Oslash;Схемы подключения, основанные на нулевом сравнении

Применяются при необходимости особой точности измерения. При­менение их ограничивается высокой сложностью. Как правило, используются в настроечно-регулировочных подсистемах. Известны два способа уравно­вешивания объекта измерения и эталона – автоматический баланси ком­пенсация. Со схемами, основанными на этих способах, мы и познакомимся ниже.

Схема подключения «Автобалансный мост» приведена на рис. 56 и представляет собой целую автоматическую систему с собственным усили­телем, исполнительным механизмом и обратной связью, хотя ее функция совпадает с функцией датчика – получение, преобразование и передача в сис­тему информации о со­стоянии объекта.

Регистри­рующая часть схемы напо­минает обычный мост со­противлений за одним ис­ключением – сопротивления R₃ и R₄ объединены в регу­лирующий потенциометр R₃–R₄. При разбалансировке моста (возникает при изме­нении состояния датчика R₁) в диагонали 3–4 возни­кает ток I_X. Он подается на вход усилителя У. Коэффи­циент усиления по мощно­сти усилителя достаточен, чтобы он на выходе управ­лял вспомогательным сервоэлектродвигателем М (лат. servus – раб, слуга). I_Y – ток на выходе усилителя. Двигатель М механически связывается с ламелью регулирующего потенциометра R₃–R₄, перемещая его в сторону уменьшения разбалансировки. При наступлении состояния баланса ток I_X исчезает, и двигатель М выключается. Измерение автобалансной схе­мой основано на положении о том, что количество энергии, необходимое для приведения системы в устойчивое положение, равно (без учета кпд) количеству энергии, затраченному на выведение системы из этого состоя­ния. О состоянии объекта измерения судят либо по энергии, потребленной двигателем (на рисунке показан ваттметр), либо визуально – по положению ламеля потенциометра R₃–R₄. Точность измерения составляет сотые доли процента от диапазона измерения.

Компенсационная схема подключения. Принцип компенсации заклю­чается в том, что электродвижущая сила, пропорциональная входному сиг­налу на датчике, уравновешивается равной по величине и противоположной по направлению электродвижущей силой источника питания схемы, кото­рый затем и измеряется. В компенсационной схеме используются только датчики генераторного типа. Известны двух- и трехконтурные схемы с руч­ной и автоматической компенсацией. В качестве примера на рис. 57 при­ведена двухконтурная схема с ручной компенсацией и термопарой в каче­стве датчика.

Схема состоит из двух контуров – эталонного и рабочего. Источни­ком тока в эталонном контуре является батарея Е, в рабочем – термопара ТП (она же датчик). Потенциометр R₂ эталонного контура служит для его под­настройки в случае изменения электродвижущей силы батареи. Потенцио­метр R₁ оттарирован. Контуры обладают общим участком – правой по ри­сунку от ламеля частью потенциометра R₁ – R_X. Балансное состояние схемы наступает при равенстве токов I_Э и I_Р.

Так как эдс контуров направлены про­тивоположно, на общем участке ток отсутствует. В этом месте контуры как бы разорваны и ток не протекает в них обоих. Состоянию ба­ланса соответствует нулевое показа­ние амперметра. Так как I_Э = I_Р , то для эдс, вырабатываемой термопа­рой

, (49)

т. е. эдс датчика обратно пропор­ционально сопротивлению R_X с вы­сокой точностью, гарантируемой стабильностью I_Э. В состояние ба­ланса схема приводится перемещением ламеля потенциометра R₁, отградуи­рованного непосредственно в единицах измеряемого параметра (в данном случае – градусах). Измерение происходит следующим образом: пере­мещением ламеля добиваются нулевого показания амперметра, потом со шкалы потенциометра считывают значение входного сигнала датчика. Из того, что в момент измерения ток в контурах не течет, следует важнейшее свойство компенсационной схемы – в процессе измерения энергия от объ­екта не отбирается, т. е. обратное воздействие датчика на объект равно нулю. Отсюда важное следствие – собственная точность компенсационной схемы абсолютна. Реальная точность зависит только от собственной точно­сти элементов схемы, что составляет, как правило, сотые и тысячные доли процента от диапазона измерения. Компенсационные схемы наиболее слож­ные и наиболее точные из рассмотренных. В трехконтурных схемах добав­лен контрольный контур с высокостабильным источником питания (например, ртутно-кадмиевым гальваническим элементом). Контрольный контур служит для настройки компенсационным способом тока эталонного контура. В схемах с автоматической компенсацией применяется сервопри­вод ламеля, аналогичный таковому в автобалансной схеме (рис. 56). Вместо амперметра в рабочий контур включается входная цепь усилителя.

