Потенциометрический датчик состоит из каркаса и намотанного на него провода. Провод, применяемый для намотки, должен иметь большое удельное сопротивление и малый температурный коэффициент сопротивления.
Сопротивление датчика определяется выражением
Где R – полное сопротивление реостата, Ом;
L1- длинна одного витка, м4
v — число витков;
r — удельное сопротивление, Ом*мм2/м;
q – поперечное сечение проводника м2;
Диаметр проводника определяется по формуле:
где i — допустимая плотность тока, А;
i=1/q (обычно i=10 А/мм2)
e – падение напряжения в обмотке реостата с сопротивлением R=U/i.
Высоту каркаса b (рис 1,б) рекомендуется выбирать более 4а. В качестве изоляционного покрытия провода чаще всего используется эмаль или пленка окислов толщиной около 10 мкм. С осью какого-либо устройства автоматики обычно связана щетка, которая скользит по проводу, прижимаясь к нему с некоторым усилием (контактным давлением). В месте касания щетки изоляция провода зачищается, контактная поверхность тщательно полируется. Каркас датчика изготовляется из пластмассы, керамики или дюралюминия с лаковым покрытием. Форма каркаса потенциометров чаще всего выполняется в виде цилиндрического кольца 4 (рис. 1,а) или полукольца (рис. 1,б). Работа потенциометрического датчика, представленного на рис. 1,а, основана на преобразовании углового перемещения щетки 3 в изменение сопротивления проволочного реостата 2. Ток со щетки 3 снимается через контактное кольцо 1. Датчики изготовляются с выводом 5 от средней точки и без него, одинарные и сдвоенные. Обмотки датчиков изготовляют из сплавов манганина, изабеллина, константана, никелина, щетки датчика из серебра, платины с серебром или других сплавов на основе благородных металлов в виде нескольких проволок, соединенных параллельно. Диаметр и длинна щеток выбираются такими, чтобы общее контактное давление имело значение около 9,8*10-3 Н. При работе датчика возникает момент сил трения, определяемый соотношением
Где f=0,2¸0,3- коэффициент трения;
Pк- контактное давление;
R-радиус щетки.
При перемещении щетки датчика с одного витка на другой снимаемое напряжение меняется скачкообразно, причем значение этого скачка зависит от подведенного к датчику напряжения и числа витков:
где Uп — напряжение питания;
w- число витков в обмотке датчика.
Перемещение щетки в пределах некоторого угла, определяемого толщиной провода, не меняет выходного напряжения датчика. Это явление характеризует нечувствительность датчика. Для уменьшения нечувствительности датчика целесообразно увеличить число витков обмотки, для чего диаметр обмоточного провода следует выбирать небольшим (до сотых долей миллиметра). Потенциометры, используемые в устройствах автоматики, должны обладать следующими свойствами:
— малой ступенчатостью,
— малой зависимостью изменения сопротивления от условий работы (нагрузки, температуры окружающей среды),
— небольшим переходным сопротивлением в месте контакта и устойчивостью контактов против коррозии, устойчивостью к износу.
Потенциометрические датчики классифицируются по следующим признакам:
1)по принципу перемещения подвижного контакта: с ограниченным перемещением движка, с неограниченным перемещением движка;
2)по выполняемым операциям: задающие, принимающие;
3)по характеру воспроизведения функции: линейные, нелинейные;
4)по числу отводов: двухотводные, круговые трехотводные, круговые четырехотводные;
5) по точности:1,2 и 3-го классов точности в соответствии с табл.1.
Таблица 1.
Классы точности потенциометрических датчиков
Класс точности Точность намотки сопротивления, % Точность воспроизведения функции, % 1 2 3 ±2 ±5 ±10 ±0,2 ±0,5 ±1
В системах автоматики встречаются различные схемы включения потенциометров. В устройствах ввода и обработки данных потенциометры применяются в основном как делители напряжения (нагруженные и ненагруженные). Иногда они используются как масштабные сопротивления и включаются в этом случае по реостатной схеме. Некоторые схемы включения потенциометров, применяемые в устройствах автоматики, приведены на рис.2
На рис.2-а приведена ненагруженная однотактная потенциометрическая схема, которая может применяться в различных устройствах ввода и отработки в качестве делителя напряжения.
