6. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И УСТРОЙСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ

6.1 Измерительные преобразователи

6.1.1Основные понятия и классификация

Вавтоматизированных системах сбора и обработки данных (СОД) измерительными преобразующими устройствами (преобразователями) называют такие элементы, которые непосредственно не выполняют функций измерения контролируемых параметров, усиления сигналов или коррекции свойств системы в целом и не оказывают прямого воздействия на регулирующий орган или управляемый объект. Преобразующие устройства (ПУ) являются промежуточными и выполняют вспомогательные функции, связанные с эквивалентным преобразованием величины одной физической природы в форму, более удобную для формирования с целью согласования устройств, различающихся по виду энергии на выходе одного и входе другого устройства (например, термистор – АЦП).

Преобразующее устройство может рассматриваться как пассивный электрический или обобщенный четырехполюсник (линейный или нелинейный), имеющий вход и выход.

Электрический четырехполюсник (ЭЧ) рассматривается как расчетная модель ПУ, на входе и выходе которого действуют электрические сигналы.

Обобщенный четырехполюсник (ОЧ) — расчетная модель ПУ, на входе и выходе которого действуют различные комбинации физических сигналов и воздействий (например, угловое перемещение в виде изменение резистора на входе – электрический сигнал в виде напряжения на выходе).

6.1.2Назначение преобразователей

Назначение и применение преобразующих устройств в ИУВС определяются двумя требованиями.

Во-первых, ПУ предназначаются для эквивалентного преобразования сигнала без изменения-вида энергии или его физической природы на входе и выходе преобразователя. Эквивалентность преобразования, а также погрешности, связанные с таким преобразованием, могут быть оценены по спектральным характеристикам входного и выходного сигналов.

Во-вторых, преобразующее устройство предназначается для согласования двух устройств ИУВС: датчика и АЦП - при эквивалентном преобразова-нии сигналов на входе и выходе преобразователя, различных по своей физической природе. Соответствие между этими сигналами также оценивается по их спектрам.

Общая оценка выполнения рассмотренных выше требований связано со следующей особенностью ИУВС. Выходные сигналы широкого класса изме-

рительных устройств — датчиков первичной информации — являются электрическими, имеющими низкочастотный амплитудный спектр. Следовательно, преобразованный сигнал должен соответствовать классу точности датчиков во всем диапазоне частот: от нулевого значения - до некоторой граничной частоты амплитудного спектра.

6.1.3 Преобразователи для датчиков постоянного тока

Основу преобразователей ОЧ составляют операционные инструментальные усилители (ОУ), которые могут быть реализованы как в интегральном исполнении, так и в комбинационном. ОУ могут быть реализованы как по схеме усилителя постоянного тока – с соответствующей балансировкой для устранения напряжения смещения на входе ОУ (ошибки), так и по схеме «модулятор-демодулятор» (МДМ). Реализация ОУ по схеме МДМ позволяет практически исключить напряжение смещения и также дрейф нуля, приведенные к входу ОУ. При этом ОУ выбирают так, чтобы его параметры не влияли на согласование входных, выходных и передаточных характеристик ЭЧ, то есть не позволяли суммарной погрешности ОЧ выйти за пределы погрешности датчика.

При выполнении указанных условий ОУ всегда можно воспринимать с видом и параметрами, представленными на рисунке 6.1.

Рисунок 6.1 – Вид и параметры идеализированного ОУ

Для преобразования тока в напряжение используется ПУ, упрощенная схема которого приведена на рисунке 6.2а. Поскольку разность потенциалов между прямым и инверсным входом ОУ равна нулю, то очевидно, что входное сопротивление ЭЧ равно нулю (идеальный случай для амперметра). Поскольку IBX=IOC=-UВЫХ/R, то коэффициент передачи ЭЧ, который в данном

случае является источником напряжения, управляемого током (ИНУТ):

K= UВЫХ/ IBX= R.

Если датчик тока требует применение шунта, то в этом случае ЭЧ должен обеспечивать входное сопротивление RА (рисунок 6.2а). Упрощенная схема

подобного ЭЧ приведена на рисунке 6.2б. Здесь диоды V1 и V2 служат для защиты ОУ по входу.

Коэффициент K передачи данного ЭЧ определяется так же, как и в первом случае (рисунок 6.2а).

Рисунок 6.2 – Схемы ИНУТ

6.1.4 Преобразователи для постоянного напряжения

Если напряжение снимается непосредственно с рабочих точек контролируемого объекта, то в этом случае используется просто масштабирующий усилитель (рисунок 6.3а) с коэффициентом KU.

Если измерение напряжения требует делителя, то схема (рисунок 6.3б) ОЧ должна содержать элемент делителя (рисунок 6.2б) RV. Кроме этого, в

данную схему для защиты ОУ по входу − по сравнению со схемой 6.3а − включают диоды V1 и V2 и токоограничительный резистор R3. При этом

коэффициент передачи KU определяется как в предыдущем случае (рисунок

6.3а).

Рисунок 6.3 – Масштабирующие усилители

6.1.5Преобразователи для углового перемещения

Вчисле датчиков измерения углового перемещения в РЭА наиболее часто используются резистивные, поэтому наибольший интерес представляет схема ОЧ для резистивного датчика. В упрощенном виде она представлена на

рисунке 6.4. Резистор-датчик угла поворота Rϕ через разъем х1 подключен параллельно к источнику измерительного тока IR и входу масштабирующего

усилителя с коэффициентом KU. Поскольку UВХ = IR Rϕ, то коэффициент передачи K ОЧ определяется достаточно просто:

K= UВЫХ/ Rϕ= KU UВХ/ Rϕ= IR KU.

Рисунок 6.4 − Обобщенный четырехполюсник с функцией UВЫХ =f(Rϕ)

6.1.6 Преобразователь термосопротивлений

Термометры сопротивлений обладают хорошей проводимостью (в отличие от обычных резисторов), поэтому предыдущая схема (рисунок 6.4) совершенно не подходит, так как погрешность, вносимая проводниками, с помощью которых резистор-датчик подключается к масштабирующему усилителю, в несколько раз будет превышать погрешность термометра сопротивлений.

Для обеспечения нулевого начала шкалы измерений термометр сопротивлений Rt° включают в плечо сбалансированного моста, одна

диагональ которого запитывается током IM , а с выводов другой диагонали

снимается падение напряжения рассогласования моста – в случае изменения Rt° (рисунок 6.5). Для исключения влияния проводников подключения lrЛ и

lrП они должны:

1)выбираться одинаковой длины и из одного материала,

2)включаться для компенсации их влияния в соседние плечи моста (рисунок 6.5).

Рисунок 6.5 – Мостовая схема включения термометра сопротивлений