4.2.2. Схеми включення реостатів

Реостат включений по схемі потенціометра

Згідно схемі потенціометра складемо наступні рівняння:

i=i₁+i₂;

R₁₌Ro*x / lo;

i₁/i₂=Rн/R₁;

Uн=i₂*Rн.

Uo=I(Ro-R₁)+i₂Rн.

Вирішуючи ці рівняння щодо Uн, знайдемо:

Uн=Uo* R₁/Ro * 1/ (1+ R₁Ro/RoRн).

Найбільше значення множення R ₁*R ₂ буде:

R ₁R ₂ =R ²o/4

Якщо RнRo, то Rн>>Ro/4,

І тоді Uo*R1/Ro=Uo*X/ l,

тобто вихідна величина пропорційна вхідною.

Чутливість реостатного датчика визначається виразом:

dUн/dx =Uo/ l , [в/см]

4.2.3 Погрішність реостатних датчиків

Погрішність реостатних датчиків залежить від цілого ряду чинників, до яких в першу чергу необхідно віднести:

- зону нечутливості,

- нерівномірність характеристики,

- вплив люфту,

- вплив навантаження.

Зона нечутливості викликається тим, переміщення щітки в межах одного витка не викликає зміни вихідного сигналу.

Нерівномірність характеристики залежить від непостійності діаметру намотуваного дроту, непостійності кроку намотування і т.п.

Лекція 5

Тема 5.1: «Контактні датчики»

5.1.1. Різновидом датчиків активного опору є контактні датчики.

Основним елементом цих датчиків є контактна пара, що замикається або розмикається досягши заданої межі переміщення контрольованого тіла, механічно пов'язаного з рухомим контактом.

У якості контакті нерідко використовується ртуть. В цьому випадку датчик є герметичною ампулою з розміщенням усередині не контактної пари, а невеликою кількістю ртуті. При повороті ампули ртуть в ній переміщається, замикаючи або розмикаючи контакти.

5.1.2. Існують датчики контактного опору, які засновані на залежності перехідного опору контактів R від зусилля їх стиснення:

R= Ro+ K/F=Ro + Ko/  l.

Тут:

Ro - опір тіла контактів;

К і Ko - постійні коефіцієнти;

 l - величина взаємного переміщення контактів за рахунок їх

деформації;

F - зусилля стиснення.

Звичайно конструктивно ці датчики виготовляються із стовпчиків, виконаних з вугільних шайб. Розміри цих шайб вибирають з розрахунку максимального тиску - 65 кгс/cм².

Тема 5.2: «Датчики ємності»

Датчики ємності засновані на перетворенні вхідної величини в зміни ємності конденсаторів.

Датчики ємності розділяються:

• на датчики, що здійснюють перетворення контрольованої неелектричної величини в ємність за рахунок зміни зазору між обкладаннями (тиск, вібрації, товщина предмету, зусиль);

• на датчики, що здійснюють вказане перетворення за рахунок зміни діелектричної проникності діелектрика або втрат в ньому (товщини, рівня, вогкості сипких тіл і паперу і ін.)

Плоско-паралельний ємнісний датчик призначений для вимірювання зсув:

С= 0,089 S1 / d - ,

Тут:

 - величина зсуву, чисельно рівна зміні зазору між електродами датчика; d - зазор між електродами датчика або зазор між обкладаннями в см;

S1 - площа обкладань в см².

Чутливість:

S=0,089 S1/(d-) ² .

Для дотримання необхідної чутливості на всьому діапазоні вимірюваних зсувів зазор повинен бути в 20 разів більше максимальної величини зсуву.

Принцип дії і конструкція. Ємнісний перетворювач являє собою конденсатор, електричні параметри якого змінюються під дією вхідної величини.

Конденсатор складається з двох електродів, до яких под’єднані вивідні кінці. Простір між електродами заповнено діелектриком. При зміні величин обкладок, їхнього взаємного розташування або при зміні діелектричної проникності середовища, що заповнює між електродний простір, змінюється ємність конденсатора.

В якості ємнісного перетворювача широко використовується двох обкладений плоский конденсатор. Його ємність визначається вираженням

З = , (1)

де -- електрична постійна; -- відносна діелектрична проникність середовища між обкладками; Q - активна площа обкладок; -- відстань між обкладками. З вираження для ємності очевидно, що перетворювач може бути побудований із використанням залежностей С = f₁( ), С = f₂(Q), С = f₃( ).

Рухома

Нерухома

У перетворювача з прямокутними електродами (рис. 1, а) Q = bx і є деякий діапазон переміщення пластин х, в якому ємність лінійно залежить від х (рис. 1, б). Лінійна

Рис.1.

залежність створюється внаслідок крайового ефекту. В області лінійної залежності чутливість такого перетворювача

S = d/dx = (2)

постійна і збільшується зі зменшенням відстані між електродами .

