Industrias
Conceptos básicos de los LVDT
Con los LVDT se obtienen confiables mediciones de posición en aplicaciones submarinas, de generación de energía, de automatización industrial, aeroespaciales, de pruebas y mediciones, etc.
El transformador diferencial variable lineal (LVDT) es un tipo común de transductor electromecánico que puede convertir el movimiento rectilíneo de un objeto al que está acoplado mecánicamente en una señal eléctrica correspondiente. Los sensores de posición lineal LVDT están fácilmente disponibles y pueden medir movimientos tan pequeños como unas pocas millonésimas de pulgada hasta varias pulgadas, pero también son capaces de medir posiciones de hasta ±30 pulgadas (±0.762 metros).
¿Cómo funciona un LVDT?
La estructura interna de un LVDT consiste en un devanado primario que está centrado entre un par de devanados secundarios idénticos, espaciados simétricamente alrededor del primario. Las bobinas se enrollan en una forma hueca de una sola pieza de polímero reforzado con vidrio de estabilidad térmica, se encapsulan contra la humedad, se envuelven en una pantalla magnética de alta permeabilidad y luego se fijan a una carcasa cilíndrica de acero inoxidable. Este conjunto de bobina suele ser el elemento estacionario del sensor de posición.
El elemento móvil de un LVDT es una armadura tubular independiente de material magnéticamente permeable, que se denomina núcleo y puede desplazarse axialmente dentro del orificio hueco de la bobina. Además, se acopla mecánicamente al objeto cuya posición se mide. Este orificio suele ser lo suficientemente grande como para proporcionar una distancia radial considerable entre el núcleo y el orificio, sin contacto físico entre este y la bobina. En funcionamiento, el devanado primario del LVDT se activa por una corriente alterna de apropiada amplitud y frecuencia, conocida como excitación primaria. La señal eléctrica de salida del LVDT corresponde a la tensión diferencial de corriente alterna entre los dos devanados secundarios, cuya magnitud varía según la posición axial del núcleo dentro de la bobina del LVDT. Por lo general, esta tensión de salida de corriente alterna se convierte mediante un circuito electrónico adecuado a una tensión o corriente de corriente continua de alto nivel que resulta más práctico de usar.
Componentes de un LVDT típico (Figura 1): El devanado primario se ilustra en el centro del LVDT. Dos bobinas secundarias se enrollan de manera simétrica a cada lado de la bobina primaria, como se muestra para los LVDT de recorrido corto o en la parte superior de la bobina primaria para los LVDT de recorrido largo. Los dos devanados secundarios suelen estar conectados en serie opuesta (diferencial).
Posiciones axiales
El devanado primario del LVDT, P, se activa por una fuente de corriente alterna de amplitud constante. El flujo magnético que se origina es acoplado por el núcleo a los devanados secundarios adyacentes, S1 y S2. Si el núcleo se encuentra a medio camino entre S1 y S2, se acopla un flujo igual a cada secundario, por lo que las tensiones, E1 y E2, inducidos en los devanados S1 y S2 respectivamente, son iguales. En esta posición, conocida como punto nulo, la salida de tensión diferencial (E1 - E2) es en esencia cero.
Como se muestra en la Figura 2, si el núcleo se acerca más a S1 que a S2, se acopla más flujo a S1 y menos a S2, por lo que la tensión inducida E1 aumenta mientras que E2 disminuye, lo que resulta en la tensión diferencial (E1 - E2). Por el contrario, si el núcleo se acerca a S2, se acopla más flujo a S2 y menos a S1, por lo que E2 aumenta a medida que E1 disminuye, lo que da como resultado la tensión diferencial (E2 - E1).
Figura 2: Ilustra lo que sucede cuando el núcleo del LVDT está en diferentes posiciones axiales.
Tipos de núcleo
Los sensores LVDT de posición lineal de núcleo libre y de núcleo guiado ofrecen la ventaja de una resolución infinita, y ambos tipos cuentan con modelos capaces de funcionar en entornos exigentes. Si bien los LVDT de núcleo libre son, en mayor parte, menos costosos y están disponibles en muchos rangos, son más difíciles de instalar que los sensores de núcleo guiado. Los LVDT de núcleo guiado, disponibles con núcleos activados por resorte o por aire, son más simples de instalar pero más costosos y no están disponibles en tantos rangos. Además de estas diferencias, algunas aplicaciones se adecuan mejor a un LVDT de núcleo libre, mientras que otras a uno de núcleo guiado.