Выходное напряжение этой схемы:
Uвых=Uвхs
Где Uвх – входное напряжение;
s=Х/Хп- относительное перемещение движка потенциометра
Хп — общая длинна потенциометра;
Х – длинна перемещения движка потенциометра.
На рис.2-б показана нагруженная потенциометрическая схема, применяемая для тех целей, что и схема рис. 4.2а.
Однако закон изменения выходного напряжения в этом случае носит уже нелинейных характер и определяется соотношением
где a=Rн/Rп,
здесь Rн — сопротивление нагрузки.
На рис. 2-в приведена «двухтактная» ненагруженная потенциометрическая схема, применяемая в различных устройствах ввода и отработки в качестве делителя напряжения, а также в следящих системах в качестве чувствительных элементов при местном слежении и ограниченных углах поворота командной оси. Выходное напряжение схемы
В отличие от «однотактных» эта схема обеспечивает получение знакопеременного напряжения на выходе, но масштаб напряжения уменьшается в 2 раза.
На рис. 2-г приведена нагруженная «двухтактная» потенциометрическая схема включения, применяемая в тех же случаях, что и схема на рис. 2-в. Выходное напряжение ее зависит как от перемещения движка потенциометра, так и от соотношения полного сопротивления и сопротивления нагрузки:
На рис. 2-д приведена реостатная схема, используемая обычно в устройствах ввода и отработки следящих систем, когда напряжение Uвх, подаваемое на вход реостатного чувствительного элемента, превышает его номинальное рабочее напряжение. Масштабное сопротивление Rм подсчитывается по формуле
Большинство потенциометрических датчиков в устройствах автоматики применяются для измерения углов поворота различных приборов. С выходных зажимов таких датчиков снимается напряжение постоянного или переменного тока, пропорциональное углу поворота движка потенциометра. Когда применяются функциональные потенциометры, с выходных зажимов датчиков снимается напряжение, изменяющееся по функциональному закону. С помощью потенциометрических датчиков могут быть выполнены простейшие математические операции сложения, вычитания, умножения и деления. Датчики также применяются как делители напряжения в устройствах автоматики или как реостаты в реостатных схемах. Потенциометрические датчики используются также в следящих системах в качестве чувствительных элементов. Основными эксплуатационными характеристиками потенциометрических датчиков являются:
а) статическая характеристика – зависимость выходного напряжения потенциометра от перемещения его движка.
Для большинства датчиков эта зависимость линейная при условии компенсации влияния нагрузки на точность работы датчика. Статическая чувствительность датчика определяется крутизной выходного напряжения потенциометра и характеризует приращение выходного напряжения на единицу линейного или углового перемещения его движка;
б) активное сопротивление- значение активного сопротивления потенциометра при его изготовлении. В зависимости от отклонений от заданного (номинального) значения датчики делятся по классам точности;
в) мощность рассеяния — максимально допустимая мощность, рассеиваемая на сопротивлении потенциометра без нарушения нормальной работы;
г) статический момент трения – минимальное значение момента, необходимое для приведения движка потенциометра в движение.
Важными параметрами, определяющими качество работы потенциометрических датчиков, являются износоустойчивость, вибропрочность, стабильность сопротивления, уровень собственных шумов. Достоинством датчиков являются возможность использования их в схемах, как на переменном, так и на постоянном токе, простота конструкции и изготовления, экономичность и пр. Недостатками датчиков являются наличие контактов, что снижает надежность; зависимость точности работы от нагрузки; ограниченный срок службы и др.
Датчики угла поворота (потенциометры)
Датчики угла поворота предназначены для использования в следящих системах в качестве измерителей угла рассогласования двух валов. Схема включения потенциометрических датчиков для получения сигнала, пропорционального разности углов поворота, представлены на рис. 3, из которого видно, что выходное напряжение Uвых пропорционально углу рассогласования Da=a1-a2 между положениями контактных щеток задающего и принимающего потенциометров. В схеме на рис. 4-3, а применены одно-щеточные датчики, включаемые в мостовую схему, питающуюся напряжением Uвх. В схеме на рис. 4,3-б, использованы двух щеточные датчики – потенциометры с круговой намоткой и тремя отводами.
Больше интересных и полезных статей на нашем форуме по АСУ ТП: https://p4b.su/forums
Тендера фриланс по АСУ ТП: https://p4b.su/projects
Библиотека с технической литературой по промышленной автоматизации: https://p4b.su/library