Якщо змінюється відстань між електродами, функція перетворення С = f( ) являє собою гіперболічну функцію. Чутливість перетворювача

S = d/d = (3)

сильніше, ніж у попередньому випадку, залежить від відстані між пластинами . Для збільшення чутливості S доцільно зменшити . Граничне його значення визначається технологічними розуміннями і прикладеною напругою. Треба враховувати, що при малих є можливий електричний пробій між електродами.

Мале робоче переміщення пластин призводить до похибки від зміни відстані між пластинами при коливаннях температури. Вибором розмірів деталей перетворювача і матеріалів домагаються зниження цієї похибки.

У ємнісних перетворювачах виникає зусилля (небажане) тяжіння між пластинами

F = ,

де W_е - енергія електричного поля; U і С - відповідно напруга і ємність між пластинами.

Рис. 2.

Якщо переміщати діелектричну пластину в зазорі плоского конденсатора (рис. 2,а), то можна одержати перетворювач із перемінною діелектричною проникністю. Ємність такого перетворювача визначається як ємність двох паралельно ввімкнених конденсаторів. Один із них С утворений частиною електродів і діелектричної пластини, інший С₀ - частиною електродів, що залишилася, і між електродним простором, не заповненим платівкою. Якщо платівка з відносною діелектричною проникністю має товщину , що дорівнює відстані між електродами, то функція перетворення перетворювача описується вираженням

З = С + С₀ = , (4)

де Q - площа електродів; Q -- частина площі діелектричної пластини, що знаходиться між електродами.

Рис. 3.

Ємнісні перетворювачі можуть виконуватися по диференціальній схемі. У диференціальних перетворювачів є одна рухлива і дві нерухомі пластини. Схема диференціального перетворювача кутового переміщення з перемінною площею електродів приведена на рис. 2,б. У таких перетворювачах середній рухливий електрод звичайно з'єднується з екраном. При впливі вимірювальної величини х у цих перетворювачів одночасно змінюються ємності С₁ і С₂. Такий перетворювач використовують для виміру порівняно великих лінійних (більш 1 мм) і кутових переміщень. У цих перетворювачах легко одержати необхідну характеристику перетворення шляхом профілювання пластин.

Перетворювачі з використанням залежності С = f₁( ) застосовують для виміру рівня рідин, вологості речовин, товщини виробів із діелектриків і т.п. Для приклада (мал. 3,г) пропонується устрій перетворювача ємнісного рівне вимірювача. Ємність між електродами, опущеними в судину, залежить від рівня рідини, тому що зміна рівня призводить до зміни середньої діелектричної проникності середовища між електродами. Зміною конфігурації пластин можна одержати бажаний характер залежності показань приладу від від’ємна (маси) рідини.

Схеми вмикання. Для виміру вихідного параметра ємнісних перетворювачів застосовують мостові ланцюги і ланцюги з використанням резонансних контурів. Останні дозволяють створювати прилади з високою чутливістю, спроможні реагувати на переміщення порядку 10^-7 мм. Ланцюги з ємнісними перетворювачами звичайно живлять струмом підвищеної частоти (до десятків мегагерц), що викликано бажанням збільшити сигнал, що потрапляє у вимірювальний прилад, і необхідністю зменшити шунтуючу дію опору ізоляції.

Рис. 4.

Ємнісний перетворювач включається у вимірювальний ланцюг; при цьому зміна його ємності перетвориться в зміну напруги чи струму або в частоту синусоїдального чи імпульсного струму. Існує досить багато різноманітних вимірювальних ланцюгів вмикання ємнісних перетворювачів. Розглянемо деякі з них.

Для вмикання не диференційного перетворювача може використовуватися резонансний ланцюг (мал. 3,а). Генератор через розділювальний трансформатор Т живить резонансний LC - контур. Ємність контуру складається з ємності перетворювача С_лр і побудівного конденсатора ємністю С, частота і значення напруги генератора постійні. При зміні ємності напруга на контурі змінюється по резонансній кривій, як показано на рис. 3,б. При зміні ємності перетворювача на напруга на контурі змінюється на . Побудівний конденсатор служить для настроювання контуру так, щоб чутливість вимірювального ланцюга

S = / (5)

була максимальною.

Чутливість резонансного ланцюга досить висока і збільшується із зростанням добротності контуру.

Рис. 5.

Для вмикання диференціального ємнісного перетворювача може бути використаний мостовий ланцюг (рис.5), що працює в не рівноважнім режимі. У цьому ланцюгу ємності С₁ і С₂ - диференціальний перетворювач. На схемі показане також екранування з’єднувальних проводів і діагоналей мостового ланцюга. С_е1, С_е2, С_е3, С_е4 - ємності відповідних екранів. Ці ємності ввімкнені паралельно активним опорам і входять у повні опори плечей моста. Еквівалентні ємності екранів можуть дещо змінюватися при роботі приладу. Для того, щоб їхні зміни мало впливали на вихідний опір моста, опори резисторів R повинні бути малими. Ємність С_э5 не входить у рівняння рівноваги моста, і її зміна значно менше впливає на його вихідну напругу.

