Датчик кута повороту антени

У радіоаматорській практиці частенько доводиться займатися установкою спрямованих антен на КХ та УКХ діапазонах і часто виникає питання, як стежити за напрямом максимуму діаграми спрямованості такої антени по азимуту?

Існує багато рішень: від простих механічних індикаторів-семафорів, у тому числі, сельсин-датчики і сельсин-індикатори, до складних схем, з використанням електронних компонентів, включаючи видові сегментні індикатори, мікропроцесори тощо.

Остаточний вибір - завжди за радіоаматором, з його можливостями придбати або створити необхідний пристрій, використовуючи вузли вживаної апаратури і доступної у продажу комплектації.

Зазвичай спрямовані антени встановлюються на щоглах, що піднімаються із землі, або з будов, наприклад: різних металевих ферм, будівель і споруд. Сама ж радіостанція розташована в житловій або в промисловій будівлі.

На щоглі встановлюється поворотний пристрій, що дозволяє обертати антену з можливістю реверсу на кут більше 360 - 400 градусів по азимуту, і, в особливих випадках, якщо це необхідно для напряму на супутники зв'язку Землі - по куту місця в межах від горизонту (нуль градусів) до    95 - 100 градусів.

Одним із простих датчиків, що визначають кутову координату відпрацювання поворотного пристрою антени, - редуктора з реверсивним двигуном, відносно умовної точки відліку за кутом місця, наприклад: нуль градусів, напрям на магнітний (географічний) Північний полюс, являється пристрій – потенціометр.

Потенціометри як датчики, що перетворюють обертання або переміщення механічних систем в електричний сигнал, використовуються в техніці, мабуть, з моменту їх створення.

У конструкції першої у світі балістичної ракети далекої дії ФАУ- 2 (нім. V-2), розробленою талановитим конструктором Вернером фон Брауном, і прийнятою на озброєння Вермахтом у 1942 році, в системі управління кермом використовувалися потенціометри, для визначення положення керма.

У схемах контролю кута повороту, у якості датчика використовується так званий кільцевий потенціометр. Кільцевий потенціометр є пристроєм, який призначений для вироблення електричного сигналу, пропорційного куту повороту ротора відносно статора. Головна його відмінність від інших змінних резисторів полягає в його обмотці, яка виконана на тороїдальному, циліндричному каркасі статора, і не має "ні початку, ні кінця"!

На роторі кільцевого потенціометра встановлено і закріплено два контакти - струмознімачі, що ковзають по торцю кільцевого резистора на статорі, що розташовані один відносно одного під кутом 180 градусів і які забезпечують надійний контакт з витками обмотки.

Важливими особливостями цієї кільцевої обмотки потенціометра є виводи обмотки - їх три, і вони виконані під кутом 120 градусів один відносно одного. Три частини обмотки, що утворилися, при щільному намотуванні дроту, утворюють три геометрично однакові хорди кола обмотки; рівні за величиною також будуть виміряні величини їх опору.  Схема функціональна такого пристрою зображена на рисунку 1.

Рисунок 1. Схема функціональна кільцевого потенціометра

де: поз.1 - два струмознімача ротора; поз. 2 - вісь роторної частини потенціометра;
поз. 3 - ізолятор для першого струмознімача, другий струмознімач сполучений з віссю;
A, B і C - виводи обмотки статора потенціометра; поз. "+" і поз. "-" - виводи із струмознімачів ротора потенціометра (показані умовно).

 

Використовуючи такий датчик і коли є в розпорядженні компактний промисловий покажчик типу ПДК-59 (див. рисунок 2), із списаних літальних апаратів, не представляє проблем зібрати в домашніх умовах індикаторний пристрій для визначення положення Вашої антени, наприклад, за кутом місця. Покажчик підключається до датчика кута повороту антени за допомогою трьохполюсного типового штепсельного роз'єму.

Але такий потенціометр важко придбати. Тому спробуємо розповісти Вам, як можна його зробити своїми руками, у своїй невеликій майстерні, маючи навички слюсарної і електротехнічної початкової підготовки.

Покажчик ПДК-59 працює на постійному струмі, напругою до 27 В.

 

Рисунок 2. Індикатор кута повороту ПДК-59.

 

У парі з ним повинен працювати потенціометр з кільцевою обмоткою і трьома виводами під 120 градусів. Три виводи потенціометра мають бути підключені до трьох відповідних виводів індикатора ПДК-59, а джерело живлення 27 В має бути підключений, відповідно, до двох ковзаючих контактів ротора потенціометра (мінус живлення - на корпусі ротора). Після увімкнення живлення, правильно зібрана схема відразу почне працювати!  Це в ідеальному варіанті.

