Potenciometrický senzor: popis, zařízení a obvod

V technologii jsou nástroje široce používány k měření velikosti přemístění objektů s jejich přeměnou na elektrické signály. Potenciometrický senzor je ve většině provedení reostat a posuvný kontakt připojený k objektu, ze kterého je signál odstraněn. Výstupní parametr je hodnota elektrického odporu v závislosti na úhlovém nebo lineárním pohybu pohyblivého prvku.

Princip fungování

Potenciometr převádí lineární nebo úhlové posuny na příslušné hodnoty napětí, proudu nebo odporu. Díky tomu je možné pracovat s mnoha neelektrickými veličinami: tlak, hladina, průtok atd.

Potenciometrické senzory, jejichž principem je měření přemístění nebo umístění polohy, jsou svými pohyblivými kontakty variabilního rezistoru spojeny s objekty. Mohou to být ventily, antény, řezací nástroje a mnoho dalšího. Po přivedení energie do senzoru se signál polohy potenciometrového motoru z něj odstraní, stejně jako u děliče napětí.

Základní metoda registrace ve všech modelech zůstává stejná, existují však strukturální rozdíly. Signál může být přijat přímo nebo pomocí elektronického obvodu po jeho zpracování a normalizaci. Je důležité, aby splňoval určité standardy.

Výhody potenciometrických senzorů

• Jednoduchost designu.
• Nízké náklady.
• Dobré rozlišení.
• Kompaktní a nízká hmotnost.
• Stabilita odečtů.

Design

Potenciometrické snímače pohybu drátu jsou v průmyslu běžné. Mají vysokou přesnost a stabilitu, mají malé hodnoty teplotního a přechodového odporu a nízkou hladinu hluku. Nevýhody zahrnují: malé množství odporu, nízké rozlišení, opotřebení pohyblivých částí a omezené použití při práci na střídavém proudu.

Zařízení se skládají ze tří hlavních prvků:

1. Drátový model. Vyrobeno z tepelně vodivého izolačního materiálu nebo z dielektrického kovu, který při zahřátí nemění geometrické rozměry. Tvar může být ve formě prstence, zakřivené desky, tyče.
2. Izolované vinutí. Provádí se s přesným pokládáním drátu, na kterém kroku závisí rozlišení zařízení.
3. Pohyblivý kartáč. V místech kontaktu s vinutím jsou závity očištěny od izolace. Pohyblivý kontakt v zařízeních se může pohybovat translačně nebo rotačně. V posledně uvedeném případě mohou být zařízení prováděna v jednom nebo více směrech.

Materiály

Rám je vyroben z dielektrického materiálu: keramika, getinaksa, textolit, plast. Naneste kov s izolačním nátěrem. Jeho vysoká tepelná vodivost umožňuje dobře odvádět teplo z drátu senzoru.

Kov vinutí má vysokou elektrickou odolnost, odolnost proti korozi, mírný teplotní efekt, otěruvzdornost a odolnost proti roztržení. Manganin, konstantan, nikl-chrom slitiny splňují tyto požadavky. Navíjení může být také lamely nebo fólie.

Posuvné kontakty snižují spolehlivost senzorů a komplikují design. Nevýhody drátových potenciometrů:

• nízká spolehlivost kontaktů;
• nestabilita přechodného odporu mezi motorem a vinutím v důsledku oxidace a elektroeroze drátu;
• odraz kontaktů.

Vodivé plasty, které mají také lepší linearitu, mají velký zdroj.Senzory založené na nich se používají tam, kde je vyžadována vysoká spolehlivost, zejména v letectví.

Kontaktní kartáče se vyrábějí s přídavkem ušlechtilých kovů tak, aby byly měkčí než materiál vinutí.

Schémata

Senzory potenciometrického typu mají statickou charakteristiku - výstupní napětí U_ven z pohyblivého kontaktu X. Vztah mezi těmito parametry v nezatíženém potenciometru je obvykle lineární:

U_ven = kX,

kde L je délka senzoru, k je citlivost (k = U_jáma/ L).

Ve skutečnosti potenciometrický senzor obsahuje odolnost R proti zatížení_n v dalším odkazu automatického řídicího systému, který ovlivňuje hodnotu U_ven

Nízká spolehlivost senzorů spojená se ztrátou kontaktu, vinutím s otevřeným obvodem nebo přerušovacím obvodem vede k nutnosti změnit schéma zapojení.

Pokud se značka výstupního signálu nezmění, čidlo se nazývá unipolární. Je to jednoduché zařízení jako variabilní rezistor.

Potenciometrický senzorový obvod typu push-pull se používá pro automatické řízení, kde se signál signálu mění na výstupu, v závislosti na tom, co je na vstupu. Na tom závisí směr ovládacího pohybu pracovního těla.

Napětí může být odstraněno z kartáče a ze středu potenciometru. Používají se také další schémata zapojení. Při napájení stejnosměrným proudem, když pohyblivý kontakt prochází středem, se značka na výstupu mění opačně. Pokud je na vinutí přivedeno střídavé napětí, změní se fáze o 180⁰.

V automatizaci se používají nelineární charakteristiky senzorů. Za tímto účelem se mění průměr drátu podél vinutí, mění se krok vinutí, používají se rámy ve tvaru komplexu, posunují se části potenciometrů s odpory.

