Схемы включения датчиков

Схемы включения датчиков, чаще называемые измерительными схемами, предназначены для преобразования выходной величины датчика, а в большинстве случаев это изменение их внутреннего сопротивления, в более удобную величину для её последующего использования. Это, как правило, электрический ток или изменение напряжения, которые можно либо непосредственно определить с помощью электроизмерительного прибора либо, предварительно усилив, подать на соответствующее исполнительное или регистрирующее устройство.

Для этих целей широкое применение получили следующие схемы включения:

а) последовательная,

б) мостовая,

в) дифференциальная,

г) компенсационная.

Последовательная схема включения состоит из источника питания постоянного или переменного тока, самого датчика R_x, измерительного прибора или непосредственно исполнительного элемента и, обычно, добавочного сопротивления R_д, которое ограничивает ток в этой цепи (рис. 3.1). Подобная схема включения, чаще всего, находит широкое применение лишь с контактными датчиками, для которых R_х=0 или же R_х=∞. Так как при работе с другими датчиками в цепи измерительного прибора всегда протекает электрический ток, определяемый выражением , а незначительное изменение внутреннего сопротивления датчика приводит к очень малому изменению этого тока. В результате используется минимальный участок шкалы измерительного прибора, а точность измерения практически сводится к нулю. Поэтому для большинства других датчиков применяются специальные измерительные схемы, позволяющие значительно увеличить чувствительность и точность измерения.

Наиболее часто используется мостовая схема включения, при которой один, а иногда и несколько датчиков определенным образом соединяются совместно с дополнительными резисторами в четырехугольник (так называемый мост Уинстона), у которого имеются две диагонали (рис.3.2). Одна из них, называемая диагональю питания a-b, предназначена для подключения источника постоянного или переменного тока, а в другую, измерительную, диагональ c-d включается измерительный прибор.

При равенстве произведений величин сопротивлений противоположных сторон четырех-
угольника (плеч мостовой схемы) потенциалы точек c и d будут равны, и ток в измерительной диагонали будет отсутствовать. Такое состояние мостовой схемы принято называть равновесием моста, т.е. мостовая схема сбалансирована. Если же сопротивление датчика R_х от внешнего воздействия изменится, то равновесие будет нарушено и по измерительному прибору будет протекать ток, пропорциональный изменению этого сопротивления. При этом направление этого тока показывает, как изменилось сопротивление датчика (возросло или уменьшилось). Здесь при соответствующем выборе чувствительности измерительного прибора может использоваться вся его рабочая шкала.

Рассмотренная мостовая схема называется неравновесной, так как процесс измерения производится при разбалансе моста, т.е. нарушении равновесия. Неравновесная мостовая схема чаще всего используется в тех случаях, когда сопротивление датчика при воздействии внешних сил может изменяться за единицу времени очень быстро, но тогда вместо измерительного прибора целесообразнее использовать регистрирующее устройство, которое и зафиксирует эти изменения.

Более чувствительной считается равновесная мостоваясхема, в которой в два смежных плеча дополнительно подключается специальный измерительный реостат R (рис.3.3), оснащенный шкалой и называемый в измерительной технике реохордом.

В работе с такой схемой, при каждом изменении сопротивления датчика мостовая схема должна быть вновь уравновешена с помощью включенного реохорда, т.е. до отсутствия тока в измерительной диагонали. В этом случае, значение измеряемого параметра (изменение величины сопротивления датчика) определяется по специальной шкале, которой оснащается этот реохорд и проградуированной в единицах измеряемой датчиком величины.

Более высокая точность равновесного моста объясняется тем, что отсутствие тока в измерительном приборе зафиксировать легче, чем непосредственно измерить его величину, а уравновешивание моста в подобных случаях, как правило, выполняется с помощью специального электродвигателя, управляемого сигналом разбаланса мостовой схемы (см. вторую часть настоящего учебного пособия).

Мостовые схемы включения датчиков считаются универсальными, т.к. питание их может осуществляться как постоянным, так и переменным током, а самое главное, в эти схемы могут включаться одновременно несколько датчиков, что способствует повышению не только чувствительности, но и точности измерения.

Дифференциальная схема включения датчиков строится с использованием специального трансформатора, питаемого от сети переменного тока, вторичная обмотка которого разделена на две одинаковые части. Таким образом, в этой схеме (рис. 3.4) образуются два смежных контура электрической цепи, по каждому из которых протекает свой контурный ток I₁ и I₂. А величина тока в измерительном приборе определяется разностью этих токов, и при равенстве сопротивлений датчика R_x и дополнительного резистора R_д ток в измерительном приборе будет отсутствовать. При изменении сопротивления датчика по измерительному прибору потечет ток, пропорциональный этому изменению, а фаза этого тока будет зависеть от характера изменения этого сопротивления (увеличения или уменьшения). Для питания дифференциальной схемы используется только переменный ток и поэтому в качестве датчиков здесь целесообразнее использовать реактивные датчики (индуктивные или емкостные).

Особенно удобно применять такую схему включения при работе с дифференциальными индуктивными (рис. 2.13) или емкостными датчиками. При использовании подобных датчиков, фиксируется не только величина перемещения, например, ферромагнитного сердечника (рис.3.5), но и направление этого перемещения (его знак), в результате чего изменяется фаза переменного тока, проходящего по измерительному прибору. При этом дополнительно увеличивается и чувствительность измерения.

Следует отметить, что для увеличения точности измерения в некоторых случаях применяют другие разновидности подобных измерительных схем, например, равновесные дифференциальные схемы. В такие схемы включают либо реохорд, либо специальный измерительный автотрансформатор со специальной шкалой, а процесс измерения с подобными схемами аналогичен измерениям с равновесной мостовой схемой.

Компенсационная схема включения датчиков считается самой точной из всех рассмотренных выше. Работа ее основана на компенсации выходного напряжения или э.д.с. датчика равным ему падением напряжения на измерительном реостате (реохорде). Для питания компенсационной схемы используется только источник постоянного тока и применяется она, в основном, с генераторными датчиками постоянного тока.

Рассмотрим работу этой схемы на примере использования в качестве датчика термопары (рис. 3.6).

Под действием приложенного напряжения U по измерительному реостату протекает ток, который вызывает падение напряжения U ₁ на участке реостата от его левого вывода до движка. В случае равенства этого напряжения и э.д.с. термопары – е_х ток через измерительный прибор будет отсутствовать. Если величина э.д.с. датчика изменяется, необходимо с помощью движка реохорда снова добиваться отсутствия этого тока. Здесь, как и в равновесной мостовой схеме, величина измеряемого параметра, в нашем случае – температуры (э.д.с. термопары) определяется по шкале реохорда, а перемещение его движка выполняется, чаще всего, также с помощью специального электродвигателя, как упоминалось выше.

Высокая точность компенсационной схемы обусловлена тем, что в момент измерения электрическая энергия, вырабатываемая датчиком, не потребляется, так как ток в цепи его включения равен нулю. Эту схему можно применять и с параметрическими датчиками, но тогда необходим дополнительный источник постоянного тока, используемый в цепи питания параметрического датчика.