اصول و مبانی ابزاردقیق: بخش پنجم- مبدل های موقعیت (1)

مبدل های موقعیت

موقعيت يك جسم از موارد مهم در سيستم كنترلي مکانیزم های سروو (Servomechanisms) می باشد. در مونتاژ اتوماتيك توسط ربات و در سوراخكاري قسمت­ هاي مختلف ماشين و نيز حركت قسمت­ هاي متحرك در يك سيستم ديسك خوان كامپيوتري و يا قلم در يك پلاتر، نياز به كنترل و در نتيجه اندازه گيري دقيق موقعيت مي­ باشد.

در كنترل ضخامت و يا اثر حرارت در انبساط اجسام نياز به اندازه گيري موقعيت با دقت كسري از ميلي متر مي­ باشد.

روش هاي گوناگونی براي اندازه گيري موقعيت وجود دارد. در اين بخش، سه روش آن بررسی خواهد شد.

1. پتانسيومتر: که از ارزان ترين و ساده ترين روش محسوب می شود.
2. ترانسفورماتورهاي متغير خطي تفاضلي (LVDT): اجازه اندازه ­گيري جا به جایی های بسیار كوچك را مي­ دهند.
3. مبدل­ هاي نوري: از مقاومت بسیار بالایی برخوردار بوده و اتصال به كامپيوتر و تبادل اطلاعات، در آن ها بسیار ساده است.

 

پتانسيومتر (Potentiometer)

پتانسيومترهايي كه جهت اندازه گيري و جا به جايي مورد استفاده قرار مي ­گيرند. بسیار شبيه به پتانسيومترهايي هستند كه در مدارات الكتريكي و الكترونيكي و جهت تنظيم مقاومت مورد نياز به كار برده می شوند. اما باید اشاره کرد كه سازندگان اين نوع پتانسيومترها دقت و تلاش بيش تري برای ساخت اين نوع مبدل ها به كار مي برند.

پتانسيومترهاي خطي براي اندازه گيري جا به جايي در راستاي يك خط مستقيم، هم چنین پتانسيومترهاي دوار (زاويه اي) براي اندازه گيري جا به جایي­ هاي چرخشي به كار مي روند.

در شكل زير شماي كلي اين نوع پتانسيومترها نشان داده شده است:

 

 

چنان چه در تصاویر بالا می بینید، اندازه گيري يك دور كامل و يا كماني از يك دايره کاملا امکان پذیر است.

يك پتانسيومتر تك دور كامل مي تواند اندازه گيري دقيق تا حد 357 درجه را انجام دهد. در حالي كه پتانسيومترهاي چند دور (10 دور) مي­توانند تا 3500 درجه را نيز اندازه گيري كنند.

بدنه مقاومتي پتانسيومتر ممكن است به صورت سيم پيچ باشد كه در اين صورت از يك سيم بسیار نازك (0.01 ميلي ميتر) و از جنس فلز پلاتينيوم يا آلياژ نيكل بوده كه با دقتی بسيار زياد، پيچيده شده است؛ استفاده مي­ شود.

درست زمانی كه قسمت لغزان بر روي سيم پيچ حركت کرده و از يك قسمت به قسمت ديگري می رود؛ مقاومت پتانسيومتر تغيير مي كند. كوچك ترين تغيير يا جا به جايي در موقعيت، كه مي­ تواند اندازه گيري شود (حد تفكيك)؛ زمانی رخ می دهد كه بخش لغزان، از يك دور به دور ديگر حركت كند. حد تفكيك از رابطه زير قابل محاسبه مي ­باشد:

اگر شكل بدنه سيم پيچ با روشی صحیح و دقیق شكل داده شده باشد، رابطه ای خطي بين وضعيت قسمت لغزنده و ولتاژ خروجي برقرار خواهد بود. اما تغيير شكل بدنه موجب رابطه ای غير خطي و دلخواه خواهد شد. شكل زير، اين موضوع را به خوبی نشان مي­ دهد:

 

 

توابع استاندارد بسيار زيادي با روابط تبديل وضعيت به ولتاژ دلخواه در بازار موجود است.

اين روابط غير خطي ممكن است براي جبران و يا كنترل يك عامل غيرخطي در يك سيستم كنترلي و بدون نياز به انجام محاسبات رياضي برقرار باشند و گاهی حتي بدون نياز به كامپيوتر و يا مدارات آنالوگ كامپيوتر به كار گرفته شود.

توابع استاندارد، در شكل زير نشان داده شده است. شكل ­هاي ارائه شده به اين معنا است كه اگر پتانسيومتر به طور پيوسته از ابتدا تا انتها حركت كند، چنين ولتاژهايي توليد مي كند:

 

 

پتانسيومترهاي پيوسته، بدنه اي از جنس فيلم كربني يا فلزي، پلاستيك ­هاي هدايتي و يا از سراميك­ هاي فلزي دارند. اين نوع پتانسيومترها مزیت های زیادی نسبت به پتانسيومترهاي سيم پيچ دارند:

• قدرت تفكيك آن ها بيش تر است چون محدوديتي مربوط به تعداد دور سيم پيچ ها ندارند.
• قسمت متحرك برروي يك سطح صاف حركت مي­ كند و پرش وجود ندارد و ميزان خرابي كم تر می شود.
• سرعت ماکزيمم يك پتانسيومتر سيم پيچ در حدود 300 دور بر دقيقه مي ­باشد. در حالي كه يك پتانسيومتر پيوسته مي تواند تا سرعت 2000 دور بر دقيقه نيز مورد استفاده قرار بگيرد.

 

برخی از ویژگی هاي الكتريكي مرتبط با پتانسيومترها که برای شناخت، تشخیص و تفکیک ضروری است، عبارت اند از:

• حد يا قدرت تفكيك
• خطي بودن
• حركت بيش از حد الكتريكي (Electrical Overtravel)
• شكل ترمينال
• تلرانس مقاومت
• موقعيت سر وسط
• ميزان توان و حرارت قابل تحمل
• نويز
• گشتاور شروع و در حال گردش
• اينرسي
• ویژگی هاي AC

 

 

در بخش­ های قبل، ویژگی های حد تفکیک و خطی بودن مبدل­ ها مورد بررسی قرار گرفت. در این بخش به بررسی سایر ویژگی ها می­ پردازیم…

نويز (Noise)

نویز در پتانسيومتر مي ­تواند ناشي از جنس آن باشد. عامل اصلي ايجاد نويز، حرارت يا جريان عبوري از پتانسيومتر است. به همين دليل مي­ بايست ولتاژ تغذيه آن را تا حد ممكن پايين نگه داشت. نويز هم چنین می­ تواند در اثر پرش­ هاي قسمت لغزان به ایجاد شود. پتانسیومترهای پیوسته می­ توانند بسیار سریع تر حرکت کرده و نویز کم تری نسبت به انواع سیم پیچ دار خود، به وجود بیاورند.

پتانسيومترهاي نوع سيم پيچ دار نيز خاصيت سلفي و خازني سري با مقاومت از خود نشان مي­ دهند. راكتانس ناشي از اين عوامل در فركانس 50 هرتز، حدود مگا اهم مي ­باشد. اما اگر پتانسيومتر با يك سيگنال سينوسي 10 كيلو هرتزي تغذيه شود اين راكتانس تا حد كيلو اهم كاهش پيدا مي­ كند. در موقع استفاده از سيگنال متناوب مي ­بايستي هم فركانس و هم مقدار مقاومت پتانسيومتر، در حد امكان پايين انتخاب شوند.

حركت الكتريكي بيش از حد

به اين واقعيت اشاره دارد كه ترمينال ممكن است دقيقاً در قسمت انتهايي خود نباشد. به این معنا که وقتي قسمت لغزان به ترمينال مي­ رسد شفت ممكن است بيش تر بچرخد اما ولتاژ خروجي تغييري نكند.

چندين روش جهت اتصال يك پتانسيومتر به يك سيستم كنترلي وجود دارد.

ساده ترين روش، اين است كه آن را با ولتاژ تغذيه در يك سر و اتصال زمين در سر ديگر تغذيه نمود. در اين روش وقتي قسمت لغزان به قسمت انتهايي مي­ رسد ولتاژ خروجي صفر خواهد شد و بر عكس وقتي قسمت لغزان به بالاترين قسمت پتانسيومتر مي رسد، ولتاژ تغذيه خارج خواهد شد (شکل زیر قسمت a).

اگر قسمت لغزان به صورت کامل، تا قسمت انتهايي حركت نكند به کارگیری پتانسیومتر به فرم شکل زیر و قسمت b مناسب خواهد بود.

 

تنظيم صفر اين قابليت را ایجاد می کند تا ولتاژ صفر در هر موقعيت دلخواه تنظيم شود. با همين روش، نيز مي­ توان ولتاژ رنج نهايي يا بالا را نيز تنظيم نمود. باید توجه داشت كه براي تنظيم اين دو حد بالا و پايين، چندين دور متوالي، نياز به تنظيم دقيق مي­ باشد. چون اين دو تنظيم بر روي يكديگر اثر مي­ گذارند.

با اعمال تغذيه دوبل به يك پتانسيومتر مي ­توان ولتاژ صفر خروجي را در وسط پتانسیومتر تنظیم کرد. اين روش را در قسمت c شكل فوق مشاهده می کنید. البته كامل ترین نوع اين روش، در قسمت d نمايش داده شده است. در اين روش، سيگنالی خطا نسبت به زمين براي استفاده كنترل كننده نيز فراهم شده است.

متغير پروسه مورد كنترل، توسط پارامتر مورد اندازه گيري، تحريك شده و خطا به شكل زير تعريف مي­ گردد:

Error = SP – PV

اگر نقطه مرجع و متغير مورد كنترل هر دو در يك وضعيت قرار بگيرند، خطايي وجود نخواهد داشت و ولتاژ خروجي صفر مي ­شود. اگر قسمت لغزان در نقطه مرجع به سمت بالا حركت كند، مقاومت آن افزايش پيدا کرده و موجب مي ­شود ولتاژ خروجي مثبت گردد.

بنابراين پروسه مي ­بايستي با حركت خود، پاسخ مناسب دهد و به همان اندازه به سمت بالا حركت كند تا ولتاژ خروجي صفر گردد.

مقاومت R_L به اين روش اضافه شده تا لحظه ای که نقطه مرجع تا پايين ­ترين قسمت خود حركت کرده و ميزان جريان عبوري را محدود نمايد.

تمامي بحث تا اين جا با فرض اين است كه هيچ گونه باري وجود ندارد. اما در حقيقت هر مبدل موقعيت پتانسيومتري، به يك بار متصل مي­ گردد که مي­ تواند باعث غير خطي شدن مبدل گردد. به شكل زير نگاه كنيد:

خروجي مورد مطلوب عبارت است از:

در حالي كه R_L موازي با R₁ بوده و بايد اثر آن در نظر گرفته شود. در واقع خروجی واقعی عبارت است از:

با ساده نمودن خواهيم داشت:

با استفاده از يك كامپيوتر مي توان براي مقادير مختلف R₁ و R₂ معادله فوق را حل نمود و بدترين حالت را به عنوان بدترين حالت غير خطي نقطه پاياني در نظر گرفت و همين كار را براي مقادير مختلف R_L نيز انجام داد. نتيجه چنين عملياتي در جدول زير نشان داده شده است: