Резистивные преобразователи перемещения

Резистивные преобразователи перемещения

СОДЕРЖАНИЕ:

Стр.

Введение _{-------------------------------------------------------------------------------------------------------------} 3

I.Контактные преобразователи

1. принцип действия и основные типы контактных преобразователей_{--------------------------------------------------------} 4

2. требования к электрической цепи, область применения _{-------------------------------------------------------------------------} 6

II. Реостатные преобразователи

2.1 принцип действия _{-------------------------------------------------------------------------------} 8

2.2 классификация реостатных преобразователей по

конструктивным особенностям _{---------------------------------------------------} 9

2.3 функция преобразования _{------------------------------------------------------------------}11

2.4 чувствительность_{---------------------------------------------------------------------------------}13

2.5 точностные характеристики_{--------------------------------------------------------------}14

2.6 схемы включения в измерительную цепь_{------------------------------------} 15

2.7 эксплуатационные характеристики_{------------------------------------------------} 18

2.8 область применения_{-----------------------------------------------------------------------------} 18

Заключение_{-----------------------------------------------------------------------------------------------------------} 20

Контрольные вопросы_{--------------------------------------------------------------------------------------} 21

Список литературы_{--------------------------------------------------------------------------------------------} 22

ВВЕДЕНИЕ

Резистивные преобразователи перемещения составляют широкий класс измерительных преобразователей. В преобразователях данного типа измеряемая неэлектрическая величина (перемещение) преобразуется в электрическую (напряжение или ток) величину, которая затем может быть передана в измерительный тракт и представлена в форме, удобной для дальнейшей обработки, хранения, передачи и непосредственного восприятия человеком. Поэтому резистивные преобразователи перемещения широко применяются в технике в качестве промежуточных элементов измерительных и регулирующих устройств.

Электромеханические резистивные преобразователи перемещения представлены реостатными и контактными преобразователями. Если у контактных преобразователей выходной величиной является замкнутое или разомкнутое состояние контактов (т.е. выходная величина принимает только дискретные значения), то у реостатных преобразователей выходная величина непрерывна и представляет собой изменение сопротивления, пропорциональное перемещению движка.

Изменение сопротивления (при постоянстве всех остальных параметров электрической цепи) может быть однозначно преобразовано в изменение напряжения или тока. В этом заключается основной принцип действия электромеханических резистивных преобразователей перемещения.

В данной работе рассматриваются также способы включения рассматриваемых преобразователей в измерительную цепь, точностные характеристики, конструктивные особенности, эксплуатационные свойства и другие вопросы.

I. Контактные преобразователи

1.1 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ОСНОВНЫЕ ТИПЫ КОНТАКТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

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

Простейший контактный преобразователь является однопредельным и имеет одну пару контактов (рис.1- а), замыкание которых происходит в функции измеряемого перемещения, например изменения размера изделия 1. При увеличении размера изделия переместится шток 2, и укрепленный на нем контактирующий элемент 3 войдет в соприкосновение с контактом 4. При этом активное сопротивление между контактами 3 и 4 изменится от бесконечности до малой величины, определяемой значением контактного сопротивления.

При контроле размеров чаще всего используются двухпредельные контактные преобразователи с двумя парами контактов (рис.1- б). Встречаются конструкции многопредельных преобразователей с несколькими парами контактов (рис.1- в); контакты могут быть расположены как с обеих сторон контактирующего элемента, так и с одной его стороны.

Контактные преобразователи могут работать либо на замыкание (или размыкание) всей цепи, либо на замыкание (размыкание) участка цепи (рис.1- г).

Рис.1 Основные типы контактных преобразователей

Конструктивно измерительный шток закрепляют на плоских пружинах (рис.2- а) или помещают в цилиндрические направляющие (рис.2- б). С точки зрения точности работы преобразователя оба способа закрепления щитка равноценны, однако при применении цилиндрических направляющих требуется защита от загрязнения и создание дополнительного устройства, предотвращающего поворот щитка.

Рис.2 Способы крепления штока контактного преобразователя

Для повышения чувствительности преобразователя и облегчения настройки неподвижных контактов часто применяют рычажную передачу, увеличивающую перемещение контактирующего элемента по сравнению с перемещением штока преобразователя. Крепление рычага целесообразнее всего осуществлять на крестообразно расположенных плоских пружинах (рис.2- б). При таком креплении отсутствует сухое трение. Ось вращения рычага проходит по линии пересечения пружин.

