AC 계측 변환기

특정 물리량을 측정하고 그 정보를 DC 전기 신호(열전대, 스트레인 게이지, pH 프로브 등)의 형태로 반복하는 장치가 만들어진 것처럼 AC와 동일한 작업을 수행하는 특수 장치도 만들어졌습니다.

전기 신호를 통해 기계 부품의 물리적 위치를 감지하고 전송할 수 있어야 하는 경우가 많습니다. 이는 자동화된 공작 기계 제어 및 로봇 공학 분야에서 특히 그렇습니다. 이를 수행하는 간단하고 쉬운 방법은 전위차계를 사용하는 것입니다.

전위차계 사용

<강한>

전위차계 탭 전압은 샤프트에 종속된 개체의 위치를 ​​나타냅니다.

그러나 전위차계에는 고유한 문제가 있습니다. 하나는 "와이퍼"와 저항 스트립 사이의 물리적 접촉에 의존하기 때문에 시간이 지남에 따라 물리적 마모의 영향을 받습니다.

전위차계가 마모됨에 따라 샤프트 위치에 대한 비례 출력이 점점 더 확실하지 않게 됩니다. 오래된 라디오에서 볼륨 컨트롤을 조정할 때 이미 이 효과를 경험했을 수 있습니다. 노브를 돌리면 스피커에서 "긁는" 소리가 들릴 수 있습니다.

이러한 소음은 볼륨 제어 전위차계의 와이퍼 접촉 불량으로 인한 것입니다.

또한 와이퍼와 스트립 사이의 이러한 물리적 접촉은 와이퍼가 움직일 때 둘 사이에 아크(스파크)가 발생할 가능성을 만듭니다.

대부분의 전위차계 회로에서 전류가 너무 낮아 와이퍼 아크가 무시할 수 있지만 고려해볼 수 있습니다.

가연성 증기나 먼지가 있는 환경에서 전위차계를 작동해야 하는 경우 이 아킹 가능성은 폭발 가능성으로 이어집니다!

LVDT 사용

DC 대신 AC를 사용하면 가변 변압기를 사용하면 부품 간의 미끄럼 접촉을 완전히 피할 수 있습니다. 전위차계 대신.

이 목적으로 만들어진 장치를 LVDT라고 하며 이는 L을 의미합니다. inear V ariable D 차별 T 랜스포머. LVDT의 디자인은 다음과 같습니다.

선형 가변 차동 변압기(LVDT)의 AC 출력은 코어 위치를 나타냅니다.

분명히 이 기기는 변압기입니다. :외부 AC 전압 소스에 의해 전원이 공급되는 단일 1차 권선과 직렬 버킹 방식으로 연결된 2개의 2차 권선이 있습니다.

변수입니다. 코어가 권선 사이에서 자유롭게 이동할 수 있기 때문입니다. 차이입니다. 두 개의 2차 권선이 연결된 방식 때문입니다. 서로 반대 방향(위상이 180°)으로 배열된다는 것은 이 장치의 출력이 차이가 된다는 것을 의미합니다. 두 2차 권선의 전압 출력 사이.

코어가 중앙에 있고 두 권선이 동일한 전압을 출력할 때 출력 단자의 최종 결과는 0볼트가 됩니다. 선형이라고 합니다. 코어의 운동 자유도가 직선이기 때문입니다.

LVDT에서 출력되는 AC 전압은 가동 코어의 위치를 ​​나타냅니다. 0볼트는 코어가 중앙에 있음을 의미합니다.

코어가 중앙 위치에서 멀어질수록 출력에서 ​​더 큰 비율의 입력("여기") 전압이 표시됩니다. 여기 전압에 대한 출력 전압의 위상은 중심에서 코어가 오프셋되는 방향을 나타냅니다.

위치 감지를 위한 전위차계에 비해 LVDT의 주요 이점은 움직이는 부분과 고정된 부분 사이에 물리적 접촉이 없다는 것입니다.

코어는 와이어 권선과 접촉하지 않지만 비전도성 튜브 내에서 안팎으로 미끄러집니다. 따라서 LVDT는 전위차계처럼 "마모"하지 않으며 아크를 생성할 가능성도 없습니다.

LVDT의 여기는 일반적으로 전력선에서 높은 오디오(20kHz) 범위에 이르는 주파수에서 10볼트 RMS 이하입니다. LVDT의 잠재적인 단점 중 하나는 응답 시간이며, 이는 대부분 AC 전압 소스의 주파수에 의존합니다.

