Потенциометр

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Потенцио́метр (от лат. potentia — сила и греч. μετρεω — измеряю) — измерительный прибор для сравнения двух в общем случае различных ЭДС или напряжений с помощью компенсационного метода.

При известном одном из напряжений позволяет измерять второе напряжение.

Исторически один из первых точных измерителей напряжений — вольтметров. Изобретён немецким физиком Иоганном Поггендорфом в 1841 г.[1]

Измерительный потенциометр не следует путать с трёхвыводным переменным резистором — электронным компонентом, жаргонно также называемого «потенциометром».

Иногда «потенциометрами» не совсем корректно называют датчики перемещений и поворотов, основанных на потенциометрический схеме, например, датчики положения дроссельной заслонки в двигателях внутреннего сгорания.

Принцип действия[править | править вики-текст]

Сравнение напряжений с помощью потенциометра

При сравнении один из источников сравниваемых напряжений подключается к регулируемому резистивному делителю напряжения и регулировкой делителя напряжения добиваются, чтобы напряжение, снимаемое с делителя стало равным другому напряжению (ЭДС). Индикатором равенства напряжений, обычно называют «баланса напряжений», служит чувствительный измеритель малых токов или напряжений, часто называемый нуль-индикатором, в качестве которого исторически первыми стали применяться чувствительные гальванометры, но в современной электронике в качестве нуль-индикатора теперь применяется дифференциальный усилитель с высоким коэффициентом усиления.

Зная соотношение резисторов делителя напряжения при равенстве напряжений — балансе можно численно выразить одно напряжение через другое напряжение. Если одно из напряжений известно, то может быть получено численное значение второго, неизвестного напряжения — то есть измерение неизвестного напряжения.

Известное с достаточной точностью одно из сравниваемых напряжений принято называть «опорным напряжением» или «опорной ЭДС», в иностранной литературе опорное напряжение принято называть «референтным напряжением», обычно обозначаемое .

Напряжение , снимаемое с резистивного делителя, к которому подключен источник напряжения выражается:

где  — сопротивление от движка переменного резистора до нижней по схеме его точки,
 — полное сопротивление переменного резистора.

Или для схемы приведенной снизу рисунка:

Если или то ток через индикатор баланса «О» будет равен 0. Таким образом, потенциометр позволяет выражать одно напряжение через другое. Если одно из напряжений известно, то позволяет измерить неизвестное напряжение, причем неизвестным напряжением может быть как так и

В качестве переменного сопротивления исторически применяли реохорд — прямой отрезок натянутой проволоки постоянного поперечного сечений с электрическими выводами от концов и третьим электрическим выводом — ползунком, который можно перемещать вдоль проволоки. Так как электрическое сопротивление однородного куска проволоки постоянного сечения прямо пропорционально его длине  — удельное электрическое сопротивление материала проволоки, то из известных длины реохорда и положения ползунка относительно конца реохорда можно определить напряжение между ползунком реохорда и этим его концом при известном напряжении между концами реохорда:

В современных потенциометрах практически не применяют реохорды из куска проволоки, только иногда такие реохорды используют в демонстрационных целях. Переменные резисторы, входящие в потенциометр обычно выполнены в виде однослойной спиральной намотки высокоомной проволоки на прямолинейное или тороидальное каркас-основание, но название «реохорд» в потенциометрах прочно закрепилось за этими переменными резисторами.

В качестве источника опорного напряжения (ИОН) исторически применялись электрохимические источники стабильного во времени и воспроизводимого напряжения — нормальные электрохимические элементы. В современных потенциометрах в качестве источников опорного напряжения применяют обычно полупроводниковые прецизионные ИОНы — термокомпенсированные стабилитроны и ИОНы «запрещенной зоны».

Если недопустимо нагружение источника известного напряжения на резистивный делитель напряжения, например, в случае применения источников с высоким внутренним сопротивлением, то по этому источнику предварительно калибруют другой источник с достаточно малым внутренним сопротивлением.

При балансе напряжений резистивного делителя и опорного напряжения ток через гальванометр равен нулю, таким образом, источник опорного напряжения работает при балансе в режиме холостого хода, что позволяет использовать в качестве источников опорного напряжения прецизионные источники с высоким внутренним сопротивлением, например, нормальные электрохимические элементы. Аналогично, по этой же причине возможно измерение ЭДС источников неизвестного напряжения с высоким внутренним сопротивлением без искажения результата измерения, например, ЭДС электрохимических потенциометрических датчиков.

Особенности потенциометров для измерения сверхмалых напряжений[править | править вики-текст]

При измерении сверхмалых напряжений — на уровне микровольт — долей милливольта становится существенным искажение результата измерения от термо-ЭДС «паразитных» термопар, образующихся в точках электрического соединения разнородных проводниковых материалов, например, медных проводников и высокоомных проводников переменных резисторов если температура этих соединений (спаев) не равна. Без применения специальных мер значения паразитных термо-ЭДС могут достигать десятков микровольт. Например, термо-ЭДС пары медь — оловянно-свинцовый припой составляет около 3—7 мкВ/К, что при значении измеряемых напряжений в единицы-десятки микровольт может дать относительную погрешность измерения в несколько десятков процентов, что обычно недопустимо.

Поэтому при конструировании подобных потенциометров прибегают к специальным мерам для снижения паразитных термо-ЭДС, радикальная мера — тщательная термоизоляция прибора от наружной среды, иногда — термостатирование. Для пайки электрических соединений применяют припои, дающие малые термо-ЭДС в паре с медью, например, оловянно-кадмиевые припои, термо-ЭДС которых в паре с медью менее 0,3 мкВ/К.

Регистрирующие и самопишущие автоматические потенциометры[править | править вики-текст]

Блок-схема потенциометра с автоматической компенсацией (балансировкой). Усилитель рассогласования схематически изображён в виде операционного усилителя, источник опорного напряжения в виде перечёркнутого кружочка, электродвигатель перемещения движка реохорда обозначен М.
*  — напряжение, снимаемое с реохорда;
*  — измеряемое напряжение;
*  — напряжение рассогласования.

Помимо измерительных потенциометров с ручной балансировкой равенства измеряемого напряжения и напряжения, снимаемого с реохорда существуют потенциометры с автоматической балансировкой. Такие устройства широко используются, например, в самопишущих регистрирующих приборах — самописцах процессов на бумажной ленте и которые до сих пор распространены в системах управления производственными процессами, но электромеханические потенциометры постепенно вытесняются цифровыми устройствами хранения и отображения информации.

Принцип действия автоматических потенциометров основан на применении следящего электромеханического контура автоматического регулирования. Измеряемое напряжение и напряжение с движка реохорда подаются на дифференциальный усилитель рассогласования, выход которого через усилитель мощности управляет реверсивным электродвигателем. Электродвигатель через механические элементы (тросики, шестерни) перемещает движок реохорда в нужную сторону так, чтобы свести сигнал рассогласования к нулю. Движок реохорда жёстко связан с указывающей стрелкой, перемещающейся по оцифрованной в единицах измеряемой величины шкале, причем шкала необязательно оцифрована в единицах напряжения, например, она может быть оцифрована в градусах температуры, при работе прибора в комплекте с каким-либо термопреобразователем, или в единицах pH при работе со стеклянным электродом. В самопишущих приборах одновременно со стрелкой перемещается перо по бумаге, регистрируя прочерчиваемой линией изменение измеряемой величины, обычно в зависимости от времени.


Литература и документация[править | править вики-текст]

  • Кузнецов В. А., Долгов В. А., Коневских В. М. и др. Измерения в электронике: Справочник / Под ред. В. А. Кузнецова. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — С. 30—35. — 512 с.
  • Справочник по электроизмерительным приборам; Под ред. К. К. Илюнина — Л.:Энергоатомиздат, 1983

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Thomas B. Greenslade, Jr. Potentiometer, retrieved 2010 Nov 2. Physics.kenyon.edu. Проверено 11 июня 2017.