Traductoare pentru mărimi geometrice

4.4. Traductoare numerice pentru deplasări unghiulareSe numesc traductoare numerice şi nu elemente sensibile cu funcţionare

discretă, deoarece acestea sunt singurele traductoare pur numerice (care nu necesită conversie intermediară). Elementul sensibil propriu - zis îl constituie un disc codat, iar prelucrarea informaţiei numerice este specifică modului de codificare.

Principial există două tipuri de ES :a) Discuri codate absolut, la care (în orice moment), dispozitivul de

măsurare oferă informaţii asupra poziţiei unghiulare în raport cu un punct de referinţă - exprimată printr-un număr de cuante.

b) Discuri incrementale, care oferă o succesiune de impulsuri, în raport cu ultima poziţie atinsă, fiecare impuls reprezentând un increment (cuantă) de deplasare. Fiecare cuantă de deplasare echivalează cu o variabilă binară şi reprezintă un bit de informaţie (0 sau 1).

4.4.1. Elemente sensibile de tip disc codat absolut

Principiul realizării unui disc codat absolut cu elemente de contact constă în:- împărţirea domeniului de măsurare într-un număr de cuante elementare

(cuanta elementară determină rezoluţia);- alegerea unui cod de exprimare a valorilor cuantificate;- găsirea unei metode de înscriere a informaţiei pe disc şi implicit citirea

acesteia.În figura 4.33 este prezentată schema de principiu a unui disc codat care

acoperă 360 prin 32 de combinaţii, deci rezultă o cuantă elementară de . În figura menţionată s-a presupus un disc cu 5 piste concentrice, codificate – formând zone conductoare şi zone izolante.

Suprafeţele conductoare sunt legate electric printr-o perie fixă la un inel colector care formează pista de energizare. Pistele sunt testate de o serie de perii colectoare localizate la diferite distanţe radiale, fiecare perie fiind conectată prin conductor separat.

a) disc codat absolut b) secţiune prin pista unui disc codatFig. 4.33 Schema de principiu a discului codat

La rotirea discului periile se conectează la tensiunea comună de alimentare, acolo unde au contact cu o zonă metalică conductoare, ceea ce reprezintă "1" logic. Tranziţia de la porţiunea conductoare la cea izolantă trebuie să se facă lin, iar uzura pe suprafaţa discului să fie aceeaşi în orice

114

Capitolul 4

poziţie. De obicei atât pistele cât şi periile sunt aurite. Periile sunt miniaturale, iar deschiderea unei perii este foarte mică (0,003). Rezoluţia discului este determinată de numărul pistelor, deci precizia traductoarelor se poate mări, dacă numărul de piste creşte. Un disc cu 10 piste are o rezoluţie de 1:1024, iar pentru 5 piste rezoluţia este 1: 512 (scade la jumătate).

Pentru creşterea rezoluţiei se pot utiliza sisteme cu mai multe discuri, cuplate prin reductoare adecvate care pot (de exemplu) acoperi o rotaţie completă cu peste 8000 combinaţii.

Codurile cele mai utilizate la realizarea discurilor (absolute) sunt :1 - Codul binar - natural (specific circuitelor digitale).Dezavantajul acestui cod constă în faptul că informaţia se modifică mai mult de un bit la trecerea discului de la o poziţie la alta.2 - Codul BCZ (binar codificat zecimal) - utilizat în cazul când traductorul este cuplat într-un SRA discret ce lucrează în cod BCZ şi nu sunt necesare blocuri de conversie suplimentară.3 - Codul GRAY are avantajul de a fi monostropic (sau monodiferenţial), adică combinaţii binare vecine diferă numai prin modificarea unui singur bit. Această proprietate simplifică sistemul de testare şi decodificare, reducând costul. Codul Gray fiind neponderat, este necesară o logică electronică pentru convertirea semnalului de ieşire în codul dorit, (cod BCZ sau binar natural etc.).Observaţie:

În cazul traductorului rotativ cu disc absolut şi perii de contact (când nu se utilizează codul Gray) există posibilitatea apariţiei unei informaţii false, atunci când pe mai multe piste informaţia binară se modifică simultan. Pentru eliminarea acestei erori există mai multe metode de testare. Frecvent se foloseşte sistemul dublu de perii pentru fiecare pistă, la care se adaugă o logică de control care are rolul de a citi şi reţine ca valoare corectă numai informaţia transmisă de la o perie care nu este într-un regim de tranziţie.

