AC Instrumentatie Transducers

Net zoals er apparaten zijn gemaakt om bepaalde fysieke grootheden te meten en die informatie te herhalen in de vorm van elektrische DC-signalen (thermokoppels, rekstrookjes, pH-sondes, enz.), zijn er speciale apparaten gemaakt die hetzelfde doen met AC.

Vaak is het nodig om de fysieke positie van mechanische onderdelen via elektrische signalen te kunnen detecteren en doorgeven. Dit geldt met name op het gebied van geautomatiseerde besturing van bewerkingsmachines en robotica. Een eenvoudige en gemakkelijke manier om dit te doen is met een potentiometer:

Potentiometer gebruiken

De aftapspanning van de potentiometer geeft de positie aan van een object dat aan de as is vastgemaakt.

Potentiometers hebben echter hun eigen unieke problemen. Ten eerste vertrouwen ze op fysiek contact tussen de "wisser" en de weerstandsstrip, wat betekent dat ze na verloop van tijd de effecten van fysieke slijtage ondervinden.

Naarmate potentiometers slijten, wordt hun proportionele output versus aspositie steeds minder zeker. Misschien heb je dit effect al ervaren bij het aanpassen van de volumeregeling op een oude radio:als je aan de knop draait, hoor je misschien "krakende" geluiden uit de luidsprekers.

Die geluiden zijn het gevolg van slecht wissercontact in de potentiometer van de volumeregeling.

Ook creëert dit fysieke contact tussen de wiper en de strip de mogelijkheid van vonken (vonken) tussen de twee wanneer de wiper wordt bewogen.

Bij de meeste potentiometercircuits is de stroom zo laag dat wisserbogen verwaarloosbaar zijn, maar het is een mogelijkheid om te overwegen.

Als de potentiometer moet worden gebruikt in een omgeving waar brandbare damp of stof aanwezig is, vertaalt dit potentieel voor vonken zich in een potentieel voor een explosie!

LVDT gebruiken

Door AC in plaats van DC te gebruiken, kunnen we glijdend contact tussen onderdelen volledig vermijden als we een variabele transformator gebruiken in plaats van een potentiometer.

Apparaten die voor dit doel zijn gemaakt, worden LVDT's genoemd, wat staat voor L inear V ariable D differentiële T hervormers. Het ontwerp van een LVDT ziet er als volgt uit:

AC-uitgang van lineaire variabele differentiële transformator (LVDT) geeft de kernpositie aan.

Uiteraard is dit apparaat een transformator :het heeft een enkele primaire wikkeling die wordt gevoed door een externe wisselspanningsbron en twee secundaire wikkelingen die in serie zijn geschakeld.

Het is variabel omdat de kern vrij kan bewegen tussen de windingen. Het is differentieel vanwege de manier waarop de twee secundaire wikkelingen zijn aangesloten. Omdat ze tegenover elkaar zijn geplaatst (180° uit fase), betekent dit dat de uitvoer van dit apparaat het verschil zal zijn tussen de uitgangsspanning van de twee secundaire wikkelingen.

Wanneer de kern gecentreerd is en beide wikkelingen dezelfde spanning afgeven, is het nettoresultaat aan de uitgangsklemmen nul volt. Het heet lineair omdat de bewegingsvrijheid van de kern rechtlijnig is.

De AC-spanningsuitgang door een LVDT geeft de positie van de beweegbare kern aan. Nul volt betekent dat de kern gecentreerd is.

Hoe verder de kern zich van de middenpositie bevindt, hoe groter het percentage ingangsspanning ("excitatie") aan de uitgang. De fase van de uitgangsspanning ten opzichte van de bekrachtigingsspanning geeft aan in welke richting vanuit het midden de kern is verschoven.

Het belangrijkste voordeel van een LVDT ten opzichte van een potentiometer voor positiedetectie is de afwezigheid van fysiek contact tussen de bewegende en stationaire delen.

De kern maakt geen contact met de draadwikkelingen, maar schuift in en uit in een niet-geleidende buis. De LVDT "slijt" dus niet als een potentiometer en er is ook niet de mogelijkheid om een ​​boog te creëren.

Excitatie van de LVDT is typisch 10 volt RMS of minder, bij frequenties variërend van de voedingslijn tot het hoge audiobereik (20 kHz). Een potentieel nadeel van de LVDT is de reactietijd, die grotendeels afhankelijk is van de frequentie van de AC-spanningsbron.

Als zeer snelle responstijden gewenst zijn, moet de frequentie hoger zijn om alle spanningsdetectiecircuits voldoende wisselstroomcycli toe te staan ​​om het spanningsniveau te bepalen wanneer de kern wordt bewogen.

