Файл: Беленький, Я. Е. Многоточечные бесконтактные сигнализаторы температуры.pdf

к мостовой измерительной схеме, замыкается ключ обеспечива­ ющий переключение выходных сигналов измерительной схемы. При этом ключи, коммутирующие датчики, шунтируются высокоомным делителем, состоящим из резисторов R i и Rs, что позволяет значи­ тельно уменьшить погрешность от разброса и вариации сопротивле­ ний ключей /\; в состоянии «замкнуто». Анализ погрешностей этой схемы, приведенный в [Л. 29], показал, что применение дополнитель­ ных ключей K'i позволяет уменьшить почти на порядок погрешность

Рис. 3-4. Схема коммутатора с коммутацией напряжения питания.

коммутатора. Однако рассмотренная схема сравнительно сложна и очевидно, что ее применение при большом количестве каналов ком­ мутатора нецелесообразно.

Анализируя рассмотренные схемы, можно сделать вы­ вод, что коммутаторы, осуществляющие подключение ре­ зисторных датчиков к измерительной схеме и переклю­ чающие выходы измерительных схем постоянного тока, обладают рядом недостатков. Простейшие из этих устройств имеют заметную погрешность. Для ее умень­ шения необходимо усложнять схему, а также подбирать

элементы или индивидуально настраивать бесконтактные ключи.

Проанализируем устройства, в которых коммутаторы переключают выходы измерительных схем при питании последних переменным током. Питание измерительной схемы переменным током дает ряд преимуществ по срав­

47

нению со схемами постоянного тока. Так, в этом случае исключается влияние термо-э. д. с., которая может воз­ никнуть в измерительной схеме из-за градиента темпера­ туры окружающей среды. Усиление сигнала переменного тока низкого уровня, снимаемого с выхода измеритель­ ной схемы, осуществляется более простыми средствами, чем усиление сигналов постоянного тока такого жеуров-

Рис. 3-5. Схема коммутатора с коммутацией датчиков и выходных сигналов.

ня. Упрощается схемное решение питания большого ко­ личества измерительных схем.

При бесконтактной коммутации преимущества пита­ ния измерительной схемы переменным током определя­ ются возможностью исключения влияния остаточных то­ ков и напряжений ключей, если частота напряжения пи­ тания превышает частоту дрейфа этих параметров. По­ следнее условие фактически всегда выполняется даже для промышленной частоты, равной 50 гц.

Сравнение различных способов бесконтактной комму­ тации резисторных датчиков позволяет сделать вывод,

48

что для построения МБСТ наиболее целесообразно использовать метод переключения коммутатором выходов измерительных схем, работающих в уравновешенном ре­ жиме и питаемых переменным током.

3-2. АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТИ КЛЮЧЕВЫХ УСТРОЙСТВ БЕСКОНТАКТНЫХ КОММУТАТОРОВ МБСТ

Ключевые устройства многоточечного сигнализатора температуры являются промежуточным элементом цепи преобразования сигнала и, естественно, вносят погреш­ ность в передачу сигнала.

Эта погрешность вызывается рядом причин и опре­ деляется величиной переключаемого сигнала, видом сиг­ нала (постоянный ток или переменный), характером пре­ образования сигнала до ключевых устройств и после и другими факторами.

Из предыдущего обзора ясно, что достаточно слож­ ные ключевые устройства могут удовлетворять высоким требованиям, предъявляемым к ним с точки зрения по­ грешности, однако реализовать такие ключевые устрой­ ства в системах с большим числом каналов не представ­ ляется возможным. Поэтому интересен анализ погрешно­ сти наиболее простых ключевых устройств, выполненных на серийно выпускаемых дешевых полупроводниковых приборах-диодах [Л. 2].

Очевидно, что наиболее существенными характери­ стиками ключа, влияющими на величину вносимой им статической погрешности, являются его сопротивление и собственная э. д. с. в состоянии «замкнуто» и «разо­ мкнуто».

Идеальный ключ имеет в выключенном состоянии бес­ конечно большое сопротивление, а во включенном — ну­ левое; его собственная э. д. с. в обоих случаях равна нулю. Погрешность коммутатора обусловлена отличием реального бесконтактного ключа от его идеальной моде­ ли и состоит в общем случае из трех основных состав­ ляющих

Здесь бе — погрешность, вносимая собственной э. д. с. ключа; б'с — погрешность, обусловленная отличием от нуля сопротивления замкнутого ключа и проявляющаяся в затухании подключенного коммутатором сигнала на

сопротивлении замкнутого ключа; 6"с — погрешность, обусловленная отличием от бесконечности сопротивления разомкнутого ключа и проявляющаяся в проникновении сигналов из отключенных каналов на общий выход ком­ мутатора.

Рассмотрим роль каждой из указанных составляющих при работе коммутатора в МБСТ.

Бесконтактные ключи в устройствах контроля темпе­ ратуры датчиками сопротивления коммутируют выходы мостовых схем, питание которых осуществляется пере­ менным током. Это позволяет произвести на выходе ком­ мутатора разделение постоянной и переменной состав­ ляющих. Так как собственная э. д. с. бесконтактного ключа изменяется значительно медленнее частоты пере­ ключаемого сигнала, то составляющая погрешности 6е практически полностью исключается при таком разделе­ нии.

