Потенциометрические измерительные преобразователи. Исполнитель

Потенциометрические измерительные преобразователи.

Цель: изучение потенциометрических измерительных преобразователей и их статистиче­ских характеристик. План:

1. Устройство, схемы включения и работы линейных потенциометрических измери­
тельных преобразователей.

2.Статические характеристики.

3.Погрешности линейных потенциометрических датчиков.

4.Динамические свойства линейных потенциометрических датчиков.

5.Функциональные потенциометрические датчики.

6.Достоинства  и   недостатки   проволочных  потенциометрических  измерительных
преобразователей.

Вопрос: Назначение измерительных преобразовательных элементов.

 {spoiler=Подробнее}

1. Устройство, схемы включения и работа линейных потенциометрических измери­тельных преобразователей. Статические характеристики.

Потенциометрический измерительный преобразователь или датчик представляет со­бой переменное электрическое сопротивление, величина выходного напряжения которого зависит от положения токосъемного контакта.

Потенциометрические датчики предназначены для измерения и преобразования ли­нейных и угловых перемещений в электрический сигнал, а также для воспроизведения простейших функциональных зависимостей в автоматических и вычислительных устрой­ствах непрерывного типа. Иногда потенциометр применяется как преобразовательный элемент. В этом случае он сопрягается с каким-нибудь чувствительным элементом.

По способу выполнения сопротивления потенциометрические датчики подразделяют­ся на ламельные и непрерывной намотки.

В ламельных потенциометрах используются постоянные сопротивления, припаивае­мые к лам елям. При движении токосъемника по контактным ламелям сопротивление ме­няется. В таких потенциометрах изменение сопротивления может происходить в широких пределах.

В потенциометрах ненпрервной намотки переменным сопротивлением служит намо­танная на каркас в один ряд тонкая проволока, по зачищенной поверхности которой скользит токосъемник. Сопротивление таких потенциометров лежит в пределах от не­скольких десятков Ом до десятков килом. Таким образом, потенциометр непрерывной на­мотки состоит из каркаса, обмотки и токосъемника.

В зависимости от характера движения ползунка потенциометры подразделяются на датчики линейного и углового перемещения. Щетка датчика линейных перемещений со­вершает прямолинейное поступательное движение, а щетка датчика углового перемеще­ния- круговое движение.

Принцип действия датчика с непрерывной намоткой состоит в следующем: к зажимам потенциометра прикладывается напряжение постоянного или переменного тока неизмен­ной величины. При перемещении движка потенциометра выходное напряжение U_{BbIX 0} ме­няется пропорционально входной величине х. Здесь осуществляется преобразование пе­ремещения в электрическое напряжение.

Для режима холостого хода статическая характеристика датчика линейна, т.к. спра­ведливо соотношение

ubi,ixo=      Р 1    v*»*J

R

где U- напряжение питания потенциометра; R- сопротивление обмотки; г- сопротивле­ние части обмотки, приходящейся на длину перемещения х движка потенциометра.

Г        X

Учитывая, что — = —  , где 1 - общая длина намотки, получим R     I

U_Bbixo ⁼ — x = kx ,  (2,2)

где k - коэффициент преобразования потенциометра.

Для потенциометра углового перемещения при отсутствии нагрузки

и_выхо= k(p ,  (2,3)

где (р - угол поворота движка от нулевого положения.

Полученные выражения (2,2), (2,3) показывают, что статическая характеристика ли­нейных потенциометров при отсутствии нагрузки представляет прямую, проходящую че­рез начало координат, с коэффициентом наклона k.

Приведенная статическая характеристика позволяет заключить, что рассмотренные потенциометрические измерительные преобразователи не реагируют на знак входного сигнала, т.е. они относятся к классу однотактных элементов. Однако на основе однотакт-ных потенциометров можно построить двухтактные измерительные преобразователи, реа­гирующие на знак входного сигнала. Существует несколько схем включения потенцио­метров, образующих двухтактный потенциометрический датчик. Вопрос: Главный недостаток однотактных элементов? 2. Погрешности линейных потенциометрических датчиков.

Зона нечувствительности. При перемещении движка сопротивление включенной части потенциометра изменяется за счет конечного диаметра обмоточного провода. Вследствие этого выходное напряжение меняется ступеньками по мере перехода щетки от витка к витку. Таким образом, возникает зона нечувствительности, характеризующаяся тем, что при некотором незначительном перемещении движка потенциометра напряжение на выходе не изменяется, т.е. потенциометр не чувствует этого перемещения. Вследствие этого статическая характеристика потенциометрического измерительного преобразовате­ля обладает нелинейностью типа аналога- цифровой преобразователь.

Величина скачка напряжения

W " где W- число витков потенциометра.

Порог чувствительности определяется диаметром намоточного провода Ах = — .

