Резисторные преобразователи

Лекция 3. Преобразователи

Наиболее широко в автоматических системах применяются измерительные преобразователи (ИП) для того, чтобы преобразовать значения регулируемых пара­метров в эквивалентные значения, например, электрических сигналов.

Рассмотрим наиболее широко применяемые элементы.

Контактные элементы

Простейшие датчики - контактные элементы - служат для замыкания цепей в автоматических системах. Примеры контактных элементов приведены на рис. 3.1.

На рис. 3.1, а приведено контактное устройство, состоящее из профильного диска 3, к которому прижимается ролик 2 с контактной группой. Диск 3 кинематически связан со стрелкой 1 измерительного прибора.

А) Б) В)

Рис. 3.1. Контактные элементы

При изменении регулируемой величины перемещается стрелка 1, диск 3. При достижении предельного перемещения диск 3 отжимает ролик 2 вверх и замыкает электрический контакт, который в свою очередь замыкает, например, цепь исполнительного механизма, который через регулирующий орган воздействует на регулируемую величину.

На рис. 3.1, б показан контактный датчик, замыкающийся при определенном значении усилия Р. Настройка датчика на срабатывание при заданном значении Р осуществляется с помощью микрометрического винта 1, растягивающего пружину 2, воздействие которой на контактную группу направлено в сторону, противоположную воздействию от усилия P.

Статическая характеристика таких контактных датчиков приведена на рисунке 3.1, в. Входная величина Х в первом случае - угол поворота диска 3, во втором случае - значение усилия Р.

Выходная величина всех контактных элементов - состояние контактной группы (замкнуто - разомкнуто).

Такие двухпозиционные элементы часто называют элементами типа да - нет, 0-1. Разомкнутое состояние на рисунке - это 0; замкнутое - 1.

В схемах очень часто применяются трехпозиционные элементы со статиче­ской характеристикой вида, приведенного на рис. 3.2.

Пример, регулирование воды в резервуаре, где изменение уровне воды может быть от верхнего до минимального (или нижнего).

Двух- и трехпозиционные датчики дают информацию только о предельных значениях регулируемой величины. Для получения информации о промежуточных состояниях регулируемой величины используются многопозицнонные контактные элементы.

Достоинства контактных элементов - простота низкая стоимость, надежность в работе.

Рис. 3.2. Статистическая характеристика трехпозиционного элемента

Недостатки - невысокая точность поддержания заданного значения регули­руемой величины, автоколебательный характер изменения регулируемой величины в установившемся режиме при двухпозиционном регулировании.

Резисторные преобразователи

Резисторные преобразователи используются для преобразования линейных или угловых перемещений в эквивалентные сопротивления в электрической цепи. Такие преобразователи - это резисторы переменного сопротивления, которые могут включаться по разным схемам: реостата и потенциометра.

Реостатными называются преобразователи, выполненные в виде реостата, движок которого перемещается под действием входной преобразуемой величины. Выходной величиной таких ИП является электрическое сопротивление, функцио­нально связанное с положением движка. Реостатные преобразователи бывают про­волочными и не проволочными. Проволочные отличаются высокой точностью и стабильностью функции преобразования и вместе с тем низкой разрешающей спо­собностью (ступенчатая функция преобразования при переходе от витка к витку) и невысоким сопротивлением (до десятков кОм). Не проволочные преобразователи характеризуются большими значениями сопротивления и разрешающей способности, но в тоже время недостаточными точностью и стабильностью функции преобразования.

Реостатные преобразователи в зависимости от конструктивного исполнения делятся на преобразователи с вращательным и линейным перемещениями подвиж­ного элемента (рис. 3.3). Наиболее часто преобразователи изготавливают с линейной зависимостью между изменением выходного сопротивления и входным пере­мещением. В этом случае функции преобразования преобразователей, изображен­ных на рис. 3.3, соответственно имеют вид

Rx=Rp/(2*)-Xx; R_x=Rp/L-x, (3.1)

где Rp - полное сопротивление реостатного преобразователя (между крайними выводами); L - его длина; Хх и х - входные угловое (в радианах) и линейное перемещение.

Рис. 3.3. Реостатные преобразователи с вращательным (а) и линейным (б) перемещениями подвижного элемента

В ряде случаев применяются реостатные преобразователи с нелинейным рас­пределением сопротивления вдоль каркаса. Заданная функция преобразования Rx=F(x) обеспечивается либо изменением профиля каркаса, как это, к примеру, по­казано на рис. 3.3, б, либо применением намотки с переменным шагом, либо шун­тированием участков линейного реостата дополнительными резисторами (данный прием использован, в частности, при построении синусно-косинусного потенцио­метра).

Погрешность квантования проволочных преобразователей, являющаяся след­ствием их ступенчатой функции преобразования, определяется выражением

YKB=0,5RB/Rp-100=50/W (%), (3.2)

где RB - сопротивление витка; W - число витков преобразователя. Поскольку на практике величина W достигает сотен и тысяч, то значение укв может быть сведено к минимуму. Результирующая погрешность реостатных преобразователей находится в диапазоне 0,05-0,1%.

Тензорезистивные преобразователи - это резисторы, у которых под действием механической деформации изменяется активное сопротивление. Они могут быть проводниковыми (проволочными или фольгированными) и полупроводниковыми. Проводниковый тензорезистор (рис. 3.4) представляет собой подложку из плотной бумаги 1, на которой размещен проводник 2, уложенный волнообразно (для повы­шения чувствительности). Основной характеристикой тензорезнсторов является ко­эффициент относительной тензочувствительиости, определяемый как отношение относительного изменения сопротивления к относительному изменению длины чувствительного элемента, где 1 называется базой тензорезистора: К-(ДК/ау(ДИ).

Рис. 3.4. Проводниковый тензорезистор

Типовые параметры проводниковых тензорезисторов: длина чувствительного элемента 3-20 мм, сопротивление 20-500 Ом, коэффициент относительной тензо-чувствительности 0,5-4.

Полупроводниковые тензорезисторы конструктивно бывают как с подложка­ми, так и без них. Они имеют более высокую чувствительность (К=100...200). В то же время погрешности полупроводниковых тензорезисторов 0,5-1%, тогда как про­водниковых 0,1-0,2%. Тензорезисторы применяются для измерения сил, давлений, перемещений.