На чем основана работа реостатного преобразователя
Реостатные преобразователи
По конструкции реостатные ИП можно разбить на три группы:
2) ИП со ступенчатой характеристикой;
Реохордные преобразователи(рис 3 а) представляют собой натянутую проволоку 1, по которой перемещается движок 2. Характеристика преобразования такого ИП линейная.
  |
Число витков реостатного ИП обычно не менее 100.
Каркасы могут выполняться в виде пластин, цилиндра, кольца и др.
Изменение сопротивления реостатного преобразователя при перемещении подвижного контакта достигает 90 % от номинального сопротивления.
Выходное сопротивление R реостатного преобразователя в зависимости от перемещения движка Х может быть определено из выражения
 |
Нелинейные реостатные ИП можно получить, выбирая соответствующую форму каркаса (рис. 3 в). Например, для получения определенной нелинейной зависимости можно применить фигурные каркасы, сечение которых изменяется по длине, а толщина b каркаса остается постоянной. Для заданной характеристики f(x) переменная высота намотки h этого преобразователя находится по формуле
Нелинейную зависимость позволяют получить преобразователи со ступенчатым каркасом (рис. 3 г). Такое выполнение каркаса обеспечивает кусочно-линейную аппроксимацию требуемой зависимости.
Для изготовления реостатных ИП используются провода из манганина, константана, нихрома, фехраля. Использование микропровода позволяет получить реостатные ИП размером 5 х 5 мм. В ответственных случаях используются провода из сплава платины с иридием (90 % Pt + 10 % Ir). Каркасы выполняются из текстолита, пластмассы, алюминия. Движок (щетка) выполняется либо из двух-трех проволочек из сплава платины с иридием или с бериллием, или в виде пластинчатых щеток из серебра или фосфористой бронзы.
Погрешности реостатных преобразователей
1. Погрешность дискретности (квантования)
Сопротивление большинства реостатных ИП изменяется ступенчато (кроме реохордных), что приводит к погрешности дискретности (квантования). Погрешность дискретности определяется по формуле
2. Температурная погрешность
При изменении температуры преобразователя изменяется его сопротивление. Величина температурной погрешности определяется, прежде всего, температурным коэффициентом сопротивления материала чувствительного элемента. Обычно ТКС материалов провода реостатного ИП не превышает 0,1 % на 10 О С.
Области применения реостатных ИП
Реостатные преобразователи применяются для измерения линейных и угловых перемещений и величин с ними связанных (давлений, сил, уровней и т. д., а также в качестве обратных преобразователей автоматических мостов и компенсаторов).
Реостатные преобразователи
Принцип действия реостатных преобразователей основан на изменении электрического сопротивления проводника под влиянием входного перемещения. Преобразователь представляет собой реостат, подвижный контакт (движок) которого перемещается под действием измеряемой (преобразуемой) величины. Такие преобразователи бывают каркасные и реохордные.
Наиболее распространены каркасные преобразователи, в которых тонкая проволока из материала с высоким удельным сопротивлением и низким температурным коэффициентом намотана на каркас из текстолита, пластмассы или алюминия, покрытого тонкой оксидной пленкой. Изменение выходного параметра преобразователя R происходит посредством перемещения движка (рис. 2.2).
Форма каркаса может быть различной. На рис. 2.2, a представлен реостатный преобразователь углового перемещения, на рис. 2.2, б – преобразователь с линейной зависимостью сопротивления R от преобразуемого параметра (перемещения) x, а на рис. 2.2, в – преобразователь с нелинейной зависимостью R от x.
Каркас из алюминия обеспечивает прочность конструкции и позволяет повышать плотность тока в обмотке за счет лучшей теплопроводности для увеличения чувствительности ИП.
Материал проволоки должен быть устойчив к истиранию. Обычно используются сплавы: константан, фехраль, а при повышенных температурах – нихром. Наилучшим образом указанным требованиям отвечает платиноиридиевый сплав ПИ-10, обладающий повышенной износоустойчивостью и антикоррозийностью.
Движок может быть щеточным или пластинчатым и изготавливается из нескольких проволок платиноиридиевого, платинобериллиевого сплава или пластин из серебра или фосфористой бронзы. При изготовлении преобразователя провод диаметром 0,03…0,1 мм равномерно наматывается на каркас.
