Traductoare analogice pentru deplasari unghiulare

Deplasarea unghiulară poate fi masurata în doua moduri :

a) masurarea directă a unghiului în domeniul (0.360° ) sau ( 0.180°);

b) masurarea indirecta ( a deplasarii liniare ) prin mai multe rotatii complete ale cursorului în domeniul (0 360°) .

În acest subcapitol sunt prezentate numai elementele sensibile pentru masurari unghiulare propriu-zise.

Elemente sensibile rezistive pentru masurarea deplasarilor unghiulare

Constructiv, acestea sunt servopotentiometre (figura 4.19) care func& 242i89c #355;ioneaza pe acelasi principiu ca si ES rezistive pentru deplasari liniare. Daca cursorul este rotit cu unghiul a fata de pozitia de referinta (zero) se obtin la bornele potentiometrului tensiunile:

unde: U_a este tensiunea de alimentare; - unghiul maxim care de obicei este mai mic decât fiind limitat de spatiul necesar amplasarii contactelor ()

Potentiometrele de acest tip pot fi :

- uniturn, daca

- multiturn - pentru domenii care depasesc , la care numarul de rotatii este standardizat:rotatii, adică:

Fig. 4.24 - Element sensibil rezistiv (potentiometric) pentru deplasari unghiulare.

ES de acest tip se utilizeaza pentru masurarea deplasarilor liniare mari (5.10 m) daca sunt actionate prin mecanisme cu minireductoare adecvate .

Exemplu: Masurarea nivelului în rezervoare (bazine) .

Elemente sensibile capacitive pentru masurarea deplasarii unghiulare

Schemele de principiu ale acestor ES sunt prezentate în figurile 4.25-a si 4.25-b, iar functionarea acestora are la baza modificarea suprafetei comune dintre armaturile condensatorului. Constructiv, acestea se realizeaza în doua variante:

a) condensatoare de acord ( întâlnite în tehnica radio ) ;

- Aceste condensatoare au mai multe armături fixe, între care se deplaseaza armaturile mobile fixate pe un rotor, figura 4.25-a .

b) varianta diferentială, figura 4.25-b, unde armatura mobila comuna se roteste cu unghiul a (într-un sens sau altul ) fata de pozitia de referinta "0", modificând în sensuri contrare valorile capacitatilor C₁ si C₂.

Fig.4.25 - Elemente sensibile capacitive pentru deplasari unghiulare:

a - montaj simplu; b- montaj diferential;

E.S. capacitive se pot utiliza în scheme de măsurare de tip rezonant în asociere cu inductanta L (care reprezintă secundarul transformatorului de alimentare si adaptare TA), figura 4.26-a.

Fig.4.26 - Adaptor de tip rezonant pentru ES capacitive:

a- schema electrica; b- caracteristica statica;

- Caracteristica statica arata că acest traductor cu adaptor rezonant poate fi folosit ca indicator de nul pentru deplasari unghiulare. Nulul corespunde valorii maxime a tensiunii de iesire (U_max) la valoarea de rezonanta a capacitatii (C_r). Valoarea maxima a tensiunii (U_max) este sesizata de catre un element de decizie (ED).

Semnificatiile notatiilor din figura sunt: ED - sesizeaza nulul corespunzator tensiunii maxime la iesire ; C(α) - capacitate variabilă (prin unghiul a) ce reprezinta elementul sensibil; - capacitate de acord ( ajustare auxiliara ); - capacitatea de rezonanta (la care se obtine tensiunea maxima);

4.3. 3. Elemente sensibile inductive pentru deplasari unghiulare.

Principiul de functionare a acestor E.S. este asemanator cu cel prezentat la E.S. pentru deplasari liniare mici, dar constructiv sunt adaptate pentru masurarea deplasarilor unghiulare.

Frecvent utilizate sunt E.S. inductive cu miez feromagnetic mobil de tip TRDV (transformator rotativ diferential variabil) - format dintr-o bobină primara si doua secundare plasate pe miez feromagnetic de tip "E", figura 4.27.a. Inductanta de cuplaj (dintre bobine) se modifică datorită deplasarii unui rotor feromagnetic cu unghiul a, închizând diferit fluxurile magnetice n cele doua înfasurari secundare. Caracteristica = f(α) este liniară pe un domeniu restrâns(figura 4.27-b). Traductorul este calibrat la iesirea din fabrica, iar pozitia de zero este marcata pe axul rotorului .

