Potentiometrischer Sensor: Beschreibung, Gerät und Schaltung

In der Technik werden häufig Instrumente verwendet, um die Größe von Verschiebungen von Objekten mit ihrer Umwandlung in elektrische Signale zu messen. Der potentiometrische Sensor ist in den meisten Ausführungen ein Rheostat und ein mit dem Objekt verbundener Schleifkontakt, von dem das Signal entfernt wird. Der Ausgangsparameter ist der Wert des elektrischen Widerstands in Abhängigkeit von der Winkel- oder Linearbewegung des beweglichen Elements.

Funktionsprinzip

Das Potentiometer wandelt lineare oder winklige Verschiebungen in die entsprechenden Spannungs-, Strom- oder Widerstandswerte um. Dadurch ist es möglich, mit vielen nicht elektrischen Größen zu arbeiten: Druck, Füllstand, Durchflussmenge usw.

Potentiometrische Sensoren, deren Prinzip darin besteht, die Verschiebung oder den Ort der Position zu messen, sind mit ihren beweglichen Kontakten des variablen Widerstands mit Gegenständen verbunden. Es können Ventile, Antennen, Schneidwerkzeuge und vieles mehr sein. Wie bei einem Spannungsteiler wird nach dem Einschalten des Sensors das Signal der Position des Potentiometer-Motors von diesem entfernt.

Die grundlegende Registrierungsmethode bleibt bei allen Modellen gleich, es gibt jedoch strukturelle Unterschiede. Das Signal kann direkt oder unter Verwendung einer elektronischen Schaltung nach seiner Verarbeitung und Normierung aufgenommen werden. Es ist wichtig, dass bestimmte Standards eingehalten werden.

Vorteile potentiometrischer Sensoren

• Einfachheit des Designs.
• Niedrige Kosten.
• Gute auflösung
• Kompakt und leicht.
• Die Stabilität der Messwerte.

Design

Potentiometrische Drahtbewegungssensoren sind in der Industrie weit verbreitet. Sie haben eine hohe Genauigkeit und Stabilität, geringe Temperatur- und Übergangswiderstände und einen niedrigen Geräuschpegel. Zu den Nachteilen zählen: geringer Widerstand, geringe Auflösung, Verschleiß beweglicher Teile und begrenzter Einsatz bei Wechselstromarbeiten.

Geräte bestehen aus drei Hauptelementen:

1. Wireframe. Aus wärmeleitendem Isoliermaterial oder dielektrisch beschichtetem Metall, das beim Erhitzen seine geometrischen Abmessungen nicht ändert. Die Form kann die Form eines Rings, einer gekrümmten Platte oder eines Stabes haben.
2. Isolierte Wicklung. Es erfolgt mit der exakten Verlegung des Drahtes, von welchem ​​Schritt die Auflösung des Gerätes abhängt.
3. Bewegliche Bürste. Bei Kontakt mit der Wicklung werden die Windungen von der Isolierung befreit. Der bewegliche Kontakt in den Geräten kann sich translatorisch oder rotatorisch bewegen. Im letzteren Fall können die Geräte Singleturn- oder Multiturn-Ausführungen sein.

Materialien

Der Rahmen besteht aus dielektrischem Material: Keramik, Getinaksa, Textolite, Kunststoff. Metall mit einer Isolierschicht auftragen. Die hohe Wärmeleitfähigkeit ermöglicht eine gute Wärmeabfuhr vom Sensordraht.

Das Metall der Wicklung weist einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand, Korrosionsbeständigkeit, einen geringen Temperatureffekt, Abrieb- und Reißfestigkeit auf. Manganin, Konstantan, Nickel-Chrom-Legierungen erfüllen diese Anforderungen. Das Wickeln kann auch eine Lamelle oder eine Folie sein.

Schleifkontakte verringern die Zuverlässigkeit der Sensoren und erschweren das Design. Nachteile von Drahtpotentiometern:

• geringe Zuverlässigkeit der Kontakte;
• Instabilität des Übergangswiderstands zwischen Motor und Wicklung aufgrund von Oxidation und Elektroerosion des Drahtes;
• Sprung von Kontakten.

Leitfähige Kunststoffe, die auch eine bessere Linearität aufweisen, sind eine große Ressource.Auf ihnen basierende Sensoren werden dort eingesetzt, wo eine hohe Zuverlässigkeit erforderlich ist, insbesondere in der Luftfahrt.

