Автоматические электронные потенциометры

Автоматические электронные потенциометры

Принцип действия автоматических электронных потенциометров основан на компенсационном методе измерения термоЭДС, заключающемся в автоматическом уравновешивании (компенсации) измеряемой ЭДС известным напряжением, получаемым от строго определенного (рабочего) тока на сопротивлении с известным значением.

Типовая принципиальная схема таких потенциометров (рисунок 3.6) содержит: компенсационную мостовую измерительную схему А1, которая вырабатывает напряжение U_AB, компенсирующее измеряемую термоЭДС Е_х;входное устройство U_z, предназначенное для преобразования поступающего из измерительной схемы сигнала небаланса (некомпенсированного напряжения) постоянного тока DU в сигнал (напряжение) переменного тока; усилитель сигнала небаланса переменного тока А2; реверсивный асинхронный двигатель конденсаторного типа, управляющая обмотка которого питается выходным напряжением с усилителя А2 и который кинематически связан с движком реохорда 1 и кареткой 2, перемещающей указатель (стрелку) 3 вдоль шкалы 4 и перо самописца 5 (если модификация потенциометра с записью измеряемой величины) вдоль диаграммной ленты 6; систему кинематической передачи 7; состоящую из приводного ролика 8 и натяжных роликов 9, связанных между собой тросовой передачей; синхронный двигатель М2 (если модификация потенциометра с записью) для продвижения диаграммной ленты 6.

Рисунок 3.6 – Принципиальная схема автоматического электронного потенциометра

Над шкалой 4 установлена стрелка 10, перемещаемая вдоль шкалы в ручную и являющаяся задатчиком измеряемой температуры. Со стрелкой 10 жестко соединен микропереключатель SQ, переключающий свои контакты в момент совмещения стрелок 3 и 10 и являющийся выходным сигнализирующим (регулирующим) устройством.

Измерительный мост А1 питается от источника стабилизированного напряжения, обеспечивающего постоянство рабочего тока в измерительной схеме. В одну вершину моста включен реохорд R_р с токоотводом (вспомогательной спиралью) ХА, предназначенный для изменения компенсирующего напряжения. Плечи моста составлены из резисторов: R_н – для установления диапазона измерения ЭДС ; R_т – для установки величины рабочего тока; R_к – для контроля рабочего тока при градуировке или поверке прибора; R_м – вспомогательный резистор из медной проволоки для автоматического введения поправки на изменение термоЭДС термопары ВК при изменении температуры ее свободных концов; R_п – для ограничения регулировки тока в цепи источника питания GВ при градуировке. Все резисторы, кроме R_м изготавливают из стабилизированной манганиновой проволоки. Термопара ВК, как видно из схемы, подключена последовательно с усилителем UZ-A2 к диагонали АВ моста A1, при этом напряжение небаланса направлено навстречу измеряемой термоЭДС.

Схема потенциометра работает следующим образом. В исходном состоянии мост сбалансирован так, что при температуре градуировки термопары (0 °С) и при крайнем левом положении подвижного контакта реохорда напряжение на выходе моста U_ав = E_х = DU = 0. Параметры плеч моста А1 выбраны таким образом, что величина напряжения U_ав зависит только от положения движка реохорда 1, т. е. от изменения сопротивления R_р. С учетом кинематической связи каждому положению движка 1 соответствует определенное положение указателя 3 на шкале 4. Поэтому для каждого значения измеряемой ЭДС Е_х можно найти такое положение движка реохорда, при котором компенсирующее напряжение U_ав будет равно Е_х. При этом напряжение небаланса DU = 0 и исполнительный механизм М1 следящей системы компенсации находится в покое. При измеряемой температуре, отличной от ее градуировочной величины, измеряемая термоЭДС Е_x не равна компенсирующему напряжению U_ав, в результате чего возникший сигнал небаланса DU подается через преобразователь UZ на вход усилителя А2. Этот сигнал усиливается до значения, достаточного для приведения в действие реверсивного двигателя M1, выходной вал которого будет вращаться в направлении, зависящем от полярности сигнала DU. Полярность сигнала обусловливается знаком большей величины Е_х или U_ав. Выходной вал двигателя М1 через систему кинематической передачи 7 воздействует на движок реохорда измерительной схемы А1, изменяя компенсирующее напряжение U_ав до тех пор, пока оно не уравновесит измеряемую термоЭДС Е_х. Одновременно приводится в движение каретка 2 с указателем 3 и пером 5, фиксируя значение измеряемой температуры.

При применении потенциометра только в качестве измерителя контролируемой величины задатчик 10 и выходное регулирующее устройство SQ не используются.

Конструкция стандартного автоматического электронного потенциометра KCП-4 представлена на лабораторном стенде.

С целью обеспечения нормированной погрешности при измерении и регулировании температуры термопара, подключаемая к потенциометру, должна иметь с ним одинаковое стандартное обозначение градуировки (например, гр. ХА, ХК и т. д.)

1. Изучить конструкции и принципы действия первичных преобразователей температуры: термометров сопротивления, термисторов и термопар.

2. Изучить конструкции и принципы действия вторичных приборов: логометров и электронных автоматических потенциометров; составить принципиальные схемы приборов.

3. Исследовать зависимость сопротивления термометра сопротивления и термистора от их температуры.

4. Исследовать зависимость термоЭДС термопары от температуры рабочего спая.

1. Конструкции и принципы действия первичных преобразователей температуры и вторичных приборов изучить по методическим указаниям к настоящей работе, натурным образцам и рекомендуемой литературе.

Исследование статических характеристик термометра сопротивления, термистора и термопары провести на лабораторной установке, принципиальная схема которой изображена на рисунке 7. Она состоит из нагревательной электропечи А8 (Р_н = 1,0 кW), в рабочей камере которой установлены исследуемые термопары ВК2, термометр сопротивления RK1 и термистор RК2; автоматического потенциометра A3 для измерения температуры в печи А8 совместно с термопарой ВК2, моста постоянного тока А7 (Р333) для измерения величины сопротивлений термометра сопротивления RК1 и термистора RК2.

На лицевой панели пульта размещены: автоматический выключатель QF2для подачи напряжения питания 220 V, 50 Нz на лабораторную установку и защиты ее электрооборудования от аварийного короткого замыкания, переключатели – тумблеры SA1–SА4 для ручного управления, милливольтметр А4 для измерения термоЭДС исследуемой термопары ВК2 и логометр А5–А6 с термометром сопротивления RК1 для измерения температуры в печи А8.

Внимание. Перед началом работы все органы ручного управления установки должны быть установлены в исходное положение : QF2, SА2, SА-А8 – выключены; SA1, SA3 – в положение «Температура», SА4 – в положение «Термометр сопротивления RK1».

Рисунок 7 – Электрическая принципиальная схема лабораторной установки для исследования термоизмерительных преобразователей

2. Снять и построить статические характеристики датчиков температуры.

А. Включить автоматический выключатель QF2, тумблер SA2.

Б. При комнатной температуре измерить ее значение в печи А8 по показаниям вторичных приборов A3 и А6.

Установить переключатель SA1 в положение «ТермоЭДС Е_x», измерить величину термоЭДС Е_х термопары ВК2 по показаниям прибора А4 (шкала mV). Переключить тумблер SA1 в исходное положение «Температура». Выключить логометр А6 тумблером SА2. Установить тумблер SA3 в положение «Сопротивление R_x».

Пользуясь мостом А7, измерить величину сопротивления термосопротивления RK1:

– нажать кнопку «MB» на лицевой панели моста;

– ручкой «П5» установить множитель «n» в положение «10 -2 »;

– переключателями П1–П4 установить ожидаемое значение R_x=50–60 Ом нажать кнопку «ЭНИ» и вращением ручки «Баланс» добиться одновременного свечения светодиодов;

– нажать кнопку «ПИТ»;

– уравновесить мост вращением переключателей П1–П4, добиваясь одновременного (или близкого к нему) свечения светодиодов;

– вычислить сопротивление по формуле

где n – множитель декады П5,

R – сопротивление плеч сравнения П1–П4.

Установить тумблер SA4 в положение «Термистор RK2». Измерить величину сопротивления термистора RК2 при помощи моста А7, как указано выше при установке множителя «n» в положение «10» и R_x = (40–45) × 10 3 Ом. После измерения сопротивления RK2 переключить в исходное положение: тумблер SA4 – в положение «Термометр сопротивления RK1», тумблер SA3 – в положение «Температура Т °С». Тумблером SA2 включить логометр А6.

Результаты измерений записать в таблицу:

Г. Включить печь А8 тумблером SА-А8. При достижении в печи температуры 30 °С зафиксировать ее значение по показаниям прибора A3 и А6. Выключить тумблер печи SА-А8.

Д. Повторить измерения по п. Г при Т = 30±2 °С, 40±2 °С; 60±2 °С; 80±2 °С; 100±2 °С.

Е. После окончания измерений установить все органы ручного управления в исходное положение: выключить тумблеры SА2, SА-А8 и автоматический выключатель QF2. Открыть дверцу печи А8.

Ж. По данным таблицы построить графики:

где Т = (Т_А3 + Т_А6)/2.

Примечания – Во избежание разряда источника питания мост А7 включать только в моменты измерений. При включении нагрева печи мост необходимо выключить кнопками «ПИТ» и «ЭНИ».

Практические схемы включения датчиков

Данная статья – вторая часть статьи про разновидности и принципы работы датчиков. Кто не читал – рекомендую, там очень много тонкостей разложено по полочкам.

Здесь же я отдельно вынес такой важный практический вопрос, как подключение индуктивных датчиков с транзисторным выходом, которые в современном промышленном оборудовании – повсеместно. Кроме того, приведены реальные инструкции к датчикам и ссылки на примеры.

Принцип активации (работы) датчиков при этом может быть любым – индуктивные (приближения), оптические (фотоэлектрические), и т.д.

В первой части были описаны возможные варианты выходов датчиков. По подключению датчиков с контактами (релейный выход) проблем возникнуть не должно. А по транзисторным и с подключением к контроллеру не всё так просто.

Рекомендую тем, кто интересуется, также мою статью про параллельное подключение транзисторных выходов.

Схемы подключения датчиков PNP и NPN

Отличие PNP и NPN датчиков в том, что они коммутируют разные полюсы источника питания. PNP (от слова “Positive”) коммутирует положительный выход источника питания, NPN – отрицательный.

Ниже для примера даны схемы подключения датчиков с транзисторным выходом. Нагрузка – как правило, это вход контроллера.

PNP выход датчика. Нагрузка (Load) постоянно подключена к “минусу” (0V), подача дискретной “1” (+V) коммутируется транзистором. НО или НЗ датчик – зависит от схемы управления (Main circuit)

NPN выход датчика. Нагрузка (Load) постоянно подключена к “плюсу” (+V). Здесь активный уровень (дискретный “1”) на выходе датчика – низкий (0V), при этом на нагрузку подается питание через открывшийся транзистор.

Призываю всех не путаться, работа этих схем будет подробно расписана далее.

На схемах ниже показано в принципе то же самое. Акцент уделён на отличия в схемах PNP и NPN выходов.

Схемы подключения NPN и PNP выходов датчиков

На левом рисунке – датчик с выходным транзистором NPN. Коммутируется общий провод, который в данном случае – отрицательный провод источника питания.

Справа – случай с транзистором PNP на выходе. Этот случай – наиболее частый, так как в современной электронике принято отрицательный провод источника питания делать общим, а входы контроллеров и других регистрирующих устройств активировать положительным потенциалом.

Как проверить индуктивный датчик?

Для этого нужно подать на него питание, то есть подключить его в схему. Затем – активировать (инициировать) его. При активации будет загораться индикатор. Но индикация не гарантирует правильной работы индуктивного датчика. Нужно подключить нагрузку, и измерить напряжение на ней, чтобы быть уверенным на 100%.

Замена датчиков

• PNP NO
• PNP NC
• NPN NO
• NPN NC

Все эти типы датчиков можно заменить друг на друга, т.е. они взаимозаменяемы.

Это реализуется такими способами:

• Переделка устройства инициации – механически меняется конструкция.
• Изменение имеющейся схемы включения датчика.
• Переключение типа выхода датчика (если имеются такие переключатели на корпусе датчика).
• Перепрограммирование программы – изменение активного уровня данного входа, изменение алгоритма программы.

Ниже приведён пример, как можно заменить датчик PNP на NPN, изменив схему подключения:

PNP-NPN схемы взаимозаменяемости. Слева – исходная схема, справа – переделанная.

Понять работу этих схем поможет осознание того факта, что транзистор – это ключевой элемент, который можно представить обычными контактами реле (примеры – ниже, в обозначениях).

Итак, схема слева. Предположим, что тип датчика – НО. Тогда (независимо от типа транзистора на выходе), когда датчик не активен, его выходные “контакты” разомкнуты, и ток через них не протекает. Когда датчик активен, контакты замкнуты, со всеми вытекающими последствиями. Точнее, с протекающим током через эти контакты)). Протекающий ток создает падение напряжения на нагрузке.

Внутренняя нагрузка показана пунктиром неспроста. Этот резистор существует, но его наличие не гарантирует стабильную работу датчика, датчик должен быть подключен к входу контроллера или другой нагрузке. Сопротивление этого входа и является основной нагрузкой.

Если внутренней нагрузки в датчике нет, и коллектор “висит в воздухе”, то это называют “схема с открытым коллектором”. Эта схема работает ТОЛЬКО с подключенной нагрузкой.

Так вот, в схеме с PNP выходом при активации напряжение (+V) через открытый транзистор поступает на вход контроллера, и он активизируется. Как того же добиться с выходом NPN?

Бывают ситуации, когда нужного датчика нет под рукой, а станок должен работать “прям щас”.

Смотрим на изменения в схеме справа. Прежде всего, обеспечен режим работы выходного транзистора датчика. Для этого в схему добавлен дополнительный резистор, его сопротивление обычно порядка 5,1 – 10 кОм. Теперь, когда датчик не активен, через дополнительный резистор напряжение (+V) поступает на вход контроллера, и вход контроллера активизируется. Когда датчик активен – на входе контроллера дискретный “0”, поскольку вход контроллера шунтируется открытым NPN транзистором, и почти весь ток дополнительного резистора проходит через этот транзистор.

В данном случае происходит перефазировка работы датчика. Зато датчик работает в режиме, и контроллер получает информацию. В большинстве случаев этого достаточно. Например, в режиме подсчета импульсов – тахометр, или количество заготовок.

Да, не совсем то, что мы хотели, и схемы взаимозаменяемости npn и pnp датчиков не всегда приемлемы.

Как добиться полного функционала? Способ 1 – механически сдвинуть либо переделать металлическую пластинку (активатор). Либо световой промежуток, если речь идёт об оптическом датчике. Способ 2 – перепрограммировать вход контроллера чтобы дискретный “0” был активным состоянием контроллера, а “1” – пассивным. Если под рукой есть ноутбук, то второй способ и быстрее, и проще.

Условное обозначение датчика приближения

На принципиальных схемах индуктивные датчики (датчики приближения) обозначают по разному. Но главное – присутствует квадрат, повёрнутый на 45° и две вертикальные линии в нём. Как на схемах, изображённых ниже.

НО НЗ датчики. Принципиальные схемы.

На верхней схеме – нормально открытый (НО) контакт (условно обозначен PNP транзистор). Вторая схема – нормально закрытый, и третья схема – оба контакта в одном корпусе.

Цветовая маркировка выводов датчиков

Существует стандартная система маркировки датчиков. Все производители в настоящее время придерживаются её.

Однако, нелишне перед монтажом убедиться в правильности подключения, обратившись к руководству (инструкции) по подключению. Кроме того, как правило, цвета проводов указаны на самом датчике, если позволяет его размер.

Вот эта маркировка.

• Синий (Blue) – Минус питания
• Коричневый (Brown) – Плюс
• Чёрный (Black) – Выход
• Белый (White) – второй выход, или вход управления, надо смотреть инструкцию.

Система обозначений индуктивных датчиков

Тип датчика обозначается цифро-буквенным кодом, в котором зашифрованы основные параметры датчика. Ниже приведена система маркировки популярных датчиков Autonics.

Система обозначений датчиков Autonics

Скачать инструкции и руководства на некоторые типы индуктивных датчиков:

• Autonics_proximity_sensor / Каталог датчиков приближения Autonics, pdf, 1.73 MB, скачан: 1818 раз./

• Omron_E2A / Каталог датчиков приближения Omron, pdf, 1.14 MB, скачан: 2365 раз./

• ТЕКО_Таблица взаимозаменяемости выключателей зарубежных производителей / Чем можно заменить датчики ТЕКО, pdf, 179.92 kB, скачан: 1820 раз./

• Turck_InduktivSens / Датчики фирмы Turck, pdf, 4.13 MB, скачан: 2345 раз./

• pnp npn / Схема включения датчиков по схемам PNP и NPN в программе Splan/ Исходный файл., rar, 2.18 kB, скачан: 3694 раз./

Скачать книгу про датчики

Реальные датчики

Датчики купить проблематично, товар специфический, и в магазинах электрики такие не продают. Как вариант, их можно купить в Китае, на АлиЭкспрессе.

А вот какие оптические датчики я встречаю в своей работе.

Всем спасибо за внимание, жду вопросов по подключению датчиков в комментариях!

Электронный потенциометр

Как то заказал я себе ради интереса (и возможно для практического применения) электронный потенциометр (для тех кто не в курсе дела, — это микросхема, которая имитирует обыкновенный переменный резистор, но в отличии от него управляется не ручкой, а комбинацией импульсов на входе).

Заказывал здесь — chip-nn.ru/78.php
Который у меня — зовется MCP4011, а стоит каких то 16 рублей!

У моего потенциометра на сопротивление 10 кОм (я заказ такое, есть еще 2, 5, 50) получается 64 позиции сопротивления, с шагом… 154 Ома! То есть внутри включается какое то сопротивление или их комбинации.
Правда несколько Вас огорчу, нулевое сопротивление получить не выйдет. Самое крайнее положение которое мне удалось получить — 0,2-0,3кОм, а правое — 9,0кОм из номинального 10кОм. Так что Все зависит от напряжения питания, номинала и т.д.

и нужная формула, как я понял для расчетов.

— питание от 2 до 5,5 вольт
— ток который могут потянуть выходы 10 mA
Получается интересная деталька, обладая которой мне сразу захотелось от апгрейдить свой простенький блок питания с примитивным переменным резистором 🙂 Ну и соответственно управлять всем микроконтроллером.
Про блок питания как нибудь в другой раз, а теперь кратко про управление, хоть в даташите и все сразу понятно:
Собственно для управления используется всего 2 вывода, это — UD (вывод данных) и CS (типо тактового сигнала что ли, по перещелкиванию которого продвигается «ступенька»).

Как я делал.
1) Вывод CS в лог 0
2) Вывод U/D в лог 1
3) Пауза примерно 200 ns
4) Вывод U/D в лог 0
5) Пауза примерно 200 ns
6) Вывод U/D в лог 1, ну и пауза 200 ns
7) Вывод CS в лог 1
После этого сопротивление на Выводах увеличивается на одну ступеньку. Если сопротивление нужно не повышать а уменьшать то получается почти тоже самое:
1) Вывод CS в лог 0
2) Вывод U/D в лог 0
3) Пауза примерно 200 ns
4) Вывод U/D в лог 1
5) Пауза примерно 200 ns
6) Вывод U/D в лог 0, ну и пауза 200 ns
7) Вывод CS в лог 1
С той лишь разницей что на U/D подается сигнал наоборот (для повышения — из 0 в 1, для уменьшения из 1 в 0).
Короче спаял я все это на соплях, управление от tiny13, ну а два вывода от потенциометра подкинул на тостер тестер
Стоит заметить что ассортимент этих потенциометров сейчас активно расширяется, есть они и со SPI интерфейсом и I2C, есть с 64 ступеньками, есть с 256, ну и по стоимости есть разные вариации.">

Подключение потенциометра. Датчики. Ардуино

Привет. Сегодня начнем разбираться с датчиками для ардуино. Всевозможных датчиков для ардуино существует очень много. А самый простой пример, который мы разберем — это подключение потенциометра к ардуино.

Потенциометр — это резистор с переменным сопротивлением. Обычно сопротивление регулируется в ручном режиме. Но существуют и программируемые цифровые потенциометры.

В предыдущем уроке мы рассматривали возможность вывода информации в последовательный порт. Сейчас мы будем использовать эти возможности ардуино. Так что, если вы уже забыли, или пропустили тот пост, пожалуйста, посмотрите его.

Итак, план на сегодня такой. Подключим к ардуино несколько разных потенциометров. Измерим сопротивление на каждом из них. Выведем полученные данные в последовательный порт. И настроим яркость светодиода с помощью ШИМ и данных с потенциометра.

Для того, чтобы выполнить этот урок нам понадобиться.

• Ардуино UNO
• Макетная плата
• Перемычки
• Потенциометры разного сопротивления
• Светодиод 5 мм
• Резистор номиналом 220 Ом
• Кабель USB

Потенциометры действуют как регулируемые делители напряжения. Они могут быть разных размеров и форм, но всегда имеют три вывода.

Подключаем один крайний вывод потенциометра к земле, а другой к шине 5 В. Потенциометры симметричны, так что не имеет значения, с какой стороны вы подключите шину питания, а с какой землю. Средний вывод соединяем с одним из аналоговых контактов на плате ардуино.

При повороте ручки потенциометра аналоговый входной сигнал будет плавно меняться от 0 до 5 В.

analogRead()

Для того, чтобы считать сигнал от датчика в программу, нам понадобится функция analogRead(). Она принимает номер порта в качестве аргумента. А пины, которые можно использовать для аналогового входа помечены на плате ардуино как ANALOG IN.

Напряжение поданное на аналоговый вход, обычно от 0 до 5 вольт будет преобразовано в значение от 0 до 1023, это 1024 шага с разрешением 0.0049 Вольт. Разброс напряжение и шаг может быть изменен функцией analogReference().

Считывание значение с аналогового входа занимает около 100 микросекунд (0.0001 сек), Значит, максимальная частота считывания приблизительно 10,000 раз в секунду.

Программа

Тестовая программа уже есть в стандартной библиотеке, так что, сегодня не будем писать собственную. Только немного изменим стандартную.

Откроем программу AnalogInOutSerial из меню File — Examples — Analog. Добавим константу и переменную для подключения потенциометра и получаемого значения от него.

В функции setup() откроем последовательный порт. А в функции loop() добавим считывание сигнала со второго подключенного потенциометра.

Когда мы используем данные от аналоговых датчиков и выводим напряжение на пин в зависимости от этих датчиков, необходимо позаботиться о преобразовании чисел из одного диапазона в другой.

Данные с потенциометра будут приходить от 0 до 1023, а на светодиод мы может подать напряжение от 0 до 255. Такое преобразование просто сделать с помощью функции map().

Она пропорционально переносит значение из текущего диапазона значений в новый диапазон. Например,

В данном случае, среднее значение с двух подключенных потенциометров мы получаем в диапазоне от 0 до 1023. Но преобразуем в новый диапазон от 0 до 255. Который уже можно вывести на светодиод через ШИМ.

Сonstrain()

Так же можно использовать функцию constrain(). Она принимает три параметра и выводит значения границ диапазона, если проверяемое значение выходит за границы этого диапазона. Например,

Полный текст программы

// These constants won’t change. They’re used to give names to the pins used: const int analogInPin1 = A0; // Analog input pin that the potentiometer is attached to const int analogInPin2 = A1; const int analogOutPin = 9; // Analog output pin that the LED is attached to int sensorValue1 = 0; // value read from the pot int sensorValue2 = 0; int outputValue = 0; // value output to the PWM (analog out) void setup() < // initialize serial communications at 9600 bps: Serial.begin(9600); >void loop() < // read the analog in value: sensorValue1 = analogRead(analogInPin1); sensorValue2 = analogRead(analogInPin2); // map it to the range of the analog out: outputValue = map( (sensorValue1+sensorValue2)/2 , 0, 1023, 0, 255); // change the analog out value: analogWrite(analogOutPin, outputValue); // print the results to the Serial Monitor: Serial.print("sensor1 = "); Serial.print(sensorValue1); Serial.print("t sensor2 = "); Serial.print(sensorValue2); Serial.print("t output wp-block-image size-large"> Данные от потенциометров в последовательном порте

Заключение

Сегодня мы рассмотрели подключение потенциометра к ардуино. Использовали еще одну стандартную программу из библиотеки ide. И разобрали две новые функции map() и constrain(), которые помогут нам в работе со всеми датчиками и ардуино. В следующий раз рассмотрим датчик измерения расстояния.