Контакты в преобразователях обычно имеют сферическую поверхность (часто один из контактов – плоский). У подобных контактов контактная точка образуется близко к центральной точке сферической поверхности контакта и по мере износа превращается в небольшую площадку круглой формы.

Контакты являются наиболее ответственной частью преобразователя. Материал, конструкция и выполнение контактов, а также режим их работы, определяют как точность, так и надежность и стабильность работы преобразователя во времени.

Особенно опасен для контактов такой режим работы, при котором между контактами возникает электрическая дуга. Дуга может появиться при размыкании контактов или пробое (при их сближении), если ток и напряжение между контактами больше некоторых значений I₀ и U₀, определенных для каждого из контактных материалов. Например, для серебра и меди значения I₀ и U₀ равны примерно 0.4А и 13В соответственно, для платины и вольфрама 0.9А и 17В, а для сплава платины и иридия 0.74А и 20В. Если ток между контактами меньше тока I₀, то возникает искра. Для уменьшения мощности искры или дуги применяют цепи искропогашения, например, шунтируют контактный промежуток цепью из последовательно соединенных конденсатора и активного сопротивления (рис. 1- а).

В результате образования дуги (или искры) между контактами происходит износ контактов (эрозия). Однако эрозия возможна и при отсутствии дуги или искры. При весьма малых расстояниях между контактами (меньших длины свободного пробега электрона) между ними создается электрическое поле значительного градиента (при напряжении 10В и расстоянии между контактами 1мкм градиент поля равен 10000В/мм). Электроны, вырываемые из «катода» этим полем, бомбардируют «анод», разрыхляют его, вследствие чего ионы анода переносятся на катод; на катоде образуется выступ, а на аноде – углубление. При медленном размыкании контактов наблюдается возникновение металлических мостиков из материала анода.

Разрушение контактной поверхности может произойти также вследствие коррозии, т.е. образования оксидных, сульфидных и других пленок на контактах. В частности, образованию коррозии способствуют химические реагенты, выделяющиеся из некоторых изоляционных материалов. Так, при применении в конструкции преобразователя деталей из резины и эбонита, содержащих серу и сернистые соединения, происходит коррозия серебряных контактов. При применении деталей из текстолита и гетинакса, содержащих свободный фенол, возникает коррозия контактов из вольфрама. Поэтому следует критически относиться к выбору изоляционных материалов, используемых в преобразователе, отдавая предпочтение керамике.

Уменьшения влияния эрозии можно добиться соответствующим выбором материала контактов, расстояния между ними и электрических параметров цепи, замыкаемой контактами.

II. Реостатные преобразователи

2.1 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Реостатным преобразователем называют реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой неэлектрической величины. Естественной входной величиной реостатных преобразователей является перемещение движка, а выходной – сопротивление.

На рис. 4 показано устройство реостатного преобразователя.

На каркас 1 из изоляционного материала намотана с равномерным шагом проволока 2. Изоляция проволоки на верхней грани каркаса зачищается, и по металлу проволоки скользит щетка 3. Добавочная щетка 5 скользит по токосъемному кольцу 4. Обе щетки изолированы от приводного валика 6.

Рис. 4 Устройство реостатного преобразователя

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, фехраль. Микропровод позволяет выполнять миниатюрные преобразователи, имеющие габариты до 5х5 мм.

Каркас выполняется из керамических материалов, пластмассы, гетинакса, металлов (алюминий, дюраль), покрытых слоем лака или оксидной изоляцией. Каркас должен обладать большой теплоотдачей.

Обмотку выполняют из эмалированного или оксидированного провода с последующим покрытием лаком. Следует выбирать материалы проволоки и каркаса так, чтобы их температурные коэффициенты расширения отличались бы незначительно. В противном случае изменение температуры преобразователя может привести к распусканию обмотки или к появлению недопустимых напряжений.

Токосъемные щетки выполняют в виде проволок или лент из бронзы, платиноиридиевого сплава и других упругих материалов или в виде ролика. Последний ставят с некоторым перекосом для обеспечения небольшого скользящего трения и зачистки контактной дорожки.

В жидкостных реостатах подвижным элементом является ртуть.

2. 2 КЛАССИФИКАЦИЯ РЕОСТАТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПО КОНСТРУКТИВНЫМ ОСОБЕННОСТЯМ

Существует большое разнообразие конструкций реостатных преобразователей перемещения. Они могут быть проволочными и непроволочными. Проволочные отличаются высокой точностью преобразования и стабильностью функции преобразования. Их недостатки – низкая разрешающая способность, невысокое сопротивление (до десятков килоом). Указанные недостатки отсутствуют у непроволочных преобразователей, однако они значительно уступают проволочным по точностным характеристикам. Реостатные преобразователи делятся также на преобразователи с линейным и вращательным перемещением подвижного элемента.

