AC計装トランスデューサー

特定の物理量を測定し、その情報をDC電気信号の形式で繰り返すデバイス（熱電対、ひずみゲージ、pHプローブなど）が作成されたように、ACでも同じことを行う特別なデバイスが作成されました。

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多くの場合、電気信号を介して機械部品の物理的位置を検出して送信できる必要があります。これは、自動工作機械制御とロボット工学の分野で特に当てはまります。これを行う簡単で簡単な方法は、ポテンショメータを使用することです。

ポテンショメータの使用

ポテンショメータのタップ電圧は、シャフトに従属するオブジェクトの位置を示します。

ただし、ポテンショメータには独自の問題があります。 1つは、「ワイパー」と抵抗ストリップの間の物理的な接触に依存しているため、時間の経過とともに物理的な摩耗の影響を受けます。

ポテンショメータが摩耗するにつれて、シャフト位置に対するそれらの比例出力はますます不確実になります。古いラジオの音量コントロールを調整するときに、この効果をすでに経験している可能性があります。ノブをひねると、スピーカーから「引っかき傷」の音が聞こえる場合があります。

これらのノイズは、ボリュームコントロールポテンショメータのワイパー接触が不十分なために発生します。

また、ワイパーとストリップの間のこの物理的な接触により、ワイパーが移動するときに2つの間にアーク放電（スパーク）が発生する可能性があります。

ほとんどのポテンショメータ回路では、電流が非常に低いため、ワイパーアーク放電は無視できますが、考慮する必要があります。

可燃性の蒸気またはほこりが存在する環境でポテンショメータを操作する場合、このアーク放電の可能性は爆発の可能性に変換されます！

LVDTの使用

DCの代わりにACを使用すると、可変トランスを使用すると、部品間の滑り接触を完全に回避できます。 ポテンショメータの代わりに。

この目的で作成されたデバイスはLVDTと呼ばれ、 L の略です。 inear V ariable D ifferential T ransformers。 LVDTの設計は次のようになります：

線形可変差動変圧器（LVDT）のAC出力はコア位置を示します。

明らかに、このデバイスはトランスフォーマー ：外部AC電圧源から電力を供給される単一の一次巻線と、直列バッキング方式で接続された2つの二次巻線があります。

可変 コアが巻線間を自由に移動できるためです。 ディファレンシャル 2つの二次巻線の接続方法が原因です。互いに対向するように配置されている（180°位相がずれている）ということは、このデバイスの出力が差になることを意味します。 2つの二次巻線の電圧出力の間。

コアが中央に配置され、両方の巻線が同じ電圧を出力している場合、出力端子での最終的な結果はゼロボルトになります。 線形と呼ばれます コアの動きの自由は直線だからです。

LVDTによって出力されるAC電圧は、可動コアの位置を示します。ゼロボルトは、コアが中央に配置されていることを意味します。

コアが中心位置から離れるほど、出力（「励起」）電圧の割合が高くなります。励起電圧に対する出力電圧の位相は、コアが中心からどちらの方向にオフセットされているかを示します。

位置検出用のポテンショメータに対するLVDTの主な利点は、可動部品と静止部品の間に物理的な接触がないことです。

コアは巻線に接触しませんが、非導電性チューブ内でスライドインおよびスライドアウトします。したがって、LVDTはポテンショメータのように「摩耗」することはなく、アークを生成する可能性もありません。

LVDTの励起は、電力線から高オーディオ（20 kHz）範囲までの周波数範囲で、通常10ボルトRMS以下です。 LVDTの潜在的な欠点の1つは応答時間であり、これは主にAC電圧源の周波数に依存します。

非常に速い応答時間が必要な場合は、コアが移動するときに電圧レベルを決定するのに十分なACサイクルを電圧検出回路に許可するために、周波数を高くする必要があります。

ここで潜在的な問題を説明するために、この誇張されたシナリオを想像してみてください。60Hzの電圧源から電力を供給され、コアが1秒間に数百回出入りするLVDTです。

このLVDTの出力は、AC電源電圧が単一のサイクルを完了する前にコアがその可動範囲全体で移動するため、正弦波のようには見えません。瞬時の電源電圧よりも速く移動する場合、瞬時のコア位置を特定することはほとんど不可能です。

RVDTの使用

LVDTのバリエーションは、RVDT、または R アシカ V ariable D ifferential T ransformer。このデバイスは、コアが直線的に移動するのではなく、シャフト上で回転することを除いて、ほぼ同じ原理で動作します。 RVDTは、360°（完全な円）運動の一部に対してのみ構築できます。

SynchroまたはSelsynの使用

この原則を続けると、シンクロと呼ばれるものがあります。 または Selsyn 、これは、巻線型ローター多相ACモーターまたは発電機のように構築されたデバイスです。

ローターは、モーターと同じように、360°完全に自由に回転できます。ローターには、LVDTの一次巻線と同様に、AC電圧源に接続された単一の巻線があります。固定子巻線は通常、三相Yの形式ですが、3相を超えるシンクロが構築されています。 （下の図）

二相固定子を備えたデバイスは、レゾルバとして知られています。 。レゾルバは、シャフトの位置を示すサイン出力とコサイン出力を生成します。

シンクロは、三相固定子巻線と回転磁界で巻かれています。レゾルバには2相ステータがあります。

回転子のAC励起から固定子巻線に誘導される電圧はではありません 実際の三相発電機のように120°位相シフトします。ローターにACではなくDC電流を流し、シャフトを連続的に回転させた場合、電圧は真の三相になります。

しかし、これはシンクロが動作するように設計されている方法ではありません。むしろ、これは位置検知 RVDTによく似たデバイスですが、出力信号がはるかに明確である点が異なります。 ACによってローターに電力が供給されると、ステーターの巻線電圧はローターの角度位置に比例し、通常のLVDTまたはRVDTのように、位相が0°または180°シフトします。

一次巻線が1つ、二次巻線が3つあり、各二次巻線が固有の角度を向いている変圧器と考えることができます。

ローターをゆっくりと回すと、各巻線はローターと直接整列して全電圧を生成しますが、他の巻線は全電圧よりも低い電圧を生成します。

シンクロはペアで使用されることがよくあります。ローターが並列に接続され、同じAC電圧源によって通電されているため、シャフトは高精度で位置を一致させます。

シンクロシャフトは互いにスレーブになっています。一方を回転させると、もう一方が移動します。

このような「送信機/受信機」のペアは、舵の位置を中継するため、またはかなり長い距離にわたって航行ジャイロの位置を中継するために船で使用されてきました。

「送信機」と「受信機」の唯一の違いは、外力によってどちらが回転するかです。 「レシーバー」は「トランスミッター」と同じように簡単に使用できます。シャフトを強制的に回転させ、左側のシンクロを一致位置に配​​置します。

受信機のローターに電力が供給されていない場合、位置エラー検出器として機能し、シャフトが送信機のシャフト位置から90°または270°ずれている場合、ローターにAC電圧を生成します。

受信機のローターはトルクを生成しなくなり、その結果、送信機の位置と自動的に位置が一致しなくなります。

AC電圧計は、受信機のローターが送信機のローターから正確に90度または270度回転していない場合に電圧を記録します。

これは、レシーバーシャ​​フトがトランスミッターシャフトと2つの（一致する）位置のいずれかにある場合にのみバランスをとる一種のブリッジ回路と考えることができます。

シンクロのかなり巧妙な用途の1つは、固定子に3相ACが通電されている場合に、移相装置を作成することです。

ローターを完全に回転させると、位相が0°から360°にスムーズにシフトします（0°に戻ります）。

シンクロのローターが回転すると、ローターコイルは各ステーターコイルと徐々に整列し、それぞれの磁場は互いに120°位相シフトします。

これらの位置の間で、これらの位相シフトされたフィールドが混合して、0°、120°、または240°シフトの間のどこかにローター電圧が生成されます。実際の結果は、（ローターシャフトに取り付けられた）ノブをひねることで無限に可変相のAC電圧を提供できるデバイスです。

シンクロまたはレゾルバは、ラックアンドピニオンメカニズムを備えている場合、線形運動を測定する場合があります。

シンクロ（レゾルバ）の複数の回転をもたらす数インチ（またはcm）の線形運動は、正弦波の列を生成します。 Inductosyn ®は、リゾルバーの線形バージョンです。レゾルバのように信号を出力します。ただし、少し似ています。

Inductosynは、2つの部分で構成されています。0.1インチまたは2mmピッチの固定蛇行巻線とスライダーとして知られる可動巻線です。 。 （下の図）

スライダーには、固定巻線と同じピッチの一対の巻線があります。スライダーの巻線は1/4ピッチオフセットされているため、正弦波と余弦波の両方が動きによって生成されます。

パルスのカウントには1つのスライダー巻線で十分ですが、方向情報は提供されません。

2相巻線は、正弦波と余弦波の位相の方向情報を提供します。 1ピッチ移動すると、正弦波と余弦波のサイクルが生成されます。複数のピッチが波の列を生成します。

Inductosyn：（a）固定蛇行巻線、（b）可動スライダー2相巻線。図6.16 [WAK]から適応

正弦波と余弦波が線形運動の関数として生成されると言うとき、実際には、スライダーが動くと高周波搬送波が振幅変調されることを意味します。

ピッチ内の位置、つまり細かい位置を決定するには、2つのスライダーAC信号を測定する必要があります。スライダーは何ピッチ移動しましたか？サイン信号とコサイン信号の関係は、それを明らかにしていません。ただし、ピッチ数（波数）は、既知の開始点から数えることができ、粗い位置になります。

これはインクリメンタルエンコーダです 。開始点に関係なく絶対位置を知る必要がある場合は、長さごとに1回転するように調整された補助レゾルバが粗い位置になります。これは絶対エンコーダを構成します 。

線形Inductosynの変圧器の比率は100：1です。これをリゾルバーの1：1の比率と比較してください。 Inductosynへの数ボルトのAC励起により、数ミリボルトが出力されます。

この低い信号レベルは、レゾルバ-デジタルコンバータ（RDC）によって12ビットのデジタル形式に変換されます。 。 25マイクロインチの解像度が達成可能です。

1回転あたり360パターンピッチのInductosynの回転バージョンもあります。 12ビットレゾルバからデジタルへのコンバーターと併用すると、1秒角よりも優れた分解能が達成可能です。これはインクリメンタルエンコーダです。

絶対位置を決定するには、既知の開始点からピッチを数える必要があります。あるいは、リゾルバが粗い絶対位置を決定する場合があります。

容量性トランスデューサー

これまでに説明したトランスデューサーはすべて誘導型のものでした。ただし、静電容量の変化を検知して可変出力電圧を生成するためにACを使用して、可変静電容量で動作するトランスデューサーを作成することも可能です。

2つの導電性表面間の静電容量は、3つの主要な要因によって変化することに注意してください。これらの2つの表面の重なり合う領域、それらの間の距離、および表面間の材料の誘電率です。

これらの変数の3つのうち2つを固定（安定化）し、3つ目を変更できる場合、表面間の静電容量の測定値は、その3つ目の変数の変化のみを示します。

医学研究者は長い間、静電容量センシングを利用して生体の生理学的変化を検出してきました。

1907年には、H。Cremerというドイツの研究者が、鼓動するカエルの心臓の両側に2枚の金属板を置き、心臓が血液を交互に満たしたり空にしたりすることによる静電容量の変化を測定しました。

胸と背中に金属板を配置し、静電容量の変化によって呼吸と心臓の動作を記録した人間でも、同様の測定が行われました。

臓器活動のより正確な静電容量測定のために、金属プローブがカテーテルチューブの先端の臓器（特に心臓）に挿入され、静電容量は金属プローブと被験者の体の間で測定されます。

十分に高いAC励起周波数と十分に感度の高い電圧検出器により、ポンプ動作だけでなく音 活動的な心臓のは容易に解釈されるかもしれません。

誘導型トランスデューサーと同様に、容量性トランスデューサーも、上記の直接的な生理学的例とは異なり、自己完結型のユニットにすることができます。

一部のトランスデューサは、コンデンサプレートの1つを移動可能にして、オーバーラップ領域またはプレート間の距離を変化させるように機能します。他のトランスデューサーは、2つの固定プレート間で誘電体を出し入れすることで機能します。

可変容量性トランスデューサーはさまざまです。 （a）オーバーラップの領域、（b）プレート間の距離、（c）プレート間の誘電体の量。

LVDT（Linear Variable Differential ）の背後にある概念と同様に、他の変数の変化に対する感度と耐性が高いトランスデューサーは、差動設計によって取得できます。 変成器）。差動容量性トランスデューサのいくつかの例を次に示します。

差動容量性トランスデューサは、（a）オーバーラップ領域、（b）プレート間の距離、（c）プレート間の誘電体を変更することにより、静電容量比を変化させます。

ご覧のとおり、上の図に示されているすべての差動デバイスには 3つあります。 2本ではなく配線接続：「エンド」プレートごとに1本、「共通」プレート用に1本。

一方の「エンド」プレートと「コモン」プレートの間の静電容量が変化すると、もう一方の「エンド」プレートと「コモン」プレートの間の静電容量は反対方向に変化します。この種のトランスデューサは、ブリッジ回路での実装に非常に適しています。

差動容量性トランスデューサブリッジ

差動容量性トランスデューサブリッジ測定回路。

容量性トランスデューサは、測定回路が動作するための比較的小さな静電容量を提供します。通常、 pico ファラッド範囲。このため、これらの容量性リアクタンスを妥当なレベルに下げるには、通常、高い電源周波数（メガヘルツの範囲！）が必要です。

一般的な容量性トランスデューサによって提供される小さな静電容量を考えると、浮遊容量は測定誤差の主な原因となる可能性があります。良好な導体シールドは必須 信頼性が高く正確な容量性トランスデューサ回路のために！

ブリッジ回路は、このようなトランスデューサの差動容量出力を効果的に解釈する唯一の方法ではありませんが、実装と理解が最も簡単な方法の1つです。 LVDTと同様に、ブリッジの電圧出力は、トランスデューサーの動作の中心位置からの変位に比例し、オフセットの方向は位相シフトによって示されます。

この種のブリッジ回路は、ひずみゲージで使用される種類と機能が似ています。常に「平衡」状態になることを意図したものではなく、不均衡の程度が測定される量の大きさを表します。

差動容量性トランスデューサ「Twin-T」

差動容量を解釈するためのブリッジ回路の興味深い代替手段は、 twin-T 。この章で前述した電流用の「一方向弁」であるダイオードを使用する必要があります。

差動容量性トランスデューサ「Twin-T」測定回路。

この回路は、より多くのブリッジ構成に似るように再描画すると、よりよく理解できる可能性があります。

差動コンデンサトランスデューサ「Twin-T」測定回路がブリッジとして再描画されます。出力はR _{負荷の両端にあります} 。

コンデンサC ₁ C ₂ は、正の半サイクルごとにAC電圧源によって充電されます（接地点を基準にして正の値）。 負の半サイクルごとに充電されます。

1つのコンデンサが充電されている間、他のコンデンサは3つの抵抗ネットワークを介して（充電されたよりも遅い速度で）放電します。結果として、C ₁ グランドに対して正のDC電圧を維持し、C ₂ アースに対して負のDC電圧。

容量性トランスデューサが中心位置からずれている場合、一方のコンデンサは静電容量が増加し、もう一方のコンデンサは減少します。ソースからコンデンサへの充電電流経路にはごくわずかな抵抗があり、非常に短い時定数（τ）になるため、これは各コンデンサのピーク電圧充電にほとんど影響を与えません。

ただし、抵抗を介して放電する場合、容量値が大きいコンデンサは電荷をより長く保持するため、値が小さいコンデンサよりも時間の経過に伴う平均DC電圧が高くなります。

負荷抵抗（R _load ）、一方の端を2つの等しい値の抵抗（R）の間のポイントに接続し、もう一方の端をグランドに接続すると、2つのコンデンサのDC電圧電荷の大きさが等しい場合、DC電圧は低下しません。

一方、静電容量の違いにより、一方のコンデンサが他方よりも大きなDC電圧電荷を維持する場合、負荷抵抗はこれらの電圧の差に比例して電圧を低下させます。

したがって、差動容量は負荷抵抗の両端のDC電圧に変換されます。

負荷抵抗の両端には、AC電圧とDC電圧の両方が存在し、容量の違いに重要なのはDC電圧だけです。必要に応じて、この回路の出力にローパスフィルタを追加して、ACをブロックし、測定回路によって解釈されるDC信号のみを残すことができます。

「twin-T」にローパスフィルターを追加すると、純粋なDCが測定インジケーターに送られます。

差動静電容量センサーの測定回路として、ツインT構成には、標準のブリッジ構成に比べて多くの利点があります。

何よりもまず、トランスデューサの変位は、大きさがおよびのAC電圧ではなく、単純なDC電圧によって示されます。 位相を解釈して、どちらの静電容量が大きいかを判断する必要があります。

さらに、適切なコンポーネント値と電源出力があれば、このDC出力信号は、電気機械式メーターの動きを直接駆動するのに十分な強さである可能性があり、増幅回路が不要になります。

もう1つの重要な利点は、すべての重要な回路要素に1つの端子が直接グランドに接続されていることです。ソース、負荷抵抗、および両方のコンデンサはすべてグランド基準です。

これにより、ブリッジ測定回路を悩ませている浮遊容量の悪影響を最小限に抑えることができ、同様にワーグナーアースなどの補償手段の必要性がなくなります。

この回路は部品の指定も簡単です。通常、相補ダイオードを組み込んだ測定回路では、精度を高めるために「整合した」ダイオードを選択する必要があります。この回路ではそうではありません！

電源電圧が2つのダイオード間の電圧降下の偏差よりも大幅に大きい限り、不一致の影響は最小限であり、測定誤差にはほとんど寄与しません。

さらに、供給周波数の変動によるゲインへの影響は比較的小さく（トランスデューサの変位量に応じて出力電圧が発生する量）、50％のデューティサイクル（等しい）を想定すると、方形波供給電圧は正弦波と同様に機能します。もちろん、正と負の半サイクル）。