Testarea în ”V” - foloseşte pentru fiecare pistă câte două perii colectoare notate : stânga şi dreapta, dispuse simetric în formă de "V" cu excepţia periei de pe pista 2° (cea mai puţin semnificativă). Distanţa dintre fiecare pereche de perii colectoare este egală cu lungimea de pistă corespunzătoare unui bit informaţional - măsurată pe pista anterior semnificativă.

Testarea în "U" - foloseşte pentru fiecare pistă câte două perii colectoare decalate cu 1/2 din lungimea de pistă corespunzătoare celui mai puţin semnificativ bit. Informaţia utilă este cea provenită de la un set de perii selectate o singură dată, în funcţie de bitul cel mai puţin semnificativ. Detalii referitoare la tehnicile de testare amintite sunt date în [2].

Eroarea totală a traductorului este determinată de :a) - Eroarea de cuantizare, inerentă ori de câte ori o funcţie liniar - variabilă (rotaţia axului) este discretizată într-un număr finit de cuante.

Prin această discretizare rezultă o eroare de ± 1/2 din valoarea bitului cel mai puţin semnificativ.Această eroare inevitabilă se poate reduce numai prin mărirea numărului de diviziuni ale discurilor.

115

Traductoare pentru mărimi geometrice

b) - Eroarea de ambiguitate - cauzată de faptul că două comutaţii "izolant – conductor" nu se produc simultan pe mai multe piste. Această eroare se elimină prin tehnicile de testare menţionate anterior.

c) eroarea de tranziţie, determinată de impreciziile de execuţie a discurilor codifidate, a planeităţii, concentricităţii şi a perpendicularităţii acestora, inclusiv de uzura lagărelor, a periilor şi discurilor. d) zgomotul generat de variaţia rezistenţei de contact (mai evident la trecerea

din "0" în "1" în regimurile tranzitorii (perii - disc).Limitele de funcţionare impuse de caracteristicile electrice sunt: Limite de tensiune (5 10 V) - limita maximă este impusă de elementele de comutaţie statică din logica electronică. Limitele de curent (0,5 2 mA) - impuse de numărul de întreruperi între perii şi piste pentru evitarea eroziunii dată de energia de descărcare electrică (microarcuri electrice de contact). Rezistenţa activă de contact care trebuie să evite orice ambiguitate datorate uzurii, acceleraţiei sau vibraţiilor. Se recomandă o rezistenţă de peste 5000Ω (5KΩ) pentru contact deschis şi sub 200Ω - pentru contact închis. Limitări ale lungimii cablului de legătură şi limitări de viteză - impuse de parametrii electrici:Exemplu : Dacă tensiunea de alimentare este = 12 V şi curentul la perii: = 1 mA, rezultă rezistenţa de sarcină necesară de 12 KΩ (conform legii lui Ohm).Utilizând un cablu cu capacitanţă: c = 150 pF/m, se poate calcula întârzierea (infomaţiei) în linie pentru o lungime de cablu =100m, cu relaţia:

;. Pentru această înârziere ( = 0,126ms), în [2] se arată că viteza de rotaţie maximă (pentru un disc cu 256 combinaţii la care se obţine precizia dorită) este de 1,56 rot/s.

4.4.2. Elemente sensibile de tip disc magnetic absolut Elementele sensibile de tip disc magnetic absolut sunt discuri acoperite cu

material magnetic utilizat în echipamentele de înregistrare magnetică.Locul codurilor (ce corespund zonelor conductoare şi izolatoare de la

discurile absolute cu contact) - este preluat de un model de magnetizare preînregistrat pe disc sub forma unei zone magnetizate - ce corespunde lui "0" logic şi nemagnetizată ce corespunde lui "1" logic.

Capetele de citire sunt mici miezuri magnetice toroidale utilizate la citirea memoriilor magnetice. În jurul acestor miezuri sunt dispuse câte două bobine : - una pentru citire şi alta care asigură energia necesară. Semnalul de energizare este de regulă o sinusoidă cu f 200 Khz şi amplitudine constantă - figura 4.34.

Tensiunea de ieşire este tot o sinusoidă cu frecvenţa de 200 KHz, dar are amplitudinea dependentă de poziţia torului în raport cu zonele magnetizate. Dacă zona este magnetizată, circuitul magnetic este saturat, iar tensiunea de ieşire este de nivel redus (nivel " 0 " logic). Când torul se află în dreptul unei

116

Capitolul 4

zone nemagnetizate, tensiunea indusă în circuitul magnetic nesaturat are nivel ridicat (" 1" logic). Semnalul obţinut este demodulat (Ud) şi apoi formatat (compatibil TTL) într-un circuit de tip trigger Schmitt.

Fig. 4.34 Disc absolut magnetic

La aceste discuri eliminarea erorii de ambiguitate (când mai mult de 1 bit se modifică simultan) se face utilizând coduri de tip ciclic (Gray) gau dispunând torurile de citire pe principiul arătat la citirea (testarea) în " V ".

Observaţie :Sunt mai precise (şi mai complexe) decât discurile cu elemente de contact,

având o durată de viaţă foarte mare, dar nu pot fi utilizate în prezenţa unor câmpuri magnetice perturbatoare.

4.4.3. Elemente sensibile realizate cu discuri opticeMajoritatea traductoarelor numerice absolute se bazează pe principii optice

şi conversie fotoelectrică. Discul optic codat este realizat din sticlă specială pe care sunt trasate spaţii (fante) transparente şi opace. La disc se asociază o sursă de lumină - cuplată cu un sistem optic şi o matrice de fotoelemente dispuse radial, ca în figura 4.35.

117

Traductoare pentru mărimi geometrice

Fig. 4.35 - Disc optic absolutEmiţătorul de lumină are în componenţă diode electroluminiscente Galliu – Arseniu (Ga - As) cu durată de viaţă foarte mare (peste 105 ore).Performanţele măsurării unghiului sunt date de calitatea realizării discului prin tehnici de reproducere fotografică de înaltă calitate.

La aceste traductoare se utilizează frecvent codul Gray(datorită proprietăţii sale de monostropicitate) cât şi codurile binar – natural; coduri BCD; coduri care simulează funcţiile sin, cos, log. Astfel se pot obţine rezoluţii de 1: . În figura 4.36 sunt prezentate două modalităţi de iluminare a discului optic, folosind o lampă cu incandescenţă: În figura 4.36-a, sistemul bec-lentilă iluminează o faţă a discului, iar senzorii (fotoelementele) sunt dispuşi în dreptul unei fante, pe linia de citire. În figura 4.36-b, sistemul optic produce o singură linie luminoasă care se proiectează (prin climator) pe lina de citire de pe disc

- Durata de viaţă a acestui traductor este dată de numărul de ore de funcţionare a rulmenţilor axului, cât şi numărul de ore ( ) a sursei de lumină.

Fig. 4.36 – Modalităţi de iluminare a discurilor: a) cu fantă; b) prin colimator

Cu filamente speciale, pe un disc cu diametru de 150 mm, se pot citi până la 5000 biţi. Receptorul este totdeauna format din elemente fotosensibile asociate cu circuite de amplificare şi formatoare de impulsuri dreptunghiulare (Trigger Schmitt).

Eroarea specifică acestor sisteme de citire optice este eroarea de histerezis - generată de diferenţa nivelurilor de tensiune la trecerea din zona întunecoasă în

118

Capitolul 4

zona transparentă faţă de trecerea inversă. Acest fenomen se prezintă grafic în figura 4.37.

Fig. 4.37 - Eroarea de histerezis (δ) la traductoarele incrementale.

Eroarea de histerezis (δ) este considerată un avantaj, fiind utilizată pentru corecţia erorilor ce apar datorită vibraţiilor. Corecţia se realizează prin balierea discurilor optice, utilizând metode adecvate.

Observaţie:Discurile codate (optice) pot fi folosite şi la măsurarea indirectă a deplasărilor liniare cuplând mai multe discuri cu raporturi de reducere (a turaţiei) adecvate. Astfel se asigură măsurări cu precizie de 10μ la deplasări pe domenii de (2 …10) m. În acest caz se ţine seama de faptul că pentru o viteză a organului mobil egală cu 10 m/min., măsurarea deplasării cu o precizie de 10 -2 mm, inplică o frecvenţă de cel puţin 20 kHz pe pista LSB.

4.4.4. Traductoare incrementale pentru deplasări unghiulareAceste traductoare sunt proiectate şi construite astfel încât să genereze un

număr fix de impulsuri pentru fiecare unitate (cuantă) de rotaţie unghiulară (increment unghiular) a discului codat. Procedeul de sesizare al incrementelor poate fi magnetic sau optic. Procedeul optic este cel mai răspândit datorită relativei simplităţi constructive şi a unor facilităţi de prelucrare a semnalelor.

Circuitul electronic asociat discului trebuie să conţină un numărător care să ofere o ieşire numerică, într-un anume cod dependent de numărul de incremente generate de disc, plecând de la o anumită poziţie. Discul codat conţine o reţea optică de zone active, alternate cu interstiţii de aceeaşi lăţime. Zonele active se disting de interstiţii, fie prin transparenţă (procedeu de măsurare de tip diascopic), fie prin puterea de reflecţie (procedeu de măsurare episcopic ).

Citirea este realizată de un cap (palpator) cu o grilă de urmărire (scanare) prevăzută cu ferestre în dreptul fiecărei piste.

a) Procedeul diascopic.În acest caz reţeaua optică este dispusă pe un disc de sticlă şi constă în zone

transparente alternate cu interstiţii opace. Lumina generată de sursă este dirijată printr-un sistem de lentile optice paralel prin disc spre reticulul palpator - figura 4.38. Când discul se roteşte în raport cu capul de citire, intensitatea luminoasă ce acţionează asupra fotoelementelor variază periodic, iar variaţiile de intensitate

119

Traductoare pentru mărimi geometrice

sunt transformate de fotoelemente în semnale electrice.

Figura 4.38 - Procedeul diascopic

Fiecare fotoelement baleiază simultan mai mulţi paşi din reţeaua optică . În acest mod fluxul luminos care trebuie exploatat este mai puternic, şi ca urmare micile imperfecţiuni tehnologice sau impurităţi locale nu falsifică rezultatul măsurării.

b) Procedeul episcopic.La acest procedeu reţeaua (optică) de măsură este aplicată pe un disc

inoxidabil şi constă din striaţii reflectorizante. Lumina lămpii cade oblic (prin reticulul palpator) pe disc şi este reflectată de acesta, apoi (după ce traversează interstiţiile transparente ale reticulului palpator acţionează asupra fotoelementelor) - figura 4.39. Deplasarea discului în raport cu reticulul palpator produce variaţii luminoase asemănătoare cu cele obţinute prin procedeul diascopic. Maximul de intensitate (luminoasă) se obţine când interstiţiile transparente ale reticulului coincid cu zonele reflectorizante de pe disc.

Fig. 4.39 - Procedeul episcopic.

Sistemul de obţinere şi prelucrare a semnalelor este acelaşi indiferent de procedeul de măsurare utilizat. Cel mai răspândit sistem de citire utilizează o grilă de scanare având patru ferestre poziţionate astfel încât semnalele de ieşire ale fotoelementelor sunt decalate cu un sfert de perioadă, ceea ce conduce la obţinerea a patru semnale sinusoidale decalate fiecare cu 90 (figura 4.40-b.).

120

Capitolul 4

Fig. 4.40 – Procedeu de scanare multiplă: a) amplasarea fotoelementelor; b) diagrama de semnale

Cele patru fotoelemente asociate reticulului palpator sunt cuplate în perechi, utilizând un montaj diferenţial,astfel încât de la fiecare pereche de fotoelemente ( ), respectiv ( ), se obţin două semnale cvasisinusoidale şi defazate cu 90° electrice între ele. În plus, se generează un semnal de zero la un număr întreg de diviziuni, utilizat la controlul impulsurilor false sau pentru reproducerea unei poziţii de referinţă. În figura 4.41 se prezintă schema bloc a unui adaptor pentru traductorul optic incremental.

Fig. 4.41 – Schema de principiu a adaptorului pentru traductorul optic incremental

121

Traductoare pentru mărimi geometrice

Semnalele furnizate la ieşirea capului de testare sunt aplicate unui bloc electronic de prelucrare a impulsurilor unde sunt amplificate, formatate prin triggere Schmitt şi adaptate pentru logica TTL .

Cele patru trenuri de impulsuri ( , şi , ) compatibile TTL, pot fi utilizate în următoarele scopuri [2]:a – sesizarea sensului de deplasare, utilizând semnale obţinute prin derivarea fronturilor pozitive şi negative ale semnalelor şi ;b – exploatarea multiplă a semnalelor, astfel încât pentru acelaşi increment de deplasare (măsurat) se obţin două sau patru impulsuri printr-o logică adecvată, ceea ce conduce la creşterea preciziei de măsurare a traductorului. c – corectarea impulsurilor parazite, care sunt determinate de vibraţiile mecanice la antrenarea discului optic şi reticulului palpator, cât şi de câmpurile electrice şi magnetice exterioare.

122