Потенциометрический датчик линейных перемещений Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

3. Родионов В.И. Анализ и синтез управляемого гиростабилизатора при переменных углах пеленга летательного аппарата // Авиакосмическое приборостроение. 2005. Вып 3. С. 2 - 6.

4. Кожеуров М.А., Родионов В.И. Влияние динамики гироскопа и электропривода на погрешность стабилизации систем наведения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. Вып. 5. Ч. 2. С. 320 - 329.

Кожеуров Максим Александрович, асп., maxxomonte@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Родионов Владимир Иванович, д-р техн. наук, проф., tgupuayandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

STABILIZATION AND INDUCTION SYSTEM WITH SUBORDINATE REGULATION

M.A. Kozheurov, V.I. Rodionov

Structural schemeof information - measuring system that combines functions of stabilization and induction with subordinate regulation are showed.Investigateshave beencar-riedat dynamics of gyroscopes and electrodynamic processes that occurin direct current and alternating current electric drives.

Key words: subordinate regulation,stabilization, induction.

Rodionov Vladimir Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, tgu-pu@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Kozheurov Maksim Aleksandrovich, postgraduate, tgupuayandex.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.317.727.2

ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ЛИНЕЙНЫХ

ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

А.А. Выставкин

Подробно рассмотрен линейный потенциометр: его основные характеристики, электрическая схема, различные погрешности и зависимости. Также приведен пример расчета линейного потенциометра.

Ключевые слова: линейный потенциометр, обмотка, каркас, сопротивление потенциометра, напряжение.

С конца 19-го века и по настоящее время потенциометры применяются не только в качестве делителей напряжения, но и нашли широкое применение в измерительных приборах систем управления, например, в

234

системах регулирования с обратной связью, электромеханическом интеграторе, где линейный потенциометр механически связан с самописцем, в закрылках ракеты и т.д. Рассмотрим подробнее линейный потенциометр. Электрическая схема потенциометра представлена на рис. 1 [1].

а

Йо. Ь

Як, 1х

В

с

ивых

Рис. 1. Электрическая схема потенциометра

Входное напряжение С/0 подводится к точкам А и В потенциометра, а выходное С/вых снимается с точек А и С (скользящий контакт).

Текущее сопротивление Ях потенциометра связано с перемещением движка 1Х зависимостью

(1)

'о

где Ях - текущее сопротивление потенциометра; - общее сопротивление потенциометра; 1Х - длина потенциометра, соответствующая текущему сопротивлению потенциометра; /о - полная рабочая длина потенциометра.

Тогда выходное напряжение с потенциометра

Р)

'о

где ивых - выходное напряжение с потенциометра; Щ - входное напряжение.

Важной характеристикой потенциометра является витковая погрешность. В проволочных потенциометрах равномерное перемещение движка приводит к дискретному изменению ивык. Это объясняется тем, что движок потенциометра перемещается не по длине провода, а переходит с одного витка на другой. Величина скачков напряжения АС/, характеризующая разрешающая способность, обратно пропорциональна числу витков обмотки со:

со

где А и - величина скачков напряжения; со - число витков обмотки.

Разрешающая способность связана с витковой погрешностью 5В проволочного потенциометра, определяемой как наибольшее отклонение, вызванное дискретностью изменения С/выхот теоретической характеристики. Величина этого отклонения равна половине А и (рис. 2) [1].

А иы

Ьи

<

Рис. 2. Ступенчатая характеристика проволочного потенциометра

Витковая погрешность в процентах напряжения :

1

х100 о/

(4)

2хс0у/

где 5В - витковая погрешность.

Выражение (4) 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.

Это приводит к появлению промежуточного скачка напряжения, величина которого зависит от положения движка на потенциометре. В середине обмотки величина промежуточного скачка оказывается равной половине Д£/, а это, в свою очередь, формально приводит к двукратному уменьшению 8В. Таким образом, 5В по формуле (4) представляет собой максимальное значение витковой погрешности потенциометра, и она лишь условно принимается за постоянную для линейных потенциометров.

Общее сопротивление потенциометра зависит от геометрических размеров потенциометра и параметров обмотки или покрытия (удельного электрического сопротивления р, размеров поперечного сечения каркаса и др.). Величина ограничивается снизу допустимым нагревом потенциометра (тонкий проводник быстрее изнашивается) и низким удельным сопротивлением проводника [2].

Йо

Рис. 3. Линейный потенциометр при ф оо

На характеристику потенциометра оказывает влияние величина сопротивления нагрузки Яя. Для линейного потенциометра выражение (1) справедливо только в случае бесконечно большого сопротивления нагрузки. При Яя Ф оо (рис. 3)

а

а

вых

1 + ах(1-а) к

237

хС7п

(5)

где а - установка потенциометра, выраженная в долях всего сопротивления, а = —; к ~ коэффициент передачи, к = —.

Если Яя Ф оо ? погрешность

2 а х(1-а) 1АА ^н = ~ -„ ч хЮО о/0ч

(6)

к + ах(1-а)

На рис. 4 показаны зависимости 5Н = /(а) при различных значениях к [3].

О 0,20 0^0 0,60 0,80 1,0 Установка потенциометра, в

Рис. 4. Зависимость 5Н = /(а)

Максимальная мощность рассеяния Р1ШХ представляет собой величину мощности, которая может рассеиваться потенциометром без ухудшения его характеристик. Величина Ртах позволяет определить значение

максимально допустимого значения £/ошах :

^Отах = Ох^тах> (7)

где С/дщах ~~ максимальное значение напряжения; Ртах - максимально мощность рассеяния.

