§ 2.5. Дифференциальные измерительные схемы

Дифференциальная схема состоит из двух смежных контуров с источником питания, а измерительный прибор включен в общую ветвь контуров и реагирует на,разность контурных токов. В дифференциальной схеме могут быть использованы как параметрические датчики (с изменяющимися сопротивлениями), так и генераторные (с изменяющейся ЭДС). Дифференциальные схемы включения параметрических датчиков показаны на рис. 2.8 (а — датчик включен в один контур; б — датчик включен в оба контура). ЭДС, питающие оба контура, одинаковы. Дифференциальная схема включения генераторного датчика показана на рис. 2.9. В этой схеме датчиком является так называемый дифференциальный трансформатор (подробно рассмотрен в § 6.4). При изменении магнитной связи между обмотками трансформатора ЭДС левого контура, например, возрастает, а правого — уменьшается. Изменение магнитной связи обусловлено контролируемой неэлектрической величиной. Например, оно может быть вызвано перемещением ферромагнитного сердечника в дифференциальном трансформаторе.

Проведем сравнение дифференциальной и мостовой измерительных схем по чувствительности. В обеих схемах (рис. 2.10, а, 6) будем использовать одинаковые датчики с изменяющимся активным сопротивлением и одинаковое питание — от вторичной обмотки трансформатора с ЭДС, равной (при дифференциальной схеме имеется вывод от средней точки).

Для расчета токов в дифференциальной схеме используем метод наложения: сначала определим токи от одной ЭДС, затем — от другой (рис. 2.11).

Ток через прибор для расчетной схемы (рис. 2.11, а)

Ток через прибор для расчетной схемы (рис. 2.11, б)

Результирующий ток через прибор

Определение чувствительности дифференциальной схемы в общем виде приводит к довольно сложному уравнению, поэтому рассмотрим числовой пример. Пусть E=10 В; R= 10 Ом; =0,1 Ом; R_пр=0,5 Ом. Тогда

Таким образом, при одинаковых напряжениях питания, сопротивлениях датчика и измерительного прибора, приращениях сопротивления датчика дифференциальная схема дает большее приращение тока в измерительной цепи. Следовательно, дифференциальная измерительная схема имеет большую чувствительность, чем мостовая схема.

Ток в измерительной цепи мостовых и дифференциальных схем зависит от напряжения питания. Колебания напряжения питания . приводят к появлению погрешности, так как ток через прибор и отклонение его стрелки изменяются даже при неизменном сопротивлении датчика.

Для уменьшения влияния напряжения питания на показания прибора используют так называемые логометрические схемы измерения. Логометром называется магнитоэлектрический прибор, противодействующий момент в котором создается не механически (пружиной), а электрически. На рис. 2.12 приведена принципиальная схема логометра для измерения сопротивления датчика Яд, В магнитном поле постоянного магнита с полюсными наконечниками NS помещен стальной цилиндрический сердечник. В зазоре между сердечником и полюсными наконечниками помещены две обмотки wi и а>2, выполненные в виде рамок. При прохождении тока по рамке создается вращающий момент и рамка поворачивается. Зазор сделан неравномерным, чтобы вращающий момент изменялся в зависимости от угла поворота. Обмотки o»i и а>₂ намотаны так, чтобы моменты рамок были направлены навстречу друг другу. Рамки жестко соединены между собой под определенным углом. Вместе они могут поворачиваться одновременно с закрепленной на рамках стрелкой прибора. Токи к рамкам подводятся с помощью спиральных пружин, которые создают малый противодействующий момент, возвращающий рамки и стрелку в исходное положение, когда тока в приборе нет.

Датчик включен последовательно с обмоткой , постоянный резистор R — последовательно с обмоткой . Если сопротивления и R равны, то токи в рамках также равны ( ) и подвижная система (обе рамки со стрелкой) займет положение, симметричное относительно оси полюсов NS. Если же сопротивление датчика изменится (например, увеличится), то ток /i уменьшится и уменьшится момент , создаваемый этим током в рамке i0j. Так как ток и соответствующий ему момент остался неизменным, то результирующий момент повернет подвижную систему на некоторый угол. При этом рамка с большим током входит в расширяющийся зазор с меньшей индукцией, а рамка wi с меньшим током, наоборот, входит в сужающийся зазор с большей индукцией. Момент будет уменьшаться, а —увеличиваться. При определенном угле поворота моменты сравниваются и подвижная система займет новое равновесное положение. Если же изменится напряжение питания цепи U, то в рамках и изменятся токи, притом одновременно и в одинаковой степени (так как рамки подключены к источнику питания параллельно). Соотношение токов и моментов останется неизменным и положение подвижной системы не изменится. Как видно, на положение стрелки влияют не сами токи, а их отношение, которое определяется сопротивлением датчика и не зависит от напряжения питания.