Los LVDT de núcleo libre
El elemento móvil de un LVDT de núcleo libre es una armadura tubular separada de material magnéticamente permeable llamado núcleo, que puede moverse axialmente dentro del orificio hueco de la bobina y está acoplado mecánicamente al objeto cuya posición se mide. Este orificio suele ser lo suficientemente grande como para proporcionar una distancia radial considerable entre el núcleo y el orificio, sin contacto físico entre este y la bobina, lo que resulta en una medición sin fricción y una vida mecánica prácticamente infinita.[1]
Los LVDT de núcleo libre son muy versátiles, sin contacto y robustos y perduran en entornos hostiles o difíciles cuando se fabrican con los materiales adecuados. El funcionamiento sin fricción se traduce en una mayor repetibilidad y resolución. Con base en estas propiedades, los LVDT se utilizan típicamente en sistemas donde se le da prioridad al costo de operación, la seguridad y la alta confiabilidad, como la señal del flap en una aeronave, las aplicaciones submarinas, las válvulas de vapor de alta temperatura y las instalaciones en plantas eléctricas.
Otras aplicaciones adecuadas para LVDT de núcleo libre comprenden:
- Cuando el objeto medido esté acoplado mecánicamente a la superficie u objeto de referencia (válvulas, cilindros hidráulicos, actuadores, máquinas de prueba de tensión)
- Rangos de medición superiores a 4.00 in con respuesta de frecuencia >10 Hz (mediciones de vibración)
- Medición crítica de materiales delicados o muy elásticos que hacen posible que el objeto medido se mueva con poca o ninguna resistencia mecánica.
LVDT con resorte
Los LVDT accionados por resorte, por lo general conocidos como sondas de medición dimensional, incorporan un sensor de posición inductivo sin contacto, ya sea un LVDT o un medio puente, que incluye una armadura móvil accionada por resorte acoplada a un eje apoyado en un rodamiento lineal de alta precisión. La mayoría de las sondas de medición tienen un rango máximo de medición de ±0.50 mm a ±50.0 mm (±0.020 in a ±2.00 in), con resoluciones de fracciones de micras. Cuando los componentes electrónicos se integran a un conjunto accionado por resorte, no hay necesidad de componentes electrónicos externos, lo que hace que la configuración mecánica del sensor en maquinaria automatizada sea menos complicada y más rentable.
Las sondas de medición electrónicas se utilizan, por lo general, en la medición dimensional de partes fabricadas y son componentes importantes de los sistemas de garantía de calidad. Las aplicaciones donde el objeto medido NO está acoplado mecánicamente a la referencia son las aptas:
- Medición en la industria pesada: las sondas de medición herméticamente selladas resuelven muchos de los problemas asociados con la medición dimensional en entornos hostiles
- Medición de alta precisión: Las sondas de medición de alta precisión utilizan un conjunto de rodamiento de bolas lineales instalado con precisión en un eje de sonda no rotativo, templado y rectificado, para minimizar el juego radial y los efectos de la carga lateral. Esto da como resultado la excepcional repetibilidad de las sondas de 0.000006 in (0.15 μm)
- Medición de calidad en la línea de ensamble Para estas aplicaciones, se recomiendan sondas de medición de extensión por aire y retracción por resorte, ya que se extienden para realizar mediciones y luego se retraen para que la sonda no se dañe a medida que el producto se mueve por la línea.
- Medición de la horizontalidad de las placas
- Posible movimiento transversal del objeto medido: Por ejemplo, realizar una medición de redondez en una pieza giratoria
Señales de salida
Un sensor de posición lineal LVDT de tensión de corriente alterna no contiene ningún sistema electrónico interno y requiere un oscilador externo, un amplificador de portadora o demoduladores y filtros para funcionar. Un sensor de posición lineal LVDT de tensión de corriente continua se compone de un LVDT de tensión corriente alterna y un módulo generador de portadora o de acondicionamiento de señal. Conserva todas las características deseables del LVDT de corriente alterna y la sencillez del funcionamiento en corriente continua. Elegir una señal de salida LVDT de corriente alterna o de corriente continua a menudo depende del tipo de aplicación.
