Wechselstrom-Messwandler

So wie es Geräte gibt, die bestimmte physikalische Größen messen und diese Informationen in Form von elektrischen Gleichstromsignalen wiedergeben (Thermoelemente, Dehnungsmessstreifen, pH-Sonden usw.), wurden spezielle Geräte hergestellt, die dasselbe mit Wechselstrom tun.

Oftmals ist es erforderlich, die physikalische Position mechanischer Teile über elektrische Signale erfassen und übertragen zu können. Dies gilt insbesondere in den Bereichen automatisierte Werkzeugmaschinensteuerung und Robotik. Eine einfache und einfache Möglichkeit, dies zu tun, ist mit einem Potentiometer:

Potentiometer verwenden

Potentiometer-Abgriffsspannung zeigt die Position eines Objekts an, das mit der Welle verbunden ist.

Potentiometer haben jedoch ihre eigenen einzigartigen Probleme. Zum einen verlassen sie sich auf den physischen Kontakt zwischen dem „Wischer“ und dem Widerstandsstreifen, was bedeutet, dass sie im Laufe der Zeit den Auswirkungen der physischen Abnutzung unterliegen.

Mit dem Verschleiß von Potentiometern wird ihr proportionaler Ausgang zur Wellenposition immer unsicherer. Möglicherweise haben Sie diesen Effekt bereits beim Einstellen der Lautstärke eines alten Radios erlebt:Beim Drehen des Reglers können Sie „Kratzgeräusche“ aus den Lautsprechern hören.

Diese Geräusche sind das Ergebnis eines schlechten Schleifkontakts im Lautstärkeregler-Potentiometer.

Außerdem führt dieser physische Kontakt zwischen Wischer und Streifen zu einer Lichtbogenbildung (Funkenbildung) zwischen den beiden, wenn der Wischer bewegt wird.

Bei den meisten Potentiometerschaltungen ist der Strom so gering, dass Schleiferlichtbögen vernachlässigbar sind, aber eine Möglichkeit, die in Betracht gezogen werden sollte.

Wenn das Potentiometer in einer Umgebung betrieben werden soll, in der brennbare Dämpfe oder Staub vorhanden sind, führt diese Lichtbogengefahr zu einer Explosionsgefahr!

Verwenden von LVDT

Durch die Verwendung von Wechselstrom anstelle von Gleichstrom können wir Schleifkontakt zwischen den Teilen vollständig vermeiden, wenn wir einen variablen Transformator verwenden anstelle eines Potentiometers.

Zu diesem Zweck hergestellte Geräte werden als LVDTs bezeichnet, was für L . steht inear V variabel D Differenzial T Wandler. Das Design eines LVDT sieht so aus:

AC-Ausgang des linearen variablen Differentialtransformators (LVDT) zeigt die Kernposition an.

Offensichtlich ist dieses Gerät ein Transformator :Es hat eine einzelne Primärwicklung, die von einer externen Wechselspannungsquelle gespeist wird, und zwei Sekundärwicklungen, die in Reihe geschaltet sind.

Es ist variabel weil sich der Kern zwischen den Wicklungen frei bewegen kann. Es ist differenzial wegen der Art und Weise, wie die beiden Sekundärwicklungen verbunden sind. Die Anordnung gegeneinander (180° phasenverschoben) bedeutet, dass die Ausgabe dieses Geräts der Unterschied ist zwischen dem Spannungsausgang der beiden Sekundärwicklungen.

Wenn der Kern zentriert ist und beide Wicklungen die gleiche Spannung ausgeben, beträgt das Nettoergebnis an den Ausgangsklemmen null Volt. Es heißt linear weil die Bewegungsfreiheit des Kerns geradlinig ist.

Die von einem LVDT ausgegebene Wechselspannung zeigt die Position des beweglichen Kerns an. Null Volt bedeutet, dass der Kern zentriert ist.

Je weiter der Kern von der Mittelposition entfernt ist, desto größer ist der Prozentsatz der Eingangsspannung („Erregung“) am Ausgang. Die Phase der Ausgangsspannung relativ zur Erregerspannung gibt an, in welche Richtung der Kern von der Mitte versetzt ist.

Der Hauptvorteil eines LVDT gegenüber einem Potentiometer zur Positionserfassung besteht darin, dass kein physischer Kontakt zwischen den beweglichen und stationären Teilen besteht.

