Потенциометрические датчики отличаются простотой конструкции, малой мощностью потребляемой энергии, минимальными размерами и весом, удобством в эксплуатации. Осуществляют преобразование угловых или линейных перемещений выходных звеньев кинематических целей в электрический сигнал постоянного или переменного тока.
Для локальных систем обычно применяют проволочные потенциометрические датчики угла поворота типа ПД и ПП. Последние отличаются от потенциометра типа ПД наличием концевых выключателей. Рабочий угол поворота датчиков составляет 350º: jр = 350º.
Для локальных систем с расширенным диапазоном работы (более 350º) применяют круговые потенциометры типа ПК2 (двухщеточные) или ПК3 (трехщеточные) с рабочим углом до 7200º.
Схема потенциометрического датчика управляемой величины показана на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1
Входной величиной датчика является угол поворота нагрузки , например, регулирующего органа объекта управления, а выходной величиной – напряжение u Д, снимаемое со щетки токосъемного элемента. Реостат потенциометра, имеющий полное сопротивление R, запитывается от двух источников питания напряжением +u П и –u П, соединенных в точке «0». Максимальный угол перемещения щетки относительно середины потенциометра равен половине рабочего угла
|
|
В режиме холостого хода (R н = ∞) выходное напряжение датчика
, (2.2)
где qn – передаточное число повышающего редуктора.
Преобразуя правую часть формулы (2.2), получим
. (2.3)
В этом выражении сомножитель называют коэффициентом передачи (чувствительностью) датчика и обозначают буквой K Д:
. (2.4)
Видно, что при qп > 1редуктор повышает чувствительность потенциометрического датчика.
Статическая характеристика (2.3) линейная при работе датчика в режиме холостого хода (R н = ∞). Подключение сопротивления нагрузки R н, соизмеримого с сопротивлением реостата потенциометра R,нарушает линейность из-за шунтирующего действия. Однако при отклонение от линейности не превышает значения 0,025 %, и характеристику можно считать линейной.
Схема измерительного устройства на потенциометрах со средней точкой «0» показана на рисунке 2.2, где RC – потенциометр-датчик; RE – потенциометр-приемник; DA 1 – усилитель-сумматор.
Движки токосъемных элементов потенциометров кинематически связаны с задающей осью jвх(t) и осью jн(t) исполнительного устройства локальной системы. Снимаемые с потенциометров сигналы в виде медленных изменений напряжений U 1 и U 2постоянного тока поступают на вход усилителя-сумматора. На выходе усилителя напряжение u δ(t) пропорционально рассогласованию углового положения задающей jвх(t) и исполнительной jн(t) осей
|
|
. (2.5)
Рисунок 2.2
Измерительное устройство применяют в маломощных системах слежения за изменением угла jвх(t), например, под воздействием медленных периодических возмущений. Возможную погрешность устройства оценивают по формуле для средней квадратической ошибки:
(2.6)
где d RC и d RE – пределы допустимой погрешности потенциометров датчика
и приемника соответственно.
В локальных системах обычно применяют потенциометры второго класса точности, для которых d RC = d RE = 0,5 угловых градуса и редуктор, погрешность которого выбирают из ряда значений dр = 3…5 угловых минут.
В некоторых системах измерительное устройство осуществляют по схеме, показанной на рисунке 2.3, где U вх – сигнал управления на входе локальной системы, сформированный на предыдущем, старшем по рангу уровне управления:
Измерительное устройство обладает меньшей погрешностью
(2.7)
Рисунок 2.3
На рисунке 2.4 приведена принципиальная схема измерительного устройства, которая нашла применение в ряде промышленных систем стабилизации и регулирования параметров технологического процесса, например уровня жидкости в резервуаре.
Рисунок 2.4
При изменении уровня воды чувствительный элемент датчика (на рисунке не показан) поворачивает валик на угол jн(t), который перемещает движок потенциометра RE относительно заданного углового положения jз движка в потенциометре RC. Таким образом, измерительное устройство измеряет относительное рассогласование δ(t) = jз(t) – jн(t).
Основные характеристики устройства:
– коэффициент передачи (чувствительность)
; (2.8)
– средняя квадратическая погрешность
; (2.9)
– напряжение на выходе устройства
. (2.10)
Из сопоставления уравнений (2.5) и (2.10) следует, что независимо от схемы реализации измерительного устройства их структурные схемы имеют один и тот же вид, показанный на рисунке 2.5.
Рисунок 2.5
Друг от друга отличаются только коэффициентом преобразования К Д и значением погрешности d, которые подлежат расчету.
Пример. Считаем, что для заданных условий работы локальной системы выбран вариант измерительного устройства, принципиальная схема которого изображена на рисунке 2.3, и однооборотный потенциометр RE второго класса точности с характеристиками: сопротивление реостата R = 1,6 кОм; мощность рассеивания Р = 1 Вт. Максимальный угол поворота исполнительной оси .
Расчет
– передаточное число повышающего редуктора
,
принимаем qп = 5;
– напряжение питания
В;
– коэффициент преобразования
В/град
или В/рад;
– возможная погрешность измерительного устройства при d RE = 30 угловых минут и погрешности редуктора dр=1,5 угловых минут.
угловых минут.