Датчики и измерительные устройства на потенциометрах

Потенциометрические датчики отличаются простотой конструкции, малой мощностью потребляемой энергии, минимальными размерами и весом, удобством в эксплуатации. Осуществляют преобразование угловых или линейных перемещений выходных звеньев кинематических целей в электрический сигнал постоянного или переменного тока.

Для локальных систем обычно применяют проволочные потенциометрические датчики угла поворота типа ПД и ПП. Последние отличаются от потенциометра типа ПД наличием концевых выключателей. Рабочий угол поворота датчиков составляет 350º: j_р = 350º.

Для локальных систем с расширенным диапазоном работы (более 350º) применяют круговые потенциометры типа ПК2 (двухщеточные) или ПК3 (трехщеточные) с рабочим углом до 7200º.

Схема потенциометрического датчика управляемой величины показана на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1

Входной величиной датчика является угол поворота нагрузки , например, регулирующего органа объекта управления, а выходной величиной – напряжение u_Д, снимаемое со щетки токосъемного элемента. Реостат потенциометра, имеющий полное сопротивление R, запитывается от двух источников питания напряжением +u_П и –u_П, соединенных в точке «0». Максимальный угол перемещения щетки относительно середины потенциометра равен половине рабочего угла

В режиме холостого хода (R_н= ∞) выходное напряжение датчика

, (2.2)

где q_n – передаточное число повышающего редуктора.

Преобразуя правую часть формулы (2.2), получим

. (2.3)

В этом выражении сомножитель называют коэффициентом передачи (чувствительностью) датчика и обозначают буквой K_Д:

. (2.4)

Видно, что при q_п >1редуктор повышает чувствительность потенциометрического датчика.

Статическая характеристика (2.3) линейная при работе датчика в режиме холостого хода (R_н = ∞). Подключение сопротивления нагрузки R_н, соизмеримого с сопротивлением реостата потенциометра R,нарушает линейность из-за шунтирующего действия. Однако при отклонение от линейности не превышает значения 0,025 %, и характеристику можно считать линейной.

Схема измерительного устройства на потенциометрах со средней точкой «0» показана на рисунке 2.2, где RC – потенциометр-датчик; RE – потенциометр-приемник; DA1 – усилитель-сумматор.

Движки токосъемных элементов потенциометров кинематически связаны с задающей осью j_вх(t) и осью j_н(t) исполнительного устройства локальной системы. Снимаемые с потенциометров сигналы в виде медленных изменений напряжений U₁ и U₂постоянного тока поступают на вход усилителя-сумматора. На выходе усилителя напряжение u_δ(t) пропорционально рассогласованию углового положения задающей j_вх(t) и исполнительной j_н(t) осей

. (2.5)

Рисунок 2.2

Измерительное устройство применяют в маломощных системах слежения за изменением угла j_вх(t), например, под воздействием медленных периодических возмущений. Возможную погрешность устройства оценивают по формуле для средней квадратической ошибки:

(2.6)

где d_RC и d_RE – пределы допустимой погрешности потенциометров датчика
и приемника соответственно.

В локальных системах обычно применяют потенциометры второго класса точности, для которых d_RC = d_RE = 0,5 угловых градуса и редуктор, погрешность которого выбирают из ряда значений d_р = 3…5 угловых минут.

В некоторых системах измерительное устройство осуществляют по схеме, показанной на рисунке 2.3, где U_вх – сигнал управления на входе локальной системы, сформированный на предыдущем, старшем по рангу уровне управления:

Измерительное устройство обладает меньшей погрешностью

(2.7)

Рисунок 2.3

На рисунке 2.4 приведена принципиальная схема измерительного устройства, которая нашла применение в ряде промышленных систем стабилизации и регулирования параметров технологического процесса, например уровня жидкости в резервуаре.

Рисунок 2.4

При изменении уровня воды чувствительный элемент датчика (на рисунке не показан) поворачивает валик на угол j_н(t), который перемещает движок потенциометра RE относительно заданного углового положения j_з движка в потенциометре RC. Таким образом, измерительное устройство измеряет относительное рассогласование δ(t) = j_з(t) – j_н(t).

Основные характеристики устройства:

– коэффициент передачи (чувствительность)

; (2.8)

– средняя квадратическая погрешность

; (2.9)

– напряжение на выходе устройства

. (2.10)

Из сопоставления уравнений (2.5) и (2.10) следует, что независимо от схемы реализации измерительного устройства их структурные схемы имеют один и тот же вид, показанный на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5

Друг от друга отличаются только коэффициентом преобразования К_Д и значением погрешности d, которые подлежат расчету.

Пример. Считаем, что для заданных условий работы локальной системы выбран вариант измерительного устройства, принципиальная схема которого изображена на рисунке 2.3, и однооборотный потенциометр RE второго класса точности с характеристиками: сопротивление реостата R = 1,6 кОм; мощность рассеивания Р = 1 Вт. Максимальный угол поворота исполнительной оси .

Расчет

– передаточное число повышающего редуктора

,

принимаем q_п = 5;

– напряжение питания

В;

– коэффициент преобразования

В/град

или В/рад;

– возможная погрешность измерительного устройства при d_RE = 30 угловых минут и погрешности редуктора d_р=1,5 угловых минут.

угловых минут.