Наиболее распространенными являются следующие конструкции реостатных преобразователей перемещения:

Многообходный преобразователь (рис. 5- а) состоит из кольцевого каркаса,

на который равномерно намотана обмотка. При вращении подвижного

контакта сопротивление возрастает от нуля до максимальной величины

(рис. 5- б). При прохождении контакта вне зоны обмотки сигнал отсутствует.

а) б)

зона нечувствительности

Рис. 5 Многообходный реостатный преобразователь:

а) конструкция; б) характеристика

Многооборотный преобразователь (рис. 6) обладает расширенным

диапазоном входных величин, достигающим 25-40 оборотов. На

алюминиевый спиралевидный каркас наматывается проволочная обмотка.

Щетка, совершая вращательное и поступательное движения, скользит по

поверхности провода. При равномерной намотке провода статическая

характеристика преобразователя имеет линейный характер.

щетка

Рис. 6 Многооборотный реостатный преобразователь

Функциональный преобразователь (рис. 7) обеспечивает реализацию

функциональной статической характеристики. Функциональные

преобразователи могут иметь профилированную высоту каркаса (рис. 7- а)

при постоянной ширине, либо они состоят из ряда сопротивлений (рис. 7- б).

шунтируемых при замыкании контактов подвижным контактом.

б)

а)

Рис.7 Функциональные преобразователи:

а) с переменной высотой каркаса; б) с шунтированными сопротивлениями

Выбирая форму каркаса, можно получить определенную функциональную зависимость между перемещением и выходным сопротивлением. Выходное сопротивление реостатного преобразователя, периметр каркаса p и входное перемещение x связаны между собой зависимостью:

(1)

r - сопротивление 1м провода

w₀ - число витков на единицу длины преобразователя

Из заданной зависимости R= j(x) можно определить зависимость R= f(x)

2.3 ФУНКЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

При перемещении подвижного элемента изменяется сопротивление преобразователя. Выходного сигнал преобразователя можно получать в виде напряжения или тока, как показано на рис.8

а) реостатный преобразователь б) реостатный преобразователь

перемещения в напряжение перемещения в ток

Рис. 8 Реостатные преобразователи перемещения

Статические характеристики реостатных преобразователей имеют следующий вид:

(2)

(3)

(4)

где:

R_S - полное сопротивление реостата

R_ab – сопротивление реостата, соответствующее перемещению движка на расстояние ab

W – число витков обмотки (обычно W составляет 100-200, а в прецизионных преобразователях – десятки тысяч)

d – диаметр провода обмотки

r - удельное сопротивление провода

h и s - высота и ширина каркаса

Xmax – максимально возможное перемещение подвижной части

Uсети - напряжение сети

На рис.9 показан вид статических характеристик реостатных преобразователей перемещения, а на рис. 10 приведены их структурные схемы.

а) б) в)

Рис. 9 Статические характеристики реостатных преобразователей

перемещения:

а) с выходным сопротивлением

б) с выходным напряжением

в) с выходной величиной тока

а)

X

Реостат

R_ab

б)

Реостат

Схема

X R U_вых

в)

Реостат

Схема

X R I _вых

Рис. 10 Структурные схемы реостатных преобразователей:

а) перемещения в сопротивление

б) перемещения в напряжение

в) перемещения в ток

2.4 ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ

Согласно формулам (2-4) чувствительность преобразователей можно увеличить за счет увеличения W, увеличения h и d, уменьшения d, использования проводов обмоток с большим удельным сопротивлением r.

Реостатные преобразователи аналогично контактным являются ступенчатыми (дискретными) преобразователями (за исключением преобразователей реохордного типа), поскольку непрерывному изменению входной величины соответствует ступенчатое изменение сопротивления.

Реальная статическая характеристика реостатных преобразователей имеет ступенчатый характер (рис.11). И поэтому при увеличении габаритов h и d происходит увеличение погрешности из-за ухудшения разрешающей способности, т.е. минимального значения входной величины, изменение которой вызывает изменение входной величины. Это обстоятельство вызывает погрешность квантования, уменьшающуюся при увеличении числа витков W преобразователя (при уменьшении диаметра обмотки d).При уменьшении диаметра провода обмотки d одновременно улучшается разрешающая способность преобразователя (рис.11- б), ступени при этом не заметны. Отсюда следует, что основные пути увеличения чувствительности:

уменьшение d и увеличение r.

