3.1.2 Розрахунок потенціометричного датчика.
Вихідними даними для розрахунку лінійного потенціометричного датчика зазвичай виступають такі параметри:
- величина робочого переміщення (лінійного (мм) або кутового (град)),
- необхідна точність (допустима похибка (%)),
- Опір навантаження, що підключається до виходу потенціометра (Ом).
- Допустима потужність розсіювання (вт),
- максимальний вихідний сигнал чи напруга живлення (вольт).
У першому етапі розрахунку необхідно оцінити допустиме значення опору обмотки потенціометра.
Опір обмотки потенціометра визначається за формулою
деρ– питомий опір матеріалу обмотувального дроту (Ом*м),
lСР– середня довжина одного витка обмотки (м),
w- число витків обмотки,
q– площа поперечного перерізу обмотувального дроту по металу (без урахування товщини ізоляції) (м2).
Для каркаса круглого перерізу діаметромdК
(16)
Для каркасу прямокутного перерізу (рис. 34)
, (17)
деdK– діаметр круглого каркасу,
a,bтаr– розміри прямокутного перерізу каркасу.
dЗ– діаметр обмотувального дроту з ізоляцією.
Перетин каркасу потенціометра.
Перший крок для розрахунку потенціометричного датчика полягає в оцінці можливого значення опору обмотки потенціометра.
З одного боку опору обмотки потенціометра впливає похибка статичної характеристики (для однотактного потенціометра
З іншого боку від величини опору обмоткипотенціометра і напруги живлення залежить потужність, що розсіюється на обмотці потенціометра.
Розділивши умовно допустиму похибку порівну між впливом опору навантаження і похибкою ступінчастості, отримаємо два співвідношення:
Якщо ці нерівності спільні, значення опору потенціометра обмотки вибирається в отриманих межах.
Якщо нерівності несумісні, доведеться змінювати технічне завдання на проектування потенціометричного датчика (наприклад, збільшити опір навантаження), або застосовувати додаткові схемні рішення, що дозволяють виконати обидва обмеження.
Найбільш раціональним технічним рішенням у другому випадку можна вважати підключення потенціометричного датчика до навантаження через підсилювач, що узгоджує. Від підсилювача, що узгоджує, вимагається великий вхідний опір і малий вихідний опір, що дозволяє істотно зменшити похибку від впливу навантаження. При великому вхідному опорі узгоджуючого підсилювача частку похибки від впливу навантаження можна істотно скоротити або збільшити допустиму величину опору потенціометра, щоб знизити потужність, що розсіюється в ньому.
В даний час широко використовуються підсилювачі, що узгоджують, на основі операційних підсилювачів, що мають досить великий вхідний опір і дозволяють за рахунок зворотного зв'язку по напрузі забезпечити високу точність передачі сигналу. Детально організація схем з використанням операційних підсилювачів у курсі електроніки.
Знаючи допустиму величину похибки ступінчастості можна визначити мінімальну кількість витків обмотки потенціометра
Виходячи з отриманого числа витків та величини опору потенціометра, знаходимоопір одного витка обмотки.
Діаметр обмотувального дроту (з ізоляцією) можна знайти, знаючи величину максимального переміщення та кількість витків обмотки. Для потенціометричних датчиків кутового переміщення попередньо слід вибрати радіус дуги каркаса з урахуванням вимог до габаритних розмірів датчика або місця в конструкції приладу, для якого розробляється датчик.
Вибравши матеріал обмотувального дроту і, відповідно, його питомий опірρ, знаходимо довжину одного витка обмотки. За формулами (16), (17) залежно від обраного профілю каркаса, знаходимо його геометричні параметри (для каркаса прямокутного профілю один із параметрів – товщину або ширину каркасу слід вибирати з конструктивних міркувань).
Отриману геометрію каркасу оцінюють з погляду технологічності виготовлення і складності виконання обмотки. При необхідності геометричні параметри каркаса коригують, перевіряючи виконання вимог щодо величини опору та числа витків обмотки. У конструкції каркаса передбачають необхідні конструктивні елементи для кріплення початку та кінця обмотувального дроту, підключення електричних кіл до обмотки потенціометра та закріплення каркаса в конструкції потенціометричного датчика
p align="justify"> До розробки конструкції щітки потенціометричного датчика слід ставитися особливо відповідально, т.к. саме щітковий вузол визначає надійність та довговічність датчика. Вимоги до конструкції щітки суперечливі – для зменшення перехідного опору контакту щітки з обмоткою потенціометра та підвищення надійності контакту потрібно збільшувати силу натискання щітки, але збільшення цієї сили призводить до збільшення сили тертя між щіткою та обмоткою та прискореного механічного зносу, щознижує надійність та термін служби датчика.
Вибір сили контактного натискання істотно залежить від матеріалу обмотки та контактної щітки. У відповідальних потенціометричних датчиках з обмотками та щітками з благородних металів, що забезпечують хороший контакт між собою, достатньо сили контактного натискання 0,01 – 0,05 Н. У менш відповідальних потенціометрах сила контактного натискання може бути значно більшою, що призводить до скорочення терміну служби.
Для забезпечення обраної величини сили контактного натискання у конструкцію щіткового вузла вводиться пружина. Найбільш поширені пружини у вигляді прямої пружної балки прямокутного або круглого перерізу, один кінець якої защемлений, а інший стикається з обмоткою потенціометра. Величина зусилля, створюваного цією пружиною
де С – жорсткість пружини (Н/м), x – деформація пружини у зібраному датчику. Раціонально вибирати пружини з невеликою жорсткістю та великою деформацією (одиниці міліметрів). В цьому випадку величина сили контактного натискання менше залежатиме від похибки виготовлення деталей, точності складання та зносу в процесі функціонування.
Жорсткість прямої балки із защемленим кінцем по відношенню до зусилля, прикладеного на вільному кінці, визначається за формулою відомої з курсу опору матеріалів (або відповідного довідника)
деЕ– модуль пружності матеріалу балки (Н/м 2 ),
J- момент інерції перерізу балки (м 4),
l- Довжина балки (м).
Для прямокутного (bxh) перерізу балки
для круглого перерізу (діаметромd)
Щітки потенціометричних датчиків часто виготовляються із спеціального дроту. При проектуванні щіток датчика основна увага слідуєприділяти питанням надійності контакту щітки з обмоткою потенціометра.
Основні причини порушення контакту - окислення або забруднення поверхонь, що контактують, і деформація щітки під дією інерційних сил при прискореннях, ударах і вібраціях.
Мірою боротьби з порушенням контакту є відповідний вибір матеріалів контактної пари, величини сили контактного натискання, форми та розмірів щіток, а також частоти їх власних коливань. Частота власних коливань щітки повинна перевищувати частоту вібрацій щонайменше удвічі.
Як зазначено вище, для економії дорогих матеріалів, необхідних контакту щітки, конструкція щітки може бути виконана складовою. Приклади конструкції щіткового вузла потенціометричних датчиків показано на рис.35. Щітка показана на рис. 35а має три дроти підвищення надійності контакту. Дроти можуть мати різну довжину і, відповідно, різні власні частоти.
У щітки, показаної на рис.35б розплющена ділянка поблизу закладення. Щітка зображена на рси.35в прикріплена до пружинної пластини з ребром жорсткості.
p align="justify"> Наступним кроком підвищення надійності потенціометричних датчиків є використання принципу резервування. Найбільше це досягається установкою другої трупи щіток, як показано на рис. 35г. При дії прискорень у напрямку, перпендикулярному до контактної поверхні, можливе порушення контакту тільки в однієї групи щіток. /8/