Теоретическая часть

Первичным преобразователем (датчиком) называют элемент, который устанавливают в технологическое оборудование и который первым воспринимает контролируемый параметр. Выходной величиной ИП является электрическое сопротивление, функционально связанное с положением подвижного контакта. Реостатные преобразователи служат для преобразования угловых или линейных перемещений в соответствующее изменение сопротивления, тока или напряжения. В зависимости от материала чувствительного элемента реостатные преобразователи разделяются на проволочные и непроволочные.В устройствах автоматики широко применяют проволочные реостатные преобразователи, которые отличаются высокой точностью и стабильностью функции преобразования, имеют малое переходное сопротивление, низкий уровень собственных шумов, малый температурный коэффициент сопротивления (ТКС). К их недостаткам относятся низкая разрешающая способность, сравнительно невысокое сопротивление (до десятков кОм), ограниченная возможность применения на переменном токе, обусловленная остаточными индуктивностью и емкостью намотки. В зависимости от конструктивного исполнения различают реостатные преобразователи с поступательным и вращательным перемещением подвижного контакта. Последние, кроме того, делятся на одно- и многооборотные. Конструктивно-реостатные преобразователи состоят из каркаса, обмотки из изолированного провода и токосъемного контакта в виде щетки или движка, скользящего по виткам провода, очищенного от изоляции. Каркас выполняется из изоляционного материала и может иметь форму стержня, кольца, изогнутой пластины. Материал каркаса должен сохранять свои размеры в широком температурном диапазоне, условиях повышенной влажности и химической загрязненности атмосферы. Кроме того, каркасы должны обладать высокой теплопроводностью, что позволяет увеличивать рассеиваемую в преобразователе мощность. В качестве изоляционного материала используют гетинакс, текстолит, керамику или металл, покрытый непроводящим слоем оксида. Обмотку выполняют изолированным проводом виток к витку или с заданным шагом /_ш. Материал обмотки должен отвечать следующим требованиям: высокое удельное электрическое сопротивление, высокая коррозионная стойкость, стабильность характеристик во времени, малый ТКС, большая прочность на разрыв и истирание. В качестве обмоточного провода применяют константан и манганин, а при работе в условиях повышенных температур — железо и никельхромовые сплавы. В особо ответственных или специфических условиях работы применяют сплавы из благородных металлов: платины с иридием, платины с палладием и др. Например, добавка иридия к платине увеличивает ее твердость, износоустойчивость, химическую стойкость, коррозионную стойкость. Диаметр провода зависит от точности и сопротивления преобразователя: 0,01...0,10 мм для датчиков высокого класса; 0,1...0,4 мм — для датчиков низкого класса. Обмоточный провод покрывают слоем эмали или слоем оксидов. Подвижный контакт (щетка, движок) выполняют в виде двух-трех параллельных проволочек диаметром 0,1...0,2 мм, несколько отличающихся по длине (для прецизионных реостатных преобразователей), или из специально профилированной пластины с разрезами. Ширина контактной поверхности щетки должна быть равна двум-трем диаметрам проволоки чувствительного элемента. Изготавливают щетку либо из чистых металлов (платины, серебра), либо из сплавов (платины с иридием или бериллием, фосфористой бронзы и др.). Материал щетки должен быть несколько мягче материала проволоки, чтобы проволока не перетиралась. Щетка прижимается к обмотке с усилием (0,5... 15,0) • 10^-2 Н.Допустимая плотность тока в обмотке зависит от материала провода и условий его охлаждения. При использовании манганина или константана рабочая температура преобразователя может достигать 40... 50 °С при плотности тока в обмотке около 10 А/мм² для каркаса из пластиковых материалов или 25... 30 А/мм² для металлического каркаса. Использование обмоточного провода из благородных материалов допускает рабочую температуру в пределах 70... 80 "С и плотность тока 40... 50 А/мм² при металлическом каркасе.