Fig. 4.27- Element sensibil de tip TRDV: a- schema constructiva; b- caracteristica statica

Observatii

Datorita neliniaritatii caracteristicii U_e =f(a), elementele sensibile de tip TRDV se utilizeaza numai în domeniul de masurare liniar: (

În rotor apar mici cupluri suplimentare de frecare, care se pot neglija.

Schemele de masura atasate acestor elemente sensibile sunt de tipul celor de la TDLV, având iesirea în curent continuu sau în curent alternativ. În ambele variante aceste E.S. necesita protectie (prin ecranare) împotriva câmpurilor electromagnetice externe.

Se pot utiliza scheme de masurare tip punte bazate pe E.S. cu modificarea reluctantei - figura 4.27.

În practica se folosesc si alte variante constructive (asemanatoare din puncte de vedere al tehnologiei de realizare cu masinile electrice rotative) care prin modul de functionare se înscriu în grupul traductoarelor inductive cu miez mobil de tip transformator. Astfel, în figura 4.28 -a se prezinta un E.S. de tip TRDV, format din doua bobine statorice(de inductanta L₁ si L₂) dispuse la un unghi de 90 . Rotorul profilat va modifica cuplajul inductiv dintre bobinele L₁ si L₂, conectate prin bornele a si b la o punte de masurare (punte de impedante). Domeniul liniar de masurare al unghiului a este de maximum

Fig. 4.28 - Elemente sensibile de tip TRDV pentru deplasari unghiulare: a - varianta de baza; b - de tip microsyn;

În figura 4.28-b se prezinta un element sensibil realizat cu transformator rotativ de tip microsyn compus din 4 poli statorici din otel laminat pe care se gasesc câte doua bobine ( primar si secundar ). De remarcat ca bobinele primare de pe fiecare pol statoric sunt înseriate. De asemenea, bobinele secundare de pe fiecare pol statoric sunt si ele înseriate .

Conectarea bobinelor se face astfel încât tensiunea indusa în si să fie opusă tensiunii induse în si . Rotorul (fara înfasurari) este construit din material feromagnetic . În pozitie neutră (zero) reluctanta din întrefierul poli statorici - rotor este aceeasi pentru cei 4 poli, iar tensiunea în secundar este nulă ( ) .

Deplasarea unghiulară (α) a rotorului provoaca o modificare a reluctantei care produce la iesire o tensiune a carei variatie este asemanatoare celei din figura variabilă asemanator ca în figura 4.27.b .

Exista si alte tipuri de elemente sensibile de tip TRDV sub forma unui potentiometru inductiv sau sub forma unui generator de semnal cu spira în scurtcircuit, descrise în [2], la care domeniul liniar de variatie a tensiunii de iesire este asemanator (

Element sensibil pentru deplasari unghiulare cu modulator magnetic

Modulatoarele magnetice de tip rotativ, prevazute cu magnet permanent mobil, transforma deplasarea unghiulara (semnalul modulator) în tensiune alternativă modulată în amplitudine. Traductoarele pentru marimi mecanice produse de I.E.A. Bucuresti contin astfel de elemente sensibile, pentru masurarea presiunii sau nivelului .

Modulatorul este format dintr-un stator toroidal construit din tole inelare de permalloy, pe care sunt dispuse două înfasurari identice (figura 4.29) notate cu I si II. În interiorul statorului (coaxial cu acesta) se află un magnet permanent sub forma de disc (D), fixat pe axul care transmite deplasarea unghiulară (a

Fig. 4.29 -Modulator magnetic rotativ.

Cele doua înfasurari statorice sunt parcurse de trei curenti:

- - curent de excitatie (alternativ), cu frecventa f si amplitudinea constantă - determinat de tensiunea de excitatie generata de un oscilator ;

- - curent continuu de reactie, proportional cu valoarea semnalului unificat furnizat de adaptor ;

- - curentul continuu de magnetizare (reglabil) prin care se poate schimba punctul de functionare al miezului magnetic, deci se poate efectua reglarea fină a punctului de zero .

Miezul magnetic statoric este supus actiunii simultane a 4 fluxuri magnetice : cele trei fluxuri create de curentii si fluxul creat de magnetul permanent. Fluxul rezultant, a celor patru fluxuri, face ca miezul magnetic să lucreze în zona de saturatie .

