Расчет и проектирование элементов измерительных устройств

Важной характеристикой потенциометра является разрешающая способность. В проволочных потенциометрах равномерное перемещение движка приводит к дискретному изменению Uвых (рис. 4). Это объясняется тем, что движок потенциометра перемещается не по длине провода, а переходит с одного витка на другой. Величина скачков напряжения , характеризующая разрешающую способность, обратно пропорциональна числу витков обмотки w:

Разрешающая способность связана с витковой погрешностью проволочного потенциометра, определяемой как наибольшее отклонение, вызванное дискретностью изменения Uвых от теоретической характеристики. Величина этого отклонения равна половине (рис. 4). Витковая погрешность в процентах напряжения U0;

      (2)

Выражение (2) получено в предположении того, что движок одновременно касается только одного витка. На самом же деле при переходе с одного витка на другой происходит закорачивание двух соседних витков.

Рис. 4 – К пояснению принципа действия потенциометра

Это приводит к появлениию промежуточного скачка напряжения, величина которого зависит от положения движка на потенциометре. В серединие обмотки величина промежуточного скачка оказывается равной половине а это, в свою очередь, формально приводит к двукратному уменьшению . Таким образом, по формуле (2) представляет собой максимальное значение витковой погрешности потенциометра, и она лишь условно принимается за постоянную для линейных потенциометров.

Общее сопротивление потенциометра R0 зависит от геометрических размеров потенциометра и параметров обмотки или покрытия (удельного электрического сопротивления ρ, размеров поперечного сечения каркас и т.п.) Величина R0 ограничивается снизу допустимым нагревом потенциометра ( а у проволочных потенциометров также и точностью), а сверху – технологической возможностью изготовления проводника с малыми размерами поперечного сечения, небольшим сроком службы (тонкий проводник быстрее изнашивается) и низким удельным сопротивлением проводника.

Рис. 5 – К расчету погрешностей потенциометра

На характеристику потенциометра оказывает влияние величина сопротивления нагрузки Rн. Для линейного потенциометра выражение (1) справедливо только в случае бесконечно большого сопротивления нагрузки.

При Rн (рис. 5)

Где k=Rн/R0 и α=R2/R0.

Погрешность , обусловленная нагрузкой, равная разности действительного передаточного коэффициента потенциометра и передаточного коэффициента при Rн= (он численно равен α):

                                   (3)

На рис. 4 показаны зависимости =f(α) при различных значениях k.

При рассмотрении рис. 2.4 видно, что тем больше, чем меньше k.

Рис. 6 – К расчету погрешностей потенциометра

При проектировании величина сопротивления нагрузки Rн обычно бывает заданной. Следовательно, для увеличения k необходимо выбирать как можно меньше R0. Однако чрезмерное уменьшение R0, как было оказано раньше, нежелательно.

Для устранения влияния нагрузки линейный потенциометр проектируют так, чтобы в ненагруженном состоянии он имел функциональную характеристику, которая при работе с заданной нагрузкой становится линейной, соответствующей выражению (1).

В некоторых случаях более эффективным является использование не скорректированного под нагрузку линейного потенциометра, подключаемого в цепь таким образом, чтобы уменьшить влияние нагрузки. Погрешность от нагрузки может быть снижена последовательно включенным с потенциометром добавочным сопротивлением Rд (рис. 7, а). Компенсация влияние нагрузки осуществляется вследствие того, что последовательно включенное сопротивление Rд ограничивает рабочий диапазон потенциометра.

Рис. 7 – Компенсация погрешностей потенциометра

Другая схема (рис. 7, б) предусматривает использование шунта, одним концом соединенного с источником питания, а другим – подсоединенным к обмотке потенциометра. Наиболее эффективно подсоединение шунта к обмотке в точке, в которой α=0,74. Шунт должен иметь сопротивление Rш=0,31Rн.

Максимальная мощность рассеяния Pmax показывает собой величину мощности, которая может рассеиваться потенциометром без ухудшения его характеристик ( изменение R0 и т. п.). Выбор Pmax зависит от температуры среды, в которой работает потенциометр. При высокой температуре среды мощность рассеяния должна быть соответствующим образом снижена. Величина Pmax позволяет определить значение максимально допустимого значения U0 max:

Различают номинальную и действительную мощности рассеяния.

