книги из ГПНТБ / Беленький, Я. Е. Многоточечные бесконтактные сигнализаторы температуры

(2-34)

из которых первое соответствует условию баланса моста на постоянном токе, а второе вызвано влиянием линии связи. Учитывая значения емкостей линии связи (50 и 100 пф/м), получим:

о= 2.

Таким образом, мостовая схема с датчиком, подклю­ ченным экранированным кабелем, может быть уравнове­ шена на переменном токе при соответствующем выборе

дом других требований, в частности требованием обес­ печения максимальной чувствительности, линейности ха­ рактеристики неуравновешенного моста, допустимой мощ­ ности рассеивания датчика и др. Для выполнения этих требований может понадобиться, например, значение ко­ эффициента v, отличное от двух, в связи с чем целесооб­ разно найти метод, обеспечивающий уравновешивание моста при различных значениях соотношения сопротивле­ ний плеч. Для этого можно, например, подключить кон­ денсатор параллельно плечу моста. На практике этот метод не всегда приемлем из-за необходимости подбора емкости конденсатора в каждом отдельном случае в за­ висимости от длины линии связи и типа кабеля.

Этого недостатка не имеет способ, заключающийся в использовании дополнительного четвертого провода в соединительной линии [Л. 5]. Один конец дополнитель­ ного провода со стороны датчика свободен, а второй под­ ключается к мостовой схеме. Этот провод выполняет роль распределенной компенсирующей емкости, величина ко­ торой пропорциональна длине линии. Подключение этого провода к разным точкам схемы позволяет получить ба­ ланс моста при нескольких дискретных значениях коэф­ фициентов v и w.

На рис. 2-11 изображена схема подключения датчика по четырехпроводной линии неэкранированным кабелем. Пунктиром показаны возможные точки подключения к схеме дополнительного провода. Схема подключения датчика экранированным кабелем с дополнительным про­ водом изображена на рис. 2-12.

40

Рис. 2-11. Схема подключения датчика четырехпроводной линией связи.

Рис. 2-12. Схе.ма подключения датчика четырехпроводным экра­ нированным кабелем.

Значения коэффициентов v и w зависят от величины и количества емкостей кабеля, включенных параллельно каждому плечу мостовой схемы. В табл. 2-3 показано распределение емкостей линии связи при различных спо­ собах подключения дополнительного провода относи­ тельно элементов мостов, изображенных на рис. 2-9— 2-12 (к вершинам моста а, Ь, с, й). В этой же таблице приведены значения коэффициентов v и w, при которых уравновешивается мостовая схема.

41

Из таблицы видно, что схема, в которой датчик подключается неэкранпрованным трехжпльным кабелем (см. рис. 2-9), не уравновешивается вообще; в случае, если трехжильный кабель экранирован, схема уравнове­ шивается только при v = 2. Добавление четвертого про­ вода позволяет уравновесить схему при нескольких зна­ чениях коэффициента v, равных 1, 2 и 3, а также при to= 0,5. Рассмотренный метод компенсации реактивного сопротивления исключает необходимость какой-либо подгонки в зависимости от длины линии.

Следует отметить, что компенсация реактивного со­ противления линии связи при помощи дополнительного провода может оказаться полезной при дистанционном контроле и других неэлектрических величин, в частности, в тензометрии. При этом место подключения дополни­ тельного провода должно определяться конкретно, в за­ висимости от параметров линии связи и измерительной схемы.

ГЛ А В А Т Р Е Т Ь Я

БЕ С К О Н Т А К Т Н Ы Е К О М М У Т А Т О Р Ы М БСТ

3-1. МЕТОДЫ БЕСКОНТАКТНОЙ КОММУТАЦИИ ДАТЧИКОВ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Бесконтактный коммутатор является одной из основ­ ных составных частей устройств автоматического кон­ троля с временным разделением каналов. Такие важные характеристики прибора, как погрешность, быстродейст­ вие и экономичность, в значительной мере определяются соответствующими характеристиками коммутатора.

Разнообразные требования, предъявляемые к комму­ таторам многоточечных систем, не могут быть удовлетво­ рены в полной мере каким-либо одним устройством. По­ этому в устройствах автоматического контроля исполь­ зуются различные типы коммутаторов, отличающиеся друг от друга конструкцией, элементами, из которых они построены, режимами работы и т. д.

Классификация коммутаторов по основным классифи­ кационным признакам приведена в работе [Л. 14]. По характеру используемых элементов коммутаторы подраз­

43

деляются па контактные и бесконтактные, по конструк­ тивному исполнению — на аппаратные и схемные, по ре­ жиму работы — на шаговые, стартстопные и с цикличе­ ским движением. Возможно и более детальное подраз­ деление по некоторым дополнительным классификацион­ ным признакам, например для бесконтактных коммута­ торов: ламповые, тиратронпые, полупроводниковые и т. д.

