Potentiometer

En potentiometer (från latin potentia - "kraft" och grekiska μετρεω - "Jag mäter") är ett mätinstrument utformat för att bestämma spänning genom att jämföra två, i allmänhet, olika spänningar eller EMF med hjälp av kompensationsmetoden . När en av spänningarna är känd låter den dig bestämma den andra spänningen.

Historiskt sett är potentiometern en av de första exakta spänningsmätarna - voltmetrar . Uppfanns av den tyske fysikern Johann Poggendorf 1841 [1] .

En potentiometer (mätanordning) bör inte förväxlas med en tre-terminal variabel resistor , en elektronisk komponent slang även kallad en "potentiometer".

Ibland kallas "potentiometrar" inte helt korrekt för deplacement- och rotationssensorer baserade på en potentiometrisk krets, till exempel gasspjällssensorer i förbränningsmotorer .

Hur det fungerar

En potentiometer är en spänningsdelare av resistorer (resistiv delare) med variabel resistans ( variabel resistor ).

En källa vars spänning är känd ( ) och en källa vars spänning måste bestämmas ( ) är anslutna till spänningsdelaren. $U_{0}$ $U_x$

Känd med tillräcklig noggrannhet kallas en av de jämförda spänningarna vanligtvis "referensspänningen" eller "referens-EMK". I utländsk litteratur kallas referensspänningen för "referensspänning" och betecknas vanligtvis . $U_{ref}$

Genom att manuellt eller automatiskt justera resistansen på spänningsdelaren ser de till att spänningen som tas från delaren blir lika med spänningen (eller EMF) . Stressjämlikhet ( ) kallas vanligen för "stressbalans". "Balans"-indikatorn är en känslig mätare av små strömmar (eller spänningar), ofta kallad en " nollindikator " och markerad med bokstaven "O" i figuren. När strömmen som flyter genom nollindikatorn "O" kommer att vara lika med 0. $U_{K}$ $U_x$ $U_{x}=U_{K}$ $U_{x}=U_{K},$ ${\displaystyle I_{x))$

Känsliga galvanometrar var historiskt sett de första som användes som nollindikatorer . I modern elektronik används differentialförstärkare med hög förstärkning som nollindikator .

För kretsen som visas överst i figuren, enligt 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,

och med hänsyn till : $I_{x}=0$

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}}},

var:

$R_{1}$ - motstånd för sektionen av det variabla motståndet från botten (enligt figuren) till den rörliga kontakten; $R_{0}$
$R_{0}$ är det variabla motståndets totala resistans.

För diagrammet nedan

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

Det vill säga, om man känner till förhållandet mellan resistanserna hos motstånden i spänningsdelaren när spänningarna är lika ("balans"), kan en spänning (eller) uttryckas numeriskt genom en annan spänning ( eller, respektive). $U_{0}$ $U_x$ $U_x$ $U_{0}$

En reochord har historiskt använts som ett variabelt motstånd . Reokordet var ett stycke sträckt tråd med konstant tvärsnitt med tre elektriska ledningar. De två första ledningarna var fästa vid ändarna av tråden, och den tredje (skjutaren) kunde röra sig längs tråden. Det elektriska motståndet för ett homogent stycke tråd med en längd och ett konstant tvärsnitt uttrycks med formeln där är trådmaterialets elektriska resistivitet. Genom att känna till längden på tråden , avståndet från kanten av tråden till skjutreglaget och spänningen mellan ändarna av tråden, kan du bestämma spänningen (lika ) mellan skjutreglaget och änden av 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 är en bit tråd, används praktiskt taget inte i moderna potentiometrar, bara ibland används de för demonstrationsändamål. En modern rheochord är ett variabelt motstånd, vanligtvis tillverkat i form av en spirallindning i ett lager av högresistanstråd på en rak eller toroidformad bas (ram). Namnet "rheochord" i potentiometrar är fast förankrat i dessa variabla motstånd.

Som referensspänningskälla (ION) användes historiskt sett elektrokemiska källor med tidsstabil och reproducerbar spänning - normala elektrokemiska celler . I moderna potentiometrar används vanligtvis halvledarprecisions-IONer som referensspänningskällor - termiskt kompenserade zenerdioder och " gapband "-IONer.

Om det är oacceptabelt att ladda en känd spänningskälla på en resistiv spänningsdelare, till exempel vid användning av källor med hög intern resistans , förkalibreras en annan källa med tillräckligt låg intern resistans med denna källa.

När spänningarna hos den resistiva delaren och referensspänningen är balanserade är strömmen genom nollindikatorn (galvanometern) noll. Således arbetar referensspänningskällan vid tomgångsbalans , vilket gör det möjligt att använda precisionskällor med hög intern resistans som spänningsreferenser , till exempel normala elektrokemiska celler . På liknande sätt är det av samma anledning möjligt att mäta EMF för okända spänningskällor med hög intern resistans utan att förvränga mätresultatet, till exempel EMF för elektrokemiska potentiometriska sensorer.

Funktioner hos potentiometrar för mätning av ultralåga spänningar

Vid mätning av ultralåga spänningar (på nivån av mikrovolt - bråkdelar av en millivolt), är förvrängningen av mätresultatet från termo-EMF för "parasitära" termoelement , bildade vid punkter för elektrisk anslutning av olika ledarematerial (till exempel , kopparledare och högresistansledare av variabla motstånd), blir signifikant om temperaturen på dessa anslutningar (övergångar) inte är lika. Utan användning av speciella åtgärder kan parasitiska termo-EMF-värden nå tiotals mikrovolt. Till exempel är termo-EMF för ett par koppar- tenn - bly lod ca 3-7 mikron V / K , vilket med ett värde på uppmätta spänningar på några till tiotals mikrovolt kan ge ett relativt mätfel på flera tiotals procent, vilket vanligtvis är oacceptabelt. Vid konstruktion av sådana potentiometrar vidtas därför speciella åtgärder för att minska parasitisk termo-EMF. En radikal åtgärd är noggrann värmeisolering av enheten från den yttre miljön, ibland termostaterande . För lödning av elektriska anslutningar används lod som ger liten termisk EMF parad med koppar, till exempel tenn - kadmium lödningar, vars termo-EMF, parat med koppar, är mindre än 0,3 μV / K.

Registrera och självregistrera automatiska potentiometrar

Förutom att mäta potentiometrar, där balansering (ändring av resistansen hos en resistiv delare tills den uppmätta spänningen och spänningen som tas från reochord är lika) utförs manuellt, finns potentiometrar med automatisk balansering. Automatiska enheter används i stor utsträckning, till exempel i självregistrerande brännare (processinspelningar på pappersband), som fortfarande är vanliga i industriella processtyrningssystem. Elektromekaniska potentiometrar ersätts gradvis av digitala enheter för lagring och visning av information.

Funktionsprincipen för automatiska potentiometrar är baserad på användningen av en servo elektromekanisk automatisk styrslinga. Den uppmätta spänningen och spänningen från reglaget matas till en differentialfelsförstärkare , vars utgång via effektförstärkaren styr den reversibla elmotorn . Den elektriska motorn genom de mekaniska elementen ( kablar , växlar ) flyttar reochord-reglaget i rätt riktning för att reducera missanpassningssignalen till noll. Reglaget för reokordet är fast anslutet till pekpilen som rör sig längs skalan digitaliserad i enheter av det uppmätta värdet. Vågen behöver inte digitaliseras i spänningsenheter; till exempel, när enheten används i en uppsättning med valfri värmeomvandlare , kan den digitaliseras i temperaturgrader; vid arbete med en glaselektrod kan den digitaliseras i pH-enheter ( pH- meter ). I självregistrerande enheter rör sig pennan längs papperet samtidigt som pilen. Pennan ritar ett streck på papper och registrerar därigenom förändringen i det uppmätta värdet, vanligtvis som en funktion av tiden.

Litteratur och dokumentation

Kuznetsov V. A., Dolgov V. A., Konevskikh V. M. et al. Mätningar i elektronik: A Handbook / Ed. V. A. Kuznetsova. - M . : Energoatomizdat, 1987. - S. 30-35. — 512 sid.
Handbok för elektriska mätinstrument ; Ed. K. K. Ilyunina - L .: Energoatomizdat, 1983

Anteckningar

↑ Thomas B. Greenslade, Jr. Potentiometer, hämtad 2010 2 nov . physics.kenyon.edu. Hämtad 11 juni 2017. Arkiverad från originalet 4 oktober 2009. (obestämd)