Контактные и реостатные резистивные измерительные преобразователи

 

Контактными называются измерительные преобразователи неэлектрических величин, в которых измеряемое механическое перемещение преобразуется в замкнутое или разомкнутое состояние контактов, управляющих электрической цепью. Таким образом, естественной входной величиной контактных преобразователей является перемещение.

Однопредельный контактный преобразователь показан на рис. 2.3 и имеет одну пару контактов 4 и 5, замыкание которых происходит в функции измеряемого перемещения, например изменения размера изделия 1. При увеличении размера изделия шток 3 переместится в направляющих 2 и укрепленный на нем контакт 4 войдет в соприкосновение с контактом 5. При этом сопротивление между контактами 4 и 5 изменится от бесконечности до малого значения, определяемого значением контактного сопротивления.

Рис. 2.3

 

В измерительной технике в цепях коммутации широко применяются магнитоуправляемые контакты, называемые герконами. В стеклянном баллоне, имеющем диаметр около 3 мм и длину около 20 мм, помещаются контактные пластины. Переключаемые токи составляют 5×10^-6 … 0,5 А при напряжениях до 220 В.

Преобразователи контактного сопротивления основаны на изменении под действием давления сопротивления между проводящими элементами, разделенными слоями полупроводящего материала. Преобразователь может быть выполнен в виде столбика из ряда слоев электропроводящей бумаги, электропроводящей резины или металлических пластин, на которые путем напыления нанесен высокоомный резистивный слой. Преобразователи контактного сопротивления имеют большие погрешности гистерезиса и линейности (до 10%), но очень просты конструктивно, имеют высокую надежность и достаточную выходную мощность.

Реостатным преобразователем называют реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой неэлектрической величины.

Естественной входной величиной реостатных преобразователей является перемещение движка, а выходной величиной — сопротивление.

Потенциометрический преобразователь (потенциометр) предназ­начен для получения электрического напряжения, линейно или функ­ционально зависящего от перемещения токосъемного элемента (движ­ка о контакты). Очевидно, преобразовать можно любую физическую величину, которая вызывает перемещение движка потенциометра. Потенциометр представляет собой регулируемый делитель напряжения, выполненный на основе резистивного элемента.

На рис. 2.4,а упрощенно представлено электрическое и меха­ническое устройство потенциометра. На каркас 1 из изоляционного материала намотана с равномерным шагом проволока 2 с высоким удельным сопротивлением. Изоляция проволоки на верхней грани каркаса зачищается, и по металлу проволоки скользит токосъемный движок 3 (ползунок, щетка). Добавочная щетка 5 скользят по токосъемному кольцу 4. Обе щетки изолированы от приводного валика 6.

Рис. 2.4

 

Некоторые круговые потенци­ометры имеет встроенную шкалу угла поворота в градусах с увели­чением при повороте вправо.

Простейшая электрическая схема включения такого потенциометрического датчика приведена на рис. 2.5, где – напряжение питания; – выходное напряжение ( при ); – общее сопротивление потенциометра; – сопротивление об­мотки между общей для нагрузки и источника питания точкой А и общей для движка и нагрузки точкой С.

а) б)

Рис. 2.5

 

Если обозначить отно­шение длины обмотки от А до С к общей длине обмотки от А до В буквой X, то функция (уравнение) преобразования потенциомет­ра при имеет общий вид:

. (2.1)

По виду (2.1) потенциометры бывает линейными и функциональными (тригонометрическими, степенными, логарифмическими и др.). На рис. 2.4,а видно изменение сечения каркаса по его рабочей длине, что приводит к нелинейности (рис. 2.5,б).

Резистивные элементы потенциометров применяют проволочные, металлопленочные и из проводящей пластмассы (композиционные).

Проволочный элемент наиболее прочный и надежный. Но при переходе щетки с витка на виток напряжение изменяется скачкообразно, что оценивается разрешением (разрешающей способностью). Для про­волочных потенциометров типичное значение разрешения составляет около 0,05%. Скачкообразное изменение создает шумы. У прово­лочных потенциометров относительно больше сила трогания движка и меньше допустимая скорость перемещения движка, так как при повышенных скоростях щетка отскакивает от проволоки резистивного элемента. Разрешение металлопленочных и пластмассовых потен­циометров имеет значение порядка 0,002%. Для повышения прочнос­ти и надежности пластмассовые резистивные элементы армирует про­волочной обмоткой, тогда частота вращения щеткодержателя может достигать 1000 Гц.

