книги из ГПНТБ / Полонников Д.Е. Электронные усилители автоматических компенсаторов

§ 1] ОСОБЕННОСТИ УСИЛИТЕЛЕЙ АВТОКОМПЕНСАТОРОВ 9

ной спектроскопии и при анализе газов. При определении концентрации ионов (в ^//-метрии), в масспектрометрии, в некоторых областях биологии и работе с датчиками, исполь­ зующими радиоактивные изотопы, требуется измерять токи

многом аналогичны измерительным электрометрическим уси­ лителям, но имеют и свои отличительные черты. Работа в- качестве нуль-органа не требует от усилителей автокомпен­ саторов высокой стабильности коэффициента усиления, харак­ терной для измерительных усилителей. С другой стороны, усилители автокомпенсаторов должны обеспечивать высокую стабильность нуля, регулировка которого в большинстве слу­ чаев недопустима.

В автокомпенсаторе последовательно с усилителем вклю­ чается электродвигатель, и требуется большая величина пе­ редаточного коэффициента разомкнутой цепи, поэтому возни­ кают серьезные трудности с обеспечением устойчивости, осо­ бенно в быстродействующих приборах. Для обеспечения устойчивости и получения апериодического переходного про­ цесса на вход усилителя, кроме сигнала рассогласования, нередко подается его производная или сигнал, пропорцио­ нальный скорости вращения двигателя. Для обеспечения оп­ тимальной формы переходного процесса по быстродействию требуется нелинейная зависимость между сигналом рассогла­ сования и сигналом, пропорциональным скорости вращения, двигателя (см. А. Я. Лернер [17]). Усилитель должен обла­ дать хорошими динамическими свойствами; желательно, чтобы он представлял собой относительно полезного сигнала инер­ ционное звено первого порядка с минимальной постоянной времени. Это осложняется требованием высоких избиратель­ ных свойств, особенно в усилителях с большим входным; сопротивлением; между тем именно в таких усилителях часто, важны избирательные свойства.

От измерительной схемы на вход усилителя, помимо по­ лезного сигнала, почти всегда поступает паразитное на­ пряжение. В случае индуктивных или емкостных датчиков, паразитное напряжение складывается из высших гармоник рабочей частоты и из реактивной составляющей первой rap-

зитного сигнала обычно совпадает с частотой питающей сети. Паразитное напряжение поступает на вход усилителя и мо­ жет вызвать значительные дополнительные погрешности при­ бора. Чтобы избежать этого, усилителю придают соответ­ ствующие избирательные свойства за счет входных преобра­ зователей, сужения полосы пропускания и обеспечения фа­ зочувствительных свойств. Обеспечение избирательных свойств зачастую противоречит требованию высокой чувствительности и высокой динамической точности. Поэтому в ряде случаев приходится искать новые пути для обеспечения нужной из­ бирательности.

Особенностью усилителей автокомпенсаторов является также работа в нелинейной области при сильных перегрузщах входным сигналом, чего часто нельзя избежать, напри­ мер, в многоточечных регистрирующих приборах. При силь­ ной перегрузке в усилителе недопустимы большие сдвиги

•фазы, так как иначе будет заметно падать выходная мощ­ ность усилителя и, следовательно, быстродействие прибора.

•После снятия перегрузки переходный процесс в усилителе

особенности работы усилителя вызывают специфические тре­ бования к его схеме.

В отличие от обычных усилителей низкой частоты, в уси-

.лителях автокомпенсаторов нелинейные искажения практи­ чески не играют роли. Это объясняется, с одной стороны, тем, что усилитель работает в качестве нуль-органа, с дру­ гой— тем, что нагрузкой является реверсивный двигатель. В подавляющем большинстве автокомпенсаторов применяются двухфазные асинхронные двигатели. Одна обмотка двигателя ■служит для управления и включается на выход усилителя,

.другая через фазосдвигающий конденсатор включается в си­ говую сеть, как показано на рис. 2, а. Параметры R lt Ct выбираются так, чтобы на сетевой обмотке обеспечить на­ пряжение £/д нужной величины и при этом сдвинутое на 90° относительно напряжения сети (рис. 2, б). Конденсатор С2, шунтирующий обмотку управления, уменьшает эквивалентное сопротивление нагрузки для высших гармоник и увеличи-

§ 1] ОСОБЕННОСТИ УСИЛИТЕЛЕЙ АВТОКОМПЕНСАТОРОВ 11

вает его для первой гармоники. Асинхронные двигатели бла­ годаря отсутствию коллектора и трения в нем обладают меньшей зоной нечувствительности и большей надежностью

'■активной составляющей пер-. : вой гармоники.. Поэтому на- ( выходе усилителя допустим значительный уровень раз-. личных пульсаций и помех,

что в ряде случаев позво­ ляет снизить требования к избирательным свойствам уси­ лителя и к уровню пульса­ ций на выходе выпрямителя (имеется в виду двухполупериодный выпрямитель). По этой же причине нели­ нейные искажения усилителя не имеют практического зна­ чения.

