Когда мы изучали постоянный ток, то в главе 9 «Электрические контрольно-измерительные сигналы» мы разбирали всякие устройства для измерения определённых физических величин и преобразования измеренной информации в электрические сигналы постоянного тока (термопары, тензодатчики, датчики pH и т.п.). Сейчас рассмотрим специальные устройства, которые проделывают нечто подобное, но уже с переменным током.
Часто бывает необходимо уметь определять и передавать физическое положение механических частей с помощью электрических сигналов. Это особенно актуально в области автоматизированного управления станками и робототехники. Простой и лёгкий способ сделать это – воспользоваться потенциометром:
Использование потенциометра
Рис. 1. Напряжение отвода потенциометра указывает положение объекта, зависимого от вала.
Однако у потенциометров есть свои уникальные проблемы. Во-первых, они полагаются на физический контакт между «дворником» и резистивной полоской, что означает, что они со временем подвержены физическому износу.
По мере износа потенциометров их пропорциональные выходные данные, зависящие от положения вала, становится всё менее надёжными. Возможно, вы уже сталкивались с этим при регулировке громкости на старом радиоприёмнике: при повороте ручки можно услышать «царапающие» звуки, исходящие из динамиков.
Эти шумы – результат плохого контакта «дворника» в потенциометре при регулировке громкости.
Кроме того, этот физический контакт создаёт вероятность возникновения дуги (искрения) между «дворником» и резистивной полоской.
В большинстве цепей потенциометров ток настолько мал, что искрение «дворника» незначительно, но это всё равно следует иметь ввиду.
Если потенциометр используется в среде, в которой присутствуют горючие пары или взвеси, возникновение дуги может привести к взрыву!
Использование LVDT-датчика
Используя переменный ток вместо постоянного, можно полностью отказаться от скользящих контактов между частями, если использовать переменный трансформатор вместо потенциометра.
Устройства, изготовленные для этой цели, называются LVDT-датчиками (английская аббревиатура от Linear Variable Differential Transformers, что дословно переводится как линейно-регулируемый дифференциальный трансформатор). В 6-й главе про трансформаторы в разделе 7 «Специальные трансформаторы и приложения» мы уже про них говорили.
Конструкция LVDT-датчика:
Рис. 2. Выходное значение переменного тока линейного-регулируемого дифференциального трансформатора (LVDT-датчика) зависит от положения сердечника.
Очевидно, что это устройство является трансформатором: оно имеет одну первичную обмотку, питаемую от внешнего источника переменного напряжения, и две вторичные обмотки, соединённые последовательно с понижающей нагрузкой.
Он переменный (variable), поскольку сердечник свободно перемещается между обмотками. Он дифференциальный из-за способа соединения двух вторичных обмоток. Расположение напротив друг друга (сдвиг по фазе на 180°) означает, что выходные данные этого устройства – это разница (дифференциал) между выходным напряжением обеих вторичных обмоток.
Когда сердечник отцентрирован и обе обмотки выдают одинаковое напряжение, конечный результат на выходных клеммах будет равен нулю вольт. Он называется линейным, потому что у движения сердечника одна степень свободы – он движется прямолинейно.
Выходное напряжение переменного тока LVDT-датчика указывает на положение подвижного сердечника. Нулевое напряжение означает, что сердечник находится строго по центру.
Чем дальше сердечник находится от центрального положения, тем больший процент входного («возбужденного») напряжения окажется на выходе. Фаза выходного напряжения относительно напряжения возбуждения указывает, в какую именно сторону от центра сердечник смещён.
Основным преимуществом LVDT-датчика перед потенциометром для определения положения является отсутствие физического контакта между движущимися и неподвижными частями.
Сердечник не контактирует с обмотками катушек, а скользит туда-сюда внутри непроводящей трубки. Таким образом, LVDT не «изнашивается», как потенциометр, и при этом отсутствует вероятность возникновения дуги.
Напряжения возбуждения LVDT-датчика обычно составляет 10 В (это среднеквадратичное значение), частота может быть в диапазоне низких частот линий электропередач до диапазона высоких звуковых частот (20 кГц). Одним из потенциальных недостатков LVDT-датчика является время отклика, которое в основном зависит от частоты источника переменного напряжения.
