6. Преобразователи вида сигнала для целей измерения и передачи информации

6.1. Преобразователи сопротивления в напряжение

В измерительных системах широко применяются резистивные первичные преобразователи, работа которых основана на изменении сопротивления под воздействием измеряемой величины. К ним относятся термометры сопротивления, тензометрические датчики, преобразователи линейных и угловых перемещений, влажности и т.п. Для вывода сигнала на измерительный прибор или ввода его в автоматическую систему необходим преобразователь сопротивления в напряжение (ПСН). Чаще всего преобразуемое сопротивление удалено от преобразователя на значительное расстояние. В этом случае необходимо оценивать погрешность, которую может внести сопротивление соединительных проводов, и при необходимости принимать меры по ее компенсации.

П ри неизменном токе падение напряжения на резисторе пропорционально его сопротивлению. Таким образом, ПСН можно выполнить, включая преобразуемое сопротивление в качестве нагрузки стабильного источника тока. Простейшая схема ПСН представлена на рис. 6.1, а. Ее недостатками являются ненулевое (к тому же переменное) выходное сопротивление, равное измеряемому сопротивлению R_x, и наличие погрешности от сопротивления соединительных проводов. Поэтому такую схему применяют в случаях, когда преобразуемое сопротивление находится в непосредственной близости от преобразователя, и входное сопротивление приемника сигнала достаточно велико, например, в мультиметрах.

Весьма низкое выходное сопротивление можно получить, включив измеряемое сопротивление в цепь обратной связи ОУ (рис. 6.1, б). К резистору R приложено опорное напряжение U₀, поэтому ток через него равен U₀/R. Но этот же ток протекает через сопротивление R_х, поэтому выходное напряжение ОУ

В некоторых случаях недостатком схемы рис. 6.2, б может явиться то, что преобразуемое сопротивление не заземлено.

Для преобразования сопротивления, один вывод которого заземлен, удобно использовать рассмотренную ранее схему преобразователя напряжения в ток (см. рис. 1.18, в). В качестве входного напряжения U следует использовать стабильное опорное напряжение U₀, выходное напряжение снимается с выхода ОУ. Схема ПСН принимает вид, показанный на рис. 6.1, в. Здесь ОУ совмещает сразу несколько функций: является основой стабилизатора тока, усиливает напряжение на измеряемом сопротивлении, определяемое выражением (1.11), и обеспечивает низкое выходное сопротивление. Выходное напряжение ПСН

У всех ПСН с двухпроводной соединительной линией сопротивление проводов суммируется с сопротивлением R_х. Для устранения возникающей при этом погрешности применяется трех- и четырехпроводное соединение датчика с ПСН.

На рис. 6.2, а показано использование трехпроводного соединения. Сопротивление проводов линии обозначено r. Ток источника протекает последовательно по цепи r – R_x – r – выход ОУ. Обозначим напряжение на верхнем по схеме выводе R_x через U_x, напряжение на выходе ОУ через U_ОУ. Эти два напряжения связаны очевидными соотношениями:

Решая эти два уравнения совместно, находим: U_x = – rI. Тогда

U_вых = U_x +I(r + R_x) = IR_x.

Таким образом, влияние соединительной линии полностью исключено. Выходное сопротивление рассмотренного ПСН равно R_x, поэтому при работе на низкоомную нагрузку необходим буферный повторитель. Этот недостаток устранен в схеме с четырехпроводным соединением (рис. 6.2, б). Здесь напряжение на вход дифференциального усилителя подается непосредственно с R_x, поэтому падение напряжения на сопротивлениях r₁ и r₄, вызванное протеканием тока I, исключено из контура измерения и не вносит погрешности. Входное сопротивление дифференциального усил ителя, определяемое выбором сопротивлений R₁ – R₄, обычно составляет десятки или сотни кОм, что исключает влияние сопротивлений r₂ и r₃.