Практично, залежно від використаного поворотного пристрою антени (як реалізовано обертання ротора потенціометра і головного поворотного вала редуктора) - пряме або зворотнє, необхідно виконати реверс індикатора - за годинниковою стрілкою, або проти годинникової стрілки. Для цього необхідно поміняти місцями два виводи статора.

Можливо, під час первинного увімкнення антена буде спрямована на північ, а індикатор показує або 120 градусів, або 240 градусів. Необхідно за годинниковою, або проти годинникової стрілки, синхронно змістити (перемкнути) усі три дроти покажчика відносно дротів потенціометра. Можливо, таке перемикання буде необхідно виконати двічі.

Який же потенціометр необхідно буде вибрати для основи при доопрацюванні його до параметрів необхідного датчика?

Вибір його має бути обумовлений:

- можливістю його роботи за кліматичними чинниками, в умовах довкілля;

- необхідністю використання тільки дротяного резистора;

- ротор потенціометра повинен мати вихід поворотної частини діаметром 6 мм (бажано).

Які ще вимоги необхідно враховувати під час проведення доопрацювання?  Бажано, щоб:

- потенціометр був встановлений в доступному місці для можливості його огляду;

- ротор потенціометра має бути пов'язаний кінематично з вихідним валом поворотного редуктора, з передавальним відношенням 1:1;

- механічне підключення до валу редуктора повинне забезпечуватися за допомогою пружної муфти;

- необхідно забезпечити захист потенціометра від пилу, вологи і сильних струменів води;

- підключення до покажчика і джерела живлення має бути виконане кабелем зниження з електричним роз'ємом, виключаючи попадання води в роз'єм і кабель.   

Автор неодноразово допрацьовував потенціометри типу ППБ-50, що серійно випускалися промисловістю. Ці потенціометри мають важливу якість для виконання апгрейда - їх конструкція розбірна! Тому їх   можна допрацювати, надавши їм функції датчика кута повороту радіоаматорської антени. Зовнішній вигляд потенціометра зображений на рисунку 3.

Приступимо до виготовлення такого датчика.

Вам необхідно придбати два однакові потенціометри ППБ-50 із опором 330 Ом.

  1. Спочатку виконаємо часткове розбирання потенціометра:

Рисунок 3. Потенціометр ППБ-50

де: поз. 1 - вісь роторної частини потенціометра; поз. 2 - стопорне кільце осі; поз.      3 - керамічний каркас статора;
поз. 4 - тороїдальний кільцевий дротяний резистор із захисною оболонкою із склотканини. поз. 5 - ковзаючий контакт ротора.

1.1 демонтуємо ротор. Для цього необхідно, див. рисунок 3, розстопорити на осі, поз. 1, стопорне кільце, поз. 2, та вийняти ротор із статора. Зняти з осі ковзаючий контакт з ізолятором, поз. 5, розібрати  його і усі деталі зберегти;

1.2 на торці осі ротора, з боку розташування ковзаючого контакту з ізолятором, поз. 5, виконати різьбовий отвір М3х8, бажано на токарному верстаті;

1.3 виготовити дві деталі: Ковзаючий контакт, Д-001 і Притиск,      Д-002 за кресленнями, які необхідно зкачати з додатка і роздрукувати. Комплект деталей ротора датчика зображений на рисунку 4, а зібраний ротор - на рисунку 5.

Необхідно відмітити, що деталь Д-001 має бути обов'язково виготовлена з пружинної сталі. У разі неможливості придбання такої листової сталі, можна, у якості заготовки, використовувати контакти зі старих електромагнітних реле типу МКУ-48 або інших;

 

Рисунок 4. Деталі ротора датчика

де: поз. 1 - вісь ротора; поз. 2 - ковзаючий контакт з ізолятором; поз. 3 - нова деталь Д-001, ковзаючий контакт;
поз. 4 - нова деталь Д-002, притиск; поз. 5 - гвинт М3х6, комплект шайб - пружинна і плоска.

 

1.4 виконати складання ротора, встановивши деталі Д-001, поз. 3, і     Д-002, поз. 4, див. рисунок 5, на осі, поз. 1, розташувавши деталь Д-001 під кутом 180 градусів до штатного ковзаючого контакту з ізолятором, і закріпити метизами, а також законтрити фарбою. Установку деталі       Д-001 по відношенню до штатного ковзаючого контакту строго під кутом 180 градусів необхідно виконати підгинанням чотирьох фіксаторів, виконаних на деталі Д-002.

Кріплення деталей ротора здійснюється гвинтом М3х8 і комплектом шайб: плоскою та пружинною. Під час закріплення необхідно стежити, щоб деталь Д-002 фіксувала своїми фіксаторами одночасно деталь Д-001 і ізолятор, як показано на рисунку 5.

2. Розбирання статора.

2.1 з частини потенціометра, що залишилася, див. рисунок 6, необхідно:

  • відкрутити метизи, поз. 1, демонтувати їх і планки усередині керамічного каркаса;
  • демонтувати дві вивідні планки, поз. 4, і зняти склопластиковий кожух, поз. 3;

 

Рисунок 5. Ротор датчика в зборі

де: поз. 1 - вісь ротора; поз. 2 - штатний ковзаючий контакт з ізолятором; поз. 3 - деталь Д-001; поз. 4 - деталь Д-002.

  

Рисунок 6. Статор потенціометра, підготовлений для розбирання

де: поз. 1 - гвинти; поз. 2 - вивідна планка; поз. 3 - склопластиковий кожух; поз. 4 - клема підключення ізольованого ковзаючого контакту.

 

  • далі необхідно, затиснувши плоскогубцями клему підключення, поз. 4, повернути її навколо власної осі, при цьому виправити її площину, і акуратно повернути цю клему в протилежну сторону (у напрямку до утримувача осі ротора), притиснувши її до площини кераміки;
  • до розгорнутої клеми, поз. 4, необхідно паяльником припаяти відрізок ізольованого дроту МГШВ або МГТФ з поперечним перетином 0,5 мм2, довжиною 100 мм.

Статор підготовлений до подальшого доопрацювання, але спочатку необхідно узяти другий потенціометр, з таким же номіналом опору, і виконати його розбирання до такого ж стану.

Рисунок 7. Установка і закріплення додаткового сектора кільцевої обмотки

де: поз. 1 - існуюча тороїдальна обмотка резистора; поз. 2 - додатково підготовлена частина кільцевої обмотки;
поз. 3 - керамічний каркас статора; поз. 4 - штатний ковзаючий контакт на ізоляторі;
поз. 5 - додатковий ковзаючий контакт, деталь Д-001; поз. 6 - планка, деталь Д-002.

  • визначити вимірюванням середину обмотки статора за допомогою вимірювального приладу (тестера) і зробити мітку на цьому місці. При цьому величина двох частин обмотки, що утворилися, матиме опір R1=R2. Для надання датчику функції спільної роботи з покажчиком ПДК-59 (функція кільцевого потенціометра з трьома виводами від рівних частин обмотки, рисунок 1), обмотку необхідно дообладнати третьою частиною, щоб виконувалася умова R1=R2=R3. Для цього необхідно на другому розібраному потенціометрі визначити методом вимірювання тестером необхідну частину - R3, додати ще два-три витка обмотки для вирівнювання опору під час регулювання, зробити мітку і бокорізами відокремити її від іншої обмотки. Акуратно, використовуючи скальпель або вузький ніж, відокремити цю частину обмотки від керамічного каркаса;

2.5 далі потрібно виконати дуже важливу операцію! Уважно погляньте на рисунок 7, на те місце, де показана вже закріплена третя частина обмотки. Штангенциркулем необхідно виміряти по хорді першу і другу частину обмотки - вони мають бути рівні! Вимірювання необхідно виконувати від мітки - визначеного раніше центру штатної обмотки. Необхідно порівняти - чи рівна довжина хорди третьої обмотки довжинам кожної з хорд першої і другої обмоток, чи ні? У ідеальному випадку вона має бути рівна! Але можуть бути і відхилення від рівності.      

Перевірку можна виконати таким чином. Прикласти початок третьої частини обмотки до кінця першої обмотки, притиснути третю обмотку до керамічного каркаса і переконатися, що кінець третьої частини співпадає з початком другої обмотки.  На рисунку 7 видно, що автору доопрацювань довелося симетрично розташовувати третю обмотку між першою і другою, та тестером, послідовно перевіряючи реальний опір трьох частин, визначаючи точні координати точок спаю провідників кільцевої обмотки.

Контрольне вимірювання рівності опору трьох обмоток необхідно виконати після спаю кінця першої обмотки з початком третьої. Якщо вони будуть рівні - можна приступати до пайки останнього стику: кінець третьої обмотки до початку другої.

Після цієї пайки утворюється кільцева обмотка.

Ця операція дуже важлива. Автор не описував багато нюансів по фіксації третьої частини обмотки до каркаса, про виконання ізоляції між частинами обмоток, ізоляції клеми ротора під третьою обмоткою, про пайку провідників обмоток з високоомного сплаву.

Ці прийоми необхідно знати з Вашого достатнього досвіду радіо-аматорства. Все ж відмічу, що ізолювати необхідно використовуючи тонкі, наприклад, фторопластові стрічки або тонкий електротехнічний картон; паяти необхідно із зачисткою дротів і використанням флюсів; а остаточно закріплювати зібрану кільцеву обмотку необхідно з використанням бандажних ниток, при цьому під третю обмотку і керамічний каркас має бути покладений невеликий шар епоксидної смоли.

Перед фіксацією складеної конструкції епоксидною смолою необхідно вставити в статор зібраний ротор датчика і перевірити, як працюють два струмознімачі ротора, взаємодіючи з кільцевою обмоткою під час повороту ротора, як вони проходять ділянки стикування обмоток. Необхідно переконатися, що усе виконується штатно, без упору в частини конструкції і без відриву контактів від кільцевої обмотки. Це можна проконтролювати візуально або скласти простий вимірювальний ланцюг із стрілочним індикатором. І тільки після цього, виконати остаточну фіксацію бандажем з ниток, і згори покрити потрібні місця смолою.

Під час затвердіння смоли, а це може складати декілька годин, необхідно періодично контролювати, чи не потрапила смола під струмознімачі на обмотці, а також усередині каркаса під штатний струмознімач ротора датчика, підшипник ковзання ротора тощо.

Я не зупиняюся на тому, що до точок спаїв обмоток статора необхідно припаяти і виводи статора, акуратно покрити їх смолою і згорнути в джгут, необхідної Вам довжини, розпаяти на будь-яку зручну для Вас колодку або напівроз'єм, використовуючи монтажний дріт МГШВ або МГТФ із поперечним перетином 0,5 мм2. При цьому продзвонити ланцюги і зафіксувати в блокноті номери відповідних виводів датчика.

А тепер про метрологію. Виготовивши подібний датчик, радіоаматор природно поставить питання - а з якою точністю датчик фіксуватиме кут повороту антени? І яка лінійність буде у цієї системи виміру?

Що стосується покажчика, якщо Вам це необхідно знати, параметри по його точності можна знайти в Інтернеті, в його паспорті. Покажчик має лінійну шкалу з триста шістдесяти (360) відмітками по колу. За діаметру лімба 65 мм читання інформації оком буде не гірше ± 1 градус.

Точність датчика, при його виготовленні, зрештою, визначається передусім Вашими навичками "майструвати", і уміти точно виконувати виміри електричних величин.

Але навіть досягнута Вами точність фіксації датчиком кута повороту антени в ± 2 градуси, природно, буде "перекрита" реальною характеристикою головної пелюстки діаграми спрямованості Вашої КХ або УКХ антени метрового або дециметрового діапазону, де ці кути діаграми спрямованості по рівню 0,707 складають (10 – 30) градусів!

Не хвилюйтеся! Виготовлений Вами датчик реально фіксуватиме поворот Вашої антени із необхідною точністю для використання на КХ і УКХ, під час проведення радіоаматорських зв'язків!

Для вузьконаправлених антен СВЧ-діапазону необхідно використовувати інші, більш точні системи і прилади.

На закінчення викладу цього матеріалу надаємо Вам принципову схему пристрою індикації повороту антени, див. рисунок 8, виготовленого з використанням приладів, описаних вище.

Рисунок 8. Схема принципова індикації повороту антени.

 

Призначення резистора в ланцюзі живлення пристрою - зменшення струмового навантаження на датчик і покажчик, а його величина та потужність визначається дослідним шляхом, за швидкістю реагування покажчика на реальну швидкість поворотного пристрою антени і його запізнення, пов'язане зі зношенням від його експлуатації у минулому.

Бажаю творчих успіхів!

 

Ігнатов Г.С.  UT1HT.

 

Додатки для «скачування» креслеників:

  1. Деталь Д-001;
  2. Деталь Д-002.
Останнє редагування Середа, 06 листопада 2019 09:13
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.