2.2.3. Схема цепей в виде неравновесных мостов.
Делитель R и R1 уравновешивает делитель R2 и R3 и тогда Ук =0. При отклонении преобразователя от исходного состояния мост выходит из равновесия, создавая напряжение на указателе, являющимся функцией положения преобразователя.
Рис. 23.
Неравновесный мост имеет больше возможностей, чем делитель, т. к параметрические преобразователи могут быть включены в одно , два или все четыре плеча моста.
Условие достижения равновесия моста перед началом измерений определяется равенством
RR2=R1R2.
Из данных соотношений следует, что состояние равновесия может быть достигнуто регулировкой сопротивления любого одного плеча при любых постоянных значениях сопротивлений остальных плеч.
Делитель RR1 (рис.23) может быть выполнен дифференциальным. В этом случае при бесконечно большом сопротивлении указателя (или входного сопротивления усилителя) функция преобразования становится линейной, тогда как цепь с преобразователем в одном плече (Рис.21) имеет большую нелинейность функции преобразования.
2.3. Структурная схема измерительной цепи методом уравновешивания.
Рис. 24.
ПП-предварительный преобразователь.
ПН-преобразователь неравновесия.
Ус-усилитель.
ОП-обратный преобразователь.
Коэффициент преобразования (чувствительность) измерительной системы уравновешивания равен
К=Кп/ (1+КпКо), где Кп и Ко –чувствительность цепи прямого и обратного преобразований, соответственно.
Таким образом, чувствительность всей системы в (1+КпКо) раз меньше чувствительности цепи прямого преобразования. Приблизительно во столько же раз уменьшается результирующая погрешность преобразования по сравнению с погрешностью цепи прямого преобразования.
Преобразователи с обратной связью между входом и выходом называются датчиками с силовым уравновешиванием, т.к. в подобных устройствах входная сила уравновешивается противоположно направленной электромеханической силой. Обратные связи широко используются в электронных усилителях.
2.4. Средства преобразованияразличных параметров исследуемых объектов.
В общем случае измерительная система состоит из последовательной цепи различных преобразователей, отличающихся по назначению, принципу действия, конструкции и другим признакам. В состав такой системы могут входить следующие виды преобразователей:
- неэлектрических величин в неэлектрические;
- электрических величин в электрические;
- неэлектрических величин в электрические;
- электрических величин в неэлектрические.
На практике принято называть преобразователем только первичный преобразователь, воспринимающий измеряемую величину и преобразующий ее в другую физическую величину, чаще всего электрическую.
Первичные преобразователи обычно классифицируются по принципу действия и составляют следующие группы:
- механические упругие преобразователи для измерения усилий, давлений, крутящих моментов и т.д.
- резистивные преобразователи таких механических величин, как деформации, линейные и угловые перемещения, изменяющие активное сопротивление преобразователя, являющееся выходной величиной.
- пьезоэлектрические преобразователи, основанные на свойстве некоторых кристаллов электризоваться под действием механических напряжений или деформироваться в электрическом поле и применяемые для измерения усилий, давлений, ускорений.
- электростатические преобразователи, основанные на изменении емкости конденсатора при изменении взаимного положения его пластин или расстояния между ними.
- электромагнитные преобразователи, использующие изменение индуктивности или взаимоиндуктивности обмоток при перемещениях ферромагнитных сердечников (параметрические), или эффект наведения ЭДС в обмотке при движении одного из элементов конструкции (генераторные).
- тепловые преобразователи, входной величиной которых является температура, а выходной – электрическое сопротивление или ЭДС.
- преобразователи излучения, содержащие источник излучения, оптический канал и приемник излучения, воспринимающий поток, модулированной входной величиной и преобразующий его в выходной электрический сигнал.
В большинстве случаев в первичных преобразователях входной величиной является неэлектрическая величина, а выходной – электрическая.
В преобразователях электрических величин в электрические производится либо изменение масштаба входной величины (усилители, трансформаторы, делители), либо вида электрического параметра, т.е. тока в напряжение (шунты), переменного тока в постоянный (выпрямители), либо вида отображения процесса (модуляторы, демодуляторы).
В системах переменного тока измеряемая величина меняет один из параметров питающего переменного напряжения по закону изменения входной величины.
Таким параметром может являться амплитуда переменного тока, его частота или фаза. Изменение одного из параметров называется модуляцией.
При амплитудной модуляции частота источника питания (так называемая несущая частота) сохраняется неизменной, а изменение амплитуды воспроизводит изменение входной измеряемой величины, т.е. огибающая амплитудных значений выходного сигнала меняется по закону изменения входной величины.
При частотной или фазовой модуляции амплитуда выходного сигнала постоянна, а закон изменения входной величины воспроизводится соответствующим изменением частоты или фазы модулированного сигнала.
Рис.25 .
Рис. 26.
Преобразователи неэлектрических величин в неэлектрические могут быть масштабными (рычаги, редукторы) или преобразовать процесс (пружины, мембраны и т.п.).
К преобразователям электрических величин в неэлектрические относятся электроизмерительные приборы, электромагниты, электродвигатели и т.д. Здесь входной величиной является какой-либо электрический параметр (ток, напряжение, частота и т.д.), а выходной – перемещение, скорость, световой поток, температура и т.д.
Механические упругие преобразователи чаще всего используются совместно с другими типами преобразователей, воспринимающими деформацию и преобразующими ее в электрическую величину. Такими вторичными могут быть резистивные, пьезоэлектрические, электростатические и электромагнитные преобразователи.
Измерительные системы делятся на системы постоянного и переменного тока. В первых выходная величина (ток или напряжение) измеряется по тому же закону, что и измеряемая выходная величина.
Рис. 27.
В системах переменного тока с амплитудной модуляцией промодулированный сигнал усиливается, а затем демодулируется, то есть из него выделяется постоянная составляющая, пропорциональная амплитуде сигнала и измеряемой входной величине, которая затем подается на указатель, регистратор или вновь преобразуется.
При частотной модуляции сигнал обычно преобразуется в модулированный по амплитуде, а затем усиливается и демодулируется.
Простейшим преобразователем частотно-модулированного сигнала в амплитудно-модулированный является колебательный контур, работающий восходящей ветви резонансной кривой.
Вопросы для самоподготовки:
Какие параметры измеряют в результате изготовления, наладки и испытания КПМ?
Какие средства и методы измерения существуют. Основные требования к ним?
Какие классы измерительных цепей существуют?
На какие группы деляться схемы измерительных цепей прямого преобразования?
Нарисовать схему последовательного включения параметрических преобразователей?
Нарисовать цепь в виде делителя напряжений?
Нарисовать цепь в виде неравновесного моста?
Какие виды преобразователя сигналы вам известны?