Transductores de instrumentación de CA

Así como se han fabricado dispositivos para medir determinadas cantidades físicas y repetir esa información en forma de señales eléctricas de CC (termopares, galgas extensométricas, sondas de pH, etc.), se han fabricado dispositivos especiales que hacen lo mismo con CA.

A menudo es necesario poder detectar y transmitir la posición física de las piezas mecánicas a través de señales eléctricas. Esto es especialmente cierto en los campos del control automatizado de máquinas herramienta y la robótica. Una forma sencilla y fácil de hacer esto es con un potenciómetro:

Uso del potenciómetro

El voltaje de derivación del potenciómetro indica la posición de un objeto esclavo del eje.

Sin embargo, los potenciómetros tienen sus propios problemas únicos. Por un lado, dependen del contacto físico entre el "limpiaparabrisas" y la banda de resistencia, lo que significa que sufren los efectos del desgaste físico con el tiempo.

A medida que los potenciómetros se desgastan, su salida proporcional frente a la posición del eje se vuelve cada vez menos segura. Es posible que ya haya experimentado este efecto al ajustar el control de volumen en una radio vieja:al girar la perilla, es posible que escuche sonidos de "arañazos" que salen de los altavoces.

Esos ruidos son el resultado de un mal contacto del limpiaparabrisas en el potenciómetro de control de volumen.

Además, este contacto físico entre el limpiaparabrisas y la tira crea la posibilidad de que se formen arcos (chispas) entre los dos cuando se mueve el limpiaparabrisas.

Con la mayoría de los circuitos de potenciómetros, la corriente es tan baja que el arco del limpiaparabrisas es insignificante, pero es una posibilidad a considerar.

Si el potenciómetro se va a operar en un ambiente donde hay vapor o polvo combustible, este potencial de formación de arco se traduce en un potencial de explosión.

Uso de LVDT

Usando CA en lugar de CC, podemos evitar completamente el contacto deslizante entre las partes si usamos un transformador variable en lugar de un potenciómetro.

Los dispositivos fabricados para este propósito se denominan LVDT, que significa L inear V ariable D T diferenciales transformadores. El diseño de un LVDT se ve así:

La salida de CA del transformador diferencial de variable lineal (LVDT) indica la posición del núcleo.

Obviamente, este dispositivo es un transformador :tiene un solo devanado primario alimentado por una fuente externa de voltaje CA y dos devanados secundarios conectados en serie.

Es variable porque el núcleo puede moverse libremente entre los devanados. Es diferencial debido a la forma en que están conectados los dos devanados secundarios. Estar dispuestos para oponerse entre sí (180 ° fuera de fase) significa que la salida de este dispositivo será la diferencia entre la salida de voltaje de los dos devanados secundarios.

Cuando el núcleo está centrado y ambos devanados emiten el mismo voltaje, el resultado neto en los terminales de salida será cero voltios. Se llama lineal porque la libertad de movimiento del núcleo es en línea recta.

La salida de voltaje de CA por un LVDT indica la posición del núcleo móvil. Cero voltios significa que el núcleo está centrado.

Cuanto más lejos esté el núcleo de la posición central, mayor porcentaje de voltaje de entrada ("excitación") se verá en la salida. La fase de la tensión de salida relativa a la tensión de excitación indica en qué dirección desde el centro está desplazada el núcleo.

La principal ventaja de un LVDT sobre un potenciómetro para la detección de posición es la ausencia de contacto físico entre las partes móviles y estacionarias.

El núcleo no entra en contacto con los devanados del cable, sino que se desliza hacia adentro y hacia afuera dentro de un tubo no conductor. Por lo tanto, el LVDT no se "desgasta" como un potenciómetro, ni existe la posibilidad de crear un arco.

La excitación del LVDT es típicamente de 10 voltios RMS o menos, en frecuencias que van desde la línea eléctrica hasta el rango de audio alto (20 kHz). Una posible desventaja del LVDT es su tiempo de respuesta, que depende principalmente de la frecuencia de la fuente de voltaje de CA.

Si se desean tiempos de respuesta muy rápidos, la frecuencia debe ser más alta para permitir que los circuitos sensores de voltaje tengan suficientes ciclos de CA para determinar el nivel de voltaje a medida que se mueve el núcleo.

Para ilustrar el problema potencial aquí, imagine este escenario exagerado:un LVDT alimentado por una fuente de voltaje de 60 Hz, con el núcleo moviéndose hacia adentro y hacia afuera cientos de veces por segundo.

La salida de este LVDT ni siquiera se vería como una onda sinusoidal porque el núcleo se movería en todo su rango de movimiento antes de que el voltaje de la fuente de CA pudiera completar un solo ciclo. Sería casi imposible determinar la posición instantánea del núcleo si se mueve más rápido que el voltaje de la fuente instantánea.

Uso de RVDT

Una variación del LVDT es el RVDT o R otary V ariable D T diferenciales transformador. Este dispositivo funciona casi con el mismo principio, excepto que el núcleo gira sobre un eje en lugar de moverse en línea recta. Los RVDT solo se pueden construir para una porción de movimiento de 360 ​​° (círculo completo).

Uso de Synchro o Selsyn

Siguiendo con este principio, tenemos lo que se conoce como un Synchro o Selsyn , que es un dispositivo construido de manera muy similar a un motor o generador de CA polifásico de rotor bobinado.

El rotor puede girar libremente 360 ​​°, como un motor. En el rotor hay un solo devanado conectado a una fuente de voltaje CA, muy parecido al devanado primario de un LVDT. Los devanados del estator suelen tener forma de Y trifásica, aunque se han construido sincronizadores con más de tres fases. (Figura siguiente)

Un dispositivo con un estator de dos fases se conoce como resolver . Un resolver produce salidas de seno y coseno que indican la posición del eje.

Un sincronizador se enrolla con un devanado de estator trifásico y un campo giratorio. Un resolver tiene un estator de dos fases.

Los voltajes inducidos en los devanados del estator a partir de la excitación de CA del rotor no desfasado 120 ° como en un generador trifásico real. Si el rotor estuviera energizado con corriente continua en lugar de con corriente alterna y el eje girara continuamente, entonces los voltajes serían trifásicos verdaderos.

Pero no es así como está diseñado para funcionar un sincronizador. Más bien, esta es una detección de posición dispositivo muy parecido a un RVDT, excepto que su señal de salida es mucho más definida. Con el rotor energizado por CA, los voltajes del devanado del estator serán proporcionales en magnitud a la posición angular del rotor, con la fase desplazada 0 ° o 180 °, como un LVDT o RVDT normal.

Podría pensar en él como un transformador con un devanado primario y tres devanados secundarios, cada devanado secundario orientado en un ángulo único.

A medida que el rotor se gira lentamente, cada devanado a su vez se alineará directamente con el rotor, produciendo voltaje total, mientras que los otros devanados producirán algo menos que el voltaje total.

Los sincronizadores se utilizan a menudo en pares. Con sus rotores conectados en paralelo y energizados por la misma fuente de voltaje de CA, sus ejes coincidirán con la posición con un alto grado de precisión:

Los ejes de sincronización están conectados entre sí. Girar uno mueve al otro.

Estos pares de "transmisor / receptor" se han utilizado en barcos para retransmitir la posición del timón o para retransmitir la posición del giróscopo de navegación a distancias bastante largas.

La única diferencia entre el "transmisor" y el "receptor" es que uno se vuelve por una fuerza exterior. El "receptor" puede usarse tan fácilmente como el "transmisor" forzando su eje a girar y dejando que el sincronizador en la posición izquierda coincida.

Si el rotor del receptor se deja sin energía, actuará como un detector de error de posición, generando un voltaje de CA en el rotor si el eje está en cualquier otro lugar que no sea 90o o 270o desplazado de la posición del eje del transmisor.

El rotor del receptor ya no generará ningún par y, en consecuencia, ya no coincidirá automáticamente con la posición del transmisor:

El voltímetro de CA registra voltaje si el rotor del receptor no se gira exactamente 90 o 270 grados desde el rotor del transmisor.

Se puede pensar en esto casi como una especie de circuito puente que logra el equilibrio solo si el eje del receptor se lleva a una de las dos posiciones (coincidentes) con el eje del transmisor.