Также различают номинальную и действительную мощности рассеяния. Под номинальной мощностью рассеяния Рном подразумевают мощность рассеяния потенциометра с сопротивлением нагрузки Яя = °о.

= (8)

Действительная мощность рассеяния

к2

р _ =р х—-__(9)

^ деист * ном , ,9'

где /дейст ~~ действительная мощность рассеивания.

Выбор диаметра проволоки определяется тепловым режимом работы потенциометра. При слишком маленьком диаметре происходит перегрев потенциометра, а выбор большого диаметра ограничивается допустимыми габаритами потенциометра.

При непрерывной работе потенциометра и использовании для обмотки манганиновой или константановой проволоки перегрев не должен

превышать 50 °С, что возможно в случае, если плотность тока не превы-д

шает у" = 10 —^-(для потенциометра с каркасом из пресспорошка) и мм

д

У = 30--(для потенциометров с металлическими каркасами) [4].

мм

Диаметр проволоки без изоляции

1Р ~

¿>4 , Г™' (10)

^712х/ХДо

где (Л - диаметр проволоки.

Если известна рабочая длина обмотки /0 (перемещение движка), то можно определить число витков

соА (11)

I

где /о - рабочая длина обмотки; I - шаг намотки.

В случае плотной намотки провода с изоляцией

/ = </и + (0.012...0.015) Длина обмоточного провода

(12)

4хр

где ¿о - длина обмоточного провода; р - плотность проволоки.

/ м

'ср > к СО

где /ср - средняя длина одного витка.

Произведем расчет линейного потенциометра по заданным параметрам:

Д = 0.5 КОм

о

Лн = 20 КОм, С/о =5 в, /о = 8 мм, Т = -50... + 60 °С,

1) к = —= 40, по рис. 4 определяем а: а = 0.625;

= а2 х(1-а) х100% = 0.6252 х0.375х10()% = 0 ^ % н к + ах(1-а) 40 + 0.375

тт2 г2

3) = — = — = 0.5 Вт; ном Яд 500

А-2 402

4) ^ейст^ном*-= 0.5х-- = 0.04759 Вт;

1 + к2 1 + 40

5) исходя из условий эксплуатации и требований к потенциометру, в качестве материала проволоки выбираем сплав - Константан НМц 40-1.5, а в качестве материала каркаса - термореактивный пресспорошок АГ-4, при таком сочетании допускается плотность тока в обмотке

У = ю ;

ММ

^ л ъ ,1бхРдейств А 16x004759

6) <И> 4 ——%-= 4-~-=-> 0.03524 мм,

]1к2х/хЯо V 3.14159 х 10 х500 Принимаем с/ = 0.05 мм и с!И = 0.075 мм;

7) / = £/и + (0.012...0.015) = 0.075 + 0.012 = 0.087 мм;

/ 8

8) со= — =-= 91.954—>92;

/ 0.087

' 1 Л

9) §в =

2хсо

' 1 Л

х100% =

2x92

х 100% = 0.5434 %;

г Яохкхс!2 500x3.14159х0.052 х10~б 10) Ц)=—-=---= 1.96349 м;

4хр 4x0.5x10

11) /ср= —= —~— = 21.34232 мм;

¿0 _ 1963.49 со ~ 92

12) определение размеров поперченного сечения каркаса прямоугольного сечения:

Ъ>Ахс1,

где Ь - ширина каркаса,

6 = 10хс/ = 10x0.05 = 0.5 м, 240

/сп 21 34232 H =-b = 21-34232 -0.5 = 10.12 мм, 22

где H - высота каркаса.

При выборе материала при расчете учитывалась дешевизна материалов, так как при заданных условиях плотность тока в проводнике не

будет превышать j = 10 А, .

мм

Таким образом, потенциометрические датчики сейчас используются во всех отраслях, где требуются высокоточные измерения и непритязательность к условиям.

Список литературы

1. Элементы приборных устройств. Курсовое проектирование: учеб. пособие для вузов в 2 ч. Ч. 1. Расчеты / Н.П. Нестерова [и др.] под ред. О.Ф. Тищенко М.: Высш. школа, 1978. 328 с.

2. Справочник по элементам радиоэлектронных устройств / под ред. В.Н. Дулина, М.С. Жука. М.: Энергия, 1978, 576 с.

3. Арендт В.Р., Сэвент К. Дж. Практика следящих систем: научное издание / пер. с англ. под ред. Т.М. Райцына, А.В. Фатеева. М.; Л.: Гос-энергоиздат, 1962. 556 с.

4. Смолов В.Б., Лебедев А.Н., Сапожков К.А. Вычислительные машины непрерывного действия: учеб. пособие для вузов М.: Высшая школа, 1964. 552 с.

Выставкин Александр Андреевич, студент, alexandr.vystavkin@gmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный университе

POTENZIOMETRIC LINEAR ENCODERS

A.A. Vystavkin

The linear potentiometer: its main characteristics, circuitry, various error - dence and dependence is considered. It is also an example of the calculation of the linear potentiometer.

Key words: linear potentiometer, winding frame, the resistance of the potentiometer

voltage.

Vystavkin Alexander Andreyevich, student, alexandr. vystavkin@gmail.com, Russia, Tula, Tula State University