Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | ||
|
Проведенный анализ простейшей емкостной ЦИП, построенной на основе делителя напряжения, работающего при постоянном напряжении питания, позволяет провести исследования мостовых емкостных ЦИП на основе переменного тока.
Рассмотрим особенности построения и расчета мостовых емкостных ЦИП при питании переменным током.
Измерительные мосты с емкостными входными преобразователями имеют следующие особенности. Как правило, активные плечи включают смежно, т.е. они являются плечами сравнения, а пассивные плечи в большинстве случаев представляют индуктивные элементы (включены в плечи отношения). Такие измерительные мосты переменного тока (ИМПТ) в зависимости от наличия или отсутствия связи между индуктивными элементами плеч отношения принято делить на ИМПТ с не связанными индуктивными плечами отношения и тесно связанными индуктивными плечами отношения.
Рис.2.9. Мост Блюмлейна
Большое распространение в технике цепей измерительного преобразования имеют мосты переменного тока с емкостными входными преобразователями, основные свойства и характеристики которых рассмотрены в первой части дисциплины ППНЭВ.
Широкий класс емкостных ИМ рассмотрен в большом числе отечественных и зарубежных работ [ ]. Однако наибольшее внимание уделяется так называемому мосту Блюмлейна, показанному на рис. 2.9.
Мост Блюмлейна состоит из двух активных плеч, называемых плечами сравнений, в виде двух дифференциально включенных сопротивлений Z 1 и Z 2 и двух пассивных плеч отношений Z 3 и Z 4 (в виде связанных или несвязанных индуктивностей).
Для дифференциальной емкостной ИМ с такой индуктивной связью плеч отношений (рис.2.10) принимается равным
Z = ; D Z = , (2.47)
где плечи отношения (см. схему замещения рис.2.7.б) Z 12=jw L, а сопротивление нагрузки очень велико Z0® ¥.
Рис. 2.10 Дифференциальный емкостный измерительный
мост с индуктивной связью плеч
Направление обмоток плеч отношений, принимается таким образом, чтобы " К " будет положителен для тока, протекающего от источника питания через плечи отношения, когда мост сбалансирован. Тогда полные сопротивления плеч отношения моста (см.рис.2.7,б) ZS = Z 12(1– К) уменьшаются, благодаря коэффициенту (1– К) и превратятся в нуль при К = 1. т.е. при стопроцентной индуктивной связи. Это означает, что падение напряжения не может появиться на зажимах плеч отношения и любая паразитная емкость или емкость кабеля, параллельная плечам отношения, будет пренебрежимо мало влиять на условия работы ИМ. Эта важная особенность упрощает задачи экранирования и заземления в емкостных мостах этого типа, т.е. стабильность нуля ЦИП значительно улучшается. Такой ИМ широко используется для работы с емкостными преобразователями и оказывается очень полезна в мостах для индуктивных преобразователей, особенно при высоких несущих частотах..
В случае отклонения состояния ИМ от состояния баланса коэффициент связи " К " меняет свой знак на обратный, потому что в этом случае ток протекает "вокруг" моста, т.е. от вывода к выводу 3 (рис.2.7.,а) или наоборот. Это значит, что коэффициент К = 1 для случая стопроцентной связи, а
ZS = Z 12(1– К) ® 2 Z 12 (2.48)
Рис.2.11 График чувствительности моста переменного тока с емкостными активными плечами сравнения с несвязанными (1) и тесно связанными (2) плечами отношений
Если рассматривать случай Z0 ® ¥ и Z=1/ j w C x, DZ=1/ j w C x, Z12= j w L то
выходное напряжение равно
U вых= U (2.49)
для K = –1; Z 0® ¥.
Рассмотрим свойства емкостного ИМ переменного тока с тесно связанными плечами отношений (рис.2.9 – зависимость (2.10)).
На основании выражения (2.49) можно построить график зависимости (2.10) в виде
(2.50)
Резонанс в рассматриваемых цепях возникает при условии w2 LC x=1/2,т.е. для w L = . При частотах ниже резонансных и для w2 LC x<<1 чувствительность пропорциональна w2 LC x. При частотах выше резонансной и для w2 LC x>>1 коэффициент чувствительности асимптотически приближается к 2. Поэтому для лучшей стабильности необходимо, чтобы w2 LC x было больше чем 2, тогда можно избежать вариаций чувствительности измерительного моста при вариациях частоты и индуктивности.