Если требуется очень быстрое время отклика, частота должна быть повыше, чтобы позволить любой цепи измерения напряжения иметь достаточное количество циклов переменного тока для определения уровня напряжения при перемещении сердечника.
Чтобы показать потенциальную проблему, представим такой крайний сценарий: LVDT-датчик питается от источника напряжения 60 Гц, при этом сердечник перемещается туда-обратно сотни раз в секунду.
Выходной сигнал этого LVDT-датчика даже не будет выглядеть как синусоидальная волна, потому что сердечник перемещается по всему диапазону своих возможных перемещений, прежде чем напряжение источника переменного тока завершает один цикл! В такой гипотетической ситуации почти невозможно определить мгновенное положение сердечника, если он движется быстрее, чем меняется мгновенное напряжение источника питания.
Использование RVDT-датчика
Вариантом LVDT является RVDT-датчик (английская аббревиатура от Rotary Variable Differential Transformers, что дословно переводится как поворотно-регулируемый дифференциальный трансформатор). Это устройство работает почти по тому же принципу, за исключением того, что сердечник вращается на валу, а не движется по прямой. RVDT-датчики могут быть сконструированы только для движения на 360° (при вращении сердечник имеет возможность сделать полный круг).
Использование сельсинов
Развивая эти идеи, инженеры разработали такое самосинхронизирующееся устройство как сельсин, которое очень похоже на многофазный двигатель или генератор переменного тока с фазным ротором. В англоязычной технической литературе также используется термин синхронизатор (synchro).
Ротор свободно вращается на 360°, как двигатель. На роторе находится одна обмотка, подключённая к источнику переменного напряжения, очень похожая на первичную обмотку LVDT-датчика. Обмотки статора (это неподвижная часть двигателя, взаимодействующая с подвижным ротором) обычно имеют трёхфазную Y-образную форму, хотя есть и синхронизаторы с более чем тремя фазами.
Устройство с двухфазным статором известно как резольвер. Резольвер выдаёт синусоидальные и косинусоидальные выходные сигналы, которые показывают положение вала.
Рис. 3. В сельсине подвижная обмотка ротора и неподвижная трёхфазная обмотка статора создают вращающееся электромагнитное поле. В резольвере статор двухфазный.
Напряжения, наведённые в обмотках статора в результате возбуждения переменного тока в роторе, не сдвинуты по фазе на 120°, как в реальном трёхфазном генераторе. Если на ротор подаётся постоянный ток, а не переменный, и вал вращается непрерывно, тогда напряжения будут истинно трёхфазными.
Но синхронизатор разработан не для этого. Скорее, это устройство определяет положение чего-либо, это очень похоже на RVDT-датчик, за исключением того, что в сельсине выходной сигнал намного более определён. Когда ротор запитан переменным током, напряжения обмоток статора будут пропорциональны по величине угловому положению ротора, фаза сдвинута на 0° или 180°, как в обычных LVDT- или RVDT-датчике.
Это можно представить себе как трансформатор с одной первичной обмоткой и тремя вторичными обмотками, причём каждая вторичная обмотка ориентирована к первичной под своим уникальным углом.
Поскольку ротор медленно вращается, каждая обмотка, когда приходит её очередь, оказывается прямо напротив ротора, при этом производя полное напряжение, в то время как другие две обмотки производят неполное напряжение.
Сельсины часто используются парами. Если их роторы параллельны друг другу и питаются от одного и того же источника переменного напряжения, их валы будут соответствовать положению с высокой степенью точности:
Рис. 4. Валы сельсинов взаимозависимы. Вращение одного перемещает другой.
Такие пары, когда один сельсин является передатчиком, а другой приёмником, раньше использовались на кораблях для передачи положения руля управления или положения навигационного гироскопа на довольно большие расстояния.
Единственная разница между «передатчиком» и «приёмником» заключается в том, какой из них поворачивается внешней силой. «Приёмник» можно так же легко использовать, как и «передатчик». Если вращать уже вал «приёмника», то синхронизатор передаст положение «передатчику».
Если на ротор приёмника больше не подаётся питание, он срабатывает как датчик ошибки положения, генерируя напряжение переменного тока на роторе, если вал смещён на какой-либо другой угол, кроме 90° или 270° от положения вала передатчика.
Ротор приёмника в таких случаях больше не генерирует крутящий момент и, следовательно, больше не будет автоматически соответствовать положению передатчика:
Рис. 5. Вольтметр переменного тока регистрирует напряжение, если ротор приёмника не повёрнут точно на 90° или 270° относительно ротора передатчика.
Это практически как своего рода мостовая схема, достигающая состояния баланса только в том случае, если вал приёмника приводится в одно из двух (совпадающих) положений с валом передатчика.
Одно из довольно оригинальных применений сельсина – создание устройства для сдвига фазы, которое происходит, если статор запитывается трёхфазным переменным током:
Рис. 6. Полное вращение ротора плавно сместит фазу от 0° до 360° (то есть обратно до 0°).
Когда ротор синхронизатора вращается, обмотка ротора будет поочерёдно оказываться напротив каждой обмотки статора, при этом их соответствующие магнитные поля сдвинуты по фазе на 120° друг от друга.
Между этими положениями эти сдвинутые по фазе поля смешиваются, создавая напряжение на роторе со сдвигом фазы или 0° или 120° или 240°. Получаем практическое устройство, способное подавать переменное напряжение бесступенчатой переменной фазы за счёт поворота ручки (прикреплённой к валу ротора).
Сельсин и резольвер могут измерять линейное движение, если они связаны с зубчатым механизмом.
Линейное перемещение на несколько дюймов (или несколько сантиметров), приводящее к нескольким оборотам сельсина (или резольвера), генерирует последовательность синусоидальных волн. Индуктосин® (Примечание: в первоисточнике название приводится со знаком копирайта, так как это запатентованная военная технология компании «Farrand Controls», для экспорта требуется лицензия США и использование приборов попадает под контроль ITAR) представляет собой линейный вариант резольвера. Он выводит сигналы как резольвер; хотя сходство небольшое.
Индуктосин состоит из двух частей: фиксированной змеевидной обмотки с шириной шага 0,1 дюйма (около 2 мм) и подвижной обмотки, известной как слайдер.
Слайдер состоит из пары обмоток с той же шириной шагов, что и у фиксированной обмотки. Обмотки слайдера смещены на четверть ширины шага, поэтому при его перемещении создаются как синусоидальные, так и косинусоидальные волны.
Если бы на слайдере была только одна обмотка, её было бы достаточно для подсчёта импульсов, но при этом нет информации о направлении.
Двухфазные обмотки предоставляют информацию о направлении при фазировании синусоиды и косинусоиды. Перемещение на один шаг создаёт цикл синусоидальных и косинусоидальных волн; перемещение на несколько шагов создаёт цепочку волн.
Когда мы говорим, что синусоидальные и косинусоидальные волны создаются за счёт линейного движения, мы на самом деле имеем в виду, что высокочастотный несущий элемент модулируется по амплитуде при перемещении слайдера.
Два сигнала переменного тока слайдера нужно измерить, чтобы определить положение в пределах шага, причём 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 даёт примерное положение.
Это инкрементальный энкодер. Если абсолютное положение должно быть известно независимо от точки начала, вспомогательный резольвер, рассчитанный на один оборот на длину, даёт приблизительное положение. Это абсолютный энкодер.
Линейный индуктосин имеет коэффициент трансформации 100:1. Сравните это с соотношением 1:1 для резольвера. Возбуждение на несколько вольт переменного тока даёт несколько милливольт на выходе.
Этот низкий уровень сигнала преобразуется в 12-битный цифровой формат с помощью цифрового преобразователя сигнала резольвера. Возможное разрешение на выходе – 25 микродюймов.
Также существует роторная версия индуктосина, делающая 360 шагов при полном обороте. При использовании с 12-битным цифровым преобразователем сигнала резольвера достигается разрешение меньшее, чем 1 угловая секунда. Это инкрементальный энкодер.
Подсчёт шагов от известной начальной точки необходим для определения абсолютного положения. Резольвер, взятый в качестве альтернативы индуктосину, абсолютное положение может определять только приблизительно.
Ёмкостные преобразователи
До сих пор все обсуждаемые преобразователи были индуктивного типа. Однако можно изготавливать преобразователи, которые также работают с переменной ёмкостью, при этом переменный ток используется для определения изменения ёмкости и генерирования переменного выходного напряжения.
