2. ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Потенциометрические преобразователи (потенциометры) представляют собой переменные электрические сопротивления, величина которых зависит от положения токосъемного контакта.

Характеристики потенциометров в зависимости от того, включены они в электрическую цепь как реостаты или как делители напряжения, выражаются, соответственно, зависимостями:

где R — выходное сопротивление реостата;

— выходное напряжение делителя напряжений;

х — перемещение щетки (линейное или угловое).

Характеристики (XVI. 1) могут быть линейными и нелинейными. Выходные сигналы линейных потенциометров пропорциональны перемещению токосъемного контакта (щетки):

где — полное сопротивление потенциометра;

— напряжение, подводимое к потенциометру;

а — относительное перемещение щетки, равное

— перемещение щетки, при котором или

Полное сопротивление линейного потенциометра определяется по формуле

где — удельное сопротивление материала проволоки;

— длина одного витка;

— общее число витков;

— площадь поперечного сечения проволоки.

Конструкция потенциометров. По способу выполнения переменного сопротивления потенциометры делятся на потенциометры непрерывной намотки и ламельные.

В потенциометрах непрерывной намотки (рис. XVI. 10) переменным сопротивлением служит намотанная в один ряд на каркас

тонкая проволока, непосредственно по зачищенной поверхности которой скользит щетка. Сопротивление таких потенциометров находится в пределах от нескольких десятков ом до нескольких десятков ком.

Рис. XVI. 10. Потенциометры непрерывной намотки: а — каркас в форме стержня; б — кольцевой каркас; в — каркас в форме дуги

В ламельных потенциометрах (рис. XVI.11) щетка скользит по контактным ламелям, к которым припаяны постоянные проволочные или другие сопротивления. Они изменяют сопротивление в широких пределах и применяются, когда необходимо получить переменные сопротивления в несколько сотен или тысяч килоом.

Рис. XVI.11. Ламельный потенциометр: 1 — валик со щетками; 2 — ламели

Ниже рассматриваются только потенциометры непрерывной намотки, которые получили преобладающее распространение благодаря своей простоте и более плавному изменению сопротивления.

Каркасы потенциометров изготовляются из изоляционных материалов — прессованной пластмассы, гетинакса, текстолита, эбонита, керамики и т. п. Обычно они имеют форму стержня (рис. XVI. 10, а), кольца (рис. XVI. 10, б) или изогнутой по дуге пластинки (рис. XVI. 10, в). Для лучшего отвода тепла применяют

металлические каркасы, покрытые непроводящим слоем окисла, получаемого способом анодирования, или изоляционным лаком. Для обмотки потенциометра применяется эмалированная проволока, диаметр которой выбирают в зависимости от требуемого сопротивления и числа витков, начиная от и выше. Проволоку наматывают на каркас, затем обмотку пропитывают лаком. На рабочей поверхности зачищается дорожка, по которой перемещается щетка.

Другим вариантом конструкции является гусеничный потенциометр, у которого в качестве каркаса применяют медную или алюминиевую эмалированную проволоку диаметром 2—5 мм (рис. XVI.12).

Проволоку, применяемую для намотки точных потенциометров, изготовляют из благородных металлов или константана, манганина и нихрома. Неблагородные металлы дешевле, но склонны к окислению, и поэтому для получения надежного контакта приходится увеличивать контактное давление до нескольких десятков граммов.

Рис. XVI. 12. Гусеничный потенциометр

Сплавы на основе благородных металлов (платины, золота, палладия) дают возможность получить надежный контакт при малых контактных давлениях и менее) и применяются в тех случаях, когда задающий чувствительный элемент не допускает больших механических нагрузок. Материал щетки должен быть несколько мягче, чем материал обмоточного провода, во избежание перетирания витков при длительной работе потенциометра.

Допустимую плотность тока выбирают в зависимости от материала проволоки и условий охлаждения потенциометра, с учетом величины тока, потребляемого нагрузкой. При непрерывной работе потенциометра с манганиновой или константановой обмоткой перегрев не должен превышать 40 — 50°, что возможно при плотности тока около на каркасе из пластмассы и на металлическом каркасе. При использовании благородных металлов допустимый перегрев 70 — 80°, что возможно при плотности тока около на металлическом каркасе.

При больших токовых нагрузках может оказаться целесообразным поместить потенциометр внутрь камеры, заполненной непроводящей жидкостью (лигроином, минеральным маслом и др.), что улучшает условия охлаждения и дает возможность увеличить плотность тока до При работе потенциометров в жидкости их износ существенно уменьшается, и поэтому применение таких потенциометров рационально также в тех случаях, когда по условиям работы щетка совершает незатухающие или слабо затухающие колебания.

Погрешность потенциометров. Зона нечувствительности потенциометров вызывается тем, что перемещение щетки

в пределах одного витка не вызывает изменения выходного сигнала. Поэтому его выходное сопротивление (или напряжение) изменяется не плавно, а скачкообразно.

Для оценки величины зоны нечувствительности можно воспользоваться характеристикой реального потенциометра, изображаемой в виде ступенчатой линии. Ширина ступени равна шагу намотки, а высота — сопротивлению одного витка (рис. XVI. 13). Если принять за идеальную характеристику прямую, проходящую через середины ступенек, то зона нечувствительности в единицах сопротивления

а в относительных единицах

где — полное сопротивление потенциометра; — число витков потенциометра.