Поверхность проволоки, по которой скользит движок, освобождается от изоляции и полируется. Каркасные реостатные ИП имеют ступенчатый характер изменения выходного параметра R от входного преобразуемого перемещения x. Это вызывает погрешность преобразования, погрешность дискретности, максимальное значение которой (в процентах) определяется по формуле: 
, где 
– максимальное сопротивление одного витка; 
– полное сопротивление преобразователя; w – число витков обмотки ИП. Погрешность дискретности современных реостатных преобразователей лежит в пределах ±(0,05…0,5) %. Порог чувствительности этих ИП 0,1…0,5 мм при линейном и 0,2. 2º при угловом перемещении [15].
В реохордных реостатных ИП погрешность дискретности отсутствует. В этих преобразователях для увеличения хода движка и полного сопротивления высокоомная проволока располагается по спирали (геликоидальные ИП).
Кроме погрешности дискретности, являющейся методической погрешностью, в реостатных ИП возможны и другие источники погрешностей, а именно шумы, наводки, возникающие при изменении переходного контакта движка, ударах его о поверхность проволоки, паразитные термоЭДС в месте соприкосновения движка и обмотки ИП. В то же время влияние температуры окружающей среды на параметры преобразователя незначительно.
Наличие подвижного контакта ограничивает динамические свойства реостатных ИП, которые обычно используются для преобразования медленно меняющихся перемещений или других величин, которые могут быть преобразованы в перемещение (давление, усилие, уровень и т. д.). Выходной параметр реостатного ИП R измеряется с помощью мостовых или потенциометрических схем.
Достоинства реостатных ИП – относительная простота конструкции, возможная высокая точность и возможность получения значительного по уровню выходного сигнала.
К недостаткам реостатных ИП можно отнести ограниченную надежность из-за наличия скользящего контакта, необходимость относительно больших перемещений движка, а иногда и значительных усилий для его перемещения.
На чем основана работа реостатного преобразователя
Электромеханические резистивные преобразователи перемещения представлены реостатными и контактными преобразователями. Если у контактных преобразователей выходной величиной является замкнутое или разомкнутое состояние контактов (т.е. выходная величина принимает только дискретные значения), то у реостатных преобразователей выходная величина непрерывна и представляет собой изменение сопротивления, пропорциональное перемещению движка.
Изменение сопротивления (при постоянстве всех остальных параметров электрической цепи) может быть однозначно преобразовано в изменение напряжения или тока. В этом заключается основной принцип действия электромеханических резистивных преобразователей перемещения.
Контактные преобразователи
Контактными называются измерительные преобразователи, в которых измеряемое механическое перемещение преобразуется в замкнутое или разомкнутое состояние контактов, управляющих электрической цепью. Таким образом, естественной входной величиной контактных преобразователей является пространственное перемещение.
Простейший контактный преобразователь является однопредельным и имеет одну пару контактов (рис.1-а), замыкание которых происходит в функции измеряемого перемещения, например изменения размера изделия 1. При увеличении размера изделия переместится шток 2, и укрепленный на нем контактирующий элемент 3 войдет в соприкосновение с контактом 4. При этом активное сопротивление между контактами 3 и 4 изменится от бесконечности до малой величины, определяемой значением контактного сопротивления.
При контроле размеров чаще всего используются двухпредельные контактные преобразователи с двумя парами контактов (рис.1-б). Встречаются конструкции многопредельных преобразователей с несколькими парами контактов (рис.1-в); контакты могут быть расположены как с обеих сторон контактирующего элемента, так и с одной его стороны.
Контактные преобразователи могут работать либо на замыкание (или размыкание) всей цепи, либо на замыкание (размыкание) участка цепи (рис.1- г).
Реостатные преобразователи
Принцип действия
Реостатным преобразователем называют реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой неэлектрической величины. Естественной входной величиной реостатных преобразователей является перемещение движка, а выходной – сопротивление.
На рис. 2 показано устройство реостатного преобразователя.
На каркас 1 из изоляционного материала намотана с равномерным шагом проволока 2. Изоляция проволоки на верхней грани каркаса зачищается, и по металлу проволоки скользит щетка 3. Добавочная щетка 5 скользит по токосъемному кольцу 4. Обе щетки изолированы от приводного валика 6.
