4.Схемы соединения измерительных преобразователей

4.1.Последовательное включение

Последовательное включение резистивного преобразователя рассмот­рим на примере измерения сопротивления заземления R_A электрода А (см. рис. 1). Измерительная цепь состоит из последовательного соединения источника напряжения Е резистора R_p для регулировки тока и миллиамперметра. Разность потенциалов собственной поляризации U_ПС между электро­дами А и В является помехой. Для устранения влияния помехи устанавливают Е >> _ПС. В рассматриваемой цепи изменение сопротивления заземления электрода А вызывает соответствующее изменение силы тока. Силу тока оп­ределяют по падению напряжения U на шунте (образцовом резисторе R₀ << R_п):

, .

Зависимость тока I от сопротивления R_A гиперболическая. Чувствительность S измерительной цепи значительно уменьшается с увеличением сопротивления цепи:

, . (1)

Нелинейность m схемы определим как

(2)

После подстановки (1) в (2), при R_A >> R_p получим

.

Недостатками последовательной схемы являются существенное влияние непостоянства сопротивления цепи и нелинейность. Применение высокоомных датчиков уменьшает влияние нестабильности и нелинейности цепи, однако, приводит к уменьшению чувствительности.

4.2.Делитель напряжения

Делитель напряжения позволяет снимать заданную часть от имеюще­гося постоянного или переменного напряжения. Делитель представляет со­бой электрическую цепь, состоящую из источника напряжения и ряда рези­сторов (конденсаторов, катушек индуктивности), в точках соединения кото­рых напряжение делится в заданном соотношении. Устройство, которое воспринимает результирующее напряжение, подсоединяется к одному из участков цепи параллельно.

Схема резистивного делителя с подсоединенным к нему милливольт­метром представлена на рис.1, б. При R₀ << R_П чувствительность, нелиней­ность не отличаются от соответствующих характеристик последовательной схемы. Нелинейность можно уменьшить, применяя профилированные рео­статные преобразователи. Схема отличается от предыдущей тем, что милли­вольтметр может быть подключен как к резистору R₀, так и к R₁, при этом изменяется вид градуировочной характеристики схемы (см. рис. 2, б1, б2). Отличия заключаются также в методике измерений: необходимо кроме U измерять силу тока I или э.д.с, источника питания Е, и контролировать их по­стоянство в процессе измерений.

В токовой цепи, как и в схеме рис. 1, а, возможно в качестве обратного провода использовать землю. Помехи U_ПС и изменение сопротивления за­земления R_з в этом случае устраняют путем применения соответствующих соотношений: Е >> U_ПС и R₁ >> R_З.

Рис. 1 Схемы измерения сопротивления резистивных преобразователей

4.3.Потенциометрическая схема

В потенциометрической схеме (см. рис. 1, в) применено дифференциальное включение резистора R_Д, причем две его половины R₁ и R₂ изменяются на одну и ту же величину R, но различного знака, то есть R₁+R, а вторая соответственно получает приращение обратного знака R₂-R. В потенциометрической схеме сила тока I принципиально может быть установлена постоянной при использовании стабилизатора тока вместо источника напряжения E или балластного сопротивления R_б. Для этого необходимо выполнить следующие условия R_б >>R_З и R_П >> R_Д. В этом случае

,

Схема линейна m=0, а чувствительность

.

Нелинейность потенциометрической схемы возникает при R_П ≠ ∞. В этом случае

, .

Для получения нелинейности 1,5% необходимо, чтобы R_П/R_Д=10.

В потенциометрической схеме измерения R основаны на использовании закона Ома, определяющего взаимную связь между током I, сопротивлением R и напряжением U и называются методом «вольтметра и амперметра», так как требуется измерить две величины: напряжение и ток.

При выполнении измерений в полевых условиях, в скважинах геофизическая аппаратура подвергается механическим воздействиям, вследствие чего ее показания могут значительно отличаться от номинальных. В рассматриваемом методе рассчитываемое значение R является функцией величин U и тока I; систематические ошибки, полученные при измерениях этих величин, входят в результат измерений R, т.е. в численное значение исследуемого геофизического параметра с помощью омического датчика.

Предположим, что показания вольтметра в n раз отличаются от истин­ной величины U, а показания амперметра - в k раз от истинной величины тока I; тогда

то есть измеряемое сопротивление будет в m раз отличаться от истинного значения. Очевидно, что m может быть и меньше и больше единицы – измеряемый параметр может быть занижен или завышен, и лишь при n=k, m=1 – равен его действительному значению.

Равенство п = к можно обеспечить или калибровкой амперметра и вольтметра при каждой смене скважинного прибора, или измерением и силы тока и разности потенциалов одним и тем же прибором. Первая операция весьма сложна; вторая - проста и поэтому используется в практике геофизи­ческих измерений. Поэтому вольтметр поочередно подключается к датчику R или образцовому резистору R₀ через который протекает ток I. Измеряют па­дения напряжения U и U₀ на этих сопротивлениях. Рассчитывают ток I =U₀/R₀. Учитывая, что измерения U и U₀ выполнены одним вольтметром, с одинаковой систематической (мультипликативной) погрешностью, получим:

Из сказанного следует, что при геофизических исследованиях скважин измерение сопротивления омического датчика методом вольтметра и ампер­метра допустимо только при условии, что сила тока и разность потенциалов измеряются одним и тем же прибором - вольтметром; в противном случае может быть получена систематическая ошибка, превышавшая допустимую. В питающей цепи схемы амперметр остается, однако он используется как ин­дикатор.