Датчик угла поворота антенны

В радиолюбительской практике зачастую приходится заниматься установкой направленных антенн на КВ и УКВ диапазонах и часто возникает вопрос, как следить за направлением максимума диаграммы направленности такой антенны по азимуту?

Существует много решений: от простейших механических индикаторов-семафоров, в том числе, сельсин-датчики и сельсин-индикаторы, до сложных схем, с использованием электронных компонентов, включая видовые сегментные индикаторы, микропроцессоры и т.п.

Окончательный выбор – всегда за радиолюбителем, с его возможностями приобрести или создать необходимое устройство, используя узлы бывшей в употреблении аппаратуры и доступной в продаже комплектации.

Обычно направленные антенны устанавливаются на мачтах, поднимаемых с земли, или со строений, например: различных металлических ферм, зданий и сооружений. Сама же радиостанция  расположена в жилом или в промышленном здании.

На мачте устанавливается поворотное устройство, позволяющее вращать антенну с возможностью реверса на угол более 360 – 400 градусов по азимуту, и, в особых случаях, если это необходимо для направления на спутники связи Земли – по углу места в пределах от горизонта (нуль градусов) до 95 – 100 градусов.

Одним из простейших датчиков, определяющих угловую координату отработки поворотного устройства антенны – редуктора с реверсивным двигателем, относительно условной точки отсчета по углу места, например: нуль градусов, направление на магнитный (географический) Северный полюс, является устройство – потенциометр.

Потенциометры в качестве датчиков, преобразующих вращение или перемещение механических систем в электрический сигнал, используются в технике, пожалуй, с момента их создания.

В конструкции первой в мире баллистической ракеты дальнего действия ФАУ-2 (нем. V-2), разработанной талантливым конструктором Вернером фон Брауном, и принятой на вооружение Вермахтом в 1942 году, в системе управления рулями использовались потенциометры, для определения положения рулей.

В схемах контроля угла поворота, в качестве датчика используется так называемый кольцевой потенциометр. Кольцевой потенциометр представляет собой устройство, которое предназначено для выработки электрического сигнала, пропорционального углу поворота ротора относительно статора. Главное его отличие от других переменных резисторов заключается в его обмотке, которая выполнена на торроидальном, цилиндрическом каркасе статора, и не имеет «ни начала, ни конца»! 

На роторе кольцевого потенциометра установлены и закреплены два контакта – токосъемника, скользящих по торцу кольцевого резистора на статоре, расположенные относительно друг друга под углом 180 градусов и обеспечивающие надежный контакт с витками обмотки.

Важными особенностями этой кольцевой обмотки потенциометра являются выводы обмотки – их три, и они выполнены под углом 120 градусов относительно друг друга. Образовавшиеся три части обмотки, при плотной намотке провода, образуют три геометрически одинаковых хорды окружности обмотки; равные по величине также будут измеренные величины их сопротивления. Схема функциональная такого устройства изображена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема функциональная кольцевого потенциометра

где: поз.1 – два токосъемника ротора; поз. 2 – ось роторной части потенциометра; поз. 3 – изолятор для первого токосъемника, второй токосъемник соединен с осью; A, B и C – выводы обмотки статора потенциометра; поз. «+» и поз. «-» - выводы с токосъемников ротора потенциометра (показаны условно).

 

Используя такой датчик и располагая компактным промышленным указателем типа ПДК-59 (см. рисунок 2), со списанных летательных аппаратов, не представляет труда собрать в любительских условиях индикаторное устройство для определения положения Вашей антенны, например, по углу места. Указатель подключается к датчику угла поворота антенны при помощи трехполюсного типового штепсельного разъема.

Но такой потенциометр трудно приобрести. Поэтому попробуем рассказать Вам, как можно его сделать своими руками, в своей небольшой мастерской, имея навыки слесарной и электротехнической начальной подготовки.

Указатель ПДК-59 работает на постоянном токе, напряжением до 27 В.

 

Рисунок 2. Индикатор угла поворота ПДК-59.

 

В паре с ним должен работать потенциометр с кольцевой обмоткой и тремя выводами под 120 градусов. Три вывода потенциометра должны быть подключены к трем соответствующим выводам индикатора ПДК-59, а источник питания 27 В должен быть подключен, соответственно, к двум скользящим контактам ротора потенциометра (минус питания – на корпусе ротора). При включении питания, правильно собранная схема сразу начнет работать!  Это в идеальном варианте.