Sensores LVDT de corriente alterna
- Un LVDT de corriente alterna básico consta de una bobina primaria y dos secundarias
- El núcleo ferromagnético dentro del conjunto de la bobina proporciona un camino para el flujo magnético que une las bobinas
- Cuando la bobina primaria se activa con una tensión de corriente alterna (por lo general entre 3 y 7 Vrms a 2.5 kHz), el núcleo acopla por inducción la tensión a las dos secundarias
- La bobina se mantiene inmóvil a la vez que el núcleo se fija al objeto en movimiento con una biela
- La electrónica hace posible determinar la posición exacta del núcleo dentro de la bobina
Sensores LVDT de corriente continua
Circuito integral de acondicionamiento de señal
- Un oscilador interno excita las bobinas con la señal de corriente alterna necesaria
- El LVDT de corriente continua tiene un pequeño circuito de acondicionamiento de señal dentro del armazón
- El circuito demodulador síncrono lee la salida de las bobinas secundarias, luego la rectifica y la amplifica a una señal de corriente continua incremental que es proporcional al rango completo de la posición del núcleo del LVDT
Tensión de salida
Tensión de salida diferencial
La magnitud de la tensión de salida (EOUT) diferencial varía con la posición del núcleo. El valor de EOUT en el desplazamiento máximo del núcleo desde el punto nulo depende de la amplitud de la tensión de excitación primaria y del factor de sensibilidad del LVDT en particular, pero por lo general es de varios voltios RMS.
El ángulo de fase de este EOUT de corriente alterna, referenciado a la tensión de excitación primaria, permanece constante hasta que el centro del núcleo pasa el punto nulo, donde el ángulo de fase cambia de forma abrupta en 180 grados, como se muestra en la Figura 3B.
Este cambio de fase de 180 grados se puede utilizar para determinar la dirección del núcleo desde el punto nulo por medio de los circuitos adecuados. Esto se muestra en la Figura 3C, donde la polaridad de la señal de salida representa la relación posicional del núcleo con el punto nulo. La Figura muestra también que la salida de un LVDT es muy lineal en su rango especificado de movimiento del núcleo, pero que el sensor se puede utilizar en un rango más amplio con cierta reducción en la linealidad de salida.
Figura 3: Las características de salida de un LVDT varían en función de las diferentes posiciones del núcleo. La salida de rango completo es una señal grande, por lo general de un voltio o más, y a menudo no requiere amplificación. Se debe tener en cuenta que un LVDT continúa operando más allá del 100 % del rango completo, pero con una linealidad degradada.
Acondicionadores de señal
Aunque un LVDT es un transformador eléctrico, requiere alimentación de corriente alterna de una amplitud y frecuencia bastante diferentes a las de las líneas de alimentación ordinarias para operar (por lo general, 3 Vrms a 3 kHz). Suministrar esta potencia de excitación para un LVDT es una de las varias funciones de la electrónica de soporte para LVDT, que a veces también se conoce como el equipo de acondicionamiento de señales para LVDT. Otras funciones incluyen la conversión de la salida de tensión de corriente alterna de bajo nivel del LVDT en señales de corriente continua de alto nivel que son más prácticas, la decodificación de la información direccional del cambio de fase de salida de 180 grados a medida que el núcleo de un LVDT se mueve a través del punto nulo y el suministro de un nivel cero de salida ajustable de manera eléctrica. Se dispone de una variedad de electrónica de acondicionamiento de señales para LVDT, entre ellos, productos a nivel de chip y de placa para aplicaciones OEM, así como módulos e instrumentos de laboratorio completos para los usuarios.
La electrónica de apoyo también puede ser autónoma, como en el caso del LVDT de corriente continua que se muestra en la Figura 4. Estos transductores de posición son fáciles de usar y ofrecen prácticamente todas las ventajas de los LVDT con la simplicidad de un funcionamiento de entrada y salida de corriente continua. Por supuesto, es posible que los LVDT con electrónica integrada no sean lo ideal para algunas aplicaciones o que su empaque no sea el apropriado en ciertos procesos de instalación.
Conexiones eléctricas
Los conectores y los cables de conexión proporcionan el acoplamiento eléctrico entre las bobinas de un sensor de posición LVDT y la electrónica de acondicionamiento de señales. A continuación, se presentan algunas recomendaciones para ayudar a decidir si especificar un conector o unos cables de conexión para un sensor.
Extremos del cable
Los sensores LVDT suelen especificarse con cables de conexión, ya que son, en mayor parte, menos costosos que los conectores y fáciles de usar, y proporcionan una sencilla conexión a la electrónica de acondicionamiento de señal para pruebas de mesa. En algunos casos, los cables de conexión pueden operar en rangos de temperatura o presión más amplios. Por ejemplo, los cables de conexión son la opción de preferencia para los sensores que se utilizan en aplicaciones hidráulicas de alta presión en cilindros o cuando las temperaturas nominales superan los 400 °F.
