4.2. Перетворювачі потенціометрів

Перетворювачі потенціометрів служать для перетворення кутового або лінійного переміщень в електричний сигнал. Найбільше застосування знайшли дротяні перетворювачі потенціометрів з безперервним намотуванням. Перетворювач (мал. 4.6) має каркас 1, виконаний з листового ізоляційного матеріалу. На каркас в один шар намотується ізольований дріт 5. У перетворювачах часто застосовується дріт з манганіну, ніхрому або фехралю. У відповідальних випадках використовується дріт з різних сплавів платини, вододіючих високою зносостійкістю і підвищеною корозійною стійкістю.

По очищеній від ізоляції контактній доріжці обмотки переміщається движок 4, виконаний у вигляді пружної пластини з срібла або фосфорної бронзи, або у вигляді двох-трьох проволікав з платини. Движок сполучений щіткою 3 з струмознімальним кільцем 2.

На мал. 4.7 показана схема простого перетворювача. Вхідною величиною перетворювача є лінійне або кутове переміщення движка відносно початку обмотки потенціометра. Вихідна напруга в режимі холостого ходу (R_H=∞)

де U — напруга живлення перетворювача; R — повний опір перетворювача; Rx — опір, відповідний переміщенню х движка.

П ри рівномірному намотуванні Rx/R = х/1 (l — довжина обмотки перетворювача), тому

( 4.2)

д е до — коефіцієнт передачі.

Позначивши через х* = х/l відносне значення вхідного сигналу, одержимо інший вираз для вихідної напруги:

При включенні навантаження відбувається спотворення форми статичної характеристики перетворювача. Із зростанням навантаження (зменшенням R_H) зменшується значення вихідної напруги.

Відповідно до теореми про еквівалентний генератор у разі чисто активного навантаження можна написати

де Iн — значення струму навантаження; R_BH — опір між крапками а і b з боку навантаження при закороченому джерелі живлення (внутрішній опір перетворювача):

Rab, Rbc — опір ділянок потенціометра ab і bc відповідно.

Вихідна напруга перетворювача

(4.3)

где α_H = R/R_H — коефіцієнт навантаження.

З (4.3) видно, що з урахуванням впливу навантаження статична характеристика лінійного перетворювача є нелінійною.

На рис. 4.8 показана характеристика перетворювача при різних значеннях коефіцієнта навантаження. Як випливає з (4.3), при α_Н→0 відхилення статичної характеристики перетворювача від лінійної залежності прагне до нуля. Тому для зменшення впливу навантаження вибирають коефіцієнт навантаження α_Н = 0,01 — 0,1, тобто забезпечують співвідношення Rн = (10 – 100)R. Зменшення опору перетворювача R в порівнянні з опором навантаження призводить до зростання потужності, споживаної перетворювачем.

Рис. 4.9. Реальна статична характеристика потенціометричного перетворювача

Статична характеристика реальних перетворювачів потенціометрів має ступінчастий характер. При переміщенні движка перетворювача він послідовно переходить з одного витка дроту на іншій. Оскільки опір витка має кінцеве значення, те переміщення движка викликає стрибкоподібну зміну вихідної напруги (рис. 4.9). Помилка ступінчастості ΔU залежить від прикладеної напруги і числа витків w обмотки перетворювача:

Якщо за ідеальну характеристику прийняти пряму, що проходить через середини сходинок, то помилку ступінчастості слід визначати з виразу

Для зменшення помилки ступінчастості збільшують число витків до 1—2 тис., зменшуючи діаметр дроту до 0,03 мм. Зона нечутливості перетворювача визначається кроком намотування дроту

Переміщення движка в межах зони нечутливості не призводить до зміни вихідної напруги.

Розглянутий перетворювач дозволяє вимірювати переміщення лише одного знаку. На мал. 4.10, а показана схема простого реверсивного перетворювача потенціометра. Такий перетворювач має відведення від середньої точки обмотки, від якої походить відлік переміщення движка.

Рис 4. 10. Схеми (а, б) і характеристики (в) реверсивного потенціометричного

перетворювача

У режимі холостого ходу вихідна напруга визначається виразом (4.2), в якому л: змінюється в межах –l/2 < х < l/2.

При зміні напряму переміщення движка від середньої точки обмотки походить зміна знаку вихідної напруги.

На рис.4.10,б показана мостова схема реверсивного перетворювача, що складається з двох нереверсивних.

Вихідний сигнал перетворювача знімається між двома движками, які одночасно переміщаються в різні боки від середніх крапок.

Чутливість мостового перетворювача в два рази більше (пряма 2, рис.4.10, в), чутливості простого реверсивного перетворювача (пряма 1).

Перетворювачі потенціометрів можуть харчуватися і від джерела змінного струму. Динамічні характеристики перетворювача залежать від роду навантаження. Якщо навантаженням є активний опір, то перетворювач є безінерційною ланкою. При комплексному опорі навантаження тип ланки, до якого відноситься перетворювач, залежить від характеру навантаження.

Достоїнствами перетворювача потенціометра є малі маса і габарити, порівняльна простота конструкції, можливість живлення від джерела як постійного, так і змінного струму. Основний недолік — наявність ковзаючого контакту, який обумовлює низьку надійність перетворювача. Недоліком є також сильний вплив навантаження.

Перетворювачі потенціометрів знайшли застосування в датчиках тиску, авторульових, підрулюючих пристроях.