W

Для уменьшения порога чувствительности необходимо увеличивать число витков при том же напряжении питания U и длине 1, что соответствует применению намоточных про­водов более тонкого сечения. В этом случае характер существенной нелинейности стано­вится менее выраженным и с достаточной степенью точности можно пользоваться осред-ненной характеристикой, представляющей собой линейную зависимость.

Неравномерность статической характеристики. Непостоянство диаметра провода по его длине, а также непостоянство удельного сопротивления и шага намотки приводит к тому, что величина скачка ДС/ и величина зоны нечувствительности Ах от витка к витку могут быть различны. Это приводит к неравномерности статической характеристики по­тенциометра. Такая погрешность может устраняться путем улучшения технологии произ­водства намоточных проводов и самих датчиков.

Погрешность от люфта. Люфт, возникающий между осью вращения движка и на­правляющей втулкой, приводит иногда к нарушению токосъема, вследствие чего статиче­ская характеристика может обладать неоднозначностью, параметры которой должны учи­тываться при анализе высокоточных систем. Для исключения нелинейности типа люфт и , следовательно, устранение вызванной ею погрешности применяют поджимные пружины, выбирающие люфт.

Погрешности от трения. Если мощность выходного сигнала элемента, приводящего в движение щетку потенциометра, мала, из-за трения щетки о намотку потенциометра воз­никает зона застоя. При дальнейшим увеличении мощности щитка выходит из зоны застоя, однако это соответствует уже другому значению входной величины потенциометри-ческого датчика, т.е. статическая характеристика соответствует нелинейности типа зона нечувствительности. Уменьшение погрешности от трения производят путем тщательного регулирования нажима щетки.

Погрешность от нагрузки. В зависимости от характера нагрузки возникает погреш­ность датчика как в статическом, так и в динамическом режиме. Активная нагрузка созда­ет дополнительную неравномерность статической характеристики. Вопрос: Как можно устранить погрешности датчиков?

3.      Динамические свойства линейных потенциометрических датчиков.

Для характеристики динамических свойств потенциометрических датчиков определим их передаточную функцию. Входной величиной датчика является перемещение х. За вы­ходную величину можно принять напряжение на нагрузке или ток через нее. Обычно удобнее в качестве выходной величины рассматривать ток в нагрузке, который определя­ется на основании теоремы об эквивалентном генераторе

•1-н    ubbixo' У^Ж~**'"Н/

где Z_H - комплексное сопротивление нагрузки; R_BH - внутреннее сопротивление экви­валентного генератора.

Все частотные и временные динамические характеристики усилительного звена пол­ностью описывают динамические свойства потенциометрических датчиков с активной на­грузкой. Вопрос: Чем отличается динамические характеристики от статических?

4.       Функциональные потенциометрические датчики.

В автоматических и вычислительных системах, кроме линейных потенциометрических датчиков, часто применяются потенциометры, у которых связь между входной и выход­ной величинами описывается некоторой функциональной зависимостью.

Функциональные потенциометрические датчики можно изготавливать следующими способами : изменением диаметра проволоки вдоль намотки; изменением шага намотки; применением каркаса определенной конфигурации; шунтированием участков линейных потенциометров сопротивлениями различной величины. Первые два из них сопряжены с трудностями технологического характера, поэтому чаще прибегают к третьему и четвер­тому.

Определим конфигурацию каркаса, с помощью которого можно реализовать некото­рую функциональную зависимость общего вида

U_x=f(x). Вопрос; Где используются функциональные датчики?

5.       Достоинства и недостатки проволочных потенциометрических измерительных
преобразователей.

К достоинствам проволочных потенциометрических измерительных преобразователей можно отнести :

Простоту конструкции, малые габариты и массу; возможность получения линейных статических характеристик с высокой точностью; стабильность характеристик; возмож­ность работы на переменном и постоянном токе; малое переходное сопротивление; низ­кий температурный коэффициент сопротивления (ТКС).

Недостатками этих элементов следует считать:

наличие скользящего контакта, который может стать причиной отказов вследствие окисления контактной дорожки, перетирание витков или отгибание ползунка; погреш­ность в работе за счет нагрузки; сравнительно небольшой коэффициент преобразования и высокий порог чувствительный; наличие шумов; подверженность электро-эррозии под действием импульсных разрядов; ограниченность скорости линейного перемещения или вращения (до 100...200 об/мин.) токосъемника вследствие его вибраций при переходе с витка на виток и повышении при этом уровня динамического шума; ограниченная возможность использования на переменном токе повышенной частоты (до 1 кГц), обуслов­ленная возрастанием индуктивности и емкости намотки; низкая износоустойчивость.

Контрольные вопросы:

Место потенциометрических датчиков в системах управления ?

Как классифицируется потенциометрические датчики?

Как появляются погрешности потенциометрических датчиков?

Укажите пути уменьшения погрешностей?

Пути преодоления недостатков ПД?

Литература:

«Элементы систем автоматического управления и контроля.» Н.И. Подлесный, В.Г.
Рубанов.

«Электромагнитные устройства автоматики.» В.П. Миловзоров.

{/spoilers}