а) б)

Рис. 11. Ступенчатые характеристики преобразователей:

а) с большим диаметром провода; б) с малым диаметром провода

2.5 ТОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Источники основной погрешности:

- загрязнение контактной пары щетка-провод и ее окисление;

- стирание контактной поверхности;

- гистерезис щетки преобразователя вследствие нежесткого ее крепления;

- температура внутреннего нагрева.

Источники дополнительной погрешности:

1) погрешность квантования (5)

2) влияние внешних магнитных полей на преобразователи с выходным током и напряжением, заключающееся в наведении дополнительной ЭДС в обмотке;

3) колебание частоты питающей сети;

4) колебание напряжения U_сети;

5) влажность воздуха;

6) изменение величины контактного сопротивления при изменении скорости перемещения подвижной части, которое может достигать значительных величин;

7) вибрация, которую уменьшают путем выполнения волосков щетки разной длины (это приводит к различным собственным частотам колебаний).

8) влияние внешней температуры на размеры h, d, d и удельное сопротивление r;

Суммарная погрешность, вызванная непостоянством параметров преобразователей составляет 0,05-0,1%. Температурная погрешность обычно не превышает 0,1% на 10 градусов.

2.6 СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ В ИЗМЕРИТЕЛЬНУЮ ЦЕПЬ

Измерительные цепи, в которые включаются реостатные преобразователи, обычно питаются постоянным напряжением, но могут питаться и переменным. Напряжение питания преобразователя определяется его допустимой мощностью (для самых малогабаритных преобразователей допустимая мощность составляет не менее 0.1Вт) 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.

На рис.12 приведены схемы наиболее типичных цепей приборов с реостатными преобразователями.

1) Ток, протекающий через указатель цепи, приведенной на рис.12- а, имеет выражение:

(6)

где

- отклонение движка, соответствующее текущему значению измеряемой величины;

- номинальное отклонение, при котором полностью отключается сопротивление линейного реостата

Если отклонение движка угловое, то вместо и следует соответственно подставить j и j_н. Как видно из приведенной зависимости, связь тока с отклонением движка нелинейна, поэтому цепь, приведенную на рис.12- а, применяют редко.

2) В цепи на рис. 12- б реостатный преобразователь включен делителем напряжения. Для напряжения U_j этой цепи имеем:

(7)

Наличие в знаменателе члена приводит к нелинейной зависимости выходного напряжения U_j от отклонения j. Однако при бесконечно большом значении сопротивления R₀ (например, при использовании указателя, включенного через усилитель) это член оказывается равным нулю связь между выходным напряжением U_{j k} и углом j становится линейной:

(8)

На практике чаще всего в качестве указателя применяют прибор с конечным значением сопротивления. Поэтому при измерении возникает погрешность g_нл от нелинейности.

3) Цепи, приведенные на рисунках12- в и 12- г, характеризуются такой же нелинейностью, как и цепь на рис.12- б, но позволяют при применении указателя с двусторонней шкалой измерять отклонение измеряемой величины в обе стороны от нуля.

В ряде случаев реостатный преобразователь образует два плеча (рис.12- г),

а сдвоенный преобразователь (рис.12- д) – четыре плеча моста. Нелинейность, обусловленная при этом мостовой цепью, как правило, невелика.

Как ток I, так и выходное напряжение при использовании схем, приведенных на рис. 12 -а, б и в зависят от постоянства напряжения источника питания. Это касается также и схем, приведенных на рис. 12- г и д, если отсчет производится по указателю, т.е. при работе мостов в неравновесном режиме.

4) Цепь, изображенная на рис.12- е с логометром в качестве указателя лишена этого недостатка, поскольку отклонение логометра, являющееся функцией отношения токов, а следовательно, и перемещения движка, в определенных пределах не зависит от напряжения U источника питания:

(9)

Зависимость токов I₁ и I ₂ от перемещения l в этой цепи нелинейна и аналогична зависимости для тока в цепи, показанной на рис.12- а. Однако, изменяя форму полюсных наконечников или сердечника измерительного механизма логометра, можно получить нужный вид зависимости

a = f ₁(I ₁/ I ₂), а, следовательно, и требуемый характер шкалы a = f(l) измерительного устройства в целом.

