Каждый студент на очередном занятиии в лаборатории

ПРАВИЛА РАБОТЫ В ЛАБОРАТОРИИ
1)
Каждый студент на очередном занятиии в лаборатории
должен ознакомится с описанием работы, усвоить теоретические основы
изучаемых элементов и составить черновик протокола испытаний,
содержащий все схемы, расчеты и другие материалы, согласно заданию
(литература, необходимая для подготовки, указывается в конце описания
работы).
2)
В течение каждого занятия преподавателем производится
проверка подготовленности студентов к выполнению предстоящей работы.
3)
Подача напряжения питания на установку разрешается только
после проверки схемы преподавателем или лаборантом. При работе в
лаборатории необходимо соблюдать правила техники безопасности.
4)
После выполнения работы следует, не разбирая схемы, показать
преподавателю графики исследуемых характеристик. После подтверждения
правильности результатов разобрать схему.
5)
К концу занятия каждый студент должен представить аккуратно
оформлецный отчет и черновик по проделанной работе. Отчет оформляется
на специальных бланках или развернутых листах тетрадей (желательно в
клетку). Графическая часть в этом случае выполняется на миллиметровке.
6)
Студенты, не представившие отчета по предыдущей работе, к
лабораторным работам не допускаются.
7)
Зачет по работе должен быть сдан как правило во время занятий.
8)
Студент, пропустивший лабораторные занятия, допускается к
выполнению следующих работ только с разрешения деканата.
I) ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучение
теории
потенциометрических
(реостатных)
преобразователей и проведение экспериментальных исследований линейных
и функциональных преобразователей.
II) ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
2.1 Назначение
Потенциомегрические преобразователи применяются в различных
информационно-измерительных системах и вычислительных устройствах.
Потенциометрические преобразователи служат для преобразования угловых
и линейных перемещений в соотвегствующие им по величине электрические
напряжения;
Реостатные преобразователи служат для преобразования угловых и
линейных перемещений в соответствующие им по величине электрические
сопротивления.
2.2 Принцип действия, характеристики и схемы включения
Потенциомегрические (реостатные) преобразователи представляет
собой проводник с омическим сопротивлением и скользящим контактом, с
помощью которого в электрическую схему
может быть подала часть сопротивления или
приложенного к проводнику напряжения.
Наибольшее
распространение
находят
проволочные
потенциометрические
преобразователи, - схема конструкции
которых приведены на рис. 1а.
На каркасе 1 прямоугольной или круглой
формы, выполненном из изоляционного
материала, размещены плотно в один ряд
витки изолированного провода 2 из материала
с высоким омическим сопротивлением. По
очищенной от изоляции поверхности
скользит щетка 3 движка преобразователя.
Щетка обычно представляет собой
металлическую ленточку или проволоку,
изогнутую на конце.
Щетка выполняется из упругих материалов.
При перемещении по обмотке потенциометра ее изогнутый конец
касается следующего витка раньше, чем сходит с предыдущего (см. рис. 1,6).
Рис. 1,б Схема перемещения щётки по обмотке преобразователя
Вследствие этого в момент перехода с ветка на виток контакт не
нарушается и каждому положению X щетки соответствует сопротивление Rx
между одним из крайних зажимов (например, А) и средним зажимом В,
соединенным с токосъемным кольцом 4, по которому скользит щетка 3.
Полное сопротивление реостата равно :
Где - удельное сопротивление материала провода,
- средняя длина витка,
d - диаметр провода
Если к крайним зажимам А и С преобразователя (см. рис. 1, а)
приложить напряжение питания Uo, то каждому положению щегки X будет
соответствовать напряжение Ux. При этом создается функция
преобразования
Такой преобразователь называется
потенциометрическим.
Зависимости
и
являются статическими
характеристиками реостатного и потенциометрического преобразователей
соответственно. Эти характеристики могут быть как линейными, так и
нелинейными.
Преобразователь, сопротивление и напряжение которого изменяются
пропорционально перемещению щетки, называется линейным и его
характеристики имеют вид прямой линии
Коэффициенты S и , связывающий механическую величину - перемещение
и электрическую - сопротивление или напряжение, называется
чувствительностью преобразователей. Для случая измерения углового
перемещения
,
Где - радиус каркаса преобразователя,
- входное измеряемое угловое перемещение.
Для получения нелинейной статической характеристики можно
применить каркас переменного сечения (так называемый профилированный),
или шунтировать отдельные участки линейного реостата.
При применении каркаса переменного сечения шаг намотки постоянен,
а нелинейность достигается изменением длины витка
на различных
участках за счет переменной высоты
каркаса (см. рис. 2).
Рис.2 Схема и характеристика
преобразователя с профилированным
каркасом.
