ساختار داخلی مبدل های اندازه گیری گشتاور

شکل 3 پیکربندی یک پل اندازه گیری استرین گیجی را به همراه اجزای جبران کننده و انتقال سیگنال اندازه گیری از طریق حلقه های لغزش نشان می دهد. اگرچه چهار حلقه لغزش در واقع برای انتقال سیگنال کافی است، اما شفت‌های گشتاور معمولا با یک حلقه لغزش اضافی برای برابر کردن پتانسیل بین روتور و استاتور بهره می برند. یکسان سازی کامل معمولا از طریق یاتاقان ها تضمین نمی شود. بدون این یکسان سازی پتانسیل تداخل سیگنال قابل توجهی می تواند ناشی از تفاوت در پتانسیل های رتور و استاتور ایجاد شود.

2-2 انتقال انرژی و دریافت سیگنال اندازه گیری بدون تماس:

ساختار داخلی این مبدل ها در دو نوع زیر می باشد:

1- استفاده از سیگنال AC برای تغذیه مدارات داخلی، و مسیرهای جداگانه برای ارسال سیگنال تغذیه و دریافت سیگنال اندازه گیری شده

2- استفاده از سیگنال DC برای تغذیه مدارات داخلی و مسیرهای مشترک برای ارسال توان الکتریکی و دریافت سیگنال های اندازه گیری شده

وقتی یک مبدل گشتاور از طریق ولتاژ AC تغذیه می شود، بستگی به تقویت کننده مورد استفاده در آن، یک سیگنال با فرکانس 15 الی 25 کیلوهرتز از استاتور به رتور مبدل انتقال داده می شود(شکل 4).

یکسوسازها و مدارات پایدار کننده در روی رتور، این سیگنال را دریافت کرده و آن را به یک ولتاژ DC پایدار جهت تغذیه استرین گیج ها، تبدیل می کنند. ولتاژ خروجی مدار پل که متناسب با مقدار گشتاور اندازه گیری شده می باشد، به ورودی مدار مبدل ولتاژ به فرکانس داده می شود. این بلوک قطاری از پالس ها را با فرکانس مشخص تولید می کند. فرکانس این پالس ها با ولتاژ خروجی پل متناسب هستند. این قطار پالس بعد از تقویت در مدار پیش تقویت کننده، به استاتور مبدل ارسال می شوند.

شکل 5 نوع دیگری از این مبدل ها را نشان می دهد که نسبت به حالت قبل ساختار فشرده تری دارند.

در این نوع مبدل ها، سیگنال AC توسط ترانسفورمر A به بخش آنتن مدار یعنی B منتقل می شود. وظیفه ترانسفورمر عمل تطبیق ولتاژ و امپدانس بین دو تطبقه می باشد. سپس این سیگنال از طریق آنتن به بخش C که یک سیم پیچ روی رتور می باشد، القا می شود. سیگنال دریافتی توسط بلوک C به بلوک D که وظیفه یکسوسازی و پایدارسازی سیگنال را برعهده دارد، داده می شود. بلوک D ولتاژ DC لازم جهت تغذیه پل وتستون را در اختیار بلوک E قرار می دهد. بلوک F سیگنال اندازه گیری شده خروجی، توسط بلوک E را به فرکانس متناظر آن تبدیل می کند. سپس این سیگنال در بلوک G مدوله شده و توسط بلوک H که یک سیم پیچ روی رتور است، دوباره به بخش آنتن B روی استاتور ارسال می شود. سیگنال دریافتی در سمت استاتور از پیش تقویت کننده J عبور کرده و وارد یک فیلتر میانگذر باند باریک می شود. وظیفه این فیلتر جداسازی سیگنال های اندازه گیری شده از بقیه سیگنال ها مانند سیگنال های ورودی و نویز می باشد. و درنهایت خروجی فیلتر توسط بلوک دمدولاتور L آشکارسازی شده و سیگنال خروجی به صورت یک شکل موج مربعی در اختیار سیستم اندازه گیری قرار می گیرد. اگر به جای سیگنال AC از سیگنال DC استفاده شود، منبع تغذیه سوئیچینگ M ابتدا آن را به ولتاژ مربعی تبدیل کرده و در اختیار بلوک های دیگر قرار می دهد.

3 - تجهیزات اندازه گیری سرعت و زاویه چرخش در مبدل های گشتاور:

بسته به مبدل گشتاور مربوطه، سرعت و زاویه چرخش توسط یک سیستم مغناطیسی یا نوری اندازه گیری می شود. هنگامی که روتور می چرخد، پالس های ولتاژ با توجه به تعداد دندانه ها یا شکاف ها در هر دور تولید می شود و فرکانس این پالس ها متناسب با سرعت چرخش است.

آشکارسازهای پیک سیگنال یا دیودهای آشکارساز طوری قرار می گیرند که سیگنال خروجی آنها 90 درجه ازهم اختلاف فاز داشته باشند.

این تغییر فاز اطلاعاتی را در مورد جهتی که مبدل در آن می چرخد، ارائه می دهد. یک پیش تقویت کننده، قطارهای پالس را به ولتاژهای موج مربعی خالص تبدیل می کند. توجه به این نکته حائز اهمیت است که آیا این سیستم ها می توانند سرعت و زاویه چرخش را بدون محدودیت بدست آورند یا خیر. معیار مهم در این شرایط حداقل سرعت چرخش برای دستیابی به پایداری پالس در خروجی است. اگر حداقل سرعت چرخش صفر باشد، می توان از سیستم بدون محدودیت برای اندازه گیری زاویه و سرعت چرخش استفاده کرد. اگر حداقل سرعت چرخش بیشتر از صفر باشد، سیستم برای اندازه گیری سرعت چرخش مناسب است، اما مناسب بودن آن برای اندازه گیری زاویه چرخش باید مورد بررسی قرار گیرد.

3-1 روش مغناطیسی برای اندازه گیری سرعت:

اندازه گیری سرعت چرخش مغناطیسی، به سیستم های دارای حسگر اثر هال و سیستم های القایی مربوط می شود. در سیستم های القایی، روتور دارای یک حلقه دندانه دار است که در مقابل آن سرهای پیکاپ القایی در استاتور وجود دارد (شکل 6 را ببینید). سرهای پیکاپ القایی به تغییرات تاثیرات فلزی واکنش نشان می دهند. سیستم های دارای حسگر هال به تغییرات میدان مغناطیسی واکنش نشان می دهند. بنابراین بخش دوار، بسته به وضوح مورد نیاز، یک یا چند آهنربا را حمل می کند. از آنجایی که هر دو

سیستم برای دستیابی به پایداری پالس کافی به حداقل سرعت چرخش نیاز دارند، مناسب بودن آنها برای اندازه‌گیری زاویه چرخش محدود است.

3-2 اندازه گیری سرعت چرخش و زاویه چرخش توسط تجهیزات نوری:

شکل 7 ساختار سیستم های نوری جهت اندازه گیری زاویه و سرعت چرخش را نشان می دهد.

روش نور عبوری به طور معمول درجه بالایی از قابلیت اطمینان را نشان می دهد و بنابراین ما فقط از این نوع روش اندازه گیری برای مبدل های گشتاور خودمان استفاده می کنیم. با توجه به شرایط مرزی مورد نیاز، فقط از دیسک های فلزی شکاف دار استفاده می شود. تعداد شکاف های مکانیکی در هر دور، بسته به اندازه و نوع نصب متفاوت می باشد.

در شرایط خاص، فلنج‌های گشتاوری که بدون یاتاقان ساخته می‌شوند می‌توانند سیگنال‌های سرعت چرخش دوره‌ای را حتی زمانی که در حالت سکون هستند از خود نشان دهند. این اثر به دلیل ارتعاش شعاعی روتور است که باعث می شود موقعیت دیسک شکافدار نسبت به سنسور نوری تغییر کند.

در مورد شفت های گشتاور با یاتاقان ها، حداقل سرعت چرخش برای پایداری پالس کافی صفر است، به این معنی که می توان از آنها بدون محدودیت برای اندازه گیری زاویه و سرعت چرخش استفاده کرد.

3-3 پالس مرجع:

فلنج های گشتاور نسل جدید نه تنها دارای یک سیستم اندازه گیری سرعت چرخش هستند بلکه یک پالس مرجع نیز دارند. این توسط یک آهنربا در دیسک شکافدار و یک حسگر مغناطیسی مقاومتی ایجاد می شود که در هر دور کامل روتور یک پالس ایجاد می کند. این پالس مرجع با سیگنال خروجی سرعت چرخشی در کانال 1 هماهنگ می شود. شکل 8 موقعیت الکتریکی پالس مرجع را نشان می دهد.

4 – انواع سیگنال های خروجی در مبدل های گشتاور:

4-1 سیگنال های گشتاور mV⁄V :

مبدل هایی که سیگنال خروجی اندازه گیری شده آنها توسط حلقه های لغزنده منتقل می شوند، کاملا پسیو می باشند. خروجی این مبدل ها بر حسب نسبت سیگنال خروجی به ورودی mV⁄V تعریف می شود. این مبدل ها برای ایجاد سیگنال های اندازه گیری شده خروجی، نیاز به ولتاژ تغذیه ورودی دارند. ولتاژ خروجی آنها خیلی کوچک و در حد چند میلی ولت می باشد. به عنوان مثال در یک مبدل با حساسیت 2mV⁄V و با ولتاژ ورودی 5 ولت، حداکثر ولتاژ خروجی در حد 10 میلی ولت می باشد.

این ولتاژ در یک تقویت کننده پایین دستی تقویت می شود، سپس ارزیابی شده و به سیگنال خروجی مناسب تبدیل می شود. برای این منظور از تقویت کننده های DC و یا AC به همراه فرکانس حامل استفاده می شود. نمی توان اظهار نظر واضحی در مورد نوع تقویت کننده مورد استفاده، کرد زیرا هر دو روش دارای مزایا و معایب مربوط به خود هستند.

تقویت کننده های AC دارای فرکانس حامل بیشتر برای استفاده ترجیح داده می شوند. زیرا در این نوع تقویت کننده ها، هر گونه تداخل قوس برس روی حلقه های لغزنده تأثیری در سیگنال خروجی ندارد زیرا این سیگنال ها خارج از محدوده فرکانس حامل هستند، و ولتاژهای القایی حرارتی تأثیری بر سیگنال اندازه گیری ندارند.

4-2 سیگنال های گشتاور فرکانسی:

در مبدل های گشتاور بدون تماس، فرکانس سیگنال خروجی گشتاور استاندارد معمولا 10KH±5KH می باشد.

سیگنال های فرکانس خروجی، بسته به ساختار الکترونیکی استاتور،یا به صورت متقارن (سیگنال های مکمل RS422) و یا نامتقارن (12 ولت) هستند. سیگنال های مکمل RS422 به یک ورودی دیفرانسیل در سمت پردازش نیاز دارند. شکل 9 سیگنال خروجی متقارن از یک مبدل را نشان می دهد و شکل 10 یک نوع سیم کشی پیشنهادی برای بخش الکترونیک مدار را نشان می دهد.

گیرنده های دیفرانسیلی توصیه شده LTC485، MAX485، MAX487 یا IL485 هستند. در حالی که مقاومت پایان خط Z0 کاملا ضروری نیست، اما زمانی که طول کابل قابل توجه باشد، استفاده از آن توصیه می شود، تا از بازتاب انتهای خط به دلیل عدم تطابق جلوگیری شود.

سیگنال های نامتقارن نسبت به زمین اندازه گیری می شوند. یک شکل موج مربوطه در شکل 11 نشان داده شده است. تاثیر طول کابل بر شکل سیگنال به وضوح قابل مشاهده است.

4-3 خروجی گشتاور ‎±10V آنالوگ:

برخی از مبدل های گشتاور با منبع ولتاژ DC نه تنها دارای خروجی فرکانس هستند، بلکه به صورت اختیاری استاتورهای آنها می توانند خروجی آنالوگ ‎±10V ولت برای گشتاور داشته باشند. نوع دیگری از مبدل ها فقط خروجی آنالوگ ‎±10V ولتی برای سیگنال گشتاور دارند. خروجی آنالوگ ‎±10V ولت امکان توسعه برنامه های کاربردی مستقل بسیار مقرون به صرفه‌ای را فراهم می کند، زیرا نیازی به تقویت کننده اندازه گیری اضافی نیست.

4-4 سیگنال خروجی فرکانسی برای سرعت و زاویه چرخش:

سیگنال های فرکانس خروجی یا سیگنال های مکمل RS422، سطح TTL یا سایر سیگنال های نامتقارن 5 تا 25 ولت هستند. معمولا دو کانال موجود است که با هم اختلاف فاز 90 درجه‌ای دارند. این کانال ها در حین اندازه گیری سرعت چرخش، به منظور تشخیص جهت چرخش استفاده می شوند. بسته به اینکه کدام کانال از نظر فازی نسبت به کانال دیگر دارای تاخیر 90 درجه‌ای است، می توان جهت چرخش مثبت و منفی را تشخیص داد.