Генераторы синусоидальных колебаний на основе моста Вина: устройство, принцип работы, особенности фазосдвигающих цепей, расчётные соотношения. Достоинства и недостатки.

В связи с разнообразием резистивных датчиков и различными областями их применения различаются и измерительные схемы для них. В случаях, когда измеряемая физическая величина приводит к небольшому изменению электрического сопротивления, используются, так называемые, мостовые схемы.

На рис. 1 изображена мостовая схема для резистивного датчика.

Рис.1. Мостовая схема для резистивного датчика

В данной схеме физическая величина f воздействует на резистивный элемент , изменяя его сопротивление таким образом, что бы , где пропорционально воздействию физической величины , а – относительное изменения сопротивления R. В данной схеме различают питающую диагональ – точки с, d и измерительную диагональ – точки а, b. Сопротивления , , , – плечи моста: , и , – смежные плечи моста, , и , – противоположные плечи моста. Выходным напряжением схемы является разность напряжения в измерительной диагонали . В общем виде при условии холостого хода в измерительной диагонали можно найти:

; ,

соответственно, будет равно:

.

Обычно мостовая схема строится исходя из следующих соотношений:

, .

Тогда,

или .

Из последнего выражения видно, что выходное напряжение зависит от относительного изменения сопротивления резистивного элемента , однако, это изменение нелинейно, в знаменателе присутствует слагаемое с . Кроме того, нелинейность проявляется тем меньше, чем больше отношение , называемое отношением моста, но при этом уменьшается чувствительность. Обычно для обеспечения приемлемых требований по чувствительности и нелинейности используют отношение моста равным 1, т. е. . При этом выходное напряжение имеет вид: .

Нелинейность мостовой схемы можно оценить следующим образом. Поскольку относительное изменение под действием преобразуемой физической величины много меньше единицы, то с точностью до величины второго порядка малости выражение для выходного напряжения можно записать в следующем виде: .

Второе слагаемое в круглых скобках как раз и характеризует нелинейность. Например, если изменение , то нелинейность преобразования будет равна , а выходной сигнал, например, при питании схемы десятью вольтами, , будет равен: .

Зачастую такого напряжения оказывается недостаточно для дальнейшего преобразования физической величины. Увеличивать чувствительность за счёт увеличения напряжения питания , как правило, не удаётся, поскольку при этом в резистивном чувствительном элементе увеличивается рассеиваемая электрическая мощность, что может привести к нарушению его метрологических и эксплуатационных характеристик.

Кроме невысокой чувствительности и нелинейности преобразования в мостовых схемах имеется ещё один недостаток – это конечное выходное сопротивление. Для схемы, представленной на рис. 1. равно

или с учётом отношения моста, равного 1,

.

Для устранения перечисленных недостатков используются мостовые схемы с использованием операционных усилителей – активные мостовые схемы.

27. Двухпроводные измерительные схемы для резистивных датчиков: назначение, область применения. Вывод погрешности преобразования от влияния сопротивления проводов линии связи.

Для линейного преобразования сопротивления резистивного чувствительного элемента в напряжения вполне достаточно иметь источник тока. Запитав известным током неизвестный резистор получаем падение напряжения пропорциональное значению резистора , см. рис.1. Единственным недостатком схемы являются ненулевые входные сопротивления, однако этот недостаток компенсируется, например, применением повторителя напряжений. Однако в ряде практических применений резистивный датчик , как правило термопреобразователь сопротивления находится на значительном удалении от преобразующей части. При этом на результат преобразования начинают влиять сопротивления проводов линии связи , , см. рис.2. Зажимы 1,2 - это зажимы измерительного преобразователя.

Рис.1. Измерительная схема преобразования R_X в напряжение с использованием источника тока

Рис.2. Измерительная схема преобразования R_X в напряжение с учетом сопротивления подводящих проводов r₁, r₂

В результате выходное напряжение равно

Относительная погрешность данного преобразования выглядит следующим образом .

Так, например, для медного провода сечением 0,5 мм² и длиной 10 метров сопротивление = =0,35 Ом ≈1,5%. Как правило такое значение погрешности является недопустимым. Для уменьшения влияния сопротивления линии связи на результат преобразования используют дополнительные провода, исходя из того факта, что сопротивления проводов одинаковые.

28. Трехпроводные измерительные схемы для резистивных датчиков: назначение, область применения. Вывод погрешности преобразования от влияния сопротивления проводов линии связи.

Для обеспечения приемлемых параметров по точности в промышленных измерениях, как правило, используется трехпроводная линия связи.

Рис.1. Вариант использования трехпроводной линии связи

Напряжения и имеют вид :

,

Поскольку ток по среднему проводу линии связи не протекает (зажим 2 на холостом ходу) то соответственно на нем нет и падения напряжения. Далее, из полученных выражений для и путем суммирования (сложения/вычитания с коэффициентом), можно находить напряжение, не зависящее от сопротивления . Функциональные схемы возможных вариантов измерительных схем представлены на риc.2.