Индуктивность L в зависимости (2.48) является эффективной, несвязанной индуктивностью одного плеча отношения. Если емкость кабеля С к шунтирует плечи отношения, то
L = (2.50)
где L нс – значение индуктивности при несвязанных плечах отношений.
Обеспечить выполнение условия w2 LC x >>1 практически невозможно при малых значениях емкости С и умеренно низких частотах w. Поэтому наличие кабеля с большой емкостью С к улучшает стабильность ИМ. Действительно, в этом случае шунтирование плечей отношения большой постоянной емкостью С к улучшает стабильность ИМ за счет некоторого снижения его чувствительности.
С целью проведения сопоставительного анализа получим выражение для выходного напряжения ИМ с несвязанными индуктивностями плеч отношения (К =0). Это выражение следует из зависимости (2.15)
U вых =
(2.51)
для К =0, Z 0 .
Зависимость (2.51) выходного напряжения ИМ с активными емкостными плечами сравнения и тесно связанными индуктивными плечами отношения, т.е. входной преобразователь НЭВ – (емкостный) имеет чувствительность в два раза большую (см. график 1 на рис.2.11), чем аналогичный ИМ с несвязанными индуктивными плечами отношения. В отличие от этого ИМ со связанными индуктивными плечами отношения (график 2 на рис.2.11) при высоких значениях (w 2LCx) не имеет на характеристике плоского участка и, следовательно, не имеет области, где чувствительность не зависит от вариаций частоты или индуктивности.
Возможно построение мостов Блюмлейна с индуктивными активными плечами (сравнения), как показано на рис.2.12.
Рис. 2.12. Схема измерительного моста с индуктивными активными плечами (входной преобразователь НВ-индуктивный)
Рис.2.13. График чувствительности измерительного моста с индуктивными активными плечами несвязанными (график 1) и тесно связанными (график 2) плечами отношения
Обозначим по аналогии с ИМ, имеющим емкости активных плеч, что в этом ИМ с активными индуктивными плечами
Z = jw L X и D Z =jwD L X, где Lx – индуктивность входного преобразователя НЭВ, а Z, D Z – соответственно полные сопротивления ЦИП и его изменение. Допуская, что входной индуктивный преобразователь имеет высокую добротность (R S 0), то из уравнения (2.15) можно получить для ИМ со связанными плечами отношения при Z зависимость для выходного напряжения рассматриваемого ИМ в виде
U вых = (2.52)
при K = -1, Z 0® .
ИМ со связанными плечами отношений имеет более высокую чувствительность во всем диапазоне изменения L / L X. При больших значениях L/L X>1 чувствительность возрастает, равна ® 2, а при низких L/LЧ<1 чувствительность растет с ростом отношения L / L X. Наиболее важным для обеспечения стабильности работы ИМ со связанными индуктивными плечами отношений является плоский участок графика 2 характеристики = f(L/LX), при значениях L/L X>1, так как в этой области чувствительность моста не зависит от вариаций индуктивности плеч отношения.
На основании проведенного анализа можно сделать вывод, что ИМ Блюмлейна с тесно связанными индуктивностями плеч отношения имеет наименьшую аддитивную погрешность (дрейф нуля), чем ИМ с несвязанными индуктивностями плеч отношения. Этот мост следует выбирать в качестве ЦИП на переменном токе так же по причине его более высокой стабильности (постоянства) чувствительности, чем у мостов с несвязанными индуктивностями плеч отношения или резистивными плечами отношения.
Полученные в анализе ИМ переменного тока применимы только для случая использования в качестве входных преобразователей чисто реактивных элементов (L или C) в плечах отношения, они также справедливы и для практических условий, пока значения добротности элементов входных преобразователей НЭВ или плеч отношения не слишком малы.
Случай нагруженного ИМ Z 0 ¹ в современных ЦИП потерял практическую значимость по причине широкого применения в этих цепях операционных усилителей с высокоомными входами.
Дата публикования: 2015-04-06; Прочитано: 382 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!