Под номинальной мощностью рассеяния Pном подразумевают мощность рассеяния потенциометра с сопротивление нагрузки Rн= , т.е

          (4)

Мощность рассеяния с Rн :

                                 (5)

При Rн=R0 (k=1) P=0.25Pном. При Rн=0 (k=0) и движке замкнутом на землю, P=0. Таким образом, действительная мощность рассеяния P определяется схемой включения потенциометра и положением движка. Так, если потенциометр включен с добавочным сопротивлением Rд( рис. 7, а), то:

     (6)

Где .

Номинальная мощность рассеяния потенциометров, как правило, находится в пределах 0,1…10Вт.

Наиболее важными механическими характеристиками потенциометра являются допустимая скорость перемещения движка и рабочий вращающий момент.

Допустимая скорость перемещения движка потенциометра определяется в основном возможностью отрыва контактов от обмотки при так называемой критической скорости его движения. При критической скорости контакты входят в резонанс и начинают ''подпрыгивать''. Величина критической скорости зависит от конструкции движка и контактов, шероховатости поверхности резистивного элемента и величины контактного усилия. При увеличении контактного усилия и снижении степени шероховатости поверхности величина критической скорости возрастает.

Скорость перемещения движка оказывает влияние и на срок службы потенциометра, так как при больших скоростях перемещения повышается механический износ резистивного элемента и контактов. Практика показывает, что частота вращения движка потенциометра не должны превышать 1,7…2,5 Гц.

Рабочий вращающий момент потенциометра (момент трогания) – это момент, который необходимо приложить к оси, с которой связан движок, для ее поворота. Величина этого момент зависит от величины момента трения в оси движка. Наиболее важна эта характеристика тогда, когда вращение оси потенциометра осуществляется чувствительными элементами датчика. В этом случае рабочий вращающий момент потенциометра частично определяет точность всего датчика.

В проволочных потенциометрах общего назначения момент трогания лежит в пределах (0,5…3,6)*10-2 Нм.

Резистивный элемент проволочного потенциометра представляет собой проволоку, намотанную на каркас. 

Каркасы, используемые для изготовления потенциометров, подразделяются на кольцевые (рис.8, а), пластинчатые (рис. 8, б), стержневые (рис. 8, е), дуговые (рис.8, г) и многооборотные (рис. 8, д).

Потенциометры с кольцевыми каркасами используются либо для ограниченного поворота движка на 300…3580 (перемещение движка в этом случае ограничивается упорами), либо для кругового движения с периодическим повторением одной и той же функции. Дуговые потенциометры применяются для углов поворота движка на 40…900, а пластинчатые для углов поворота 15…400 (с большой длиной щеткодержателя) или для поступательного перемещения движка. Стержневые потенциометры используются только для поступательного перемещения движка.

Рис. 8 – Конструкции потенциометров

Неметаллические материалы используют для изготовления каркасов потенциометров невысокой точности, так как точность размеров каркасов получается не выше 3…4-го классов.

Использование неметаллических материалов позволяет ввиду их высоких изоляционных качеств отказаться от создания специальных изоляционных пленок на поверхности каркасов.

У металлических каркасов такая пленка может быть получена либо нанесением слоя лака, либо при помощи анодирования, в результате чего на поверхности каркаса образуется анодная изоляционная пленка, которую затем пропитывают лаком. Первый способ имеет недостаток заключающийся в том, что лаковая пленка представляет собой не только электро, но и теплоизоляционный слой между обмоткой и каркасом. Это сводит на нет одно из главных достоинств использования металлов для изготовления потенциометров – улучшение теплового режима потенциометра. Кроме того, получение тонких лаковых пленок постоянной толщины является сложной технологической задачей. При втором способе осуществляется пропитка анодной пленки лаком, а не нанесение лака на поверхность каркаса. После пропитки размеры каркаса практически не изменяются. Пробивное напряжение анодной пленки после пропитки ее лаком колеблется от 400 до 2400В в зависимости от времени анодирования (0,5…2,5 ч). Получающаяся электроизоляцонная пленка обладает лучшей теплопроводностью, чем лаковая. Анодные и лаковые пленки, обладающие высокими изоляционными качествам, могут быть получены только на весьма гладких поверхностях. Поэтому шероховатость каркаса до процесса создания пленки должна быть не ниже 9…10-го классов.