Запомните, ёмкость между двумя проводящими поверхностями зависит от трёх основных факторов: площади перекрытия обеих поверхностей пластин, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости материала между поверхностями.
Если две из трёх этих переменных могут быть зафиксированы (стабилизированы), а третья может изменяться, то любое измерение ёмкости между поверхностями будет указывать только на изменения этой третьей переменной.
Медицинские исследователи уже давно используют ёмкостное 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 ёмкости, которые были результатами того, что сердце попеременно наполнялось кровью и опорожнялось от неё.
Аналогичные измерения были выполнены на людях. Металлические пластины размещались на груди и спине, что позволяло регистрировать дыхательную и сердечную деятельность за счёт изменения ёмкости.
Для более точных ёмкостных измерений активности органов (особенно сердца) металлические зонды вставлялись на концах катетерных трубок, при этом измерялась ёмкость между металлическим зондом и телом пациента.
С достаточно высокой частотой возбуждения переменного тока и достаточно чувствительным детектором напряжения можно легко интерпретировать не только насосное действие, но и тона́ активного сердца.
Подобно индукционным преобразователям, ёмкостные преобразователи также могут быть автономными, в отличие от прямых физиологических примеров, описанных выше.
Некоторые преобразователи работают за счёт того, что одна из пластин конденсатора является подвижной, благодаря чему можно изменять площадь перекрытия или расстояние между пластинами. Другие преобразователи работают за счёт перемещения диэлектрического материала между двумя неподвижными пластинами:
Рис. 8. Переменный ёмкостной преобразователь, в котором можно изменять: (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 посредством дифференциальной конструкции, концепция которой во многом аналогична концепциям, лежащим в основе LVDT-датчиков (линейно-регулируемых дифференциальных трансформаторов). Вот несколько примеров дифференциальных ёмкостных преобразователей:
Рис. 9. Дифференциальный ёмкостной преобразователь изменяет соотношение ёмкостей путём изменения: (а) площади перекрытия, (б) расстояния между пластинами, (в) количества диэлектрика между пластинами.
Как видим, все дифференциальные устройства, показанные на приведённом выше рисунке, имеют три проводных соединения, а не два: один провод для каждой из «крайних» пластин и один для «общей» пластины.
Когда ёмкость между одной из «крайних» пластин и «общей» пластиной изменяется, ёмкость между другой «крайней» пластиной и «общей» пластиной изменяется в противоположном направлении (если одна ёмкость увеличивается, то вторая уменьшается и наоборот). Этот тип преобразователя очень хорошо подходит для реализации в мостовой схеме:
Мост дифференциального ёмкостного преобразователя
Рис. 10. Схема измерительного моста с дифференциальным ёмкостным преобразователем.
Ёмкостные датчики обеспечивают относительно небольшие ёмкости для измерительной цепи, что обычно позволяет работать в пикофарадном диапазоне. Из-за этого обычно требуются высокие частоты источника питания (здесь счёт на мегагерцы!), дабы уменьшить эти ёмкостные реактивные сопротивления до разумных уровней.
Учитывая небольшую ёмкость, обеспечиваемую типичными ёмкостными преобразователями, паразитные ёмкости могут стать основным источником ошибок измерения. Для надёжной и точной схемы ёмкостного преобразователя без хорошего экранирования проводников не обойтись!
Мостовая схема – не единственный способ эффективно интерпретировать выходную дифференциальную ёмкость такого преобразователя, но она одна из самых простых в реализации и понимании. Как и в случае с LVDT-датчиком, выходное напряжение моста пропорционально смещению действия преобразователя от его центрального положения, а направление смещения будет отражено в фазовом сдвиге.
Этот вид мостовой схемы аналогичен по функциям тому, который используется в тензодатчиках: он не предназначен для постоянного нахождения в «сбалансированном» состоянии, а скорее степень дисбаланса представляет собой измеряемую величину.
Интересной альтернативой мостам для интерпретации дифференциальной ёмкости является схема «двойное-Т». Тут потребуются диоды, выполняющих роль «односторонних клапанов» для электрического тока:
Эту схему проще понять, если её перерисовать, чтобы она больше напоминала конфигурацию моста:
Рис. 12. Измерительная схема дифференциального конденсаторного преобразователя «двойное-T» перерисована в виде моста. Выходной сигнал выходит через RНагрузка.
