1 Измерительные цепи приборов для измерения неэлектрических величин

В зависимости от типа первичного измерительного преобразователя и выходного информативного параметра используются различные вторичные электрические измерительные приборы, предназначенные для измерения электрических величин. При этом градуируются, как правило, с учетом функций преобразования измерительного преобразователя в единицах измерения неэлектрической величины. Для наиболее эффективного использования информативного параметра измерительного преобразователя с вторичным измерительным прибором – следует всегда обращать внимание на согласование выходных характеристик измерительного преобразователя с входными характеристиками вторичного электрического измерительного прибора. Так как выходными информативными параметрами генераторных преобразователей являются напряжение и ток, а параметрических – R, L, C, то различными являются и схемы их согласования.

Измерительные цепи генераторных преобразователей. Они характеризуются выходной ЭДС, являющейся функцией выходной величины X и внутренним сопротивлением преобразователя – Z_П (Рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Цепь генераторного преобразователя

Эти две величины определяют мощность, развиваемую преобразователем в режиме короткого замыкания,

Р_КЗ = Е²(X)/Z₁ .

Мощность Р_Н, отдаваемая генераторным преобразователем вторичному прибору, имеющая сопротивление Z_Н, определяется мощностью короткого замыкания преобразователя Р_к.з. и некоторым безразмерным коэффициентом эффективности преобразования, зависящим только от соотношения сопротивлений Z₁ и Z_н. Теоретические и экспериментальные результаты позволили сформулировать правило: при проектировании измерительных приборов максимальная мощность на нагрузке генераторного преобразователя достигается при согласовании модулей нагрузки и внутреннего сопротивления преобразователя.

Следует иметь в виду, что правило согласования не требует абсолютного равенства R₁ и R_н, поэтому практически согласование обеспечивается при R_Н/R₁ от 0,2 до 5.

В ряде случаев приходится сознательно отступать от условий согласования. Чаще всего это делается для уменьшения тех или иных погрешностей измерительной аппаратуры.

Измерительные цепи в параметрических преобразователях.

Для работы с параметрическими преобразователями используются измери­тельные цепи с питанием как переменным, так и постоянным токами. Будем рассматривать свойства всех измерительных цепей на примерах цепей постоянного тока, имея в виду, что полученные соотношения в равной степени спра­ведливы и для цепей переменного тока. В тех же случаях, когда цепи переменного тока имеют какие-либо специфические особенности, они могут быть рассмотрены от­дельно.

Сопротивление параметрического преобразователя является функцией изме­ряемой величины R = f (х) и может быть выражено как

R = R_o + ΔR (х),

где R_o – начальное сопротивление преобразователя;

ΔR – изменение сопротивления преобразователя от величины х.

Источники питания преобразователей, как правило, обладают достаточным запасом мощности, и мощность, которая прикладывается к преобразователю, огра­ничивается не возможностями источника, а условиями работы преобразователя, т. е. его допустимой мощностью рассеяния Р_{i доп}. Таким образом, характеристи­ками параметрического преобразователя являются допустимая мощность рассея­ния Р_{i доп}, начальное сопротивление R_o и относительное изменение сопротивле­ния ε = ΔR/R₀. С параметрическими преобразователями используются три вида измерительных цепей: цепи последовательного включения, цепи в виде делителей и цепи в виде мостов. Формулы для выходного напряжения на сопротивлении на­грузки U_вых, начального напряжения U_o при ε = 0 и изменения напряжения ΔU _вых = f (ε) в зависимости от ε и а = R_н/R₀ для цепи последовательного включения и цепей в виде делителя с одинарным и дифференциальным преобразователями пред­ставлены в таблице 1.1.

Условием согласования сопротивлений преобразователя и нагрузки для цепи последовательного включения будет а = 1/3 или R_наг = 1/3 ·R_н. При выполнении условия согласования мощность сигнала, получаемо­го указателем с сопротивлением R_н, составляет Р_н = 3/16 ∙Р_{i доп.} ∙ε².

Зависимость эффективности преобразования ζ = Р_н/ (Р_{i доп} ∙ε²) от а для параметрических преобра­зователей показана на рисунке 1.2. Максимум кривой по­лучается гораздо более острым, и условия согласова­ния для параметрических преобразователей должны выполняться строже, чем для генераторных.

Таблица 1.1 – Формулы для выходного напряжения на сопротивлении нагрузки

Вид измерительной цепи	Формула для напряжений
	Uвых	Uо	ΔU

Измерительные цепи последовательного включения и цепи в виде делителей характеризуются нелинейной зависимостью между ΔU_вых и ε, причем погрешность линейности будет тем больше, чем больше ε. При вклю­чении в цепь делителя дифференциального преобразова­теля погрешность линейности может быть уменьшена при увеличении а и становится равной нулю при а → ∞ (R_H→ ∞ ). Кривые ΔU_вых/E = f (ε) для различных значений а представлены на рисунке 1.2. Для обеспе­чения линейности приходится значительно отступать от согласованного значения нагрузки. При работе же с указателями малого сопротивления (при а < 10) неко­торое уменьшение нелинейности может быть достигнуто при работе на начальном участке характеристик. Основным недостатком как цепей последова­тельного включения, так и цепей в виде делителей является то, что значению х = 0 соответствует выходное напряжение U_вых ≠ 0.

Рисунок 1.2 – Зависимость эффективности преобразователей от R_н/R₀

Измерительные цепи в виде неравновесных мостов. Основная идея построения неравновесных мостовых цепей состоит в исходной компенсации начального значе­ния выходного сигнала, чтобы при х = 0 он был равен нулю.