Схемы включения преобразователей и расчетные соотношения для них

Для измерения выходного параметра резистивных ИП может быть использована любая цепь, предназначенная для измерения сопротивления. Питание измерительной цепи может осуществляться как на постоянном, так и на переменном токе.

Цепь последовательного включения состоит из РИП R_X и сопротивления нагрузки R_H (например, амперметра) и показана на рис. 5.8. В общем случае сопротивление резистивного ИП является функцией измеряемой величины Х и может быть записано в виде R_X = R₀ ± DR_X. Уравнение преобразования цепи будет I_X = E/[R_Н + R₀ ± DR_X].

Измерительная цепь последовательного включения характеризуется нелинейной зависимостью между DI_X и DR(X). Погрешность линейности может быть уменьшена при работе на начальном участке характеристики I_X= F(DR).

Цепь резистивного делителя напряжения показана на рисунке 5.9 а. Уравнение преобразования цепи имеет вид

где R_ОГ - сопротивление, ограничивающее ток в цепи.

В качестве нагрузки R_H может быть использован вольтметр. Если сопротивление вольтметра R_Н = R_В >> R_Х, получим

U_ВЫХ = E(R₀ ± DR _X)/(R_ОГ+ R₀ ± DR_Х). (5.35)

Измерительные цепи последовательного включения и резистивного делителя напряжения характеризуются нелинейной зависимостью между выходной величиной (DI_X, DU_X) и изменением DR_Х. Погрешность линейности умень-шается при работе на начальном участке характеристики преобразования. Эта погрешность также может быть уменьшена при включении в цепь делителя напряжения дифференциального преобразователя (рисунок 5.9 б).

Полагая, что R_X1 = R₀/2 - DR_X; R_X2 = R₀/2 + DR_X и R_Н >> R_Х2, для цепи с дифференциальным преобразователем получим линейную зависимость U_ВЫХ от DR_X

U_ВЫХ = E(R₀ + 2DR_X)/2R₀. (5.36)

Недостатком рассмотренных измерительных цепей является то, что нулевому значению измеряемой величины (Х = 0) соответствует не нулевое значение выходной величины (I_X ¹ 0; U_ВЫХ ¹ 0). При измерении переменных величин этот недостаток устраняется использованием разделительных конденсаторов. Результирующие погрешности цепей последовательного включения и делителя напряжения зависят от погрешности ИП, погрешности от нестабильности параметров источника питания и нагрузки.

Рассмотренные измерительные цепи могут работать как на постоянном, так и на переменном токе.

Мостовые измерительные цепи выполняются в виде неравновесных и равновесных мостов. В неравновесных мостах (рисунок 5.10) в исходном состоянии осуществляется компенсация начального значения выходного сигнала так, чтобы при Х = 0 он был равен нулю. При отклонении измеряемой величины Х от нуля изменяется сопротивление R_X = R₀ + DR_Xи мост выходит из состояния равновесия.

Выходное напряжение мостовой цепи (рисунок 5.10 а) определяется как измерительные преобразователи могут быть включены в одно (рисунок 5.10 а), два (рисунок 5.10 б) и четыре (рисунок 5.10 в) плеча моста. Как видно из формулы (5.37), выходное напряжение моста при заданном напряжении питания Е в общем случае нелинейно зависит от DR_X для всех вариантов включения ИП.

При включении дифференциального ИП (рисунок 5.10 б), равенстве в состоя-нии равновесия сопротивлений всех плеч моста R_X1 = R_X2 = R₃ = R₄ = R₀ и R_Н >> R₀ уравнение преобразования мостовой цепи будет линейным.

Выходное напряжение для равноплечего моста при R_H >> R₀ определяется следующими формулами: U_ВЫХ1 = E DR_X/4R₀ (рисунок 5.10 а);
U_ВЫХ2 = E DR_X /2R₀ (рисунок 5.10 б); U_ВЫХ4 = E DR_X /R₀ (рисунок 5.10 в), то есть выходное напряжение линейно зависит от изменения сопротивления DR_X [10].

Рисунок 5.10

К достоинстваммостовой цепи можно отнести возможность получения нулевого выходного сигнала при значении измеряемой величины равной нулю.

Мостовые цепи работают как на постоянном, так и на переменном токе, причем питание может осуществляться как от источника напряжения, так и от источника тока.

Основными причинами погрешностей мостовых цепей являются: временная и температурная нестабильность нерабочих плеч моста; нестабильность источника питания; погрешности ИП.

Измерительные цепи в виде равновесных мостов отличаются от неравновесных мостов тем, что в них независимо от значения измеряемого сопротивления условие равновесия поддерживается постоянно, причем уравновешивание моста может осуществляться оператором или автоматически.

На рисунке 5.11 приведен пример схемы автоматически уравновешиваемого моста. При отсутствии входного сигнала мост уравновешен и движок реохорда R_Р находится в начальном положении. При изменении входного сигнала мостовая цепь выходит из равновесия. На выходе моста появляется напряжение U_М, которое усиливается усилителем Ус и подается на реверсивный двигатель Д, который перемещает движок реохорда R_P до тех пор, пока не наступит новое состояние равновесия в мостовой цепи. Шкала указателя на валу двигателя и реохорда градуируется в единицах входной величины.

Самоуравновешивающиеся (автоматические) мосты относятся к измерительным цепям астатического следящего уравновешивания, в которых превалирует аддитивная погрешность, обусловленная наличием порога чувствительности нуль органа и двигателя.

Измерительные цепи РИП с операционными усилителями обладают достаточно высокими характеристиками и находят широкое применение при и построении измерительных приборов с резистивными первичными преобразователями. На рисунке 5.12 приведены примеры схем преобразователей сопротивления в напряжение. Схема с двухпроводной линией связи (рисунок 5.12 а) применяется в тех случаях, когда измеряются большие сопротивления или когда РИП находится в непосредственной близости от измерительной схемы. Уравнение преобразования имеет вид U_ВЫХ = -ЕR2/R1. Датчик может быть включен вместо любого из сопротивлений схемы.

Рисунок 5.12

Измерительная цепь, показанная на рисунке 5.12 б, может быть использована для дифференциальных резистивных датчиков. Уравнение преобразования этой цепи имеет вид U_ВЫХ = 2Е DR_Х/R₀ [15].