Реостатные преобразователи выполняются как с проводом, намотанным на каркас, так и реохордного типа. Чаще всего используется провод из различных сплавов платины, обладающих повышенной коррозионной стойкостью и износостойкостью; применяется также манганин, константан, фехраль. Микропровод позволяет выполнять миниатюрные преобразователи, имеющие габариты до 5х5 мм.
Каркас выполняется из керамических материалов, пластмассы, гетинакса, металлов (алюминий, дюраль), покрытых слоем лака или оксидной изоляцией. Каркас должен обладать большой теплоотдачей.
Обмотку выполняют из эмалированного или оксидированного провода с последующим покрытием лаком. Следует выбирать материалы проволоки и каркаса так, чтобы их температурные коэффициенты расширения отличались бы незначительно. В противном случае изменение температуры преобразователя может привести к распусканию обмотки или к появлению недопустимых напряжений.
Токосъемные щетки выполняют в виде проволок или лент из бронзы, платиноиридиевого сплава и других упругих материалов или в виде ролика. Последний ставят с некоторым перекосом для обеспечения небольшого скользящего трения и зачистки контактной дорожки.
В жидкостных реостатах подвижным элементом является ртуть.
КЛАССИФИКАЦИЯ РЕОСТАТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПО КОНСТРУКТИВНЫМ ОСОБЕННОСТЯМ
Существует большое разнообразие конструкций реостатных преобразователей перемещения. Они могут быть проволочными и непроволочными. Проволочные отличаются высокой точностью преобразования и стабильностью функции преобразования. Их недостатки – низкая разрешающая способность, невысокое сопротивление (до десятков килоом). Указанные недостатки отсутствуют у непроволочных преобразователей, однако они значительно уступают проволочным по точностным характеристикам. Реостатные преобразователи делятся также на преобразователи с линейным и вращательным перемещением подвижного элемента.
Наиболее распространенными являются следующие конструкции реостатных преобразователей перемещения:
• Многообходный преобразователь (рис. 3-а) состоит из кольцевого каркаса,на который равномерно намотана обмотка. При вращении подвижного контакта сопротивление возрастает от нуля до максимальной величины (рис. 3-б). При прохождении контакта вне зоны обмотки сигнал отсутствует.
• Многооборотный преобразователь (рис. 4) обладает расширенным диапазоном входных величин, достигающим 25-40 оборотов. На алюминиевый спиралевидный каркас наматывается проволочная обмотка. Щетка, совершая вращательное и поступательное движения, скользит по поверхности провода. При равномерной намотке провода статическая характеристика преобразователя имеет линейный характер.
• Функциональный преобразователь (рис. 5) обеспечивает реализацию функциональной статической характеристики. Функциональные преобразователи могут иметь профилированную высоту каркаса (рис. 5-а) при постоянной ширине, либо они состоят из ряда сопротивлений (рис. 5-б). шунтируемых при замыкании контактов подвижным контактом.
Выбирая форму каркаса, можно получить определенную функциональную зависимость между перемещением и выходным сопротивлением. Выходное сопротивление реостатного преобразователя, периметр каркаса p и входное перемещение x связаны между собой зависимостью:
ФУНКЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
При перемещении подвижного элемента изменяется сопротивление преобразователя. Выходного сигнал преобразователя можно получать в виде напряжения или тока, как показано на рис.6
Статические характеристики реостатных преобразователей имеют следующий вид:
Источники основной погрешности:
• загрязнение контактной пары щетка-провод и ее окисление;
• стирание контактной поверхности;
• гистерезис щетки преобразователя вследствие нежесткого ее крепления;
• температура внутреннего нагрева.
Источники дополнительной погрешности:
• влияние внешних магнитных полей на преобразователи с выходным током и напряжением,
заключающееся в наведении дополнительной ЭДС в обмотке;
• колебание частоты питающей сети;
• колебание напряжения Uсети;
• влажность воздуха;
• изменение величины контактного сопротивления при изменении скорости перемещения подвижной части, которое может достигать значительных величин;
• вибрация, которую уменьшают путем выполнения волосков щетки разной длины (это приводит к различным собственным частотам колебаний).