Sin embargo, la sensibilidad del cable de conexión es una posible desventaja, ya que este puede romperse si no se maneja con cuidado durante la instalación. Los tendidos de cables largos también pueden ser voluminosos y complicados de instalar. Además, los cables de conexión son capaces de captar ruido que puede afectar la interpretación de las señales por parte del equipo de acondicionamiento, lo que, en última instancia, reduce la precisión de la salida del sensor.
Conectores
Sin necesidad de cableado, los sensores con conectores son más fáciles de instalar y quitar. Al reinstalar un sensor, los conectores se pueden enchufar o desenchufar, a la vez que los cables de conexión deben romperse y, con frecuencia, repararse. Los conectores también se pueden especificar con ensambles de cables blindados para crear distancias más largas entre el sensor de posición lineal LVDT y la electrónica, lo cual es de particular importancia cuando los sensores deben funcionar en entornos difíciles, ya que el cableado tiene menor resistencia y un blindaje que protege contra la interferencia de fuentes externas.
Si los cables del ensamble se rompen o se tiran, solo se tendrá que reemplazar el ensamble, ya que el sensor LVDT seguirá funcionando bien. Si se rompe o se pela un cable de conexión por tirar de él con demasiada fuerza, el sensor no se podrá reparar y será necesario adquirir un repuesto. Mediante el uso de conectores, los sensores LVDT se pueden sellar herméticamente, con grados de protección de entrada de hasta IP-68. Los conectores pueden ser voluminosos y difíciles de colocar en espacios reducidos o en en los LVDT que requieren conectores pequeños.
Al determinar la mejor conexión eléctrica para un sensor LVDT, se recomienda recopilar información sobre el entorno donde se instalará el sensor, ya que distintos factores pueden afectar su rendimiento.
- En temperaturas superiores a 400 °F, un cable de conexión puede ser la mejor opción. En aplicaciones de alta presión, los fluidos conductores, como el agua, requieren un conector; en cambio, en fluidos no conductores, como el fluido hidráulico, puede utilizarse un cable de conexión
- Polvo y humedad: los conectores con sellado de vidrio ofrecen mayor protección contra el polvo excesivo, la humedad y la inmersión
- Vibración: Si el sensor estará expuesto a impactos y vibraciones constantes durante un largo periodo, un cable de conexión o un conector roscado son las mejores opciones.
Aplicaciones recomendadas para seleccionar entre cables de conexión y conectores. Es importante revisar siempre los requisitos de la aplicación junto con las especificaciones de rendimiento del LVDT.
| Aplicaciones | Alambre de conexión | Conector |
|---|---|---|
| Configuración sencilla sobre mesa | X | |
| Reemplazo frecuente en campo | X | |
| Entornos limpios y secos | X | |
| Polvo, suciedad y humedad en altas concentraciones | X | |
| Polvo y suciedad en bajas concentraciones | X | |
| Aceite hidráulico a alta presión | X | |
| Inmersión en agua dulce/agua de mar | X |
Aspectos ambientales a considerar
Si existe mucho polvo, suciedad, humedad o chorros de agua, o si el sensor se va a instalar al aire libre, se recomienda un LVDT con sello hermético para evitar la entrada de los medios externos a los bobinados, lo que podría acortar la vida útil o la confiabilidad del sensor. En un entorno favorable o en un laboratorio interior, un transductor estándar sin sellado hermético cumplirá las expectativas con un costo inicial menor.
Para aplicaciones dentro de cilindros con fluido hidráulico, un LVDT ventilado ofrece buen rendimiento. Los sensores de posición lineal LVDT ventilados pueden tolerar una combinación de alta presión, temperaturas, impactos y vibraciones, ya que la bobina del sensor está ventilada e igualar la presión dentro y fuera de él.
Las configuraciones especiales de los LVDT también cuentan con una leve resistencia a la radiación y funcionan bajo el agua, en altas presiones o condiciones atmosféricas. Por ejemplo, ciertos tipos de acero inoxidable no se pueden utilizar en la construcción de los LVDT si estos van a estar en contacto directo con el agua de mar. Para sobrevivir en en entornos submarinos, la carcasa de LVDT debe construirse con aleaciones especiales que aumenten la resistencia química al agua de mar. Estas superaleaciones mejoran la ya alta confiabilidad del LVDT, confirmando que puede cumplir con los requisitos de una vida útil larga, incluso si se expone por completo al agua de mar a profundidades de hasta 15,000 pies con presiones externas de alrededor de 7500 psi.