매우 빠른 응답 시간을 원하는 경우 코어가 움직일 때 전압 레벨을 결정하기에 충분한 AC 사이클을 허용하는 전압 감지 회로를 허용하려면 주파수가 높아야 합니다.

여기서 잠재적인 문제를 설명하기 위해 다음과 같은 과장된 시나리오를 상상해 보십시오. 코어가 초당 수백 번 안팎으로 움직이는 60Hz 전압 소스로 구동되는 LVDT입니다.

이 LVDT의 출력은 AC 소스 전압이 단일 사이클을 완료하기 전에 코어가 동작 범위 전체로 이동하기 때문에 사인파처럼 보이지 않을 것입니다! 순시 전원 전압보다 빠르게 움직이면 순시 코어 위치를 판별하는 것은 거의 불가능합니다.

RVDT 사용

LVDT의 변형은 RVDT 또는 R입니다. 이타리 V ariable D 차별 T 랜스포머. 이 장치는 코어가 직선으로 움직이는 대신 샤프트를 중심으로 회전한다는 점을 제외하고는 거의 동일한 원리로 작동합니다. RVDT는 360°(전체 원) 동작의 일부에 대해서만 구성할 수 있습니다.

Synchro 또는 Selsyn 사용

이 원칙에 따라 동기 또는 셀신 , 권선형 회전자 다상 AC 모터 또는 발전기와 많이 유사한 구성의 장치입니다.

로터는 모터처럼 완전히 360° 회전할 수 있습니다. 로터에는 LVDT의 1차 권선과 마찬가지로 AC 전압 소스에 연결된 단일 권선이 있습니다. 고정자 권선은 일반적으로 3상 Y 형태이지만 3상 이상의 싱크로가 구축되었습니다. (아래 그림)

2상 고정자가 있는 장치를 리졸버라고 합니다. . 리졸버는 샤프트 위치를 나타내는 사인 및 코사인 출력을 생성합니다.

동기는 3상 고정자 권선과 회전 필드로 감겨 있습니다. 리졸버에는 2상 고정자가 있습니다.

회전자의 AC 여기에서 고정자 권선에 유도된 전압은 아니다. 실제 3상 발전기에서와 같이 120° 위상 편이. 로터에 AC가 아닌 DC 전류가 흐르고 샤프트가 계속 회전한다면 전압은 진정한 3상이 됩니다.

그러나 이것은 싱크로가 작동하도록 설계된 방식이 아닙니다. 오히려 이것은 위치 감지입니다. 출력 신호가 훨씬 더 명확하다는 점을 제외하고는 RVDT와 매우 유사한 장치입니다. AC에 의해 회전자에 전원이 공급되면 고정자 권선 전압은 일반 LVDT 또는 RVDT와 같이 위상이 0° 또는 180° 이동된 회전자의 각도 위치에 크기에 비례합니다.

하나의 1차 권선과 3개의 2차 권선이 있는 변압기로 생각할 수 있으며, 각 2차 권선은 고유한 각도를 향하고 있습니다.

회전자가 천천히 회전함에 따라 각 권선은 차례로 회전자와 직접 정렬되어 최대 전압을 생성하고 다른 권선은 최대 전압보다 낮은 전압을 생성합니다.

싱크로는 종종 쌍으로 사용됩니다. 로터가 병렬로 연결되고 동일한 AC 전압 소스에 의해 활성화되면 샤프트가 높은 정확도로 위치를 일치시킵니다.

동기 샤프트는 서로 종속되어 있습니다. 하나를 회전하면 다른 하나가 움직입니다.

이러한 "송신기/수신기" 쌍은 선박에서 방향타 위치를 중계하거나 상당히 긴 거리에 걸쳐 항법 자이로 위치를 중계하는 데 사용되었습니다.

"송신기"와 "수신기"의 유일한 차이점은 외부의 힘에 의해 어느 쪽이 회전하는지입니다. "수신기"는 샤프트를 강제로 돌리고 왼쪽의 싱크로 위치를 일치시키면 "송신기"만큼 쉽게 사용할 수 있습니다.

수신기의 로터에 전원이 공급되지 않은 상태로 두면 위치 오류 감지기 역할을 하여 샤프트가 송신기의 샤프트 위치에서 90o 또는 270o가 아닌 경우 로터에서 AC 전압을 생성합니다.

수신기 로터는 더 이상 토크를 생성하지 않으며 결과적으로 더 이상 송신기의 위치와 자동으로 일치하지 않습니다.

수신기 회전자가 송신기 회전자에서 정확히 90도 또는 270도 회전하지 않은 경우 AC 전압계는 전압을 기록합니다.