• влияние внешней температуры на размеры h, δ, d и удельное сопротивление ρ;
Суммарная погрешность, вызванная непостоянством параметров преобразователей составляет 0,05-0,1%. Температурная погрешность обычно не превышает 0,1% на 10 градусов.
Достоинства реостатных преобразователей перемещения:
• отсутствие реактивных усилий на подвижную часть;
• высокая перегрузочная способность;
• высокий коэффициент эффективности;
• компактность;
• возможность применения на постоянном и переменном токе;
• удобство эксплуатации.
Недостатки реостатных преобразователей перемещения:
• засорение контактной дорожки;
• недостаточно высокая надежность из-за наличия скользящих контактов;
• пожароопасность.
Реостатные преобразователи перемещения применяются в качестве промежуточных элементов измерительных и регулирующих устройств. Так как многие неэлектрические величины могут быть преобразованы в перемещение (с помощью упругих механических элементов ), то реостатные преобразователи перемещения широко используются в датчиках давления, силы, ускорения, расхода, уровня и т.п.
Реостатные преобразователи
Реостатным преобразователем называют реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой неэлектрической величины. Естественной входной величиной реостатных преобразователей является перемещение движка, а выходной величиной – сопротивление.
На рис.2-9, а показано устройство реостатного преобразователя. На каркас 1 из изоляционного материала намотана с равномерным шагом проволока 2. Изоляция проволоки на верхней грани каркаса зачищается, и по металлу проволоки скользит щетка 3. Добавочная щетка 5 скользит по токосъемному кольцу 4. Обе щетки изолированы от приводного валика 6.
Реостатные преобразователи выполня-ются как с проводом, намотанным на каркас, так и реохордного типа. Чаще всего используется провод из различных сплавов платины, обладающих повышенной коррози-онной стойкостью и износостойкостью; применяется также манганин, константан, фехраль. Микропровод позволяет выполнять миниатюрные преобразователи, имеющие габариты до 5 х 5 мм.
Формы каркасов очень разнообразны: они могут быть в виде пластины, цилиндра, кольца и т.д. Выбирая форму каркаса, можно получить определенную функциональную зависимость между перемещением и выходным сопротивлением, как показано примера на рис. 2-9, б. Выходное сопротивление реостатного преобразователя, периметр каркаса р и входное перемещение х связаны между собой зависимостью:
,
где r – сопротивление 1 м провода; w0– число витков на единицу длины преобразователя.
Из заданной зависимости R=j(х) можно определить зависимость р =f (х).
Реостатные преобразователи аналогично контактным являются ступенчатыми (дискретными) преобразователями (за исключением преобразователей реохордного типа), поскольку непрерывному изменению входной величины соответствует ступенчатое изменение сопротивления. При перемещении движка преобразователя на расстояние l, соответствующее w виткам, будут иметь место 2w ступенек, однако эти ступеньки неодинаковы по длине преобразователя.
Рассмотрим в качестве примера выходную характеристику преобразователя, включенного в режиме делителя напряжения, как показано на рис. 2-9, в. В положении 1 движок, имеющий ширину 2d, где d – диаметр витка, замыкает накоротко витки а и b, и выходное напряжение:
,
где w0 — полное число витков и п – число витков до витка а. При смещении движка на расстояние d/2, т.е. в положение 2, движок замыкает накоротко три витка а, b и с, и выходное напряжение 
; при смещении движка еще на d/2выходное напряжение 
. Размер ступенек напряжения при перемещении движка на расстояние d/2 будет зависеть от n: первая ступенька с увеличением п увеличивается, а вторая – уменьшается, сумма остается постоянной: 
. Выходное напряжение преобразователя показано на рис. 2-9, в.
Дополнительное расширение полосы неопределенности происходит за счет шума, «генерируемого» движком при его движении (вариации контактного сопротивления, временное разъединение движка и контактной дорожки, ЭДС трения и т.д.). Поэтому в целом погрешность нуля реостатных преобразователей оценивается значением ± (2/w ¸ 1/w).