Kontaktbürsten werden unter Zusatz von Edelmetallen hergestellt, so dass sie weicher sind als das Material der Wicklung.

Schemata

Potentiometrische Sensoren haben eine statische Kennlinie - Ausgangsspannung U_raus Die Beziehung zwischen diesen Parametern in einem unbelasteten Potentiometer ist normalerweise linear:

U_raus = kX,

wobei L die Länge des Sensors ist, k die Empfindlichkeit ist (k = U_Grube/ L).

In der Realität enthält der potentiometrische Sensor einen Lastwiderstand R_n in der nächsten Verknüpfung der automatischen Steuerung, die den Wert von U beeinflusst_raus

Die geringe Zuverlässigkeit der Sensoren, die mit einem Kontaktverlust, einer Unterbrechung der Wicklung oder einer Unterbrechung des Stromkreises verbunden ist, führt dazu, dass der Schaltplan geändert werden muss.

Wenn sich das Vorzeichen des Ausgangssignals nicht ändert, wird der Sensor als unipolar bezeichnet. Es ist ein einfaches Gerät wie ein variabler Widerstand.

Eine potentiometrische Gegentakt-Sensorschaltung wird für die automatische Steuerung verwendet, bei der sich das Vorzeichen des Signals am Ausgang ändert, je nachdem, was es am Eingang ist. Die Richtung der Steuerbewegung des Arbeitskörpers hängt davon ab.

Die Spannung kann von der Bürste und von der Mitte des Potentiometers entfernt werden. Andere Schaltpläne werden ebenfalls verwendet. Wenn der bewegliche Kontakt mit Gleichstrom gespeist wird und seinen Mittelpunkt durchläuft, ändert sich das Vorzeichen am Ausgang in das Gegenteil. Wird an die Wicklung Wechselspannung angelegt, ändert sich die Phase um 180⁰.

In der Automatisierung werden nichtlineare Eigenschaften der Sensoren verwendet. Dazu wird der Durchmesser des Drahtes entlang der Wicklung verändert, die Wicklungsstufe wird verändert, es werden komplex geformte Rahmen verwendet, Abschnitte der Potentiometer mit Widerständen werden überbrückt.

Leistungsmerkmale

Die Leerlaufantwort des Sensors ist eine gerade Linie (R / R_n = 0). Die Abweichung der Kurven davon nimmt mit abnehmendem Lastwiderstand R zu_n.

Sensoren haben neben dem aktiven Widerstand auch dynamische Belastungen:

1. Übertragungsfunktion.
2. Induktive Komponente.
3. Eigengeräusche beim Übergang des beweglichen Kontakts von Spule zu Spule und von Bürstenvibrationen.

Der Widerstand zwischen dem Kontakt des Motors und einer der Schlussfolgerungen wird als Ausgabe bezeichnet. Größe, Strom oder Spannung werden gemessen.

Sensorfehler

Die folgenden Fehler wirken sich auf die tatsächlichen Eigenschaften der Sensoren aus:

1. Totzone. Wenn der Kontakt von einer Drahtwindung zur nächsten wechselt, tritt ein Spannungssprung auf, dessen Wert durch die Formel bestimmt wird: DU = U_Grube/ W, wobei W die Anzahl der Windungen ist.
2. Die Ungleichmäßigkeit der statischen Kennlinie ist mit Schwankungen des Drahtdurchmessers über die Länge, dem spezifischen Widerstand und der Wicklungsgenauigkeit verbunden.
3. Das Vorhandensein von Spiel zwischen dem Kontaktmotor und der Hülse, das die Genauigkeit der Ablesungen beeinträchtigt.
4. Ungleichmäßiger Bürstendruck, der sich auf den Kontaktwiderstand auswirkt. Normalerweise wird die Kraft, mit der der Motor gegen die Wicklung gedrückt wird, ziemlich groß eingesetzt. Dies ist jedoch nicht immer möglich, da die Kraft der empfindlichen Elemente (Membranen, Schwimmer, Bimetallplatten) gering ist.
5. Die Wirkung des elektrischen Lastwiderstandes R_n. Sein Wert wird 10 ... 100 mal höher gewählt als der Widerstand des Sensors.

