Потенціометричний датчик

Потенціометричний давач кута повороту валу у сервомашинці

Потенціометричний датчик, потенціометричний давач або потенціометричний перетворювач, також реостатний давач — вимірювальний перетворювач, призначений для вимірювання та перетворення у електричний сигнал лінійних або кутових переміщень, тобто є перетворювачем переміщення, вхідним сигналом якого є положення рухомого контакту потенціометра (змінного резистора високої точності та стабільності), а вихідним — напруга, яку можна зняти з цього контакту або опір відповідної частини потенціометра.

Потенціометричні давачі використовуються як давачі положення механічних елементів системи, наприклад, дросельної заслінки, поплавця рівнеміра, пружного елемента в електромеханічних манометрах, валу сервомашинки. Давачі такого типу використовуються в системах промислової автоматики, автомобільній, корабельній, авіаційній та ракетно-космічній техніці^{[неавторитетне джерело]}.

Принцип дії

U — напруга живлення давача
L — довжина робочого ходу щітки
x — положення щітки
U_x — вихідний сигнал

Чутливим елементом потенціометричного давача є потенціометр, рухомий контакт (щітку) якого з'єднано з механічним елементом, положення якого треба визначити. З електричної точки зору, у точці контакту щітки фіксований резистивний елемент ділиться на дві частини змінної величини, залежної від положення щітки. При використанні потенціометра як дільника напруги на його крайні контакти подається напруга живлення, а вихідним сигналом є напруга, яку знімають між рухомим контактом та одним з кінців резистивного елемента. Величина вихідного сигналу пов'язана з положенням щітки наступним співвідношенням^{[неавторитетне джерело]}:

$U_{x}=U\cdot {\frac {R_{x}}{R}}$

де U — напруга живлення давача, R — повний опір потенціометра, R_x — опір між виводом початку резистивного елемента та рухомим контактом, U_x — вихідний сигнал. Якщо потенціометр має лінійну функціональну залежність, виконується співвідношення

${\frac {R_{x}}{R}}={\frac {x}{L}}$

де L — довжина резистивного елемента, x — відстань між початком резистивного елемента та рухомим контактом. Залежність сигналу від положення в цьому випадку приймає вигляд

$U_{x}={\frac {U}{L}}\cdot x=k\cdot x$

де k = U / L — коефіцієнт перетворення потенціометричного давача.

Функціональна залежність

Залежність положення рухомого контакту потенціометричного давача від вимірюваної фізичної величини може бути нелінійною. Наприклад, нелінійною є залежність висоти рідини від її об'єму у випадку резервуара складної форми. Для створення давача, вихідний сигнал якого пропорційний значенню вимірюваної величини, використовуються потенціометр, передавальна функція якого є оберненою до вказаної залежності.

Серійно випускаються потенціометри зі стандартними передавальними характеристиками, наприклад, алгебраїчною (квадратичною, кореневою) або тригонометричною залежністю.

Кусково-лінійна апроксимація лінійним потенціометром з двома відведеннями

У випадку складної характеристики, яку, проте, з достатньою для використання точністю вимірювання можна апроксимувати за допомогою кусково-лінійної функції, використовується потенціометр з лінійною залежністю та відведеннями від резистивного елемента й додатковий дільник напруги з постійних резисторів.

Нехай потенціометр з довжиною резистивного елемента L має два відведення у точках на відстанях x₁ та x₂ від початку елемента. За допомогою зовнішніх постійних резисторів напруги у цих точках встановлено U₁ та U₂ відповідно. Тоді при переміщенні щітки від нульового положення до точки x₁ напруга на виході лінійно змінюватиметься від 0 до U₁, при переміщенні від x₁ до x₂ напруга лінійно змінюватиметься від U₁ до U₂ і так далі. Передавальна характеристика потенціометричного перетворювача матиме вигляд:

$U_{x}={\begin{cases}{U_{1} \over x_{1}}\cdot x\;,\quad 0\leq x\leq x_{1}\\{\frac {U_{2}-U_{1}}{x_{2}-x_{1}}}\cdot (x-x_{1})+U_{1}\;,\quad x_{1}<x\leq x_{2}\\{\frac {U-U_{2}}{L-x_{2}}}\cdot (x-x_{2})+U_{2}\;,\quad x_{2}<x\leq L\end{cases}}$

Конструкція

Залежно від характеру переміщення рухомого контакту потенціометричні перетворювачі діляться на перетворювачі лінійних та кутових переміщень.

