Оглавление 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Преобразователь. Введение.

 

    Измерительный преобразователь, средство измерений, преобразующее измеряемую физическую величину в сигнал для последующей  передачи, обработки или регистрации. В отличие от измерительного прибора, сигнал на выходе измерительного преобразователя (выходная величина) не поддаётся непосредственному восприятию наблюдателя. Обязательное условие измерительного преобразования - сохранение в выходной величине измерительного преобразователя информации о количественном значении измеряемой величины. Измерительное преобразование - единственный способ построения любых измерительных устройств. Отличие измерительного преобразователя. от других видов преобразователей - способность осуществлять преобразования с установленной точностью. Измерительное преобразование одного и того же вида (например, температуры в механическое перемещение) может осуществляться различными измерительными преобразователями (ртутным термометром, биметаллическим элементом, термопарой с милливольтметром и т. п.). Концепция представления измерительных устройств как устройств, осуществляющих ряд последовательных преобразований от восприятия измеряемой величины до получения результата измерения, первоначально была выдвинута в СССР М. Л. Цукерманом и окончательно сформулирована применительно к измерению неэлектрических величин Ф. Е. Темниковым и Р. Р. Харченко в 1948. В 60-х гг. эта концепция стала общепризнанной во всех областях измерительной техники, приборостроения и метрологии.

      Принцип действия измерительных  преобразователей может быть основан на использовании практически любых физических явлений.

    Конструктивное объединение нескольких преобразователей является также измерительным преобразователем. Примерами такого объединения могут служить: датчик - совокупность и. п., вынесенных на объект измерения; так называемый промежуточный и. п. - совокупность и. п., преобразующих выходные сигналы датчиков в другие сигналы, более удобные для передачи, обработки или регистрации. По структуре составные и. п. подразделяют на и. п. прямого преобразования и уравновешивающего преобразования. Первые характеризуются тем, что все преобразования величин производятся только в одном (прямом от входной величины к выходной) направлении. В этом случае результирующая погрешность определяется суммой погрешностей (с учётом их корреляционных связей) всех составляющих и. п. Для вторых характерно применение обратного преобразования выходной величины в однородную с входной и уравновешивающую её величину. Результирующая погрешность при этом определяется лишь погрешностью обратного преобразования и степенью неуравновешенности. и. п. уравновешивания подразделяются на следящие преобразователи с обратной связью, статическим или астатическим уравновешиванием и преобразователи с программным уравновешиванием. Следящие и. п. с обратной связью обеспечивают непрерывность преобразования во времени; их недостаток - опасность потери устойчивости, проявляющейся в возникновении автоколебаний при увеличении глубины обратной связи. И. п. с программным уравновешиванием свободны от этого недостатка, но их особенностью является прерывность выходной величины, т. е. появление выходной величины лишь в отдельные дискретные моменты времени.

Резисторные преобразователи

 

    Резисторные преобразователи предназначены для измерения перемещений и сил. Принцип действия резисторных преобразователей основан на изменении электрического сопротивления при изменении длины L, сечения S или удельного сопротивления ρ резистора, так как в общем случае R = ρL/S.

    В потенциометрических преобразователях изменение сопротивления происходит за счет изменения длины проводника, в тензорезисторах меняются три величины L, S и ρ, а в терморезисторах и магниторезисторах меняется удельное сопротивление ρ при изменении соответственно температуры или магнитного поля. Потенциометрические преобразователи предназначены для измерения угловых или линейных перемещений. Они представляют собой переменный резистор, подвижный контакт которого перемещается. Величина сопротивления переменного резистора зависит от положения подвижного токосъемного контакта.

Потенциометрические преобразователи

 

    Потенциометрические преобразователи служат для преобразования механических перемещений в соответствующие изменения напряжения или тока.

    Широкое применение получили проволочные потенциометрические преобразователи непрерывной намотки. Такой преобразователь состоит из каркаса, обмотки и подвижного токосъемного контакта обычно в виде щетки, скользящей по виткам провода,  очищенного в месте контактирования от изоляции. Каркас выполняется из изоляционного материала или металла, покрытого слоем изоляции. По форме каркасы изготавливают плоскими, цилиндрическими или кольцевыми. Для обмоточного провода                                                                                                                                                                                                                                                                                                            

    Рис. 11.1. Кольцевой потенциометрический . 11.2. Принципиальная схема потенциометрического

    преобразователь                                                 преобразователя

пользуются  сплавы с высоким удельным сопротивлением: манганин, константан, нихром. Если требуется повышенная износостойкость или контактные давления щетки по техническим условиям невелики, то применяют сплавы из благородных металлов: платины с иридием, платины с палладием и др. Намотку провода на каркас производят с некоторым механическим натяжением, зависящим от материала и диаметра провода.

