Измерительные преобразователи переменного тока

Подобно тому, как были созданы устройства для измерения определенных физических величин и повторения этой информации в виде электрических сигналов постоянного тока (термопары, тензодатчики, датчики pH и т. Д.), Были созданы специальные устройства, которые делают то же самое с переменным током.

Часто бывает необходимо уметь определять и передавать физическое положение механических частей с помощью электрических сигналов. Это особенно верно в области автоматизированного управления станками и робототехники. Простой и легкий способ сделать это - с помощью потенциометра:

Использование потенциометра

Напряжение отвода потенциометра указывает положение объекта, подчиненного валу.

Однако у потенциометров есть свои уникальные проблемы. Во-первых, они полагаются на физический контакт между «дворником» и полоской сопротивления, что означает, что они со временем страдают от физического износа.

По мере износа потенциометров их пропорциональный выход в зависимости от положения вала становится все менее и менее надежным. Возможно, вы уже испытывали этот эффект при регулировке громкости на старом радиоприемнике:при повороте ручки вы могли слышать «царапающие» звуки, исходящие из динамиков.

Эти шумы являются результатом плохого контакта стеклоочистителя в потенциометре регулировки громкости.

Кроме того, этот физический контакт между дворником и полосой создает возможность искрения (искры) между ними при перемещении дворника.

В большинстве цепей потенциометров ток настолько мал, что искрение стеклоочистителя незначительно, но это возможность следует учитывать.

Если потенциометр будет эксплуатироваться в среде, где присутствуют горючие пары или пыль, эта возможность возникновения дуги превращается в вероятность взрыва!

Использование LVDT

Используя переменный ток вместо постоянного, мы можем полностью избежать скользящего контакта между частями, если используем переменный трансформатор . вместо потенциометра.

Устройства, созданные для этой цели, называются LVDT, что означает L . inear V доступный D дифференциальный T трансформеры. Конструкция LVDT выглядит так:

Выход переменного тока линейного переменного дифференциального трансформатора (LVDT) указывает положение сердечника.

Очевидно, это устройство является трансформатором :он имеет одну первичную обмотку, питаемую от внешнего источника переменного напряжения, и две вторичные обмотки, соединенные последовательно с компенсацией.

Это переменная потому что сердечник может свободно перемещаться между обмотками. Это дифференциал из-за способа соединения двух вторичных обмоток. Расположение напротив друг друга (сдвиг по фазе на 180 °) означает, что на выходе этого устройства будет разница между выходным напряжением двух вторичных обмоток.

Когда сердечник отцентрирован и обе обмотки выдают одинаковое напряжение, конечный результат на выходных клеммах будет равен нулю вольт. Он называется линейным . поскольку сердечник движется по прямой линии.

Выходное напряжение переменного тока LVDT указывает положение подвижного сердечника. Нулевое напряжение означает, что сердечник находится по центру.

Чем дальше сердечник находится от центрального положения, тем больший процент входного («возбуждения») напряжения будет на выходе. Фаза выходного напряжения относительно напряжения возбуждения указывает, в каком направлении от центра сердечник смещен.

Основным преимуществом LVDT перед потенциометром для определения положения является отсутствие физического контакта между движущимися и неподвижными частями.

Сердечник не контактирует с обмотками провода, а скользит внутрь и наружу внутри непроводящей трубки. Таким образом, LVDT не «изнашивается», как потенциометр, и при этом отсутствует возможность образования дуги.

Возбуждение LVDT обычно составляет 10 В (среднеквадратичное значение) или меньше в диапазоне частот от линии электропередачи до диапазона высоких звуковых частот (20 кГц). Одним из потенциальных недостатков LVDT является время отклика, которое в основном зависит от частоты источника переменного напряжения.

Если требуется очень быстрое время отклика, частота должна быть выше, чтобы позволить любой цепи измерения напряжения иметь достаточное количество циклов переменного тока для определения уровня напряжения при перемещении сердечника.

