Пассивные измерительные преобразователи, назначение, устройства

Введение

В точном смысле этого слова, определенном Оксфордским словарем, измерительный преобразователь является прибором, который преобразует изменение одной величины в изменение другой. В терминах электроники измерительный преобразователь определяется обычно как прибор, преобразующий неэлектрическую физическую величину (называемую измеряемой физической величиной) в электрический сигнал, или наоборот. Имеются, конечно, и исключения из этого правила.
Отсюда следует, что измерительные преобразователи используются в электронных системах, т. е. в технических устройствах с электрическим сигналом, отображают результат измерений или наблюдений. С другой стороны, измерительный преобразователь может быть использован на выходе системы, чтобы, скажем, генерировать механическое движение в зависимости от электрического управляющего сигнала. Примером реализации преобразователей является справочная система, в которой микрофон (входной преобразователь) превращает сигнал (измеряемую физическую величину) в электрический сигнал. Последний усиливается, а затем поступает на громкоговоритель (выходной преобразователь), воспроизводящий звук существенно более громкий, нежели тот, который воспринимается микрофоном.
Довольно часто измеряемая величина согласно ее определению просто измеряется электронной системой, а полученный результат только отображается или запоминается. Однако в некоторых случаях измерения образуют входной сигнал управляющей схемы, которая служит либо для регулирования измеряемой величины относительно некоторого заранее установленного уровня, либо для управления переменной величиной в соответствии с измеряемой.

1 ПАССИВНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И ИХ УСТРОЙСТВО
1.1 Основные характеристики пассивных измерительных преобразователей


Измерительные измерительные преобразователи-преобразователи входных сигналов подразделяются на активные и пассивные.
Пассивные измерительные преобразователи, такие, как термопары или фотодиоды (при измерении напряжения на выводах), являются устройствами, которые напрямую преобразуют энергию физического воздействия в электрический сигнал, при этом не требуется внешнее питание или возбуждение датчика.
16186152730500


Рисунок 1 – Обобщенная схема пассивных преобразователей

Пассивные преобразователи являются наиболее простыми по схемной реализации. Они обладают рядом недостатков (малый допустимый диапазон изменения входного напряжения, в пределах которого функция преобразования имеет линейный характер, низкая точность и стабильность, нарушение градуировки при смене выпрямительных диодов, при использовании полупроводниковых выпрямительных диодов — температурная погрешность). Тем не менее их широко применяют там, где не предъявляются высокие требования к точности и линейности (электронные вольтметры, комбинированные измерительные приборы — вольт-амперомметры и пр.)
Преобразователи с неуправляемыми выпрямительными преобразователями.
Пассивные преобразователи с неуправляемыми преобразователями (ВП) рассмотрены в ряде работ [6, 13, 14].
Для изучения их свойств и выявления влияния нелинейности и нестабильности выпрямительных диодов на результирующую погрешность рассмотрим обобщенную схему рис. 1. Если выходной сигнал u12tснимается между точками 1 и 2, то при Rн1=Rн2=∞ двухполупериодный выпрямительный мост (формирователь модуля) представляет собой схему Греца (рис.2, б). Если выходной сигнал u1(t) (или u2(t)) снимается с нагрузки RH1 (или RH2), то двухполупериодный выпрямитель вырождается в однополупериодный. При работе такого однополупериодного выпрямителя (RH=∞) в режиме заданного напряжения (RH=0) постоянная составляющая выпрямленного напряжения
Е1=1Т0Тu1tdt=Ucв211+ϰ+-11+ϰ-=U(1+γ)2kф, (1)
Где
γ=11+ϰ+-11+ϰ--1≈-ϰ+-1ϰ-, (2)
ϰ+=Rпр1(Rобр3∥Rн1),ϰ-=Rобр1(Rпр3∥Rн1), (3)
Ucв и U — соответственно средневыпрямленное и среднеквадратическое значения входного напряжения u(t); Rпр1 и Rобр1 — соответственно прямые и обратные сопротивления диодов (i=l—4). Параметры ϰ+≪1 и ϰ-≫1 характеризуютвыпрямительные свойства ПСЗ. Согласно (2) и (3) погрешность преобразователей определяется нелинейностью, нестабильностью и зависимостью от температуры прямых и обратных сопротивлений диодов Д1 и ДЗ .
48704515430500


Рисунок 2 – Схемы Греца пассивных преобразователей

Для уменьшения температурной погрешности пассивных ПСЗ можно использовать эффект взаимокомпенсации составляющих температурной погрешности, обусловленных изменением прямых и обратных сопротивлений полупроводниковых диодов