У перетворювачів лінійних переміщень резистивний елемент виконується на прямому каркасі необхідної довжини. Робочий хід, а разом з ним і діапазон вимірюваних лінійних переміщень, обмежуються довжиною робочої частини резистивного елемента.

Прецизійні 20-оборотні потенціометри ППМЛ-ИМ з лінійною характеристикою і дев'ятьма та двома відведеннями

Каркас перетворювачів кутових переміщень виготовляється у вигляді дуги кола. Робочий кут зазвичай дещо менший за 360 градусів. Для розширення діапазону вимірювань випускаються так звані «багатооборотні» потенціометри, робочий кут яких становить 1800°, 3600°, 7200° (5, 10, 20 обертів валу). Каркас таких потенціометрів розміщується по гвинтовій лінії.

Резистивний елемент потенціометричного датчика часто виконується у вигляді дротяного резистора. У цьому випадку на каркас намотується тонкий ізольований емаллю або шаром окислу електричний провід з матеріалу з високим питомим опором та низькою залежністю цього параметра від температури. Найчастіше використовується манганин, константан, фехраль. Для виготовлення давачів з підвищеною зносостійкістю та стійкістю до корозії використовується сплав, що складається з 90 % платини та 10 % іридію. Також у цих випадках використовується дріт з інших сплавів на основі платини, наприклад, платина-паладій, платина-рубідій.

У перетворювачах низького класу точності використовується дріт діаметром 0,1…0,4 мм. Платино-іридієвий сплав дає можливість виготовити дріт діаметром до 0,03 мм, який використовується у перетворювачах високого класу точності.

Щітка виготовляється з кількох дротинок платино-іридієвого чи платино-берилієвого сплаву або пластинок з фосфористої бронзи.

Для виготовлення каркаса використовується ізоляційний матеріал, наприклад, гетинакс, текстоліт, кераміка. Використовуються також каркаси з алюмінію, ізольованого лаком або плівкою окислу. Завдяки високій теплопровідності алюмінієві каркаси дозволяють збільшити густину струму в провіднику резистивного елемента, що збільшує чутливість перетворювача.

Переваги та недоліки

Основні переваги потенціометричних давачів: висока точність та стабільність функції перетворення, мале значення перехідного опору, низький рівень власних шумів.

Основні недоліки потенціометричних перетворювачів: невелике значення роздільної здатності, обмежені можливості при використанні змінного струму, наявність ковзного контакту, що призводить до обмеженої кількості робочих циклів давача^{[неавторитетне джерело]}.

Див. також

• Ємнісний рівнемір
• Тензодатчик
• Індукційний перетворювач

Джерела

• Ю. П. Кондратенко, Г. В. Кондратенко, О. О. Черно, А. К. Попов. Вимірювальні перетворювачі систем автоматичного керування. Методичні вказівки до лабораторних робіт. [Архівовано 21 лютого 2014 у Wayback Machine.] / Під редакцією д.т. н., проф. Ю. П. Кондратенка — Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова.
• The Measurement, Instrumentation and Sensors Handbook / Webster J. — CRC Press LLC — 1999 — ISBN 978-0-8493-8347-2
• Электрические измерения неэлектрических величин / Под ред. П. В. Новицкого — Л. : Энергия, 1975 — 576 с.
• Проектирование датчиков для измерения механических величин / Под. ред. Е. П. Осадчего. — М. : Машиностроение, 1979. — 480 с.