книги из ГПНТБ / Основы вычислительной техники учебник

Выходная величина потенциометра снимается с контакта движка в виде напряжения постоянного тока ивых. Таким обра­ зом, потенциометр является преобразователем угла поворота ср в напряжение «вых.

В общем случае для потенциометра справедливо соотноше­

ние

применен для воспроизведения функции одной переменной вида

где х, z — математические переменные.

Значение аргумента х вводится в виде угла поворота движка потенциометра ср, а значение функции z снимается в виде напря­

Другое важное применение прецизионных потенциометров — выполнение вычислительных операций умножения, деления и суммирования. В этом случае машинной переменной является также и входное напряжение, величина которого в определен­ ном масштабе воспроизводит значения соответствующей матема­ тической переменной.

От прецизионных потенциометров, применяемых в вычисли­ тельных устройствах, требуется высокая точность, плавное изме­ нение выходного напряжения, высокая надежность при нормаль­

60

ных й сложных условиях эксплуатаций, малый момент трогания и большой срок службы.

Потенциометры аналоговых вычислительных устройств клас­ сифицируются по следующим основным признакам:

—конструктивному выполнению;

—виду зависимости выходного напряжения от перемещения движка;

—точности изготовления.

По конструктивному выполнению прецизионные потенциомет­ ры делятся на однооборотные (кольцевые), многооборотные (спиральные), плоские и секционированные (ламельные).

По виду зависимости выходного напряжения от перемещения движка различают линейные и функциональные потенциометры. Если выходное напряжение прямо пропорционально углу пово­ рота движка, то потенциометр называется линейным. Все потен­ циометры, у которых указанная зависимость отличается от линей­ ной, относятся к функциональным потенциометрам.

Резистивный элемент линейного потенциометра имеет каркас неизменного профиля и намотку на нем с постоянным шагом.

Функциональные потенциометры могут быть изготовлены следующими способами:

—изменением шага намотки при неизменной форме профиля каркаса;

—изменением профиля каркаса при постоянном шаге намот­

ки ;

—специальной формой траектории перемещения движка;

—шунтированием отдельных участков многоотводного ли­

нейного потенциометра (электрическое профилирование). Важной характеристикой прецизионного потенциометра явля­

ется его точность. Она определяется величиной относительной по­ грешности

lArJ

Ъгх = —q—100%,

,п

где Дгх — разность между расчетной и истинной величинами сопротивления в положении движка, соответствующем значению аргумета х;

Rn— полное сопротивление потенциометра.

За меру точности обычно принимается максимальная отно­ сительная погрешность

^ шах = (^ д г )т а х '

Максимальная погрешность потенциометров средней точнос­ ти составляет (0,2~ 0,5) %, а у потенциометров высокой точности она равна (0,02-г0,05) %.

С точностью пр’ёцизйоййагб провблойнбгб пОтёнциОметра свя­ зано понятие разрешающей способности. Как показано на рис. 3.2, изменение выходного напряжения потенциометра при пе­ ремещении движка с одного витка намотки на другой носит ступенчатый характер. Под разрешающей способностью пони­ мается относительная величина 8/*в, определяемая по формуле

грешности. Между максимальной погрешностью и разрешающей способностью потенциометра, а следовательно, и количеством

Максимальная погрешность прецизионного потенциометра за­ висит от конструктивных, производственных, технологических погрешностей и дефектов изготовления его. В общем случае ее можно представить в виде.

®^шах = f ^"в> ^ ^П))

62

бгт — суммарная технологическая погрешность. Погрешности бгв, бга являются систематическими, их вели­

чины определяются :в процессе разработки потенциометра. Технологическая погрешность §гт имеет случайный характер.

Она представляет собой сумму случайных погрешностей, обу­ словленных неравномерностью удельного сопротивления провода намотки, отклонением шага намотки от заданного, неточной ус­ тановкой и креплением движка, изменением геометрических раз­ меров каркаса. Погрешность бгт подчиняется нормальному закону распределения, поэтому после изготовления потенциометры разделяются по классам точности.

