 |
Реостатные преобразователи
|
|
|
|
1. Общие сведения
Потенциометрические датчики (приборы первичной информации) широко применяются преимущественно для измерений медленно меняющихся давлений, линейных и угловых перемещений и скоростей, уровней и ряда других неэлектрических величин.
Главной особенностью потенциометрических датчиков является большой выходной сигнал (от б до 15 вольт), что позволяет использовать их в система измерений без усилителя-преобразователя.
Основными элементами конструкции потенциометрических датчиков являются: чувствительный элемент (упругая гофрированная мембрана, манометрическая или анероидная коробка, сильфон, витая полая трубка, трехстепенной или двухстепенной гироскоп, поплавок и т.п.); передаточный механизм (дезаксиальный кривошипный шатунный, пространственные поводковые, тангенсный, синусный) и реостатный преобразователь неэлектрической величины в электрическую.
Большинство используемых типов реостатных преобразователей являются ступенчатыми (дискретными) преобразователями, поскольку непрерывному изменению измеряемой неэлектрической величины соответствует ступенчатое изменение сопротивления. Погрешность дискретности (витковая погрешность) измерения 
для реостатных преобразователей с равномерной намоткой уменьшается с увеличением числа витков 
, так как 
. При проектировании реостатных преобразователей число витков выбирается таким образом, чтобы 
<< 
, где - основная допускаемая погрешность всего потенциометрического датчика. Обычно ≥100 - 200.
В большинстве датчиков используются чувствительные элементы и передаточные механизмы с линейными характеристиками; сочетание их с реостатным преобразователем, имеющим линейно распределенное сопротивление вдоль каркаса, создает предпосылку к получению линейной характеристики датчика в целом.
|
|
|
В ряде случаев ставится задача получить линейную зависимость между выходным напряжением датчика 
измеряемой неэлектрической величины, несмотря на то, что звенья промежуточного преобразования в датчике характеризуются нелинейной функцией преобразования. В этом случае используются функциональные реостатные преобразователи с нелинейный распределением сопротивления вдоль каркаса. Нелинейность распределения сопротивления вдоль каркаса достигается, например, за счет изменения высоты каркаса, за счет шунтирования части линейного сопротивления постоянным сопротивлением, за счет применения намотки с переменным шагом, за счет намотки отдельных участков каркаса проводами с разными удельными сопротивлениями и др.
Для получения линейной зависимости между регистрируемым напряжением 
и неэлектрической измеряемой величиной необходим правильный выбор электрической измерительной цепи реостатного преобразователя.
2. Электрические цепи реостатных преобразователей
Рис.1. Схемы измерения сопротивления и напряжения.
а б
Рис.2. Схема включения реостатного преобразователя.
Рис.3. Потенциометрическая схема включения реостатных преобразователей.
Рис. 3. Схема для расчета напряжения холостого хода.
В цепи на рис. 2,а приведен наиболее часто встречающийся метод включения реостатного преобразователя делителем напряжения. Напряжение 
на нагрузке 
в этой цепи выражается следующей формулой:
, (2)
где 
- отклонение движка, соответствующее текущему значению измеряемой неэлектрической величины;
- рабочая длина реостатного преобразователя;
- номинальное сопротивление реостатного преобразователя;
- напряжение питания реостатного преобразователя.
|
|
|
- коэффициент нагрузки реостатного преобразователя.
Наличие в знаменателе выражения (2) члена 
приводит к нелинейной зависимости выходного напряжения от перемещения движка . Однако, при бесконечно большом сопротивлении нагрузки становится равным нулю, и связь между и оказывается линейной.
. (3)
Практически чаще всего применяется регистратор с конечным значением сопротивления . Поэтому при измерениях может возникнуть погрешность от нелинейности 
, которую для этого случая можно определить, воспользовавшись зависимостью
100%
Введение в цепь добавочного сопротивления 
, включенного последовательно с сопротивлением реостатного преобразователя (puc.2,б), уменьшает погрешность от нелинейности, но вместе с тем при заданном значении напряжения питания уменьшает выходное напряжение .
3. Нелинейность характеристики реостатного преобразователя, включенного в качестве делителя напряжения
В качестве регистраторов в измерительных системах потенциометрический датчик-регистратор, как правило, используются аналого-цифровые преобразователи, специальные автоматические электронные регистраторы и светолучевые осциллографы.