이것은 수신기 샤프트가 송신기 샤프트와 두 (일치하는) 위치 중 하나에 있어야만 균형을 이루는 일종의 브리지 회로로 생각할 수 있습니다.

동기의 한 가지 독창적인 응용 프로그램은 고정자가 3상 AC에 의해 활성화되는 경우 위상 변이 장치를 만드는 것입니다.

로터를 완전히 회전하면 위상이 0°에서 360°로 부드럽게 이동합니다(다시 0°로).

싱크로의 회전자가 회전함에 따라 회전자 코일은 각 고정자 코일과 점진적으로 정렬되며, 각각의 자기장은 서로 120° 위상 변이됩니다.

이러한 위치 사이에서 이러한 위상 이동 필드는 0°, 120° 또는 240° 이동 사이의 어딘가에서 회전자 전압을 생성하기 위해 혼합됩니다. 실용적인 결과는 노브(로터 샤프트에 부착됨)의 비틀림으로 무한 가변 위상 AC 전압을 제공할 수 있는 장치입니다.

싱크로 또는 리졸버는 랙 및 피니언 메커니즘과 함께 사용하는 경우 선형 운동을 측정할 수 있습니다.

싱크로(리졸버)의 다중 회전을 초래하는 몇 인치(또는 cm)의 선형 이동은 사인파의 열을 생성합니다. 인덕토신 ®은 리졸버의 선형 버전입니다. 리졸버와 같은 신호를 출력합니다. 하지만 약간 비슷합니다.

Inductosyn은 0.1인치 또는 2mm 피치의 고정된 구불구불한 권선과 슬라이더라고 하는 이동식 권선의 두 부분으로 구성됩니다. . (아래 그림)

슬라이더에는 고정 권선과 동일한 피치를 갖는 한 쌍의 권선이 있습니다. 슬라이더 와인딩은 1/4 피치만큼 오프셋되어 사인파와 코사인파가 모두 움직임에 의해 생성됩니다.

하나의 슬라이더 감기는 펄스를 계산하는 데 적합하지만 방향 정보는 제공하지 않습니다.

2상 권선은 사인파 및 코사인파의 위상에서 방향 정보를 제공합니다. 한 피치로 이동하면 사인파와 코사인파의 주기가 생성됩니다. 여러 피치는 일련의 파도를 생성합니다.

인덕토신:(a) 고정 구불구불한 권선, (b) 이동 가능한 슬라이더 2상 권선. 그림 6.16 [WAK]에서 수정

사인파와 코사인파가 선형 이동의 함수로 생성된다는 것은 슬라이더가 이동함에 따라 고주파 캐리어가 진폭 변조된다는 것을 의미합니다.

두 개의 슬라이더 AC 신호를 측정하여 피치 내의 위치, 즉 미세 위치를 결정해야 합니다. 슬라이더는 얼마나 많은 투구를 움직였습니까? 사인 및 코사인 신호의 관계는 이를 나타내지 않습니다. 그러나 피치의 수(파도의 수)는 알려진 시작점에서 계산되어 대략적인 위치를 산출할 수 있습니다.

이것은 증분 인코더입니다. . 시작점에 관계없이 절대 위치를 알아야 하는 경우 길이당 1회전용으로 장착된 보조 리졸버는 대략적인 위치를 제공합니다. 이것은 절대 인코더를 구성합니다. .

선형 Inductosyn의 변압기 비율은 100:1입니다. 이것을 리졸버의 1:1 비율과 비교하십시오. Inductosyn에 대한 몇 볼트 AC 여기는 몇 밀리볼트를 생성합니다.

이 낮은 신호 레벨은 Resolver to Digital Converter(RDC)에 의해 12비트 디지털 형식으로 변환됩니다. . 25마이크로인치의 해상도를 달성할 수 있습니다.

회전당 360개의 패턴 피치를 갖는 Inductosyn의 회전식 버전도 있습니다. 12비트 리졸버-디지털 변환기와 함께 사용하면 1초 분해능을 달성할 수 있습니다. 증분 인코더입니다.

절대 위치를 결정하려면 알려진 시작점에서 투구를 세는 것이 필요합니다. 또는 리졸버가 대략적인 절대 위치를 결정할 수 있습니다.

용량 변환기

지금까지 논의된 변환기는 모두 유도성 다양성이었습니다. 그러나 가변 커패시턴스에서 작동하는 변환기를 만드는 것도 가능하며 AC는 커패시턴스의 변화를 감지하고 가변 출력 전압을 생성하는 데 사용됩니다.

