Погрешности и принципы их уменьшения

 

В технической литературе [1-6 и др.] особое внимание уделено погрешности, возникающей из-за перехода щетки с витка на виток обмотки. Эту погрешность оценивают разрешением или называют погрешностью дискретности (ступенчатости, витковой). Интересно, что в нескольких книгах [1-3] приведенное значение этой погрешности оценивается выражением

, (2.2)

где – число витков.

Существенной может быть погрешность из-за трения, главным источником которой является смещение щетки от нужного положения из-за трения между щеткой и обмоткой. Это тоже должно быть уч­тено при проектировании потенциометра.

Пользователь учитывает приведенные в технической документа­ции значения погрешностей при выборе типа потенциометра. От поль­зователя зависят две практически наиболее существенные составля­ющие погрешности: погрешность из-за допуска на напряжение питания и погрешность из-за изменяющегося выходного сопротивления потенциометра при существенной электрической нагрузке датчика. Представляется понятным, что изменение прямо пере­ходит в изменение . Погрешность в настоящее время мож­но уменьшить до ±0,1%, а погрешность из-за нагрузки потенцио­метра и принципы её уменьшения рассмотрим подробнее.

Чтобы оценить значение погрешности потенциометрического датчика независимо от нелинейности функции преобразования, выходное напряжение ненагруженного (при ) потенциомет­ра записывают в виде

, (2.3)

где β – относительное значение сопротивления, с которого сни­мается . С учетом нагрузки имеем делитель напряжения с верхним плечом и нижним , у которого выходное напряжение

. (2.4)

В технической литературе [3]и др. принято оценивать нагруженность потенциометра коэффициентом нагрузки

. (2.5)

Интересно, что в книгах [I, 2], изданных ранее, коэффициентом нагрузки потенциометра названо отношение . Авторы нас­тоящего лабораторного практикума считают правильным использова­ние выражения (2.5). Тогда по (2.4) имеем

. (2.6)

приведенная погрешность потенциометрического датчика из-за под­ключения электрической нагрузки определяется и по (2.6) и (2.3) представляется выражением

. (2.7)

При и с учетом выражение (2.7) мож­но с небольшой погрешностью упростить, приняв . Тогда математическое нахождение максимума погрешности | | че­рез ее производную дает в точке этого максимума значения и . Из этого следует, что при общем сопротивлении обмотки кОм, чтобы значение | | не превышало 1,5%, требуется 10 кОм, а для | | 0, 15% нужно 100 кОм. Значение >100 кОм можно получить применением интегрального операционного усилителя. Это показы­вает, что потенциометрический датчик не такой уж мощный источник сигнала, чтобы к нему можно было непосредственно подклинить электрический двигатель.

В технической литературе [1, 3] предлагается несколько практических способов уменьшения нагрузочной погрешности | |. При известном постоянном сопротивлении можно учесть его влияние на специально введенной нелинейностью при проектирова­нии потенциометра, но это лишает потенциометр универсальности. Еще предлагается, чтобы потребитель сам формировал номинальную функцию преобразования с подключением к потенциометру последова­тельно добавочного сопротивления или параллельно части обмотки шунтирующего сопротивления, что уменьшает | | в несколько раз.

Последовательное подключение постоянного добавочного сопро­тивления около 0,1 уменьшает рабочий диапазон то­же на 0,1 , где значение крутизны наиболее пре­вышает наклон прямой . Пользователь определя­ет значение в зависимости от допустимого значения нагру­зочной погрешности и результирующую рабочую аппроксимирующую прямую относительно которой погрешность принимает равные по модулю отрицательное и положительное значе­ния. Очевидны недостатки такого способа уменьшения | |: но­минальная функция преобразования отличается от (2.3), т.е. , добавление прецизионного резистора . У некоторых потенциометрических датчиков движок из-за упора не доходит до края обмотки. Тогда резистор не нужен, но увеличены размеры и расходы материалов на сам датчик.

Подключение шунтирующего резистора между шиной и определенной точкой обмотки потенциометра смещает значение этой точки в сторону , т.е. образует выпуклость характеристики , противоположную действию . Пользователь определяет такое значение , при котором погрешность принимает равны по модулю положительное и отрицательное значе­ния при номинальной функции преобразования (2.3). Сохранение но­минальной функции (2.3) – достоинство этого способа уменьшения | |. Необходимость дополнительного вывода от обмотки (наиболее эффективно в точке = 0,74) и использование резистора является недостатками. К точности сопротивления предъявля­ется требования на порядок ниже, чем к .

