Potențiometru

Un potențiometru (din latină potentia - „forță” și greacă μετρεω - „măsur”) este un instrument de măsurare conceput pentru a determina tensiunea prin compararea a două, în general, tensiuni diferite sau EMF folosind metoda de compensare . Când una dintre tensiuni este cunoscută, vă permite să determinați a doua tensiune.

Din punct de vedere istoric, potențiometrul este unul dintre primele contoare de tensiune precise - voltmetre . Inventat de fizicianul german Johann Poggendorf în 1841 [1] .

Un potențiometru (dispozitiv de măsurare) nu trebuie confundat cu un rezistor variabil cu trei terminale , o componentă electronică argou numită și „potențiometru”.

Uneori, „potențiometrele” nu sunt denumite corect senzori de deplasare și rotație bazați pe un circuit potențiometric, de exemplu, senzori de poziție a clapetei de accelerație în motoarele cu ardere internă .

Cum funcționează

Un potențiometru este un divizor de tensiune al rezistențelor (divizor rezistiv) cu rezistență variabilă ( rezistoare variabile ).

O sursă a cărei tensiune este cunoscută ( ) și o sursă a cărei tensiune trebuie determinată ( ) sunt conectate la divizorul de tensiune. $U_{0}$ $U_x$

Cunoscută cu suficientă precizie, una dintre tensiunile comparate este de obicei numită „tensiune de referință” sau „EMF de referință”. În literatura străină, tensiunea de referință se numește „tensiune de referință” și este de obicei notă . $U_{ref}$

Prin reglarea manuală sau automată a rezistenței divizorului de tensiune, aceștia se asigură că tensiunea luată de la divizor devine egală cu tensiunea (sau EMF) . Egalitatea stresului ( ) este denumită în mod obișnuit „echilibrul stresului”. Indicatorul „balanță” este un contor sensibil de curenți (sau tensiuni) mici, adesea numit „ indicator nul ” și marcat cu litera „O” în figură. Când curentul care trece prin indicatorul zero „O” va fi egal cu 0. $U_{K}$ $U_x$ $U_{x}=U_{K}$ $U_{x}=U_{K},$ $I_{x}$

Din punct de vedere istoric , galvanometrele sensibile au fost primele folosite ca indicatori nuli . În electronica modernă, amplificatoarele diferențiale cu câștig mare sunt folosite ca indicator nul .

Pentru circuitul prezentat în partea de sus a figurii, conform regulilor lui Kirchhoff

I_{x}+I_{K}=I_{0};

U_{x}=U_{K}=I_{K}\cdot R_{1};

U_{0}+I_{0}\cdot (R_{0}-R_{1})+I_{K}\cdot R_{1}=0,

si tinand cont de : $I_{x}=0$

I_{K}=I_{0};

U_{x}=I_{0}\cdot R_{1};

I_{0}={\frac {U_{x}}{R_{1}}};

U_{0}+I_{0}\cdot (R_{0}-R_{1})+I_{0}\cdot R_{1}=U_{0}+I_{0}\cdot R_{ 0}=0;

U_{0}=-I_{0}\cdot R_{0}=-{\frac {U_{x}}{R_{1}}}\cdot R_{0};

U_{x}=U_{K}=-U_{0}{\frac {R_{1}}{R_{0}}},

Unde:

$R_{1}$ - rezistența secțiunii rezistenței variabile de la jos (conform figurii) la contactul mobil; $R_{0}$
$R_{0}$ este rezistența totală a rezistenței variabile.

Pentru diagrama de mai jos

U_{x}=U_{K}=-U_{0}{\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}.

Adică, cunoscând raportul rezistențelor rezistențelor divizorului de tensiune atunci când tensiunile sunt egale ("balanță"), o tensiune (sau) poate fi exprimată numeric printr - o altă tensiune ( sau, respectiv). $U_{0}$ $U_x$ $U_x$ $U_{0}$

O reocord a fost folosită istoric ca rezistență variabilă . Reocordul era o bucată de sârmă întinsă de secțiune transversală constantă cu trei fire electrice. Primele două fire au fost atașate la capetele firului, iar al treilea (glisor) se putea deplasa de-a lungul firului. Rezistența electrică a unei bucăți omogene de sârmă cu o lungime și o secțiune transversală constantă este exprimată prin formula unde este rezistivitatea electrică a materialului sârmei. Cunoscând lungimea firului , distanța de la marginea firului la glisor și tensiunea dintre capetele firului, puteți determina tensiunea (egală ) dintre glisor și capătul firului: $R$ $l$ $S$ $R=\rho {\frac {l}{S}),$ $\rho$ $L$ $l$ $U_{0}$ $U_{K}$ $U_x$

U_{x}=U_{K}=-U_{0}{\frac {R_{1}}{R_{0}}}=-U_{0}{\frac {\rho {\frac { l}{S))}{\rho {\frac {L}{S))))=-U_{0}{\frac {l}{L)).

Reocordurile, care sunt o bucată de sârmă, practic nu sunt folosite în potențiometrele moderne, doar că uneori sunt folosite în scopuri demonstrative. Un reocord modern este un rezistor variabil, de obicei realizat sub forma unei înfășurări spiralate cu un singur strat de sârmă de înaltă rezistență pe o bază dreaptă sau toroidală (cadru). Numele „reocord” în potențiometre este ferm înrădăcinat în aceste rezistențe variabile.

Ca sursă de tensiune de referință (ION), din punct de vedere istoric, au fost utilizate surse electrochimice de tensiune stabilă în timp și reproductibilă - celule electrochimice normale . În potențiometrele moderne, ION-urile de precizie semiconductoare sunt de obicei utilizate ca surse de tensiune de referință - diode Zener compensate termic și ION-uri „ bandă întreruptă”.

Dacă încărcarea unei surse de tensiune cunoscute pe un divizor de tensiune rezistiv este inacceptabilă, de exemplu, în cazul utilizării surselor cu rezistență internă ridicată , atunci o altă sursă cu o rezistență internă suficient de scăzută este precalibrată folosind această sursă.

Când tensiunile divizorului rezistiv și tensiunea de referință sunt echilibrate, curentul prin indicatorul nul (galvanometru) este zero. Astfel, sursa de tensiune de referință funcționează la echilibru inactiv , ceea ce face posibilă utilizarea surselor de precizie cu rezistență internă ridicată ca referințe de tensiune , de exemplu, celule electrochimice normale . În mod similar, din același motiv, este posibil să se măsoare EMF a surselor de tensiune necunoscute cu rezistență internă ridicată fără a distorsiona rezultatul măsurării, de exemplu, EMF a senzorilor potențiometrici electrochimici.

Caracteristici ale potențiometrelor pentru măsurarea tensiunilor ultra joase

La măsurarea tensiunilor ultra-scăzute (la nivel de microvolți - fracțiuni de milivolt), distorsiunea măsurării rezultă din termo-EMF a termocuplurilor „parazitare” , formate în punctele de conectare electrică a materialelor conductoare diferite (de exemplu , conductoare de cupru și conductoare de înaltă rezistență ale rezistențelor variabile), devine semnificativă dacă temperatura acestor conexiuni (joncțiuni) nu este egală. Fără utilizarea unor măsuri speciale, valorile termo-EMF parazitare pot ajunge la zeci de microvolți. De exemplu, termo-EMF a unei perechi de lipit cupru - staniu - plumb este de aproximativ 3-7 microni V / K , care, cu o valoare a tensiunilor măsurate de câțiva până la zeci de microvolți, poate da o eroare relativă de măsurare de câteva zeci de procente, ceea ce este de obicei inacceptabil. Prin urmare, la proiectarea unor astfel de potențiometre, se iau măsuri speciale pentru a reduce termo-EMF parazit. O măsură radicală este izolarea termică atentă a dispozitivului de mediul exterior, uneori termostatarea . Pentru lipirea conexiunilor electrice, se folosesc lipituri care dau EMF termice mici asociate cu cupru, de exemplu, lipituri staniu - cadmiu , ale căror termo-EMF, asociate cu cupru, sunt mai mici de 0,3 μV / K.

Potențiometre automate de înregistrare și autoînregistrare

Pe lângă potențiometrele de măsurare, în care echilibrarea (modificarea rezistenței unui divizor rezistiv până la egalarea tensiunii măsurate și a tensiunii luate de la reocord) se realizează manual, există potențiometre cu echilibrare automată. Dispozitivele automate sunt utilizate pe scară largă, de exemplu, în reportofoarele cu auto-înregistrare (reregistroare de proces pe bandă de hârtie), care sunt încă comune în sistemele de control al proceselor industriale. Potențiometrele electromecanice sunt treptat înlocuite cu dispozitive digitale pentru stocarea și afișarea informațiilor.

Principiul de funcționare al potențiometrelor automate se bazează pe utilizarea unui circuit de control automat servo electromecanic. Tensiunea măsurată și tensiunea de la glisor sunt alimentate la un amplificator de eroare diferențială , a cărui ieșire prin amplificatorul de putere controlează motorul electric reversibil . Motorul electric prin elementele mecanice ( cabluri , roți dințate ) deplasează glisorul reocordului în direcția corectă, astfel încât să reducă semnalul de nepotrivire la zero. Glisorul reocordului este conectat rigid la săgeata indicatoare care se deplasează de-a lungul scalei digitizate în unități ale valorii măsurate. Scala nu trebuie digitizată în unități de tensiune; de exemplu, la operarea dispozitivului într-un set cu orice convertor termic , acesta poate fi digitizat în grade de temperatură; atunci când se lucrează cu un electrod de sticlă , acesta poate fi digitizat în unități de pH ( pH- metru ). În dispozitivele de auto-înregistrare, stiloul se deplasează de-a lungul hârtiei în același timp cu săgeata. Pixul trasează o linie pe hârtie și înregistrează astfel modificarea valorii măsurate, de obicei în funcție de timp.

Literatură și documentare

Kuznetsov V. A., Dolgov V. A., Konevskikh V. M. și colab. Măsurătorile în electronică: un manual / Ed. V. A. Kuznetsova. - M . : Energoatomizdat, 1987. - S. 30-35. — 512 p.
Manual de instrumente electrice de masura ; Ed. K. K. Ilyunina - L .: Energoatomizdat, 1983

Note

↑ Thomas B. Greenslade, Jr. Potențiometru, extras 2010 Nov 2 . fizica.kenyon.edu. Consultat la 11 iunie 2017. Arhivat din original la 4 octombrie 2009. (nedefinit)