Практически, в зависимости от использованного поворотного устройства антенны (как реализовано вращение ротора потенциометра и главного поворотного вала редуктора) - прямое или обратное, необходимо выполнить реверс индикатора – по часовой стрелке, или против часовой стрелки. Для этого необходимо поменять местами два вывода статора.  

Возможно, при первичном включении антенна будет направлена на север, а индикатор показывает или 120 градусов, или 240 градусов. Необходимо по часовой, или против часовой стрелки, синхронно сместить (переключить) все три провода указателя относительно проводов потенциометра. Возможно, такое переключение будет необходимо выполнить дважды.

Какой же потенциометр необходимо будет выбрать для основы при доработке его до параметров необходимого датчика?

Выбор его должен быть обусловлен:

- возможностью его работы по климатическим факторам, в условиях окружающей среды;

- необходимостью использования только проволочного резистора;

- ротор потенциометра должен иметь выход поворотной части диаметром 6 мм (желательно).

Какие еще требования необходимо учитывать при проведении доработки?  Желательно, чтобы:

- потенциометр был установлен в доступном месте для его осмотра;

- ротор потенциометра должен быть связан кинематически с выходным валом поворотного редуктора, с передаточным отношением 1:1;

- механическое подключение к валу редуктора должно обеспечиваться с помощью упругой муфты;

- необходимо обеспечить защиту потенциометра от пыли, влаги и сильных струй воды;

- подключение к указателю и источнику питания должно быть выполнено кабелем снижения с электрическим разъемом, исключая попадание воды в разъем и кабель.    

Автор неоднократно дорабатывал серийно выпускаемые промышленностью потенциометры типа ППБ-50. Эти потенциометры обладают важным свойством для выполнения апгрейда – их конструкция разборная! Поэтому их можно доработать, придав ему функции датчика угла поворота радиолюбительской антенны. Внешний вид потенциометра изображен на рисунке 3.

Приступим к изготовлению такого датчика.

Вам необходимо приобрести два одинаковых потенциометра ППБ-50 с сопротивлением 330 Ом.

  1. Вначале произведем частичную разборку потенциометра:

 Рисунок 3. Потенциометр ППБ-50

где: поз. 1 – ось роторной части потенциометра; поз. 2 – стопорное кольцо оси; поз.  3 – керамический каркас статора;
поз. 4 – торроидальный кольцевой проволочный резистор с защитной оболочкой из стеклоткани. поз. 5 – скользящий контакт ротора.

1.1 демонтируем ротор. Для этого необходимо, см. рисунок 3, расстопорить на оси, поз. 1, стопорное кольцо, поз. 2, и вынуть ротор из статора. Снять с оси скользящий контакт с изолятором, поз. 5, разобрать  его и все детали сохранить;

1.2 на торце оси ротора, со стороны расположения скользящего контакта с изолятором, поз. 5, выполнить резьбовое отверстие М3х8, желательно на токарном станке;

1.3 изготовить две детали: Скользящий контакт, Д-001 и Прижим, Д-002 по чертежам, которые необходимо скачать в приложении и распечатать. Комплект деталей ротора датчика изображен на рисунке 4, а собранный ротор – на рисунке 5.

Необходимо заметить, что деталь Д-001 должна быть обязательно изготовлена из пружинной стали. В случае невозможности приобретения такой листовой стали, можно, как заготовку, использовать контакты от старых электромагнитных реле типа МКУ- 48 или других;

 

Рисунок 4. Детали ротора датчика,

где: поз. 1 – ось ротора; поз. 2 – скользящий контакт с изолятором; поз. 3 – новая деталь Д-001, скользящий контакт;
поз. 4 – новая деталь Д-002, прижим; поз. 5 – винт М3х6, комплект шайб – пружинная и плоская.

 

1.4 произвести сборку ротора, установив детали Д-001, поз.3, и Д-002, поз.4, см. рисунок 5, на оси, поз. 1, расположив деталь Д-001 под углом 180 градусов к штатному скользящему контакту с изолятором, и закрепить метизами, а также законтрить краской. Установку детали     Д-001 по отношению к штатному скользящему контакту строго под углом 180 градусов необходимо выполнить подгибкой четырех фиксаторов, выполненных на детали Д-002.

Крепление деталей ротора осуществляется винтом М3х8 и комплектом шайб: плоской и пружинной. При закреплении необходимо следить, чтобы деталь Д-002 фиксировала своими фиксаторами одновременно деталь Д-001 и изолятор, как показано на рисунке 5.

2. Разборка статора.

2.1 с оставшейся части потенциометра, см. рисунок 6, необходимо:

  • открутить метизы, поз. 1, демонтировать их и планки – гайки внутри керамического каркаса;
  • демонтировать две выводные планки, поз. 4, и снять стеклопластиковый кожух, поз. 3;

 

Рисунок 5. Ротор датчика в сборе,

где: поз.1 – ось ротора; поз. 2 – штатный скользящий контакт с изолятором; поз. 3 – деталь Д-001; поз. 4 – деталь Д-002.

  

Рисунок 6. Статор потенциометра, подготовленный для разборки,

где: поз. 1 – винты; поз. 2 – выводная планка; поз. 3 – стеклопластиковый кожух; поз. 4 – клемма подключения изолированного скользящего контакта.

 

  • далее необходимо, зажав плоскогубцами клемму подключения, поз. 4, повернуть ее вокруг собственной оси, при этом выправить ее плоскость, и аккуратно повернуть эту клемму в противоположную сторону (по направлению к держателю оси ротора), прижав ее к плоскости керамики;
  • к развернутой клемме, поз. 4, необходимо паяльником припаять отрезок изолированного провода МГШВ или МГТФ сечением 0,5 мм2, длиной 100 мм.

Статор подготовлен к дальнейшей доработке, но вначале необходимо взять второй потенциометр, с таким же номиналом сопротивления, и выполнить его разборку до такого же состояния.

Рисунок 7. Установка и закрепление дополнительного сектора кольцевой обмотки,

где: поз. 1 – существующая торроидальная обмотка резистора; поз. 2 – дополнительно подготовленная часть кольцевой обмотки;
поз. 3 – керамический каркас статора; поз. 4 – штатный скользящий контакт на изоляторе;
поз. 5 – дополнительный скользящий контакт, деталь Д-001; поз. 6 – планка, деталь Д-002.

 

  • определить замерами средину обмотки статора с помощью измерительного прибора (тестера) и сделать метку на этом месте. При этом величина двух образовавшихся частей обмотки будет иметь сопротивление R1=R2. Для придания датчику функции совместной работы с указателем ПДК-59 (функция кольцевого потенциометра с тремя выводами от равных частей обмотки, рисунок 1), обмотку необходимо доработать третьей частью, согласно равенству R1=R2=R3. Для этого необходимо на втором разобранном потенциометре определить методом измерения тестером необходимую часть - R3, добавить еще два-три витка обмотки для выравнивания сопротивления при регулировке, сделать метку и бокорезами отделить ее от остальной обмотки. Аккуратно, используя скальпель или узкий нож, отделить эту часть обмотки от керамического каркаса;

2.5 далее необходимо выполнить очень важную операцию! Внимательно посмотрите на рисунок 7, на то место, где показана уже закрепленная третья часть обмотки. Штангенциркулем необходимо измерить по хорде первую и вторую часть обмотки – они должны быть равны! Измерение необходимо выполнять от метки – определенного ранее центра штатной обмотки. Необходимо сравнить - равна ли длина хорды третьей обмотки длинам каждой из хорд первой и второй обмоток, или нет? В идеальном случае она должна быть равна! Но могут быть и отклонения от равенства.       

        Проверку можно выполнить следующим образом. Приложить начало третьей части обмотки к концу первой обмотки, прижать третью обмотку к керамическому каркасу и убедиться, что конец третьей части совпадает с началом второй обмотки.  На рисунке 7 видно, что автору доработок пришлось симметрично расположить третью обмотку между первой и второй, и тестером, последовательно проверяя реальное сопротивление трех частей, определить точные координаты точек спая проводников кольцевой обмотки.

Контрольное измерение равенства сопротивления трех обмоток необходимо выполнить после спая конца первой обмотки с началом третьей. Если они будут равны – можно приступать к пайке последнего стыка: конец третьей обмотки к началу второй.

После этой пайки образуется кольцевая обмотка.

Эта операция очень важная. Автор не описывал много ньюансов по фиксации третьей части обмотки к каркасу, о выполнении изоляции между частями обмоток, изоляции клеммы ротора под третей обмоткой, о пайке проводников обмоток из высокоомного сплава.

Эти приемы необходимо знать из Вашего достаточного опыта радиолюбительства. Все же отмечу, что изолировать необходимо используя тонкие, например, фторопластовые ленты или тонкий электротехнический картон; паять необходимо с зачисткой проводов и использованием флюсов; а окончательно закреплять собранную кольцевую обмотку необходимо с использованием бандажных ниток, при этом положив под третью обмотку и керамический каркас небольшой слой эпоксидной смолы.

Перед фиксацией собранной конструкции эпоксидной смолой необходимо вставить в статор собранный ротор датчика и проверить, как работают два токосъемника ротора, взаимодействуя с кольцевой обмоткой при повороте ротора, как они проходят участки стыковки обмоток. Необходимо убедиться, что все выполняется штатно, без упора в части конструкции и без отрыва контактов от кольцевой обмотки.   Это можно проконтролировать визуально или собрать простейшую измерительную цепь со стрелочным индикатором. И только после этого, произвести окончательную фиксацию бандажом из ниток, и сверху покрыть необходимые места смолой.

При затвердении смолы, а это может быть несколько часов, необходимо периодически контролировать, не попала ли смола под токосъемники на обмотке, а также внутри каркаса под штатный токосъемник ротора датчика, подшипник скольжения ротора и т.д.

Я не останавливаюсь на том, что к точкам спаев обмоток статора необходимо припаять и выводы статора, аккуратно покрыть их смолой и свернуть в жгут, необходимой Вам длины, распаять на любую удобную для Вас колодочку или полуразъем, используя монтажный провод МГШВ или МГТФ сечением 0,5 мм2. При этом прозвонить цепи и зафиксировать в блокноте номера соответствующих выводов датчика.

А теперь о метрологии. Изготовив подобный датчик, радиолюбитель естественно задаст вопрос – а с какой точностью датчик будет фиксировать угол поворота антенны? И какая линейность будет у этой системы измерения?

Что касается указателя, если Вам это необходимо знать, параметры по его точности можно найти в Интернете, в его паспорте. Указатель имеет линейную шкалу с триста шестьюдесятью (360) отметками но кругу. При диаметре лимба 65 мм чтение информации глазом будет не хуже ± 1 градус.

        Точность датчика, при его изготовлении, в конечном итоге, определяется прежде всего Вашими навыками «мастерить», и уметь точно выполнять измерения электрических величин.

Но даже достигнутая Вами точность фиксации датчиком угла поворота антенны в ± 2 градуса, естественно, будет «перекрыта» реальной характеристикой главного лепестка диаграммы направленности Вашей КВ или УКВ антенны метрового или дециметрового диапазона, где эти углы диаграммы направленности  по уровню 0,707 составляют (10 – 30) градусов! 

Не волнуйтесь! Изготовленный Вами датчик будет реально фиксировать поворот Вашей антенны с необходимой точностью для использования на КВ и УКВ, при проведении радиолюбительских связей!

Для узконаправленных антенн СВЧ - диапазона необходимо использовать другие, более точные системы и приборы.

В заключение изложения данного материала предоставляем Вам принципиальную схему устройства индикации поворота антенны, см. рисунок 8, изготовленного с использованием приборов, описанных выше.

Рисунок 8. Схема принципиальная индикации поворота антенны.

Назначение резистора в цепи питания устройства – уменьшение токовой нагрузки на датчик и указатель, а его величина и мощность определяется опытным путем, по скорости реагирования указателя на реальную скорость поворотного устройства антенны и его запаздывание, связанное с износом от его эксплуатации в прошлом.

Желаю творческих успехов!

 

        Игнатов Г.С.  UT1HT.

 

Приложения для «скачивания» чертежей:

  1. Деталь Д-001;
  2. Деталь Д-002.
Последние изменения Среда, 06 Ноябрь 2019 08:54
Super User

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit. Proin ornare consectetur sodales. Nulla luctus cursus mauris at dapibus. Cras ac felis et neque consequat elementum a eget turpis. Aliquam erat volutpat.