مبدل ولتاژ به جریان

مترجم رضاکیانی موحد

در صنعت (و همچنین وسایل نقلیه چون قطار و کشتی و...) اندازه گیری صحیح شرایط فیزیکی دستگاه ها و فرآیندها مهمترین دلمشغولی مهندسین کنترل و ابزار دقیق می باشد. کمیت های فیزیکی مانند درجه حرارت، فشار، وزن، جابجایی و غیره باید توسط دستگاه هایی اندازه گیری شده و مقادیر متناسبی از جریان یا ولتاژ را به دستگاه های نشان دهنده یا کنترل کننده انتقال بدهند. در بیشتر تجهیزات اندازه گیری و ابزار دقیق برای انتقال مقدار کمیت اندازه گیری شده از سیگنالهای جریانی استفاده می شود چرا که در یک مدار بسته مقدار جریان از دستگاه اندازه گیری (تولید کننده ی جریان) تا دستگاه نشان دهنده یا کنترلی (مصرف کننده ی جریان) مقداری ثابت است. اما سیگنالهای ولتاژ بسته به فاصله ی دستگاه اندازه گیری تا دستگاه نشان دهنده (یا کنترل کننده) دچار افت ولتاژ می شوند و همین امر سبب کاهش دقت اندازه گیری کمیت مورد نظر می شود. از سوی دیگر امکان تأثیرپذیری ولتاژ از منابع نویز در محیط های صنعتی زیاد بوده و به همین دلیل برای جلوگیری از نویز ناچار به شیلدکردن سیمهای رابط هستیم که این امر هزینه ی زیادی را بر پروژه تحمیل می کند.

اما مشکلی که وجود دارد این است که اغلب دستگاه های اندازه گیری کمیتهای فیزیکی را به صورت ولتاژ اندازه گیری می کنند. مثلا یک ترموکوپل در خروجی خود ولتاژی متناظر با حرارت ایجاد می کند. از همین رو برای انتقال سیگنال به صورت جریان ناچاریم که ولتاژ ظاهرشده در خروجی دستگاه اندازه گیری را به جریانی متناظر با ولتاژ تبدیل کنیم. در صنعت دستگاه هایی که این تبدیل را انجام می دهند عموما به صورت یکپارچه با خود دستگاه اندازه گیری ساخته می شوند و ترانسدیوسر نام دارند. ساده ترین ترانسدیوسری که می توان ساخت یک تقویت کننده ی عملیاتی با فیدبک منفی به عنوان منبع جریان می باشد.

در شکل بالا فرض می کنیم که ورودی ولتاژ به تقویت کننده ی عملیاتی در حقیقت از کمیت فیزیکی مورد اندازه گیری (حرارت، فشار، جابجایی وغیره) ناشی شده است به گونه ای که ولتاژ 1 ولت متناظر با صفر درصد کمیت مورد نظر و ولتاژ 5 ولت برابر با 100 درصد آن کمیت باشد. سیگنال استاندارد جریانی که تولید می شود بین 4 تا 20 میلی آمپر متغیر است که متناظر با 0 تا 100 درصد تغییرات کمیت فیزیکی اندازه گیری شده می باشد. مقدار مقاومت داخلی دستگاه اندازه گیری (یا کنترل کننده) R_load یا مقاومت سیمهای رابط نقشی در میزان جریان تولید شده ندارند.

منبع

ترانسفورماتور گردنده متغیر تفاضلی یاRVDT

ترانسفورماتور گردنده متغیر تفاضلی[1] گونه ای از ترانسفورماتورهای الکتریکی است که برای اندازه گیری جابجایی های زاویه ای بکار می رود. به صورت دقیق تر یک RVDT عبارت است از یک ترانسدیوسر الکترومکانیکی که یک خروجی متناوب ایجاد می کند. ولتاژ خروجی به صورت خطی با زوایه جابجایی محور ورودی متناسب است. هنگامی که RVDT با استفاده از یک منبع ثابت متناوب تغذیه شود سیگنال خروجی در حدود یک بازه مشخص با زاویه جابجایی محور نسبت خطی دارد.

RVDT از یک ماشین الکتریکی بدون ذغال و بدون اتصال استفاده می کند تا عمر طولانی تر و قابلیت اعتماد بیشتری داشته باشد و قادر به موقعیت یابی تکرارپذیر باشد. این قابلیت اعتماد و تکرارپذیری، موقعیت یابی دقیق تحت شرایط کاری سخت را تضمین می کند.

بیشتر RVDT ها از سیم پیچ ها، استاتور ورقه ورقه و روتور دو قطبی قطب برجسته تشکیل می شوند. استاتور دارای چهار شکاف می باشد و دو سیم پیچ اولیه و دو سیم پیچ ثانویه را در خود جای می دهد. در بعضی موارد سیم پیچ های ثانویه را به هم متصل می کنند. 

  

عملکرد RVDT

ولتاژهای القا شده در سیم پیچ های ثانویه -یعنی V1 و V2- نسبت به زوایه مکانیکی روتور دارای اختلافی خطی هستند. پس θ : 

G همان گین یا حساسیت است. V2 را می توان به دست آورد: 

تفاضل بین V1 و V2 ولتاژ متناسب را به دست می دهد: 

و مجموع ولتاژها مقداری ثابت است: 

این مقدار ثابت -در زمان اندازه گیری زاویه- به RVDT پایداری زیادی می دهد چرا که این مقدار از ولتاژ ورودی، فرکانس یا حرارت مستقل است و قادر است تا خطاها را آشکار سازد.

استفاده از معادلات ریاضی بالا در یک قالب تئوری سبب می شود تا کارکرد RVDT را بتوان به صورت زیر توضیح داد:

ساختار و عملکرد اساسی یک RVDT به وسیله چرخش یک هسته آهنی (روتور) در درون یک استاتور فراهم می شود. محل نصب روتور از فولادضدزنگ ساخته می شود. استاتور شامل سیم پیچهای اولیه (تحریک) و یک جفت سیم پیچ ثانویه (خروجی) است. یک جریان متناوب ثابت به سیم پیچ اولیه اعمال می شود که این جریان به صورت الکترومکانیکی با ثانویه کوپل می شود. این کوپلینگ با زوایه محور ورودی متناسب است. سیم پیچ های ثانویه به گونه ای طراحی شده اند که زمانی که یکی از آنها همفاز با اولیه است سیم پیچ دیگر 180 درجه با اولیه اختلاف فاز داشته باشد. هنگامی که روتور در موقعیتی باشد که شار موجود را به صورت مساوی بین دو سیم پیچ ثانویه تقسیم کند ولتاژ خروجی صفر می شود. این نقطه را نقطه صفر الکتریکی یا E.Z می نامند. هنگامی که محور نسبت به E.Z جابجا می شود ولتاژ خروجی دارای مقدار و زاویه فاز متناسب با جهت چرخش می شود. به دلیل اینکه RVDT اساسا مانند یک ترانسفورماتور عمل می کند ولتاژ اولیه با نسبت تبدیل ثابت به ثانویه منتقل می شود.  

  

از آنجا که بیشتر RVDTها سیگنال رابه عنوان تابعی از یک نسبت تبدیل اندازه گیری می کنند، تغییرات ولتاژ تغذیه تا 7.5 درصد نوعا بر روی دقت آن تأثیر نمی گذارد و نیاز به یک ولتاژ رگولاتر دقیق ندارند. برای داشتن دقت کافی باید فرکانس ولتاژ ورودی را بین ±1درصد فرکانس اصلی کنترل کرد.

اگرچه RVDT به صورت نظری می تواند بین زوایه ±45° عمل کند اما فراتر از ±35° از دقت آن به سرعت کاسته میشود. بنابر این آن را بیشتر در زوایای ±30° بکار و حداکثر ±40°می برند. نمونه های دقیقتری هم ساخته شده اند که می توانند تا زوایه ±60° به درستی عمل کنند.

مزایای RVDT عبارتند از:

·        حساسیت کم نسبت به حرارت، ولتاژ اولیه و تغییرات فرکانس

·        استحکام

·        قیمت کم

·        نیاز به تجهیزات کنترلی اندک

·        اندازه کوچک 

 

انواع RVDT

یک RVDT را می تواند با دو ورقه هم ساخت که اولی شامل اولیه و دومی شامل ثانویه باشد. این گونه RVDTها می توانند چرخش بیشتری داشته باشند.

یک نمونه دیگر به نام ترانسفورماتور متغیر چرخان شناخته می شود و تنها دارای یک ثانویه است و یک خروجی دارد: 

مترجم:رضاکیانی موحد 

منبع: اینجا

---

[1] rotary variable differential transformer (RVDT)