Измерительные цепи, в которые включаются реостатные преобразователи, питаются преимущественно постоянным напряжением, но могут питаться и переменным напряжением. Напряжение питания преобразователя определяется его допустимой мощностью (для самых малогабаритных преобразователей допустимая мощность составляет не менее 0,1 Вт) и сопротивлением. Напряжение питания, как правило, стабилизируется. Наиболее распространенным является включение преобразователя в виде управляемого делителя напряжения или включение преобразователя в измерительный мост. Номинальное изменение сопротивления реостатного преобразователя достигает 90%, поэтому необходимо учитывать нелинейность, вносимую измерительной схемой, и, исходя из допустимой погрешности линейности, выбирать сопротивление измерительного прибора.
Реостатные преобразователи
 |
| Рис. 4.1.2 Реостатные преобразователи для угловых (а), линейных (б) перемещений и для функционального преобразования линейных перемещений (в) |
 |
| Рис. 4.1.3 Схема уровнеметра |
Реостатные преобразователи основаны на изменении электрического сопротивления проводника под влиянием входной величины – перемещения. Реостатный преобразователь, как показывает само название, представляет собой в простейшем случае реостат, щетка (движок) которого перемещается под воздействием измеряемой неэлектрической величины. На рис. 4.1.2 схематически показаны некоторые варианты конструкций реостатных преобразователей для углового (рис. 4.1.2,а) и линейного (рис. 4.1.2,б и в) перемещений. Преобразователь состоит из обмотки, нанесенной на каркас, и щетки. Форма каркаса зависит от характера измеряемого перемещения (линейное, угловое), от вида функции преобразования (линейная, нелинейная) и других факторов и может иметь вид цилиндра, тора, призмы и т.д. Для изготовления каркасов применяются диэлектрики (гетинакс, пластмасса, керамика) и металлы (дюралюминий с анодированной поверхностью). Проволока для обмотки выполняется из сплавов (сплав платины с иридием, константан, нихром и фехраль). Для обмотки преобразователя обычно используется изолированный эмалью или оксидной пленкой провод. После изготовления обмотки изоляция провода счищается в местах соприкосновения его с щеткой. Щетка преобразователя выполняется либо из проволок, либо из плоских пружинящих полосок, причем используются как чистые металлы (платина, серебро), так и сплавы (платина с иридием, фосфористая бронза, медно-серебряные сплавы и т.д.). Качество контакта щетки и обмотки определяется контактным давлением, которое выбирается в широких пределах от десятых долей грамма до сотен граммов в зависимости от материалов контакта и обмотки и условий работы преобразователя. Габариты преобразователя определяются значением измеряемого перемещения, сопротивления обмотки и мощностью, выделяемой в обмотке. Для получения нелинейной функции преобразования применяются функциональные реостатные преобразователи. Нужный характер функции преобразования очень часто достигается профилированием каркаса преобразователя (рис. 4.1.2,в). В рассматриваемых реостатных преобразователях зависимость изменения сопротивления от перемещения щетки имеет ступенчатый характер, так как сопротивление изменяется скачками на значение сопротивления одного витка. Это вызывает погрешность преобразования. Максимальная приведенная погрешность при этом g = DR/R, где DR – максимальное сопротивление одного витка; R – полное сопротивление преобразователя. Иногда применяются реохордные преобразователи, в которых щетка скользит вдоль ось проволоки. В этих преобразователях отсутствует указанная погрешность.
Выходной параметр реостатных преобразователей – сопротивление – измеряется обычно с помощью мостовой схемы.
К достоинствам преобразователей относится возможность получения высокой точности, значительных по уровню выходных сигналов и относительная простота конструкции. Недостатки – наличие скользящего контакта, необходимость относительно больших перемещений движка, а иногда и значительного усилия для его перемещения.
Применяются реостатные преобразователи для преобразования сравнительно больших перемещений (угловых, линейных) и других электрических величин (усилия, давления и т.д.), которые могут быть преобразованы в перемещение.
 |
| Рис. 4.1.4 Преобразователи с угольными шайбами |
 |
| Рис. 4.1.5 Тензочувствительный проволочный преобразователь |
Пример применения реостатного преобразователя для измерения уровня или объема жидкости показан на рис. 4.1.3. Изменение положения поплавка, определяемого уровнем или объемом жидкости, вызывает изменение сопротивления резисторов R1 и R2, включенных последовательно с катушками 1 и 2 логометра. В результате изменяются отношение токов в катушках и показание прибора. Шкала прибора градуируется в значениях измеряемой величины объема или уровня жидкости.