значения входной величины, которое можно уверенно обнаружит с помощью данного преобразователя.

Линейность характеристик отдельных измерительных преобразователей, входящих в схему прибора, должна быть согласована по диапазону.

Включение преобразователей в мостовые схемы.

В зависимости от требований к чувствительности мостовой схемы и к линейности функции преобразования можно различить три способа включения преобразователей в мостовую схему:

• Мост с преобразователем, включенным в одно плечо моста.

• Мост с двумя рабочими преобразователями, включенными в противоположные плечи.

• Мост с двумя рабочими преобразователями, включенными в два соседних плеча моста.

Р ис. 4.5. Способы включения преобразователей в мостовую схему.

Преобразователь включен в одно плечо моста (R_пр = R₁) (см. рис. 4.5.а).

В этом случае при симметрии R₁ = R₂, R₃ = R₄ и при выполнении условий оптимального режима работы моста ток в гальванометре будет равен

(4.1)

Это уравнение показывает, что при таком включении преобразователя имеет место большая степень нелинейности функции преобразования ( - входит в числитель и знаменатель), достигающая 2—3%.

Мост с двумя рабочими преобразователями, включенными в противоположные плечи (R_пр = R₁ = R₄) (см. рис. 4.5.б).

Такое включение применяют, если хотят увеличить чувствительность схемы. Действительно, как известно, отклонение стрелки гальванометра пропорционально разности R₁R₄ = R₂R₃. Если R₁ и R₄ увеличатся (или уменьшатся) на одну и ту же величину, то чувствительность схемы возрастет вдвое по сравнению со схемой с одним рабочим преобразователем.

При таком включении преобразователей для компенсации температурной погрешности требуется включение в остальные два плеча нерабочих преобразователей, аналогичных R₁ и R₄.

Недостатком такого включения рабочих преобразователей является большая нелинейность функции преобразования. Действительно, при R₁R₄ = R₂R₃ R₁ = R₂ = R₃ = R₄ = R и R₁ = R₄ ток в гальванометре будет равен

(4.2)

Из этого уравнения видно, что в данном случае нелинейность шкалы будет гораздо больше, чем в предыдущем случае (7—10%).

Мост с двумя рабочими преобразователями, включенными в два соседних плеча моста (R_пр=R₁=R₃) (см. рис. 4.7.в).

Это так называемые преобразователи дифференциального типа. Два сопротивления (активных, реактивных или полных) под действием неэлектрической величины изменяются с противоположными знаками. Тогда ток в гальванометре будет пропорционален разности

,

т. е. чувствительность схемы по сравнению со случаем включения преобразователя в одно плечо увеличится в два раза. Одновременно достигается и температурная компенсация.

При выполнении оптимальных условий (симметрии R₁=R₂ и Rз=R₄) получим

(4.3)

откуда видно, что шкала прибора с дифференциальным преобразователем имеет наибольшую линейность по сравнению с двумя предыдущими схемами (изменение сопротивления  входит в знаменатель в квадрате и при достаточно малом R является бесконечно малой величиной). Максимальная степень нелинейности может быть около 0,5%.

ВЫВОД: для достижения наибольшей чувствительности мостовой схемы в сочетании с наименьшей нелинейностью функции преобразования нужно пользоваться схемой с дифференциальным преобразователем.

Все положения, изложенные выше, могут быть отнесены к мостам как постоянного, так и переменного тока, с той лишь разницей, что в мостах переменного тока вместо активного сопротивления R вводится комплексное - Z, а при балансировке моста необходимо компенсировать еще и фазовые сдвиги между током и напряжением в плечах моста.

Как уже было указано выше, если мостовая цепь работает на указатель конечного сопротивления, то для получения наибольшей чувствительности необходимо согласовывать сопротивление указателя с выходным сопротивлением моста.

В практике измерения неэлектрических величин часто применяются симметричные мостовые схемы (см. рис. 4.5 а). Имеются два вида симметрии мостовых схем:

а) R₁=R₂, R₃=R₄,

б) R₁=R₃, R₂=R₄.

Первый вид симметрии получается, если активными элементами моста считать плечи R₁ и R₂; тогда максимальный ток в указателе будет при R₃=R₄0.

Второй вид симметрии получается, если активными элементами моста считать R₁=R₃ и тогда максимальный прирост напряжения на указателе будет при R₂=R₄.

Оптимальные соотношения между сопротивлениями мостовой цепи различны для каждого вида симметрии.

Более подробно вопрос равновесия мостовых схем рассмотрен в Теме 2 (стр. 83).