Четырехпроводные измерительные схемы для резистивных датчиков: назначение, область применения. Вывод погрешности преобразования от влияния сопротивления проводов линии связи.

Для точных преобразователей сопротивления резистивного датчика, удаленного от измерительного преобразователя может оказаться, что трехпроводой линии связи недостаточно. Дело в том, что сопротивления линии связи имеют разброс. В этих случаях используют четырехпроводную линию связи (рис. 1а), имеющую два токовых зажима – a, b и два потенциальных зажима – c, d.

Рис.1. Четырехпроводная линия связи

Тогда, согласно схеме, напряжения  и  будут равны:

и

Выходное напряжение в данной измерительной схеме ищется в виде разности напряжений:

,

откуда видно, что при использовании четырехпроводной линии связи не только сопротивление проводов, но и их разброс не влияет на результат преобразования. Однако следует помнить, что на зажимах 2, 3 необходимо обеспечить холостой ход. Как правило, для таких схем используют измерительный усилитель так, как это показано на рис. 1б.

Мостовые измерительные схемы для резистивных датчиков с использованием одного операционного усилителя: назначение, применение. Вывод расчётных соотношений в зависимости от места установки датчика в плечах моста.

Данные схемы используются для преобразования электрического сопротивления резистивного датчика в напряжение и применяются для построения измерительных цепей различного рода датчиков физических величин.

Схема самой простой по числу используемых элементов активной мостовой схемы представлена на рис. 1.

Рис.1. Активная мостовая схема с нулевым выходным сопротивлением

Считаем, что отношение моста равно 1 и под действием физической величины резистивный чувствительный элемент имеет вид . На рис.1 цифрами обозначены позиции, где в схеме располагается резистивный чувствительный элемент. Пусть, например, он расположен на позиции 3. Тогда схема, выглядит так, как это показано на рис.1б. Выходное напряжение можно записать в следующем виде:

.

Проводя аналогичные вычисления выходного напряжения в зависимости от позиции чувствительного элемента, можно получить:

;

;

;

.

Данные схемы с различным расположением чувствительного элемента обладают, по сравнению с мостовыми, нулевым выходным сопротивлением и выходным сигналом, изменяющимся относительно нулевого уровня, отсутствием синфазной составляющей. Располагая чувствительный элемент в обратной связи операционного усилителя (позиция 4), можно получить преобразование без нелинейности. Однако это не всегда удаётся, поскольку часто один из зажимов чувствительного элемента в силу конструктивных особенностей оказывается гальванически соединённым с нулевой точкой, т.е. чувствительный элемент установлен на позиции 3. По сравнению с мостовой схемой, кроме отмеченных достоинств, в два раза повышена чувствительность.

Общим недостатком рассмотренных схем является недостаточная чувствительность. Для обеспечения повышенной чувствительности широкое распространение получили схемы с добавлением, по сравнению с рассмотренными, двух идентичных резисторов .

Мостовая схема на основе одного ОУ с повышенной чувствительностью представлена на рис. 2.

Рис.2. Активная мостовая схема на основе одного ОУ с повышенной чувствительностью

Здесь, как и прежде, цифрами указаны позиции, на которые устанавливается чувствительный элемент. Найдём выходное напряжение схемы при условии, что чувствительный элемент установлен на позицию 1.

.

Проводя вычисления, можно получить:

.

Обеспечив значительную чувствительность, выполним неравенство , с учётом чего можно записать:

; ;

; .

Из полученных выражений видно, что чувствительность рассмотренной измерительной схемы в  раз выше, чем предыдущей. В остальном, данная схема не отличается от предыдущей. Однако, всем этим схемам свойственна нелинейность.

Мостовые измерительные схемы для резистивных датчиков с использованием двух операционных усилителей: назначение, применение. Вывод расчётных соотношений в зависимости от места установки датчика в плечах моста.

Использование двух ОУ позволяет уменьшить уровень синфазной составляющей на входе ОУ и в ряде случаев устранить нелинейность. На рис.1 представлена мостовая измерительная схема с применением двух ОУ. ОУ1 работает как усилитель с параллельной ООС, при этом потенциал точки . В результате потенциал  тоже близок к 0. Усилитель ОУ2 с последовательной обратной связью работает при низких уровнях синфазной составляющей с коэффициентом усиления .

Рис.1. Активная мостовая схема на основе двух операционных усилителей, с выходным усилителем с последовательной обратной связью

Выражения для выходных напряжений в зависимости от положения чувствительного элемента можно найти в следующем виде:

;

;

;

.

Из приведённых соотношений видно, что при установке чувствительного элемента во второе положение измерительная схема не содержит нелинейности.

На выходе можно использовать и усилитель с параллельной ОС так, как это показано на рис.2.

Рис.2. Активная мостовая схема на основе двух операционных усилителей с выходным усилителем с параллельной обратной связью

В данной схеме потенциалы  и , т. е. отсутствует синфазная составляющая на входах ОУ1, ОУ2. Находя выходное напряжение схемы в зависимости от позиции чувствительного элемента, можно получить следующие выражения:

;

;

;

.

Из полученных выражений видно, что в данной схеме линейная характеристика преобразования, также как и в предыдущей, получается в случае, если чувствительный элемент установлен во второй позиции.

Общим недостатком рассмотренных схем с использованием двух ОУ является то обстоятельство, что в случае их линейности чувствительный элемент установлен в цепи ООС ОУ1. Это не всегда удобно. Дело в том, что к инвертирующему входу и выходу ОУ подключаются паразитные ёмкости линии связи. При этом высока вероятность того, что ОУ1 может возбудиться, т. е. могут возникнуть высокочастотные колебания, ОУ1 становится неустойчивым. Желательно выстраивать измерительную схему таким образом, чтобы ЧЭ не устанавливался в цепи обратной связи усилителя.