Transducteurs d'instrumentation CA

Tout comme des appareils ont été conçus pour mesurer certaines quantités physiques et répéter ces informations sous la forme de signaux électriques continus (thermocouples, jauges de contrainte, sondes de pH, etc.), des appareils spéciaux ont été conçus pour faire de même avec le courant alternatif.

Il est souvent nécessaire de pouvoir détecter et transmettre la position physique des pièces mécaniques via des signaux électriques. Cela est particulièrement vrai dans les domaines du contrôle automatisé des machines-outils et de la robotique. Un moyen simple et facile de le faire est d'utiliser un potentiomètre :

Utiliser le potentiomètre

La tension de prise du potentiomètre indique la position d'un objet asservi à l'arbre.

Cependant, les potentiomètres ont leurs propres problèmes. D'une part, ils dépendent du contact physique entre « l'essuie-glace » et la bande de résistance, ce qui signifie qu'ils subissent les effets de l'usure physique au fil du temps.

Au fur et à mesure que les potentiomètres s'usent, leur sortie proportionnelle par rapport à la position de l'arbre devient de moins en moins certaine. Vous avez peut-être déjà ressenti cet effet lors du réglage du volume sur une vieille radio :en tournant le bouton, vous pourriez entendre des sons de « grattage » sortir des haut-parleurs.

Ces bruits sont dus à un mauvais contact des essuie-glaces dans le potentiomètre de contrôle du volume.

De plus, ce contact physique entre l'essuie-glace et la bande crée la possibilité d'un arc (étincelles) entre les deux lorsque l'essuie-glace est déplacé.

Avec la plupart des circuits de potentiomètre, le courant est si faible que l'arc d'essuie-glace est négligeable, mais c'est une possibilité à considérer.

Si le potentiomètre doit être utilisé dans un environnement contenant des vapeurs ou des poussières combustibles, ce potentiel d'arc se traduit par un potentiel d'explosion !

Utiliser LVDT

En utilisant du courant alternatif au lieu du courant continu, nous sommes en mesure d'éviter complètement le contact glissant entre les pièces si nous utilisons un transformateur variable au lieu d'un potentiomètre.

Les appareils fabriqués à cet effet sont appelés LVDT, ce qui signifie L inéar V variable D ifférentielle T les transformateurs. La conception d'un LVDT ressemble à ceci :

La sortie CA du transformateur différentiel variable linéaire (LVDT) indique la position du noyau.

Évidemment, cet appareil est un transformateur :il a un seul enroulement primaire alimenté par une source externe de tension alternative et deux enroulements secondaires connectés en série.

C'est variable car le noyau est libre de se déplacer entre les enroulements. C'est différentiel en raison de la façon dont les deux enroulements secondaires sont connectés. Être agencé pour s'opposer (180° hors phase) signifie que la sortie de cet appareil sera la différence entre la tension de sortie des deux enroulements secondaires.

Lorsque le noyau est centré et que les deux enroulements produisent la même tension, le résultat net aux bornes de sortie sera de zéro volt. Il s'appelle linéaire parce que la liberté de mouvement du noyau est rectiligne.

La tension alternative délivrée par un LVDT indique la position du noyau mobile. Zéro volt signifie que le noyau est centré.

Plus le noyau est éloigné de la position centrale, plus le pourcentage de tension d'entrée (« excitation ») sera visible à la sortie. La phase de la tension de sortie par rapport à la tension d'excitation indique dans quelle direction à partir du centre le noyau est décalé.

Le principal avantage d'un LVDT par rapport à un potentiomètre pour la détection de position est l'absence de contact physique entre les pièces mobiles et fixes.

Le noyau n'entre pas en contact avec les enroulements du fil, mais glisse à l'intérieur et à l'extérieur d'un tube non conducteur. Ainsi, le LVDT ne « s'use » pas comme un potentiomètre, et il n'y a pas non plus la possibilité de créer un arc.

L'excitation du LVDT est généralement de 10 volts RMS ou moins, à des fréquences allant de la ligne électrique à la plage audio élevée (20 kHz). Un inconvénient potentiel du LVDT est son temps de réponse, qui dépend principalement de la fréquence de la source de tension alternative.

Si des temps de réponse très rapides sont souhaités, la fréquence doit être plus élevée pour permettre aux circuits de détection de tension suffisamment de cycles de courant alternatif pour déterminer le niveau de tension lorsque le noyau est déplacé.

Pour illustrer le problème potentiel ici, imaginez ce scénario exagéré :un LVDT alimenté par une source de tension de 60 Hz, le noyau étant déplacé vers l'intérieur et l'extérieur des centaines de fois par seconde.

La sortie de ce LVDT ne ressemblerait même pas à une onde sinusoïdale car le noyau serait déplacé sur toute sa plage de mouvement avant que la tension de la source CA ne puisse terminer un seul cycle ! Il serait presque impossible de déterminer la position instantanée du noyau s'il se déplace plus rapidement que la tension de la source instantanée.

Utiliser RVDT

Une variante du LVDT est le RVDT, ou R otaire V variable D ifférentielle T transformateur. Cet appareil fonctionne presque sur le même principe, sauf que le noyau tourne sur un arbre au lieu de se déplacer en ligne droite. Les RVDT ne peuvent être construits que pour une partie du mouvement à 360° (cercle complet).

Utiliser Synchro ou Selsyn

En continuant sur ce principe, nous avons ce qu'on appelle une Synchro ou Selsyn , qui est un appareil construit un peu comme un moteur ou un générateur à courant alternatif polyphasé à rotor bobiné.

Le rotor est libre de tourner à 360°, tout comme un moteur. Sur le rotor se trouve un seul enroulement connecté à une source de tension alternative, un peu comme l'enroulement primaire d'un LVDT. Les enroulements du stator sont généralement sous la forme d'un Y triphasé, bien que des synchros avec plus de trois phases aient été construites. (Figure ci-dessous)

Un appareil avec un stator biphasé est appelé résolveur . Un résolveur produit des sorties sinus et cosinus qui indiquent la position de l'arbre.

Une synchro est enroulée avec un enroulement de stator triphasé et un champ tournant. Un résolveur a un stator biphasé.

Les tensions induites dans les enroulements du stator par l'excitation CA du rotor ne sont pas déphasé de 120° comme dans un vrai générateur triphasé. Si le rotor était alimenté en courant continu plutôt qu'en courant alternatif et que l'arbre tournait en continu, les tensions seraient alors triphasées.

Mais ce n'est pas ainsi qu'une synchro est conçue pour fonctionner. Il s'agit plutôt d'une détection de position appareil un peu comme un RVDT, sauf que son signal de sortie est beaucoup plus précis. Avec le rotor alimenté en courant alternatif, les tensions d'enroulement du stator seront proportionnelles en amplitude à la position angulaire du rotor, déphasé de 0° ou 180°, comme un LVDT ou un RVDT ordinaire.

Vous pourriez le considérer comme un transformateur avec un enroulement primaire et trois enroulements secondaires, chaque enroulement secondaire orienté selon un angle unique.

Au fur et à mesure que le rotor tourne lentement, chaque enroulement s'alignera à son tour directement avec le rotor, produisant la pleine tension, tandis que les autres enroulements produiront quelque chose de moins que la pleine tension.

Les synchros sont souvent utilisés par paires. Avec leurs rotors connectés en parallèle et alimentés par la même source de tension alternative, leurs arbres correspondront à la position avec un degré de précision élevé :

Les arbres de synchronisation sont asservis les uns aux autres. Faire tourner l'un déplace l'autre.

De telles paires « émetteur/récepteur » ont été utilisées sur les navires pour relayer la position du gouvernail ou pour relayer la position du gyroscope de navigation sur des distances assez longues.

La seule différence entre « l'émetteur » et le « récepteur » est celui qui est tourné par une force extérieure. Le « récepteur » peut tout aussi bien être utilisé que « l'émetteur » en forçant son axe à tourner et en laissant la synchro sur la position de gauche.

Si le rotor du récepteur n'est pas alimenté, il agira comme un détecteur d'erreur de position, générant une tension alternative au rotor si l'arbre est décalé de 90o ou 270o par rapport à la position de l'arbre de l'émetteur.

Le rotor du récepteur ne générera plus de couple et par conséquent ne correspondra plus automatiquement à la position de l'émetteur :

Le voltmètre CA enregistre la tension si le rotor du récepteur n'est pas tourné exactement de 90 ou 270 degrés par rapport au rotor de l'émetteur.

Cela peut être considéré presque comme une sorte de circuit en pont qui n'atteint l'équilibre que si l'arbre du récepteur est amené à l'une des deux positions (correspondantes) avec l'arbre de l'émetteur.

