Функциональные схемы измерительного преобразователя для индуктивного и емкостного датчиков: назначение элементов, описание их работы, вывод уравнения преобразования.

Функциональная схема измерительного преобразователя для индукционного датчика приведена на рисунке 1. Она состоит из следующих элементов:

ГСК	- генератор синусоидальных колебаний, предназначенный для питания датчика;
ЭМД	- электромагнитный датчик, имеющий обмотку возбуждения 1 - 2 и выходную обмотку 3 - 4;
ПрТН	- преобразователь ток-напряжение, вырабатывающий выходное напряжение, пропорциональное входному току через датчик  и синфазное (противофазное) с входным током;
ФСУ	- фазосдвигающее устройство, сдвигающее фазу входного напряжения до получения синфазности/противофазности с выходным напряжением;
ФУН	- формирователь управляющего напряжения, необходимый для управления ключами фазочувствительного выпрямителя;
Ус	- усилитель выходного сигнала датчика;
ФЧВ	- фазочувствительный выпрямитель;
ФМИ	- фильтр нижних частот;
ПНТ	- преобразователь напряжение-ток, позволяющий получить выходной унифицированный ток;
БП	- блок питания измерительного преобразователя.

Рис. 1. Функциональная схема измерительного преобразователя для индукционного датчика

Схема датчика дана на рисунке 2.

Рис. 2. Эквивалентная схема электромагнитного датчика

На схеме даны следующие обозначения:

	- сопротивление меди;
	- сопротивление потерь;
	- индуктивность обмотки возбуждения;
	- питающее синусоидальное напряжение;
	- выходное напряжение датчика;
	- коэффициент связи, В/А;
	- входной ток обмотки возбуждения;
	- ток индуктивности, создающий магнитный поток в датчике.

По эквивалентной схеме требуется рассчитать диапазон изменения выходных напряжений датчика. . Для нахождения тока  и  воспользуемся схемой, представленной на рисунке 1, тогда входной ток  будет равен:

.

Фазовый сдвиг тока  относительно питающего напряжения  будет иметь вид:

.

Ток через индуктивность  будет равен:

,

,

а фазовый сдвиг тока  относительно напряжения имеет вид:

.

Тогда, согласно функциональной схеме, фазовый сдвиг между током и будет равен:

,

.

Диапазон выходных напряжений  равен: .

Фазовый сдвиг, необходимый для получения управляющих напряжений, синфазных с выходным, равен .

Измерительный преобразователь для ёмкостного датчика (ЕД)

1. Ёмкостной датчик с изолированными электродами	2. Ёмкостной датчик с заземлённым электродом
3. Дифференциальный ёмкостной датчик с изолированными электродами	4. Дифференциальный ёмкостной датчик с заземлённым средним электродом

Рис. 3. Функциональная схема измерительного преобразователя для емкостного датчика с изолированными электродами

ГКН	- генератор квадратурных синусоидальных напряжений;
ПНТ	- преобразователь ток-напряжение;
ФЧВ	- фазочувствительный выпрямитель;
ФНЧ	- фильтр нижних частот;
ПНТ	- преобразователь напряжение-ток;
ФУН	- формирователь управляющих напряжений;
	- электрическая емкость датчика, изменяющаяся под действием физической величины от  до  (дано по заданию);
	- сопротивление потерь в датчике (задан  пересчитывается в );
	- напряжение смещения, согласует диапазоны изменения  и выходного тока ;
	- унифицированный выходной сигнал в виде тока.

Рис. 4. Функциональная схема ИП для дифференциального емкостного датчика с изолированными электродами

Рис. 5. Функциональная схема ИП для емкостного дифференциального датчика с заземленным средним электродом

Эквивалентная схема емкостного датчика с изолированными электродами представлена на рисунке 6.

Рис. 6. Эквивалентная схема емкостного датчика

При питании датчика от источника напряжения ток через датчик  будет иметь вид: .

В комплексном виде: .

Откуда видно, что ток через датчик имеет две составляющих, одну совпадающую с напряжением питания  и составляющую, сдвинутую относительно напряжения питания на  и пропорциональную . В результате, суммарный ток через датчик сдвинут относительно питающего напряжения не на 90°, а на угол , где  – угол недосдвига до 90°, обусловленный потерями в датчике. Тогда согласно векторной диаграмме имеем

.

Измерительный преобразователь для ёмкостного датчика с заземлённым электродом.

Рис. 7. Функциональная схема измерительного преобразователя для ёмкостного датчика  с заземлённым электродом

Инв	- инвертор выходного напряжения генератора ГКН, получает напряжение противоположной фазы по сравнению с напряжением на датчике ;
Сумм	- суммирует напряжения с выходов усилителя Ус и инвертора Инвдля компенсации неинформативной составляющей;
Ус	- усилитель с большим коэффициентом усиления (операционный усилитель) служит для преобразования значения электрической ёмкости  в напряжение пропорциональное ;
ПЕН	- преобразователь значения емкости  в напряжение ;
	- выходное напряжение генератора, оно же и напряжение питания емкостного датчика ;
	- выходное напряжение преобразователя емкости  в напряжение;

Эквивалентная схема преобразователя представлена на рисунке 8. На рисунке 8а представлена схема преобразователя   в напряжении , на рисунке 8б – векторная диаграмма токов в датчике.

Рис. 8. Эквивалентная схема преобразователя емкости  в напряжение

Поскольку в датчике существуют потери, то ток через него сдвинут по фазе относительно напряжения не на , а на угол несколько меньше , где  – недосдвиг до .