Una aplicación bastante ingeniosa del sincronizador es la creación de un dispositivo de cambio de fase, siempre que el estator esté energizado por CA trifásica:

La rotación completa del rotor cambiará suavemente la fase de 0 ° hasta 360 ° (de regreso a 0 °).

A medida que se gira el rotor del sincronizador, la bobina del rotor se alineará progresivamente con cada bobina del estator, y sus respectivos campos magnéticos se desplazarán 120 ° entre sí.

Entre esas posiciones, estos campos de cambio de fase se mezclarán para producir un voltaje de rotor en algún lugar entre 0 °, 120 ° o 240 ° de cambio. El resultado práctico es un dispositivo capaz de proporcionar un voltaje de CA de fase infinitamente variable con solo girar una perilla (unida al eje del rotor).

Un sincronizador o un resolutor pueden medir el movimiento lineal si están equipados con un mecanismo de piñón y cremallera.

Un movimiento lineal de unas pocas pulgadas (o cm) que da como resultado múltiples revoluciones del sincronizador (resolver) genera un tren de ondas sinusoidales. Un Inductosyn ® es una versión lineal del resolver. Emite señales como un resolutor; sin embargo, tiene un ligero parecido.

El Inductosyn consta de dos partes:un devanado serpentino fijo que tiene un paso de 0,1 pulg. O 2 mm, y un devanado móvil conocido como deslizador . (Figura siguiente)

El deslizador tiene un par de devanados que tienen el mismo paso que el devanado fijo. Los devanados del control deslizante están compensados ​​por un cuarto de paso, por lo que las ondas seno y coseno se producen por el movimiento.

Un devanado deslizante es adecuado para contar pulsos, pero no proporciona información de dirección.

Los devanados de 2 fases proporcionan información de dirección en la fase de las ondas seno y coseno. El movimiento de un tono produce un ciclo de ondas seno y coseno; varios tonos producen un tren de ondas.

Inductosyn:(a) devanado serpentino fijo, (b) deslizador móvil devanados de 2 fases. Adaptado de la Figura 6.16 [WAK]

Cuando decimos que las ondas de seno y coseno se producen como una función del movimiento lineal, realmente queremos decir que una portadora de alta frecuencia se modula en amplitud a medida que se mueve el control deslizante.

Las dos señales de CA del deslizador deben medirse para determinar la posición dentro de un tono, la posición fina. ¿Cuántos lanzamientos se ha movido el control deslizante? La relación de las señales de seno y coseno no revela eso. Sin embargo, el número de tonos (número de ondas) se puede contar desde un punto de partida conocido que produce una posición aproximada.

Este es un codificador incremental . Si debe conocerse la posición absoluta independientemente del punto de partida, un resolver auxiliar con una revolución por longitud da una posición aproximada. Esto constituye un codificador absoluto .

Un Inductosyn lineal tiene una relación de transformación de 100:1. Compare esto con la relación 1:1 para un resolutor. Una excitación de unos pocos voltios CA en un Inductosyn produce unos pocos milivoltios.

Este bajo nivel de señal se convierte a un formato digital de 12 bits mediante un convertidor de resolución a digital (RDC) . Se puede lograr una resolución de 25 micropulgadas.

También hay una versión rotativa del Inductosyn que tiene 360 ​​pasos de patrón por revolución. Cuando se utiliza con un convertidor de resolución a digital de 12 bits, se puede lograr una resolución de 1 segundo de arco. Este es un codificador incremental.

Es necesario contar los pasos desde un punto de partida conocido para determinar la posición absoluta. Alternativamente, un resolutor puede determinar la posición absoluta aproximada.

Transductores capacitivos

Hasta ahora, los transductores discutidos han sido todos de la variedad inductiva. Sin embargo, es posible fabricar transductores que también operen con capacitancia variable, utilizándose CA para detectar el cambio en la capacitancia y generar un voltaje de salida variable.

Recuerde que la capacitancia entre dos superficies conductoras varía con tres factores principales:el área de superposición de esas dos superficies, la distancia entre ellas y la constante dieléctrica del material entre las superficies.

Si dos de cada tres de estas variables se pueden fijar (estabilizar) y se permite que la tercera varíe, entonces cualquier medida de capacitancia entre las superficies será indicativa únicamente de cambios en esa tercera variable.