Une application assez ingénieuse de la synchro réside dans la création d'un dispositif de déphasage, à condition que le stator soit alimenté en courant alternatif triphasé :

Une rotation complète du rotor déplacera en douceur la phase de 0° à 360° (retour à 0°).

Au fur et à mesure que le rotor de la synchro est tourné, la bobine du rotor s'alignera progressivement avec chaque bobine du stator, leurs champs magnétiques respectifs étant déphasés de 120 ° l'un par rapport à l'autre.

Entre ces positions, ces champs déphasés se mélangeront pour produire une tension de rotor quelque part entre 0°, 120° ou 240° de décalage. Le résultat pratique est un appareil capable de fournir une tension alternative de phase infiniment variable avec la torsion d'un bouton (fixé à l'arbre du rotor).

Un synchro ou un résolveur peut mesurer un mouvement linéaire s'il est équipé d'un mécanisme à crémaillère.

Un mouvement linéaire de quelques pouces (ou cm) entraînant de multiples révolutions du synchro (résolveur) génère un train d'ondes sinusoïdales. Un Inductosyne ® est une version linéaire du résolveur. Il émet des signaux comme un résolveur ; cependant, il a une légère ressemblance.

L'Inductosyn se compose de deux parties :un enroulement en serpentin fixe ayant un pas de 0,1 pouce ou 2 mm, et un enroulement mobile connu sous le nom de curseur . (Figure ci-dessous)

Le curseur a une paire d'enroulements ayant le même pas que l'enroulement fixe. Les enroulements du curseur sont décalés d'un quart de pas, de sorte que les ondes sinus et cosinus sont produites par le mouvement.

Un enroulement de curseur est suffisant pour compter les impulsions, mais ne fournit aucune information de direction.

Les enroulements biphasés fournissent des informations de direction dans la mise en phase des ondes sinusoïdales et cosinusoïdales. Le mouvement d'un pas produit un cycle d'ondes sinus et cosinus; plusieurs longueurs produisent un train de vagues.

Inductosyn :(a) enroulement serpentin fixe, (b) enroulements biphasés à curseur mobile. Adapté de la Figure 6.16 [WAK]

Lorsque nous disons que les ondes sinus et cosinus sont produites en fonction d'un mouvement linéaire, nous voulons vraiment dire qu'une porteuse haute fréquence est modulée en amplitude lorsque le curseur se déplace.

Les signaux AC des deux curseurs doivent être mesurés pour déterminer la position à l'intérieur d'un pas, la position fine. De combien de hauteurs le curseur a-t-il bougé ? La relation des signaux sinus et cosinus ne le révèle pas. Cependant, le nombre de pas (nombre de vagues) peut être compté à partir d'un point de départ connu donnant une position grossière.

Ceci est un encodeur incrémental . Si la position absolue doit être connue quel que soit le point de départ, un résolveur auxiliaire réglé pour un tour par longueur donne une position grossière. Ceci constitue un encodeur absolu .

Un Inductosyn linéaire a un rapport de transformateur de 100:1. Comparez cela au rapport 1:1 pour un résolveur. Une excitation CA de quelques volts dans un Inductosyn donne quelques millivolts.

Ce faible niveau de signal est converti en un format numérique 12 bits par un résolveur en convertisseur numérique (RDC) . Une résolution de 25 micropouces est réalisable.

Il existe également une version rotative de l'Inductosyn ayant 360 pas de motif par tour. Lorsqu'il est utilisé avec un résolveur 12 bits en convertisseur numérique, une résolution supérieure à 1 seconde d'arc est réalisable. Il s'agit d'un encodeur incrémental.

Le comptage des pas à partir d'un point de départ connu est nécessaire pour déterminer la position absolue. Alternativement, un résolveur peut déterminer la position absolue grossière.

Transducteurs capacitifs

Jusqu'à présent, les transducteurs examinés étaient tous de la variété inductive. Cependant, il est possible de fabriquer des transducteurs qui fonctionnent également sur une capacité variable, le courant alternatif étant utilisé pour détecter le changement de capacité et générer une tension de sortie variable.

N'oubliez pas que la capacité entre deux surfaces conductrices varie en fonction de trois facteurs principaux :la zone de chevauchement de ces deux surfaces, la distance entre elles et la constante diélectrique du matériau entre les surfaces.

Si deux de ces trois variables peuvent être fixées (stabilisées) et que la troisième peut varier, alors toute mesure de capacité entre les surfaces sera uniquement indicative des changements dans cette troisième variable.

Les chercheurs en médecine utilisent depuis longtemps la détection capacitive pour détecter les changements physiologiques dans les corps vivants.

Dès 1907, un chercheur allemand du nom de H. Cremer a placé deux plaques métalliques de chaque côté d'un cœur de grenouille qui battait et a mesuré les changements de capacité résultant du remplissage et de la vidange de sang du cœur.

Des mesures similaires ont été effectuées sur des êtres humains avec des plaques métalliques placées sur la poitrine et le dos, enregistrant l'action respiratoire et cardiaque au moyen de changements de capacité.

Pour des mesures capacitives plus précises de l'activité des organes, des sondes métalliques ont été insérées dans les organes (en particulier le cœur) à l'extrémité des tubes de cathéter, la capacitance étant mesurée entre la sonde métallique et le corps du sujet.

Avec une fréquence d'excitation CA suffisamment élevée et un détecteur de tension suffisamment sensible, non seulement l'action de pompage mais aussi les sons du cœur actif peut être facilement interprété.

Comme les transducteurs inductifs, les transducteurs capacitifs peuvent également être constitués d'unités autonomes, contrairement aux exemples physiologiques directs décrits ci-dessus.

Certains transducteurs fonctionnent en rendant mobile l'une des plaques du condensateur, soit de manière à faire varier la zone de chevauchement ou la distance entre les plaques. D'autres transducteurs fonctionnent en déplaçant un matériau diélectrique entre deux plaques fixes :

Le transducteur capacitif variable varie ; (a) zone de chevauchement, (b) distance entre les plaques, (c) quantité de diélectrique entre les plaques.

Des transducteurs avec une plus grande sensibilité et immunité aux changements d'autres variables peuvent être obtenus au moyen d'une conception différentielle, un peu comme le concept derrière le LVDT (variable linéaire différentielle Transformateur). Voici quelques exemples de transducteurs capacitifs différentiels :

Le transducteur capacitif différentiel fait varier le rapport de capacité en modifiant :(a) la zone de chevauchement, (b) la distance entre les plaques, (c) le diélectrique entre les plaques.

Comme vous pouvez le voir, tous les dispositifs différentiels montrés dans l'illustration ci-dessus ont trois connexions filaires plutôt que deux :un fil pour chacune des plaques « d'extrémité » et un pour la plaque « commune ».

Au fur et à mesure que la capacité entre l'une des plaques "d'extrémité" et la plaque "commune" change, la capacité entre l'autre plaque "d'extrémité" et la plaque "commune" est telle qu'elle change dans le sens opposé. Ce genre de transducteur se prête très bien à une mise en oeuvre dans un circuit en pont :

Pont de transducteur capacitif différentiel

Circuit de mesure de pont de transducteur capacitif différentiel.

Les transducteurs capacitifs fournissent des capacités relativement petites pour qu'un circuit de mesure fonctionne avec, généralement dans le pico gamme de farads. Pour cette raison, des fréquences d'alimentation élevées (de l'ordre du mégahertz !) sont généralement nécessaires pour réduire ces réactances capacitives à des niveaux raisonnables.

Etant donné les petites capacités fournies par les transducteurs capacitifs typiques, les capacités parasites ont le potentiel d'être des sources majeures d'erreur de mesure. Un bon blindage des conducteurs est essentiel pour un circuit de transducteur capacitif fiable et précis !

Le circuit en pont n'est pas le seul moyen d'interpréter efficacement la sortie de capacité différentielle d'un tel transducteur, mais c'est l'un des plus simples à mettre en œuvre et à comprendre. Comme avec le LVDT, la tension de sortie du pont est proportionnelle au déplacement de l'action du transducteur à partir de sa position centrale, et la direction du décalage sera indiquée par déphasage.

Ce type de circuit en pont est similaire en fonction de celui utilisé avec les jauges de contrainte :il n'est pas destiné à être dans un état « équilibré » tout le temps, mais plutôt le degré de déséquilibre représente l'amplitude de la quantité mesurée.

Transducteur capacitif différentiel « Twin-T »

Une alternative intéressante au circuit en pont pour interpréter la capacité différentielle est le twin-T . Il nécessite l'utilisation de diodes, ces « clapets anti-retour » pour le courant électrique évoqués plus haut dans le chapitre :

Circuit de mesure "Twin-T" du transducteur capacitif différentiel.

Ce circuit pourrait être mieux compris s'il était redessiné pour ressembler davantage à une configuration en pont :

Circuit de mesure du transducteur à condensateur différentiel « Twin-T » redessiné en pont. La sortie est sur la charge R .

Condensateur C₁ est chargé par la source de tension alternative pendant chaque demi-cycle positif (positif tel que mesuré par rapport au point de masse), tandis que C₂ est chargé pendant chaque demi-cycle négatif.

Pendant qu'un condensateur est en charge, l'autre condensateur se décharge (à un rythme plus lent qu'il n'était chargé) à travers le réseau à trois résistances. En conséquence, C₁ maintient une tension continue positive par rapport à la terre, et C₂ une tension continue négative par rapport à la terre.

Si le transducteur capacitif est déplacé de la position centrale, un condensateur augmentera en capacité tandis que l'autre diminuera. Cela a peu d'effet sur la charge de tension de crête de chaque condensateur, car il y a une résistance négligeable dans le chemin du courant de charge de la source au condensateur, ce qui entraîne une constante de temps très courte (τ).

Cependant, lorsque vient le temps de se décharger à travers les résistances, le condensateur avec la valeur de capacité la plus élevée conservera sa charge plus longtemps, ce qui entraînera une tension continue moyenne plus élevée au fil du temps que le condensateur de valeur inférieure.

La résistance de charge (R_load ), connecté à une extrémité au point entre les deux résistances de valeur égale (R) et à l'autre extrémité à la terre, ne chutera aucune tension continue si les charges de tension continue des deux condensateurs sont de même amplitude.

Si, d'un autre côté, un condensateur maintient une charge de tension continue plus élevée que l'autre en raison d'une différence de capacité, la résistance de charge chutera d'une tension proportionnelle à la différence entre ces tensions.

Ainsi, la capacité différentielle est traduite en une tension continue aux bornes de la résistance de charge.

À travers la résistance de charge, il y a à la fois une tension alternative et une tension continue, seule la tension continue étant significative pour la différence de capacité. Si vous le souhaitez, un filtre passe-bas peut être ajouté à la sortie de ce circuit pour bloquer le courant alternatif, ne laissant qu'un signal continu à interpréter par les circuits de mesure :

L'ajout d'un filtre passe-bas au « twin-T » alimente le DC pur à l'indicateur de mesure.

En tant que circuit de mesure pour capteurs capacitifs différentiels, la configuration twin-T bénéficie de nombreux avantages par rapport à la configuration en pont standard.

Tout d'abord, le déplacement du transducteur est indiqué par une simple tension continue, et non par une tension alternative dont l'amplitude et la phase doit être interprétée pour dire quelle capacité est la plus grande.

De plus, étant donné les valeurs des composants et la sortie d'alimentation appropriées, ce signal de sortie CC peut être suffisamment fort pour piloter directement un mouvement de compteur électromécanique, éliminant ainsi le besoin d'un circuit amplificateur.

Un autre avantage important est que tous les éléments de circuit importants ont une borne directement connectée à la terre :la source, la résistance de charge et les deux condensateurs sont tous référencés à la terre.

Cela permet de minimiser les effets néfastes de la capacité parasite qui affecte couramment les circuits de mesure des ponts, éliminant également le besoin de mesures compensatoires telles que la terre de Wagner.

Ce circuit est également facile à spécifier pour les pièces. Normalement, un circuit de mesure incorporant des diodes complémentaires nécessite la sélection de diodes « appariées » pour une bonne précision. Ce n'est pas le cas avec ce circuit !

Tant que la tension d'alimentation est nettement supérieure à l'écart de chute de tension entre les deux diodes, les effets de désadaptation sont minimes et contribuent peu à l'erreur de mesure.

De plus, les variations de fréquence d'alimentation ont un impact relativement faible sur le gain (combien de tension de sortie est développée pour une quantité donnée de déplacement du transducteur), et la tension d'alimentation à onde carrée fonctionne aussi bien que l'onde sinusoïdale, en supposant un cycle de service de 50 % (égal demi-cycles positifs et négatifs), bien sûr.