Чтобы проиллюстрировать здесь потенциальную проблему, представьте себе этот преувеличенный сценарий:LVDT питается от источника напряжения 60 Гц, при этом сердечник перемещается и выключается сотни раз в секунду.

Выходной сигнал этого LVDT даже не будет выглядеть как синусоидальная волна, потому что сердечник будет перемещаться во всем диапазоне своего движения до того, как напряжение источника переменного тока сможет завершить один цикл! Было бы почти невозможно определить мгновенное положение сердечника, если оно движется быстрее, чем мгновенное напряжение источника.

Использование RVDT

Вариантом LVDT является RVDT или R отарий V доступный D дифференциальный T преобразователь. Это устройство работает почти по тому же принципу, за исключением того, что сердечник вращается на валу, а не движется по прямой. RVDT можно сконструировать только для части движения на 360 ° (полный круг).

Использование Synchro или Selsyn

Продолжая этот принцип, у нас есть так называемый Synchro или Selsyn , который представляет собой устройство, очень похожее на многофазный двигатель или генератор переменного тока с фазным ротором.

Ротор может свободно вращаться на 360 °, как двигатель. На роторе находится одна обмотка, подключенная к источнику переменного напряжения, очень похожая на первичную обмотку LVDT. Обмотки статора обычно имеют трехфазную Y-образную форму, хотя были созданы синхронизаторы с более чем тремя фазами. (Рисунок ниже)

Устройство с двухфазным статором известно как резольвер . . Резольвер выдает синусоидальный и косинусоидальный выходные сигналы, которые указывают положение вала.

Синхросигнал намотан с трехфазной обмоткой статора и вращающимся полем. Резольвер имеет двухфазный статор.

Напряжения, индуцированные в обмотках статора от возбуждения переменного тока ротора, не сдвинут по фазе на 120 °, как в реальном трехфазном генераторе. Если бы на ротор был подан постоянный ток, а не переменный, и вал вращался бы непрерывно, тогда напряжения были бы истинно трехфазными.

Но синхронизатор разработан не для этого. Скорее, это определение местоположения устройство очень похоже на RVDT, за исключением того, что его выходной сигнал намного более определен. Когда ротор запитан переменным током, напряжения обмотки статора будут пропорциональны по величине угловому положению ротора, фаза сдвинута на 0 ° или 180 °, как в обычных LVDT или RVDT.

Вы можете представить его как трансформатор с одной первичной обмоткой и тремя вторичными обмотками, каждая вторичная обмотка ориентирована под определенным углом.

Поскольку ротор медленно вращается, каждая обмотка, в свою очередь, будет выровнена непосредственно с ротором, создавая полное напряжение, в то время как другие обмотки будут производить напряжение ниже полного.

Синхросигналы часто используются парами. Если их роторы соединены параллельно и питаются от одного источника переменного напряжения, их валы будут соответствовать положению с высокой степенью точности:

Валы синхронизатора подчинены друг другу. Вращение одного перемещает другое.

Такие пары «передатчик / приемник» использовались на кораблях для передачи положения руля направления или положения навигационного гироскопа на довольно большие расстояния.

Единственная разница между «передатчиком» и «приемником» заключается в том, какой из них поворачивается внешней силой. «Приемник» можно так же легко использовать, как «передатчик», заставляя его вал вращаться и позволяя синхронизатору в левом положении совпадать с положением.

Если ротор приемника не запитан, он будет действовать как датчик ошибки положения, генерируя переменное напряжение на роторе, если вал смещен не на 90o или 270o относительно положения вала передатчика.

Ротор приемника больше не будет генерировать крутящий момент и, следовательно, больше не будет автоматически соответствовать положению передатчика:

Вольтметр переменного тока регистрирует напряжение, если ротор приемника не повернут точно на 90 или 270 градусов от ротора передатчика.

Это можно рассматривать как своего рода мостовую схему, в которой достигается баланс только в том случае, если вал приемника находится в одном из двух (совпадающих) положений с валом передатчика.

Одним из довольно оригинальных применений синхронизатора является создание устройства для сдвига фазы при условии, что статор запитан трехфазным переменным током:

При полном повороте ротора фаза плавно смещается от 0 ° до 360 ° (обратно к 0 °).

Когда ротор синхронизатора вращается, обмотка ротора будет постепенно выравниваться с каждой обмоткой статора, а их соответствующие магнитные поля сдвинуты по фазе друг от друга на 120 °.

Между этими положениями эти сдвинутые по фазе поля будут смешиваться, создавая напряжение на роторе где-то между 0 °, 120 ° или 240 ° сдвигом. Практический результат - устройство, способное подавать переменное напряжение бесступенчатой ​​фазы с помощью поворотной ручки (прикрепленной к валу ротора).

Синхронизатор или резольвер могут измерять линейное движение, если они оснащены зубчатой ​​рейкой.

Линейное перемещение на несколько дюймов (или см), приводящее к нескольким оборотам синхронизатора (резольвера), генерирует последовательность синусоидальных волн. Индуктосин ® - это линейная версия резольвера. Он выводит сигналы как резольвер; хотя есть небольшое сходство.

Inductosyn состоит из двух частей:фиксированной змеевидной обмотки с шагом 0,1 дюйма или 2 мм и подвижной обмотки, известной как слайдер . . (Рисунок ниже)

Ползун имеет пару обмоток с таким же шагом, что и фиксированная обмотка. Обмотки ползунка смещены на четверть шага, поэтому при движении создаются как синусоидальные, так и косинусоидальные волны.

Одной обмотки ползунка достаточно для подсчета импульсов, но нет информации о направлении.

Двухфазные обмотки предоставляют информацию о направлении при фазировании синусоидальной и косинусной волн. Движение на один шаг создает цикл синусоидальных и косинусоидальных волн; несколько звуков создают цепочку волн.

Inductosyn:(a) фиксированная змеевидная обмотка, (b) двухфазные обмотки с подвижным ползунком. Адаптировано из рисунка 6.16 [WAK]

Когда мы говорим, что синусоидальные и косинусоидальные волны возникают как функция линейного движения, мы на самом деле имеем в виду, что высокочастотная несущая модулируется по амплитуде при перемещении ползунка.

Два сигнала переменного тока ползунка должны быть измерены, чтобы определить положение в пределах шага, точное положение. На сколько шагов переместился ползунок? Отношения синусоидального и косинусоидального сигналов этого не показывают. Однако количество шагов (количество волн) может быть отсчитано от известной начальной точки, что дает грубое положение.

Это инкрементальный кодировщик . Если абсолютное положение должно быть известно независимо от начальной точки, вспомогательный резольвер, рассчитанный на один оборот на длину, дает приблизительное положение. Это составляет абсолютный кодировщик .

Линейный Inductosyn имеет коэффициент трансформации 100:1. Сравните это с соотношением 1:1 для резольвера. Возбуждение на несколько вольт переменного тока в Inductosyn дает несколько милливольт на выходе.

Этот низкий уровень сигнала преобразуется в 12-битный цифровой формат с помощью преобразователя в цифровой преобразователь (RDC) . Возможно разрешение 25 микродюймов.

Существует также поворотная версия Inductosyn, имеющая 360 шагов рисунка на оборот. При использовании с 12-разрядным преобразователем в цифровой преобразователь достигается разрешение лучше, чем 1 угловая секунда. Это инкрементальный энкодер.

Подсчет шагов от известной начальной точки необходим для определения абсолютного положения. В качестве альтернативы, преобразователь может определить приблизительное абсолютное положение.

Емкостные преобразователи

До сих пор все обсуждаемые преобразователи были индуктивного типа. Однако можно изготавливать преобразователи, которые также работают с переменной емкостью, при этом переменный ток используется для определения изменения емкости и генерирования переменного выходного напряжения.

Помните, что емкость между двумя проводящими поверхностями зависит от трех основных факторов:площади перекрытия этих двух поверхностей, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости материала между поверхностями.

