Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Теоретические положения

Потенциометрическим, или реостатным, датчиком называется реостат; движок которого перемещается в соответствии с изменением значения измеряемой величины (неэлектрической). Следовательно, входной величиной реостатных датчиков является перемещение движка, которое может быть либо линейным, либо, угловым, а выходной величиной - активное сопротивление, изменяющееся линейно или по некоторому закону в зависимости от конфигурации потенциометра.

Датчик в виде простого реостата почти не применяется вследствие нелинейности его характеристики U_н=f(х), где U_н - напряжение на нагрузке, х - перемещение движка. Наибольшее распространение получил реостатный датчик, собранный по схеме потенциометра (рис. 1 а), характеристика которого может быть приблизительно линейной (при правильном выборе режима работы датчика). На рис. 2 приведены конструктивные схемы потенциометрических датчиков непрерывной намотки для измерения линейных (рис. 2 а) и угловых (рис. 2 б) перемещений. Здесь 1 - каркас; 2 - намотка; 3 - движок; 4 - токопроводящая спиральная пружина; 5 -ось движка, α - угол поворота; D - диаметр намотки; L -рабочая длина намотки; t -шаг намотки;

Для намотки потенциометров, используемых в нормальных условиях работы, применяют материал с высоким удельным сопротивлением: константан, манганин, вольфрам, платиноиридий, а для намотки потенциометров, используемых в условиях высоких температур,- фехралевую проволоку. Каркас датчика изготавливается из текстолита или пластмассы. Чтобы повысить чувствительность и плотность тока в обмотке датчика, применяют каркасы из алюминиевых сплавов, покрытые оксидной пленкой или изоляционным лаком.

Свойства потенциометрического датчика в общем случае определяются его характеристикой Iн=f(х), т.е. зависимостью тока Iн в нагрузке Rн от перемещения Х движка потенциометра (рис. 1б).

Рассмотрим основные соотношения и характеристику линейного потенциометрического датчика, у которого намотка проволоки на каркасе равномерная и сечение проволоки по всей длине одинаковое. Ток нагрузки

I_н=U_або/ (R_i+R_н), (1)

где U_або - напряжение на выходе потенциометрического датчика (между точками а, б) в режиме холостого хода, т.е. при отключенной нагрузке:

U_або =Ur₂/ (r₁+r₂), (2)

где R_i - внутреннее сопротивление потенциометра при заданном положении движка:

R_i=r₁r₂/ (r₁+r₂), (3)

здесь U - напряжение питания; R=(r₁+r₂) - сопротивление плеч потенциометра.

Подставляя (2) в (1),получим

. ,

где к - коэффициент пропорциональности, определяющий величину сопротивления r₂ в зависимости от перемещения движка x, т.е. r₂ = kx.

Если бы внутреннее сопротивление R_i потенциометра не завесило от перемещения движка х (рис. 1 в), то выходная характеристика датчика I_н=f(х) была бы прямолинейной (см. рис. 1 б штриховая линия). Однако величина R_i зависит от х (см. рис. 1 в) и поэтому прямолинейность характеристики возможна только при R_Н>>R_i.; (R_i≈0). В этом случае величиной R_i можно пренебречь по сравнению с R_н. При этом ток в нагрузке

(4)

В общем случае, когда R_н сравнимо по величине с R_i, характеристики имеют вид кривых 1 и 2 (см рис. 1 б).

При работе с потенциометрическим датчиком, когда условие К_Н»К1 не соблюдается, необходимо либо учитывать погрешность, вызванную нелинейностью характеристики, либо ограничить рабочий участок характеристики интервалом 0x₁ (R_х = R_р) - частью характеристики с небольшой нелинейностью. Вследствие нелинейности характеристики относительная погрешность тока в нагрузке

, (5)

где I_но =(U/Rн)(х/L) – ток в нагрузке при R_н>>R_i.

Расчет погрешности потенциометрического датчика ведется по формуле

(6)

Наибольшее значение погрешность достигает при нахождении движка в среднем положении; т.е. при X=L/2. Подставляя значение Х в формулу (6), получим

(7)

Обозначим через = R_н /R – коэффициент нагрузки, тогда формула (7) примет вид

(8)

На рис.1.б показаны кривые 1и 2 для β=10 и β=5. Из рисунка видно, что погрешность от несогласованности сопротивлений потенциометра и нагрузки растет с уменьшением β, причем при незначительных перемещениях движка она незначительна. На этом же рисунке изображена характеристика для случая β=∞( штриховая).

Чувствительностью схемы с потенциометрическим датчиком называется отношение

(9)

Часто применяют потенциометрические датчики с выводом от средней точки (рис. 3 а). Такие датчики чувствительны к изменению знака измеряемого перемещения (рис. 3 б). Если нагрузка реагирует на незначительные перемещения движка потенциометра, необходимо учитывать также погрешности, возникающие вследствие перекрытия движком определенной части длины потенциометра (так называемая "разрешающая способность потенциометра") и наличия порога чувствительности вызванного тем, что диаметр намоточного провода имеет некоторую величину. Для обеспечения требуемой чувствительности датчика к изменению перемещения необходимо, чтобы диаметр намоточного провода был меньше минимально допустимого перемещения движка.

Основными достоинствами потенциометрических датчиков являются:

а) возможность работы как на постоянном, так и на переменном токе;

б) простота конструкции;

в) отсутствие необходимости последующего усиления, если они применяются для целей измерения.

Из недостатков следует отметить:

а) наличие скользящего электрического контакта, а следовательно, возможность подгорания;

б) необходимость относительно больших перемещений движка и значительных усилий для его перемещения;

в) нелинейность характеристики I_н=f(х).

Описание схемы

Принципиальная схема для исследования потенциометрического датчика приведена на рис. 4. Обозначения на схеме: В₁ – выключатель для включения источника постоянного тока напряжения 24В, поданного на клеммы 1-2; Л – сигнальная лампочка; Пр – предохранитель плавкий; R_п- потенциометр (резистор регулируемый), позволяющий поддерживать постоянное питающее напряжение (24В); В₂ – переключатель, позволяющий включатель и отключатель сопротивления нагрузки: R_н1 =300 Ом (положение 5); R_н2 =100 Ом (положение 7); R_н= (положение 6 – нейтральное); V – вольтметр для измерения напряжения нагрузки и определения номинального напряжения 24В; В₃ – переключатель, позволяющий подключать вольтметр V для контроля постоянства питающего напряжения 24В (положение 3) и измерения выходного напряжения на нагрузках R_н1, R_н2,, R_н~ (положение 4); R_д =100 Ом – резистивный датчик с длиной намотки L =120мм; Р – рубильник с помощью которого подключается резистивный датчик к источнику постоянного тока.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