Металлические каркасы помимо высокой теплопроводности выгодно отличаются от неметаллических возможностью получения сложной конфигурации каркаса с высокой точностью размеров. Поэтому для высокоточных потенциометров и используют металлические каркасы, несмотря на трудности создания электроизоляции между каркасом и обмоткой. Металлические каркасы выполняют с допусками 0,01…0,05мм на номинальные значения в 0,3…3,0мм толщины и ширины пластичных потенциометров и 0,01…0,03мм на диаметры стержней стержневых потенциометров при номинальном их значении 2…10 мм. Из потенциометров при номинальном из значении 2…10мм. Из технологических соображений толщину каркаса рекомендуется брать b>4d, где b – толщина каркаса, d – диаметр проволоки обмотки, а радиусы закругления на углах не менее 2d. При использовании каркаса прямоугольного сечения высота каркас H рассчитывается по формуле:

Где IB длинна одного витка проволоки.

К материалу проволоки для обмотки предъявляют следующие требования: высокое удельное сопротивление, малых температурных коэффициент электрического сопротивления, высокая коррозионная стойкость, высокие прочность и износостойкость. В табл. 1 приведены сведения о наиболее распространенных материалах для обмоточной проволоки.

Константан отличается большим постоянством сопротивления при изменении температуры. При нагреве на поверхности константана образуется окисная пленка, обладающая электроизоляционными свойствами. В ряде конструкций это позволяет производить плотную намотку (виток к витку без изоляции), если напряжение между витками не превышает 1 В. С другой стороны, окисная пленка требует применения больших контактных усилий. Обычно константан используется для потенциометров средней точности. Манганин имеет свойства примерно такие же как и константан. Нихром имеет большое удельное сопротивлении, но отличается непостоянством его при изменении температуры, устойчив к окислению на воздухе при высоких температурах. У нихрома есть еще один недостаток – он плохо паяется. Сплавы на основе платины, золота и палладия используются для изготовления обмотки высокоточных потенциометров. Они антикоррозионны. Наиболее широко используется сплав ПДС-40. Его удельное сопротивление такое же, как у константана, и в то же время он позволяет получить небольшое контактное сопротивлении при малых контактных усилиях.

Для намотки потенциометров используют проволоку диметров 0,03…0,3мм. Из манганина, обладающего хорошей пластичностью выпускается так же проволока диметром 0,02 и 0,025мм.

В случае, если обмотка выполняется из неизолированной проволоки, намотка должна осуществляться с зазором между витками, чтобы устранить возможность замыкания соседних витков. При применении проволоки с изоляцией намотка может осуществляться без зазора. Это повышает разрешающую способность. Крепление обмотки на каркасе может быть осуществлено двумя способами. При первом каркас до намотки покрывается клейким составом и намотка производится на не засохший слой состава. При намотке состав вытесняется между витками, связывая их между собой. При другом способе клейкий состав наносится на предварительно намотанную обмотку. После затвердевания состава осуществляется зачистка контактной дорожки. Зачистка может осуществляться как механическими способами с использованием абразивных материалов, так и химическими и ультразвуковыми способами.

При конструировании потенциометра особое внимание следует; обращать на конструктивное выполнение выводов от обмотки. Наиболее часто для подсоединения выводного провода к обмотке используются пайка и сварка.

В тех случаях, когда требуется вывод от промежуточных точек потенциометра, рекомендуется такая последовательность его получения. В требуемом месте оттягивают виток обмотки и под нее пропускают конденсаторную бумагу. Этот виток зачищают, после чего под витком пропускают зачищенный расплющенный конец выводного провода. Он огибается вокруг оттянутого витка и припаивается к нему (рис. 9). Место пайки покрывается лаком и закрывается бумагой на клее БФ-4.