Traductoare pentru deplasări unghiulare

Traductoare rezistive și capacitiveTRDV (și mycrosin)

Elemente sensibile rezistive Constructiv, acestea sunt

servopotenţiometre care funcţionează pe acelaşi principiu ca şi ES rezistive pentru deplasări liniare.

Dacă cursorul este rotit cu unghiul faţă de poziţia de referinţă (zero) se obţin la bornele potenţiometrului tensiunile:

max

aX

UU

max

max' )(

a

XU

U

Elemente sensibile rezistive

Potenţiometrele de acest tip pot fi : uniturn, dacă (max = 0 ...355 (358)) multiturn – pentru domenii care depăşesc 360, la care

numărul de rotaţii este standardizat: max = (3 sau 10) x 360

Servo-potenţiometrul multiturn are rezistenţa aplicată pe un suport electroizolant elicoidal. ES de acest tip se utilizează pentru măsurarea deplasărilor liniare mari (5…10 m) dacă sunt acţionate prin mecanisme cu mini-reductoare adecvate .

Exemplu: Măsurarea nivelului în rezervoare (bazine) .

Elemente sensibile capacitive Funcţionarea acestora are la bază modificarea

suprafeţei comune dintre armăturile condensatorului. Constructiv, acestea se realizează în două variante:

Condensatoare de acord (întâlnite în tehnica radio): aceste condensatoare au mai multe armãturi fixe, între care se deplasează armăturile mobile fixate pe un rotor.

Varianta diferenţialã, unde armătura mobilă comună se roteşte cu unghiul (într-un sens sau altul) faţă de poziţia de referinţă “0”, modificând în sensuri contrare valorile capacităţilor C1 şi C2.

Elemente sensibile capacitive

a) montaj simplu b) montaj diferențial

Traductor cu adaptor rezonant E.S. capacitive se pot utiliza în scheme de măsurare de tip rezonant

în asociere cu inductanţa L (secundarul transformatorului de alimentare şi adaptare TA).

a- schema electrică; b- caracteristica statică;

Traductor cu adaptor rezonant Caracteristica statică arată cã acest traductor cu

adaptor rezonant poate fi folosit ca indicator de nul pentru deplasări unghiulare. Nulul corespunde valorii maxime a tensiunii de ieşire (Umax) la valoarea de rezonanţă a capacităţii (Cr). Valoarea maximă a tensiunii (Umax) este sesizată de către un element de decizie (ED).

Semnificaţiile notaţiilor din figură sunt: ED - sesizează nulul corespunzător tensiunii maxime la ieşire ; C(α) - capacitate variabilã (prin unghiul ) ce reprezintă elementul sensibil; - capacitate de acord (pentru ajustare auxiliară); - capacitatea de rezonanţă (la care se obţine tensiunea maximă);

Elemente sensibile inductive

Pentru deplasări liniare sau unghiulare mici: transformatoare diferențiale rotative sau liniar variabile

TDRV / TDLV. Pentru deplasări liniare sau unghiulare mici se folosesc

transformatoare rotative de tip sinus, sau sin-cos (rezolver) selsine (analog rezolverului dar trifazat) inductosinele liniare sau circulare (cu modulare în

amplitudine sau de fază)

Transformatorul diferențial rotativ variabil TDRV

Transformatorul diferențial rotativ variabil (TDRV) este un tip de transformator electric utilizat pentru măsurarea deplasărilor unghiulare.

TDRV produce în secundar o tensiune proporțională cu deplasarea unghiulară a axului la care este conectat.

TDRV sunt compuse dintr-un stator din tole și un rotor care are de obicei doi poli aparenți. Statorul este echipat cu crestături care conțin o înfășurare primară și două înfășurări secundare. Înfășurările secundare sunt de obicei conectate diferențial, de unde și denumirea transformatorului.

Transformatorul diferențial rotativ variabil TDRV

Dependența tensiunii de ieșire de deplasarea unghiulară este proporțională într-un interval de unghiuri, dacă tensiunea de alimentare se menține constantă.

a - schema constructivă; b - caracteristica statică

Transformatorul diferențial rotativ variabil TDRV

Dependența tensiunii de ieșire de deplasarea unghiulară este proporțională într-un interval de unghiuri, dacă tensiunea de alimentare se menține constantă.

