El transformador diferencial lineal variable ( LVDT ) (también llamado transformador lineal de desplazamiento variable , [1] transductor lineal de desplazamiento variable , [2] o simplemente transformador diferencial [3] ) es un tipo de transformador eléctrico utilizado para medir el desplazamiento lineal (posición). Una contraparte de este dispositivo que se utiliza para medir el desplazamiento rotatorio se llama transformador diferencial variable rotatorio ( RVDT ).
Introducción
Los LVDT son transductores de posición / desplazamiento lineales absolutos robustos; intrínsecamente sin fricción, tienen un ciclo de vida virtualmente infinito cuando se usan correctamente. Dado que los LVDT que funcionan con CA no contienen ningún componente electrónico, pueden diseñarse para funcionar a temperaturas criogénicas o hasta 1200 ° F (650 ° C), en entornos hostiles y con altos niveles de vibración y golpes. Los LVDT se han utilizado ampliamente en aplicaciones como turbinas de energía , hidráulica , automatización, aeronaves , satélites, reactores nucleares y muchas otras. Estos transductores tienen baja histéresis y excelente repetibilidad.
El LVDT convierte una posición o desplazamiento lineal de una referencia mecánica (posición cero o nula) en una señal eléctrica proporcional que contiene información de fase (para dirección) y amplitud (para distancia). La operación LVDT no requiere un contacto eléctrico entre la parte móvil (sonda o ensamblaje del núcleo) y el ensamblaje de la bobina, sino que se basa en un acoplamiento electromagnético.
Operación
El transformador diferencial variable lineal tiene tres bobinas de solenoide colocadas de extremo a extremo alrededor de un tubo. La bobina central es la primaria y las dos bobinas exteriores son las secundarias superior e inferior. Un núcleo ferromagnético cilíndrico, unido al objeto cuya posición se va a medir, se desliza a lo largo del eje del tubo. Una corriente alterna impulsa el primario y hace que se induzca un voltaje en cada secundario proporcional a la longitud del núcleo que se une al secundario. [3] La frecuencia suele estar en el rango de 1 a 10 kHz .
A medida que el núcleo se mueve, la conexión del primario con las dos bobinas secundarias cambia y hace que cambien los voltajes inducidos. Las bobinas están conectadas de modo que el voltaje de salida sea la diferencia (por lo tanto, "diferencial") entre el voltaje secundario superior y el voltaje secundario inferior. Cuando el núcleo está en su posición central, equidistante entre los dos secundarios, se inducen voltajes iguales en las dos bobinas secundarias, pero las dos señales se cancelan, por lo que el voltaje de salida es teóricamente cero. En la práctica, variaciones menores en la forma en que el primario está acoplado a cada secundario significa que se emite una pequeña tensión cuando el núcleo es central.
Este pequeño voltaje residual se debe al cambio de fase y a menudo se denomina error de cuadratura. Es una molestia en los sistemas de control de bucle cerrado, ya que puede provocar una oscilación alrededor del punto nulo y también puede ser inaceptable en aplicaciones de medición simples. Es una consecuencia del uso de demodulación síncrona, con sustracción directa de los voltajes secundarios en CA. Los sistemas modernos, particularmente los que involucran seguridad, requieren la detección de fallas del LVDT, y el método normal es demodular cada secundario por separado, utilizando rectificadores de media onda o de onda completa de precisión, basados en amplificadores operacionales, y calcular la diferencia restando las señales de CC. . Debido a que, para voltaje de excitación constante, la suma de los dos voltajes secundarios es casi constante a lo largo de la carrera operativa del LVDT, su valor permanece dentro de una pequeña ventana y se puede monitorear de tal manera que cualquier falla interna del LVDT hará que el voltaje de suma aumente. desviarse de sus límites y ser detectado rápidamente, provocando que se indique una falla. No hay error de cuadratura con este esquema, y la diferencia de voltaje dependiente de la posición pasa suavemente por cero en el punto nulo.
Cuando el procesamiento digital en forma de microprocesador o FPGA está disponible en el sistema, es habitual que el dispositivo de procesamiento lleve a cabo la detección de fallas y posiblemente el procesamiento radiométrico [4] para mejorar la precisión, dividiendo la diferencia en voltajes secundarios por la suma de los voltajes secundarios, para que la medición sea independiente de la amplitud exacta de la señal de excitación. Si hay suficiente capacidad de procesamiento digital disponible, se está volviendo común usar esto para generar la excitación sinusoidal a través de un DAC y posiblemente también realizar la demodulación secundaria a través de un ADC multiplexado .
Cuando el núcleo se desplaza hacia la parte superior, el voltaje en la bobina secundaria superior aumenta a medida que disminuye el voltaje en la parte inferior. El voltaje de salida resultante aumenta desde cero. Este voltaje está en fase con el voltaje primario. Cuando el núcleo se mueve en la otra dirección, el voltaje de salida también aumenta desde cero, pero su fase es opuesta a la del primario. La fase del voltaje de salida determina la dirección del desplazamiento (hacia arriba o hacia abajo) y la amplitud indica la cantidad de desplazamiento. Un detector síncrono puede determinar un voltaje de salida con signo que se relaciona con el desplazamiento.
El LVDT está diseñado con bobinas largas y delgadas para hacer que el voltaje de salida sea esencialmente lineal sobre el desplazamiento de hasta varias pulgadas (varios cientos de milímetros) de largo.
El LVDT se puede utilizar como sensor de posición absoluta. Incluso si la energía está apagada, al reiniciarlo, el LVDT muestra la misma medida y no se pierde información de posición. Sus mayores ventajas son la repetibilidad y la reproducibilidad una vez configurado correctamente. Además, aparte del movimiento lineal uniaxial del núcleo, cualquier otro movimiento, como la rotación del núcleo alrededor del eje, no afectará sus medidas.
Debido a que el núcleo deslizante no toca el interior del tubo, puede moverse sin fricción, lo que hace que el LVDT sea un dispositivo altamente confiable. La ausencia de contactos deslizantes o giratorios permite que el LVDT esté completamente sellado contra el medio ambiente.
Los LVDT se utilizan comúnmente para la retroalimentación de posición en servomecanismos y para la medición automatizada en máquinas herramienta y muchas otras aplicaciones industriales y científicas.
Ver también
Referencias
- ^ https://www.google.com/patents/US4149409
- ^ http://www.omega.com/manuals/manualpdf/M1120.pdf
- ↑ a b Baumeister & Marks 1967 , págs. 16–8
- ^ Arun T Vemuri; Matthew Sullivan (2016). "Medidas radiométricas en el contexto del acondicionamiento de señales del sensor LVDT" (PDF) . Revista de aplicaciones analógicas industriales de Texas Instruments . Consultado el 27 de octubre de 2017 .
enlaces externos
- Cómo funcionan los LVDT (interactivo)
- Cómo funcionan los LVDT
- Explicación de fases
- Modelos y aplicaciones de LVDT
- Ficha técnica de Analog Devices AD598
- http://www.meas-spec.com/downloads/LVDT_Selection,_Handling_and_Installation_Guidelines.pdf Directrices de selección, manipulación e instalación de LVDT; describe los parámetros que son importantes en la aplicación de LVDT
- http://www.meas-spec.com/downloads/Principles_of_the_LVDT.pdf El LVDT: construcción y principio de funcionamiento
- http://www.meas-spec.com/downloads/LVDT_Technology.pdf Marzo de 2013; cuadros de construcciones internas; rechazo del eje transversal, blindaje, problemas de corrosión