§ 3.2. Конструкции прецизионных потенциометров

Конструктивно потенциометр состоит из трех основных час­ тей: резистивного элемента, движка и корпуса. Резистивный эле­ мент и движок размещены В корпусе. Как правило, резистивный элемент закреплен неподвижно, а контакты движка перемеща­ ются.

В качестве каркаса резистивного элемента применяются пла­ стины из сплавов аллюминия с изолирующим покрытием или аллюминиевые и медные провода диаметром от 1 до 3 мм по* крытые многослойной изоляцией.

Намоточные провода резистивных элементов изготавлива­ ются из сплавов никеля и меди, сплавов никеля и хрома или железа. Наибольшее распространение получили из первой груп­ пы Константин, а из второй группы — нихром.

Токосъемная часть потенциометра (движок) имеет контакт из сплава благородных металлов и пружину подходящей конфи­ гурации, изготавливаемую обычно из бериллиевой бронзы. Пру­ жина обеспечивает необходимое рабочее контактное усилие и компенсирует небольшие неровности контактной дорожки.

Корпус является важной конструктивной частью потенцио­ метра: в нем крепится резистивный элемент с выводами и ось с контактным узлом. Чаще всего корпус имеет, цилиндрическую форму и выполняется из металла или изоляционного материала. Ось потенциометра крепится в шариковых подшипниках или в

подшипниках скольжения.

Для предохранения контактной дорожки от коррозии и улуч­ шения условий теплообмена корпус потенциометра может запол­ няться минеральным маслом. В этом случае пружина движка устраняет масляную пленку между контактом и контактной до­ рожкой.

03

Однооборотные (кольцевые) потенциометры

В однооборотных потенциометрах (рис. 3.3) пластинчатый каркас выполнен в виде кольца. Намотка потенциометра произ­ водится изолированным проводом. Одно из ребер каркаса с на­ моткой зачищается и шлифуется для получения контактной до­

рожки.

Движок потенциометра вращается на оси, установленной в центре кольца, а контакт движка перемещается по контактной дорожке и прижимается к ней пружиной.

Каркас с намоткой устанавливается на стакан, закрепленный в корпусе потенциометра. Угол поворота движка ф обычно огра­ ничен пределами <р<Д30-г350°, но ® некоторых специальных потенциометрах движок может вращаться вкруговую.

Заишмы

радиальная деформация каркаса. При использовании этого спо­ соба резистивный элемент изготавливается несколько большего диаметра, чем стакан, на который он устанавливается, и крепит­ ся смещающимися в радиальном направлении зажимами в фик­ сированных точках, угловые положения которых точно опреде­ лены (рис. 3.4). Радиальным смещением зажимов деформируют каркас с намоткой таким образом, чтобы в известных точках воспроизводились точные значения функции.

Однооборотный потенциометр обычно имеет один движок. Для специальных целей на оси потенциометра укрепляются два движка, сдвинутые относительно друг друга на 90 или 180°,

64

Провод-каркас с намоткой свивается в спираль постоянного шага Т и диаметра D; 'спираль 'запрессовывается в корпус по­ тенциометра 3.

Токосъемное устройство состоит из ролика 4, свободно поса­ женного на валине 5, и поводков 6, 7. Валик 5 может переме­ щаться в пазах поводков; пружинами 8, 9 ролик прижимается вместе с валиком 5 к внутренней поверхности спирали.

Поводки жестко связаны с ведущим валиком 10 и при пово­ роте последнего ролик .перекатывается по внутренней йоверхности спирали.

Входное напряжение подается на выводы 13, 14, соединенные с концами намоточного провода.

Выходной величиной потенциометра является напряжение иВых, снимаемое с резистивного элемента при помощи ролика 4. Через токосъемное кольцо 11 это напряжение подводится к вы­ воду 12 на корпусе потенциометра.

