книги / Цифровые приборы с частотными датчиками

стического резонанса LPJRPCP по сравнению с контуром LCR является

низкоомным, и вне акустических резонансов его сопротивление близко

к нулю, а возрастает лишь на частотах резонансов. Поэтому при экс­

периментальном определении зависимости модуля электрического

сопротивления | ZBX| от частоты для ленточного скоростного микро­ фона в свободном пространстве получается кривая / (рис. 6-14), со­ ответствующая лишь элементам R0t L 0, L, С и R (рис. 6-13). Из этой

кривой подобно тому, как это было сделано выше, могут быть опреде­

лены параметры подвижной части преобразователя I , С и R.

Кривая 2 (рис. 6-14) отличается

тем, что в результате нагрузки микро­ фона на трубу резонатора уменьша­

ется добротность механического резо­

нанса и одновременно понижается зна­ чение резонансной частоты от /п до /р.

В эквивалентной схеме замещения

рис. 6-13, б (при сопротивлении кон­

тура LpCp/?p, близком к нулю) это соответствует присоединению парал­

лельно контуру LCR сопротивления

R3 и емкости С3. Поэтому из кривых

1 и 2 рис. 6-14 по сдвигу частоты

механического резонанса может быть

массы подвижной части микрофона (массы ленты).

Значение сопротивления зазора R3t являющегося функцией тре­ ния воздуха в зазоре г3, определяется из той же схемы рис. 6-13 по изменению добротности механического резонанса (кривые / и 2 на рис. 6-14). Значение R определяется как высота ординаты AZ кривой 1 (рис. 6-14), a Rj, — как высота ординаты AZ кривой 2. Отсюда сопро­

тивление R3 ёы ч и сл и тс я как /?з = R R^/(R — /?,,).

Применительно к параметрам ленточного микрофона типа МЛ-16 (кривые 1 и 2 на рис. 6-14) такой расчет приводит к следующим зна­

чениям элементов схемы замещения (рис. 6-13, a): R0 = 0,3 ом, L0 =-

тельио введение цепей, повышающих постоянство величины генери­

руемого напряжения.

Коэффициент усиления усилителей акустических генераторов ко­ леблется от нескольких десятков (для двухмикрофонных датчиков) до нескольких десятков тысяч (для датчиков с одним микрофоном).

В последнем случае требуемый коэффициент усиления в значительной степени зависит от соотношения сопротивлений плеч моста, в который

Рис. 6-16а. Схема двухмикрофонного акустиче­ ского генератора

включен микрофон. Для уменьшения габаритов конденсатора, урав­ новешивающего реактивную составляющую сопротивления микрофона (из соображений стабильности здесь нельзя использовать электроли­ тический конденсатор), нужно стремиться к уменьшению емкости Сэкв (рис. 6-15). Однако при этом, очевидно, необходимо увеличивать сопротивления Яэкв и R 09кв, что в свою очередь приводит к необ­ ходимости увеличения входного напряжения моста при заданном вы­

ходном напряжении. Так, например, для скоростного ленточного микрофона требуемый коэффициент усиления усилителя был равен

1000 при значении емкости Сэкв, равном 10 мкф, и входном напря­

жении моста UüX =?= 20 мв и 100 000 при Сэкв — 0,1 мкф и t/BX = 2 в. На практике выбирают сопротивления моста так, чтобы получить

При достаточно малой величйнё ёмкости СЗКВ разумные значения коэффициента усиления (не более 10—50 тысяч) и входного напряже­ ния моста (1—3 в).

Акустические генераторы с согласующими трансформаторами по­ зволяют легко осуществить переход от низкоомных микрофонов ко

входному и выходному сопротивлению усилителя. Схема генератора

•оказывается весьма простой, однако наличие трансформаторов при­ водит к появлению значительных фазовых погрешностей усилителя

как на низких, так и на высоких частотах.

Бестрансформаторные двухмикрофонные генераторы акустических датчиков для измерения состава газовой смеси показаны на рис. 6-1ба

и 6-166. Схема на рис. 6-16а относительно проста. Однако наличие

четырех низкочастотных постоянных времени не дает возможности полностью устранить влияние фазовых сдвигов на нижнем участке

диапазона выходных частот. Генератор, схема которого показана

на рис. 6-166, применен в датчике для обнаружения в газовой смеси

малых примесей некоторого пробного газа. Для получения минималь­

ного значения порога чувствительности датчика начальная частота акустического генератора должна быть как можно более стабильной. Для этого был предпринят ряд мер. Во-первых, введен стабилизатор

напряжения питания (на триоде Т 10). Во-вторых, входная и выход­ ная цепи генератора построены так, чтобы без введения дополнитель­

ных конденсаторов практически исключить протекание через микро­ фоны постоянного тока, вызывающего смещение подвижной части

микрофонов. Для этого входной микрофон включается в относительно

высокоомный делитель, с помощью которого подается напряжение смешения на первый триод усилителя. Выходной микрофон подклю­ чается одним зажимом к выходу усилителя, а вторым — к средней

точке резистивного делителя, и постоянная составляющая напряже­ ния на выходе усилителя при его настройке устанавливается равной

напряжению на средней точке делителя. В-третьих, в генератор вве­

дена цепь АРУ, позволяющая получить синусоидальную форму ге­ нерируемого напряжения достаточно стабильной амплитуды. Цепь АРУ построена на триодах Т5 и Т4, первый из которых служит для выпрямления и усиления выходного напряжения генератора, а вто­ рой используется в качестве регулируемого сопротивления, включен­ ного в эмиттер триода Т3. Выходное напряжение генератора поддер­ живается на уровне примерно 1,5 в, при этом напряжение на возбуж­ дающем микрофоне составляет величину порядка 30—40 мв. Для съема

колебаний с генератора используется резистор, включенный в кол­

лекторную цепь триода Tô. Напряжение на этом резисторе имеет вид синусоидальных полуволн амплитудой порядка 0,3 в. Благодаря та­

кому методу съема уменьшается влияние последующих цепей на ча­

стоту генератора.