Входное сопротивление электронной аппаратуры может находиться в пределах от нескольких десятков до сотен тысяч Ом; вибраторы светолучевых осциллографов обладают сопротивлениями от 2 до 100 Ом (шлейфовые) и от 10 до 170 Ом (рамочные).
Рассмотрим, как изменяется нелинейность характеристики системы реостатный преобразователь - нагрузка, собранной подобно той, что приведена на рис 2,б. Для определения тока 
в ветви в-в (рис.3) всю остальную, сколь угодно сложную часть схемы можно заменить эквивалентным генератором ЭДС с внутренним сопротивлением 
. Разомкнув цепь в точках а-в, находим напряжение холостого хода 
, т.е.
.
Величина тока в нагрузке может быть представлена как
,
где - входное сопротивление цепи (рис.3) по отношению к зажимам("а","в") при закороченном источнике ЭДС,
, т. к. 
.
Тогда
.
Обозначив 
через 
и 
через 
подставив новые значения и в выражение для , получим
.
Тогда выходное напряжение будет равно
.
Обозначим 
через 
, а 
через 
, получим
. (5)
|
|
|
Заметим, что при 
, т.е. при 
формула (5) приобретает вид формулы (2).
Возможны следующие пути устранения нелинейности характеристики применительно к рассматриваемому случаю:
1. применение чувствительного элемента или передаточного механизма потенциометрического датчика с нелинейной характеристикой;
2. применение нелинейного реостатного преобразователя в датчика;
3. включение эмиттерного повторителя между датчиком и регистратором для увеличения ;
4. использование схемы подсоединения реостатного преобразователя содержащей к нагрузке (рис.1,в).
Первые два метода требуют специального проектирования потенциометрических датчиков, которые приводят как к увеличению стоимости, так и к ограничению области применения датчиков. Третий метод усложняет и увеличивает стоимость измерительной системы. Наиболее простым является 4-й способ.
Применение изменяет форму кривой 
так, что она располагается по обе стороны от линейной характеристики, проведенной через две крайние точки характеристики. Кроме того, сами отклонения исследуемой кривой от линейной характеристики 
заметно уменьшается. Недостатком этого метода, как уже указывалось, является уменьшение величины выходного сигнала датчика.
Как известно, нелинейность 
характеристики любого преобразователя оценивается максимальным отклонением действительной характеристики от линейной, проведенной через первую и последнюю точки характеристики, в процентах по отношению к максимальному значению 
.
Нелинейность для каждой точки экспериментально определенной градуировочной характеристики подсчитывается по формуле
% (7)
где - относительное значение сопротивления () или напряжения (
), в %, полученное при замере текущей i-ой точки;
- относительное сопротивление или напряжения, полученное расчетом для линейной характеристики.
(8)
или
, (9)
где 
; 
- значения относительных сопротивлений (или напряжений) в %, измеренные соответственно для 
и 
;
- число градуировочных точек, включающее и точку, соответствующую ;
- номер точки градуировочной характеристики, для которой подсчитывается (
для точки градуировки при ).
|
|
|
Рис. 4. Графики зависимостей нелинейности от и
Графики на рис.3 и 4 представляют собой зависимость 
(
; 
; ). Как видно из этих кривых =0 для =0 и =1 при любых значениях и , а также для всех значений при =0.
Введение дополнительного сопротивления приводит одновременно к уменьшению 
и к уменьшению выходного сигнала в каждой точке характеристики, последнее может быть оценено коэффициентом
, (10)
Этот коэффициент уменьшается с увеличением значений и . Когда >> , величина целиком определяется произведением 
(см. формулу 10} и 
. При >> величина 
определяется 1+ , т.e.
.
Заметим, что с уменьшением (по отношению к значению =0,5) при =const одновременно увеличиваются как выходной сигнал датчика, так и нелинейность ( %) характеристики. Увеличение (по отношению к значению =0,5) при =const нежелательно, т.к. при этом уменьшается выходной сигнал датчика при одновременном увеличении нелинейности ( %) .
Таким образом, для получения минимальной нелинейности характеристики реостатного преобразователя, подключенного по схеме 1в, следует выбирать =0,5. При этом для существующих практических значений (0,07< <188) коэффициент уменьшения выходного сигнала будет находиться в пределах 0,01 < <0,67.
|
|
|