Если две из трех из этих переменных могут быть фиксированными (стабилизированы), а третья может изменяться, то любое измерение емкости между поверхностями будет указывать только на изменения в этой третьей переменной.

Медицинские исследователи уже давно используют емкостное зондирование для обнаружения физиологических изменений в живых организмах.

Еще в 1907 году немецкий исследователь по имени Х. Кремер поместил две металлические пластины по обе стороны от бьющегося лягушачьего сердца и измерил изменения емкости в результате того, что сердце попеременно наполняется и опорожняется кровью.

Аналогичные измерения были выполнены на людях с металлическими пластинами, размещенными на груди и спине, с регистрацией дыхательной и сердечной деятельности посредством изменения емкости.

Для более точных емкостных измерений активности органов в органы (особенно в сердце) были вставлены металлические зонды на концах катетерных трубок, при этом измерялась емкость между металлическим зондом и телом испытуемого.

С достаточно высокой частотой возбуждения переменного тока и достаточно чувствительным детектором напряжения не только насосное действие, но и звуки активного сердца можно легко интерпретировать.

Как и индуктивные преобразователи, емкостные преобразователи также могут быть автономными, в отличие от прямых физиологических примеров, описанных выше.

Некоторые преобразователи работают, делая одну из пластин конденсатора подвижной, либо таким образом, чтобы изменять площадь перекрытия или расстояние между пластинами. Другие преобразователи работают, перемещая диэлектрический материал между двумя неподвижными пластинами:

Переменный емкостной преобразователь различается; (а) площадь перекрытия, (б) расстояние между пластинами, (в) количество диэлектрика между пластинами.

Преобразователи с большей чувствительностью и невосприимчивостью к изменениям других переменных могут быть получены с помощью дифференциальной конструкции, что очень похоже на концепцию LVDT (Linear Variable Differential Трансформатор). Вот несколько примеров дифференциальных емкостных преобразователей:

Дифференциальный емкостной преобразователь изменяет соотношение емкостей, изменяя:(а) площадь перекрытия, (б) расстояние между пластинами, (в) диэлектрик между пластинами.

Как видите, все дифференциальные устройства, показанные на иллюстрации выше, имеют три соединения проводов, а не два:один провод для каждой из «концевых» пластин и один для «общей» пластины.

Когда емкость между одной из «концевых» пластин и «общей» пластиной изменяется, емкость между другой «концевой» пластиной и «общей» пластиной такова, что изменяется в противоположном направлении. Этот тип преобразователя очень хорошо подходит для реализации в мостовой схеме:

Мост дифференциального емкостного преобразователя

Схема измерения моста дифференциального емкостного преобразователя.

Емкостные преобразователи обеспечивают относительно небольшие емкости для работы измерительной схемы, обычно в пико диапазон фарадов. Из-за этого обычно требуются высокие частоты источника питания (в мегагерцовом диапазоне!), Чтобы снизить эти емкостные реактивные сопротивления до разумных уровней.

Учитывая небольшую емкость, обеспечиваемую типичными емкостными преобразователями, паразитные емкости могут стать основным источником ошибок измерения. Важно , что хорошее экранирование проводника для надежной и точной схемы емкостного преобразователя!

Мостовая схема - не единственный способ эффективно интерпретировать выходную дифференциальную емкость такого преобразователя, но это один из самых простых в реализации и понимании. Как и в случае с LVDT, выходное напряжение моста пропорционально смещению действия преобразователя от его центрального положения, а направление смещения будет указываться фазовым сдвигом.

Этот вид мостовой схемы аналогичен по функциям тому, который используется с тензодатчиками:он не предназначен для постоянного нахождения в «сбалансированном» состоянии, а скорее степень дисбаланса представляет собой величину измеряемой величины.

Дифференциальный емкостный преобразователь «Twin-T»

Интересной альтернативой мостовой схеме для интерпретации дифференциальной емкости является twin-T . Это требует использования диодов, тех «односторонних клапанов» для электрического тока, упомянутых ранее в этой главе:

Схема измерения "Twin-T" дифференциального емкостного преобразователя.