Der Kern berührt die Drahtwicklungen nicht, sondern gleitet in einem nichtleitenden Rohr hinein und heraus. Somit „verschleißt“ der LVDT nicht wie ein Potentiometer und es besteht auch nicht die Möglichkeit einen Lichtbogen zu erzeugen.

Die Erregung des LVDT beträgt typischerweise 10 Volt RMS oder weniger bei Frequenzen, die von der Stromleitung bis zum hohen Audiobereich (20 kHz) reichen. Ein potenzieller Nachteil des LVDT ist seine Reaktionszeit, die hauptsächlich von der Frequenz der Wechselspannungsquelle abhängt.

Wenn sehr schnelle Reaktionszeiten erwünscht sind, muss die Frequenz höher sein, um unabhängig von der Spannungserfassungsschaltung genügend Wechselstromzyklen zu ermöglichen, um den Spannungspegel zu bestimmen, wenn der Kern bewegt wird.

Um das mögliche Problem hier zu veranschaulichen, stellen Sie sich dieses übertriebene Szenario vor:ein LVDT, das von einer 60-Hz-Spannungsquelle gespeist wird, wobei der Kern Hunderte Male pro Sekunde hinein- und herausbewegt wird.

Der Ausgang dieses LVDT würde nicht einmal wie eine Sinuswelle aussehen, da der Kern über seinen gesamten Bewegungsbereich bewegt würde, bevor die AC-Quellenspannung einen einzigen Zyklus durchlaufen könnte! Es wäre fast unmöglich, die momentane Kernposition zu bestimmen, wenn sie sich schneller bewegt als die momentane Quellenspannung.

Verwenden von RVDT

Eine Variation des LVDT ist der RVDT oder R otary V variabel D Differenzial T Wandler. Dieses Gerät funktioniert nach fast dem gleichen Prinzip, außer dass sich der Kern auf einer Welle dreht, anstatt sich geradlinig zu bewegen. RVDTs können nur für einen Teil der 360°-Bewegung (Vollkreis) konstruiert werden.

Mit Synchro oder Selsyn

In Fortsetzung dieses Prinzips haben wir eine sogenannte Synchro oder Selsyn , ein Gerät, das ähnlich aufgebaut ist wie ein Mehrphasen-Wechselstrommotor oder -generator mit gewickeltem Rotor.

Der Rotor kann sich wie ein Motor um volle 360° drehen. Auf dem Rotor ist eine einzelne Wicklung mit einer Wechselspannungsquelle verbunden, ähnlich wie die Primärwicklung eines LVDT. Die Statorwicklungen sind normalerweise als dreiphasiges Y ausgeführt, obwohl Synchros mit mehr als drei Phasen gebaut wurden. (Abbildung unten)

Ein Gerät mit einem zweiphasigen Stator wird als Resolver bezeichnet . Ein Resolver erzeugt Sinus- und Cosinusausgänge, die die Wellenposition anzeigen.

Ein Synchro wird mit einer dreiphasigen Statorwicklung und einem Drehfeld bewickelt. Ein Resolver hat einen zweiphasigen Stator.

In den Statorwicklungen durch die Wechselstromerregung des Rotors induzierte Spannungen sind nicht um 120° phasenverschoben wie bei einem echten Drehstromgenerator. Wenn der Rotor mit Gleichstrom statt mit Wechselstrom gespeist würde und die Welle kontinuierlich gedreht würde, wären die Spannungen echt dreiphasig.

Aber so ist ein Synchro nicht für den Betrieb ausgelegt. Dies ist eher eine Positionserfassung Gerät ähnlich wie ein RVDT, außer dass sein Ausgangssignal viel eindeutiger ist. Wenn der Rotor mit Wechselstrom gespeist wird, sind die Statorwicklungsspannungen proportional zur Winkelposition des Rotors, entweder um 0° oder 180° phasenverschoben, wie bei einem normalen LVDT oder RVDT.

Man könnte es sich wie einen Transformator mit einer Primärwicklung und drei Sekundärwicklungen vorstellen, wobei jede Sekundärwicklung in einem bestimmten Winkel ausgerichtet ist.