В приборах рассматриваемого типа применяются в основном схемные бесконтактные коммутаторы, кото­

собщеканальным трансфор- му бесконтактных ключей,

Современная коммутаци­ онная техника располагает большим арсеналом бесконтактных элементов, применя­

емых для переключения сигналов. Однако в настоящее время на практике для коммутации параметрических датчиков сопротивления применяются главным образом полупроводниковые приборы — диоды и транзисторы, так как их основные характеристики, определяющие качест­ во бесконтактного ключа (сопротивление в состоянии «замкнуто» и «разомкнуто», уровень собственных шумов и остаточных напряжений и токов), значительно лучше, чем у элементов других типов.

Коммутация датчиков сопротивления может осуществ­ ляться двумя способами — непосредственным подключе­ нием датчиков к измерительной схеме и переключением выходных сигналов измерительных схем.

44

Одна из схем первого типа описана в работе [Л. 21]. Здесь рас­

с термометрами сопротивления Ят коммутируется компенсационный датчик (задатчик) Яз. Импульсы опроса поступают на ключи от распределителя Р. Выходной разностный сигнал с измерительной схемы через разделительный трансформатор поступает на схемы сов­ падений, куда одновременно подаются импульсы от распределителя.

Такая схема может применяться лишь в устройствах, датчики которых достаточно высокоомны (более 1 ком). В противном случае разброс динамических сопротивлений отдельных диодов, смещенных в прямом направлении, неизбежно приведет к значительной погреш­ ности. Так, например, при контроле температуры с помощью стан­ дартных термометров сопротивления (46— 100 ом) погрешность в этой схеме -может достигать 5— 10%.

Примерно такой же величины достигает погрешность в схеме, изображенной на рис. 3-2 и описанной в работе [Л. 26]. Сопротив­ ление датчика Я т трансформируется при помощи импульсного транс­ форматора Тр и образует с резистором Я а делитель напряжения. На делитель от специального источника И подается напряжение питания. Коммутация датчиков осуществляется сигналами, поступа­ ющими с распределителя Р на транзисторные ключи Т.

Рис. 3-2. Схема коммутатора с канальными трансформаторами.

Значительно выше точность коммутатора, примененного для автоматического уравновешивания измерительной схемы в цифровом мосте [Л. 24]. На рис. 3-3 приведена •схема измерительной части моста. Три плеча мостовой измерительной схемы образованы изме­ ряемым сопротивлением Я х и постоянными резисторами Я i и Яз- Плечо уравновешивания образуют резисторы г,-, коммутируемые бес­ контактными диодными ключами. Каждый ключ состоит из трех диодов Mi—Д з и двух вспомогательных балластных сопротивлений Яз и Ri. В такой схеме путем регулировки сопротивлений Яз и Яь можно добиться для -каждого ключа взаимной компенсации напря­ жений, падающих на открытых Mi и Мз- Это позволяет осуществить коммутацию сопротивлений до 100 ом с погрешностью до 0,2%.

45

Однако, как отмечается в (Л. 24], для обеспечения такой точности диоды должны быть предварительно отобраны по величине обрат­ ного тока, что недопустимо при серийном производстве многоточеч­ ных устройств. Кроме того, каждый ключ должен быть индивиду­ ально отрегулирован, что значительно повышает трудоемкость серий­ ного изготовления приборов.

В схемах второго типа величина контролируемого сопротивле­ ния преобразуется предварительно в напряжение при помощи мосто-

Рис. 3-3. Схема коммутатора с компенсацией напряжения на диодах.

вой или потенциометрической схемы. При питании измерительной схемы постоянным током коммутация датчиков сопротивления сво­ дится к коммутации малых постоянных напряжений. В этом случае для получения высокой точности необходимо применять специальные меры. Рассмотрим некоторые из известных методов повышения точ­ ности коммутации резисторных датчиков при переключении выходов измерительных схем.

В [Л. 27] предлагается коммутировать не малые выходные на­ пряжения, а напряжение Un (рис. 3-4), имеющее большую величину. В этой схеме датчики У?д,- включены по потенциометрической схеме последовательно с сопротивлениями Rt большой величины. Напря­ жение Uп достаточно большой величины (например, 10 в) коммути­ руется группой бесконтактных ключей (ключи Кг и. К'г), собранных на транзисторах. Одновременно включаются ключи К"г, разделяющие каналы. Подобная структура коммутатора требует сравнительно сложной схемы из-за наличия трех ключей на канал и отсутствия общей точки между ними, позволившей бы осуществлять управле­ ние этими ключами от общего распределителя.