Несколько особняком в ряду схем подключения датчиков стоят электросиловые преобразователи. Их обособленность объясняется тем, что, во-первых, они специализированы и служат только для измерения уси­лия, во-вторых, у них нет четкой границы между датчиком и схемой под­ключения. Известны два типа электросиловых преобразователей – с силовой и магнитной компенсацией. Оба они измеряют способом компенсации, только в первом случае компенсируются усилия в механической системе преобра­зователя, а во втором – магнитные поля электромагнита.

Электросиловой преобразователь с силовой компенсацией. Схема преобразователя приведена на рис. 58,а. Рабочим элементом, контактирующим непосредственно с объектом, является много­плечий рабочий рычаг 1. Одно из плеч этого рычага через передающий ры­чаг 2 и тягу 3 связано с двуплечим балансным рычагом 4. Остальные плечи свободны и служат для подключения измеряемого усилия P₁, P₂ или P₃. Свободные плечи обладают разной длиной, что позволяет при одном диапазоне выходного сигнала использовать несколько диапазонов входного усилия. Одно из плеч балансного рычага является сердечником дифференциального трансформатора L₁ – L₂ – L₃ – L₄ . При ближайшем рас­смотрении этот трансформатор является не чем иным, как дифференциаль­ной схемой подключения датчика с переменной индуктивностью в обоих контурах (см., рис. 55,г), причем датчиком является плечо ба­лансного рычага. Смежный участок a–b контуров дифференциального трансформатора является одновременно входной цепью X встроенного усилителя мощности У. Выходная цепь Y усилителя является одновре­менно цепью питания силового электромагнита YA. Сердечник электромаг­нита присоединен ко второму плечу балансного рычага. Выходным сигна­лом преобразователя является сила тока I_Y в цепи питания электромагнита (на рис. 58 выход преобразователя представлен амперметром). Работает преобразователь следующим образом. При отсутствии уси­лия на рабочем рычаге левое плечо балансного рычага занимает строго сим­метричное положение между обмотками дифференциального трансформа­тора. Токи в его обоих контурах равны и противоположно направлены, на смежном участке a – b контуров токи взаимно уничтожаются. На входе в усилитель сигнал отсутствует, следовательно, отсутствует и на его выходе. Ток через обмотку электромагнита не протекает, показания амперметра равны нулю, система находится в состоянии нулевого равновесия. При по­явлении на каком-либо из свободных плеч рычага 1 усилия, рычажная система перемещается, сердечник дифференциального трансформатора смещается от центрального положения, на участке a – b появляется ток рас­согласования. Усилитель усиливает этот ток и подает на электромагнит. По­следний развивает выравнивающее усилие P_В, пропорциональное и проти­воположное первоначальному возмущению. Система приходит в состояние силового равновесия, причем ток в цепи питания электромагнита строго пропорционален возмущающему усилию.

а	б

Рис. 58. Электросиловые преобразователи: а – с силовой компенсацией;
б – с магнитной компенсацией: 1 – рабочий рычаг; 2 – передающий рычаг;
3 – тяга; 4 – балансный рычаг; 5 – сердечник; 6 – якорь

Электросиловой преобразователь с магнитной компенсацией (рис. 58,б). Преобразователь не имеет механической системы, за счет этого он проще по конструкции и меньше по габаритам. Основой кон­струкции является сердечник 5, на котором намотаны две катушки – входная катушка W_В и катушка обратной связи W_ОС. Входная катушка играет роль индуктивного датчика перемещения, а катушка обратной связи – силового электромагнита. Якорем (подвижным сердечником) служит постоянный магнит 6.

Входная катушка соединена со входом усилителя мощности У, а катушка обратной связи – с выходом. В состоянии равновесия якорь распо­ложен строго симметрично относительно входной обмотки и сердечника. При воздействии на якорь измеряемого усилия P состояние баланса наруша­ется, в цепи входной катушки и на входе в усилитель появляется ток. Уси­ленный ток подается на катушку обратной связи, которая развивает усилие, равное и противоположное возмущающему. Выходным сигналом, как и в предыдущем случае, служит ток на выходе усилителя.

Контрольные вопросы и задания

1. Перечислите способы измерения, сравните сложность их инстру­ментального оснащения и точность.

2. Опишите схемы подключения датчиков, основанные на непосредственном измерении: принцип действия, область применения, достоинства и недостатки, точность измерения.

3. Опишите мостовую схему подключения датчиков: способ измерения, прин­цип действия, область применения, достоинства и недостатки, точность измерения.

4. Опишите дифференциальные схемы подключения датчиков: способ измере­ния, принцип действия, область применения, достоинства и недос­татки, точность измерения.

5. Опишите схему подключения автобалансный мост: способ измерения, принцип действия, область применения, достоинства и недостатки, точность измерения.

6. Опишите компенсационную схему подключения датчиков: способ измере­ния, принцип действия, область применения, достоинства и недос­татки, точность измерения.

7. Опишите электросиловые преобразователи: виды, способ измерения, прин­цип действия.