Материал: Расчет и проектирование элементов измерительных устройств

Рис. 6 - К расчету погрешностей потенциометра

При проектировании величина сопротивления нагрузки R_н 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 R_д (рис. 7, а). Компенсация влияние нагрузки осуществляется вследствие того, что последовательно включенное сопротивление R_д 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 R_ш=0,31R_н.

Максимальная мощность рассеяния P_max показывает собой величину мощности, которая может рассеиваться потенциометром без ухудшения его характеристик (изменение R₀ и т.п.). Выбор P_max зависит от температуры среды, в которой работает потенциометр. При высокой температуре среды мощность рассеяния должна быть соответствующим образом снижена. Величина P_max позволяет определить значение максимально допустимого значения U_{0 max}:

Различают номинальную и действительную мощности рассеяния.

Под номинальной мощностью рассеяния P_ном подразумевают мощность рассеяния потенциометра с сопротивление нагрузки R_н=, т.е.

                                                 (4)

Мощность рассеяния с R_н:

                  (5)

При R_н=R₀ (k=1) P=0.25P_ном. При R_н=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 R_д(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…0,05 мм на номинальные значения в 0,3…3,0 мм толщины и ширины пластичных потенциометров и 0,01…0,03 мм на диаметры стержней стержневых потенциометров при номинальном их значении 2…10 мм. Из потенциометров при номинальном из значении 2…10 мм. 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 I_B 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…0,3 мм. Из манганина, обладающего хорошей пластичностью выпускается так же проволока диметром 0,02 и 0,025 мм.

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.

Рис. 9 - К пояснению принципа изготовления потенциометра

Электромагнитные механизмы

Под электромагнитным механизмом (ЭММ) понимают любое устройство, работа которого основана на взаимодействии ферромагнитного подвижного элемента с магнитным полем, создаваемым намагничивающей обмоткой. ЭММ состоит из двух основных узлов: электромагнита (ЭМ) и исполнительного механизма (исполнительного органа, механизма нагрузки). ЭММ по существу является преобразователем электромагнитной энергии ЭМ в механическую энергию исполнительного механизма. Работа в ЭММ совершается электромагнитными силами. Типичным примером ЭММ является электромагнитное реле, в котором роль исполнительного механизма играет узел контактных пружин.

Благодаря своим богатым функциональным возможностям ЭММ в настоящее время нашли широкое применение вообще и в особенности в приборных устройствах. Они отличаются не только большим разнообразием выполняемых функций, но и в еще большей степени разнообразием конструктивных решений. Это различного рода ЭММ для управления электрическими цепями, применяемые в электроавтоматике, телеметрии, телефонии: реле - коммутационные, токовые, напряжения, обратного тока;

шаговые переключатели, контакторы, электромагнитные выключатели, магнитные пускатели и т.д. Характерными механизмами электроприводов и устройств управления являются электромагнитные муфты, служащие для включения и отключения приводимого механизма, его реверса, а также для регулирования скорости и ограничения момента. ЭММ используются в качестве приводов для управления различными клапанами, вентилями, задвижками, золотниками (электромагнитные краны, электропневмо-клапаны и т.д.), для создания удерживающей или тормозящей силы (подъемные электромагниты, электромагнитные замки, тормозы и т.п.) в силовых вибраторах. Интересным является применение ЭММ в магнитных подвесах, вибраторах устройств питания и усиления электрических сигналов, в качестве регуляторов электрических величин, так называемых электромагнитных пропорциональных управляющих элементов систем автоматического управления.

Особенности приборных ЭММ заключаются в следующем. Во-первых, приборные ЭММ - маломощные механизмы. Во-вторых, к ним часто предъявляют высокие требования в отношении динамических характеристик (быстродействия). В-третьих, это преимущественно ЭММ постоянного тока. ЭММ постоянного тока в сравнении с ЭММ переменного тока имеют значительно меньшую потребляемую мощность, массу и габариты и способны развивать большие тяговые усилия. Даже в тех приборных устройствах, в которых имеется лишь питающая сеть переменного тока, выгоднее установить специальный выпрямитель, чем использовать ЭММ переменного тока. Такой выпрямитель легко может быть реализован на полупроводниковых 3 элементах, учитывая, что ЭММ приборных устройств являются мало - «| мощными. И, наконец, в-четвертых, приборные ЭММ нередко отличаются особыми тяговыми характеристиками, что объясняется особенностями их применения.

Наибольшую трудность при создании ЭММ представляет расчет и проектирование наиболее сложного и специфического узла ЭММ - его электромагнита.

Учитывая вышесказанное, рассмотрим лишь ЭМ, причем только постоянного тока.

Характеристики магнитного поля, элементы магнитной цепи и основные части ЭМ.

Магнитные поля представляют обычно с помощью так называемых картин или спектров поля, полученных, например, ориентированным расположением в нем железных опилок. Вид картин поля, а также силы, действующие в нем, позволяют ассоциировать магнитное поле с некоторым «застывшим» потоком жидкости. Говоря о движении жидкостей, вводят понятия потока, который определяется количеством жидкости, протекающей через некоторую поверхность 5, нормальную к направлению движения жидкости, в единицу времени, а также плотности этого потока, которая равна потоку, проходящему через единичную площадку. Для характеристики магнитного поля вводят аналогичные понятия потока Ф(Вб) и его интенсивности или плотности В (Т). В соответствии с определением

= Ф/S

В качестве основных величин магнитного поля чаще всего принимают индукцию В и магнитную постоянную µ₀ (Г/м) или абсолютную магнитную проницаемость µ. (Г/м), причем индукция рассматривается как величина, характеризующая силовые возможности поля.¹ Для удобства выполнения расчетов в дополнение к основным величинам В и цо формально вводят вспомогательную величину -' напряженность поля Н (А/м), не давая ей физического толкования: