Потенціометр (від лат. potentia — «сила» і грец. μετρεω — «вимірюю») — вимірювальний прилад, призначений для визначення напруги шляхом порівняння двох різних напруг або ЕРС за допомогою компенсаційного методу. При відомій одній з напруг дозволяє визначити іншу напругу.
Потенціометр | |
Виміряє | напруга і d |
---|---|
Потенціометр у Вікісховищі |
Історично потенціометр — один з перших точних вимірників напруг — вольтметрів. Винайдений німецьким фізиком Йоганном Поггендорфом в 1841 році.
Потенціометр (вимірювальний прилад) не слід плутати з трививідним змінним резистором — електронним компонентом, який ще жаргонно називають «потенціометром».
Іноді «потенціометрами» не зовсім коректно називають вимірювачі переміщень і поворотів, засновані на потенціометричній схемі, наприклад, вимірювачі положення дросельної заслінки в двигунах внутрішнього згоряння.
Принцип дії
Потенціометр є подільником напруги з резисторів (резистивний дільник) зі змінним опором (змінних резисторів).
До розподілювача напруги підключають джерело, напруга якого відома (), і джерело, напругу якого потрібно визначити ().
Відому з достатньою точністю одну з порівнюваних напруг прийнято називати «опорною напругою» або «опорною ЕРС». В іноземній літературі опорну напругу називають «референтною напругою» і зазвичай позначають .
Ручним або автоматичним регулюванням опорів розподілювача напруги домагаються, щоб напруга , яка знімається з розподілювачя, стала рівною напрузі (або ЕРС) . Рівність напруг () зазвичай називають «балансом напруг». Індикатором «балансу» є чутливий вимірювач малих струмів (або напруг), який часто називають «нуль-індикатором» і на малюнку позначений буквою «O». При струм , який проходить через нуль-індикатор «О», буде дорівнює 0.
В якості нуль-індикаторів історично першими стали застосовувати чутливі гальванометри. В сучасній електроніці, як нуль-індикатор застосовують диференціальні підсилювачі з високим коефіцієнтом посилення.
Для схеми, зображеної у верхній частині малюнка, за правилами Кірхгофа
з урахуванням :
де:
- — опір ділянки змінного резистора знизу (на малюнку) до рухомого контакту;
- — повний опір змінного резистора.
Отже, знаючи співвідношення опорів резисторів розподільника напруги при рівності напруг («балансі»), можна чисельно виразити одну напругу ( або ) через іншу напругу ( або відповідно).
В якості змінного опору історично застосовували реохорд. Реохорд являв собою шматок натягнутого дроту постійного поперечного перерізу з трьома електричними виходами. Перші два виходи прикріплялися до кінців дроту, а третій (повзунок) міг переміщатися уздовж дроту. Електричний опір однорідного шматка дроту довжиною і постійного поперечного перерізу виражається за формулою де — питомий електричний опір матеріалу дроту. Знаючи довжину дроту , відстань від краю дроту до повзунка і напругу між кінцями дроту, можна визначити напругу (рівну ) між повзунком і кінцем дроту:
Реохорди, які представляють собою шматок дроту, в сучасних потенціометрах практично не застосовують, тільки іноді використовують в демонстраційних цілях. Сучасний реохорд є змінним резистором, зазвичай виконаним у вигляді одношарової спіральної намотки високоомного дроту на прямолінійний або тороїдальній підставці (каркасі). Назва «реохорд» в потенціометрах міцно закріпилася за цими змінними резисторами.
В якості джерела опорної напруги (ДОН) історично застосовувалися електрохімічні джерела стабільної в часі і відтворюваної напруги — [ru]. В сучасних потенціометрах як джерела опорної напруги застосовують зазвичай напівпровідникові прецизійні іони — термокомпенсірованні стабілітрони і іони «забороненої зони».
Якщо навантаження джерела відомої напруги на резистивному розподільнику напруги неприпустимо, наприклад, в разі застосування джерел з високим внутрішнім опором, то з цього джерела попередньо калібрують інше джерело з досить малим внутрішнім опором.
При балансі напруг резистивного розподільника і опорної напруги струм через нуль-індикатор (гальванометр) дорівнює нулю. Таким чином, джерело опорної напруги працює при балансі в режимі холостого ходу, що дозволяє використовувати в якості джерел опорної напруги прецизійні джерела з високим внутрішнім опором, наприклад, нормальні електрохімічні елементи. Аналогічно, з цієї ж причини можливий вимір ЕРС джерел невідомої напруги з високим внутрішнім опором без спотворення результата вимірювання, наприклад, ЕРС електрохімічних потенціометричних датчиків.
Особливості потенціометрів для вимірювання надмалих напруг
При вимірюванні надмалих напруг (на рівні мікровольт — долі мілівольта) стає істотним спотворення результату вимірювання від термо-ЕРС «паразитних» термопар, що утворюються в точках електричного з'єднання різнорідних провідникових матеріалів (наприклад, мідних провідників і високоомних провідників змінних резисторів), якщо температура цих з'єднань (спаїв) не рівна. Без застосування спеціальних заходів значення паразитних термо-ЕРС можуть досягати десятків мікровольт. Наприклад, термо-ЕРС пари мідь — олов'яно — свинцевий припій становить близько 3-7 мк В/К, що при значенні вимірюваної напруги в одиниці-десятки мікровольт може дати відносну похибку вимірювання в кілька десятків відсотків, що зазвичай є неприпустимим. Тому при конструюванні подібних потенціометрів вдаються до спеціальних заходів для зниження паразитних термо-ЕРС. Радикальна міра — ретельна теплоізоляція приладу від зовнішнього середовища, іноді — термостатування. Для пайки електричних з'єднань застосовують припої, що дають малі термо-ЕРС в парі з міддю, наприклад, оловяно-кадмієві припої, термо-ЕРС яких в парі з міддю менше 0,3 мкВ/К.
Реєструючі та самописні автоматичні потенціометри
Крім вимірювальних потенціометрів, в яких балансування (зміна опорів резистивного подільника до досягнення рівності вимірюваної напруги і напруги, що знімається з реохорда) виконується вручну, існують потенціометри з автоматичним балансуванням. Автоматичні пристрої широко використовуються, наприклад, в самописних реєструючих приладах (самописці процесів на паперовій стрічці), які до цих пір поширені в системах управління виробничими процесами. Електромеханічні потенціометри поступово витісняються цифровими пристроями зберігання і відображення інформації.
Принцип дії автоматичних потенціометрів заснований на застосуванні стеження електромеханічного контуру автоматичного регулювання. Вимірювана напруга і напруга з движка реохорда подаються на диференціальний підсилювач неузгодженості, вихід якого через підсилювач потужності управляє реверсивним електродвигуном. Електродвигун через механічні елементи (троси, шестерні) переміщує движок реохорда в потрібну сторону так, щоб звести сигнал неузгодженості до нуля. Движок реохорда жорстко пов'язаний з вказівною стрілкою, яка переміщується по цифрованій в одиницях вимірюваної величини шкалі. Шкала не обов'язково повинна бути цифрована в одиницях напруги; наприклад, при роботі приладу в комплекті з будь-яким термоперетворювачем може бути цифрована в градусах температури; при роботі зі скляним електродом може бути цифрована в одиницях pH (pH-метр). У самописних приладах одночасно зі стрілкою переміщується перо по паперу. Перо креслить на папері лінію і тим самим реєструє зміну вимірюваної величини, зазвичай, в залежності від часу.
Література і документація
- 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. (рос.)
- Справочник по электроизмерительным приборам / Под ред. К. К. Илюнина. — Л. : Энергоатомиздат, 1983. (рос.)
Примітки
- Thomas B. Greenslade, Jr. . Physics.kenyon.edu. Архів оригіналу за 4 жовтня 2009. Процитовано 11 червня 2017.
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Potenciometr vid lat potentia sila i grec metrew vimiryuyu vimiryuvalnij prilad priznachenij dlya viznachennya naprugi shlyahom porivnyannya dvoh riznih naprug abo ERS za dopomogoyu kompensacijnogo metodu Pri vidomij odnij z naprug dozvolyaye viznachiti inshu naprugu Potenciometr Vimiryayenapruga i d Potenciometr u VikishovishiPortativnij potenciometr Brauna Istorichno potenciometr odin z pershih tochnih vimirnikiv naprug voltmetriv Vinajdenij nimeckim fizikom Jogannom Poggendorfom v 1841 roci Potenciometr vimiryuvalnij prilad ne slid plutati z trivividnim zminnim rezistorom elektronnim komponentom yakij she zhargonno nazivayut potenciometrom Inodi potenciometrami ne zovsim korektno nazivayut vimiryuvachi peremishen i povorotiv zasnovani na potenciometrichnij shemi napriklad vimiryuvachi polozhennya droselnoyi zaslinki v dvigunah vnutrishnogo zgoryannya Princip diyiPorivnyannya naprug za dopomogoyu potenciometra Potenciometr ye podilnikom naprugi z rezistoriv rezistivnij dilnik zi zminnim oporom zminnih rezistoriv Do rozpodilyuvacha naprugi pidklyuchayut dzherelo napruga yakogo vidoma U 0 displaystyle U 0 i dzherelo naprugu yakogo potribno viznachiti U x displaystyle U x Vidomu z dostatnoyu tochnistyu odnu z porivnyuvanih naprug prijnyato nazivati opornoyu naprugoyu abo opornoyu ERS V inozemnij literaturi opornu naprugu nazivayut referentnoyu naprugoyu i zazvichaj poznachayut U r e f displaystyle U ref Ruchnim abo avtomatichnim regulyuvannyam oporiv rozpodilyuvacha naprugi domagayutsya shob napruga U K displaystyle U K yaka znimayetsya z rozpodilyuvachya stala rivnoyu napruzi abo ERS U x displaystyle U x Rivnist naprug U x U K displaystyle U x U K zazvichaj nazivayut balansom naprug Indikatorom balansu ye chutlivij vimiryuvach malih strumiv abo naprug yakij chasto nazivayut nul indikatorom i na malyunku poznachenij bukvoyu O Pri U x U K displaystyle U x U K strum I x displaystyle I x yakij prohodit cherez nul indikator O bude dorivnyuye 0 V yakosti nul indikatoriv istorichno pershimi stali zastosovuvati chutlivi galvanometri V suchasnij elektronici yak nul indikator zastosovuyut diferencialni pidsilyuvachi z visokim koeficiyentom posilennya Dlya shemi zobrazhenoyi u verhnij chastini malyunka za pravilami Kirhgofa I x I K I 0 displaystyle I x I K I 0 U x U K I K R 1 displaystyle U x U K I K cdot R 1 U 0 I 0 R 0 R 1 I K R 1 0 displaystyle U 0 I 0 cdot R 0 R 1 I K cdot R 1 0 z urahuvannyam I x 0 displaystyle I x 0 I K I 0 displaystyle I K I 0 U x I 0 R 1 displaystyle U x I 0 cdot R 1 I 0 U x R 1 displaystyle I 0 frac U x R 1 U 0 I 0 R 0 R 1 I 0 R 1 U 0 I 0 R 0 0 displaystyle 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 R 0 U x R 1 R 0 displaystyle U 0 I 0 cdot R 0 frac U x R 1 cdot R 0 U x U K U 0 R 1 R 0 displaystyle U x U K U 0 frac R 1 R 0 de R 1 displaystyle R 1 opir dilyanki zminnogo rezistora R 0 displaystyle R 0 znizu na malyunku do ruhomogo kontaktu R 0 displaystyle R 0 povnij opir zminnogo rezistora U x U K U 0 R 1 R 1 R 2 displaystyle U x U K U 0 frac R 1 R 1 R 2 Otzhe znayuchi spivvidnoshennya oporiv rezistoriv rozpodilnika naprugi pri rivnosti naprug balansi mozhna chiselno viraziti odnu naprugu U 0 displaystyle U 0 abo U x displaystyle U x cherez inshu naprugu U x displaystyle U x abo U 0 displaystyle U 0 vidpovidno V yakosti zminnogo oporu istorichno zastosovuvali reohord Reohord yavlyav soboyu shmatok natyagnutogo drotu postijnogo poperechnogo pererizu z troma elektrichnimi vihodami Pershi dva vihodi prikriplyalisya do kinciv drotu a tretij povzunok mig peremishatisya uzdovzh drotu Elektrichnij opir R displaystyle R odnoridnogo shmatka drotu dovzhinoyu l displaystyle l i postijnogo poperechnogo pererizu S displaystyle S virazhayetsya za formuloyu R r l S displaystyle R rho frac l S de r displaystyle rho pitomij elektrichnij opir materialu drotu Znayuchi dovzhinu drotu L displaystyle L vidstan l displaystyle l vid krayu drotu do povzunka i naprugu U 0 displaystyle U 0 mizh kincyami drotu mozhna viznachiti naprugu U K displaystyle U K rivnu U x displaystyle U x mizh povzunkom i kincem drotu U x U K U 0 R 1 R 0 U 0 r l S r L S U 0 l L displaystyle 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 Reohordi yaki predstavlyayut soboyu shmatok drotu v suchasnih potenciometrah praktichno ne zastosovuyut tilki inodi vikoristovuyut v demonstracijnih cilyah Suchasnij reohord ye zminnim rezistorom zazvichaj vikonanim u viglyadi odnosharovoyi spiralnoyi namotki visokoomnogo drotu na pryamolinijnij abo toroyidalnij pidstavci karkasi Nazva reohord v potenciometrah micno zakripilasya za cimi zminnimi rezistorami V yakosti dzherela opornoyi naprugi DON istorichno zastosovuvalisya elektrohimichni dzherela stabilnoyi v chasi i vidtvoryuvanoyi naprugi ru V suchasnih potenciometrah yak dzherela opornoyi naprugi zastosovuyut zazvichaj napivprovidnikovi precizijni ioni termokompensirovanni stabilitroni i ioni zaboronenoyi zoni Yaksho navantazhennya dzherela vidomoyi naprugi na rezistivnomu rozpodilniku naprugi nepripustimo napriklad v razi zastosuvannya dzherel z visokim vnutrishnim oporom to z cogo dzherela poperedno kalibruyut inshe dzherelo z dosit malim vnutrishnim oporom Pri balansi naprug rezistivnogo rozpodilnika i opornoyi naprugi strum cherez nul indikator galvanometr dorivnyuye nulyu Takim chinom dzherelo opornoyi naprugi pracyuye pri balansi v rezhimi holostogo hodu sho dozvolyaye vikoristovuvati v yakosti dzherel opornoyi naprugi precizijni dzherela z visokim vnutrishnim oporom napriklad normalni elektrohimichni elementi Analogichno z ciyeyi zh prichini mozhlivij vimir ERS dzherel nevidomoyi naprugi z visokim vnutrishnim oporom bez spotvorennya rezultata vimiryuvannya napriklad ERS elektrohimichnih potenciometrichnih datchikiv Osoblivosti potenciometriv dlya vimiryuvannya nadmalih naprugPri vimiryuvanni nadmalih naprug na rivni mikrovolt doli milivolta staye istotnim spotvorennya rezultatu vimiryuvannya vid termo ERS parazitnih termopar sho utvoryuyutsya v tochkah elektrichnogo z yednannya riznoridnih providnikovih materialiv napriklad midnih providnikiv i visokoomnih providnikiv zminnih rezistoriv yaksho temperatura cih z yednan spayiv ne rivna Bez zastosuvannya specialnih zahodiv znachennya parazitnih termo ERS mozhut dosyagati desyatkiv mikrovolt Napriklad termo ERS pari mid olov