Измерительные схемы с использованием двух ОУ.

 

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.

 

Функциональные схемы измерительного преобразователя для индуктивного и емкостного датчика.

 

Функциональная схема измерительного преобразователя для индукционного датчика приведена на рисунке 1. Она состоит из следующих элементов:

 

ГСК	- генератор синусоидальных колебаний, предназначенный для питания датчика;
ЭМД	- электромагнитный датчик, имеющий обмотку возбуждения 1 - 2 и выходную обмотку 3 - 4;
ПрТН	- преобразователь ток-напряжение, вырабатывающий выходное напряжение, пропорциональное входному току через датчик  и синфазное (противофазное) с входным током;
ФСУ	- фазосдвигающее устройство, сдвигающее фазу входного напряжения до получения синфазности/противофазности с выходным напряжением;
ФУН	- формирователь управляющего напряжения, необходимый для управления ключами фазочувствительного выпрямителя;
Ус	- усилитель выходного сигнала датчика;
ФЧВ	- фазочувствительный выпрямитель;
ФМИ	- фильтр нижних частот;
ПНТ	- преобразователь напряжение-ток, позволяющий получить выходной унифицированный ток;
БП	- блок питания измерительного преобразователя.

 

 

Рис. 1. Функциональная схема измерительного преобразователя для индукционного датчика

 

Схема датчика дана на рисунке 2.

 

Рис. 2. Эквивалентная схема электромагнитного датчика

 

На схеме даны следующие обозначения:

	- сопротивление меди;
	- сопротивление потерь;
	- индуктивность обмотки возбуждения;
	- питающее синусоидальное напряжение;
	- выходное напряжение датчика;
	- коэффициент связи, В/А;
	- входной ток обмотки возбуждения;
	- ток индуктивности, создающий магнитный поток в датчике.

 

По эквивалентной схеме требуется рассчитать диапазон изменения выходных напряжений датчика. . Для нахождения тока  и  воспользуемся схемой, представленной на рисунке 1, тогда ток входной ток  будет равен:

.

Фазовый сдвиг тока  относительно питающего напряжения  будет иметь вид:

.

Ток через индуктивность  будет равен:

,

,

а фазовый сдвиг тока  относительно напряжения имеет вид:

.

Тогда, согласно функциональной схеме, фазовый сдвиг между током и будет равен:

,

.

Диапазон выходных напряжений равен: .

Фазовый сдвиг, необходимый для получения управляющих напряжений, синфазных с выходным, равен .

 

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

 

При питании датчика от источника напряжения ток через датчик  будет иметь вид: .

В комплексном виде: .

Откуда видно, что ток через датчик имеет две составляющих, одну совпадающую с напряжением питания  и составляющую, сдвинутую относительно напряжения питания на  и пропорциональную . В результате, суммарный ток через датчик сдвинут относительно питающего напряжения не на 90°, а на угол , где  - угол недосдвига до 90°, обусловленный потерями в датчике. Тогда согласно векторной диаграмме имеем

.

 

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;

 

Эквивалентная схема преобразователя представлена на рисунке 8. На рисунке 8а представлена схема преобразователя   в напряжении , на рисунке 8б – векторная диаграмма токов в датчике.

 

Рис. 8. Эквивалентная схема преобразователя емкости  в напряжение

 

Поскольку в датчике существуют потери, то ток через него сдвинут по фазе относительно напряжения не на , а на угол несколько меньше , где  – недосдвиг до .

 

 

---

Дата добавления: 2018-05-13; просмотров: 437; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!