Om het potentiële probleem hier te illustreren, stelt u zich dit overdreven scenario voor:een LVDT aangedreven door een 60 Hz-spanningsbron, waarbij de kern honderden keren per seconde in en uit wordt bewogen.

De output van deze LVDT zou niet eens op een sinusgolf lijken, omdat de kern door zijn bewegingsbereik zou worden bewogen voordat de AC-bronspanning een enkele cyclus zou kunnen voltooien! Het zou bijna onmogelijk zijn om de momentane kernpositie te bepalen als deze sneller beweegt dan de momentane bronspanning.

RVDT gebruiken

Een variatie op de LVDT is de RVDT, of R otary V ariable D differentiële T ranvormer. Dit apparaat werkt volgens bijna hetzelfde principe, behalve dat de kern op een as draait in plaats van in een rechte lijn te bewegen. RVDT's kunnen alleen worden geconstrueerd voor een deel van 360° (volledige cirkel) beweging.

Synchro of Selsyn gebruiken

Als we dit principe voortzetten, hebben we een zogenaamde Synchro of Selsyn , een apparaat dat veel lijkt op een meerfasige AC-motor of generator met gewikkelde rotor.

De rotor is vrij om 360° te draaien, net als een motor. Op de rotor is een enkele wikkeling aangesloten op een wisselspanningsbron, net zoals de primaire wikkeling van een LVDT. De statorwikkelingen hebben meestal de vorm van een driefasige Y, hoewel er synchro's met meer dan drie fasen zijn gebouwd. (Figuur hieronder)

Een apparaat met een tweefasige stator staat bekend als een resolver . Een resolver produceert sinus- en cosinusuitgangen die de aspositie aangeven.

Een synchro wordt gewikkeld met een driefasige statorwikkeling en een roterend veld. Een resolver heeft een tweefasige stator.

Spanningen die in de statorwikkelingen worden geïnduceerd door de AC-excitatie van de rotor zijn niet 120° in fase verschoven zoals in een echte driefasengenerator. Als de rotor werd bekrachtigd met gelijkstroom in plaats van wisselstroom en de as continu zou draaien, dan zouden de spanningen echt driefasig zijn.

Maar dit is niet hoe een synchro is ontworpen om te worden bediend. Dit is eerder een positiegevoelige apparaat lijkt veel op een RVDT, behalve dat het uitgangssignaal veel duidelijker is. Met de rotor bekrachtigd door AC, zullen de spanningen van de statorwikkeling in grootte evenredig zijn met de hoekpositie van de rotor, fase ofwel 0° of 180° verschoven, zoals een gewone LVDT of RVDT.

Je zou het kunnen zien als een transformator met één primaire wikkeling en drie secundaire wikkelingen, waarbij elke secundaire wikkeling onder een unieke hoek is georiënteerd.

Terwijl de rotor langzaam wordt gedraaid, zal elke wikkeling op zijn beurt direct in lijn liggen met de rotor, waardoor volledige spanning wordt geproduceerd, terwijl de andere wikkelingen iets minder dan volledige spanning produceren.

Synchro's worden vaak in paren gebruikt. Met hun rotoren parallel geschakeld en gevoed door dezelfde AC-spanningsbron, zullen hun assen de positie met een hoge mate van nauwkeurigheid aanpassen:

Synchroonassen zijn aan elkaar verslaafd. Door de ene te roteren, wordt de andere verplaatst.

Dergelijke "zender/ontvanger"-paren zijn op schepen gebruikt om de roerpositie door te geven of om de navigatiegyropositie over vrij lange afstanden door te geven.

Het enige verschil tussen de "zender" en de "ontvanger" is welke wordt gedraaid door een kracht van buitenaf. De "ontvanger" kan net zo gemakkelijk worden gebruikt als de "zender" door de as te dwingen te draaien en de synchro op de linkerpositie te laten passen.

Als de rotor van de ontvanger geen stroom krijgt, zal deze fungeren als een positiefoutdetector, die een wisselspanning op de rotor genereert als de as iets anders dan 90o of 270o verschoven is van de aspositie van de zender.

De ontvangerrotor zal geen koppel meer genereren en zal bijgevolg niet langer automatisch de positie afstemmen op die van de zender:

AC-voltmeter registreert spanning als de ontvangerrotor niet exact 90 of 270 graden is gedraaid ten opzichte van de zenderrotor.

Dit kan bijna worden gezien als een soort brugschakeling die alleen balans bereikt als de ontvangeras in een van de twee (overeenkomstige) posities met de zenderas wordt gebracht.

