5. Реостатные преобразователи

Реостатным преобразователем (датчиком активного сопро- тивления) называют реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой неэлектрической величины. Следователь- но, входной величиной реостатных преобразователей является перемещение движка реостата, механически связанного с измеря- емой неэлектрической величиной, а выходной величиной — ак- тивное сопротивление. На рис. 4.35 представлено устройство реостатного преобразователя.

На каркас 6 из изоляционного материала намотана с равно- мерным шагом проволока 5. Изоляция проволоки на верхней гра- нице каркаса зачищается, и по металлу скользит щетка 4. Доба-

вочная щетка 2 скользит по токосъемному кольцу 3. Обе щетки изолированы от приводного валика 1.

1

2

3

4

5

6

Рис. 4.35. Устройство реостатного преобразователя:

1 – приводный валик: 2 – добавочная щетка; 3 – токосъемное кольцо; 4 – щетка; 5 – проволока; 6 – каркас

Реостатные преобразователи выполняются как с проводом, намотанным на каркас, так и с проводом реохордного типа. В ка- честве материала провода применяют нихром, манганин, кон- стантан и др. В ответственных случаях, когда требования к изно- соустойчивости контактных поверхностей очень велики или кон- тактные давления очень малы, применяют сплавы платины с иридием, палладием и т.д. Провод реостата должен быть покрыт либо эмалью, либо слоем оксидов для изоляции соседних витков друг от друга. Движки бывают из двух-трех проволочек (платина с иридием) с усилием 0,003...0,005 Н или пластинчатые (серебро, фосфористая бронза) с усилием 0,05...0,1 Н. Контактная поверх- ность намотанного провода полируется, ширина контактной по- верхности равна двум-трем диаметрам провода. Каркас реостат- ного преобразователя выполняется из текстолита, пластмассы или алюминия, покрытого изоляционным лаком или оксидной пленкой. Формы каркасов самые разнообразные. Реактивное со-

противление реостатных преобразователей очень мало, и им обычно можно пренебречь на частотах звукового диапазона.

При использовании реостатных преобразователей для измере- ния неэлектрических величин часто ставится задача получить линейную зависимость угла отклонения а указателя от измеряе- мой неэлектрической величины F, несмотря на то, что ряд звень- ев прибора между преобразователем и указателем, осуществля- ющих промежуточные преобразования, характеризуются нели- нейной функцией преобразования.

В подобных случаях применяются функциональные реостат- ные преобразователи с нелинейным распределением сопротивле- ния вдоль каркаса. Нелинейного распределения сопротивления вдоль каркаса достигают, например, изменяя высоту каркаса, шунтируя части линейного реостата постоянными сопротивлени- ями, применяя намотку с переменным шагом, намотку отдельных участков каркаса проводами разного диаметра или с разными удельными сопротивлениями и т.д.

Рассмотрим варианты построения приборов с реостатными преобразователями.

Для схемы (рис. 4.36, а) силу токаI можно выразитьформулой

I  ^U ,

R₀ R_p(1 l / l_ном )

(4.9)

где l – отклонение движка, соответствующее текущему значению измеряемой величины; l_ном – номинальное отклонение, при кото- ром сопротивление линейного реостата R_р=0. Если отклонение движка угловое, то вместоl и l_ном следует поставить φ и φ_ном.

Как видно из приведенной зависимости, связь тока с отклоне- нием движка оказывается нелинейной, и поэтому цепь, изобра- женную на рис.4.36, а, применяют редко.

U

I

R_P

U U

_R ^φном _R

^R0 φ ^φ

_U R_P

0

^Iном

^R₀ R₀

a б в

U

U _{l U}

R

R₁ R₂

I₁ I₂

г д е

Рис. 4.36. Схемы приборов с реостатными преобразователями:

а – с последовательным включением; б-д – по схеме делителя напряжения; е – с использованием логометра

В цепи на рис. 4.36, б реостатный преобразовательвключен по схеме делителя напряжения:

U_

R / R_p

U/_ном

_1 /

.