Wenn der Rotor langsam gedreht wird, richtet sich jede Wicklung der Reihe nach direkt auf den Rotor aus und erzeugt die volle Spannung, während die anderen Wicklungen etwas weniger als die volle Spannung erzeugen.

Synchros werden oft paarweise verwendet. Wenn ihre Rotoren parallel geschaltet und von derselben Wechselspannungsquelle gespeist werden, passen ihre Wellen ihre Position mit hoher Genauigkeit an:

Synchronwellen sind aneinander gekoppelt. Das Drehen eines bewegt das andere.

Solche „Sender/Empfänger“-Paare wurden auf Schiffen verwendet, um die Ruderposition oder die Position des Navigationskreisels über längere Distanzen zu übermitteln.

Der einzige Unterschied zwischen dem „Sender“ und dem „Empfänger“ besteht darin, dass man von einer äußeren Kraft gedreht wird. Der „Empfänger“ kann genauso einfach wie der „Sender“ verwendet werden, indem man seine Welle zwangsweise dreht und den Synchro auf die linke Matchposition lässt.

Wenn der Rotor des Empfängers nicht mit Strom versorgt wird, fungiert er als Positionsfehlerdetektor und erzeugt eine Wechselspannung am Rotor, wenn die Welle um etwas anderes als 90o oder 270o von der Wellenposition des Senders verschoben ist.

Der Rotor des Empfängers erzeugt kein Drehmoment mehr und passt die Position daher nicht mehr automatisch der des Senders an:

AC-Voltmeter registriert Spannung, wenn der Empfängerrotor nicht genau 90 oder 270 Grad vom Senderrotor gedreht ist.

Dies kann man sich fast als eine Art Brückenschaltung vorstellen, die nur dann eine Balance erreicht, wenn die Empfängerwelle in eine von zwei (passenden) Positionen mit der Senderwelle gebracht wird.

Eine ziemlich geniale Anwendung des Synchro ist die Schaffung einer Phasenverschiebungsvorrichtung, vorausgesetzt, der Stator wird durch Drehstrom gespeist:

Vollständige Drehung des Rotors verschiebt die Phase sanft von 0° bis 360° (zurück zu 0°).

Wenn der Rotor des Synchros gedreht wird, richtet sich die Rotorspule nach und nach auf jede Statorspule aus, wobei ihre jeweiligen Magnetfelder um 120° phasenverschoben sind.

Zwischen diesen Positionen vermischen sich diese phasenverschobenen Felder, um eine Rotorspannung irgendwo zwischen 0°, 120° oder 240° Verschiebung zu erzeugen. Das praktische Ergebnis ist ein Gerät, das in der Lage ist, durch Drehen eines Knopfes (an der Rotorwelle befestigt) eine stufenlos verstellbare Wechselspannung bereitzustellen.

Ein Synchro oder ein Resolver können Linearbewegungen messen, wenn sie mit einem Zahnstangen- und Ritzelmechanismus ausgestattet sind.

Eine lineare Bewegung von einigen Zoll (oder cm), die zu mehreren Umdrehungen des Synchro (Resolver) führt, erzeugt eine Reihe von Sinuswellen. Ein Induktosyn ® ist eine lineare Version des Resolvers. Es gibt Signale wie ein Resolver aus; es hat jedoch eine leichte Ähnlichkeit.

Der Inductosyn besteht aus zwei Teilen:einer festen Serpentinenwicklung mit einer Teilung von 0,1 Zoll oder 2 mm und einer beweglichen Wicklung, die als Schieber bekannt ist . (Abbildung unten)

Der Schieber hat ein Paar Wicklungen mit der gleichen Steigung wie die feste Wicklung. Die Schleiferwicklungen sind um eine Viertelteilung versetzt, sodass durch Bewegung sowohl Sinus- als auch Cosinuswellen erzeugt werden.

Eine Schleiferwicklung reicht zum Zählen von Impulsen aus, liefert jedoch keine Richtungsinformationen.

Die 2-Phasen-Wicklungen liefern Richtungsinformationen in der Phasenlage der Sinus- und Cosinuswellen. Die Bewegung um eine Tonhöhe erzeugt einen Zyklus von Sinus- und Cosinuswellen; mehrere Tonhöhen erzeugen einen Wellenzug.

