Potenciométer

A potenciométer (a latin potentia - „erő” és a görög μετρεω - „mérem”) mérőműszer, amelyet a feszültség meghatározására terveztek két, általában különböző feszültség vagy EMF összehasonlításával a kompenzációs módszerrel . Ha az egyik feszültség ismert, lehetővé teszi a második feszültség meghatározását.

Történelmileg a potenciométer az egyik első pontos feszültségmérő - voltmérő . Johann Poggendorf német fizikus találta fel 1841-ben [1] .

A potenciométert (mérőeszközt) nem szabad összetéveszteni egy hárompólusú változtatható ellenállással , amely az elektronikus alkatrészek szlengje , amelyet "potenciométernek" is neveznek.

Néha a "potenciométereket" nem egészen helyesen nevezik potenciometrikus áramkörön alapuló elmozdulás- és forgásérzékelőknek, például belső égésű motorok fojtószelep-helyzetérzékelőinek .

Hogyan működik

A potenciométer az ellenállások feszültségosztója ( rezisztív osztó), változó ellenállással ( változó ellenállások ).

A feszültségosztóra csatlakozik egy forrás, amelynek feszültsége ismert ( ) és egy olyan forrás, amelynek a feszültségét meg kell határozni ( ). $U_{0}$ $U_x$

Kellő pontossággal ismert, az összehasonlított feszültségek egyikét általában "referenciafeszültségnek" vagy "referencia-EMF-nek" nevezik. A külföldi szakirodalomban a referenciafeszültséget "referenciafeszültségnek" nevezik, és általában jelölik . $U_{ref}$

A feszültségosztó ellenállásának manuális vagy automatikus beállításával biztosítják, hogy az osztóról vett feszültség egyenlő legyen a feszültséggel (vagy EMF-fel) . A stressz-egyensúlyt ( ) általában "stressz egyensúlynak" nevezik. Az "egyensúly" jelző a kis áramok (vagy feszültségek) érzékeny mérője, amelyet gyakran " nulljelzőnek " neveznek, és az ábrán "O" betűvel jelölik. Amikor az "O" nulla jelzőn átfolyó áram 0 lesz. $U_{K}$ $U_x$ $U_{x}=U_{K}$ $U_{x}=U_{K},$ $I_{x}$

Történelmileg az érzékeny galvanométerek voltak az elsők, amelyeket nullindikátorként használtak . A modern elektronikában a nagy nyereségű differenciálerősítőket nulljelzőként használják .

Az ábra tetején látható körhöz, Kirchhoff szabályai szerint

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,

és figyelembe véve : $I_{x}=0$

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}}},

ahol:

$R_{1}$ - a változtatható ellenállás szakaszának ellenállása alulról (az ábra szerint) a mozgatható érintkezőhöz; $R_{0}$
$R_{0}$ a változó ellenállás teljes ellenállása.

Az alábbi diagramhoz

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

Vagyis, ismerve a feszültségosztó ellenállásainak ellenállásának arányát, amikor a feszültségek egyenlőek ("egyensúly"), egy feszültség (vagy) számszerűen kifejezhető egy másik feszültségen ( vagy, rendre). $U_{0}$ $U_x$ $U_x$ $U_{0}$

A reokkordot történelmileg változó ellenállásként használták . A reochord egy állandó keresztmetszetű kifeszített vezetékdarab volt, három elektromos vezetékkel. Az első két vezetéket a vezeték végeihez erősítették, a harmadik (csúszka) pedig a vezeték mentén mozoghatott. Egy homogén, állandó keresztmetszetű huzaldarab elektromos ellenállását a következő képlettel fejezzük ki: ahol a huzal anyagának elektromos ellenállása. A vezeték hosszának, a vezeték széle és a csúszka közötti távolság és a vezeték végei közötti feszültség ismeretében meghatározhatja a csúszka és a vezeték vége közötti feszültséget (egyenlő ): $R$ $l$ $S$ $R=\rho {\frac {l}{S)),$ $\rho$ $L$ $l$ $U_{0}$ $U_{K}$ $U_x$

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)).

A reochordokat, amelyek egy drótdarab, gyakorlatilag nem használják a modern potenciométerekben, csak néha használják demonstrációs célokra. A modern reochord egy változó ellenállás, amelyet általában nagy ellenállású huzal egyrétegű spiráltekercse formájában készítenek egyenes vagy toroid alapon (kereten). A potenciométerekben a "reochord" név szilárdan beépült ezekbe a változó ellenállásokba.

Referencia feszültségforrásként (ION) történelmileg időstabil és reprodukálható feszültség elektrokémiai forrásait használták - normál elektrokémiai cellákat . A modern potenciométerekben a félvezető precíziós ION-okat általában referencia feszültségforrásként használják - termikusan kompenzált zener-diódákat és " réssávos " ION-okat.

