Практическая работа № 5

Тема. Входные цепи. Схемы сопряжения.

Цель: ознакомиться с методами и устройствами сопряжения устройств измерения температуры с устройствами преобразования.

Краткие теоретические сведенья.

Метрологические характеристи­ки измерительных систем в значи­тельной степени зависят от коррект­ности схем сопряжения (схем форми­рования электрических сигналов, схем подключения) датчиков и от­дельных первичных измерительных преобразователей. Корректность схем подключения предполагает пра­вильное применение существующей схемотехники, методов уменьшения (исключение) влияния соединитель­ных проводников и влияния помех и т.п.

В генераторных измерительных преобразователях преобразование входной измеряемой величины в значение выходного сигнала реали­зуется в виде уровня электрического напряжения, тока или заряда. В боль­шинстве случаев на выходе первичный измерительный пре­образователь (ПИП) фор­мируются сигналы относительно низ­кого уровня, поэтому последующее преобразование должно обеспечи­вать усиление.

При использовании ПИП с выходным сигналом в виде электри­ческого напряжения применяются инструментальные усилители (ИУ). Это дифференциальные ИУ с высо­ким коэффициентом подавления синфазного сигнала (помехи), низ­ким температурным дрейфом нуля, высокой стабильностью коэффициен­та усиления, большим входным соп­ротивлением. Существуют модели с фиксированными и перестраивае­мыми коэффициентами усиления (Ку). Причем различают ИУ, перестраивае­мые коммутацией внутренних компо­нентов и усилители с внешней регу­лировкой. Наиболее удобными для применения в измерительных систе­мах являются ИУ с программируемым Ку.

При использовании ПИП или датчиков с выходным сигналом в ви­де электрического тока наиболее при­емлемым является применение пре­образователей ток-напряжение.

Подключение термопар.

У термопары такая слабая термоЭДС, что запитать что-то более мощное, чем первичный каскад инструментального усилителя (у которого входной ток - наноамперы, в худшем случае - микроамперы) не получается. Как правило термопары включаются на вход усилительного каскада выполненного на базе операционных усилителей.

Схемотехнично инструментальные усилители могут использоваться с дифференциальным входом, с инвертирующим входом, с неивертирующим входом.

При подключении изолированной термопары к инструментальному усилителю необходимо наличие цепи связи с общей землей схемы, которая реализуется с помощью резистора R, имеющего сопротивление в десятки кОм.

Схемы включения термопары выглядит следующим образом:

Рис.1. Схема подключения термопары к дифференциальному входу

Рис.2. Схема включения термопары через неивертирующий инструментальный усилитель.

Рис.3. Схема включения термопары через инвертирующий инструментальный усилитель.

Основные соотношения для расчета измерительного усилителя термопары.

Исходными данными для расчета усилителя являются:

1. Диапазон измеряемой температуры Т_мин, Т_мах

2. ТермоЭДС для максимальной измеряемой температуры Е_мах (берется из справочных данных) и минимальной температуры Е_мин (берется из справочных данных)

3. Выходное напряжение усилителя U_вых.

Расчет инструментального усилителя с дифференциальным входом

1. Определяется необходимый коэффициент усиления по выражению:

Ку= U_вых/ Е_мах

Если полученное значение Ку больше значения коэффициента усиления при котором обеспечивается динамическая устойчивость, принимается максимально возможное усиление, а обеспечение рассчитанного Ку возлагается на последующие каскады.

2. Выбираются значения R1 и R2, (рис. 1) которые должны быть равны. Рекомендуется принять номиналы R1 и R2 равным 1 кОм.

3. Определяем значение R3 по выражению

,

откуда

R3=К_у *R1.

4. Выбираем номинал R4 = R3.

5. Определяем выходное напряжение усилителя при минимальной температуре диапазона

U_{вых_мин} =Е_мин *Ку

6. По справочным данным выбирается тип резисторов и их номинал в соответствии с номинальным рядом. По справочным данным выбирается операционный усилитель с минимальным напряжением смещения Uсм, малыми входными токами i_вх и низкой потребляемой мощностью Рn. Коэффициент усиления должен быть по возможности высоким.

Расчет инструментального усилителя с неинвертирующим входом

1. Определяется необходимый коэффициент усиления по выражению:

Ку= U_вых/ Е_мах

2. Рассчитываются номиналы резисторов (рис. 2):

,

Номинал R2 обычно принимается равным 1 кОм, что позволяет пренебречь влиянием входных токов ОУ, тогда

R1=К_у-1.

3. Определяем выходное напряжение усилителя при минимальной температуре диапазона

U_{вых_мин} =Е_мих *Ку

4. Для возможности подстройки масштаба преобразования зададимся диапазоном регулировки коэффициента усиления ΔК , %.

Тогда

R2_Σ= R2¹ * ΔК/100,

R2= R2¹ - R2_Σ

R3= 2 *R2_Σ

где R2¹ сопротивление R2 определенное в п.2.

Рис.4. Схема включения термопары через неивертирующий инструментальный усилитель с возможностью подстройки масштаба преобразования.

5. По справочным данным выбирается тип резисторов и их номинал в соответствии с номинальным рядом. По справочным данным выбирается операционный усилитель с минимальным напряжением смещения Uсм, малыми входными токами i_вх и низкой потребляемой мощностью Рn. Коэффициент усиления должен быть по возможности высоким.