Конденсатор C1 заряжается от источника переменного напряжения в течение каждого положительного полупериода (положительный при измерении относительно точки заземления), в то время как C2 заряжается в течение каждого отрицательного полупериода.
Пока один конденсатор заряжается, другой конденсатор разряжается (причём это происходит медленнее, чем когда он заряжался) через сеть из трёх резисторов. Как следствие, C1 поддерживает положительное напряжение постоянного тока по отношению к «земле», а C2 – отрицательное напряжение постоянного тока по отношению к «земле».
Если ёмкостной преобразователь смещён из центрального положения, ёмкость одного конденсатора увеличится, а ёмкость другого уменьшится. Это мало повлияет 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 разрядки через резисторы, конденсатор с бо́льшим значением ёмкости будет дольше удерживать свой заряд, чем конденсатор меньшей ёмкости, что приводит к увеличению среднего напряжения постоянного тока с течением времени.
Нагрузочный резистор (RНагрузка) с одной стороны подключён к точке между двумя резисторами одинаковой величины (R), а с другой – заземлён. На нём не будет падать постоянное напряжение, если заряды постоянного напряжения двух конденсаторов равны по величине.
Если, с другой стороны, один конденсатор поддерживает бо́льший заряд постоянного напряжения, чем другой из-за разницы в ёмкостях, на нагрузочном резисторе падает напряжение, падение будет пропорционально разнице между этими напряжениями.
Таким образом, дифференциальная ёмкость преобразуется в постоянное напряжение на нагрузочном резисторе.
На нагрузочном резисторе присутствует как переменное, так и постоянное напряжение, при этом только постоянное напряжение имеет значение для разницы в ёмкости. При желании к выходу этой схемы можно добавить фильтр нижних частот, чтобы блокировать переменный ток, оставляя только сигнал постоянного тока для интерпретации:
Рис. 13. Добавление фильтра нижних частот к «двойному-T» подаёт чистый постоянный ток на индикатор измерителя.
В качестве измерительной схемы для дифференциальных ёмкостных датчиков конфигурация с «двойными-Т-образными» цепями имеет много преимуществ по сравнению со стандартной конфигурацией моста.
Прежде всего, смещение преобразователя обозначается простым постоянным напряжением, а не переменным напряжением, у которого приходится интерпретировать и величину, и фазу, чтобы определить, какая ёмкость больше.
Кроме того, при правильных значениях компонентов и выходном сигнале источника питания этот выходной сигнал постоянного тока может быть достаточно сильным, чтобы напрямую управлять движителем электромеханического измерителя, в результате чего отпадает необходимость в усилителе.
Еще одно важное преимущество состоит в том, что все важные элементы схемы имеют одну клемму, напрямую подключённую к «земле»: источник, нагрузочный резистор и оба конденсатора связаны с «землёй».
Это помогает свести к минимуму вредные последствия паразитной ёмкости, которая обычно мешает измерительным схемам мостов, а также устраняет необходимость в компенсационных мерах, таких как заземление Вагнера.
Для этой схемы подойдут стандартные компоненты. Обычно для измерительной схемы с дополнительными диодами, требуются «согласованные» диоды для обеспечения хорошей точности. Но не в данной схеме!
Пока напряжение источника питания значительно превышает отклонение падения напряжения между двумя диодами, влияние рассогласования минимально и мало влияет на погрешность измерения.
Кроме того, колебания частоты питания имеют относительно низкое влияние на коэффициент усиления (сколько выходного напряжения вырабатывается при заданном смещении преобразователя), а напряжение питания в виде прямоугольной волны работает так же, как и синусоида, рабочий цикл, само собой, составляет 50% (при равенстве положительных и отрицательных полупериодов).
Примечание: в первоисточнике название приводится со знаком копирайта, так как это запатентованная военная технология компании «Farrand Controls», для экспорта требуется лицензия США и использование приборов попадает под контроль ITAR) представляет собой линейный вариант резольвера. Он выводит сигналы как резольвер; хотя сходство небольшое.
