Предисловие

В процессе лабораторных занятий по дисциплине «Информационно-измерительные системы в океанологии» студенты должны приобрести практические навыки по расчету и исследованию основных функциональных узлов средств измерений, определению их метрологических характеристик, контролю функционирования на примере основных измерительных систем, а также должны освоить подготовку систем к работе и существующие методики первичной обработки информации.

В Руководстве к лабораторным "работам, изданным ранее [Степанюк, 1998]’, приведены работы, посвященные оценке метрологических свойств средств океанологических измерений и расчету узлов первичных измерительных преобразователей.

Данное Руководство является его логическим продолжением и позволяет студентам получить навыки по расчету характеристик наиболее распространенные промежуточных измерительных преобразователей и ознакомиться с методикой первичной обработки современных информационно-измерительных систем: CTD-зонда и комплекса ADCP.

Первые две работы подготовлены И.А. Степанюком, две последние - А.В. Зиминым.

Авторы пособия благодарны зав. кафедрой океанологии профессору В.А. Цареву, поддержавшему труд над пособием, а также студентам-океанологам, осваивавшим все ниже изложенные лабораторные работы при отсутствии опубликованных методических материалов.

* Степанюк И.А. Информационно-измерительные системы в океанологии. Руководство к лабораторным работам. - СПб.: Изд. РГГМУ, 1998. - 90 с.

Лабораторная работа № 1. Промежуточные преобразователи. ЛС-мосты переменного тока

ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВ А ТЕЛИ.

RC-мосты переменного тока

Литература'.

Степанюк И.А. Информационно-измерительные системы в океанологии. Руководство к лабораторным работам- Л.: 1986-С.208-224.

Общие пояснения.

После первичного преобразования физической величины в электрический сигнал необходим еще ряд преобразований. Они выполняются так называемыми промежуточными преобразователями. Эти преобразователи бывают двух видов: аналоговые, масштабные (масштабирующие) и цифровые.

В аналоговых преобразователях электрическая величина, полученная в результате первичного преобразования, например, сопротивление, преобразуется в иную электрическую величину, например в напряжение. Только в таком случае обеспечивается возможность регистрации.

Масштабные преобразователи предназначены для изменения диапазона показаний измеряемой величины, представленной обычно в виде напряжения, например при измерениях pH, либо тока, например при измерениях концентрации растворенного кислорода. Масштабные преобразователи обычно представляют собой высококачественные усилители напряжения, либо компенсаторы части напряжения.

Цифровые преобразователи обеспечивают получение на выходе дискретного ( в отличие от аналоговых) сигнала, представленного в каком либо из кодов, как правило, в двоичном или в двоично-десятичном. После дешифрирования с помощью различных дешифраторов кодов этот кодированный сигнал преобразуется к привычному для нас значению.

Для преобразования сопротивления в напряжение применяются мосты постоянного тока. Один из вариантов подобного моста рассмотрен в лабораторной работе № 2 «Руководства к лабораторным работам», изд. 1986 г.

Однако для первичных преобразователей реактивного типа (емкостные, индуктивные), а также и для преобразователей активного типа, но с реактивными составляющими, например типа струнных преобразователей волнения, мосты постоянного тока неприменимы. Необходимо использование мостовых схем на переменном токе.

Методика выполнения работы

Теоретические основы

Одним из наиболее распространенных в океанологических ИИС является мост Соти (рис. 1.1). В отличие от моста Уинстона, где условием равновесия является равенство потенциалов в точках 1 и 2, в мостах переменного тока необходимо, кроме равенства потенциалов в аналогичных точках 1 и 2, дополнительно обеспечить равенство фазовых сдвигов. Иначе равновесия достичь невозможно.

Принципиальная схема моста Соти

Рис. 1.1. Принципиальная схема моста Соти

На рис. 1.2. показана такая ситуация. Здесь амплитуды потенциалов

Действительно, выходной сигнал Дф определяется как текущая разность потенциалов. Поэтому в точке 0 получается разность [°-(-<Р2т)] = (Р2»,>вточке У2 ~ ИТЛ

? Однако здесь нас подстерегают некоторые неожиданности. В точке формируется разность [0,707 - (-0,707)] = 1,41. То есть амплитудное значение результирующего сигнала Дфте увеличивается в 1,41 раза по сравнению с амплитудными значениями потенциалов в точках 1 и 2. Это увеличение обусловлено только фазовым сдвигом на .

Изменчивость потенциалов в различных точках моста переменного тока

Рис. 1.2. Изменчивость потенциалов в различных точках моста переменного тока

Реально в схеме моста Соти такого фазового сдвига не может быть. В анализе он взят только для наглядности. В других схемах мостов переменного тока (обычно - нереализуемых) такие условия могут создаваться (см. ниже).

Рассмотрим, как формируется выходное напряжение моста Соти.

и'ГЪ-*2=---/ - S--Г 1 1

iaC R, +----- icoC~ +-----

x 1 icoC 22 icoC~

x J 2)

  • 1 1
  • 1 + icoR. C 1 + i a>~ Co

< 1 x 2 2)

_______t<0T2C2 Ух'______

  • 1 + i(oR~C~ + icoRf C , — (d^R,R~C C—
  • 2 2 1x1 12x2

Казалось бы, что при условии R{CX = R2C2 выходное напряжение будет всегда равно нулю. Но это не так. Как показано выше, это условие всего лишь одно из необходимых условий.

