Исследование емкостно-диодной измерительной схемы (стр. 3 из 7)
При заземлении одной из пластин (обычно общей подвижной пластины) желательно элементы измерительной цепи располагать в одном корпусе с датчиком, например так, как показано на рис 3, а.
 |
Тогда провода, идущие к вершинам а и б, могут быть без экранов, а емкость Сжэ провода, подходящего к вершине в, подключается параллельно источнику питания. В аналогичной цепи (рис. 3, б) использован недифференциальный усилитель, что стало возможным благодаря предварительному выпрямлению с разными знаками переменных напряжений, присутствующих на вершинах выходной диагонали моста.
Рис. 3. Измерительные цепи, расположенные
На рис. 4 представлена емкостно-диодная измерительная цепь дифференциального датчика с заземленной пластиной. Емкости датчика С1 и С2 подсоединены к источнику переменного напряжения с помощью четырех диодов и двух дополнительных конденсаторов С3. В каждом полупериоде переменного напряжения открывается соответствующая пара диодов ( Д1, Д4 или Д2, Д3 ). При этом каждый из конденсаторов С3 соединяется последовательно то с емкостью С1 , то с емкостью С2 . При неравенстве емкостей С1 и С2 токи через конденсаторы С3 , текущие в положительном и отрицательном направлениях, будут не равны между собой. Вследствие этого на конденсаторах С3 появится постоянное напряжение, которое и является выходным. Если пренебречь падениями напряжения на диодах, то значение Uвых определится приближенным соотношением
 |
Рис. 4. Емкостно-диодная измерительная цепь
Нестабильность выходного напряжения определяется неидентичностью падения напряжения на диодах, поэтому диоды должны тщательно подбираться. Чтобы избежать шунтирования емкостей датчика паразитными емкостями, диодная сборка помещается в корпусе датчика. Неравенство паразитных емкостей проводов, подходящих к точкам а и б, приводит к изменению переменной составляющей напряжения на выходе; на постоянную составляющую напряжения эти емкости не влияют.
 |
Возможный вариант цепи (рис.5, а), предназначенный для телеизмерений, показан на рис.5, б. Здесь по одному коаксиальному кабелю передается переменное напряжение U от источника на датчик и постоянное напряжение Uвых – с датчика. Внутри датчика монтируются четыре диода, конденсатор С3 и резистор R1. Показанные на схеме (рис.5, б) значения параметров элементов рассчитаны на частоту питающего напряжения, примерно равную 1 МГц.
Рис. 6. Измерительные цепи с резонансными контурами
На рис.6 приведены измерительные цепи с резонансными контурами. Цепи питаются от источников со стабильной частотой w0. При изменении емкости С преобразователя (рис.6, а) сопротивление контура изменяется по резонансной кривой (рис.6, б) и при
достигает максимума.На склонах резонансной кривой может быть выбран участок, более или менее приближающийся к линейному. Пренебрегая сопротивлением R2 по сравнению с сопротивлениями wL и R1 и полагая
, 
, 
, 
,напряжение на контуре можно выразить соотношением
Зависимости Uк / Uпит представлены на рис. 6, б.
Допустимое напряжение на конденсаторе определяется значением напряженности, при которой наступает пробой воздушного промежутка. Для воздуха при нормальном давлении и зазорах между пластинами 0,1 – 10 мм эта напряженность составляет 2 – 3 кВ/мм. При зазорах, меньших 0,1 мм, можно не снижать напряжения, так как при напряжениях, меньших 350 В, воздушный промежуток вообще не пробивается независимо от длины зазора.
Для большинства диэлектриков пробивная напряженность при электрическом пробое при нормальной температуре составляет 100 – 500 кВ/мм. Однако допустимое напряжение конденсаторов с диэлектриком определяется не только электрическим, но и тепловым пробоем, напряженность при котором зависит от геометрических, тепловых и электрических параметров преобразователя и уменьшается с увеличением частоты обратно пропорционально
.В ряде случаев напряжение питания ограничивается допустимыми силами электростатического притяжения между пластинами. В одинарном преобразователе при диаметре пластины d =25 мм, зазоре d = 0,1 мм и напряжении U = 50 В значение электростатической силы достигает fэс = U 2e S /( 2d 2 ) = 6*10-4 H .