Cele două înfasurari statorice sunt plasate într-o punte în care pe celelalte două laturi (brate) se afla rezistentele   si . Când puntea este echilibrată, în diagonala de masurare se anuleaza semnalul de frecventa purtatoarei si ramâne doar semnalul de armonica a-II-a :

(4.35)

unde : H_m reprezinta intensitatea câmpului magnetic creat de magnetul permanent , iar α - unghiul de rotatie al magnetului permanent .

Pentru pozitia de zero a magnetului permanent rotoric, amplitudinile componentelor de armonica a-II-a pe cele doua înfasurari sunt egale, si se obtine La rotirea magnetului permanent fata de "zero" (numita pozitie de referinta), pe fiecare înfăsurare statorica apar semnale de armonica a-II-a diferite, care dau pe diagonala de masurare un semnal de amplitudine proportionala cu unghiul α ( deoarece pentru α 0°.10 , rezultă că sin α α) . Faza tensiunii de iesire este zero sau   π în raport cu sensul de rotatie [14] .

Elemente sensibile inductive de tip selsin

Forma costructiva si principiul de functionare al E.S. de tip selsin fac posibila tratarea acestuia în doua moduri:

a) Selsinul considerat transformator de unghi cu raport de transformare variabil în functie de unghiul de rotatie dintre înfasurari ;

b) Selsinul considerat masina electrică specială, deoarece are inductor si indus ;

Principiul de functionare poate fi explicat cu ajutorul figurii 4.30 . Considerând statorul inductor (parcurs de tensiunea ), atunci în rotor se induce tensiunea : , unde θ este unghiul dintre axele electrice ale celor două înfasurari statorice.

Tensiunea are aceeasi frecventa cu , ambele variaza sinusoidal, dar amplitudinea tensiunii variaza în functie de .

Deci la variatia ciclică a unghiului θ ( de la 0 la 360°) se obtine o tensiune sinusoidala de valoare maximă E₂, care la fiecare trecere prin zero îsi schimba faza . Acest lucru pune în evidenta doua aspecte importante:

a) Se poate detecta fiecare semirotatie (prin schimbarea fazei) ;

b) Pentru fiecare semirotatie () amplitudinea tensiunii induse ( este dependenta de unghi .

Selsinul poate fi utilizat direct la masurarea deplasarilor unghiulare sau indirect la masurarea deplasarilor liniare, pe principiul ciclic absolut, adica poate acoperi un domeniu de deplasare liniara prin mai multe rotatii (cicli)- masurând faza în cadrul fiecarui ciclu .

Traductoarele cu E.S. de tip selsin se realizeaza în doua variante de baza : de tip resolver si de tip inductosin .

4. 3. 6. Element sensibil de tip resolver pentru deplasari unghiulare

Rsolverul (denumit si selsin bifazat) contine două înfasurari statorice, decalate electric cu 90° . Rotorul este monofazat . În functie de modul de alimentare, inductorul poate fi, dupa caz, stator sau rotor .

Exemplu : Dacă rotorul este alimentat cu o tensiune , se obtin în stator două tensiuni :

; ; (4.36)

unde φ este unghiul pe care îl face rotorul cu axa înfasurarii - figura 4.31-a

Fig. 4.31. Resolverul: a - dispunerea înfasuarilor; b­- diagrama fazoriala

Valorile maxime si depind de raportul de transformare între înfasurari (dar sunt proportionale cu fluxurile, iar defazajele de 90° se conservă numai daca impedanta de sarcina, , este infinită). În cele ce urmeaza se consideră acest raport egal cu 1, pentru ambele înfasurari si ca urmare se obtine:

; (4.37)

Prelucrând tensiunile statorice se obtine o indicatie asupra unghiului φ . De exemplu

; (4.38)

Operatia de divizare nefiind avantajoasa, în practica se prefera alimentarea resolverului pe stator iar rotorul devine indus . În aceasta situatie se pot evidentia două metode distincte de utilizare :

Rezolver cu modulatie în amplitudine ;

Rezolver cu modulatie de faza ;

1- Rezolverul cu modulatie în amplitudine :

Pentru a masura pozitia unghiulară φ a unui ax (care antreneaza rotorul) în raport cu unghiul (pozitia) de referinta α - se alimenteaza cele două înfasurari statorice cu tensiunile :

(4.39)

unde α este unghiul de referintă, iar φ - unghiul de masurat ;

