Расчет сопротивления резисторов измерительной схемы автоматического потенциометра

Собственные шумы потенциометров складываются из тепловых 
и токовых шумов. Уровень шумов измеряется электродвижущей 
силой шумов [3].

Возникновение тепловых шумов  связано с флюктуационными 
изменениями объемной концентрации электронов в резистивном элементе, обусловленными их тепловыми движениями. Спектр частот тепловых шумов непрерывный.

Помимо тепловых шумов, уровень  которых определяется в основном температурой и сопротивлением резистивного элемента и не зависит от протекающего тока, в резистивном элементе при включении его под электрическую нагрузку возникают специфические токовые шумы, обусловленные флюктуациями контактных сопротивлений между проводящими частицами, а также трещинами и неоднородностями резистивного элемента. Эти флюктуации являются следствием изменения площади контактирования отдельных токопроводящих частей структуры элемента, перераспределения напряжения на отдельных зазорах между этими частицами, возникновения новых проводящих цепочек в относительно больших зазорах под действием высокой напряженности электрического поля и т. п.

В полупроводниковых материалах причиной токовых шумов могут быть колебания проводимости, связанные с процессами возбуждения и рекомбинации носителей тока и другими процессами [4].

Таким образом, уровень токовых  шумов свидетельствует о наличии  различных дефектов резистивного элемента и может служить критерием  его качества. На этой основе возможна разработка неразрушающих методов  контроля качества и ускоренных оценок надежности потенциометров.

Под износоустойчивостью  понимают способность потенциометра  сохранять свои параметры (противостоять  изнашиванию) при многократных вращениях  подвижной системы. Это одна из основных эксплуатационных характеристик потенциометров. Износоустойчивость зависит от многих причин, но в основном определяется материалом и формой подвижного контакта и резистивного элемента и контактным давлением. На износоустойчивость оказывают влияние также конструкция подвижной системы, скорость вращения и т. п.

 

 

1.4 Роль и принцип действия вспомогательных приборов

 

Усилители. В автоматических потенциометрах применяются усилители (рисунок 7) переменного тока, снабжаемые входным устройством для преобразования напряжения небаланса постоянного тока, поступающего с измерительной схемы прибора на вход его, в напряжение переменного тока частотой 50 Гц. Входное устройство таких усилителей состоит из вибропреобразователя и входного трансформатора.

Усилители переменного тока, применяемые в автоматических 
уравновешенных мостах, снабжаются только входным трансформатором.

Входное устройство усилителей служит одновременно для согласования с помощью входного трансформатора сопротивления измерительной схемы  прибора с сопротивлением усилителя  напряжения и в некоторых случаях  для гальванической развязки измерительной  схемы от «земли». Такие важные показатели усилителя, как помехоустойчивость и уровень внутренних шумов, в  основном определяется входным устройством.

 

 

 

1 — входное устройство; 2 — усилитель напряжения; 3 — усилитель мощности; 4 — реверсивный двигатель (нагрузка усилителя);                          5 — силовой трансформатор; 6 — выпрямитель; ОС — устройство отрицательной обратной связи

 

Рисунок 7 - Структурная схема усилителя

 

Источник стабилизированного питания постоянного тока (ИПС).

Для питания измерительной  схемы автоматических потенциометров применяют источник стабилизированного питания постоянного тока (ИПС). Замена сухого элемента, широко применявшегося ранее в старых потенциометрах, стабилизированным  источником питания имеет большое  практическое значение, так как срок службы сухих элементов ограничен. Кроме того, применение стабилизированного источника питания исключает необходимость иметь в приборе нормальный элемент и механизм установки рабочего тока. При этом значительно упрощается кинематика механизма и повышается надежность эксплуатации приборов. Принципиальная схема источника питания стабилизированного ИПС (рисунок 8).

 

 

 

 

 

Рисунок 8 - Принципиальная схема источника питания стабилизированного ИПС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Расчет сопротивлений резисторов измерительной схемы автоматических потенциометров

 

 

Определяем сопротивление  контрольного резистора R_к, Ом, по формуле

 

                                    R_к =,           (1)

 

где U_k – нормированное номинальное значение падения напряжения на резисторе;

        I₂ – номинальное значение силы тока в нижней ветви измерительной схемы

 

R_к =264 Ом.

 

Определяем диапазон измерения   E_д, В, по формуле

 

                            E_д = E(t_к; t₀) - E(t_н; t₀),    (2)

 

где  E(t_к; t₀) – конечное значение термоЭДС шкалы;

        E(t_н; t₀) – начальное значение термоЭДС шкалы.

 

Е_д= 3,3-2,9 = 0,4 В.

 

Определяем сопротивление резистора R_п , Ом, по формуле

 

                                R_п = ,          (3)

 

где R_нр  - нормированное номинальное значение сопротивления реохорда;

       I₂ – номинальное значение силы тока в нижней ветви измерительной схемы;

       Е_д – диапазон измерения;

 – нерабочие участки.