TDRV are toate înfășurările plasate pe stator, deci nu are nevoie de perii, față de transformatoarele rotative la care una dintre înfășurări (indusă sau inductoare) se află pe rotor.

TDRV cu armătură pivotantă (din fig.) nu poate funcționa în medii cu vibrații.

Ecuațiile de funcționare a TDRV Cele două tensiuni induse în înfășurările primare v1și v2

variază liniar cu deplasarea unghiulară α a rotorului:

unde S este sensibilitatea. Pentru o deplasare unghiulară α rezultă:

şi deci : Constanta oferă o mare stabilitate în

funcționarea TDRV, deplasarea unghiulară fiind independentă de tensiunea de alimentare, frecvență sau temperatură.

21

21

UUUUS

SUUSUU

02

01

SUUU 221 CUUU 021 2

Modul de funcționare a TDRV În poziția în care tensiunile induse în cele doua înfășurări sunt

egale și opuse ca semn, tensiunea rezultantă este nulă. Poziția de zero este marcată din fabrică.

Când transformatorul este scos din poziția de zero, tensiunea de excitație va produce (induce) o tensiune în cele două secundare, raportul dintre acestea și tensiunea primară fiind proporțională cu raportul numărului de spire (raportul de transformare kT nu este egal cu raportul numărului de spire din cauza câmpului de scăpări).

Deviații de pana la 7,5% din tensiunea de excitație nu afectează precizia de măsurare. În schimb, frecvența tensiunii de excitație trebuie menținută într-un interval de eroare de +/- 1%.

Caracteristicile TDRV Tensiunea de alimentare - uzual 3..15 V. Frecvența de alimentare depinde de caracteristicile miezului

feromagnetic și este cuprinsă între 400Hz și 2 KHz. În general frecvența tensiunii de excitație trebuie menținută într-un interval de eroare de ± 1%. La transformatoarele diferențiale rotative cu circuit magnetic cu

întrefier redus trebuie evitată alimentarea la frecvențe prea ridicate, situație în care pot crește semnificativ pierderile în fier.

Pentru frecvență de alimentare crescută rezultă valori mari ale reactanței înfășurărilor (XL = ωL =2πfL) și curentul absorbit va fi mai mic, ceea ce permite miniaturizarea transformatorului și realizarea de înfășurări cu un număr mare de spire ceea ce conduce la creșterea sensibilității traductorului.

Caracteristicile TDRV Erorile TDRV sunt în jurul a 0,25% pentru intervale de măsurare

de ±30°. Acestea cresc la 0,5% odată cu mărirea intervalului de măsurare la ±40° și iau valorile cele mai mari de 1,5% pentru intervalul de măsurare de ±60°.

Fiindcă liniile câmpului magnetic se închid în principal prin fier (față de TDLV la care câmpul magnetic se închide mai mult prin aer), cuplajul magnetic dintre primar și secundar este bun și raportul de transformare poate fi obținut în jurul valorii kT=1.

TDRV are sensibilități bune, cu obținerea unor tensiuni secundare de ordinul volților pentru 1° unghi de deplasare. Acest lucru permite utilizarea TDRV în scheme electrice de comandă și control fără a mai fi necesară amplificarea semnalului de ieșire.

Sensibilitatea mare și rezoluția teoretic infinită a TDRV fac posibilă măsurarea unor unghiuri de ordinul zecimilor de grad.

Avantajele TDRV Prețul scăzut datorită folosirii acestuia pe scară largă; Dimensiuni foarte mici, de ordinul centimetrilor; Solid și robust, capabil să opereze în condiții dificile de

mediu; Lipsa frecărilor, deoarece rotorul nu are contact cu

statorul, permite o media a timpului de bună funcționare (MTBF) foarte mare; cuplu rezistiv practic nul;

Raportul mare semnal / zgomot datorită sensibilității mari și impedanței mici de ieșire, convenabil pentru conectarea la sisteme electronice de condiționare a semnalului;

Histerezis neglijabil.