Een nogal ingenieuze toepassing van de synchro is het creëren van een faseverschuivend apparaat, op voorwaarde dat de stator wordt gevoed door driefasige wisselstroom:

Volledige rotatie van de rotor zal de fase soepel verschuiven van 0° helemaal naar 360° (terug naar 0°).

Als de rotor van de synchro wordt gedraaid, wordt de rotorspoel geleidelijk uitgelijnd met elke statorspoel, waarbij hun respectieve magnetische velden 120 ° in fase verschoven zijn ten opzichte van elkaar.

Tussen die posities zullen deze in fase verschoven velden zich vermengen om een ​​rotorspanning te produceren ergens tussen 0°, 120° of 240° verschuiving. Het praktische resultaat is een apparaat dat in staat is om een ​​traploos variabele fase wisselspanning te leveren met een draai aan een knop (bevestigd aan de rotoras).

Een synchro of een resolver kan lineaire beweging meten als deze is uitgerust met een tandheugelmechanisme.

Een lineaire beweging van enkele inches (of cm) resulterend in meerdere omwentelingen van de synchro (resolver) genereert een reeks sinusgolven. Een Inductosyn ® is een lineaire versie van de resolver. Het voert signalen uit als een resolver; het vertoont echter een lichte gelijkenis.

De Inductosyn bestaat uit twee delen:een vaste serpentinewikkeling met een spoed van 0,1 inch of 2 mm, en een beweegbare wikkeling die bekend staat als een schuif . (Figuur hieronder)

De schuif heeft een paar wikkelingen met dezelfde spoed als de vaste wikkeling. De wikkelingen van de schuifregelaar zijn met een kwart spoed verschoven, zodat zowel sinus- als cosinusgolven worden geproduceerd door beweging.

Eén schuifwikkeling is voldoende voor het tellen van pulsen, maar geeft geen richtingsinformatie.

De 2-fasenwikkelingen geven richtingsinformatie in de fasering van de sinus- en cosinusgolven. Beweging met één toonhoogte produceert een cyclus van sinus- en cosinusgolven; meerdere toonhoogtes produceren een trein van golven.

Inductosyn:(a) Vaste serpentinewikkeling, (b) beweegbare schuifregelaar 2-fasenwikkelingen. Aangepast van figuur 6.16 [WAK]

Als we zeggen dat sinus- en cosinusgolven worden geproduceerd als een functie van lineaire beweging, bedoelen we echt dat een hoogfrequente draaggolf in amplitude wordt gemoduleerd terwijl de schuifregelaar beweegt.

De twee AC-signalen van de schuifregelaar moeten worden gemeten om de positie binnen een toonhoogte, de fijne positie, te bepalen. Hoeveel pitches is de slider verplaatst? De relatie van de sinus- en cosinussignalen onthult dat niet. Het aantal toonhoogtes (aantal golven) kan echter worden geteld vanaf een bekend startpunt, wat een grove positie oplevert.

Dit is een incrementele encoder . Als de absolute positie bekend moet zijn ongeacht het startpunt, geeft een hulpresolver afgestemd op één omwenteling per lengte een grove positie. Dit vormt een absolute encoder .

Een lineaire Inductosyn heeft een transformatorverhouding van 100:1. Vergelijk dit met de 1:1 verhouding voor een resolver. Een AC-excitatie van een paar volt in een Inductosyn levert een paar millivolt op.

Dit lage signaalniveau wordt omgezet naar een 12-bits digitaal formaat door een resolver naar digitaal converter (RDC) . Resolutie van 25 microinch is haalbaar.

Er is ook een roterende versie van de Inductosyn met 360 patroonvelden per omwenteling. Bij gebruik met een 12-bits resolver naar digitaal omzetter, is het beter dat een resolutie van 1 boogseconde haalbaar is. Dit is een incrementele encoder.

Het tellen van pitches vanaf een bekend startpunt is nodig om de absolute positie te bepalen. Als alternatief kan een resolver de grove absolute positie bepalen.

Capacitieve transducers

Tot dusverre waren de besproken transducers allemaal van de inductieve variant. Het is echter mogelijk om transducers te maken die ook op variabele capaciteit werken, waarbij AC wordt gebruikt om de verandering in capaciteit te detecteren en een variabele uitgangsspanning te genereren.

Onthoud dat de capaciteit tussen twee geleidende oppervlakken varieert met drie belangrijke factoren:het overlappende gebied van die twee oppervlakken, de afstand ertussen en de diëlektrische constante van het materiaal tussen de oppervlakken.

Als twee van de drie van deze variabelen kunnen worden vastgesteld (gestabiliseerd) en de derde kan variëren, dan is elke meting van de capaciteit tussen de oppervlakken uitsluitend indicatief voor veranderingen in die derde variabele.