Inductosyn:(a) feste Serpentinenwicklung, (b) bewegliche Schieber-2-Phasen-Wicklungen. Angepasst an Abbildung 6.16 [WAK]

Wenn wir sagen, dass Sinus- und Kosinuswellen als Funktion einer linearen Bewegung erzeugt werden, meinen wir wirklich, dass ein Hochfrequenzträger amplitudenmoduliert wird, wenn sich der Schieberegler bewegt.

Die Wechselstromsignale der beiden Schieber müssen gemessen werden, um die Position innerhalb einer Tonhöhe, die Feinposition, zu bestimmen. Wie viele Tonhöhen hat sich der Schieberegler bewegt? Die Beziehung der Sinus- und Kosinussignale verrät dies nicht. Die Anzahl der Tonhöhen (Anzahl der Wellen) kann jedoch von einem bekannten Startpunkt aus gezählt werden, was eine grobe Position ergibt.

Dies ist ein Inkremental-Encoder . Wenn die absolute Position unabhängig vom Startpunkt bekannt sein muss, liefert ein auf eine Umdrehung pro Länge ausgelegter Hilfsresolver eine grobe Position. Dies ist ein absoluter Encoder .

Ein lineares Inductosyn hat ein Übersetzungsverhältnis von 100:1. Vergleichen Sie dies mit dem 1:1-Verhältnis für einen Resolver. Ein paar Volt Wechselstrom-Erregung in ein Inductosyn ergibt ein paar Millivolt aus.

Dieser niedrige Signalpegel wird von einem Resolver-Digital-Converter (RDC) in ein 12-Bit-Digitalformat umgewandelt . Eine Auflösung von 25 Mikrozoll ist erreichbar.

Es gibt auch eine rotierende Version des Inductosyn mit 360 Musterteilungen pro Umdrehung. Bei Verwendung mit einem 12-Bit-Resolver-Digital-Wandler ist eine Auflösung von besser als 1 Bogensekunde erreichbar. Dies ist ein Inkrementalgeber.

Das Zählen der Tonhöhen von einem bekannten Startpunkt ist notwendig, um die absolute Position zu bestimmen. Alternativ kann ein Resolver eine grobe absolute Position bestimmen.

Kapazitive Wandler

Bisher waren die besprochenen Wandler alle vom induktiven Typ. Es ist jedoch auch möglich, Wandler herzustellen, die mit variabler Kapazität arbeiten, wobei Wechselstrom verwendet wird, um die Kapazitätsänderung zu erfassen und eine variable Ausgangsspannung zu erzeugen.

Denken Sie daran, dass die Kapazität zwischen zwei leitenden Oberflächen von drei Hauptfaktoren abhängt:der Überlappungsfläche dieser beiden Oberflächen, dem Abstand zwischen ihnen und der Dielektrizitätskonstante des Materials zwischen den Oberflächen.

Wenn zwei von drei dieser Variablen fixiert (stabilisiert) werden können und die dritte variieren kann, dann ist jede Messung der Kapazität zwischen den Oberflächen nur ein Hinweis auf Änderungen dieser dritten Variablen.

Medizinische Forscher nutzen seit langem kapazitive Sensoren, um physiologische Veränderungen in lebenden Körpern zu erkennen.

Bereits 1907 platzierte ein deutscher Forscher namens H. Cremer zwei Metallplatten zu beiden Seiten eines schlagenden Froschherzens und maß die Kapazitätsänderungen, die dadurch entstehen, dass das Herz sich abwechselnd mit Blut füllt und entleert.

Ähnliche Messungen wurden an Menschen durchgeführt, bei denen Metallplatten auf Brust und Rücken angebracht wurden und die Atmungs- und Herztätigkeit anhand von Kapazitätsänderungen aufzeichneten.

Für genauere kapazitive Messungen der Organaktivität wurden Metallsonden in Organe (insbesondere das Herz) an den Spitzen von Katheterschläuchen eingeführt, wobei die Kapazität zwischen der Metallsonde und dem Körper des Patienten gemessen wird.

Mit einer ausreichend hohen Wechselstrom-Erregungsfrequenz und einem ausreichend empfindlichen Spannungsdetektor, nicht nur die Pumpwirkung, sondern auch die Geräusche des aktiven Herzens kann leicht interpretiert werden.

Wie induktive Wandler können auch kapazitive Wandler als eigenständige Einheiten ausgeführt werden, im Gegensatz zu den oben beschriebenen direkten physiologischen Beispielen.

Einige Wandler arbeiten, indem sie eine der Kondensatorplatten beweglich machen, entweder so, dass der Überlappungsbereich oder der Abstand zwischen den Platten variiert wird. Andere Wandler arbeiten, indem sie ein dielektrisches Material zwischen zwei festen Platten hinein- und herausbewegen:

Variabler kapazitiver Wandler variiert; (a) Überlappungsfläche, (b) Abstand zwischen den Platten, (c) Dielektrikumsmenge zwischen den Platten.

Aufnehmer mit größerer Empfindlichkeit und Immunität gegenüber Änderungen anderer Variablen können durch ein differentielles Design erhalten werden, ähnlich dem Konzept hinter dem LVDT (Linear Variable Differential Transformator). Hier einige Beispiele für differentielle kapazitive Wandler:

Der kapazitive Differenzwandler variiert das Kapazitätsverhältnis durch Änderung:(a) Überlappungsfläche, (b) Abstand zwischen Platten, (c) Dielektrikum zwischen Platten.

Wie Sie sehen können, haben alle in der obigen Abbildung gezeigten Differenzialvorrichtungen drei Drahtverbindungen statt zwei:ein Draht für jede der „End“-Platten und einer für die „gemeinsame“ Platte.

Wenn sich die Kapazität zwischen einer der "End"-Platten und der "gemeinsamen" Platte ändert, ändert sich die Kapazität zwischen der anderen "End"-Platte und der "gemeinsamen" Platte in die entgegengesetzte Richtung. Diese Art von Wandler eignet sich sehr gut für die Implementierung in einer Brückenschaltung:

Differenzielle kapazitive Wandlerbrücke

Differenzielle kapazitive Wandlerbrückenmessschaltung.

Kapazitive Wandler bieten relativ kleine Kapazitäten, mit denen eine Messschaltung betrieben werden kann, typischerweise im Piko Farad-Bereich. Aus diesem Grund sind normalerweise hohe Netzfrequenzen (im Megahertz-Bereich!) erforderlich, um diese kapazitiven Reaktanzen auf ein vernünftiges Maß zu reduzieren.

Angesichts der kleinen Kapazitäten typischer kapazitiver Wandler können Streukapazitäten die Hauptquellen von Messfehlern sein. Eine gute Leiterabschirmung ist wesentlich für zuverlässige und genaue kapazitive Wandlerschaltungen!

Die Brückenschaltung ist nicht die einzige Möglichkeit, die Differenzkapazitätsausgabe eines solchen Wandlers effektiv zu interpretieren, aber sie ist eine der einfachsten zu implementieren und zu verstehen. Wie beim LVDT ist der Spannungsausgang der Brücke proportional zur Verschiebung des Wandlers aus seiner Mittelposition, und die Richtung des Offsets wird durch Phasenverschiebung angezeigt.

Diese Art der Brückenschaltung ähnelt in ihrer Funktion der Art, die bei Dehnungsmessstreifen verwendet wird:Sie soll nicht ständig in einem "ausgeglichenen" Zustand sein, sondern der Grad der Unwucht repräsentiert die Größe der zu messenden Größe.

Kapazitiver Differenzwandler „Twin-T“

Eine interessante Alternative zur Brückenschaltung zur Interpretation von Differenzkapazitäten ist das Twin-T . Es erfordert die Verwendung von Dioden, den „Einwegventilen“ für elektrischen Strom, die weiter oben in diesem Kapitel erwähnt wurden:

Kapazitiver Differenzwandler „Twin-T“-Messkreis.

Diese Schaltung könnte besser verstanden werden, wenn sie neu gezeichnet wird, um eher einer Brückenkonfiguration zu ähneln:

Differential-Kondensator-Wandler „Twin-T“-Messschaltung als Brücke neu gezeichnet. Ausgang über R_Last .

Kondensator C₁ wird während jeder positiven Halbwelle (positiv gemessen in Bezug auf den Massepunkt) von der Wechselspannungsquelle geladen, während C₂ wird während jeder negativen Halbwelle geladen.