Avantajele TDRV

Rezoluție infinită, aceasta fiind limitată de circuitele electronice folosite la condiționarea semnalului;

Traductorul nu se deteriorează dacă unghiul de măsură este depășit;

Sensibilitate mica la temperatura, tensiunea primara si variații de frecvență;

Preț redus: Control electronic simplu; Dimensiuni reduse.

Avantajele TDRV

Rezoluție infinită, aceasta fiind limitată de circuitele electronice folosite la condiționarea semnalului;

Traductorul nu se deteriorează dacă unghiul de măsură este depășit;

Sensibilitate mica la temperatura, tensiunea primara si variații de frecvență;

Preț redus: Control electronic simplu; Dimensiuni reduse.

Dezavantajele TDRV TDRV trebuie să fie cuplat mecanic pe axul

echipamentului pe care îl măsoară; Anumite variante constructive (de exemplu varianta cu

lamelă) nu pot funcționa în medii cu vibrații sau șocuri mecanice;

TDRV este un traductor absolut numai într-un interval restrâns al unghiului de măsură. Prin construcții speciale adecvate se poate extinde intervalul de măsurare, dar totuși traductorul nu poate măsura 360°.

Nu poate funcționa ca traductor incremental (deoarece nu poate măsura pentru o perioadă electrică completă).

Variante constructive a TDRV

În figură se prezintă un transformator rotativ de tip microsyn compus din 4 poli statorici din oțel laminat pe care se găsesc câte două bobine (P - primar și S - secundar ). Bobinele primare și secundare de pe fiecare pol statoric sunt înseriate.

Variante constructive a TDRV Conectarea bobinelor se face astfel încât tensiunea

indusă în S1 şi S3 să fie opusă tensiunii induse în S2 şi S4.

Rotorul este construit din material feromagnetic. În poziție neutră (zero) reluctanța din întrefierul format între polii statorici și cei rotorici este aceeași pentru cei 4 poli, iar tensiunea în secundar este nulă (Ub=0)

Deplasarea unghiulară α a rotorului provoacă o modificare a reluctanței care produce la ieșire o tensiune a cărei variație este liniară între un interval 40

Construcția TDRV

Liniile de câmp în microsin Pentru rotor aliniat cu axa polilor și pentru poziția

rotorului între poli (în axa neutră).

Microsinul – traductor incremental

Microsinul este un traductor conceput să măsoare unghiuri de valori reduse, în intervalul -45°..+45°, în acest interval fiind un traductor absolut. Pentru măsurarea unghiurilor ce depășesc intervalul unei perioade electrice, respectiv 180° geometrice, trebuie folosite scheme de numărare și sumare (incrementare) a perioadelor electrice – traductor incremental.

Conectarea unui voltmetru la bornele secundare ale microsinului permite determina valorii efective a tensiunii, dar nu și unghiul de defazaj (sensul unghiului de deplasare). Pentru măsurarea sensului unghiului – sunt necesare scheme de demodulare (condiționare a semnalului).

Caractersiticile microsinului

Microsinul este folosit în aplicații cu giroscoape.

Sensibilitatea acestuia ca traductor de poziție unghiulară este foarte mare, ajungând și la valori de 5V/1°, putându-se citi tensiuni și deplasări de 0,01°.

Eroarea de neliniaritate este mică, între 0,5% și 1% pe tot intervalul de măsură.

Microsinului LOS-RT-08-01 produs de ICPE S.A.

București.

Caractersiticile microsinului LOS-RT-08-01

tensiunea de alimentare 3.5 V rms frecvența 18 kHz curentul maxim 25 mA sensibilitatea 82 ± 5% mV/° interval de măsură ± 20 ° rezistența primarului 13.6 ± 12.5% rezistența secundarului 60 ± 12.5% Ω eroarea de liniaritate max. 0.35 % tensiunea reziduală max. 30 mV defazaj max. 10 grd. masă max. 11 g