Материал для щетки проволочного потенциометра выбирают в зависимости от значения контактного нажатия . При = 0,003...0,005 Н щетка представляет собой 2…3 проволоки платиноиридиевого, платино-никелевого или платино-палладиевого сплава. При =0,05...0,1 Н применяют пластинчатые щетки из серебра, сплава из серебра с палладием или из фосфористой бронзы. Для предотвращения нарушения контакта при эксплуатационных вибраци­ях проволоки щетки делают разной длины, а в пластинах – 2…3 надреза.

Пленочный резистивный элемент – это нанесенный на стекло тонкий слой (около 2...3 мкм) родия – металла с высоким удельным сопротив­лением. Изменением ширины пленочной полосы можно получить тре­буемый вид функции (2.1). Для пленочных потенциометров исполь­зуют металлокерамические щетки.

По форме, задающей траекторию движения щетки, каркасы под­разделяют на кольцевые, дуговые, пластинчатые, стержневые и многооборотные. Потенциометры с кольцевыми каркасами ис­пользуют либо для ограниченного упорами поворота движка на 300...358°, либо для кругового движения с циклическим повторе­нием одной и той же функции. Дуговые имеют угол поворота движка 40...90°, а пластинчатые – 15...40° при большой длине щеткодер­жателя. В стержневых потенциометрах перемещение движка прямоли­нейное, а в многооборотных - по спирали.

Каркасы изготовляют из пластмасс, керамики, а также из алюминиевых сплавов. Неметаллические материалы используют для каркасов потенциометров невысокой точности. Металлический кар­кас может быть изготовлен с высокой точностью, не подвержен ко­роблению при резких изменениях температуры, позволяет за счет лучшей теплопроводности повысить плотность тока в обмотке и, следовательно, увеличить чувствительность датчика. На поверх­ности металлических каркасов пленка с хорошими изоляционными и теплопроводящими свойствами может быть получена анодированием с последующей пропиткой лаком.

Обмотки закрепляют на каркасах специальными лаками. После затвердевания лака на обмотке зачищают контактную дорожку шири­ной в 2...3 ширины щетки. Для подсоединения к обмоткам выводных проводов используют пайку и сварку.

Корпуса некоторых потенциометрических датчиков, особенно с большой длиной щеткодержателя и работающих в условиях вибраций, делают герметичными и заполняют электрически непроводящими жид­костями (лигроином, минеральным маслом и др.). Эта смазка умень­шает трение и дает эффект демпфирования, что уменьшает погреш­ность от трения и износ щетки и обмотки. Жидкость улучшает теп­лопроводность.

Реостатные преобразователи выполняются как с проводом, намотанным на каркас, так и реохордного типа. Чаще всего используется провод из различных сплавов платины, обладающих повышенной коррозионной стойкостью и износостойкостью; применяется также манганин, константан и т.д. Микропровод позволяет выполнять миниатюрные преобразователи, имеющие габариты до 5х5 мм.

Формы каркасов очень разнообразны: они могут быть в виде пластины, цилиндра, кольца и т.д. Выбирая форму каркаса, можно получить определенную функциональную зависимость между перемещением и выходным сопротивлением, как показано в качестве примера на рис. 2.4,б. Выходное сопротивление реостатного преобразователя, периметр каркаса р и входное перемещение х связаны между собой зависимостью , где – сопротивление 1 м провода: – число витков на единицу длины преобразователя.

Реостатные преобразователи аналогично контактным являются ступенчатыми (дискретными) преобразователями (за исключением преобразователей реохордного типа), поскольку непрерывному изменению входной величины соответствует ступенчатое изменение сопротивления. При перемещении движка преобразователя на расстояние l, соответствующее виткам, будут иметь место 2 ступенек, однако эти ступеньки неодинаковы по длине преобразователя.

Дополнительное расширение полосы неопределенности происходит за счет шума, «генерируемого» движком при его движении. Поэтому в целом погрешность нуля реостатных преобразователей оценивается значением ±(2/ …1/ ).

Измерительные цепи, в которые включаются реостатные преобразователи, питаются преимущественно постоянным напряжением, но могут питаться и переменным напряжением. Напряжение питания преобразователя определяется его допустимой мощностью (для самых малогабаритных преобразователей допустимая мощность составляет не менее 0,1 Вт) и сопротивлением. Напряжение питания, как правило, стабилизируется. Наиболее распространенным является включение преобразователя в виде управляемого делителя напряжения или включение преобразователя в измерительный мост. Номинальное изменение сопротивления реостатного преобразователя достигает 90%, поэтому необходимо учитывать нелинейность, вносимую измерительной схемой, и, исходя из допустимой погрешности линейности, выбирать сопротивление измерительного прибора.