Potentiometer

Et potentiometer (fra latin potentia - "kraft" og græsk μετρεω - "Jeg måler") er et måleinstrument designet til at bestemme spænding ved at sammenligne to, generelt, forskellige spændinger eller EMF ved hjælp af kompensationsmetoden . Når en af spændingerne er kendt, giver det dig mulighed for at bestemme den anden spænding.

Historisk set er potentiometeret et af de første nøjagtige spændingsmålere - voltmetre . Opfundet af den tyske fysiker Johann Poggendorf i 1841 [1] .

Et potentiometer (måleapparat) må ikke forveksles med en tre-terminal variabel modstand , en elektronisk komponent slang også kaldet et "potentiometer".

Nogle gange kaldes "potentiometre" ikke helt korrekt forskydnings- og rotationssensorer baseret på et potentiometrisk kredsløb, for eksempel gasspjældpositionssensorer i forbrændingsmotorer .

Sådan virker det

Et potentiometer er en spændingsdeler af modstande (resistiv divider) med variabel modstand ( variable modstande ).

En kilde, hvis spænding er kendt ( ) og en kilde, hvis spænding skal bestemmes ( ), er forbundet til spændingsdeleren. $U_{0}$ $U_x$

Kendt med tilstrækkelig nøjagtighed kaldes en af de sammenlignede spændinger normalt "referencespændingen" eller "reference-EMK". I udenlandsk litteratur kaldes referencespændingen "referencespændingen" og betegnes normalt . $U_{ref}$

Ved manuelt eller automatisk at justere modstanden af spændingsdeleren, sørger de for, at spændingen taget fra deleren bliver lig med spændingen (eller EMF) . Stressligestilling ( ) omtales almindeligvis som "stressbalance". "Balance"-indikatoren er en følsom måler af små strømme (eller spændinger), ofte kaldet en " nul-indikator " og markeret med bogstavet "O" i figuren. Når strømmen løber gennem nulindikatoren "O" vil være lig med 0. $U_{K}$ $U_x$ $U_{x}=U_{K}$ $U_{x}=U_{K},$ ${\displaystyle I_{x))$

Følsomme galvanometre var historisk set de første, der blev brugt som nul-indikatorer . I moderne elektronik bruges differentialforstærkere med høj forstærkning som en nulindikator .

For kredsløbet vist øverst i figuren ifølge Kirchhoffs regler

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,

og under hensyntagen til : $I_{x}=0$

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}}},

hvor:

$R_{1}$ - modstand af sektionen af den variable modstand fra bunden (ifølge figuren) til den bevægelige kontakt; $R_{0}$
$R_{0}$ er den variable modstands samlede modstand.

Til diagrammet nedenfor

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

Det vil sige, at ved at kende forholdet mellem modstandene i spændingsdelerens modstande, når spændingerne er ens ("balance"), kan en spænding (eller) udtrykkes numerisk gennem en anden spænding ( hhv . eller ). $U_{0}$ $U_x$ $U_x$ $U_{0}$

En reochord er historisk blevet brugt som en variabel modstand . Reokorden var et stykke strakt ledning med konstant tværsnit med tre elektriske ledninger. De første to ledninger blev fastgjort til enderne af ledningen, og den tredje (skyderen) kunne bevæge sig langs ledningen. Den elektriske modstand af et homogent stykke tråd med en længde og et konstant tværsnit er udtrykt ved formlen hvor er den elektriske resistivitet af trådmaterialet. Ved at kende længden af ledningen , afstanden fra kanten af ledningen til skyderen og spændingen mellem enderne af ledningen, kan du bestemme spændingen (lige ) mellem skyderen og enden af ledningen: $R$ $l$ $S$ $R=\rho {\frac {l}{S)),$ $\rho$ $L$ $l$ $U_{0}$ $U_{K}$ $U_x$

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)).

Rheochords, som er et stykke ledning, bruges praktisk talt ikke i moderne potentiometre, kun nogle gange bruges de til demonstrationsformål. En moderne rheochord er en variabel modstand, normalt lavet i form af en enkeltlags spiralvikling af højmodstandstråd på en lige eller toroidformet base (ramme). Navnet "rheochord" i potentiometre er fast forankret i disse variable modstande.

Som referencespændingskilde (ION) blev der historisk brugt elektrokemiske kilder med tidsstabil og reproducerbar spænding - normale elektrokemiske celler . I moderne potentiometre bruges halvlederpræcisions-ION'er normalt som referencespændingskilder - termisk kompenserede zenerdioder og " gab-bånd " ION'er.

