2.2. Резистивні вимірювальні перетворювачі

2.2.1. Потенціометричні вп

Потенціометричний ВП являє собою змінний електричний опір, величина вихідної напруги якого залежить від положення струмознімного контакту.

Потенціометричні ВП призначені для перетворення лінійних та кутових переміщень в електричний сигнал, а також для відтворення найпростіших функціональних залежностей в автоматичних та обчислювальних пристроях неперервного типу.

За способом виконання потенціометричні ВП розподіляються на ламельні та неперервної обмотки.

У ламельних потенціометрах використовуються постійні опори, які припаюються до ламелі (рис.2.2.1.). При русі струмознімача по контактних ламелях опір змінюється. У таких потенціометрах зміна опору може відбуватися в широких межах.

У потенціометрах неперервної намотки змінним опором є намотаний на каркас в один ряд тонкий провід, по зачищеній поверхні якого ковзає струмознімач. Таким чином, потенціометр неперервної намотки складається з каркасу обмотки і струмознімача (рис.2.2.2.).

Каркас виробляється із матеріалу з ізоляційними властивостями, і має форму кільця або зігнутого дугою стержня, пластинки. В якості ізоляційного матеріалу використовують гетинакс, текстоліт, кераміку або метал, вкритий непровідним шаром окису. Обмотку виготовляють з емальованого проводу, діаметр якого визначає точність потенціометра. ВП високого класу точності намотуються проводом діаметром 0,030,1мм, ВП низького класу – 0,10,4 мм. В якості обмоткового проводу використовують константан, манганін, фехрай і сплави на основі благородних металів. Обмотка вкладається на каркас рівномірно, оскільки це також впливає на точність роботи ВП. Струмознімач (щітка) виконується з матеріалу дещо м’якшого, ніж матеріал обмоткового проводу, для запобігання перетирання витків при довгій роботі. Ковзунок має форму вигнутої пружної пластини для утворення контактного тиску, який змінюється від 0,5г. до 15г.

В залежності від характеру руху ковзунка потенціометри розподіляють на ВП лінійного і кутового переміщення. Щітка ВП лінійних переміщень виконує прямолінійний поступальний рух, а щітка ВП кутового переміщення – рух по колу.

Принцип дії ВП з неперервною намоткою такий: до зажимів потенціометра прикладається напруга постійного або змінного струму незмінної величини. При переміщенні ковзунка потенціометра вихідна напруга змінюється пропорційно вхідній величині x. Тут виконується перетворення переміщення в електричну напругу.

Для режиму холостого ходу статична характеристика ВП лінійна, тому що вірне співвідношення

(2.2.1)

де U - напруга живлення потенціометра; R - опір обмотки; r - опір частини обмотки, що приходиться на довжину переміщення x двигунка потенціометра (рис. 2.2.3.).

Враховуючи, що де l - загальна довжина намотки, отримаємо

(2.2.2)

Тут k - коефіцієнт перетворення потенціометра.

Для потенціометра кутового переміщення при відсутності навантаження вихідна напруга визначається як

(2.2.3)

де - кут повороту ковзунка від нульового положення (рис. 2.2.4.).

Отримані вирази (2.2.2), (2.2.3) показують, що статична характеристика лінійних потенціометрів при відсутності навантаження являє пряму, що проходить через початок координат, з коефіцієнтом нахилу k (рис. 2.2.5).

Наведена статична характеристика показує, що потенціометричні ВП, які розглядаються, не реагують на знак вхідного сигналу, тобто вони відносяться до класу однотактних елементів. Однак на основі однотактних потенціометрів можна побудувати двотактні ВП, які реагують на знак вхідного сигналу. Існує декілька схем включення потенціометрів, що утворюють двотактний потенціометричний ВП (рис. 2.2.6.).

Розглянемо статичні характеристики цих ВП при відсутності навантаження.

Для схем а і б статична характеристика являє пряму І, а для схем в і г - пряму ІІ (рис. 2.2.7.). Відмінність характеристик полягає в їх крутизні, яка визначається тим, що при зміні вхідного сигналу останній відпрацьовується в схемах в і г двома ковзунками, які відхиляються від нейтрального положення в протилежні сторони на величину x. При цьому потенціал точки  збільшується на величину а потенціал точки  отримує приріст, рівний за абсолютною величиною приросту потенціалу точки , але протилежний за знаком. В підсумку різниця потенціалів збільшиться вдвічі порівняно зі схемами а і б, де потенціал однієї з точок весь час зберігає постійне значення. Отже маємо, що схеми з двома щітками мають при тих самих параметрах потенціометрів вдвічі більший коефіцієнт перетворення сигналу порівняно зі схемою з однією щіткою.

Розглянуті ідеальні характеристики потенціометричних ВП можуть значно відрізнятися від реальних за рахунок наявності різного роду похибок, які необхідно враховувати при проектуванні систем автоматичного управління і контролю.