Потенциометрические преобразователи относятся к активным устройствам, поскольку для определения величины сопротивления через них должен протекать электрический ток, т.е. они нуждаются в дополнительном источнике возбуждения. Из этого уравнения следует, что сопротивление проволочного резистора зависит от длины провода. Если перемещение объекта будет связано с изменением положения ползунка потенциометра, получится устройство, контролирующее положение объекта, т.е. детектор перемещений. На практике процедуру измерения сопротивления заменяют процедурой определения падения напряжения на этом сопротивлении. Здесь предполагается, что интерфейсная схема не создает никакой нагрузки. При невыполнении этого условия нарушается линейность зависимости между положением ползунка и выходным напряжением. В дополнение к этому, выходной сигнал пропорционален напряжению возбуждения, которое, если не является стабилизированным, может быть источником существенных погрешностей. Также следует отметить, что поскольку сопротивление потенциометра не входит в уравнение, датчики данного типа являются относительными устройствами. Стабильность (например, в широком температурном диапазоне) практически не влияет на точность измерений. В маломощных датчиках желательно использовать высокоимпедансные потенциометры, однако при этом необходимо учитывать влияние подключаемой нагрузки. Подвижный контакт потенциометра обычно электрически изолирован от чувствительной оси. Потенциометрический датчик, имеет следующий недостаток. Подвижный контакт, двигаясь вдоль обмотки, может перемыкать то один, то два витка переменного резистора, что приводит к неравномерности шагов выходного напряжения или переменной разрешающей способности. Объект затрачивает усилия для перемещения ползунка потенциометра, затраченная энергия выделяется в форме тепла. Как правило, проволочные потенциометры изготавливаются из тонкого провода диаметром порядка 0.01 мм. Хороший потенциометр обеспечивает среднюю разрешающую способность около 0.1% от полной шкалы измерения, в то время как разрешение высококачественного пленочного потенциометра ограничивается только неоднородностью резистивного материала и шумовым порогом интерфейсной схемы. Потенциометры с непрерывным разрешением изготавливаются из проводящей пластмассы, углеродных пленок, металлических пленок или смеси металла и керамики, известной под названием кермет. Подвижные контакты прецизионных потенциометров изготавливаются из качественных сплавов металлов. Многооборотные угловые потенциометры измеряют перемещения в диапазоне 10°...3000°. Большинству потенциометров присущи следующие недостатки:

1. Значительная механическая нагрузка (трение).

2. Необходимость обеспечения механического контакта с объектом.

3. Низкое быстродействие.

4. Трение и напряжение возбуждения, приводящие к нагреву потенциометра.

5. Низкая устойчивость к факторам окружающей среды.

1.3 Принцип действия датчиков.

Потенциометрические датчики предназначены для преобразования механического перемещения в электрический сигнал. При перемещении движка выходное напряжение U_ВЫХ меняется пропорционально входной величине X. Осуществляется преобразование перемещения в напряжение (рис.1). Учитывая, что по конструктивным особенностям R = l, r = X, где R — полное сопротивление преобразователя; l — длина намотки обмотки; r — сопротивление части обмотки, приходящейся на перемещение X движка реостата, функция преобразования будет иметь вид

где K — коэффициент преобразования.	(3) Рисунок 1. Схема включения.

Для преобразователя углового перемещения в режиме холостого хода функции преобразования U_ВЫХ = K φ, где φ - угол поворота движка от нулевого положения.Анализ полученных выражений для функций преобразования показывает, что статическая характеристика линейных потенциометров при отсутствии нагрузки представляет собой прямую, проходящую через начало координат под углом α = arctg K. Из приведенной статической характеристики, рассмотренные преобразователи относятся к однотактным элементам, т е. они не реагируют на знак входного сигнала. В ряде случаев необходимы преобразователи, учитывающие знак входного сигнала, — двухтактные измерительные преобразователи. Реальные характеристики реостатных преобразователей значительно отличаются от рассмотренных идеальных из-за различных погрешностей: дискретности выходного сопротивления; отклонения функции преобразования от расчетной, вызванного непостоянством диаметра намоточного провода и его удельного электрического сопротивления; изменения температуры преобразователя; влияния сопротивления нагрузки и других факторов.При перемещении движка сопротивление включенной части потенциометра изменяется дискретно с шагом, равным сопротивлению одного витка: (1)

где R — сопротивление реостата; w — число витков обмотки.

Соответственно изменяется и выходное напряжение. Это явление определяет два фактора: порог чувствительности и зону нечувствительности. Если их рассматривать относительно входного перемещения, то численно они будут равны диаметру провода обмотки типа «виток к витку» или шагу намотки l _ш при расположении витков с зазором. Статическая характеристика с учетом дискретности изменения сопротивления имеет ступенчатый вид. Если за идеальную характеристику принять прямую, проходящую через середины ступенек, то абсолютная погрешность дискретности или зона нечувствительности в зависимости от формы представления характеристики (в функции сопротивления, перемещения или напряжения) будет определяться выражениями

(2)
Соответственно выражения для относительных погрешностей примут вид:

(3)

2. Практическая часть