Ha egy ismert feszültségforrás terhelése egy ellenállásos feszültségosztóra elfogadhatatlan, például nagy belső ellenállású források használata esetén , akkor egy másik, kellően alacsony belső ellenállású forrást kell előkalibrálni ezzel a forrással.

Ha az ellenállásosztó feszültségei és a referenciafeszültség kiegyensúlyozottak, a nulljelzőn (galvanométeren) átmenő áram nulla. Így a referencia feszültségforrás üresjárati egyensúlyban működik , ami lehetővé teszi a nagy belső ellenállású precíziós források feszültségreferenciaként való használatát, például normál elektrokémiai cellákat . Ugyanezen okból kifolyólag lehetséges a nagy belső ellenállású, ismeretlen feszültségforrások EMF-jének mérése a mérési eredmény torzítása nélkül, például az elektrokémiai potenciometrikus érzékelők EMF-je.

Az ultraalacsony feszültségek mérésére szolgáló potenciométerek jellemzői

Ultraalacsony feszültségek mérésekor (mikrovolt szinten - millivolt töredékei) a mérési eredmény torzulása a "parazita" hőelemek termo-EMF-éből származik , amelyek különböző vezetőanyagok elektromos csatlakozási pontjain alakulnak ki (pl. , rézvezetők és változtatható ellenállások nagy ellenállású vezetői), akkor válik jelentőssé, ha ezen csatlakozások (csomópontok) hőmérséklete nem egyenlő. Különleges intézkedések alkalmazása nélkül a parazita termo-EMF-értékek elérhetik a tíz mikrovoltot. Például egy pár réz- ón - ólom forrasztóanyag termo-EMF- je körülbelül 3-7 mikron V / K , ami néhány-tíz mikrovoltos mért feszültség érték mellett relatív mérési hibát adhat. több tíz százalék, ami általában elfogadhatatlan. Ezért az ilyen potenciométerek tervezésekor különleges intézkedéseket kell hozni a parazita termo-EMF csökkentésére. Radikális intézkedés az eszköz gondos hőszigetelése a külső környezettől, néha termosztát . Az elektromos csatlakozások forrasztásához olyan forrasztóanyagokat használnak, amelyek kis termikus EMF-et adnak rézzel párosítva, például ón - kadmium forrasztóanyagok, amelyek hő-EMF-je rézzel párosítva kisebb, mint 0,3 μV / K.

Automatikus potenciométerek regisztrálása és önrögzítése

A mérőpotenciométerek mellett, amelyekben a kiegyenlítés (az ellenállásosztó ellenállásának változtatása addig, amíg a mért feszültség és a reokkordról vett feszültség egyenlő nem lesz) manuálisan történik, léteznek automatikus kiegyenlítésű potenciométerek. Az automata eszközöket széles körben alkalmazzák például az önrögzítő rögzítőkben (papírszalagos folyamatrögzítők), amelyek még mindig elterjedtek az ipari folyamatvezérlő rendszerekben. Az elektromechanikus potenciométereket fokozatosan felváltják az információ tárolására és megjelenítésére szolgáló digitális eszközök.

Az automata potenciométerek működési elve egy szervo elektromechanikus automata vezérlőáramkör használatán alapul. A mért feszültség és a csúszkáról érkező feszültség egy differenciálhiba erősítőre kerül, amelynek kimenete a teljesítményerősítőn keresztül vezérli a reverzibilis villanymotort . Az elektromos motor a mechanikai elemeken ( kábelek , fogaskerekek ) keresztül a reochord csúszkát a megfelelő irányba mozgatja, így az eltérési jelet nullára csökkenti. A reokord csúszkája mereven kapcsolódik a mért érték egységeiben digitalizált skála mentén mozgó mutató nyílhoz. A skálát nem kell feszültségegységben digitalizálni; például ha a készüléket bármilyen hőátalakítóval ellátott készletben üzemeltetjük , akkor hőmérsékleti fokokban digitalizálható; üvegelektródával történő munkavégzés esetén pH-egységben ( pH - mérő ) digitalizálható . Az önrögzítő készülékekben a toll a nyíllal egy időben mozog a papír mentén. A toll vonalat húz a papírra, és ezáltal regisztrálja a mért érték változását, általában az idő függvényében.

Irodalom és dokumentáció

Kuznetsov V. A., Dolgov V. A., Konevskikh V. M. et al. Measurements in electronics: A Handbook / Szerk. V. A. Kuznyecova. - M . : Energoatomizdat, 1987. - S. 30-35. — 512 p.
Elektromos mérőműszerek kézikönyve ; Szerk. K. K. Ilyunina - L .: Energoatomizdat, 1983

Jegyzetek

↑ Thomas B. Greenslade, Jr. Potenciométer, leolvasva 2010. nov. 2 . fizika.kenyon.edu. Letöltve: 2017. június 11. Az eredetiből archiválva : 2009. október 4.. (határozatlan)