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.