두 전도성 표면 사이의 커패시턴스는 세 가지 주요 요인, 즉 두 표면의 중첩 영역, 두 표면 사이의 거리, 표면 사이의 재료 유전 상수에 따라 달라진다는 점을 기억하십시오.

이 변수 중 3개 중 2개를 고정(안정화)할 수 있고 세 번째 변수를 변경할 수 있는 경우 표면 사이의 정전용량 측정은 해당 세 번째 변수의 변화만을 나타냅니다.

의학 연구자들은 생체의 생리적 변화를 감지하기 위해 정전 용량 감지를 오랫동안 사용해 왔습니다.

일찍이 1907년에 H. Cremer라는 독일 연구원은 뛰는 개구리 심장의 양쪽에 두 개의 금속판을 놓고 심장이 혈액을 채우고 비우는 것을 번갈아 가며 발생하는 정전 용량 변화를 측정했습니다.

가슴과 등에 금속판을 놓고 정전 용량 변화를 통해 호흡 및 심장 활동을 기록하는 인간에 대해 유사한 측정이 수행되었습니다.

장기 활동에 대한 보다 정확한 정전용량 측정을 위해 카테터 튜브 끝의 장기(특히 심장)에 금속 탐침을 삽입하여 금속 탐침과 대상의 신체 사이에서 정전용량을 측정했습니다.

충분히 높은 AC 여기 주파수와 충분히 민감한 전압 감지기로 펌핑 동작 뿐만 아니라 소리 활동적인 마음은 쉽게 해석될 수 있습니다.

인덕티브 트랜스듀서와 마찬가지로 용량성 트랜스듀서는 위에서 설명한 직접적인 생리학적 예와 달리 독립형 장치로 만들 수도 있습니다.

일부 변환기는 겹치는 영역이나 플레이트 사이의 거리를 변경하는 방식으로 커패시터 플레이트 중 하나를 움직일 수 있도록 하여 작동합니다. 다른 변환기는 두 개의 고정 플레이트 사이에서 유전체 물질을 안팎으로 움직여 작동합니다.

가변 용량성 변환기는 다양합니다. (a) 중첩 영역, (b) 플레이트 사이의 거리, (c) 플레이트 사이의 유전체 양.

LVDT(선형 변수 차동 변신 로봇). 다음은 차동 정전용량 변환기의 몇 가지 예입니다.

차동 정전용량 변환기는 (a) 겹침 영역, (b) 플레이트 사이의 거리, (c) 플레이트 사이의 유전체를 변경하여 커패시턴스 비율을 변경합니다.

보시다시피 위의 그림에 표시된 모든 차동 장치에는 3 두 개가 아닌 와이어 연결:각 "엔드" 플레이트용 와이어 하나와 "공통" 플레이트용 와이어 하나.

"엔드" 플레이트 중 하나와 "공통" 플레이트 사이의 커패시턴스가 변경됨에 따라 다른 "엔드" 플레이트와 "공통" 플레이트 사이의 커패시턴스는 반대 방향으로 변경됩니다. 이러한 종류의 변환기는 브리지 회로에서 구현하기에 매우 적합합니다.

차동 용량 변환기 브리지

차동 정전용량 변환기 브리지 측정 회로.

정전 용량 변환기는 일반적으로 피코에서 작동하는 측정 회로에 대해 비교적 작은 정전 용량을 제공합니다. 패러드 범위. 이 때문에 이러한 용량성 리액턴스를 합리적인 수준으로 줄이려면 일반적으로 높은 전원 공급 장치 주파수(메가헤르츠 범위!)가 필요합니다.

일반적인 정전 용량 변환기가 제공하는 작은 정전 용량을 감안할 때 표유 정전 용량은 측정 오류의 주요 원인이 될 가능성이 있습니다. 우수한 도체 차폐는 필수입니다. 안정적이고 정확한 정전 용량 변환기 회로를 위해!

브리지 회로는 그러한 변환기의 차동 커패시턴스 출력을 효과적으로 해석하는 유일한 방법은 아니지만 구현하고 이해하기 가장 간단한 방법 중 하나입니다. LVDT와 마찬가지로 브리지의 전압 출력은 중심 위치에서 변환기 동작의 변위에 비례하며 오프셋 방향은 위상 편이로 표시됩니다.

이러한 종류의 브리지 회로는 기능 면에서 스트레인 게이지에 사용되는 종류와 유사합니다. 항상 "균형" 상태를 유지하도록 의도된 것이 아니라 불균형 정도가 측정되는 양의 크기를 나타냅니다.