ном

(4.10)

1 R /(R_p_ном /)

Наличие в знаменателе таена φ_ном/φ приводит к нелинейной зависимости выходного напряжения U_φ от отклонения φ. Однако при очень большом значении сопротивления отсчетного устрой- ства R₀ (при использовании указателя, включенного через усили- тель) этот член оказывается равным нулю и связь между выход- ным напряжением U_φ и углом φ становится линейной:

_{U }U/ _{ном .}

^ R / R_p 1

(4.11)

Цепи на рис. 4.36, в, г характеризуются нелинейностью, но поз- воляют при применении указателя с двухсторонней шкалой изме- рять отклонение измеряемой величины в обе стороны от нуля.

Нелинейность при включении преобразователяпо схеме на рис. 4.36, д достаточно мала.

Показания прибора, изображенного на рис.4.36, е, где в каче- стве указателя использован логометр_, не зависят в известной сте- пени от постоянства напряжения источника питания, так как от- клонение логометра является функцией отношения токов, а сле- довательно,перемещения движка l:

α=f₁(I₁/I₂) =I₂(R₁/R₂)=f(l).

Зависимость токов I₁ и I₂ от перемещения l в этой цепи нели- нейна. Но, изменяя форму полюсных наконечников или сердеч- ника измерительного механизма логометра, можно получить нужный вид зависимости α=f₁(I₁/I₂), а следовательно, и требуе- мый характер шкалы α=f(l)измерительного устройства.

Реостатный уровнемер. Наиболее широкое распространение получили реостатные преобразователи в приборах для измерения уровня, называемые реостатными уровнемерами, которые ис- пользуются в самолетах, автомобилях и т.д. На рис. 4.37 пред- ставлена измерительная цепь бензиномера.

100

0

200

Т

300

400

^R1 ^R2

C

1

^R3 ^R4

Рис. 4.37. Схема бензиномера: 1 — поплавок

Измерителем здесь является магнитоэлектрический логометр, рамки которого включены последовательно с сопротивлениями R₃ и R₄ реостатного преобразователя. При изменении положения движка, связанного с поплавком, токи в обеих рамках изменяют- ся, вследствие чего изменяется отношение этих токов, а следова- тельно, и отклонение стрелки указателя.

Резисторы R1 и R2 служат для регулировки прибора на задан- ный предел измерения.Шкала указателя градуируется в литрах.

Пружинный акселерометр. На рис. 4.38 представлена прин- ципиальная схема пружинного датчика ускорения с реостатным преобразователем.

Масса m подвешена на пружинах С. При наличии вертикаль- ного ускорения под действием силы инерцииF=mx движок Д, связанный с массой, перемешается по реостату R. Выходное напряжение пропорционально действующему ускорению. Предел измерения прибора определяется жесткостью пружин С и вели- чиной массы т.

C

Д

m

R

^{C U}вых

Рис. 4.38. Схема пружинного датчика ускорения с реостатным преобразователем

Реостатные преобразователи используют для измерения виб- роускорений и виброперемещений с ограниченным частотным диапазоном.

С изменением температуры изменяется сопротивление преоб- разователя. При включении преобразователя по потенциометри- ческой схеме в режиме холостого хода изменение температуры не меняет распределения напряжений и температурная погреш- ность отсутствует.

Реостатные преобразователи являются ступенчатыми (дис- кретными) преобразователями, за исключением преобразовате- лей реохордного типа, так как непрерывному изменению изме- ряемой неэлектрической величины соответствует ступенчатое изменение сопротивления ∆R при переходе движка с одного витка на другой.

Погрешность дискретности в этом случае составляет:

γ_R=±∆R/(2R_p),

где R_p – полное сопротивление преобразователя.

Если преобразователь имеет пропорциональную функцию преобразования, то «скачки» сопротивления будут одинаковы по всему диапазонуперемещения движка. В этом случае:

R_p=nDR; γ_R=±1/2n

где n – число витков в обмотке реостатного преобразователя, обычно n=100...200.