Высота hxi прямоугольного каркаса (для i-ro участка) равна:
Где
и
- сопротивление и длина i-ro участка преобразователя,
- удельное сопротивление материала провода,
-толщина, каркаса,
- диаметры обмоточного провода без изоляции и с изоляцией.
При применении метода шунтирования, линейный реостат делится на
ряд равных участков и шунтируется сопротивлениями различной величины.
При этом характеристика реостата будет иметь вид ломаной линии, состоящей
из прямолинейных отрезков, число которых равно числу участков (рис. 3).
Величина сопротивления шунта определяется по формуле:
Где
- сопротивление i-ro участка до шунтирования
- требуемое сопротивление i-ro участка.
Электрическая схема нагруженного потенциометрического преобразователя
показана на рис.4.
Рис.4 Схема электрической цепи
Потенциометрического
преобразователя
Где
- выходное напряжение,
- измеряемое входное перемещение,
- общая длина намотки преобразователя,
- напряжение питания,
- сопротивление нагрузки,
- полное сопротивление преобразователя.
Видно, что функция (2) - статическая характеристика нагруженного
преобразователя - нелинейна, причем нелинейность существенно зависит от
соотношения
При
, т.е. для ненагруженного потенциометрического
преобразователя в случае использования прямолинейного каркаса и
равномерной намотки из уравнения (2) следует, что
, где
- чувствительность потенциометрического преобразователя
Схема включения потенциометрического преобразователя дана на рис.5.
и
Это мостовая электрическая схема состоит из двух одинаковых
линейных потенциометров. При этом на потенциометрах фиксируется средняя
"нулевая точка", относительно которой отсчитывается выходное напряжение
, соответствующее входному перемещению х.
1.3 Материалы
Материал провода обмотки должен иметь высокое удельное
сопротивление, малый температурный коэффициент сопротивления,
обладать стабильностью характеристик во времени, коррозионной
стойкостью, высококачественной изоляцией и большой прочностью, как на
истирание, так и на разрыв.
В преобразователях широко используются обмотки из константана,
нихрома, манганина. Для высокоточных преобразователей применяют
сплавы на основе золота, серебра, палладия.
Для изготовления каркасов потенциометров используют как
неметаллические материалы, так и металлы. Из неметаллических материалов
применяю: текстолит, гетинакс, эбонит, органическое стекло, прессованную
керамику. Недостатки неметаллических материалов: гигроскопичность,
низкие теплопроводность и теплоемкость. Для металлических каркасов
применяются алюминиевые сплавы АМГ, Д1, Д16 и др. Анодирование
каркасов или изоляция различными лаками позволяют получить прочные
электроизоляционные покрытия.
Материал щетки движка должен быть упругим, износоустойчивым,
устойчивым против электрической эрозии и коррозии (которые приводят к
нарушению контакта). Среди дешевых материалов можно назвать
бериллиевую фосфористую бронзы. Лучшими материалами являются
палладий, иридий и сплавы(платино-иридиевый, палладий-иридиевый).
•
1.4 Погрешности
Погрешности могут появиться как следствие несовершенства метода
измерений - методические погрешности, так и следствие
несовершенства конструкции самого преобразователя,
свойств материала и др. - инструментальные
погрешности. Методические погрешности
1)
Витковая
погрешность
или
погрешность
ступенчатости-возникает из-за того, что сопротивление
или напряжение на выходе проволочного потенциометра
изменяется скачком при переходе щетки с одного витка
на другой (рис.6а).
Пока щетка скользит по одному витку сопротивление витка не
изменяется. При переходе щетки на другой виток сопротивление сразу
возрастает на величину . За расчетную характеристику преобразователя
принимают прямую линию, проходящую через середину каждой ступеньки
(линия OA). Величина отклонения фактической (ступенчатой)
характеристики от расчетной и является витковой погрешностью
преобразователя. В случае линейного потенциометра величину витковой
погрешности подсчитывают по формуле:
Для нелинейного потенциометра расчетная характеристика OA
нелинейна (рис. 6, б, в)
величина максимальной витковой погрешности вычисляется по наиболее
крутому ее участку .
где
- приращения выходных величин, соответствующие наиболее
гфутым участкам характеристик,
- число витков на тех же участках.
2) Потенциометрические преобразователи по своим динамическим
характеристикам являются безинерционными звеньями.
3) Температурная погрешность возникает за счёт нагрева преобразователя
током, протекающим по обмотке.
Инструментальные погрешности
1) Температурная погрешность возникает вследствие того, что при изменении
температуры
окружающей
среды
электрическое
сопротивление
преобразователя
изменяется
по
величине
в
соответствие
с
уравнением
,
Где
- сопротивление потенциометра при t°C,
- исходное сопротивление при t = 0° С,
- температурный коэффициент сопротивления материала провода.
