Потенциометрические датчики давления

 

В таких датчиках используется потенциометрический преобразователь перемещений. Эта конструкция является унифицированной: при переходе от одного диапазона измерений к другому так выбирается толщина мембраны, что её максимальный прогиб не изменяется.

 

Рис. 1.1. Структурная схема прибора

 

Структурную схему ЭДМУ можно представить в виде семи звеньев. Первые четыре звена относятся к датчику; два последующих - к указателю, звено VII - источник питания.

Кинематическая схема датчика приведена на рис. 1.2.

Рис. 2. Потенциометрический датчик давления

1 – потенциометр; 2 – щетка; 3 – вилка; 4 – щеткодержатель; 5 – ось поводка;

6 – поводок; 7 – возвратная пружина; 8 – качалка; 9 – шток; 10, 13 – основания;

11 – мембрана; 12 – штуцер.

 

Упругий чувствительный элемент - мембрана - является первым звеном. Под действием разности давлений (P1-P2) центр мембраны перемещается на величину W. Статической характеристикой мембраны является зависимость

 

(1.1)

где C₁ - коэффициент, учитывающий геометрические размеры и форму гофрировки мембраны;

E_M - модуль упругости мембраны, н/м;

(P₁- P₂) - измеряемая разность давлений.

Звеном II является рычаг 8. Статическая характеристика звена II на рабочем участке может быть линейной и описана уравнением прямой

(1.2)

где С_II - коэффициент пропорциональности, рад/м;

W – перемещение толкателя, м;

β - угол отклонения конца рычага 5, рад.

 

Звеном III датчика служит поводок 6 передаточно - множительного механизма. Статическая характеристика этого звена также может быть принята линейной и представлена в виде

 

(1.3)

 

где С_III - коэффициент пропорциональности звена III;

j - угол отклонения рычага 6 со щеткой 2.

 

Звеном IV является потенциометрический преобразователь. Статической характеристикой звена является зависимость

 

(1.4)

 

где C_IV - коэффициент пропорциональности звена;

R_X - сопротивление участка потенциометрического преобразователя.

Общая статическая характеристика датчика, без учета сравнительно малой упругости спиральной пружины 7, имеет вид

 

(1.5)

 

Звено V - мостовая схема манометра (рис.1.3). Статическая характеристика звена

 

(1.6)

 

 

Рис. 1.3.Принципиальная схема манометра:

1-чувствительный элемент; 2-щетка; 3-магнит неподвижный; 4-магнит подвижный.

 

 

Если с целью симметрии мостовой схемы предположить R₁=R₂, то статическую характеристику можно записать в виде

(1.7)

где r - сопротивление рамки.

 

Подставив в полученное выражение , в окончательном виде получим

 

(1.8)

VI звеном структурной схемы электромеханического манометра ЭДМУ является логометр с подвижным магнитом. Статической характеристикой логометра с подвижным магнитом является зависимость

(1.9)

где n₁ и n₂ - числа витков катушек;

k - коэффициент, учитывающий форму и размеры катушек;

b - угол между катушками;

I₁ и I₂ - токи в катушках.

 

Общая статическая характеристика шести звеньев, найденная в результате решения системы уравнений, имеет вид сложной функции:

 

(1.10)

 

где - обобщенный коэффициент.

Функция не линейна, но при правильном выборе параметров электрической схемы и деталей механических звеньев удается получить шкалу манометра с практически равномерной градуировкой в рабочем диапазоне.

С целью компенсации температурных погрешностей, вызванных влиянием температуры q окружающей среды на рамки логометра, сопротивление полудиагонали выполняется из двух сопротивлений R₃ и R₄, первое из которых - с положительным температурным коэффициентом, а второе - с нулевым температурным коэффициентом (например, манганиновое).

Выберем величину сопротивления полудиагонали из условия независимости отношения токов от температуры окружающей среды q. Положим, что сопротивление рамки и полудиагонали R₃ зависят от температуры окружающей среды:

 

(1.11)

 

где a₁ и a₂ - температурные коэффициенты сопротивлений;

R'₃₀ - сумма сопротивлений медной и манганиновой катушки при нормальной температуре.

Подставляя эти выражения в статическую характеристику и считая, что остальные сопротивления не зависят от окружающей температуры, получим

(1.12)

где

Если принять

(1.13)

то отношение токов не будет зависеть от окружающей температуры, т.е.

(1.14)

Следовательно, соотношение (1.14) и является условием температурной компенсации. Подставив в выражение (1.12) значения коэффициентов A₁, В₁, A₂ и B₂, можно определить необходимую для компенсации величину сопротивления медной катушки R₃₀.

Полная компенсация температурной ошибки может быть достигнута только при определении значений сопротивлений R_X и R_Y. При других значениях R_X и R_Y появится температурная ошибка, но эта ошибка значительно меньше той, которая была бы при отсутствии компенсации.

При R₁ = R₂ и R_X = R_Y, благодаря симметрии схемы, температурная ошибка равна нулю даже без компенсации. Поэтому при расчете сопротивлений Rзо условие полной компенсации целесообразно брать для значений R_X и R_Y, соответствующих положению щетки на расстоянии приблизительно 20-30% от края потенциометра.