Während ein Kondensator geladen wird, entlädt sich der andere Kondensator (mit einer langsameren Geschwindigkeit als er geladen wurde) über das Drei-Widerstands-Netzwerk. Folglich ist C₁ hält eine positive Gleichspannung in Bezug auf Masse aufrecht und C₂ eine negative Gleichspannung gegenüber Masse.

Wenn der kapazitive Wandler aus der Mittelposition verschoben wird, erhöht sich die Kapazität eines Kondensators, während der andere abnimmt. Dies hat wenig Einfluss auf die Spitzenspannungsladung jedes Kondensators, da im Ladestrompfad von der Quelle zum Kondensator ein vernachlässigbarer Widerstand vorhanden ist, was zu einer sehr kurzen Zeitkonstante (τ) führt.

Wenn es jedoch an der Zeit ist, sich über die Widerstände zu entladen, hält der Kondensator mit dem größeren Kapazitätswert seine Ladung länger, was zu einer größeren durchschnittlichen Gleichspannung im Laufe der Zeit führt als der Kondensator mit geringerem Wert.

Der Lastwiderstand (R_load ), das an einem Ende mit dem Punkt zwischen den beiden gleichwertigen Widerständen (R) und am anderen Ende mit Masse verbunden ist, lässt keine Gleichspannung ab, wenn die Gleichspannungsladungen der beiden Kondensatoren gleich groß sind.

Wenn andererseits ein Kondensator aufgrund eines Kapazitätsunterschieds eine größere Gleichspannungsladung aufrechterhält als der andere, sinkt am Lastwiderstand eine Spannung proportional zur Differenz zwischen diesen Spannungen.

Somit wird die Differenzkapazität in eine Gleichspannung über den Lastwiderstand übersetzt.

Am Lastwiderstand liegt sowohl Wechsel- als auch Gleichspannung an, wobei nur die Gleichspannung für den Kapazitätsunterschied von Bedeutung ist. Falls gewünscht, kann dem Ausgang dieser Schaltung ein Tiefpassfilter hinzugefügt werden, um den Wechselstrom zu blockieren, sodass nur ein Gleichstromsignal von der Messschaltung interpretiert werden kann:

Die Hinzufügung eines Tiefpassfilters zu „Twin-T“ speist reinen Gleichstrom in die Messanzeige ein.

Als Messschaltung für differentielle kapazitive Sensoren bietet die Twin-T-Konfiguration viele Vorteile gegenüber der Standard-Brückenkonfiguration.

In erster Linie wird die Verschiebung des Wandlers durch eine einfache Gleichspannung angezeigt, nicht durch eine Wechselspannung, deren Größe und Phase muss interpretiert werden, um festzustellen, welche Kapazität größer ist.

Darüber hinaus kann dieses DC-Ausgangssignal bei geeigneten Komponentenwerten und Stromversorgungsausgang stark genug sein, um direkt eine elektromechanische Messgerätbewegung anzutreiben, wodurch eine Verstärkerschaltung überflüssig wird.

Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, dass alle wichtigen Schaltungselemente einen direkt mit Masse verbundenen Anschluss haben:die Quelle, der Lastwiderstand und beide Kondensatoren sind alle auf Masse bezogen.

Dies trägt dazu bei, die negativen Auswirkungen von Streukapazitäten zu minimieren, die üblicherweise Brückenmessschaltungen plagen, und macht Kompensationsmaßnahmen wie die Wagner-Erde überflüssig.

Für diese Schaltung lassen sich auch leicht Teile spezifizieren. Normalerweise erfordert eine Messschaltung mit komplementären Dioden die Auswahl „angepasster“ Dioden für eine gute Genauigkeit. Nicht so bei dieser Schaltung!

Solange die Versorgungsspannung deutlich größer ist als die Abweichung des Spannungsabfalls zwischen den beiden Dioden, sind die Auswirkungen der Fehlanpassung minimal und tragen wenig zum Messfehler bei.

Darüber hinaus haben Schwankungen der Versorgungsfrequenz einen relativ geringen Einfluss auf die Verstärkung (wie viel Ausgangsspannung bei einer bestimmten Verschiebung des Wandlers entwickelt wird), und eine Rechteckwellen-Versorgungsspannung funktioniert genauso wie eine Sinuswelle, wenn ein Tastverhältnis von 50 % (gleich positive und negative Halbzyklen), natürlich.