 

3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

 

Схема лабораторной установки для экспериментального иссле­дования потенциометрического датчика типа ДПР-23 (R = 680 Ом) приведена на рис. 3.1, где FU – плавкий предохранитель; SА – выключатель питания от сети 220 В 50 Гц; А – вторичный стабили­зированный источник постоянного напряжения 27 В ± 0,1%; – шунтирующий половину обмотки потенциометра резистор; R - ис­следуемый датчик; – нагрузочный резистор.

Рис. 3.1

Макетирование различных включений датчика осуществляется внешней шнуровой коммутацией. Перемещение движка задается вруч­ную по закрепленной возле датчика линейке. Для измерений выходного напряжения датчика к клеммам «U_H» подключается цифровой вольтметр с верхними пределами измерения 10 и 100 В, входным сопротивлением не менее 10 МОм и погрешностью не более ±(0,05+0,05 U_K / U_П)%, где U_K – предел изме­рения, а U_П – показание вольтметра.

 

4. ПРОГРАММА ЭКСПЕРИментальных И ИССЛЕДОВАНИЙ

 

1. Включить преобразователь по схеме рис. 2.1,б без нагрузки .Измерить значения выходного напряжения , при установках щеток в крайние и среднее положения на обмотке потенциометра. По отношениям значений и соответствующих знамений перемещения X сделать заключение о линейности функции преобразования.

2. Включить преобразователь по схеме рис. 2.2 без нагрузки . Измерить со знаками полярности выходное напряжение при ус­тановке щеток в крайние и среднее положения на обмотке потенци­ометра. По результатам сделать заключение о двухтактном функци­онировании преобразователя.

3. Включить преобразователь по схеме рис. 2.1,б с нагрузкой . Измерить выходное напряжение при значениях относительного перемещения X от 0 до 6 через 0,5 см. Для всех этих точек рассчитать экспериментальные значения нагрузочной погрешности со знаком относительно номинальной функции преобразования . Результаты оформить в виде таблицы. Построить график = f (х)и отметить на кем точку максимума | |.

4. Подключить к выводу от средней точки обмотки потенцио­метра шунтирующий резистор . Выполнить измерения, расчеты, таблицу и график по п.3 для нагрузочной погрешности .

 

Задания для самоконтроля

 

1. Поясните электрическое и механическое устройство потенциометрических датчиков по рис. 2.1 и препарированному датчику типа ДПР-23, размещенному в лабораторной установке.

2. Назовите классификационное разделение резистивных элемен­тов потенциометров, а также их основные конструктивные и электри­ческие свойства и параметры.

3. Назовите и поясните классификационное разделение карка­сов потенциометров, а также их материалы и свойства.

4. Поясните цели заполнения корпусов потенциометрических датчиков жидкостями.

5. Назовите схемы включения потенциометрических датчиков и их назначения.

6. Назовите достоинства и недостатки потенциометрических датчиков по данным стандартного датчика.

7. Перечислите погрешности потенциометрических датчиков и поясните причины их возникновения.

8. Пояснит результирующие оценки погрешности с упрощением формулы (2.7).

9. Поясните по схеме и графикам уменьшение нагрузочной по­грешности подключением к обмотке потенциометра шунтирующего резистора .

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Элементы приборных устройств: Учеб. пособие. Т.1 / Под ред. О.Ф.Тюценко. М.: Высш. шк., 1978. 328 с.

2. Асс Б.А. и др. Детали авиационных приборов. М.: Машиностроение, 1979. 232 с.

3. Измерение электрических и неэлектрических вели­чин: Учеб. пособие Под общ. ред. Н.Н.Евтихиева. М.: Энергоатомиздат, 1990. 352 с.

4. Измерения в промышленности: Справ, изд. Кн.1. Пер. с нем. / Под ред. П. Профоса. М.: Металлургия, 1990. 492 с.

5. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений Пер. с англ. М.: Мир, 1990. 535 с.

6, Левшина Б.С., Новицкий П.В. Электричес­кие измерения физических величин (Измерительные преобразователи): Учеб. пособие. Л.: Энергоатомиздат, 1983. 320 с.