Los investigadores médicos han utilizado durante mucho tiempo la detección capacitiva para detectar cambios fisiológicos en los cuerpos vivos.

Ya en 1907, un investigador alemán llamado H. Cremer colocó dos placas de metal a cada lado del corazón de una rana que latía y midió los cambios de capacitancia que resultan de que el corazón se llena y se vacía de sangre alternativamente.

Se han realizado mediciones similares en seres humanos con placas de metal colocadas en el pecho y la espalda, registrando la acción respiratoria y cardíaca mediante cambios de capacitancia.

Para mediciones capacitivas más precisas de la actividad de los órganos, se han insertado sondas de metal en los órganos (especialmente el corazón) en las puntas de los tubos del catéter, midiendo la capacitancia entre la sonda de metal y el cuerpo del sujeto.

Con una frecuencia de excitación de CA suficientemente alta y un detector de voltaje lo suficientemente sensible, no solo la acción de bombeo sino también los sonidos del corazón activo se puede interpretar fácilmente.

Al igual que los transductores inductivos, los transductores capacitivos también pueden fabricarse para ser unidades autónomas, a diferencia de los ejemplos fisiológicos directos descritos anteriormente.

Algunos transductores funcionan haciendo que una de las placas del condensador sea móvil, ya sea de tal manera que varíe el área de superposición o la distancia entre las placas. Otros transductores funcionan moviendo un material dieléctrico hacia adentro y hacia afuera entre dos placas fijas:

El transductor capacitivo variable varía; (a) área de superposición, (b) distancia entre placas, (c) cantidad de dieléctrico entre placas.

Se pueden obtener transductores con mayor sensibilidad e inmunidad a cambios en otras variables mediante diseño diferencial, muy similar al concepto detrás del LVDT (Variable lineal Diferencial Transformador). Aquí hay algunos ejemplos de transductores capacitivos diferenciales:

El transductor capacitivo diferencial varía la relación de capacitancia cambiando:(a) área de superposición, (b) distancia entre placas, (c) dieléctrico entre placas.

Como puede ver, todos los dispositivos diferenciales que se muestran en la ilustración anterior tienen tres conexiones de cables en lugar de dos:un cable para cada una de las placas "finales" y otro para la placa "común".

A medida que cambia la capacitancia entre una de las placas del "extremo" y la placa "común", la capacitancia entre la otra placa del "extremo" y la placa "común" cambia en la dirección opuesta. Este tipo de transductor se presta muy bien a la implementación en un circuito puente:

Puente de transductor capacitivo diferencial

Circuito de medición de puente de transductor capacitivo diferencial.

Los transductores capacitivos proporcionan capacitancias relativamente pequeñas para que opere un circuito de medición, generalmente en el pico rango de faradios. Debido a esto, generalmente se requieren altas frecuencias de suministro de energía (¡en el rango de megahercios!) Para reducir estas reactancias capacitivas a niveles razonables.

Dadas las pequeñas capacitancias proporcionadas por los transductores capacitivos típicos, las capacitancias parásitas tienen el potencial de ser fuentes importantes de error de medición. Un buen blindaje de los conductores es esencial ¡para un circuito de transductor capacitivo confiable y preciso!

El circuito puente no es la única forma de interpretar eficazmente la salida de capacitancia diferencial de dicho transductor, pero es una de las más sencillas de implementar y comprender. Al igual que con el LVDT, la salida de voltaje del puente es proporcional al desplazamiento de la acción del transductor desde su posición central, y la dirección del desplazamiento se indicará mediante el cambio de fase.

Este tipo de circuito puente es similar en función al tipo que se usa con galgas extensométricas:no está diseñado para estar en una condición "equilibrada" todo el tiempo, sino que el grado de desequilibrio representa la magnitud de la cantidad que se mide.

Transductor capacitivo diferencial "Twin-T"

Una alternativa interesante al circuito de puente para interpretar la capacitancia diferencial es el twin-T . Requiere el uso de diodos, esas "válvulas unidireccionales" para la corriente eléctrica mencionadas anteriormente en el capítulo:

Circuito de medición del transductor capacitivo diferencial "Twin-T".

Este circuito podría entenderse mejor si se vuelve a dibujar para que se parezca más a una configuración de puente:

Circuito de medición "Twin-T" del transductor de condensador diferencial rediseñado como un puente. La salida se realiza a través de la _carga R .

Condensador C ₁ es cargado por la fuente de voltaje de CA durante cada semiciclo positivo (positivo según se mide en referencia al punto de tierra), mientras que C ₂ se carga durante cada semiciclo negativo.

Mientras se carga un capacitor, el otro capacitor se descarga (a un ritmo más lento de lo que se cargó) a través de la red de tres resistencias. Como consecuencia, C ₁ mantiene un voltaje CC positivo con respecto a tierra, y C ₂ un voltaje de CC negativo con respecto a tierra.

Si el transductor capacitivo se desplaza de la posición central, un capacitor aumentará en capacitancia mientras que el otro disminuirá. Esto tiene poco efecto en la carga de voltaje pico de cada capacitor, ya que hay una resistencia insignificante en la ruta de la corriente de carga desde la fuente al capacitor, lo que resulta en una constante de tiempo muy corta (τ).

Sin embargo, cuando llega el momento de descargar a través de las resistencias, el capacitor con el mayor valor de capacitancia mantendrá su carga por más tiempo, lo que resultará en un mayor voltaje de CC promedio a lo largo del tiempo que el capacitor de menor valor.

La resistencia de carga (R _load ), conectado en un extremo al punto entre las dos resistencias de igual valor (R) y en el otro extremo a tierra, no caerá voltaje de CC si las cargas de voltaje de CC de los dos capacitores son iguales en magnitud.

Si, por otro lado, un capacitor mantiene una carga de voltaje de CC mayor que el otro debido a una diferencia en la capacitancia, la resistencia de carga caerá un voltaje proporcional a la diferencia entre estos voltajes.

Por lo tanto, la capacitancia diferencial se traduce en un voltaje de CC a través de la resistencia de carga.

A través de la resistencia de carga, hay voltaje de CA y CC presente, y solo el voltaje de CC es significativo para la diferencia de capacitancia. Si lo desea, se puede agregar un filtro de paso bajo a la salida de este circuito para bloquear la CA, dejando solo una señal de CC para ser interpretada por los circuitos de medición:

La adición de un filtro de paso bajo a "twin-T" alimenta DC puro al indicador de medición.

Como circuito de medición para sensores capacitivos diferenciales, la configuración twin-T disfruta de muchas ventajas sobre la configuración de puente estándar.

En primer lugar, el desplazamiento del transductor se indica mediante un voltaje de CC simple, no un voltaje de CA cuya magnitud y La fase debe interpretarse para decir qué capacitancia es mayor.

Además, dados los valores adecuados de los componentes y la salida de la fuente de alimentación, esta señal de salida de CC puede ser lo suficientemente fuerte como para impulsar directamente el movimiento de un medidor electromecánico, eliminando la necesidad de un circuito amplificador.

Otra ventaja importante es que todos los elementos importantes del circuito tienen un terminal conectado directamente a tierra:la fuente, la resistencia de carga y ambos capacitores están referenciados a tierra.

Esto ayuda a minimizar los efectos nocivos de la capacitancia parásita que comúnmente afecta a los circuitos de medición de puentes, eliminando también la necesidad de medidas compensatorias como la tierra de Wagner.

También es fácil especificar piezas para este circuito. Normalmente, un circuito de medición que incorpora diodos complementarios requiere la selección de diodos "emparejados" para una buena precisión. ¡No es así con este circuito!

Siempre que el voltaje de la fuente de alimentación sea significativamente mayor que la desviación en la caída de voltaje entre los dos diodos, los efectos del desajuste son mínimos y contribuyen poco al error de medición.

Además, las variaciones de la frecuencia de suministro tienen un impacto relativamente bajo en la ganancia (cuánto voltaje de salida se desarrolla para una cantidad determinada de desplazamiento del transductor), y el voltaje de suministro de onda cuadrada funciona tan bien como la onda sinusoidal, asumiendo un ciclo de trabajo del 50% (igual semiciclos positivos y negativos), por supuesto.