yano svincevij pripij stanovit blizko 3 7 mk V K sho pri znachenni vimiryuvanoyi naprugi v odinici desyatki mikrovolt mozhe dati vidnosnu pohibku vimiryuvannya v kilka desyatkiv vidsotkiv sho zazvichaj ye nepripustimim Tomu pri konstruyuvanni podibnih potenciometriv vdayutsya do specialnih zahodiv dlya znizhennya parazitnih termo ERS Radikalna mira retelna teploizolyaciya priladu vid zovnishnogo seredovisha inodi termostatuvannya Dlya pajki elektrichnih z yednan zastosovuyut pripoyi sho dayut mali termo ERS v pari z middyu napriklad olovyano kadmiyevi pripoyi termo ERS yakih v pari z middyu menshe 0 3 mkV K Reyestruyuchi ta samopisni avtomatichni potenciometriBlok shema potenciometra z avtomatichnoyu kompensaciyeyu balansuvannyam Poznachennya Pidsilyuvach neuzgodzhenosti shematichno zobrazhenij u viglyadi operacijnogo pidsilyuvacha Dzherelo osnovnoyi vidomoyi naprugi predstavleno u viglyadi perekreslenogo kruzhechka M elektrodvigun dlya peremishennya ruhomogo kontaktu dvizhka povzunka reohorda U K displaystyle U K napruga sho znimayetsya z reohorda U x displaystyle U x napruga yaku potribno viznachiti U d displaystyle U d napruga neuzgodzhenosti Krim vimiryuvalnih potenciometriv v yakih balansuvannya zmina oporiv rezistivnogo podilnika do dosyagnennya rivnosti vimiryuvanoyi naprugi i naprugi sho znimayetsya z reohorda vikonuyetsya vruchnu isnuyut potenciometri z avtomatichnim balansuvannyam Avtomatichni pristroyi shiroko vikoristovuyutsya napriklad v samopisnih reyestruyuchih priladah samopisci procesiv na paperovij strichci yaki do cih pir poshireni v sistemah upravlinnya virobnichimi procesami Elektromehanichni potenciometri postupovo vitisnyayutsya cifrovimi pristroyami zberigannya i vidobrazhennya informaciyi Princip diyi avtomatichnih potenciometriv zasnovanij na zastosuvanni stezhennya elektromehanichnogo konturu avtomatichnogo regulyuvannya Vimiryuvana napruga i napruga z dvizhka reohorda podayutsya na diferencialnij pidsilyuvach neuzgodzhenosti vihid yakogo cherez pidsilyuvach potuzhnosti upravlyaye reversivnim elektrodvigunom Elektrodvigun cherez mehanichni elementi trosi shesterni peremishuye dvizhok reohorda v potribnu storonu tak shob zvesti signal neuzgodzhenosti do nulya Dvizhok reohorda zhorstko pov yazanij z vkazivnoyu strilkoyu yaka peremishuyetsya po cifrovanij v odinicyah vimiryuvanoyi velichini shkali Shkala ne obov yazkovo povinna buti cifrovana v odinicyah naprugi napriklad pri roboti priladu v komplekti z bud yakim termoperetvoryuvachem mozhe buti cifrovana v gradusah temperaturi pri roboti zi sklyanim elektrodom mozhe buti cifrovana v odinicyah pH pH metr U samopisnih priladah odnochasno zi strilkoyu peremishuyetsya pero po paperu Pero kreslit na paperi liniyu i tim samim reyestruye zminu vimiryuvanoyi velichini zazvichaj v zalezhnosti vid chasu Literatura i dokumentaciyaKuznecov V A Dolgov V A Konevskih V M i dr Izmereniya v elektronike Spravochnik Pod red V A Kuznecova M Energoatomizdat 1987 S 30 35 ros Spravochnik po elektroizmeritelnym priboram Pod red K K Ilyunina L Energoatomizdat 1983 ros PrimitkiThomas B Greenslade Jr Physics kenyon edu Arhiv originalu za 4 zhovtnya 2009 Procitovano 11 chervnya 2017