2)Производствено-технологическая
погрешность
обусловлена
непостоянством электрического сопротивления провода по его длине,
отступлением от заданного шага намотки, неодинаковостью периметра
каркаса на отдельных участках и др.
3) Погрешности трения проявляются из-за сухого трения при перемещении
щетки по обмотке потенциометра. Погрешности переходного сопротивления
появляются из-за прерывания контакта между щеткой и проводом
преобразователя, вследствие чего возникают быстрые флуктуации выходного
напряжения потенциометра.
III. Экспериментальная часть
3.2 Задание
1) Изучить теоретическую часть работы.
Ознакомиться с различными типами потенциометров (линейных и
функциональных).
2) Снять статические характеристики и построить графики
для соответствующих потенциометров.
3) Проверить влияние сопротивления нагрузки
на характеристику
линейного потенциометра.
4)Проанализировать
статические
характеристики
нелинейных
потенциометров по диапазонам измерения, виду функциональной
зависимости и чувствительности на различных участках характеристики.
5) Для функционального потенциометра подсчитать высоту профиля каркаса
по уравнению (1) по заданию преподавателя.
6) Сделать заключение по выполненной лабораторной работе.
3.3 Описание лабораторной установки
1) Общий вид лицевой панели лабораторной установки приведён на рис.7
3) В центральной части панели смонтированы: один линейный
функциональных потенциометра.
и три
4) Угловые положения щёток определяются на соответствующих шкалах.
5) Включение исследуемого потенциометра осуществляется с помощью
переключателя «выбор потенциометра».
6) Слева вверху панели находятся клеммы для присоединения установки к
источнику питания
постоянного тока. Подача питания в схему
осуществляется с помощью тумблера «сеть» размещённого слева внизу
панели. Контроль наличия напряжения обеспечивает сигнальная лампочка.
7) Кнопка «измерение» служит для подключения потенциометров в схему.
Справа внизу панели расположен переключатель «выбор нагрузки», с
помощью которого можно исследовать влияние сопротивления нагрузки на
статическую характеристику потенциометра.
8) В качестве- измерительного прибора используется микроамперметр.
Последовательно с микроамперметром включен резистор, сопротивлением
Ом.
3.4 Методика проведения эксперимента
Определение статической характеристики
1)
Подключить лабораторную установку к источнику питания
постоянного тока. Включить тумблер «сеть». Наличие напряжения
проконтролировать по сигнальной лампочке.
2) Установить переключатель «выбор потенциометра» в положение ,
а переключатель «выбор нагрузки» в положение
3) Установить движок со щёткой потенциометра
в крайнее левое «0»
положение и записать значение угла а по шкале потенциометра в таблицу 1.
4) Нажать кнопку «измерение» и записать величину тока
по
микроамперметру мкА в таблицу. Определить величину напряжения на
потенциометре
где
Ом.
5) Установить движок щётки потенциометра в положения
через
30°. Провести измерения по методике п.п. 2,3, 4.
6) Установить переключатель «выбор потенциометра» в положение
поочерёдно и провести измерения по методике п.п. 2, 3, 4,5
7) Построить зависимости
- статическую характеристику
потенциометров.
8) Проанализировать полученную характеристику, установить диапазон работы
по входному (углу) и выходному (напряжению) сигналам, вычислить
чувствительность и нелинейность.
Определение влияния сопротивления нагрузки
на статическую
характеристику линейного потенциометра
9) Установить переключатель «выбор потенциометра» в положение
а переключатель «выбор нагрузки» в положение 1 кОм, 5 кОм, 22 кОм и
провести измерения по методике п.п. 1... 8.
10) Сделать выводы по влиянию нагрузки на статическую характеристику
преобразователя.
Определение профиля каркаса преобразователя
Для выполнения п.5 задания необходимо, используя уже снятую
зависимость,
, составить и заполнить таблицу 2. Так как каркас
потенциометра имеет форму тороида, то к линейному перемещению можно
перейти от углового следующим образом:
где r - радиус (расстояние от точки контактирования до оси вращени
щётки);
- приращение углового перемещения, рад
По формуле (1) определить высоту каркаса всех участков и построить
профиль каркаса; толщина каркаса а=1 мм;
Номер задания для расчёта задаётся преподавателем (см.
приложение).
Данные свести в таблицу 2.
Литература
1) Лаврова А.Т. Элементы автоматических приборных устройств /Учебное
пособие для студентов авиационных специальностей ВУЗов/ Машиностроение
1975г., 456 с.
2) Проектирование датчиков для измерения механических величин /Под
редакцией Осадчего Е.П./ Машиностроение 1979г., 480 с.
3) Агейкин Д.И. и др. Датчики контроля и регулирования. /Справочные
материалы/Машиностроение 1965г., 928с.