В схеме, описанной в [Л. 29], используется сочетание двух ме­ тодов коммутации датчиков сопротивления (рис. 3-5). Одновременно с замыканием ключа K i, подключающего датчик непосредственно

46

к мостовой измерительной схеме, замыкается ключ обеспечива­ ющий переключение выходных сигналов измерительной схемы. При этом ключи, коммутирующие датчики, шунтируются высокоомным делителем, состоящим из резисторов R i и Rs, что позволяет значи­ тельно уменьшить погрешность от разброса и вариации сопротивле­ ний ключей /\; в состоянии «замкнуто». Анализ погрешностей этой схемы, приведенный в [Л. 29], показал, что применение дополнитель­ ных ключей K'i позволяет уменьшить почти на порядок погрешность

Рис. 3-4. Схема коммутатора с коммутацией напряжения питания.

коммутатора. Однако рассмотренная схема сравнительно сложна и очевидно, что ее применение при большом количестве каналов ком­ мутатора нецелесообразно.

Анализируя рассмотренные схемы, можно сделать вы­ вод, что коммутаторы, осуществляющие подключение ре­ зисторных датчиков к измерительной схеме и переклю­ чающие выходы измерительных схем постоянного тока, обладают рядом недостатков. Простейшие из этих устройств имеют заметную погрешность. Для ее умень­ шения необходимо усложнять схему, а также подбирать

элементы или индивидуально настраивать бесконтактные ключи.

Проанализируем устройства, в которых коммутаторы переключают выходы измерительных схем при питании последних переменным током. Питание измерительной схемы переменным током дает ряд преимуществ по срав­

47

нению со схемами постоянного тока. Так, в этом случае исключается влияние термо-э. д. с., которая может воз­ никнуть в измерительной схеме из-за градиента темпера­ туры окружающей среды. Усиление сигнала переменного тока низкого уровня, снимаемого с выхода измеритель­ ной схемы, осуществляется более простыми средствами, чем усиление сигналов постоянного тока такого жеуров-

Рис. 3-5. Схема коммутатора с коммутацией датчиков и выходных сигналов.

ня. Упрощается схемное решение питания большого ко­ личества измерительных схем.

При бесконтактной коммутации преимущества пита­ ния измерительной схемы переменным током определя­ ются возможностью исключения влияния остаточных то­ ков и напряжений ключей, если частота напряжения пи­ тания превышает частоту дрейфа этих параметров. По­ следнее условие фактически всегда выполняется даже для промышленной частоты, равной 50 гц.

Сравнение различных способов бесконтактной комму­ тации резисторных датчиков позволяет сделать вывод,

48

что для построения МБСТ наиболее целесообразно использовать метод переключения коммутатором выходов измерительных схем, работающих в уравновешенном ре­ жиме и питаемых переменным током.

3-2. АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТИ КЛЮЧЕВЫХ УСТРОЙСТВ БЕСКОНТАКТНЫХ КОММУТАТОРОВ МБСТ

Ключевые устройства многоточечного сигнализатора температуры являются промежуточным элементом цепи преобразования сигнала и, естественно, вносят погреш­ ность в передачу сигнала.

Эта погрешность вызывается рядом причин и опре­ деляется величиной переключаемого сигнала, видом сиг­ нала (постоянный ток или переменный), характером пре­ образования сигнала до ключевых устройств и после и другими факторами.

Из предыдущего обзора ясно, что достаточно слож­ ные ключевые устройства могут удовлетворять высоким требованиям, предъявляемым к ним с точки зрения по­ грешности, однако реализовать такие ключевые устрой­ ства в системах с большим числом каналов не представ­ ляется возможным. Поэтому интересен анализ погрешно­ сти наиболее простых ключевых устройств, выполненных на серийно выпускаемых дешевых полупроводниковых приборах-диодах [Л. 2].

Очевидно, что наиболее существенными характери­ стиками ключа, влияющими на величину вносимой им статической погрешности, являются его сопротивление и собственная э. д. с. в состоянии «замкнуто» и «разо­ мкнуто».

Идеальный ключ имеет в выключенном состоянии бес­ конечно большое сопротивление, а во включенном — ну­ левое; его собственная э. д. с. в обоих случаях равна нулю. Погрешность коммутатора обусловлена отличием реального бесконтактного ключа от его идеальной моде­ ли и состоит в общем случае из трех основных состав­ ляющих

Здесь бе — погрешность, вносимая собственной э. д. с. ключа; б'с — погрешность, обусловленная отличием от нуля сопротивления замкнутого ключа и проявляющаяся в затухании подключенного коммутатором сигнала на