Намотка резистивного элемента линейного потенциометра производится проводом постоянного диаметра d с постоянным шагом t.

Резистивный элемент функционального потенциометра име­ ет намотку с переменным шагом t, закон изменения которого определяется видом воспроизводимой функции. Существуют ог­ раничения .на величину шага намотки. В табл. 3.2 приведены ве­ личины минимального и максимального допустимых шагов на­ мотки в зависимости от диаметра намоточного провода.

Если расчетное значение шага намотки выходит за пределы допустимых значений для данного диаметра намоточного про­ вода, то при определенном значении аргумента х = х х изменяют диаметр намоточного провода. Таким образом, в общем случае

66

воспроизведение различных функций с помощью многооборо]'- ных потенциометров достигается как за счет изменения шага на­ мотки так и за счет изменения диаметра провода-сопротивления.

Установим закон изменения шага намотки функционального потенциометра, предназначенного для воспроизведения функции одной переменной вида (3.2).

Каждому значению аргумента л: соответствует определенное смещение токосъемного ролика относительно начала намотки !х и величина сопротивления этого участка' г2, удовлетворяющие условиям:

/, = Мхх;

Гг =

где Мх, Мг — масштабы.

Приращение сопротивления Агг при перемещении ролика по спирали на величину Alx — t определяется выражением

dr, . . _ M z dz

Аг. (3.3)

ЖеМ х ~ Ж х Их

Сдругой стороны, эта же величина может быть определена по формуле

где /в = У (к d0)2 t2 — длина витка намотки, мм; d0 — dK-\- d\

Ро— сопротивление намоточного провода, имеющего диаметр d и длину 1 мм.

Приравняв правые части (3.3), (3.4) и разрешив относитель­ но t, получим выражение для закона изменения шага намотки в следующем виде:

(3.5)

Величина наименьшего шага намотки должна удовлетворять условию

Kd0

У[ м х 'ро)

где t' — минимальный допустимый шаг намотки в соответствии с табл". 3.2.

Отсюда следует ограничение на выбор масштаба перемеще­

допустимый шаг намотки в соответствии с табл. 3.2. Невыпол­ нение указанного условия означает необходимость изменения диаметра намоточного провода при некотором значении произ-

деленное значение аргумента х = х х и положение точки перехода к '.намотке проводом диаметра dx на каркасе резистивного эле­ мента

d2t — d\tu

где d, t — диаметр провода и шаг намотки при х хг\ d\, t\ — диаметр провода и шаг намотки при x > x v

Достоинствами многообopотных 'потенциометров являются малые габариты, высокая точность и надежность.

68

Промышленностью выпускаются миогооборотные потенцио­ метры односекционные и многосекштонные. Последние состоят из двух—трех потенциометров, заключенных в-общий корпус и имеющих общий ведущий валик. Диаметр спирали составляет 185-20 мм, количество 'витков спирали равно 3, 5, 10, 20, 25, 40.

Точностные характеристики многооборотных потенциометров приведены в табл. 3.3, где в соответствии с установленными клас­ сами точности указаны величины максимальных относительных погрешностей в процентах.

Недостатками многооборотных потенциометров являются от­ носительно большой момент вращения и меньшая, чем в однооборотных потенциометрах, скорость ввода аргумента.

Плоские потенциометры

Плоские потенциометры имеют ограниченные возможности применения. Они используются для воспроизведения синусных и косинусных зависимостей.

Основой потенциометра' является плоский каркас, на кото­ ром размещена намотка с постоянным шагом из изолированного провода (рис. 3.7). На поверхности намотки зачищается и по­ лируется контактная дорожка в виде окружности, по которой перемещается токосъемный контакт.

Для схемы с симметричным питающим напряжением, приве­ денной на рис. 3.7,а, выходное напряжение равно:

«вых = sin?,

где г — радиус окружности контактной дорожки; / — длина участка каркаса с намоткой:

69