Классификация потенциометрических ип

1. По типу чувствительного элемента:

а) Проволочные;

б) Пленочные.

Более перспективными следует считать пленочные ПИП, которые условно можно разделить на три группы:

- тонкопленочные (толщина резистивного слоя на изоляционном основании - микрометры);

- толстопленочные (толщина - доли миллиметра);

- объемные (толщина - единицы миллиметра) [6].

Тонкопленочные резистивные преобразователи подразделяются на металлодиэлектрические, металлооксидные и металлизированные с резистивным элементом в виде микрокомпозиционного слоя из диэлектрика, металла или тонкой пленки окиси металла.

К толстопленочным относят лакосажевые, металлокерамические и резисторы на основе пластмасс.

Объемные резистивные преобразователи представляют собой гетерогенную композицию из нескольких фаз, получаемую механическим смещением проводящего компонента, например, графита или сажи, металла или оксида металла с органическими или неорганическими связующими [3].

2. По траектории перемещения:

а) Линейные - для измерения линейных перемещений;

б) Круговые - для измерения угловых перемещений.

3. По способу съема сигнала:

а) Контактные;

б) Бесконтактные [6].

Техническая характеристика пип

Для измерения линейных и угловых перемещений чаще всего используются ПИП, выполненные в виде равномерно намотанной в один ряд на изолированный каркас проволоки с высоким удельным сопротивлением, покрытой эмалью или оксидной пленкой для исключения контакта между соседними витками.

Потенциометрические преобразователи изготавливают либо в виде обмотки из изолированного провода, намотанного на каркас, либо в виде реохорда. Материал провода: манганин, константан. Движок выполняется либо из сплава платины с иридием, либо из серебра. Каркас изготавливается из текстолита, пластмассы или алюминия.

Формы каркасов могут быть разнообразными: полый цилиндр, плоская пластина, плоское кольцо и т. д.

ПИП для измерения угловых перемещений могут быть однооборотными и многооборотными.

При перемещении подвижного контакта проволочного ПИП его сопротивление изменяется ступенчато. Величина минимального изменения сопротивления может быть определена как ΔR=R/W, где R - полное сопротивление ПИП, W - число витков потенциометра.

Приведенная формула справедлива для потенциометров с равномерной намоткой. В некоторых случаях необходимо иметь нелинейную характеристику потенциометра. В этом случае каркас обмотки выполняется переменного сечения. Число витков преобразователя, определяющее его разрешающую способность, обычно более 100 [5].

Достоинства ПИП:

Для питания ПИП может использоваться как постоянное, так и переменное напряжение. Индуктивное и емкостное сопротивление ПИП весьма малы, их можно не принимать во внимание до частот порядка десятков килогерц.

ПИП отличается простотой конструкции, имеют малые габариты и вес.

Недостатки ПИП:

- погрешность из-за нестабильности напряжения питания;

- невысокие допустимые скорости перемещения подвижного контакта;

- сравнительно низкую чувствительность;

- наличие порога чувствительности и помех от подвижного контакта;

- подверженность износу и электроэррозии резистивного слоя от подвижного контакта;

- зависимость погрешности от величины сопротивления нагрузки [4].

Рассмотрим статические характеристики ПИП без нагрузки, т. е. в режиме холостого хода.

Пусть длина резистивного элемента потенциометра l, а полное сопротивление R. Подвижный контакт ПИП перемещается в направлениях, указанных стрелками. Тогда входной величине x (линейному перемещению) будет соответствовать сопротивление r от нижнего вывода потенциометра до подвижного контакта. Выходное напряжение ПИП в режиме холостого хода: u_ВЫХ=u_П*r/R (1). Поскольку l/R=x/r, то r=R_*x/l и, подставляя полученное выражение в (1), получим: u_ВЫХ=u_П/l_*x=S_*x (2), где S - чувствительность ПИП.

В случае поворотного ПИП выходная характеристика в режиме холостого хода имеет вид: u_ВЫХ=S_*φ (3), где φ - угол поворота подвижного контакта.

Чувствительность преобразователя в общем случае определяется как: S=u_ВЫХ/x. При линейной статической характеристике ПИП: S=u_П/l.

Для расширения диапазона измерения входной величины x, а также для определения направления перемещений по полярности выходного сигнала применяют преобразователи со средним выводом. Средний вывод делит резистивный элемент на две равные части и служит для подключения нагрузки.

При отсутствии нужного потенциометрического преобразователя со средним выводом, для реализации статической характеристики, проходящей через нуль, используют обычный ПИП.

Как известно, более высокой чувствительностью и точностью обладают дифференциальные схемы включения измерительных преобразователей. Дифференциальная схема ПИП реализуется путем встречно - параллельного включения одинаковых потенциометров, подвижные контакты которых связаны механически.

Одним из недостатков ПИП является погрешность статической характеристики в зависимости от значения сопротивления нагрузки. Рассмотрим простейшую схему включения потенциометрического преобразователя. Нагрузкой ПИП является входное сопротивление электрической схемы, подключаемой к выходу потенциометра. Для упрощения анализа рассмотрим эквивалентную схему.

Выходное напряжение схемы: , гдеi - ток в цепи; R_Э - эквивалентное сопротивление цепи от подвижного контакта до общего провода; R_Н - сопротивление нагрузки; r - сопротивление участка потенциометра от подвижного контакта до нижнего вывода.

Значение тока будет определяться выражением: . Тогда выходное напряжение:(4).

В общем случае сопротивление нагрузки может быть или намного больше собственного сопротивления потенциометра, или одного порядка с ним. Рассмотрим эти два случая.

Так как в первом случае сопротивление нагрузки более чем на порядок превышает сопротивление потенциометра, а величины R и r при средних положениях подвижного контакта соизмеримы, то выражением: в формуле (4) можно пренебречь. Выходное напряжение ПИП в этом случае определяется как:(5), где;.

Таким образом, если сопротивление нагрузки R_Н намного больше сопротивления потенциометра R, то статическая характеристика ПИП представляет собой прямую, угол наклона которой определяется чувствительностью S, а погрешность преобразования равна нулю.

Во втором случае считаем, что сопротивление нагрузки соизмеримо с полным сопротивлением потенциометра R. Погрешность потенциометра в этом случае будет представлять собой разность между выходным сигналом потенциометра в режиме холостого хода и соответствующим сигналом при наличии сопротивления нагрузки R_Н: (6).

Поскольку величины R²_*r и R_*r² приблизительно равны, то их разность будет пренебрежительно мала по сравнению с величиной R²_*R_Н. Следовательно: (7), и представляет собой абсолютную ошибку. Относительную ошибку можно определить как:(8).

Для нахождения максимума относительной ошибки приравняем производную к нулю:. В этом выражении достаточно приравнять к нулю числитель:. Отсюда получим:.

Следовательно, максимальная погрешность ПИП с подключенным к его выходу сопротивлением нагрузки имеет место при перемещении подвижного контакта на 2/3 длины потенциометра l. Для уменьшения погрешности следует выбирать рабочий участок потенциометра так, чтобы . Величину ошибки при перемещении подвижного контактаопределим, подставив значениев формулу (8):(9), где η - коэффициент нагрузки, η=R_Н/R.

Выражение (9) показывает, что с увеличением сопротивления нагрузки ошибка уменьшается [6].