Рис. 6.

Іншою схемою вмикання диференціальних ємнісних перетворювачів є ємнісно-діодний ланцюг (рис. 6,а). Диференціальний перетворювач С₁ і С₂ підключається до джерела перемінної напруги через діоди VD1 - VD4 і конденсатори С₃ - С₄. При позитивній полярності напруги U конденсатор С₁ заряджається через С₃ і VD1, а при негативній розряджається через С₄ і VD2. Конденсатори С₃ і С₄ мають рівні ємності, а діоди VD1 і VD2 - рівні прямі опори. При цьому, якщо напруга, що живить, синусоїдальна, то ж синусоїдальна напруга буде і на конденсаторі С₁ (у точці с), причому значення цієї напруги визначається значенням С₁. Аналогічно напруга на конденсаторі С₂ (у точці d) змінюється синусоїдально і її значення залежить від ємності С₂. Якщо всі діоди мають однакові прямі опори, то при С₁ = С₂ напруги на цих конденсаторах однакові і напруги між точками c і d відсутні. Якщо ж С₁ С₂, то між точками с и d з'явиться перемінна напруга, пропорційна різниці С₁ - С₂. Ця напруга випрямляється протягом однієї половини періоду діодами VD1 і VD3, а протягом другої -- діодами VD2 і VD4. Вихідна напруга знімається з діодів VD3 і VD4. Її зміна в часу показана на Рис. 6,б. Середнє випрямлене значення напруги Uвих визначається різницею С₁ - С₂ і приблизно дорівнює

. (6)

Для того, щоб спростити екранування, вся ємнісно-діодна схема розташовується в екранованому корпусі датчика.

Похибка ємнісного перетворювача. Електроди ємнісного перетворювача монтуються на ізоляційних деталях або розділяються ними. Різнорідні конструктивні деталі датчика мають різноманітні коефіцієнти лінійного розширення. При зміні температури це призводить до зміни відстані між електродами. Хоча ця зміна мала, вона може бути порівнювана з відстанню між електродами і призводить до температурної похибки, що має адитивну та мультиплікативну складові. Перша може бути зменшена застосуванням диференціальних перетворювачів.

Номінальна ємність ємнісних перетворювачів звичайно лежить у межах до сотень пікофарад. На частоті 50 Гц внутрішній опір перетворювача досягає значень більш 10⁷ Ом. При настільки високому опорі можливі похибки, обумовлені паразитними струмами відпливу, причому на результат виміру впливає мінливість опору ізоляції. Для зменшення опору перетворювача частота напруги живлення збільшується до декількох кілогерц і вище, аж до декількох мегагерц.

Оскільки повна ємність перетворювача змінюється при сторонніх металевих предметах, перетворювач, а також проводи, що йдуть до нього, і елементи вимірювального ланцюга необхідно екранувати Проте ємність екрана може змінюватися під впливом зміни вологості повітря, вібрації і по інших причинах. Екрановані проводи можуть змінювати свою ємність при їхніх вигинах, коли струмоведучий провід змінює своє положення щодо екрана. Ці зміни призводять до похибки.

Особливості застосування ємнісних перетворювачів. Ємнісні перетворювачі мають ряд специфічних гідностей і хиб, що визначають область їхнього застосування. Конструкція ємнісного датчика проста, він має малу масу і розміри. Його рухливі електроди можуть бути достатньо жорсткими, із високою власною частотою, що дає можливість вимірювати швидкопеременні величини. Ємнісні перетворювачі можна виконувати з заданою (лінійною або нелінійною) функцією перетворення. Для одержання необхідної функції перетворення часто достатньо змінити форму електродів. Відмінною рисою є мала сила тяжіння електродів.

Основною хибою ємнісних перетворювачів є мала їхня ємність і високий опір. Для зменшення останнього перетворювачі живляться напругою високої частоти. Проте це обумовлює іншу хибу - складність повторних перетворювачів. Хибою є і те, що результат виміру залежить від зміни параметрів кабелю, впливу зовнішніх електричних полей, температури, вологості.

Для зменшення похибки вимірювальний ланцюг і повторний прилад розташовують поблизу датчика.

Ємнісні перетворювачі широко застосовуються в науково - дослідницькій роботі, де є висококваліфікований персонал для розробки, експлуатації і ремонту датчиків і повторних приладів. В умовах наукового експерименту цінною властивістю датчиків є простота їхньої конструкції і технології.