차동 정전 용량 변환기 "Twin-T"

차동 커패시턴스를 해석하기 위한 브리지 회로의 흥미로운 대안은 twin-T입니다. . 이 장에서 앞서 언급한 전류용 "일방향 밸브"인 다이오드를 사용해야 합니다.

차동 정전용량 변환기 "Twin-T" 측정 회로.

이 회로는 브리지 구성과 유사하도록 다시 그리면 더 잘 이해될 수 있습니다.

브리지로 다시 그려진 차동 커패시터 변환기 "Twin-T" 측정 회로. 출력은 R_부하에 걸쳐 있습니다. .

커패시터 C₁ C₂ 동안 양의 반주기마다 AC 전압 소스에 의해 충전됩니다(접지 지점을 기준으로 측정된 양의 양). 음의 반 주기마다 청구됩니다.

하나의 커패시터가 충전되는 동안 다른 커패시터는 3-저항 네트워크를 통해 방전됩니다(충전된 것보다 느린 속도로). 결과적으로 C₁ 접지에 대해 양의 DC 전압을 유지하고 C₂ 접지에 대한 음의 DC 전압.

용량성 변환기가 중앙 위치에서 변위되면 하나의 커패시터는 커패시턴스가 증가하고 다른 커패시터는 감소합니다. 이는 소스에서 커패시터로의 충전 전류 경로에 무시할 수 있는 저항이 있기 때문에 각 커패시터의 피크 전압 충전에 거의 영향을 미치지 않아 매우 짧은 시간 상수(τ)가 발생합니다.

그러나 저항을 통해 방전할 시간이 되면 커패시턴스 값이 더 큰 커패시터가 충전을 더 오래 유지하므로 시간이 지남에 따라 값이 작은 커패시터보다 평균 DC 전압이 더 커집니다.

부하 저항(R_load ), 한쪽 끝은 두 개의 동일한 값 저항기(R) 사이의 지점에 연결되고 다른 쪽 끝은 접지에 연결되며 두 커패시터의 DC 전압 전하가 크기가 같으면 DC 전압이 떨어지지 않습니다.

반면에 하나의 커패시터가 커패시턴스의 차이로 인해 다른 커패시터보다 더 큰 DC 전압 전하를 유지하는 경우 부하 저항은 이러한 전압 간의 차이에 비례하여 전압을 떨어뜨립니다.

따라서 차동 커패시턴스는 부하 저항 양단의 DC 전압으로 변환됩니다.

부하 저항기에 AC 및 DC 전압이 모두 존재하며 DC 전압만 커패시턴스의 차이에 중요합니다. 원하는 경우 이 회로의 출력에 저역 통과 필터를 추가하여 AC를 차단하고 DC 신호만 측정 회로에서 해석할 수 있습니다.

"twin-T"에 저역 통과 필터를 추가하면 측정 표시기에 순수 DC를 공급합니다.

차동 정전 용량 센서용 측정 회로로서 Twin-T 구성은 표준 브리지 구성보다 많은 이점을 가집니다.

무엇보다도 변환기 변위는 크기 및의 AC 전압이 아니라 단순한 DC 전압으로 표시됩니다. 어떤 커패시턴스가 더 큰지 알려면 위상을 해석해야 합니다.

또한 적절한 구성 요소 값과 전원 공급 장치 출력이 주어지면 이 DC 출력 신호는 전기 기계 미터의 움직임을 직접 구동하기에 충분히 강할 수 있으므로 증폭기 회로가 필요하지 않습니다.

또 다른 중요한 이점은 모든 중요한 회로 요소에 하나의 단자가 직접 접지에 연결되어 있다는 것입니다. 소스, 부하 저항 및 두 커패시터는 모두 접지 참조됩니다.

이는 일반적으로 브리지 측정 회로를 괴롭히는 표유 커패시턴스의 악영향을 최소화하는 데 도움이 되며 마찬가지로 Wagner 접지와 같은 보상 조치의 필요성을 제거합니다.

이 회로는 또한 부품을 지정하기 쉽습니다. 일반적으로 상보형 다이오드를 포함하는 측정 회로는 우수한 정확도를 위해 "일치된" 다이오드를 선택해야 합니다. 이 회로에서는 그렇지 않습니다!

전원 공급 장치 전압이 두 다이오드 간의 전압 강하 편차보다 훨씬 크면 불일치의 영향이 최소화되고 측정 오류에 거의 기여하지 않습니다.

또한 공급 주파수 변화는 이득(주어진 변환기 변위량에 대해 얼마나 많은 출력 전압이 발생하는지)에 상대적으로 낮은 영향을 미치며 50% 듀티 사이클(동일한 양수 및 음수 반주기), 물론입니다.