В дифференциальном преобразователе с переменном зазором (см. рис. 2, д), силы, действующие между парами пластин, направлены встречно и компенсируют друг друга. Однако полная компенсация возможна только, если входное сопротивление цепи, включенной в диагональ моста, бесконечно велико и рабочие емкости ничем не шунтируются. В этом случае уменьшение или увеличение зазора напряжения между соответствующими пластинами; сила, действующая между ними, остается неизменной, т. е. разность сил равна нулю независимо от перемещения средней пластины.
Для расширения диапазона измерения и возможного размещения измеряемых емкостей на значительном расстоянии друг от друга в схему с кольцевым диодным детектором целесообразно добавить еще один накопительный конденсатор и резистор в цепи разряда измеряемой емкости [2]. В данной курсовой работе исследуется такая емкостно – диодная измерительная схема показанная на рис. 7.
Рис. 7. Емкостно-диодная измерительная схема
Подготовка к эксперименту
Подготовка алгоритмов решения задач измерений
Для исследования емкостно-диодной измерительной схемы для начала надо определить к каким конечным целям это исследование можно отнести. В зависимости от конечных целей измерение, можно разделить:
1) научные;
2) технические
Научные измерения являются составной частью научных экспериментов. Они необходимы для установления качественных и количественных соотношений для ранее неизвестных ситуаций, для сопоставления и построения новых гипотез и теорий. Задача измерения в этом случае формулируется неполно. К научным следует отнести и такие измерения, проводимые в лабораториях и на производстве, когда известны и объем измерения, и измеряемая величина, и измерительная система, но неизвестны условия проведения измерений.
При технических измерениях задача формулируется полно и однозначно, возможность ее решения гарантируется.
Решение задачи научного измерения - это поисковая проблема. Напротив, решение задач технических измерений - это часто повторяющиеся процедуры, и соответственно этому должны быть организованы процессы измерений в производственных условиях.
Из этого следует, что исследование емкостно-диодной измерительной схемы следует отнести к техническим измерениям.
Строгость принципов построения алгоритмов ограничивает их применение для процессов решения задач в измерительной технике. Однако возможна разработка алгоритмических программ измерений, которые, сохраняя некоторые важные черты алгоритмов (определенность, конечность, массовость, результативность), отвечали бы менее строгим требованиям к ним. Для этого имеются следующие предпосылки:
1). Операции, выполняемые при решении задач измерений, подчиняются определенным закономерностям.
2). Последовательность операций при решении задачи измерения определяется не видом измеряемой величины и не объектом измерения, а общей характеристикой задачи, соответствующей конечной цели измерения.
3). Множество задач, возникающих при такой классификации, является конечным.
4). Комплексная задача разбивается на ряд частных, которые можно формализовать и решать последовательно с учетом их взаимовлияния.
5). При решении задач измерений накапливается опыт.
6). Можно составлять программы измерений для определенного круга пользователей.
Программа измерения представляет собой конечное число соподчиненных действий и актов принятия решений и имеет определенную область применения для определенного круга специалистов. Она полностью описывает процесс решения задачи измерения.
Методы уменьшения погрешностей измерений
Способы обнаружения и устранения систематических погрешностей зависят от вида измеряемой физической величины, используемых методов и средств измерений.
К основным методам уменьшения погрешностей относятся:
1). Метод инвертирования;
2). Метод замещения;
3). Метод вспомогательных измерений;
4). Метод симметричных наблюдений.
Выявление и устранение причин возникновения погрешностей
Наиболее распространенный способ уменьшения всех видов систематических погрешностей. Примерами таких способов являются:
- термостатирование отдельных узлов или прибора в целом, а также проведение измерений в термостатированных помещениях для исключения температурной погрешности;