Oslash;Схемы подключения, основанные на дифференциальном сравнении

Мостовая схема (рис. 54). Датчиком является по­тенциометр R₁. На рис. 54 показана наиболее простая схема – мост сопро­тивлений постоянного тока. Диагональ моста 1–2 называется диагональю питания, а диагональ 3–4 – измерительной. Клеммами 3 и 4 схема подключается к системе управления (в нашем случае – к амперметру).

От точки 1 в точку 2 электрический ток может проходить двумя маршру­тами: 1–3–2 и 1–4–2. В каком направлении и какой величины ток будет протекать по соединяющей эти маршруты измери­тельной диагонали зависит от величины сопротивлений R₁, R₂, R₃ и R₄..

Ток в измерительной диагонали

, (36)

где U_3-4 – разница потенциалов между точками 3 и 4:

. (37)

Для U_1-3 и U_1-4 из закона Ома

(38)

где силы токов

(39)

Решая совместно формулы (36)–(39), получаем напряжение и силу тока в измери­тельной диагонали

(40)

Наиболее интересным является состояние моста, при котором по из­мерительной диагонали ток не течет, т. е. U_3-4= 0. Это состояние имену­ется балансом моста. Приравняв к нулю формулу (40), нетрудно вывести условие ба­ланса

(41)

и балансовую величину переменного сопротивления

. (42)

Из анализа формул (40)–(42) видно, что ток в измерительной диагонали пропорционален разнице между текущим и балансным состоянием моста, т. е. реализован дифференциальный способ сравнения, причем эталоном является балансное состояние моста.

Сказанное выше справедливо и для мостов переменного тока, при­чем в плечи моста можно ставить резисторы сопротивления, индуктивности, емкости или их сочетания. Поэтому мосты переменного тока гораздо универ­сальнее, чем постоянного. Формулы (40)–(42) для переменного тока прини­мают вид:

(43)

; (44)

, (45)

где`Z_i – полное сопротивление i-го элемента ( величина векторная):

, (46)

R, XL, XC – соответственно активное, индуктивное и емкостное сопротивле­ния.

Мостовая схема подключения датчиков получила большое распро­странение благодаря своим достоинствам. К ним относятся универсальность (схема стыкуется с параметрическими датчиками любых типов и может рабо­тать как на постоянном, так и на переменном токе) и высокая точность (до 0,5 % диапазона измерения, что вполне достаточно для решения подавляю­щего числа задач управления) при относительной простоте. Некоторым не­достатком схемы на переменном токе является сложность ее настройки на балансное состояние – необходимо последовательно и раздельно настроить все три составляющие полного сопротивления.

Дифференциальная схема подключения в отличие от мостовой может работать только на переменном токе и с датчиками с изменяе­мыми активным и индуктивным сопротивлением. Вместе с тем, при точно­сти, не уступающей таковой у мостовой схемы, они проще в настройке, что является причиной их применимости. Известны четыре типа дифференци­альных схем, приведенные на рис. 55. Они подразделяются по виду изме­няемого параметра на схемы с переменным активным и индуктивным со­противлением, каждая из которых может, в свою очередь, быть с одинар­ным или двойным изменением.

Дифференциальные схемы с переменным активным сопротивлением приведены на рис. 55, а и б. Датчиками здесь являются потенциометры R₁ – состоянию объекта измерения соответствует положение ламели. Прин­цип действия рассмотрим на наиболее простом примере – одинарной схеме с переменным активным сопротивлением. Схема состоит из двух замкнутых контуров, имеющих смежный участок a–b. Точки a и b – места подключения схемы к системе управления (на рисунке заменена амперметром). У каждого контура имеется свой источник питания – вторичные обмотки L₁ и L₂ трансформатора Тр₁. Ток в контурах

, (47)

где e₁, e₂ – электродвижущие силы соответствующих контуров, Z₁, Z₂ – сум­­марные полные сопротивления контуров. Электродвижущие силы в конту­рах направлены так, что на смежном участке a – b они противоположны, т. е. суммарный ток на этом участке

. (48)

а	б

в	г

Рис. 55. Дифференциальные схемы подключения: с переменным активным сопротивлением: а – одинарная; б – двойная; с переменным индуктивным сопротивлением: в – одинарная; г – двойная

При равенстве токов I₁ = I₂ наступает состояние баланса – суммарный ток на участке a – b равен нулю. При изменении состояния датчика (потенциометра R₁) изменяется сопротивление первого контура и соответственно I₁. Со­стояние баланса нарушается. Ток, протекающий по участку a – b пропор­ционален разности между текущим состоянием датчика и состоянием ба­ланса, что соответствует способу измерения дифференциальным сравне­нием.

Принцип действия остальных схем аналогичен, но имеются и разли­чия. В схемах двойного действия (рис. 55, б и г) изменение состояния объекта вызывает изменения в обоих контурах, причем противоположного характера. В то же время при равном с одинарной схемой изменении состояния датчика ток рассогласования I_a-b (выходной сигнал схемы) будет в два раза выше, т. е. чувствительность данных схем в два раза выше, а диапазон варьирования входного сигнала при заданном диапазоне выходного – в два раза меньше. В схемах с переменной индуктивностью (рис. 55, в и г) датчиком являются одна или обе вторичные обмотки L₁ и L₂ трансформа­тора, а подвижным элементом датчика – сердечник одной или обеих обмо­ток. Перемещение сердечника приводит к изменению магнитной проницае­мости среды внутри трансформатора, что вызывает двойственное изменение в схеме: во-первых, изменяется коэффициент трансформации (см. курс «Электрические машины»), следовательно, электродвижущая сила вторич­ной обмотки, во-вторых,
изменяется индуктивное сопротивление вторичной обмотки [см. формулу (21)]. Оба эти изменения согласованно приводят к изменению тока [формула (47)]. Поэтому, чувствительность этих схем выше, чем с переменным активным сопротивлением. Кроме того, у схем с пере­менной индуктивностью отсутствует подвижный электрический контакт, следовательно, нет износа и искрения. Все это привело к большей распро­страненности последних схем (особенно двойного действия как самой чувствительной из рассмотренных) по отношению к схемам с переменным активным сопротивлением.

Схемы подключения, основанные на дифференциальном сравнении, обладают по сравнению с остальными средними значениями сложности и точности и поэтому получили наибольшее распространение в системах управления.