La aleación 400 es una aleación especial a base de níquel que ofrece excelente resistencia a la corrosión por picaduras y al ataque de microorganismos, lo que hace posible que los sensores funcionen en aguas poco profundas y cálidas con altos niveles de oxígeno sin riesgo de que se adhieran organismos marinos en su superficie. En aplicaciones submarinas a profundidades de 7,500 pies y con presiones externas que superan los 3,500 psi, el inconel, el titanio y el hastelloy ofrecen una excelente protección contra la corrosión gracias a su mayor contenido de níquel, cromo y molibdeno.
Cuando se diseña con aleación 625 o 718 para ofrecer resistencia a la presión y a la corrosión, un LVDT puede funcionar durante muchos años, incluso si el dispositivo está totalmente expuesto al agua de mar. Si bien estas aleaciones son más costosas que el acero inoxidable, ofrecen resistencia a la corrosión localizada, así como a los elementos oxidantes y reductores. Las aleaciones exóticas, como el cobalto, el níquel y el cromo, en conjunto con el aislamiento mineral, ofrecen un rendimiento aún mayor en los LVDT en condiciones que otras tecnologías similares no resistirían.
Grados de protección IP
Los sensores de posición lineal LVDT suelen tener un grado de protección entre IP-61 e IP-69 Si bien son a prueba de polvo en prácticamente todas las configuraciones, los sensores LVDT presentan distintos niveles de protección contra la entrada de agua según su diseño. Por ejemplo, algunos sensores LVDT se fabrican con una protección limitada de la bobina, mientras que otros están protegidos con barniz o resinas epoxi. Los LVDT con sello hermético se cierran por soldadura para evitar la entrada de medios. Cada construcción LVDT tiene su grado IP y varía según el fabricante.
LVDT no herméticos
Grado IP-61
El sellado externo de estos sensores no herméticos cumple con la norma IEC IP-61 y como están protegidos contra la entrada de polvo y la condensación, son ideales para las siguientes aplicaciones:
- Ambientes secos con exposición limitada a polvo o suciedad
- Pruebas en laboratorio
- Aplicaciones en interiores
- Medición de precisión
- Reemplazo del indicador de cuadrante
- Determinación de la posición del actuador del robot
Cuando las bobinas están completamente revestidas en epoxi, el grado de estos sensores aumenta a IP-64, lo que los hace idóneos para entornos donde pudiese haber mucha humedad.
LVDT herméticos
Grado IP-68
Están construidos completamente de acero inoxidable y cuentan con bobinas selladas contra entornos hostiles según la norma IEC IP-68 y además de estar protegidos contra el polvo, están homologados para resistir una presión específica sin entrada de agua durante inmersiones prolongadas.
Ejemplos de aplicaciones recomendadas para los LVDT con grado IP-68 son:
- Monitoreo estructural en exteriores
- Aplicaciones con polvo, suciedad, grasa y humedad
- Industria pesada
- Posición de la válvula
Todos los sensores que cuentan con la clasificación IP-68 por parte de los fabricantes, pudiesen no ser los mismos, pero deben exceder la clasificación IP-67. Los sensores IP-68 están sellados mediante soldadura y todas las partes expuestas al agua son de metal con excepción del conector. Pueden sumergirse en agua u otros fluidos hasta 1000 PSI cuando no están en funcionamiento. Sin embargo, no pueden funcionar al estar sumergidos porque el agua podría penetrar el conector y causar un cortocircuito.
LVDT sumergibles
Grado IP-68
Tienen una clasificación IP-68 con el conector de acoplamiento Seacon Branter adecuado. El conector y el enchufe de acoplamiento están homologados para presiones de hasta 5,000 psi o más. Por lo general, su vida útil es de 20 años en aplicaciones críticas donde accesar la unidad para reemplazarla o repararla es muy costoso.
Aplicaciones recomendadas:
- Agua salada o dulce
- Monitoreo estructural de presas o puentes
- Monitoreo de la posición de la válvula reguladora o la del árbol de Navidad
- Extensómetros submarinos
- Cables de amarre
- Determinación de la posición del actuador o cerrojo de ROV