. Сущность этого эффекта сводится к следующему [5,6]. С увеличением температуры окружающей среды прямые и обратные сопротивления диодов уменьшаются. В результате увеличивается падение напряжения на добавочном сопротивлении Rn и возрастает шунтирующее действие закрытых диодов. Но, с другой стороны, увеличивается и приращение тока через нагрузку, обусловленное уменьшением прямых сопротивлений диодов. Если преобладает влияние уменьшения прямых сопротивлений диодов, то температурная погрешность ПСЗ будет положительной. Если преобладает влияние увеличения падения напряжения на Rи и шунтирующего действия обратных сопротивлений диодов, то температурная погрешность будет отрицательной. Выбирая Ra и Ry из условия взаимокомпенсации, можно уменьшить температурную погрешность двухполупериодного преобразователя.
На рис. 3 [6, 7] представлены другие варианты схем ПСЗ со взаимокомпенсацией составляющих температурной погрешности. Для ПСЗ на рис. 4,а сопротивления резисторов R01 и R02 выбирают из условия взаимокомпенсации влияния изменений прямых и обратных сопротивлений выпрямительных диодов. Для пассивных преобразователей на рис. 3,б сопротивления резисторов R01 и R02 выбирают таким образом, чтобы изменения сопротивлении диодов в каждой из параллельных ветвей под воздействием температуры имели противоположные знаки.
59626510287000


Рисунок 3 – Другие варианты схем пассивных преобразователей со взаимокомпенсацией составляющих температурной погрешности

Рассмотрим следующие способы линеаризации функции преобразования пассивных преобразователей:
способ введения режима заданного тока;
способ аддитивной коррекции нелинейности;
способ параметрической компенсации нелинейности;
способ улучшения ключевых свойств выпрямительной цепи;
способ смещения рабочей точки на линейный участок вольт-амперной характеристики диодов.
При использовании только пассивной элементной базы режим заданного тока можно реализовать, включая последовательно выпрямительному преобразователю дополнительный резистор Rи с большим сопротивлением, как это показано, в частности, на рис. 1 и рис. 2 [8]. Использование данного способа сопровождается потерей чувствительности пассивных преобразователей.
Способ аддитивной коррекции рассмотрим на примере схем на рис. 4. [9, 10]. Номинальное значение коэффициента передачи преобразователей по мгновенным значениям β=β+-β-где β+=1/2 и β-=1/3— соответственно коэффициенты передачи преобразователей на рис. 4,а для положительных и отрицательных полуволн входного сигнала. Подбирая диоды с идентичными характеристиками в прямом направлении, погрешность из-за нелинейности можно снизить до десятых долей процента в диапазоне напряжений от 0,1 В и выше. Аналогичными свойствами обладает преобразователь на рис. 4,б. [2].
17824456413500


Рисунок 4 – Пассивные преобразователи для положительных и отрицательных полуволн входного сигнала (погрешность нелинейности)

Способ параметрической компенсации нелинейности [2] пассивных преобразователей в различных модификациях базируется на реализации метода взаимообратных преобразований. Здесь в принципе возможна линеаризация функции преобразования без потери чувствительности, что для пассивных схем является преимуществом.
При любом способе линеаризации функции преобразования пассивных преобразователей с неуправляемыми выпрямителями одновременно уменьшаются температурная погрешность и погрешность, обусловленная нестабильностью диодов (временное старение и пр.). Эго объясняется тем, что рассмотренные способы направлены на уменьшение влияния изменения сопротивлений диодов независимо от причин, вызывающих это изменение.
В пассивных преобразователях с неуправляемыми выпрямителями диапазон преобразуемых напряжений, в пределах которого погрешность от нелинейности не превышает 0,1 — 1%, в лучшем случае начинается с сотен милливольт.
Преобразователи с управляемыми выпрямительными преобразователями. Способ улучшения ключевых свойств выпрямительной цепи находит свое естественное развитие в преобразователях с управляемыми выпрямительными преобразователями. Обобщенная структурная схема преобразователей с управляемым выпрямительным преобразователем (УВП) представлена на рис. 5,а. Здесь ВУ — входное устройство, Ф — усредняющий фильтр, У — усилитель (в пассивных ПСЗ отсутствует), У В — управляемый выпрямитель, ФУС – формирователь управляющего сигнала.
36703010922000


Р


Рисунок 5 – Обобщенная структурная схема пассивных преобразователей (УВП)
Для построения управляемых ВП используют пассивные нелинейные элементы, обладающие детектирующим эффектом (в частности, полупроводниковые и вакуумные диоды), и усилительные элементы (униполярные и биполярные транзисторы, электронные лампы)