Потенциометрическая схема с резистивным датчиком

На рис. 1 показана потенциометрическая схема с резистивным датчиком. Датчик с изменяющимся сопротивлением R_c, включенный последовательно с резистором постоянного сопротивления R₁, питается от источника с внутренним сопротивлением R_s, эдс которого e_s постоянна или переменна.

Рис. Потенциометрическая схема включения резистивного датчика

Выходное напряжение U_m, измеряемое на выходе датчика прибором с входным сопротивлением R_d, равно

Напряжение на выходе датчика не зависит от используемого измерительного прибора при условии, что у того входное сопротивление существенно больше сопротивления датчика (R_d ≫ R_c). Напряжение в этом случае равно

то есть является нелинейной функцией от R_c.

В настоящее время, когда в системах измерения используются процессоры, нелинейность легко устраняется программными способами во время обработки сигнала. Тем не менее, в измерительной схеме всегда предпочтительнее иметь линейную зависимость выходного напряжения от R_c. Рассмотрим способы повышения линейности характеристики потенциометрической схемы.

1. Работа на малом участке характеристики датчика при соблюдении условия

ΔR_c ≪ R_c0 + R_l + R_s,

где R_c0 – начальное значение сопротивления R_c при отсутствии измеряемой величины;

ΔR_c – приращение сопротивления R_c, вызванное измеряемой величиной.

Приращение напряжения в этом случае с точностью до малых величин второго порядка линейно зависит от ΔR_c

2. Питание схемы от источника тока (Rs >> R_c0+R₁).

Характеристика при этом также линейна:

ΔU_m = i_s ΔR_c, где i_s = e_s /ΔR_c.

3. Использование дифференциального включения датчиков. При этом вместо постоянного резистора R₁, включают второй идентичный датчик с обратной характеристикой по отношению к первому датчику. Знаки приращений сопротивлений датчиков 1 и 2 под действием измеряемого параметра должны быть различны:

R_с = R_c0 + ∆R_с;

R₁ = R_c0 – ∆R_с.

При полной идентичности характеристик датчиков 1 и 2 имеем линейную зависимость

Потенциометрическая схема проста, но имеет два существенных недостатка:

- значительная начальная составляющая в выходном сигнале, которую надо учитывать;

- низкая точность измерения приращения ΔU_m, что является следствием первого недостатка.

Рассмотрим в качестве примера потенциометрическую схему с термометром сопротивления, который при 0 ^оС имеет сопротивление R₀ = 100 Ом, измерительный ток равен 1 мА. Измеряем температуру 20 ^оС.

При 0 ^оС на выходе потенциометрической схемы будет напряжение 100 мВ, при 20 ^оС – 108 мВ. Иными словами нам необходимо измерить полезное напряжение 8 мВ, на фоне бесполезного начального сигнала 100 мВ.

Для измерения напряжения 108 мВ необходимо использовать вольтметр с верхним пределом измерения не менее 200 мВ. Предположим, что погрешность вольтметра равна 0,1 % от верхнего предела измерения, то есть 0,2 мВ. Погрешность измерения полезного сигнала 8 мВ также будет равна 0,2 мВ, что составит 0,2∙100/8 = 2,5 %.

Существенно повысить точность позволяют мостовые схемы. Важнейшим преимуществом мостовой схемы является то, что она обеспечивает на выходе полезный сигнал без начального уровня. В рассмотренном выше примере на выходе мостовой схемы будет напряжение 0 мВ при 0 ^оС и 8 мВ при 20 ^оС. При этом вольтметр будет использоваться на пределе измерения 20 мВ, абсолютная погрешность составит 0,02 мВ. Соответственно погрешность измерения полезного сигнала будет в 10 раз меньше, чем у потенциометрической схемы.

Вследствие этого для резистивных датчиков в подавляющем большинстве случаев используется мостовая схема включения.