Рис. XVI. 13. Характеристика потенциометра

Рис. XVI. 14. Спиральный потенциометр

Следовательно, если задана величина допустимой зоны нечувствительности, то необходимое число витков определяется неравенством

Если из-за ограниченных размеров не удается разместить достаточное число витков, то иногда применяют специальные конструкции потенциометров, характеризующиеся малой зоной нечувствительности. Один из таких потенциометров показан на рис. XVI. 14. На поверхности барабана 1 прорезана спиральная канавка, в которую уложен потенциометр 2. Барабан приводится во вращательное движение от задающей оси , связанной через пару зубчатых колес 4 и 5 с червячным винтом 6, шаг которого, умноженный на передаточное число зубчатой пары, равен шагу спиральной канавки. При вращении барабана по червяку перемещается гайка, несущая токосъемную щетку 7.

Может применяться также спиральный реохорд, вообще не имеющий зоны нечувствительности. Здесь шаг спиральной канавки

значительно уменьшен и в нее вместо гусеничного потенциометра уложена обнаженная проволока.

Неравномерность характеристики зависит от случайных производственных погрешностей (непостоянства диаметра и удельного сопротивления наматываемого провода, непостоянства шага намотки и натяжения провода и т. п.).

Степень неравномерности характеристики можно определить по формуле

где — действительное сопротивление потенциометра, измеряемое в различных точках (при различных перемещениях х щетки);

— расчетное сопротивление потенциометра в тех же точках, равное

— полное сопротивление потенциометра;

— перемещение, при котором

Практически степень неравномерности характеристики у потенциометров среднего класса точности достигает а у прецизионных не превышает

Для повышения точности иногда применяют потенциометры, у которых для намотки используется обнаженный провод со строго фиксированным шагом (с малым зазором между витками). Тем самым устраняются колебания шага намотки, возникающие вследствие неодинакового наружного диаметра (по изоляции) намоточного провода по всей его длине.

Рис. XVI. 1-5. Потенциометр с регулируемой характеристикой

Существуют также варианты конструкций потенциометров, в которых линейность характеристики регулируется после его намотки. На рис. XVI. 15 показан потенциометр, имеющий пластинчатый каркас 1, фиксируемый регулировочными винтами 2. При вращении винтов создается местный изгиб потенциометра. Щетка 3 выполнена в виде стержня, скользящего по зачищенному ребру пластинчатого каркаса. Если при заданном угле поворота щетки перемещать регулировочный винт, расположенный вблизи щетки, то сопротивление изменяется, так как точка контактирования перемещается по дуге потенциометра благодаря тому, что щетка 3 припаяна под некоторым углом к радиусу вращения.

Другой вариант потенциометра с механическим корректором показан на рис. XVI. 16. Задающая ось 1 поворачивает водило 2,

на котором шарнирно укреплен рычаг 6. Рычаг несет щетку 3 и ролик прижимаемый к гибкой металлической ленте 9 с помощью пружины 4. Лента 9 может быть изогнута на отдельных участках с помощью поддерживающих ее регулировочных винтов 5 и 7. Если лента имеет правильную форму окружности, то при вращении задающей оси 1 щетка 3 поворачивается вместе с водилом на одинаковый угол. Если же профиль ленты отличается от окружности, то ролик 8, следуя за выпуклостями и впадинами профиля, вынуждает щетку 3 совершать дополнительный поворот относительно водила 2. Регулируя винтами 5 и 7 величину изгиба ленты, можно компенсировать систематическую неравномерность характеристики потенциометра.

Рис. XVI. 16. Потенциометр с механическим корректорном

Рис. XVI. 17. К расчету погрешности от люфта

Погрешность потенциометра, возникающая из-за люфтов. При неизменном угле поворота задающей оси выходное сопротивление или напряжение может изменяться за счет поступательного перемещения щетки вместе с осью в пределах зазоров между осью и направляющей втулкой (рис. XVI.17).

Наибольшее изменение выходного сопротивления вследствие люфта определяется по формуле

где — полное сопротивление потенциометра;

у — угол дуги, занимаемый обмоткой;

— радиус от оси вращения до контактной поверхности; — радиальный зазор между осью и втулкой.

Относительная погрешность, возникающая вследствие люфтов, будет

Для уменьшения таких погрешностей иногда применяют пружины, выбирающие люфт между осью и втулкой.

Погрешность, возникающая из-за трения. Если мощность чувствительного элемента, приводящего в движение щетку потенциометра, мала и этот элемент меняет свою характеристику при нагружении, то из-за трения щетки о потенциометр возникает зона застоя, обусловливающая появление погрешности. Крутящий момент, развиваемый чувствительным элементом, представляет собой некоторую функцию измеряемой (регулируемой) величины

Если момент трения в потенциометре равен , то величина приращения крутящего момента, необходимого для преодоления момента трения, определяется по формуле

Отсюда зона застоя, выраженная в единицах измеряемой величины,

где

Для уменьшения погрешностей, возникающих вследствие трения, применяют такие материалы, которые обеспечивают надежный контакт при малом контактном давлении.