Tensiunea indusă în rotor, pentru o pozitie unghiulară (φ) a axei rotorului fată de axa înfasurarii   , va fi:
  (4.40)

Înlocuind relatia (4.40) tensiunile si din ( 4.39 ) se obtine :

(4.41)

Semnul (+) sau (-) este determinat de sensul de parcurgere al înfasurarilor . Pentru sensul marcat în figura 4.31-a este (- ) . Daca se alimenteaza cele două înfasurari invers, cu tensiunile :

; ; (4.42)

Se obtine la bornele rotorului:   ; (4.43)

Observatie:

Se obtine la iesire o tensiune modulată în amplitudine cu sinusul (sau cosinusul) unghiului , care reprezinta abaterea fata de unghiul de referinta prescris α .

Rezolver cu modulatie de fază

La acest resolver se alimenteaza statorul cu două tensiuni de aceeasi frecventa si amplitudine, dar decalate cu 90° electrice :

Ţinând seama de (4.40), tensiunea indusa în rotor va fi

; (4.45)

sau:

caracterizeaza pozitia relativă a rotorului fată de stator.

4. 3.7. Element sensibul de tip inductosin circular

Inductosinul circular poate fi echivalent cu un selsin multipolar desfasurat în plan (ce are un numar mare de poli) . Constructiv, acesta constă din două discuri plane, separate între ele printr un interstitiu de aer cu grosimea de mm .

Un disc (rotorul) este mobil,fiind cuplat solidar cu obiectul a carui deplasare unghiulara se masoara, iar celălalt este fix (statorul) si asociat cu sistemul de referinta. Pe discul fix se gasesc două înfasurari multipolare plane (realizate în tehnologia circuitelor imprimate ) decalate între ele cu 90° electrice .Rotorul, de regula, este indusul si contine o singura înfasurare. Pasul înfasuraii rotorice este egal cu pasul înfasurarii statorice, figura 4.32 .

Fig. 4.32 Principiul realizarii inductosinului circular: a- dispunearea înfasurarilor; b- detalii costructive

Utilizând aceleasi notatii ca la selsin tensiunile induse în rotor vor fi:

a) în cazul modulatiei de fază:

(4.46)

unde γ - este defazaj global

b) în cazul modulatiei în amplitudine :

(4.47)

unde: este defazajul global pentru K - numar întreg( 0,1,2,3 );

φ - unghiul de rotatie dintre stator si rotor ; α - unghiul de referintă ; p - nr. perechilor de poli ai înfasurarii rotorice; t - pasul de divizare.

Uzual, pasul de divizare (τ) se ia egal cu 2° si printr-o divizare electronică se pot obtine precizii de cinci secunde (5") sau chiar o secunda ( l") .

Avantajul preciziei de masurare a unghiului, oferit de inductosinul circular este contracarat partial de câteva cerinte constructive dintre care cele mai importante sunt :

- interstitiul dintre stator si rotor ( 0,1. 0,3 ) mm, perfect paralel ;

- cuplajul inductiv armonic ;

uniformitatea pasului înfasurarilor ;

- omogenitatea materialului suport .

Principalele tipuri de erori, care opt afecta rezultatele masurarii deplasarilor unghiulare sunt:

a) erori datorate armonicilor superioare (de ordinul 3 si 5) în cuplajul mutual dintre stator si rotor . Aceste armonicile daunatoare pot fi anulate dacă se impune o latime adecvata pentru conductoarele statorice si rotorice:

( pentru stator ), ( pentru rotor) ;

unde prin si s-au notat ˝ din latimea conductorului statoric si respectiv, ˝ din latimea conductorului rotoric(figura 4.32-b)

b) erori datorate impreciziei tehnologice a executiei :

pas de divizare neegal; latime neegala (a) în trasajul conductoarelor; decalaj diferit de între tensiunile de alimentare a înfasurarilor rotorice (ce creeaza tensiuni reziduale si atenueaza semnul util); inegalitatea amplitudinilor celor doua tensiuni de alimentare a înfasurarilor statorice - care pot genera o tensiune reziduala ce atenueaza semnalul util; inegalitatea impedantelor înfasurarilor cursorului ; erori de montaj (planeitate imperfectă ) între stator si rotor .

Majoritatea acestor erori pot fi compensate prin mijloace tehnice relativ simple . Ca urmare, inductosinul circular este frecvent utilizat ca traductor de deplasare unghiulară în echipamentele de conducere numerică a masinilor unelte .