В момент достижения контролируемой температурой заданного значения в мостовой измерительной схеме на­ ступает равновесное состояние. Этот момент фиксирует­ ся нуль-органом, состоящим обычно из двух элементов— усилителя напряжения и выходного порогового устройст­ ва. Параметры этих элементов и определяют главным образом величину погрешности б'с.

Для установления этой связи рассмотрим вначале случай с идеальным ключом, сопротивление которого в замкнутом состоянии равно нулю. При этом сигнал мостовой схемы Uc делится пропорционально внутренне­ му сопротивлению моста Rn и нагрузке коммутатора /?,„ равной входному сопротивлению нуль-органа. В момент регистрации на вход порогового устройства поступает напряжение U„, равное

<3 - 2 )

где К — коэффициент усиления усилителя нуль-органа. Реальный замкнутый ключ имеет отличное от нуля сопротивление R3, поэтому величина Un для реальной

схемы определится из выражения

<з-з>

где U'с — сигнал на выходе мостовой схемы, при котором происходит включение порогового устройства в схеме с реальным ключом.

50

В пересчете на выходное напряжение мостовой схемы абсолютная погрешность, вносимая замкнутым ключом,, будет равна разности U'c и Uc

где Um— максимальное значение сигнала иа выходе мо­ стовой схемы.

Из выражения (3-5) видно, что погрешность 6'с мож­ но сделать сколь угодно малой при повышении коэффи­ циента усиления и входного сопротивления нуль-органа,, что технически всегда дости­

Рассмотрим роль погреш­ ности 8"с. Предельное зна­

чение этой величины можно определить, применяя к эк­ вивалентной схеме части коммутатора, содержащей клю­ чи (рис. 3-6), принцип суперпозиции и полагая, что сиг­ нал на выходах всех отключенных мостовых схем имеет максимальное значение Um, а на выходе подключенной схемы равен нулю. При этом напряжение на нагрузке Rn будет равно:

где Rp — сопротивление разомкнутого ключа; я — коли­ чество мостовых схем; остальные обозначения соответст­ вуют указанным ранее.

Приведенная погрешность б"с равна:

Для количественной оценки величины этой погрешности рас­ смотрим, например, коммутатор, обеспечивающий поочередное под­

честве бесконтактных ключей полупроводниковых диодов с пара­

погрешность 6 " с определяется главным образом величиной сопро­ тивления ключа в состоянии «разомкнуто». У полупроводниковых

количестве переключаемых каналов (погрешность до 0,5% при числе каналов до 1 000).

Таким образом, анализ выражения (3-1) показал, что в МБСТ с мостовой измерительной схемой из трех составляющих погрешности коммутатора лишь одна со­ ставляющая 6"с имеет величину, оказывающую практи­ ческое влияние на точность прибора. Это позволяет сде­ лать вывод о возможности построения бесконтактных ключей МБСТ на полупроводниковых диодах, которые наряду с высоким сопротивлением Rv обладают такими достоинствами, как повышенная надежность, малые га­ бариты, высокая механическая прочность и низкая стои­ мость.

В заключение отметим некоторые особенности схем диодных ключей, рекомендуемых для применения в МБСТ.

Для переключения сигналов переменного тока наи­ большее распространение получил двухдиодный однопо­ люсный биполярный ключ (диоды Д ь Дг, на рис. 3-7,а). Отделение переменной составляющей коммутируемого сигнала от постоянного тока управления осуществляется

Рис. 3-7. Диодный ключ.

а — принципиальная схема; б — вольт-амперная характеристика.

52

при помощи разделительных трансформаторов или кон­ денсаторов. Вследствие простоты и дешевизны чаще ис­ пользуется схема с разделительным конденсатором. В этом случае для замыкания цепи тока управления дио­ да До, (рис. 3-7,а) перед разделительным конденсатором устанавливается резистор Rz, величина сопротивления которого во избежание шунтирующего влияния выбира­ ется большей, чем выходное сопротивление измеритель­ ной схемы Rn. В результате неравенства Rz^>Ru токи,

диода Дг и распределение токов между ними опреде­ лится, в основном, режимом диода Ди Это позволяет достаточно точно для практических целей рассчитать режимы диодов графическим способом по вольт-ампер- ной характеристике (рис. 3-7,б).

Рабочая точка (Л) диода Ду находится на пересече­ нии характеристики диода с нагрузочной прямой, прове­

соединения диодов равно абсциссе точки А. Нагрузочная

стику (принято допущение, что характеристики обоих диодов идентичны) в рабочей точке (Б) диода Дг-

Если рабочий ток диода Дг недостаточен для обеспе­ чения заданного динамического сопротивления откры­ того ключа, можно увеличить ток путем использова­ ния общего для всех ключей дополнительного источника смещения (/д (на рис. 3-7,а показан пунктиром).

Рассмотренный диодный ключ предназначен для ком­ мутации одного полюса источника сигнала. Однако на практике часто возникают случаи, когда необходима двухполюсная коммутация. Так, например, при питании группы мостовых схем от общего источника 0 (рис. 3-8) должно быть обеспечено полное отделение источников сигналов Ua (мостов) от нагрузки и разделение мостов между собой. Для этого каждый мост необходимо ком­ мутировать двумя однополюсными ключами Ki и K'i-

Двухполюсный ключ можно построить на основе из­ вестной схемы однополюсного мостового диодного клю­ ча. В мостовом ключе обычной конструкции (рис. 3-9,а) управляющее напряжение Uy подается в одну из диаго­ налей моста, а переключаемый источник сигнала Uc и

53