Применение двухфазного асинхронного двигателя тре­ бует, чтобы полезный . сиг­ нал на выходе усилителя совпадал по частоте и по фазе с напряжением пита? ющей сети. Поэтому при

сигнале постоянного тока (независимо от требования к ста­ бильности нуля) в усилителях автокомпенсаторов всегда применяется преобразователь постоянного напряжения в огиба­ ющую напряжения несущей частоты.

В случае измерительных схем с питанием переменным током, питание двигателя всегда осуществляется от той же сети, причем в. самой измерительной схеме происходит пре­ образование (модуляция) измеряемого параметра в огибаю­ щую напряжения несущей частоты. Таким образом, усилитель

§2. Влияние характеристик усилителей на работу

исвойства автокомпенсаторов

Достоинства и область применения автокомпенсатора оп­ ределяются рядом характеристик, многие из которых зависяг от параметров и свойств нуль-органа, т. е. усилителя. Наи­ более существенны с этой точки зрения следующие харак­ теристики:

а) основная относительная погрешность, определяющая! класс прибора в нормальных условиях работы;

б) дополнительная погрешность, характеризующая влияниевнешних факторов, таких, как изменение температуры, влаж­

на его обмотке. Относительная погрешность, вызванная на­ личием зоны нечувствительности, представляет собой отно­ шение £/3.н к напряжению t/mK, соответствующему всей шкале прибора. Разделив обе части равенства (1.1) на £/шк и под­ ставив значение £/т из (1.2), получим следующую зависи­ мость относительной погрешности прибора от параметров уси­ лителя:

ная наличием зоны нечувствительности, уменьшается с ростом

ложный сигнал, который может медленно изменяться (дрей­ фовать) под действием ряда трудно учитываемых факторов. Напряжение, которое необходимо подать на вход, чтобы ском­ пенсировать указанный сигнал (или активную составляющую первой гармоники), будем называть сдвигом нуля (С/сл), а его самопроизвольные изменения— дрейфом нуля (£/ap). Дрейф нуля обычно носит чисто случайный характер около некото­ рого среднего значения, но иногда в него входит монотонно изменяющаяся составляющая. Величину дрейфа нуля в даль­ нейшем будем характеризовать максимальным отклонением

скомпенсировать, поэтому он дает составляющую погреш­ ности, равную £/др/£/шкПри заданной шкале прибора (£/шк) дрейф нуля усилителя и зона нечувствительности определяют величину минимально-достижимой погрешности, а при задан­ ной погрешности — минимальный диапазон измеряемого пара-

*) Под пусковым моментом понимается момент, развиваемый за­ торможенным двигателем, т., е. при нулевой скорости.

метра (минимальную шкалу). Если обозначить максимально' допустимую относительную погрешность прибора через 8П>. то можно записать:

условие, накладываемое на выбор минимального значения £/шс

прибора или его точности может быть также обусловлено флюктуационными шумами усилителя. Еслц_ среднеквадратич­ ное напряжение шумов, приведенное ко входу, усилителя,, значительно превышает напряжение трогания, то могут воз­ никнуть флюктуационные колебания стрелки прибора вокруг значения измеряемого параметра. Среднеквадратичная вели­ чина этих колебаний увеличивается с повышением быстродей­ ствия прибора, его чувствительности и с перемещением спектра шумов в сторону низких частот. Определение по­ грешности, вызванной флюктуационными шумами, требует сравнительно сложного анализа, так как должны учитываться конкретные динамические свойства системы с учетом нели­ нейности, вызванной трением. Этот анализ имеет практичес­ кое значение только для таких высокочувствительных усили­ телей, в которых остальные составляющие помехи ниже уров­ ня шумов. Последнее удается обеспечить только в редких случаях. Если среднеквадратичная величина шумов сравнима с напряжением трогания, то шумы даже уменьшают составляю­ щую погрешности, обусловленную зоной нечувствительности. Известно, что трение в системе может быть исключено пу­ тем наложения небольших периодических колебаний. Роль таких колебаний могут, в известной степени, заменить флюк­ туационные шумы.

Усилитель автокомпенсатора в значительной степени опре­ деляет дополнительные погрешности, возникающие под дей­ ствием изменений внешних условий: окружающей темпера­ туры, влажности, напряженности электрических и магнитных

сигнала на входе. Величина полезного выходного сигнала

грешность, вызываемую паразитным сигналом. Таким образом, помехозащищенность автокомпенсатора в значительной мере определяется свойствами усилителя.

Помимо погрешности, чувствительности прибора и его помехозащищенности, от усилителя зависит число и характер модификаций измерительных схем, которые могут быть при­ менены в приборе. Ограничения, накладываемые на выбор и параметры измерительных схем, связаны с величиной вход­ ного сопротивления усилителя, его порогом чувствительности, избирательными свойствами и видом входного сигнала, на ко­ торый рассчитан усилитель (постоянное напряжение или ток, переменное напряжение). От величины входного сопротивле­ ния усилителя зависит максимальный ток, отбираемый от из­ мерительной схемы. В измерительных схемах величина выход­ ного тока всегда ограничена. Например, в измерительных схемах с индуктивными датчиками выходной ток вызывает механическое противодействие перемещению чувствительного органа. Допустимая величина противодействия определяет максимально допустимый выходной ток измерительной схемы. В случае измерения pH ток, отбираемый от датчика, приво­ дит к его поляризации, поэтому величины тока также не