Měření polohy pístnic

Jak už bylo uvedeno dříve, každý hydromotor obsahuje uvnitř duté pístnice integrovaný indukč^{ní sníma}č polohy. Jedná se o transformátorový typ, který se bě^žně ^označuje zkratkou LVDT (z anglického Linear Variable Differential Transformer). Snímač pracuje na principu změny vzájemné indukčnosti M mezi primární a sekundárními cívkami. Obdobně ^{jako u} transformátoru je primární cívka (nebo cívky) napájena z generátoru střídavého napě^tí.

Změnu vzájemné indukčnosti M lze měřeným posuvem ovlivnit ně^{kolika zp}ů^{soby, nej}č^astě^jší je otevřený magnetický obvod s posuvným jádrem. Výstupní napětí sekundární cívky je pak úmě^{rné m}ěř^{ené veli}čⁱⁿě. Princip LVDT snímače je znázorněn na obrázku 17.

Obr. 17 Princip LVDT snímače polohy Výstupní napětí na sekundárních vinutích je určeno vztahy

) ( )

(

'₂ jω jωM₁I₁ jω

U = ^(3.1.2-1)

) ( )

( '

' ₂ jω jωM₂I₁ jω

U = ^(3.1.2-2)

Sekundární vinutí jsou zapojena proti sobě, takže výstupní napětí senzoru naprázdno U_v0(jω⁾

Vyloučení tohoto jevu, který zmenšuje rozlišení v okolí počátku musí zajistit vyhodnocovací obvod. Př^{íklad pr}ů^bě^hů jednotlivých veličin LVDT snímače je na obrázku 18.

Obr. 18 Průběhy veličin na LVDT snímači

Pro vyhodnocení signálu z LVDT snímače lze použít ně^{kolik typ}ů ^obvodů. Prvním z nich je synchronní detektor, který vylouč^{í fázov}ě posunuté složky Uv0 vzniklé parazitní kapacitní vazbou. Tento obvod však vyžaduje dobrou stabilizaci amplitudy generátoru, kterým se napájí primární vinutí snímače a trpí i závislostí na eventuelních změnách fáze mezi měř^eným

je nezávislý na kolísání amplitudy primárního napětí. Blokové schéma takového obvodu je na obrázku 19.

Obr. 19 Princip poměrového vyhodnocovacího obvodu pro LVDT snímače

Na principu poměrového obvodu jsou založeny souč^asně ^vyráběné vyhodnocovací obvody.

Jejich př^{íkladem m}ůže být Universal LVDT signal conditioner AD 698 od firmy Analog Devices. Ten kromě ^poměrového detektoru obsahuje i generátor sinusového napětí pro buzení primárního vinutí. Jeho blokové schéma je na obrázku 20.

Obr. 20 Blokové schéma obvodu AD698

S minimem vnějších pasivních součástek, kterými se nastavuje frekvence a amplituda generátoru, hodnoty frekvencí filtrů a zesílení koncového stupně lze tak realizovat celý měř^icí a napájecí obvod jedním integrovaným obvodem. Na hodnotách tě^{chto sou}částek (např^. kapacitách kondenzátorů ^filtrů) závisí i dynamické chování obvodu. To je pro typické hodnoty publikováno přímo v katalogovém listu [10]. Na obrázku 21 je typické zapojení obvodu AD 698 pro LVDT senzor a ukázka jeho frekvenční charakteristiky.

Obr. 21 Typické zapojení a charakteristiky obvodu AD 698

I když jsem s tímto obvodem realizoval vyhodnocovací obvod pro indukč^{ní sníma}če pro jinou aplikaci s velice dobrým výsledkem a funkčností, rozhodl jsem se u plošiny pro jiné ř^ešení.

Důvodem, který mě k tomu vedl, byla potřeba univerzálního vstupního zařízení, kde nebude problém s eventuelním rozšíř^{ením po}čtu vstupních kanálů pro konkrétní měřené aplikace na plošině. Protože vstupní karta disponuje 16ti vstupy, chtěl jsem nadimenzovat vstupní zařízení na stejný poč^{et vstup}ů, ze kterých se zatím využije prvních šest pro měření polohy pístnic a zbytek zůstane v rezervě ^{pro pozd}ější využití. Rozhodl jsem se proto použít prvky ze

sortimentu firmy Dewetron, což je další firma, jejíž komponenty se v laboratoři již používají.

Tato firma se specializuje na přístroje a komponenty pro sběr dat a má proto v sortimentu celou škálu př^edzesilovačů pro všemožné typy snímačů. Mezi nimi pochopitelně nechybí ani modul pro indukč^{ní sníma}če polohy LVDT a budoucnu nebude problém s doplně^{ním modul}ů pro další kanály. Př^edzesilovače jsou vyráběny ve formě kompaktních modulů, které se zasouvají buď ^př^{ímo do m}ěř^{icí úst}ředny nebo do samostatných van. Parametry modulu (zesílení, filtry,…) se nastavují tlač^{ítky na} čelní straně modulu nebo se programují pomocí softwaru dodávaného s modulem sériovou linkou RS232. Nastavené hodnoty zůstanou trvale zapsány v paměti modulu i po vypnutí napájení a pokud se parametry nemě^{ní sta}čí je nastavit jen jednou na počátku použití.

Pro plošinu jsem vybral DEWE-30-16, což je 16ti pozicová vana pro umístě^{ní modul}ů vybavená napájecím zdrojem. Výstupy modulů jsou vyvedeny na BNC konektory pro kontrolní měření a společný konektor pro propojení s měřicí kartou standardním stíně^ným kabelem. Dále je na vaně k dispozici konektor sériové linky pro programování parametrů modulů. Úplný popis zařízení je uveden v katalogovém listu [11]. Do této vany bylo osazeno zatím šest modulů DAQP-TRQ, což jsou moduly pro LVDT snímače polohy. Modul obsahuje generátor sinusového signálu 2V, 5kHz pro napájení primárního vinutí snímač^{e, pom}ě^rový detektor, zesilovač a výstupní filtr typu dolní propust. V modulu lze naprogramovat velikost zesílení a frekvenci filtru. Úplný popis modulu je uveden v katalogovém listu [12]. Moduly mají pevně dané parametry napájecího napě^{tí, m}ěnit lze zesílení koncového stupně ^{a kmito}č^et dolní propusti. Protože nastavování parametrů ^tlačítky není příliš pohodlné, využil jsem u plošiny možnost programování po sériové lince. Na obrázku 22 je panel softwaru DEWEConfig, pomocí kterého se dají parametry nastavit velmi pohodlně ^{a p}ř^ehledně^.

Obr. 22 DEWEConfig – software pro nastavování parametrů modulů

Zesílení nejde nastavovat plynule, ale jen po skocích. Zde bylo tedy nastaveno tak, aby plná výchylka snímače ±100mm odpovídala př^ibližně ^napětí ±5V na výstupu modulu, což je jeden ze vstupních rozsahů následující A/D karty. Protože všechny snímače nemají úplně ^totožné provedení, výstupní napětí jednotlivých kanálů se pro stejnou mechanickou výchylku od sebe nepatrně liší. Tyto rozdíly jsou následně korigovány softwarově ^př^{i m}ěření. Ani frekvence

dolní propusti nejde volit plynule, ale jen v několika hodnotách (10, 100 a 1000Hz). Protože se u plošiny předpokládají provozní frekvence až do 16ti Hertzů, zvolil jsem pro jistotu frekvenci zlomu propusti až 1kHz. Tím se bezpečⁿě odfiltruje 5kHz napájecí frekvence snímače a v žádném př^ípadě neovlivní měřený signál. Vana DEWE-30-16 osazená moduly DAQP-TRQ je na obrázku 23.

Obr. 23 DEWE-30-16 s moduly DAQP-TRQ