Termin

Der potentiometrische Stellungsgeber ist für folgende Zwecke ausgelegt:

• Steuerung und Messung von Bewegungen von Mechanismen, Arbeitskörpern von Maschinen und anderen Objekten;
• Feedback-Link in Robotik- und Automatisierungssystemen;
• Bestimmung von Entfernungen zu Objekten;
• Tests in Laboratorien, Überwachung der Funktionsweise von Mechanismen.

Sensortypen

Die Verwendung eines potentiometrischen Sensors hängt vom Typ ab:

1. T / TS ist ein Präzisionsinstrument (0,075%), das im Bereich der axialen Verschiebungen von 150 mm arbeitet. Geeignet für Umfangsgeschwindigkeiten bis 10 m / s. Konstruktion - Sicherstellung der Bewegung der Stange in zwei Richtungen nach dem Prinzip eines Spannungsteilers.
2. TR / TRS - wie vorher, jedoch mit Rückholfeder. Verschiebung erreicht 100 mm. Widersteht höheren seitlichen Belastungen an der Spitze.
3. TE1 ist ein Modell, das eine elektronische Schaltung zur Normierung von Signalen mit einem analogen Ausgang enthält.
4. TE1 mit Rückholfeder - Modifikation zur Lösung eines größeren Aufgabenspektrums. Der Sensor ist bei erhöhten Querbelastungen stabiler.
5. TEX ist ein potentiometrischer Sensor mit einem Schwenkkopf, der lineare Bewegungen von Objekten bis zu 300 mm verfolgt. Das Drehgelenk erleichtert die Montage und sorgt für eine lange Lebensdauer.
6. TEX mit einer Gewindestange. Es ermöglicht die starre Fixierung eines Objekts.
7. TEX mit einer Rückholfeder erfordert keine starre Befestigung des Objekts an der Stange.
8. TX2 mit Schwenkkopf oder mit Befestigungsklammern. Sie werden unter rauen Betriebsbedingungen eingesetzt. Die Schutzart ist IP 67, Genauigkeit - 0,05%.

Verwendung von Potentiometern in Drucksensoren

Die Betriebsparameter verschiedener Geräte werden bequem in elektrische Signale umgewandelt. Ein potentiometrischer Flüssigkeits- oder Gasdrucksensor wird in Kraftstoffversorgungssystemen in Autos, in Gasen auf Autobahnen usw. verwendet. In der Regel sind dies Membranmessgeräte.

Unter der Wirkung eines Druckunterschieds auf beiden Seiten der Membran bewegt sie sich. Gleichzeitig dreht sich auch der Schieber. Wenn der Druck P₀ und P_und Sind diese gleich groß, geht der Motor in seine ursprüngliche linke Position, in der der Anfangswiderstand des Gerätes eingestellt ist. Wenn p_und verringert sich, die Membran bewegt sich nach rechts und der Schieber stellt die Potentiometerbürste auf die Position ein, die dem Druckabfall entspricht.

Um den Fehler einer diskreten Widerstandsänderung des Potentiometers zu verringern, muss die Anzahl der Umdrehungen mindestens 100 betragen. Sie kann vollständig beseitigt werden, indem die Bürste entlang der Achse des kalibrierten Nachladedrahts bewegt wird.

Sensordesigns

Der potentiometrische lineare Wegsensor besteht aus einem dielektrischen Rahmen verschiedener Formen (Platten, Zylinder, Ringe usw.), auf den ein isolierter Draht gewickelt, an den Klemmen befestigt und an den Enden mit Klemmen befestigt wird. Eine Metallbürste bewegt sich entlang der Wicklung. Bei rotierenden Sensoren sind die Rahmen ringförmig, längs - gerade. Bei Kontakt mit dem Motor befindet sich keine Isolierung am Kabel.

Die Terminals werden mit Strom versorgt. Das Ausgangssignal wird zwischen einem Drahtende und dem Bürstenkontakt abgenommen, obwohl es andere Anschlussschemata gibt.

Jeder lineare potentiometrische Sensor hat eine statische Charakteristik in Form einer Abhängigkeit des Wertes des Ausgangssignals von der Verschiebung des Bürstenkontakts.

Fazit

Der potentiometrische Sensor muss zuverlässig, bequem und langlebig sein, wenn er in der Messtechnik und in automatischen Steuerungssystemen eingesetzt wird. Geräte zur Positionsüberwachung von Objekten unterscheiden sich im Funktionsprinzip und in den Arten der Ausgangssignale, die den Normen entsprechen müssen.