Файл: Эрлер, В. Электрические измерения неэлектрических величин полупроводниковыми тензорезисторами.pdf

— 5 до +53 °С коэффициент чувствительности измерителя пере­ мещений с ППТ изменялся лишь на —0,6% относительно его значения при +25 °С.

4.5. Влияние параметров кабеля между измерительным преобразователем и измерительным прибором

на результат измерения

4.5.1. Общие замечания

Кабель между ИП (тензорезистивный полуили полный мост) и измерительным прибором длиной I от нескольких еди­ ниц до нескольких сотен метров (в зависимости от потребно­ стей), как правило, оказывает влияние на результат измерения. Он содержит три (при четверть- и полумосте) или четыре (при полном мосте) провода, а в особых случаях и еще большее число проводов, с помощью которых, как правило, осуществляется подвод к ИП напряжения питания, а к измерительному прибо­ ру— измерительного напряжения. При этом речь идет почти исключительно о многожильных медных проводах с пластмас­ совой или резиновой изоляцией, обеспечивающей хорошую гиб­ кость. В случае стационарной проводки, например при производ­ ственных измерениях, очевидно, могут использоваться также од­ ножильные провода.

Важнейшим параметром кабеля является омическое сопро­ тивление проводов Rl/2, зависящее от длины I и поперечного сечения q. Оно должно быть как можно меньше, поскольку на нем возникают потери питающего и измерительного напряже­ ния, что приводит к снижению чувствительности всего измери­ тельного устройства. Если это изменение остается в определен­ ных пределах (порядка нескольких процентов), его можно учесть при градуировке всей измерительной цепи. Более неприятна до­ полнительная погрешность, обусловленная температурной зави­ симостью сопротивления меди (0,0039 град^1). Этим при точных измерениях определяется чаще всего максимальная величина сопротивления кабеля Rl/2. В принципе при увеличении попе­ речного сечения q провода длина кабеля I может быть увели­ чена. Если провода кабеля оказываются непосредственно вклю­ ченными в мостовую схему (четвертьили полумост), то наряду с уменьшением чувствительности появляется также зависящий от температуры разбаланс моста (дрейф нуля). Его можно ком­ пенсировать с помощью уже известных схем.

Следующим важным параметром, особенно кабелей большой протяженности, является сопротивление изоляции между самими проводами, а также между проводами и экранной оплеткой ка­ беля. Оно должно быть как можно более высоким и прежде

всего стабильным. Если это условие не выполняется, возникает нежелательный разбаланс моста — дрейф нуля (подробнее об этом см. в разд. 5.3).

При заданной длине кабеля, а следовательно, при опреде­ ленном R J 2 применение ИП (или тензорезисторов) с высокими входными сопротивлениями Re на клеммах питания приводит к снижению потерь напряжения на проводах питания; правда, в этом случае сильнее проявляется конечная величина сопротив­ ления изоляции.

Изложенные выше соображения характерны для систем по­ стоянного напряжения — таких, как системы на основе полупро­ водниковых тензорезисторов. Сопротивление питающих прово­ дов кабеля Rls/2 при питании полного моста постоянным током не оказывает влияния на результат измерения. Сопротивление проводов измерительного контура Rlm/2 оказывается также не существенным в том случае, когда входное сопротивление изме­ рительного прибора достаточно велико. Эти оба случая не ре­ ализуются для системы на основе ППТ.

В дополнение можно отметить, что для систем на несущей частоте (например, fr = 5 кГц) большую роль наряду с омиче­ скими сопротивлениями жил играют емкости кабелей. Если они достаточно великн, то это обстоятельство приводит к дополни­ тельному снижению измерительной чувствительности наряду со снижением ее за счет RlI2. К тому же за счет кабеля происходят еще сдвиг фазы питающего напряжения на ИП и сдвиг фазы измерительного напряжения на входе измерительного прибора. Современные приборы на несущей частоте (например, приборы

UM111 или UM131 завода «RFT Mefielektronik» в Дрездене)

имеют устройства для компенсации сдвигов фаз с тем, чтобы уменьшить снижение чувствительности или демодуляционной способности усилителей. По указанным причинам, а также в связи с тем, что емкость кабеля включается параллельно от­ дельным сопротивлениям моста и оказывает влияние на его ба­ ланс, емкости между отдельными проводами должны быть как можно меньшими по величине, постоянными и симметричными. Это условие выполняется только при экранированных кабелях. Неэкранированные кабели не могут применяться с измеритель­ ными устройствами, работающими по принципу несущей ча­ стоты, даже если применяется крайне низкая несущая частота (несколько сот герц).

Экранировка кабеля имеет смысл и для систем на постоян­ ном токе; она служит для защиты от воздействия электрических или электромагнитных полей (электрическая сеть, сеть радио­ вещания) при прецизионных динамических измерениях или в случае использования таких электронных индикаторных при­ боров постоянного напряжения, которые при наложении

72 4. Мост Уитстона

переменных напряжений дают неправильные показания. Помимо экранировки, кабель должен иметь еще одну изоляционную обо­ лочку для того, чтобы не возникало погрешностей измерений за счет неконтролируемых случайных заземлений. Оплетка прово­ дов кабеля должна быть выполнена так, чтобы равные емкости располагались параллельно в разных плечах моста ИП. Следо­ вательно, у полного моста при четырехпроводном кабеле оба про­ вода питающего напряжения и оба провода выходного напряже­ ния должны располагаться раздельно (это особенно важно для систем, работающих на несущей частоте, с точки зрения уравно­ вешивания моста).

Необходимо далее отметить, что у систем на постоянном токе емкость кабеля С, подключенная параллельно выходу ИП (вну­ треннее сопротивление R i), определяет верхний предел частоты для динамических измерений.

Для уменьшения амплитуды на 10% достаточно, чтобы вы­ полнялось условие

При Ri = 120 Ом и С = 50 нФ (кабель большой протяженности) из уравнения (4.50) получаем fo-u>%= 12 кГц.

В заключение следует сказать о том, что с помощью спе­ циально принятых мер можно устранить влияние на результат измерения со стороны кабеля. Это относится как к понижению чувствительности, так и к дрейфу нуля. Потери чувствительности могут быть учтены при градуировке. Несмотря на это, их зави­ симые от температуры составляющие все же вызывают некото­ рую погрешность измерения. Речь идет при этом всегда о по­ грешностях, отнесенных не к диапазону измерений, а к теку­ щему значению измеряемой величины.

Рассмотрим на практических примерах, какое влияние на из­ мерение оказывает омическое сопротивление кабеля. Хотя рас­ сматривается система с ППТ (питание постоянным напряже­ нием), выводы формул по возможности обобщены.

4.5.2. Измерительные преобразователи с полным мостом, подключенные через четырехпроводной кабель

Этот случай встречается наиболее часто и легко поддается математическому описанию. Упрощенная для целей расчета схема показана на фиг. 4.16. Питающие и измерительные цепи изображены гальванически развязанными, чего на самом деле нет у мостовых схем, но принято здесь для упрощения. Эта схема замещения относится также и к мостовым схемам, урав­ новешиваемым добавочными сопротивлениями, или к схемам с температурной компенсацией, например к динамометрам. Так