Эту схему можно было бы лучше понять, если ее перерисовать так, чтобы она больше напоминала конфигурацию моста:

Схема измерения «Twin-T» преобразователя дифференциального конденсатора перерисована в виде моста. Выходной сигнал через R _{нагрузку} .

Конденсатор С ₁ заряжается источником переменного напряжения в течение каждого положительного полупериода (положительный при измерении относительно точки заземления), в то время как C ₂ заряжается в течение каждого отрицательного полупериода.

Пока один конденсатор заряжается, другой конденсатор разряжается (медленнее, чем заряжался) через сеть из трех резисторов. Как следствие, C ₁ поддерживает положительное напряжение постоянного тока по отношению к земле, а C ₂ отрицательное напряжение постоянного тока по отношению к земле.

Если емкостной преобразователь смещен из центрального положения, емкость одного конденсатора увеличится, а емкость другого уменьшится. Это мало влияет на пиковое напряжение заряда каждого конденсатора, так как сопротивление на пути зарядного тока от источника к конденсатору незначительно, что приводит к очень малой постоянной времени (τ).

Однако, когда приходит время разряда через резисторы, конденсатор с большей емкостью будет дольше удерживать свой заряд, что приведет к увеличению среднего напряжения постоянного тока с течением времени, чем конденсатор меньшей емкости.

Нагрузочный резистор (R _load ), подключенный одним концом к точке между двумя резисторами одинаковой величины (R), а другим концом к земле, не будет падать постоянного напряжения, если заряды постоянного напряжения двух конденсаторов равны по величине.

Если, с другой стороны, один конденсатор поддерживает больший заряд постоянного напряжения, чем другой из-за разницы в емкостях, на нагрузочном резисторе падает напряжение, пропорциональное разнице между этими напряжениями.

Таким образом, дифференциальная емкость преобразуется в постоянное напряжение на нагрузочном резисторе.

На нагрузочном резисторе присутствует как переменное, так и постоянное напряжение, и только постоянное напряжение имеет значение для разницы в емкости. При желании к выходу этой схемы можно добавить фильтр нижних частот, чтобы блокировать переменный ток, оставляя только сигнал постоянного тока для интерпретации измерительной схемой:

Добавление фильтра нижних частот к «twin-T» подает чистый постоянный ток на индикатор измерения.

Как измерительная схема для дифференциальных емкостных датчиков, конфигурация двойного тройника имеет много преимуществ по сравнению со стандартной конфигурацией моста.

В первую очередь, смещение преобразователя обозначается простым постоянным напряжением, а не переменным напряжением, величина которого и Чтобы определить, какая емкость больше, необходимо интерпретировать фазу.

Кроме того, при правильных значениях компонентов и выходном сигнале источника питания этот выходной сигнал постоянного тока может быть достаточно сильным, чтобы напрямую управлять движением электромеханического измерителя, устраняя необходимость в схеме усилителя.

Еще одно важное преимущество состоит в том, что все важные элементы схемы имеют одну клемму, напрямую подключенную к земле:источник, нагрузочный резистор и оба конденсатора связаны с землей.

Это помогает свести к минимуму вредное воздействие паразитной емкости, которая часто встречается в мостовых измерительных схемах, а также устраняет необходимость в компенсационных мерах, таких как заземление Вагнера.

Для этой схемы также легко указать детали. Обычно измерительная схема, включающая дополнительные диоды, требует выбора «согласованных» диодов для обеспечения хорошей точности. Не так с этой схемой!

Пока напряжение источника питания значительно превышает отклонение падения напряжения между двумя диодами, влияние рассогласования минимально и мало влияет на погрешность измерения.

Кроме того, вариации частоты питания имеют относительно низкое влияние на коэффициент усиления (сколько выходного напряжения создается для данной величины смещения преобразователя), а прямоугольное напряжение питания работает так же, как и синусоидальное, при условии, что рабочий цикл составляет 50% (равно положительные и отрицательные полупериоды), конечно.