Informe técnico
Transformador diferencial de variación lineal
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.
¿Qué es un LVDT?
LVDT es la sigla de transformador diferencial de variación lineal. 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). La figura 1 muestra los componentes de un LVDT típico. La estructura interna del transformador 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.
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).
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.
El elemento móvil de un LVDT es una armadura tubular independiente de material magnéticamente permeable. Esto se llama núcleo, que es libre de moverse de forma axial dentro del orificio hueco de la bobina y 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 de salida eléctrica del LVDT es el voltaje de CA diferencial entre los dos devanados secundarios, que varía con la posición axial del núcleo dentro de la bobina de LVDT. Por lo general, este voltaje de salida de CA se convierte mediante un circuito electrónico adecuado a un voltaje o corriente de CC de alto nivel que resulta más práctico de usar.
¿Cómo funciona un LVDT?
La figura 2 ilustra lo que sucede cuando el núcleo del LVDT está en diferentes posiciones axiales. El devanado primario del LVDT, P, se activa por una fuente de CA 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 los voltajes, E1 y E2, inducidos en los devanados S1 y S2 respectivamente, son iguales. En esta posición, conocida como punto nulo, la salida de voltaje 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 el voltaje inducido E1 aumenta mientras que E2 disminuye, lo que resulta en el voltaje 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 el voltaje diferencial (E2 - E1).
FIGURA 2: Ilustra lo que sucede cuando el núcleo del LVDT está en diferentes posiciones axiales.
La figura 3A muestra cómo la magnitud del voltaje 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 del voltaje de excitación primario 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 CA, referenciado al voltaje de excitación primario, 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.
Electrónica de soporte para LVDT
Aunque un LVDT es un transformador eléctrico, requiere alimentación de CA de una amplitud y frecuencia bastante diferentes a las de las líneas de alimentación ordinarias para funcionar bien (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 voltaje de CA de bajo nivel del LVDT en señales de CC 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 soporte también puede ser autónoma, como en el LVDT de CC que se muestra en la figura 4. Estos transductores de posición son fáciles de usar y cuentan con prácticamente todas las ventajas del LVDT con la simplicidad de la operación de entrada y salida de CC. Por supuesto, es posible que los LVDT con electrónica integrada no sean lo ideal para algunas aplicaciones o que su embalaje no sea el apropriado en ciertos procesos de instalación.
¿Por qué utilizar un LVDT?
Funcionamiento sin fricción
Una de las características más importantes de un LVDT es que funciona sin fricción. En su uso, no hay contacto mecánico entre el núcleo del LVDT y el conjunto de la bobina, por lo que no hay roce, arrastre u otra fuente de fricción. Esta característica es en particular útil en pruebas de materiales, mediciones de desplazamiento por vibración y sistemas de medición dimensional de alta resolución.
Resolución infinita
Dado que un LVDT funciona según los principios de acoplamiento electromagnético en una estructura libre de fricción, puede medir cambios infinitesimales en la posición del núcleo. Esta capacidad de resolución infinita está limitada solo por el ruido en un acondicionador de señal de LVDT y la resolución de la pantalla de salida. Estos mismos factores también le dan a un LVDT su excelente repetibilidad.
Vida mecánica ilimitada
Debido a que por lo general no hay contacto entre el núcleo del LVDT y la estructura de la bobina, ninguna pieza puede rozarse o desgastarse. Esto significa que un LVDT tiene una vida mecánica ilimitada. Este factor es en especial importante en aplicaciones de alta confiabilidad, como aeronaves, satélites, vehículos espaciales e instalaciones nucleares. También es de mucho beneficio en sistemas de control de procesos industriales y automatización de fábricas.
Resistente a los daños por sobrecarrera
El orificio interno de la mayoría de los LVDT está abierto en ambos extremos. En caso de sobrecarrera imprevista, el núcleo puede pasar por completo a través del conjunto de la bobina del sensor sin causar daños. Esta invulnerabilidad a la sobrecarga de entrada de posición hace que un LVDT sea un sensor ideal para aplicaciones como los extensómetros que se fijan a muestras de prueba de tracción en aparatos de prueba de materiales destructivos.
Sensibilidad de un solo eje
Un LVDT responde al movimiento del núcleo a lo largo del eje de la bobina, pero en mayor parte es insensible al movimiento del eje transversal del núcleo o a su posición radial. Por lo tanto, un LVDT a menudo puede funcionar sin efectos adversos en aplicaciones que involucran elementos móviles desalineados o flotantes, y en casos en los que el núcleo no se desplaza en una línea recta precisa.
Bobina y núcleo separables
Debido a que la única interacción entre el núcleo y la bobina de un LVDT es el acoplamiento magnético, el conjunto de la bobina se puede aislar del núcleo al insertar un tubo no magnético entre el núcleo y el orificio. Al hacerlo, se puede contener un fluido presurizado dentro del tubo, en el que el núcleo se mueva de forma libre, mientras que el conjunto de la bobina no está presurizado. Esta característica se utiliza a menudo en los LVDT que proporcionan retroalimentación sobre la posición del carrete en válvulas hidráulicas proporcionales o servoválvulas.
Resistente al medio ambiente
Los materiales y las técnicas de construcción que se utilizan en el montaje de un LVDT dan como resultado un sensor resistente y duradero que resiste una variedad de condiciones ambientales. Subsecuente a la unión de los devanados es el encapsulado de epoxi en la caja, lo que da como resultado una resistencia superior a la humedad, así como la capacidad de tolerar cargas de choque considerables y altos niveles de vibración en todos los ejes. Y el apantallamiento magnético interno de alta permeabilidad minimiza los efectos de los campos de CA externos. Tanto la carcasa como el núcleo están hechos de metales resistentes a la corrosión, y la carcasa también actúa como un apantallamiento magnético suplementario. Y para aquellas aplicaciones en las que el sensor debe soportar la exposición a vapores y líquidos inflamables o corrosivos, o funcionar en fluidos presurizados, la carcasa y el conjunto de la bobina se pueden sellar herméticamente mediante una variedad de procesos de soldadura. Los LVDT ordinarios pueden funcionar en un rango de temperaturas muy amplio, pero, si es necesario, pueden fabricarse para operar a temperaturas criogénicas o con materiales especiales y a las elevadas temperaturas y niveles de radiación que se encuentran en muchos reactores nucleares.
Repetibilidad del punto nulo
La ubicación del punto nulo intrínseco de un LVDT es de gran estabilidad y repetibilidad, incluso en su amplio rango de temperatura de funcionamiento. Esto hace que un LVDT funcione bien como sensor de posición nula en sistemas de control de bucle cerrado e instrumentos de servoequilibrio de alto rendimiento.
Rápida respuesta dinámica
La ausencia de fricción durante el funcionamiento ordinario hace posible que un LVDT responda con mucha rapidez a los cambios de posición del núcleo. La respuesta dinámica de un sensor LVDT está limitada solo por los efectos inerciales de la ligera masa del núcleo. Más a menudo, la respuesta de un sistema de detección de LVDT se determina por las características del acondicionador de señal.
Salida absoluta
Un LVDT es un dispositivo de salida absoluta, a diferencia de un dispositivo de salida incremental. Esto significa que, en caso de pérdida de energía, los datos de posición que se envían desde el LVDT no se perderán. Cuando se reinicia el sistema de medición, el valor de salida del LVDT será el mismo que antes de que ocurriera el corte de energía.
