Идея использования медной обмотки в качестве датчика не нова. Традиционная технология предполагает кратковременное отключение силовой цепи переменного тока и нагрузки и быстрое измерение с помощью омметра. Но представленная здесь схема идет дальше. Она может выполнять измерения прямо в схеме и в реальном времени.
Величина сопротивления определяется путем инжекции небольшого постоянного тока в контролируемую обмотку и измерения результирующего постоянного потенциала. Здесь, однако, следует проявлять осторожность, чтобы избежать серьезных ошибок, которые могут быть вызваны асимметрией силовых выпрямительных диодов, характером сетевой нагрузки или температурными градиентами. Для этого мы с очень низкой частотой чередуем полярность тока возбуждения и производим измерение напряжения синхронным методом. Это позволяет изолировать слабый полезный сигнал от присутствующих в схеме намного более высоких напряжений переменного и постоянного тока.
Ток возбуждения генерируется резистором R2 (Рисунок 1). Его полярность определяется элементами D4, Q2 или D3, Q1, которыми управляет генератор сверхнизкой частоты на микросхеме U3b.
 |
|
| Рисунок 1. | Эта схема, свободная от недостатков, присущих другим бессенсорным технологиям температурных измерений, использует в качестве датчика температуры обмотку трансформатора. |
Сигнал от трансформатора принимается резистором R3, и далее поступает на первый из каскада фильтров нижних частот, удаляющих частоту сети. Затем, после фильтрации и усиления, он поступает на инвертирующий усилитель U2c для формирования противофазного сигнала.
Оба сигнала используются микросхемой мультиплексора U1, включенного двухполупериодным синхронным демодулятором.
Этот детектор убирает все постоянные и переменные составляющие ошибок, накопившихся в процессе обработки сигнала, и отфильтровывает все частоты, кроме частоты модулирующего сигнала. Выходные сигналы детектора собираются балансным усилителем на микросхеме U2d, вход которого смещен в отрицательную область через резистор R16, и опять же, проходят через фильтр нижних частот.
В результате получается напряжение, пропорциональное сопротивлению трансформатора. При использованных в этом примере значениях сопротивления резистора R2 и усиления схемы, коэффициент пропорциональности равен 5 В/Ом. Схема создавалась для 48-вольтового трансформатора, сопротивление холодной обмотки которого равно 1.5 Ом, с начальным напряжением равным приблизительно 0 В при напряжении отрицательной шины 7.5 В. Температурный коэффициент сопротивления меди равен примерно +0.4%/°C.
Для компенсации фазовых сдвигов, вносимых многочисленными низкочастотными фильтрами, опорный сигнал для синхронного детектора берется не непосредственно, а с конденсатора C8. Дополнительно демодулированный выходной сигнал можно сравнивать с каким-либо внутренним пороговым напряжением, например, для того, чтобы сформировать тревожный сигнал перегрева.
В этом примере показан более универсальный вариант, когда напряжение преобразуется в низкочастотный сигнал ШИМ и передается во внешний мир через оптоизолятор U4.
Сигнал ШИМ, независимо от коэффициента передачи оптрона, одинаково легко может поддерживать как линейные, так и цифровые интерфейсы. При добавлении подтягивающего резистора сигнал может использоваться непосредственно входом микроконтроллера, или быть пропущен через фильтр нижних частот для восстановления аналогового значения.
U3c служит задающим генератором ШИМ, работающим на частоте 2 кГц, треугольные импульсы которого U3d сравнивает с выходным сигналом.
Вся схема берет питание от контролируемой обмотки через конденсатор C1.
В описываемой схеме конденсаторы C13 и C14 полярные. В нашем случае это нормально, но при других диапазонах измерения и масштабах преобразования они могут оказаться под обратным напряжением, и должны быть заменены неполярными. Выходное напряжение пропорционально также напряжению трансформатора, и если требуется истинная точность, необходимо включить элементы коррекции.
Это схема обладает множеством преимуществ:
- Схеме не требуется специальный датчик, что позволяет использовать ее с любым трансформатором.
- Поскольку датчиком является сам измеряемый элемент, не возникает проблем теплового контакта или задержки между реальными и измеренными значениями.
- Не требуется дополнительная обмотка.
- Схема не требует внешнего источника питания и потребляет лишь незначительную дополнительную мощность, забираемую от трансформатора.
- Низкоуровневый тестовый сигнал не оказывает влияния на работу трансформатора.
- Выход схемы имеет изолированную и удобную конфигурацию.
- Схема отличается простотой самокалибровки. Если коэффициент ее усиления задан так, что при холодной обмотке напряжение имеет точное значение (например, 0 В), то каждый дополнительный вольт соответствует определенному приросту температуры (в нашем примере это 34 °C).
- Усиление и элементы возбуждения могут быть подобраны в соответствии с параметрами любой обмотки, что позволяет использовать схему для контроля других типов моточных компонентов: электродвигателей, электромагнитов и т. д.
- Все вышеперечисленное достигнуто с использованием дешевых общедоступных компонентов.