Medische onderzoekers maken al lang gebruik van capacitieve detectie om fysiologische veranderingen in levende lichamen te detecteren.

Al in 1907 plaatste een Duitse onderzoeker, H. Cremer genaamd, twee metalen platen aan weerszijden van een kloppend kikkerhart en mat hij de capaciteitsveranderingen die het gevolg waren van het afwisselend vullen en legen van bloed door het hart.

Soortgelijke metingen zijn uitgevoerd bij mensen met metalen platen op de borst en rug, waarbij de ademhalings- en cardiale werking werd vastgelegd door middel van capaciteitsveranderingen.

Voor nauwkeurigere capacitieve metingen van orgaanactiviteit zijn metalen sondes ingebracht in organen (vooral het hart) op de uiteinden van katheterbuizen, waarbij de capaciteit wordt gemeten tussen de metalen sonde en het lichaam van het onderwerp.

Met een voldoende hoge AC-opwekkingsfrequentie en een voldoende gevoelige spanningsdetector, niet alleen de pompwerking maar ook de geluiden van het actieve hart kan gemakkelijk worden geïnterpreteerd.

Net als inductieve transducers kunnen capacitieve transducers ook op zichzelf staande eenheden worden, in tegenstelling tot de directe fysiologische voorbeelden die hierboven zijn beschreven.

Sommige transducers werken door een van de condensatorplaten beweegbaar te maken, hetzij op een zodanige manier dat het overlappende gebied of de afstand tussen de platen varieert. Andere transducers werken door een diëlektrisch materiaal tussen twee vaste platen in en uit te bewegen:

Variabele capacitieve transducer varieert; (a) overlapgebied, (b) afstand tussen platen, (c) hoeveelheid diëlektricum tussen platen.

Transducers met een grotere gevoeligheid en immuniteit voor veranderingen in andere variabelen kunnen worden verkregen door middel van differentieel ontwerp, net zoals het concept achter de LVDT (Linear Variable Differentieel Transformator). Hier zijn een paar voorbeelden van differentiële capacitieve transducers:

Differentiële capacitieve transducer varieert de capaciteitsverhouding door het veranderen van:(a) overlapgebied, (b) afstand tussen platen, (c) diëlektricum tussen platen.

Zoals u kunt zien, hebben alle differentiële apparaten die in de bovenstaande afbeelding worden getoond drie draadverbindingen in plaats van twee:één draad voor elk van de "eind" platen en één voor de "gewone" plaat.

Als de capaciteit tussen een van de "eind" platen en de "gewone" plaat verandert, verandert de capaciteit tussen de andere "eind" plaat en de "gewone" plaat in de tegenovergestelde richting. Dit soort transducer leent zich uitstekend voor implementatie in een brugschakeling:

Differentiële capacitieve transducerbrug

Differentiële capacitieve transducerbrug-meetcircuit.

Capacitieve transducers bieden relatief kleine capaciteiten voor een meetcircuit om mee te werken, meestal in de pico farad bereik. Hierdoor zijn doorgaans hoge voedingsfrequenties (in het megahertz-bereik!) vereist om deze capacitieve reactanties tot een redelijk niveau terug te brengen.

Gezien de kleine capaciteiten die door typische capacitieve transducers worden geleverd, kunnen parasitaire capaciteiten belangrijke bronnen van meetfouten zijn. Goede geleiderafscherming is essentieel voor betrouwbare en nauwkeurige capacitieve transducerschakelingen!

Het brugcircuit is niet de enige manier om de differentiële capaciteitsoutput van een dergelijke transducer effectief te interpreteren, maar het is een van de eenvoudigste om te implementeren en te begrijpen. Net als bij de LVDT is de uitgangsspanning van de brug evenredig met de verplaatsing van de transduceractie vanuit zijn middenpositie, en de richting van de offset wordt aangegeven door faseverschuiving.

Dit soort brugcircuit is qua functie vergelijkbaar met het soort dat wordt gebruikt met rekstrookjes:het is niet bedoeld om altijd in een "gebalanceerde" toestand te zijn, maar de mate van onbalans vertegenwoordigt de grootte van de hoeveelheid die wordt gemeten.

Differentiële capacitieve transducer "Twin-T"

Een interessant alternatief voor het brugcircuit voor het interpreteren van differentiële capaciteit is de twin-T . Het vereist het gebruik van diodes, die "eenrichtingskleppen" voor elektrische stroom die eerder in het hoofdstuk zijn genoemd:

Differentiële capacitieve transducer "Twin-T" meetcircuit.

Dit circuit kan beter worden begrepen als het opnieuw wordt getekend om meer op een brugconfiguratie te lijken:

Differentiële condensatortransducer "Twin-T" meetcircuit opnieuw getekend als een brug. Uitgang is over R_belasting .

Condensator C₁ wordt opgeladen door de AC-spanningsbron tijdens elke positieve halve cyclus (positief gemeten ten opzichte van het aardingspunt), terwijl C₂ wordt opgeladen tijdens elke negatieve halve cyclus.

Terwijl de ene condensator wordt opgeladen, ontlaadt de andere condensator (met een lagere snelheid dan hij was opgeladen) via het netwerk met drie weerstanden. Als gevolg hiervan, C₁ handhaaft een positieve gelijkspanning ten opzichte van aarde, en C₂ een negatieve gelijkspanning ten opzichte van aarde.

Als de capacitieve transducer vanuit de middenpositie wordt verplaatst, zal de capaciteit van de ene condensator toenemen en de andere afnemen. Dit heeft weinig effect op de piekspanningslading van elke condensator, aangezien er een verwaarloosbare weerstand is in het laadstroompad van bron naar condensator, wat resulteert in een zeer korte tijdconstante (τ).

Als het echter tijd is om via de weerstanden te ontladen, zal de condensator met de grotere capaciteitswaarde zijn lading langer vasthouden, wat resulteert in een hogere gemiddelde gelijkspanning in de loop van de tijd dan de condensator met een lagere waarde.

De belastingsweerstand (R_belasting ), die aan het ene uiteinde is verbonden met het punt tussen de twee gelijkwaardige weerstanden (R) en aan het andere uiteinde met aarde, zal geen gelijkspanning laten vallen als de gelijkspanningsladingen van de twee condensatoren even groot zijn.

Als daarentegen de ene condensator een grotere gelijkspanningslading handhaaft dan de andere vanwege een verschil in capaciteit, zal de belastingsweerstand een spanning laten vallen die evenredig is met het verschil tussen deze spanningen.

Zo wordt differentiële capaciteit vertaald in een gelijkspanning over de belastingsweerstand.

Over de belastingsweerstand is zowel AC- als DC-spanning aanwezig, waarbij alleen de DC-spanning significant is voor het verschil in capaciteit. Indien gewenst kan een laagdoorlaatfilter worden toegevoegd aan de uitgang van dit circuit om de AC te blokkeren, zodat alleen een DC-signaal overblijft dat door de meetschakelingen kan worden geïnterpreteerd:

Toevoeging van een laagdoorlaatfilter aan "twin-T" voert pure gelijkstroom naar de meetindicator.

Als meetcircuit voor differentiële capacitieve sensoren heeft de twin-T-configuratie veel voordelen ten opzichte van de standaard bridge-configuratie.

Eerst en vooral wordt de verplaatsing van de transducer aangegeven door een eenvoudige gelijkspanning, niet een wisselspanning waarvan de grootte en fase moet worden geïnterpreteerd om te bepalen welke capaciteit groter is.

Bovendien, gezien de juiste componentwaarden en voedingsuitgang, kan dit DC-uitgangssignaal sterk genoeg zijn om direct een elektromechanische meterbeweging aan te sturen, waardoor er geen versterkerschakeling nodig is.

Een ander belangrijk voordeel is dat alle belangrijke circuitelementen één aansluiting hebben die rechtstreeks op aarde is aangesloten:de bron, de belastingsweerstand en beide condensatoren hebben allemaal een aardereferentie.

Dit helpt de nadelige effecten van verdwaalde capaciteit, die gewoonlijk brugmeetcircuits teisteren, te minimaliseren, waardoor ook de noodzaak voor compenserende maatregelen zoals de Wagner-aarde wordt geëlimineerd.

Dit circuit is ook gemakkelijk om onderdelen voor te specificeren. Normaal gesproken vereist een meetcircuit met complementaire diodes de selectie van "op elkaar afgestemde" diodes voor een goede nauwkeurigheid. Niet zo met dit circuit!

Zolang de voedingsspanning aanzienlijk groter is dan de afwijking in spanningsval tussen de twee diodes, zijn de effecten van mismatch minimaal en dragen ze weinig bij aan meetfouten.

Bovendien hebben voedingsfrequentievariaties een relatief lage invloed op de versterking (hoeveel uitgangsspanning wordt ontwikkeld voor een bepaalde hoeveelheid transducerverplaatsing), en de vierkante voedingsspanning werkt net zo goed als de sinusgolf, uitgaande van een inschakelduur van 50% (gelijk aan positieve en negatieve halve cycli), natuurlijk.