Потенциометрические датчики

 

В данных датчиках используется потенциометрический преобразователь перемещений. Его конструкция является унифицированной: при переходе от одного диапазона измерений к другому выбирается такая толщина мембраны, чтобы величина ее максимального прогиба не изменялась.

 

Рис. 5.9. Потенциометрический датчик давления

1 – потенциометр; 2 – щетка; 3 – вилка; 4 – щеткодержатель; 5 – ось поводка;

6 – поводок; 7 – возвратная пружина; 8 – качалка; 9 – шток; 10, 13 – основания;

11 – мембрана; 12 – штуцер

Измеряемое давление посредством мембраны преобразуется в перемещение её жесткого центра. Оно в свою очередь с помощью кинематической передачи вызывает перемещение щетки потенциометра и соответственно изменяется сопротивление.

Потенциометр, как преобразователь деформации в электрическое сопротивление, включается в мостовую схему или в схему потенциометрической дистанционной передачи. В измерительных схемах осуществляется компенсация температурной погрешности.

Рис. 5.10. Принципиальная схема манометра с потенциометрическим

преобразователем

Сигнал деформации мембраны используется для перемещения движка потенциометра. Потенциометр R1 R2 образует два плеча моста, а два другие плеча составлены из резисторов R3 и R4. В качестве указателя в манометре применяется логометр с неподвижными рамками и подвижным магнитом.

Недостатком потенциометрических датчиков является наличие скользящего контакта, снижающего надежность прибора. А также наличие межвитковой погрешности, вызванной контактом щетки и потенциометра. Максимальные погрешности этих датчиков не превышают ± 4 %.

5.3.Структурные и математические модели датчиков давления

 

В зависимости от способа измерения силы, развиваемой упругим элементом, различают два типа манометров: с прямым преобразованием силы в электрический сигнал и с силовой компенсацией (с уравновешиванием). Структурные схемы обоих типов манометров дают представление о математической модели приборов, т.е. отображают функцию преобразования.

Электромеханический манометр с прямым преобразованием силы в электрический сигнал состоит из датчика и электрической дистанционной передачи. Здесь все звенья соединяются последовательно. В качестве примера рассмотрим схему преобразования потенциометрического датчика (рис.5.12) и составим эквивалентную ей структурную схему.

 

Рис. 5.11. Структурная схема прямого преобразования

В первом звене измеряемое давление преобразуется в силу воздействующую на мембрану. Передаточная функция (ПФ) этого звена может быть аппроксимирована инерциальным звеном:

.

где S₁ – чувствительность и T₁ – постоянная времени.

Второе звено, преобразующее силу в деформацию мембраны, может быть описано ПФ колебательного звена:

,

где ω ₂ – собственная частота, определяемая жесткостью мембраны и её массой.

Передаточное звено, преобразующее деформацию мембраны в перемещение щетки потенциометра, характеризуется чувствительностью: .

Четвертое звено, преобразующее перемещение щетки потенциометра в изменение сопротивления, также безинерционное: . Аналогично для преобразователя изменения сопротивления в изменение напряжения:. .

Если пренебречь индуктивностью катушек логометра, то можно получить для преобразователя ΔU в отношение токов :

.

Преобразователь в угол перемещения стрелки можно описать ПФ колебательного звена:

.

Основным недостатком измерительных цепей прямого преобразования состоит в том, что погрешность прибора равна сумме погрешностей всех его звеньев.

Электромеханический манометр уравновешивающего преобразования основан на автоматическом уравновешивании силы, развиваемой неупругим или упругим ЧЭ, другой силой, формируемой с помощью обратного преобразователя, входной электрический сигнал которого служит мерой измеряемой величины (рис5.12).

Рис. 5.12. Структурная схема уравновешивающего преобразования

В приборах статического уравновешивания функция преобразования (ФП) ω₁(p) определяется уравнением

.

ФП ω₂(p) – ω₅(p), характеризующие соответственно формирование напряжения рассогласования Δ U, работу усилителя Δ U-U₂ и преобразование U₂ – I, где I – сила тока, протекающего через указатель и катушки моментного устройства, могут быть заменены чувствительностями S₂, S₃, S₄. Преобразование силы тока в моментном устройстве в силу можно описать ФП .

ПФ части прибора будет: ,

где .

Преимущество измерительных цепей статического уравновешивания состоит в том, что часть звеньев охвачена обратной связью, что способствует уменьшению погрешностей прямой цепи прибора.

В измерительной цепи астатического уравновешивания ФП ω₂(p) – ω₃(p) возьмем такими же, как и в предыдущем случае. В качестве уравновешивающего устройства в схеме применен реверсивный двигатель с ФП и редуктор . Двигатель через редуктор перемещает стрелки прибора. Таким образом, ФП манометра астатического уравновешивания будет:

, (5.15)

где .

Обладая преимуществами в отношении компенсации погрешностей в прямой цепи, приборы уравновешивания имеют ограниченное быстродействие и в них могут возникнуть неустойчивые режимы. Для устранения этих недостатков применяют корректирующие контуры, повышая тем самым запас устойчивости и увеличивая ширину полосы пропускания.