Hvis indlæsning af en kendt spændingskilde på en resistiv spændingsdeler er uacceptabel, f.eks. i tilfælde af brug af kilder med høj intern modstand , så er en anden kilde med en tilstrækkelig lav intern modstand prækalibreret ved hjælp af denne kilde.

Når spændingerne af den resistive deler og referencespændingen er afbalanceret, er strømmen gennem nulindikatoren (galvanometer) nul. Referencespændingskilden fungerer således ved tomgangsbalance , hvilket gør det muligt at anvende præcisionskilder med høj intern modstand som spændingsreferencer , for eksempel normale elektrokemiske celler . På samme måde er det af samme grund muligt at måle EMF fra ukendte spændingskilder med høj intern modstand uden at forvrænge måleresultatet, for eksempel EMF af elektrokemiske potentiometriske sensorer.

Funktioner af potentiometre til måling af ultralave spændinger

Ved måling af ultralave spændinger (på niveauet af mikrovolt - brøkdele af en millivolt), er forvrængning af måleresultatet fra termo-EMF af "parasitære" termoelementer , dannet ved punkterne for elektrisk forbindelse af uens ledermaterialer (f. , kobberledere og højmodstandsledere af variable modstande), bliver signifikant, hvis temperaturen af disse forbindelser (forbindelser) ikke er ens. Uden brug af særlige foranstaltninger kan parasitiske termo-EMF-værdier nå op på titusinder af mikrovolt. For eksempel er termo-EMF for et par kobber- tin - bly loddemidler omkring 3-7 mikron V / K , hvilket med en værdi af målte spændinger på nogle få til titusvis af mikrovolt kan give en relativ målefejl på flere titusindvis af procent, hvilket normalt er uacceptabelt. Derfor, når man designer sådanne potentiometre, tages der særlige foranstaltninger for at reducere parasitisk termo-EMF. En radikal foranstaltning er omhyggelig termisk isolering af enheden fra det ydre miljø, nogle gange termostat . Til lodning af elektriske forbindelser bruges loddemidler, der giver små termiske EMF parret med kobber, for eksempel tin - cadmium lodninger, hvis termo-EMF, parret med kobber, er mindre end 0,3 μV / K.

Registrering og selvregistrering af automatiske potentiometre

Udover måling af potentiometre, hvor indregulering (ændring af modstanden af en resistiv deler, indtil den målte spænding og spændingen taget fra reokorden er ens) udføres manuelt, er der potentiometre med automatisk afbalancering. Automatiske enheder bruges i vid udstrækning, for eksempel i selvoptagere (procesoptagere på papirbånd), som stadig er almindelige i industrielle processtyringssystemer. Elektromekaniske potentiometre bliver gradvist erstattet af digitale enheder til lagring og visning af information.

Princippet for drift af automatiske potentiometre er baseret på brugen af et servo elektromekanisk automatisk styrekredsløb. Den målte spænding og spændingen fra skyderen føres til en differentialfejlsforstærker , hvis udgang via effektforstærkeren styrer den reversible elektriske motor . Den elektriske motor gennem de mekaniske elementer ( kabler , gear ) bevæger reochord-skyderen i den rigtige retning for at reducere uoverensstemmelsessignalet til nul. Skyderen på reokorden er stift forbundet med pegepilen, der bevæger sig langs skalaen digitaliseret i enheder af den målte værdi. Skalaen behøver ikke være digitaliseret i spændingsenheder; for eksempel, når enheden betjenes i et sæt med en hvilken som helst termisk omformer , kan den digitaliseres i temperaturgrader; når man arbejder med en glaselektrode , kan den digitaliseres i pH-enheder ( pH - meter ). I selvoptagere bevæger pennen sig langs papiret samtidig med pilen. Pennen tegner en streg på papir og registrerer derved ændringen i den målte værdi, normalt som en funktion af tiden.

Litteratur og dokumentation

Kuznetsov V. A., Dolgov V. A., Konevskikh V. M. et al. Målinger i elektronik: A Handbook / Ed. V. A. Kuznetsova. - M . : Energoatomizdat, 1987. - S. 30-35. — 512 s.
Håndbog i elektriske måleinstrumenter ; Ed. K. K. Ilyunina - L .: Energoatomizdat, 1983

Noter

↑ Thomas B. Greenslade, Jr. Potentiometer, hentet 2010 2. nov . physics.kenyon.edu. Hentet 11. juni 2017. Arkiveret fra originalen 4. oktober 2009. (ubestemt)