Рассмотрим фазовые сдвиги. Обозначив их как yi и у2.

V'i=-arctg(aRlCx i//2 = ~arctg(a)R2C2).

Получается, что равенство фазовых сдвигов обеспечивается тоже при том же условии 2?1СХ = R2C2 • Вот в этом и состоит притягательность моста Соти.

Однако, мост предназначен для преобразования R либо С в напряжение переменного тока. Вот тут и начинаются некоторые неприятности. Ведь при изменениях R или С нарушается условие равновесия. Рассмотрим модуль выходного напряжения, используя выражение (1.1):

irr I U„a>(R2C2-R}Cx)

1 в| = Tl ~2 V a v ' (, 3)

+ ®2(Л2С2 + Л1Сх)2

Итак, при несоблюдении условий равновесия в выражение обязательно входит частота со. В литературе часто можно встретить, что мост Соти частотно-независимый. Это правильно. Но только если он сбалансирован.

Эта тонкость — зависимость от частоты - приводит к требованию стабилизации частоты питающего напряжения Un. Но это, конечно, сложно. Автоматическая балансировка моста намного более интересна.

В условиях фазового равновесия при изменчивости R или С в каком-либо из плеч возникает та же проблема - в результирующее выражение для фаз входит частота.

Получим это выражение.

Учитывая, что

«g =

l + fgVi/gV2

а также с учетом (1.2) получим

Д|/ = - |/2 = -arctg

[т(Д,СЛ2С2)] 1 + <о2Я,СхЛ2С2

(1-4)

Т.е. ситуация такая же, как и с модулем выходного напряжения - на результат влияет частота.

Следует привести некоторые схемы, которые принципиально не уравновешиваются из-за невозможности совпадения по фазе. В то же время амплитудный баланс здесь может выполняться.

Действительно, рассмотрим схему на рис 1.3.

ЯС-мост с невозможностью уравновешивания

Рис. 1.3. ЯС-мост с невозможностью уравновешивания.

Выходное напряжение будет определяться выражением:

Л + ^3

(1.5)

+ ^з “ ~ R3

< (Л1 + R3 X1 + *^2Сх ) J

Для амплитудного баланса необходимо, чтобы числитель без учета фаз был равен нулю. Определим разность модулей в числителе:

И|_^1 cdR2R2Cx.

(1-6)

Это вполне реализуемое условие. Для примера возьмем

со =----; в таком случае получится необходимым обеспечить

2тсД3Сх

равенство Rx и R2. При этом, соответственно, |И| = 0.

Но фазы здесь никогда не сбалансировать. Фаза у; совпадает с фазой Un (это очевидно), а фаза уа отстает от фазы Un. Этот вариант близок к ситуации, показанной на рис. 1.2.

Оценим отставание фазы V2-

Соответственно

^2 = -arctg(a)R2Cx).

Еще один вариант ЛС-моста с невозможностью уравновешивания

Рис. 1.4. Еще один вариант ЛС-моста с невозможностью уравновешивания

Схему на рис. 1.4 студентам желательно проанализировать самостоятельно в качестве зачета по лабораторной работе.

Исходные данные (изменчивость CXi, пФ)

Номер варианта

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Частота напряжения питания, Гц

1000

2000

3000

2500

2000

3000

1000

1500

4000

4500

1

500

500

650

200

150

100

200

500

150

100

2

550

550

700

250

200

150

250

550

200

150

3

600

600

750

300

250

200

300

600

250

200

4

650

650

800

350

300

250

350

650

300

250

5

700

700

850

400

350

300

400

700

350

300

6

750

750

900

450

400

350

450

750

400

350

7

800

800

950

500

450

400

500

800

450

400

8

850

850

1000

550

500

450

550

850

500

450

9

900

900

1050

600

550

500

600

900

550

500

10

950

950

1100

650

600

550

650

950

600

550

11

1000

1000

1150

700

650

600

700

1000

650

600

12

1050

1050

1200

750

700

650

750

1050

700

650

13

1100

1100

1250

800

750

700

800

1100

750

700

14

1150

1150

1300

850

800

750

850

1150

800

750

15

1200

1200

1350

900

850

800

900

1200

850

800

16

1250

1250

1400

950

900

850

950

1250

900

850

* Студенты используют вариант, номер которого совпадает с последней цифрой в зачетной книжке.

Порядок выполнения работы

  • 1. Рассчитать элементы сбалансированного ЯС-моста Соти, основываясь на значении Сх в строке! исходных данных. При этом задавать примерное соответствие значений R и (coQ-1. При расчетах учитывать, что значение Сх дано в пФ, т.е. 10“12 Ф, а частота указана циклическая /, тем самым со = 2тс/.
  • 2. Рассчитать изменчивость модуля выходного напряжения моста по формуле (1.3) в пределах заданной изменчивости емкости.
  • 3. Рассчитать изменчивость разности фаз по формуле (1.4).
  • 4. Построить кривые изменчивости рассчитанных величин в зависимости от изменчивости емкости.
  • 5. Проанализировать полученные данные.

Составление отчета

В отчет по лабораторной работе входят:

  • 1. Значения элементов моста.
  • 2. График изменчивости модуля выходного напряжения моста.
  • 3. График изменчивости разности фаз.
  • 4. Анализ полученных результатов.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >