Czujnik potencjometryczny: opis, urządzenie i obwód

W technologii instrumenty są szeroko stosowane do pomiaru wielkości przemieszczeń obiektów i ich konwersji na sygnały elektryczne. Czujnik potencjometryczny w większości konstrukcji jest reostatem i ślizgowym stykiem podłączonym do obiektu, z którego sygnał jest usuwany. Parametrem wyjściowym jest wartość oporu elektrycznego, w zależności od ruchu kątowego lub liniowego elementu ruchomego.

Zasada działania

Potencjometr przekształca przemieszczenia liniowe lub kątowe na odpowiednie wartości napięcia, prądu lub rezystancji. Dzięki temu możliwa jest praca z wieloma wielkościami nieelektrycznymi: ciśnieniem, poziomem, natężeniem przepływu itp.

Czujniki potencjometryczne, których zasadą jest pomiar przemieszczenia lub położenia położenia, są połączone przez ruchome styki rezystora zmiennego z obiektami. Mogą to być zawory, anteny, narzędzia tnące i wiele innych. Po doprowadzeniu zasilania do czujnika sygnał pozycji suwaka potencjometru jest z niego usuwany, jak w przypadku dzielnika napięcia.

Podstawowa metoda rejestracji we wszystkich modelach pozostaje taka sama, ale występują różnice strukturalne. Sygnał można odebrać bezpośrednio lub za pomocą obwodu elektronicznego po jego przetworzeniu i normalizacji. Ważne jest, aby spełniał określone standardy.

Zalety czujników potencjometrycznych

• Prostota projektu.
• Niski koszt.
• Dobra rozdzielczość
• Kompaktowy i lekki.
• Stabilność odczytów.

Design

Potencjometryczne czujniki ruchu z drutu są powszechne w przemyśle. Mają wysoką dokładność i stabilność, mają małe wartości odporności na temperaturę i przemiany oraz niski poziom hałasu. Wady obejmują: niewielki opór, niską rozdzielczość, zużycie części ruchomych i ograniczone użycie podczas pracy z prądem przemiennym.

Urządzenia składają się z trzech głównych elementów:

1. Model szkieletowy. Wykonany z przewodzącego ciepło materiału izolacyjnego lub metalu pokrytego dielektrykiem, który nie zmienia wymiarów geometrycznych po podgrzaniu. Kształt może mieć postać pierścienia, zakrzywionej płyty, pręta.
2. Izolowane uzwojenie. Odbywa się to z dokładnym ułożeniem drutu, od którego stopnia zależy rozdzielczość urządzenia.
3. Ruchoma szczotka. W miejscach styku z uzwojeniem zwoje są czyszczone z izolacji. Ruchomy kontakt w urządzeniach może poruszać się translacyjnie lub obrotowo. W tym drugim przypadku urządzenia mogą być wykonywane jedno- lub wieloobrotowo.

Materiały

Rama wykonana jest z materiału dielektrycznego: ceramika, getinaksa, tekstolit, plastik. Nałożyć metal z powłoką izolacyjną. Jego wysoka przewodność cieplna umożliwia dobre odprowadzanie ciepła z drutu czujnika.

Metal uzwojenia ma wysoką rezystywność elektryczną, odporność na korozję, niewielki wpływ temperatury, odporność na ścieranie i rozdarcie. Manganina, Constanan, stopy niklowo-chromowe spełniają te wymagania. Uzwojeniem może być również lamela lub folia.

Przesuwne kontakty zmniejszają niezawodność czujników i komplikują konstrukcję. Wady potencjometrów drutowych:

• niska niezawodność kontaktów;
• niestabilność rezystancji przejścia między silnikiem a uzwojeniem z powodu utleniania i elektroerozji drutu;
• odbicie kontaktów.

Tworzywa przewodzące, które mają również lepszą liniowość, mają świetny zasób.Oparte na nich czujniki są stosowane tam, gdzie wymagana jest wysoka niezawodność, szczególnie w lotnictwie.

Szczotki kontaktowe wykonane są z dodatkiem metali szlachetnych, dzięki czemu są bardziej miękkie niż materiał uzwojenia.

Schematy

Czujniki potencjometryczne mają charakterystykę statyczną - napięcie wyjściowe U_out od ruchomego styku X. Zależność między tymi parametrami w nieobciążonym potencjometrze jest zwykle liniowa:

U_out = kX,

gdzie L jest długością czujnika, k jest czułością (k = U_pit/ L).

W rzeczywistości czujnik potencjometryczny zawiera rezystancję obciążenia R_n w następnym łączu automatycznego systemu sterowania, który wpływa na wartość U_out

Niska niezawodność czujników związana z utratą styku, uzwojeniem obwodu otwartego lub przerwaniem obwodu prowadzi do konieczności zmiany schematu okablowania.

Jeśli znak sygnału wyjściowego nie zmienia się, czujnik nazywa się unipolarny. Jest to proste urządzenie, takie jak rezystor zmienny.

Obwód czujnika potencjometrycznego typu push-pull służy do automatycznego sterowania, w którym znak sygnału zmienia się na wyjściu, w zależności od tego, co jest na wejściu. Od tego zależy kierunek ruchu kontrolnego ciała roboczego.

Napięcie można usunąć ze szczotki i ze środka potencjometru. Używane są również inne schematy połączeń. Gdy zasilany jest prądem stałym, gdy ruchomy styk przechodzi przez jego środek, znak na wyjściu zmienia się na przeciwny. Jeśli do uzwojenia zostanie przyłożone napięcie prądu przemiennego, faza zmienia się o 180⁰.

W automatyce wykorzystywane są nieliniowe charakterystyki czujników. W tym celu zmienia się średnica drutu wzdłuż uzwojenia, zmienia się stopień uzwojenia, stosuje się złożone ramy, sekcje potencjometrów z rezystancjami są bocznikowane.

Charakterystyka operacyjna

Reakcja bezczynności czujnika jest linią prostą (R / R_n = 0). Odchylenie krzywych od niego wzrasta wraz ze spadkiem rezystancji obciążenia R._n.

Oprócz aktywnej rezystancji czujniki mają również obciążenia dynamiczne:

1. Funkcja przesyłania.
2. Składnik indukcyjny.
3. Własny hałas podczas przejścia ruchomego styku z cewki na cewkę i wibracji szczotki.

Opór między kontaktem silnika a jednym z wniosków nazywa się mocą wyjściową. Mierzona jest jego wielkość, prąd lub napięcie.

Błędy czujnika

Następujące błędy wpływają na rzeczywistą charakterystykę czujników:

1. Martwa strefa. Kiedy styk przechodzi z jednego zwoju drutu na drugi, następuje skok napięcia, którego wartość określa wzór: DU = U_pit/ W, gdzie W jest liczbą zwojów.
2. Nierówności charakterystyki statycznej związane z wahaniami średnicy drutu wzdłuż długości, jego rezystywnością i dokładnością uzwojenia.
3. Obecność luzu między silnikiem stykowym a tuleją, co wpływa na dokładność odczytów.
4. Nierówny nacisk szczotki, wpływający na wartość rezystancji styku. Zwykle siła dociskania silnika do uzwojenia jest używana dość duża. Nie zawsze jest to jednak możliwe, ponieważ siła wrażliwych elementów (membran, pływaków, płytek bimetalicznych) jest niewielka.
5. Wpływ rezystancji obciążenia elektrycznego R_n. Jego wartość jest wybierana 10 ... 100 razy więcej niż rezystancja czujnika.

Spotkanie

Potencjometryczny nadajnik położenia jest przeznaczony do następujących celów:

• kontrola i pomiar ruchów mechanizmów, ciał roboczych maszyn i innych obiektów;
• łącze zwrotne w robotyce i systemach automatyki;
• określanie odległości od obiektów;
• testy w laboratoriach, monitorowanie działania mechanizmów.