Расчет инструментального усилителя с инвертирующим входом

1. Определяется необходимый коэффициент усиления по выражению:

Ку= U_вых/ Е_мах

2. Расчитываются номиналы резисторов (рис. 3):

,

Номинал R1 обычно принимается равным 1 кОм, что позволяет пренебречь влиянием входных токов ОУ, тогда

R2=К_у* R1.

3. Определяем выходное напряжение усилителя при минимальной и максимальной температуре диапазона

U_{вых_мах} =Е_мах *Ку

U_{вых_мин} =Е_мин *Ку

4. По справочным данным выбирается тип резисторов и их номинал в соответствии с номинальным рядом. По справочным данным выбирается операционный усилитель с минимальным напряжением смещения Uсм, малыми входными токами i_вх и низкой потребляемой мощностью Рn. Коэффициент усиления должен быть по возможности высоким

Подключение термосопротивления.

Для подключения термосопротивления к схемам измерения используется преобразователи сопротивление – напряжение. Эти преобразователи могут быть построены по схеме включения терморезистора в цепь обратной связи усилителя или по схеме с измерительным мостом.

Преобразователи по схеме включения терморезистора в цепь обратной связи усилителя

Для получения линейной зависимости напряжения от сопротивления в преобразо­вателях «сопротивление — напряжение» («R/U») резистивный датчик запитывается от источника тока. Если резистивный датчик удален от источника тока или от усилителя, то для устранения влияния соединительных проводов используются мостовые схемы преобразователей, в которых частично или полностью компенсируется влияние сопротивления соединительных проводов R _п1, R _п2, R _п3 и начальное сопротивление дат­чика.

Рис.5. Схема включения терморезистора в ОС УС

Для данной схемы, передаточную функцию можно записать в виде:

где R _х — сопротивление датчика; R _п1, R _п2 — сопротивление проводов,

Принимая R₂ = R₃ = R , Rх₀ = R₁ где Rх₀ — начальное сопротивление датчика, получаем:

В схеме рис. 6, сопротивления R _п1, R _п2 включены последовательно с высоко-омными сопротивлениями R₁, R _вхоу, где R ₁ , R _вхоу — выходное сопротивление источника тока и входное сопротивление ОУ. Поэтому влиянием R _п1, R _п2 можно пренебречь. Со­противление R _п4 включено в прямой тракт преобразования, в связи с чем оно также не оказывает влияния на результат преобразования. Для уменьшения влияния сопротив­ления R _п3 на выходе преобразователя можно включить повторитель напряжения.

Рис.6. Схема включения терморезистора в ОС УС

Передаточная функция данного преобразователя имеет вид

U_вых = I_оп * R_х +E_оп

Преобразователи по схеме с измерительным мостом

Измерительный мост — устройство для измерения электрического сопротивления. Принцип измерения основан на взаимной компенсации сопротивлений двух звеньев, одно из которых включает измеряемое сопротивление. В качестве индикатора обычно используется чувствительный гальванометр, показания которого должны быть равны нулю в момент равновесия моста.

Рис.7. Измерительный мост с вольтметром

На схеме R₁, R₂, R₃, R_x — плечи моста, AD — диагональ питания, CB — измерительная диагональ. R_x представляет собой неизвестное сопротивление; R₁, R₂ и R₃ — известные сопротивления, причём значение R₂ может регулироваться. Если отношение сопротивлений (R₁ / R₂) равно отношению сопротивлений другого (R_x / R₃), то разность потенциалов между двумя средними точками будет равна нулю, и ток между ними не будет протекать. Сопротивление R₂ регулируется до получения равновесия, а направление протекания тока показывает, в какую сторону нужно регулировать R₂.

С помощью гальванометра момент равновесия можно установить с большой точностью, и если сопротивления R₁, R₂ и R₃ имеют маленькую погрешность, то R_x может быть измерено очень точно, ведь даже небольшие изменения R_x вызывают заметное нарушение баланса всего моста.

Таким образом, если мост сбалансирован (ток через гальванометр, сопротивление которого можно обозначить как R_g, равен нулю), эквивалентное сопротивление цепи будет:

R₁ + R₂ в параллели с R₃ + R_x, то есть

С другой стороны, если R₁, R₂ и R₃ известны, но R₂ не регулируется, то значение напряжения или тока через гальванометр также можно использовать для расчёта R_x, используя законы Кирхгофа.

Запишем первый закон Кирхгофа для точек B и C (I_g — ток, протекающий через гальванометр):

B:

C:

Теперь рассчитаем потенциал в цепях ABC и BCD, используя второй закон Кирхгофа:

ABC:

BCD:

Учитывая, что мост сбалансирован и I_g = 0, запишем систему уравнений:

Решая систему уравнений, получим:

Если известны значения всех четырёх сопротивлений, а также напряжение (V_s), то напряжение на плечах моста можно найти, используя формулы делителя напряжения, а затем вычесть их друг из друга, чтобы найти V:

Если упростить выражение:

Измерительный мост показывает пример так называемых дифференциальных измерений, которые могут обладать очень высокой точностью. Варианты измерительного моста могут использоваться также для измерения электрической ёмкости, индуктивности и импеданса.