    Выходная  характеристика потенциометрического преобразователя может быть линейной или нелинейной. При воспроизведении заданной нелинейной функции сопротивление потенциометра, работающего без нагрузки, должно изменяться по соответствующему нелинейному закону. Это достигается различными способами: изготовлением неоднородной намотки, намоткой на фигурный каркас и т. п.

    На  рис. 11.1 изображен кольцевой потенциометрический преобразователь. На каркасе, выполненном из изоляционного материала, размещена обмотка 7. По очищенной от изоляции гладкой кромке провода перемещается контакт 6 щетки 4, приводимой во вращение осью 5. Питающее напряжение U подается на зажимы потенциометра, к которым подсоединены концы обмотки, а выходное напряжение снимается между одним из этих зажимов и контактом 3, соединенным с токосъемным кольцом 2. При равномерной намотке в режиме без нагрузки выходное напряжение преобразователя пропорционально углу поворота щетки.

    Принципиальная  схема преобразователя приведена на рис. 11.2.

    К зажимам Н и К ненагруженного потенциометра прикладывается постоянное или переменное напряжение U. При этом сопротивление потенциометра между зажимом Н и щеткой Щ изменяется по закону

                                  

    где - сопротивление участка х; - длина потенциометра; R - полное сопротивление потенциометра.

    Выходное  напряжение снимается с части потенциометра Rх и зависит от перемещения щетки. Таким образом осуществляется преобразование механического перемещения в напряжение.            Рис. 11.3. Характеристики управления

                                                                                                  потенциометрического преобразователя

    При смещении щетки вправо от точки Н  на величину х выходное напряжение преобразователя в режиме холостого хода:

                                                          

    (11.1)

    Характеристика  управления в этом режиме линейная (рис. 11.3).

    В нагрузочном режиме характеристика управления становится нелинейной. Выходное напряжение преобразователя:

                                                   (11.2)

    где Iн - ток, протекающий через нагрузочное сопротивление.

    В соответствии с теоремой об эквивалентном  генераторе в случае чисто активной нагрузки

                                                       

                                    (11.3)

    Здесь Rэкв - эквивалентное сопротивление схемы (сопротивление между точками Н и Щ со стороны нагрузки при закороченном источнике питания);

    

    Подставляя  (11.1) и (11.3) в (11.2), находим выходное напряжение в нагрузочном режиме

    При х = 0 имеем Rx = 0; Uвых = 0; при  x = l имеем Rx=R; Uвых = U

    Чем меньше , тем больше нелинейность характеристики управления.

    Для уменьшения влияния нагрузки выбирают нагрузочное сопротивление в соотношении  

    

    Характеристика  управления реальных потенциометрических преобразователей имеет ступенчатый характер, так как перемещение щетки с одного витка провода на другой вызывает скачкообразное изменение выходного напряжения. Ошибка, вызываемая ступенчатостью характеристики, составляет

    

    где ω - полное число витков потенциометра. Для уменьшения ошибки ступенчатости увеличивают число витков, уменьшая при этом диаметр провода. Однако с увеличением числа витков резко растет сопротивление потенциометра, что приводит к увеличению нелинейности характеристики управления.

    

    Рис. 11.4. Схема (а) и характеристика управления (б) реверсивного потенциомнтрического преобразователя 

    Рассмотренный преобразователь позволяет измерить перемещение только одного знака. На рис. 11.4, а показана схема реверсивного потенциометрического преобразователя. Такой преобразователь имеет отвод от средней точки обмотки, от которой происходит отсчет перемещения щетки. При изменении направления перемещения щетки от средней точки обмотки происходит изменение знака выходного напряжения. На рис. 11.4 положительным считается измеренное от щетки к центру потенциометра. Если щетка Щ находится выше центра, то Uвых > 0 , если ниже центра, то Uвых < 0.

      Характеристика управления преобразователя в режиме холостого хода (ZH = ∞) приведена на рис. 11.4, б. В этом режиме характеристика линейная. Знак выходного напряжения зависит от координаты х.

    Динамические  характеристики потенциометрических  преобразователей зависят от рода нагрузки. Если нагрузкой является активное сопротивление, то преобразователь представляет собой безынерционное звено.   

Заключение

 

    Достоинствами потенциометрических преобразователей являются малые масса и габариты, сравнительная простота конструкции, возможность питания от источников как постоянного, так и переменного тока. Основной недостаток - наличие скользящего контакта, который обусловливает низкую надежность преобразователя. Недостатком является также сильное влияние нагрузки на линейность характеристики управления.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  литературы

1. Электромеханические аппараты автоматики: Учеб. для вузов  по спец. «Электрич. аппараты»
2. А. М., Новицкий П. В. и др. «Электрические измерения неэлектрических величин»
3. Интернет