Rodzaje czujników

Zastosowanie czujnika potencjometrycznego zależy od typu:

1. T / TS jest precyzyjnym przyrządem (0,075%) pracującym w zakresie przemieszczeń osiowych 150 mm. Nadaje się do prędkości obwodowych do 10 m / s. Konstrukcja - zapewniająca ruch pręta w dwóch kierunkach zgodnie z zasadą dzielnika napięcia.
2. TR / TRS - taki sam jak poprzedni, ale ze sprężyną powrotną. Przemieszczenie sięga 100 mm. Wytrzymuje większe obciążenia boczne na końcówce.
3. TE1 to model zawierający obwód elektroniczny do normalizacji sygnałów z wyjściem analogowym.
4. TE1 ze sprężyną powrotną - modyfikacja do rozwiązywania szerszego zakresu zadań. Czujnik jest bardziej stabilny przy zwiększonych obciążeniach bocznych.
5. TEX to czujnik potencjometryczny z głowicą obrotową i śledzący liniowe ruchy obiektów do 300 mm. Przegub obrotowy ułatwia instalację i zapewnia długą żywotność.
6. TEX z gwintowanym drążkiem napędowym. Umożliwia sztywne naprawienie obiektu.
7. TEX ze sprężyną powrotną nie wymaga sztywnego mocowania obiektu do pręta.
8. TX2 z głowicą obrotową lub z zaciskami montażowymi. Są używane w trudnych warunkach pracy. Poziom ochrony wynosi IP 67, dokładność - 0,05%.

Zastosowanie potencjometrów w czujnikach ciśnienia

Parametry pracy różnych urządzeń są wygodnie przekształcane w sygnały elektryczne. Potencjometryczny czujnik ciśnienia cieczy lub gazu jest stosowany w układach zasilania paliwem w samochodach, gazu na drogach itp. Zazwyczaj są to membranowe urządzenia pomiarowe.

Pod wpływem różnicy ciśnień po obu stronach membrany porusza się. Jednocześnie suwak również się obraca. Jeśli ciśnienie P₀ i P._i są sobie równe, silnik ustawia się w pierwotnym lewym położeniu, w którym ustawiony jest początkowy opór urządzenia. Kiedy p_i zmniejsza się, membrana przesuwa się w prawo, a suwak ustawia szczotkę potencjometru w pozycji odpowiadającej spadkowi ciśnienia.

Aby zmniejszyć błąd dyskretnej zmiany rezystancji potencjometru, liczba zwojów na nim wynosi co najmniej 100. Można to całkowicie wyeliminować, przesuwając szczotkę wzdłuż osi skalibrowanego drutu cięciwego.

Projekty czujników

Potencjometryczny czujnik przemieszczenia liniowego składa się z ramy dielektrycznej o różnych kształtach (płyty, cylindry, pierścienie itp.), Na której nawinięty jest izolowany drut, przymocowany do zacisków i zabezpieczony zaciskami na końcach. Metalowa szczotka porusza się wzdłuż uzwojenia. W przypadku czujników typu obrotowego ramy są w kształcie pierścienia, podłużne - proste. W miejscach kontaktu z silnikiem nie ma izolacji na przewodzie.

Zaciski są zasilane. Sygnał wyjściowy jest pobierany między jednym końcem drutu a stykiem szczotki, chociaż istnieją inne schematy połączeń.

Każdy liniowy czujnik potencjometryczny ma charakterystykę statyczną w postaci zależności wartości sygnału wyjściowego od przesunięcia styku szczotki.

Wniosek

Czujnik potencjometryczny musi być niezawodny, wygodny i trwały, jeśli jest stosowany w technologii pomiarowej i automatycznych systemach sterowania. Urządzenia do monitorowania położenia obiektów różnią się co do zasady działaniem i rodzajem sygnałów wyjściowych, które muszą być zgodne z normami.