 

R_п = = 0,08 Ом.

 

Определяем сопротивление  прибора, R_пр, Ом, по формуле

 

R_пр= ,      (4)

 

где R_п – сопротивление резистора для установления начальных значений шкалы;

       R_нр  - нормированное номинальное значение сопротивления реохорда.

 

R_пр = = 0,08 Ом.

 

Определяем сопротивление балластного резистора R_б, Ом, по формуле

 

 

R_Б = _,    (5)

 

где R_к – контрольный резистор;

        R_пр – сопротивление прибора;

        I₁ – номинальное значение силы тока в верхней ветви измерительной схемы;

_{- начальное  значение термоЭДС  шкалы};

       I₂ – номинальное значение силы тока в нижней ветви измерительной схемы;

       – нерабочие участки.

 

R_Б == 210,54 Ом.

 

Проверим правильность определения  R_пр

 

E_D = · R_п· (1-), В,                (6)

 

где R_п – сопротивление резистора;

       I₁ – номинальное значение силы тока в верхней ветви измерительной схемы;

         – нерабочие участки.

 

E_D =·0,08·(1-) = 0,38 В.

 

Определяем среднее значение термоЭДС шкалы E(t_cp; t₀), В, по формуле

 

E(t_cp; t₀) = ,    (7)

 

где _{- начальное значение термоЭДС шкалы};

      _{- конечное значение термоЭДС шкалы}.

 

E(t_cp; t₀) = =1,25 В.

 

Определяем сопротивления  вспомогательного медного резистора R_м, Ом, по формуле

 

R_M =,   (8)

 

где R_к – контрольный резистор;

       Е_д – диапазон измерения;

       _{- среднее значение термоЭДС шкалы};

       I₂ – номинальное значение силы тока в нижней ветви измерительной схемы;

       - температурный коэффициент электрического сопротивления меди;

       t₀ - расчетное значение температуры свободных концов термометра;

       t₀возможное значение температуры свободных концов термометра.

 

R_M = = 0,86 Ом.

 

Определяем сопротивление  для установления начального значения шкалы R_н, Ом, по формуле

 

R_н =,   (9)

 

где R_м – вспомогательный резистор

       I₁ – номинальное значение силы тока в верхней ветви измерительной схемы;

       I₂ – номинальное значение силы тока в нижней ветви измерительной схемы;

      _{- начальное значение термоЭДС шкалы};

      – нерабочие участки.

 

R_н = =1,27 Ом.

 

Определяем сопротивление  R_bd, Ом, по формуле

 

R_bd =_,   (10)

 

где R_м – вспомогательный резистор;

      R_к – контрольный резистор;

      R_н – начальное значение шкалы;

      R_пр – сопротивление прибора;

      R_б – сопротивление балластного резистора.

 

R_bd= ₌ =117,72 Ом.

 

Для проверки правильности расчета, сопротивления резисторов, измерительной схемы потенциометра, принимается соотношение

 

    _,     (11)

 

_,

 

1,25 = 1,25

 

Если равенства выполняются, то сопротивление рассчитано верно.

 

Определяем измерение  показаний потенциометра  для  конечного значения шкалы, при изменении  температуры свободных концов, термоэлектрического  термометра, от t₀ = 40 до t₀= 70  по формуле:

 

 

S= ±   (12)

 

где R_м – вспомогательный резистор;

      R_к – контрольный резистор;

      - температурный коэффициент электрического сопротивления меди;

      t₀ - расчетное значение температуры свободных концов термометра;

      t₀возможное значение температуры свободных концов термометра.

 

S= ± 0,02 %.

Заключение

 

В ходе проделанной курсовой работы была изучена классификация  потенциометров, конструкция и принцип  действия автоматического потенциометра, виды автоматических потенциометров, роль и действие вспомогательных  приборов, основные параметры потенциометров.

Также было определено сопротивление контрольного резистора, определен диапазон измерения, определено сопротивление вспомогательного медного резистора, рассчитано сопротивление резисторов измерительной схемы автоматического потенциометра.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Библиографический список

 

1. Кулаков, М. В Теоретические измерения и приборы для химических производств [Текст] / М.В. Кулаков: учебник для вузов — М.: Машиностроение, 1983. — 424 с.
2. Четвертков И. И Потенциометры [Текст] / И.И Четвертков.  — М.: Советское радио, 1978. — 64 с.
3. Контрольно–измерительные приборы и инструменты [Текст] /  
   С.А. Зайцев [и др.]. — М.: Издательский центр «Академия», ПрофОбрИздат,  
   2002. — 464 с.
4. Кантере, В.М. Потенциометрические и титрометрические приборы [Текст] / В.М. Кантере, А.В. Казаков, М.В. Кулаков. — М.: Машиностроение, 1970. — 308 с.