2.7 ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Достоинства реостатных преобразователей перемещения:

· отсутствие реактивных усилий на подвижную часть;

· высокая перегрузочная способность;

· высокий коэффициент эффективности;

· компактность;

· возможность применения на постоянном и переменном токе;

· удобство эксплуатации.

Недостатки реостатных преобразователей перемещения:

· засорение контактной дорожки;

· недостаточно высокая надежность из-за наличия скользящих контактов;

· пожароопасность.

2.8 ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Реостатные преобразователи перемещения применяются в качестве промежуточных элементов измерительных и регулирующих устройств. Так как многие неэлектрические величины могут быть преобразованы в перемещение (с помощью упругих механических элементов), то реостатные преобразователи перемещения широко используются в датчиках давления, силы, ускорения, расхода, уровня и т.п.

В качестве примера рассмотрим устройство реостатных уровнемеров, применяемых в автомобилях, самолетах и т.д. Уровнемер – потенциомер измерителя уровня масла или топлива в баках, преобразующий в электрический сигнал механическое перемещение поплавка при повышении или понижении уровня жидкости. Устройство датчика бензиномера изображено на рис.13- а. От поплавка 1, погружаемого в бак с бензином, идут тяги и рычаги 6 и 7 к движку 2 реостатного преобразователя 3. Для того, чтобы пары бензина не могли проникнуть в камеру реостатного преобразователя, рычаг, передающий перемещение поплавка к движку, проходит через гибкую металлическую гофрированную трубку (сильфон) 4; эластичный сильфон, герметизируя камеру, не препятствует качанию рычага. Преобразователь крепится к баку при помощи фланца 5.

Измерительная цепь бензиномера приведена на рис.13- б. Указателем является магнитоэлектрический логометр, обе рамки которого включены последовательно с сопротивлениями обеих половин реостатного преобразователя. При изменении положения движка, связанного с поплавком, токи в обеих рамках изменяются с различными знаками, вследствие чего изменяется отношение этих токов, а, следовательно, и отклонение стрелки указателя. Сопротивления r1 и r2 служат для регулировки прибора на заданный предел измерения. Шкала указателя градуирована в литрах.

Так как в самолете может быть несколько баков, то желательно иметь показания количества топлива в каждом из них отдельно, а также суммарного количества топлива во всех баках. При этом баки могут быть различного объема и различной формы. Поэтому и реостатные преобразователи должны быть выполнены различными по сопротивлению и по профилю, т.е. по характеру функции R = f (X), где X – перемещение движка от начального положения.

Погрешность прибора при использовании нескольких преобразователей с одним указателем достигает 5-10 % от номинального показания. При использовании логометра дополнительная погрешность при изменении напряжения питания на ±10% не превосходит 1-2% (в зависимости от величины отклонения стрелки), а погрешность от изменения окружающей температуры на ±10 градусов не превышает 0.5%.

Рис. 13 Датчик и схема электрического бензиномера

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В системах автоматики и информационно-измерительной техники ввиду относительной простоты в конструктивном исполнении, хороших точностных характеристик и удобства в эксплуатации целесообразно применять электромеханические резистивные преобразователи перемещения.

Представляется возможным дальнейшее развитие измерительных преобразователей данного типа по пути повышения точности (создания прецизионных устройств), миниатюризации, повышения надежности, снижения пожароопасности и расширения области применения.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1) В чем заключается основной принцип действия резистивных преобразователей перемещения?

2) Какие разновидности реостатных преобразователей существуют?

3) В чем заключается различие между контактными и реостатными преобразователями?

4) Чем обусловлены погрешности резистивных преобразователей перемещения?

5) Перечислите основные пути повышения точности реостатных преобразователей перемещения.

6) Какие существуют способы включения реостатных преобразователей в измерительную цепь?

7) В каких областях применяются реостатные преобразователи перемещения?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Туричин А.М. Электрические измерения неэлектрических величин: М.-Л.: Энергия, 1966,690 стр.

2. Левшина Е.С., Новицкий П. В. Электрические измерения физических величин: Л.:Энергоатомиздат,1983, 320стр.

3. Зарипов М. Ф., Ураксеев М. А. Электрические измерения электрических и неэлектрических величин: Уфа, 1974,236стр.

4. Зарипов М. Ф., Ураксеев М. А. Функциональные преобразователи перемещения: М.: Машиностроение, 1976,133стр.

5. Спектор С. А. Электрические измерения физических величин:

Л.:Энергоатомиздат,1987, 230стр.

6. Белевцев А. Т. Потенциометры. М.: Машиностроение, 1969,328стр.

Дата добавления: 2015-08-29