Provozní charakteristiky

Nečinná odezva snímače je přímka (R / R_n = 0). Odchylka křivek od ní se zvyšuje s klesajícím odporem R_n.

Kromě aktivního odporu mají senzory také dynamická zatížení:

1. Přenosová funkce.
2. Indukční složka.
3. Vlastní hluk při přechodu pohyblivého kontaktu z cívky na cívku a z vibrací kartáče.

Odpor mezi kontaktem motoru a jedním ze závěrů se nazývá výstup. Měří se jeho velikost, proud nebo napětí.

Chyby senzoru

Následující chyby ovlivňují skutečné vlastnosti senzorů:

1. Mrtvá zóna. Když kontakt přechází z jedné otáčky drátu na druhou, nastane skok napětí, jehož hodnota je určena vzorcem: DU = U_jáma/ W, kde W je počet otáček.
2. Nerovnoměrnost statických charakteristik spojená s kolísáním průměru drátu po délce, jeho odpor a přesnost vinutí.
3. Přítomnost vůle mezi kontaktním motorem a pouzdrem, která ovlivňuje přesnost odečtů.
4. Nerovnoměrný tlak kartáče, ovlivňující hodnotu kontaktního odporu. Síla přitlačování motoru na vinutí se obvykle používá poměrně velká. To však není vždy možné, protože síla citlivých prvků (membrány, plováky, bimetalické desky) je malá.
5. Účinek odporu elektrického zatížení R_n. Jeho hodnota je zvolena 10 ... 100krát více než odpor senzoru.

Jmenování

Potenciometrický snímač polohy je navržen pro tyto účely:

• řízení a měření pohybů mechanismů, pracovních těles strojů a jiných předmětů;
• zpětná vazba v robotice a automatizačních systémech;
• stanovení vzdáleností k objektům;
• testy v laboratořích, sledování fungování mechanismů.

Typy senzorů

Použití potenciometrického senzoru závisí na typu:

1. T / TS je vysoce přesný přístroj (0,075%) pracující v rozsahu axiálních posunů 150 mm. Vhodné pro periferní rychlosti do 10 m / s. Konstrukce - zajištění pohybu tyče ve dvou směrech podle principu děliče napětí.
2. TR / TRS - stejné jako předchozí, ale s vratnou pružinou. Posun dosahuje 100 mm. Vydrží vyšší boční zatížení na špičce.
3. TE1 je model, který obsahuje elektronický obvod pro normalizaci signálů s analogovým výstupem.
4. TE1 s vratnou pružinou - modifikace pro řešení širšího rozsahu úkolů. Senzor je stabilnější se zvýšeným bočním zatížením.
5. TEX je potenciometrický senzor s otočnou hlavou a sledující lineární pohyby objektů do 300 mm. Otočný kloub usnadňuje instalaci a zajišťuje dlouhou životnost.
6. TEX se závitovou hnací tyčí. Umožňuje rigidně opravit objekt.
7. TEX s vratnou pružinou nevyžaduje pevné připevnění předmětu k tyči.
8. TX2 s otočnou hlavou nebo s upevňovacími svorkami. Používají se v náročných provozních podmínkách. Úroveň ochrany je IP 67, přesnost - 0,05%.

Použití potenciometrů v tlakových senzorech

Provozní parametry různých zařízení jsou vhodně převedeny na elektrické signály. Potenciometrický snímač tlaku kapaliny nebo plynu se používá v systémech přívodu paliva v automobilech, plynu na dálnicích atd. Obvykle se jedná o membránová měřicí zařízení.

Při působení tlakového rozdílu na obou stranách membrány se pohybuje. Současně se posuvník také otáčí. Pokud je tlak P₀ a P_a jsou si navzájem stejné, motor přejde do své původní levé polohy, ve které je nastaven počáteční odpor zařízení. Když str_a Snižuje se, membrána se pohybuje doprava a posuvník nastavuje potenciometrový kartáč do polohy odpovídající poklesu tlaku.

Aby se snížila chyba diskrétní změny odporu potenciometru, provede se počet otočení nejméně 100. Lze ji zcela eliminovat pohybem kartáče podél osy kalibrovaného drátu rechordu.

Konstrukce senzorů

Potenciometrický snímač lineárního posuvu sestává z dielektrického rámu různých tvarů (desky, válce, kroužky atd.), Na který je navinut izolovaný drát, připojený ke svorkám a zajištěný svorkami na koncích. Po vinutí se pohybuje kovový kartáč. U snímačů rotačního typu jsou rámy prstencové, podélné - přímé. V místech kontaktu s motorem není na vodiči žádná izolace.

Terminály jsou napájeny. Výstupní signál je přijímán mezi jedním koncem drátu a kartáčovým kontaktem, ačkoli existují jiná schémata připojení.

Každý lineární potenciometrický senzor má statickou charakteristiku ve formě závislosti hodnoty výstupního signálu na posunutí kontaktu kartáče.

Závěr

Potenciometrický senzor musí být spolehlivý, pohodlný a odolný při použití v měřicí technologii a v automatických řídicích systémech. Zařízení pro sledování polohy objektů se liší principem činnosti a typem výstupních signálů, které musí splňovat normy.