Рис.2. Функциональные схемы измерительных схем преобразователя сопротивления в напряжение с использованием трех проводной линии связи

Для изображенных схем – преобразуемое сопротивление; – сопротивление одного провода линии связи; ИТ – источник тока ; Ус₁, Ус₂ – усилители с коэффициентом усиления ; Сум – сумматор суммирующий сигналы с Ус₁,Ус₂. Для трехпроводной линии связи используется трехзажимный датчик, в котором зажимы a и c токовые, а зажим b – потенциальный. По проводу, подключенному к этому зажиму, ток не должен протекать.

29. Четырехпроводные измерительные схемы для резистивных датчиков: назначение, область применения. Вывод погрешности преобразования от влияния сопротивления проводов линии связи.

Для точных преобразователей сопротивления резистивного датчика, удаленного от измерительного преобразователя может оказаться, что трехпроводой линии связи недостаточно. Дело в том, что сопротивления линии связи имеют разброс. В этих случаях используют четырехпроводную линию связи, имеющую два токовых зажима - a, b (рис. 1) и два потенциальных – c, d.

Рис.1. Четырехпроводная линия связи

Тогда, согласно схеме, напряжения и будут равны:

и

Выходное напряжение в данной измерительной схеме ищется в виде разности напряжений:

,

откуда видно, что при использовании четырехпроводной линии связи не только сопротивление линии, но и их разброс не влияет на результат преобразования. Однако следует помнить, что на зажимах 2,3 необходимо обеспечить холостой ход. Как правило, для таких схем используют измерительный усилитель.

Мостовые измерительные схемы для резистивных датчиков с использованием одного операционного усилителя: назначение, применение. Вывод расчётных соотношений с учетом влияния места установки датчика в плечах моста.

Схема самой простой по числу используемых элементов активной мостовой схемы представлена на рис. 1.

Рис.1. Активная мостовая схема с нулевым выходным сопротивлением

Считаем, как и прежде, что отношение моста равно 1 и под действием физической величины резистивный чувствительный элемент имеет вид . На рис.1 цифрами обозначены позиции, где в схеме располагается резистивный чувствительный элемент. Пусть, например, он расположен на позиции 3. Тогда схема, выглядит так, как это показано на рис.1б. Выходное напряжение можно записать в следующем виде:

.

Проводя аналогичные вычисления выходного напряжения в зависимости от позиции чувствительного элемента, можно получить:

;

;

;

.

Данные схемы с различным расположением чувствительного элемента обладают, по сравнению с мостовыми, нулевым выходным сопротивлением и выходным сигналом, изменяющимся относительно нулевого уровня, отсутствием синфазной составляющей. Располагая чувствительный элемент в обратной связи операционного усилителя (позиция 4), можно получить преобразование без нелинейности. Однако это не всегда удаётся, поскольку часто один из зажимов чувствительного элемента в силу конструктивных особенностей оказывается гальванически соединённым с нулевой точкой, т.е. чувствительный элемент установлен на позиции 3. По сравнению с мостовой схемой, кроме отмеченных достоинств, в два раза повышена чувствительность.

Общим недостатком рассмотренных схем является недостаточная чувствительность. Для обеспечения повышенной чувствительности широкое распространение получили схемы с добавлением, по сравнению с рассмотренными, двух идентичных резисторов .

Мостовая схема на основе одного ОУ и повышенной чувствительности схема представлена на рис. 2.

Рис.2. Активная мостовая схема на основе одного ОУ с повышенной чувствительностью

Здесь, как и прежде, цифрами указаны позиции, на которые устанавливается чувствительный элемент. Найдём выходное напряжение схемы при условии, что чувствительный элемент установлен на позицию 1.

.

Проводя вычисления, можно получить:

.

Обеспечив значительную чувствительность, выполним неравенство , с учётом чего можно записать:

; ;

; .

Из полученных выражений видно, что чувствительность рассмотренной измерительной схемы в раз выше, чем предыдущей. В остальном, данная схема не отличается от предыдущей. Однако, всем этим схемам свойственна нелинейность.

Мостовые измерительные схемы для резистивных датчиков с использованием двух операционных усилителей: назначение, применение. Вывод расчётных соотношений с учетом влияния места установки датчика в плечах моста.

Использование двух ОУ позволяет уменьшить уровень синфазной составляющей на входе ОУ и в ряде случаев устранить нелинейность. На рис.1 представлена схема с применением двух ОУ. ОУ1 работает как усилитель с параллельной ООС, при этом потенциал точки . В результате потенциал тоже близок к 0. Усилитель ОУ2 с последовательной обратной связью работает при низких уровнях синфазной составляющей с коэффициентом усиления .

Рис.1. Активная мостовая схема на основе двух операционных усилителей, с выходным усилителем с последовательной обратной связью

Выражения для выходных напряжений в зависимости от положения чувствительного элемента можно найти в следующем виде:

;

;

;

.

Из приведённых соотношений видно, что при установке чувствительного элемента во второе положение измерительная схема не содержит нелинейности.

На выходе можно использовать и усилитель с параллельной ОС так, как это показано на рис.2.