Бестрансформаторный одномикрофонный генератор для акустиче­ ских датчиков, предназначенных для измерения давления и уровня жидкости, показан на рис. 6-17, а . На рис. 6-17, б изображена фазо­

частотная характеристика усилителя этого генератора. Несмотря

на применение конденсаторов большой емкости, фазовая погрешность усилителя на частотах 100—200 гц составляет 15—20°. Такие фазо­ вые сдвиги могут вызвать заметную нелинейность характеристики акустического датчика.

Фазовые сдвиги в усилителях с кольцевой обратной связью по по­ стоянному току. Во всех описанных выше акустических генераторах

применяются непосредственные межкаскадные связи с использова-

Рис. 6-17. Схема генератора с кольцевой обратной связью по постоянному току для широкодиапазонного акустического датчика, выполненного на основе резонатора со скоростным ленточным микрофоном (я), и фазо-частотная характеристика усилителя этого генератора (б)

нием общей отрицательной обратной связи по постоянному току для стабилизации режимов каскадов. Такой метод построения усилителя значительно снижает габариты усилителя и уменьшает количество

конденсаторов, сдвигающих фазу сигнала на низких частотах. Тем не

менее подобные усилители имеют довольно большую фазовую погреш­

ность на низких частотах за счет влияния цепи обратной связи.

Схема цепи обратной связи по постоянному току в усилителе с

кольцевой стабилизацией представлена на рис. 6-18. Она представ-

Ш

лителя. Чем больше коэффициент усиления усилителя, тем меньше его входное напряжение и тем, следовательно, больше будет изменяться фаза сигнала при суммировании его с напряжением об­ ратной связи.

Двухсекционный усилитель акустического генератора (рис. 6-19) отличается малыми фазовыми сдвигами в широком диапазоне частот. Усилитель состоит из входного каскада и двух секций, каждая из ко­

торых охвачена отрицательной обратной связью по постоянному и по переменному току. Входной каскад и секции соединяются друг с дру­

гом переходными конденсаторами. Частотнозависимый мост с микро­

фоном соединяется с делителем входного каскада таким образом, что постоянная составляющая тока делителя в микрофоне скомпенсиро­

вана током, поступающим с выхода усилителя. Коэффициент усиле­

ния входного каскада равен 15, первой секции — 100 и второй — 7;

таким образом, общий коэффициент усиления составляет примерно 10 000. Экспериментальное исследование показало, что в диапазоне частот от 100 гц до 2 кгц фазовые сдвиги в усилителе практически от­

сутствуют.

6-7. Погрешности электроакустических датчиков и методы их коррекции

Зависимость частоты акустических датчиков от их температуры

обусловлена пр!ежде всего тем, что значение абсолютной температуры 0 непосредственно входит в зависимость

1 21 V М

характерную как для полуволновых резонаторов, так и для резона­

Отсюда относительное изменение частоты A///— At/2& и температур-

ный коэффициент изменения частоты ре = — ~ ~ ПРИ различ­

Изменение с температурой коэффициента у = ср!са для двухатом­ ных газов подчиняется зависимости

Это приводит к изменению собственной частоты резонатора в

районе t — 20° С с температурным коэффициентом 0 == — 0,0031

проц/град.

И, наконец, последним фактором, влияющим на собственную ча­

ется отрицательным. По­

этому результирующий температурный коэффициент собственной часто­ ты резонатора Р = Р0 — | Рт J — | P,j зависит от материала, из которого

изготовлен резонатор. Для температуры 20° С эта зависимость по­ казана в табл. 6-4.

Такова температурная зависимость частоты всех акустических

частотных датчиков, за исключением описанного выше акустического манометра. Выходная частота акустического манометра согласно (6-6)

f = k P s V W -

Учитывая, что температурный коэффициент площади резонатора

= 2р/( для результирующего температурного коэффициента ча­ стоты резонатора получаем (3 = 2$t — | р |— J ре |, т. е. соотноше­

ние, существенно отличное от предыдущего. Так, при изготовлении корпуса резонатора манометра из алюминия температурный коэффи­ циент площади резонатора ps = 20, = -f 0,0048 проц/град, а общий

по величине, но обратен по знаку коэффициентам всех остальных

акустических датчиков.

Методы коррекции температурной зависимости акустических дат­

чиков. Такая коррекция практически всегда необходима, так как тем­ пературная погрешность, равная 0,16 проц/град, т. е. 1,6% на 10 град, может быть допущена только в очень грубых приборах. Вследствие значительного изменения температурного коэффициента с темпера­ турой (см. табл. 6-3) система температурной коррекции должна вос-