Рис.2. Активная мостовая схема на основе двух операционных усилителей с выходным усилителем с параллельной обратной связью

В данной схеме потенциалы и , т. е. отсутствует синфазная составляющая на входах ОУ1, ОУ2. Находя выходное напряжение схемы в зависимости от позиции чувствительного элемента, можно получить следующие выражения:

;

;

;

.

Из полученных выражений видно, что в данной схеме линейная характеристика преобразования, также как и в предыдущей, получается в случае, если чувствительный элемент установлен во второй позиции.

Общим недостатком рассмотренных схем с использованием двух ОУ является то обстоятельство, что в случае их линейности чувствительный элемент установлен в цепи ООС ОУ1. Это не всегда удобно. Дело в том, что к инвертирующему входу и выходу ОУ подключаются паразитные ёмкости линии связи. При этом высока вероятность того, что ОУ1 может возбудиться, т. е. могут возникнуть высокочастотные колебания, ОУ1 становится неустойчивым. Желательно выстраивать измерительную схему таким образом, чтобы ЧЭ не устанавливался в цепи обратной связи усилителя.

32. Функциональные схемы измерительного преобразователя для индуктивного и емкостного датчиков: назначение элементов, описание их работы, вывод уравнения преобразования.

Функциональная схема для индуктивного датчика представлена на
рис. 1.

Рис.1. Функциональная схема измерительного преобразователя для индуктивного датчика

Рис. 2. Круговая диаграмма токов и напряжений индуктивного датчика

ИД – индуктивный датчик, в котором под действием физической величины, происходит изменение индуктивности ΔL;

ГСК – генератор синусоидальных колебаний, предназначен для формирования напряжения требуемого для работы схемы;

Пр.НТ1 – преобразователь напряжение-ток, предназначен для питания индуктивного датчика синусоидальным током, синфазным с напряжением ГСК;

ФСУ – фазосдвигающее устройство, сдвигает фазу входного напряжения на 90^◦;

ФУН – формирователь управляющего напряжения, необходимый для формирования напряжения типа «меандр», фронты которого совпадают с моментами времени перехода через ноль входного напряжения;

ФЧВ – фазочувствительный усилитель, предназначен для выделения напряжения синфазного с управляющим;

ФНЧ – фильтр нижних частот, предназначен для выделения среднего значения выходного напряжения ФЧВ;

ПрНТ2 – предназначен для формирования унифицированного выходного токового сигнала;

r – омическое сопротивление обмотки индуктивного датчика;

– индуктивность датчика без воздействия физической величины;

– изменение индуктивности при воздействии физической величины.

Круговая диаграмма токов и напряжений в ИД представлена на рис.2. Напряжение , формируемое на ИД складывается из падения напряжения на индуктивном сопротивлении . Поскольку нас интересует составляющая , которая относительно тока питания сдвинута на 90^◦, то необходимо сформировать опорное напряжение, сдвинутое на 90^◦ относительно . Этой цели служит ФСУ. Таким образом, на выход ФЧВ не проходит синфазная с током составляющая напряжения, пропорциональная , а проходит составляющая, пропорциональная .

Измерительный преобразователь для ёмкостного датчика (ЕД)

1. Ёмкостной датчик с изолированными электродами	2. Ёмкостной датчик с заземлённым электродом
3. Дифференциальный ёмкостной датчик с изолированными электродами	4. Дифференциальный ёмкостной датчик с заземлённым средним электродом

Рис. 3. Функциональная схема измерительного преобразователя для емкостного датчика с изолированными электродами

ГКН	- генератор квадратурных синусоидальных напряжений;
ПНТ	- преобразователь ток-напряжение;
ФЧВ	- фазочувствительный выпрямитель;
ФНЧ	- фильтр нижних частот;
ПНТ	- преобразователь напряжение-ток;
ФУН	- формирователь управляющих напряжений;
	- электрическая емкость датчика, изменяющаяся под действием физической величины от до (дано по заданию);
	- сопротивление потерь в датчике (задан пересчитывается в );
	- напряжение смещения, согласует диапазоны изменения и выходного тока ;
	- унифицированный выходной сигнал в виде тока.

Рис. 4. Функциональная схема ИП для дифференциального емкостного датчика с изолированными электродами

Рис. 5. Функциональная схема ИП для емкостного дифференциального датчика с заземленным средним электродом

Эквивалентная схема емкостного датчика с изолированными электродами представлена на рисунке 6.

Рис. 6. Эквивалентная схема емкостного датчика

Измерительный преобразователь для ёмкостного датчика с заземлённым электродом.

Рис. 7. Функциональная схема измерительного преобразователя для ёмкостного датчика с заземлённым электродом

Инв	- инвертор выходного напряжения генератора ГКН, получает напряжение противоположной фазы по сравнению с напряжением на датчике ;
Сумм	- суммирует напряжения с выходов усилителя Ус и инвертора Инвдля компенсации неинформативной составляющей;
Ус	- усилитель с большим коэффициентом усиления (операционный усилитель) служит для преобразования значения электрической ёмкости в напряжение пропорциональное ;
ПЕН	- преобразователь значения емкости в напряжение ;
	- выходное напряжение генератора, оно же и напряжение питания емкостного датчика ;
	- выходное напряжение преобразователя емкости в напряжение;