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Principes de base des LVDT
Les LVDT fournissent des mesures de position fiable pour les applications sous-marines, de production d’énergie, d’automatisation industrielle, d’aérospatiale, pour les tests et mesures, et autres.
Le transformateur différentiel variable linéaire, également appelé LVDT, est un transducteur électromécanique ordinaire capable de convertir le mouvement rectiligne d’un objet auquel il est mécaniquement attaché, en un signal électrique correspondant. Les capteurs de position linéaire LVDT sont largement disponibles et peuvent mesurer des mouvements de l’ordre du millionième de pouce jusqu’à plusieurs pouces, mais ils sont également capables de mesurer des positions jusqu’à ±0,762 mètre.
Comment fonctionne un LVDT ?
La structure interne d'un LVDT comprend un enroulement primaire placé au centre d’une paire d’enroulements secondaires identiques, symétriquement espacés par rapport à l’enroulement primaire. Les bobines sont enroulées autour d’une pièce monobloc creuse en polymère renforcé de verre thermiquement stable, encapsulées pour résister à l’humidité, le tout enveloppé dans un blindage pour une protection magnétique à haute perméabilité, puis placées dans un boîtier cylindrique en acier inoxydable. Cet ensemble de bobines est généralement l’élément stationnaire du capteur de position.
L’élément mobile d’un LVDT est une armature tubulaire indépendante réalisée dans un matériau magnétiquement perméable. C’est ce qu’on appelle le noyau. Il est libre de se déplacer axialement dans l’alésage creux de la bobine et est mécaniquement attaché à l’objet dont la position est mesurée. Cet alésage est généralement assez large pour permettre un jeu radial important entre le noyau et celui-ci, sans contact physique entre le noyau et la bobine. Lors du fonctionnement, l’enroulement primaire du LVDT est alimenté par un courant alternatif d’une amplitude et d’une fréquence appropriées, appelé excitation primaire. Le signal de sortie électrique du LVDT est la tension du courant alternative différentielle entre les deux enroulements secondaires. Cette tension varie en fonction de la position axiale du noyau dans la bobine LVDT. En général, cette tension de sortie en courant alternatif est convertie par un circuit électronique en une tension en courant continu de haut niveau, plus simple à exploiter.
Parties d'un LVDT standard (figure 1) : L’enroulement primaire est illustré au centre du LVDT. Deux bobines secondaires sont enroulées symétriquement de chaque côté de la bobine primaire, comme indiqué pour les LVDT à « course courte » ou au-dessus de la bobine primaire pour les LVDT à « course longue ». Les deux enroulements secondaires sont généralement connectés en « série opposée » (différentiel).
Positions axiales
L’enroulement primaire du LVDT, P, est alimenté par une source CA d’amplitude constante. Le flux magnétique ainsi développé est couplé par le noyau aux bobines secondaires adjacents, S1 et S2. Si le noyau est situé à mi-chemin entre S1 et S2, un flux égal est couplé à chaque secondaire, de sorte que les tensions, E1 et E2, respectivement induites dans les bobines S1 et S2, sont égales. Dans cette position de référence à mi-chemin, connue sous le nom de point zéro, la tension différentielle de sortie (E1 - E2) est essentiellement nulle.
Comme le montre la figure 2, si le noyau est déplacé davantage vers S1 que vers S2, une plus grande quantité de flux est couplé à S1 alors qu’une quantité moindre est associée à S2, de sorte que la tension induite E1 augmente tandis que E2 diminue, ce qui donne la tension différentielle (E1 - E2). Inversement, si le noyau est plus proche de S2, plus de flux est couplé à S2 et moins à S1, de sorte que E2 augmente à mesure que E1 diminue, ce qui génère la tension différentielle (E2 - E1).
Figure 2 : Illustration de ce qui se passe lorsque le noyau du LVDT se trouve dans différentes positions axiales.
Types de noyaux
Les capteurs de position linéaire LVDT à noyau libre et à noyau guidé offrent une résolution infinie. Des modèles de chaque technologie sont disponibles pour fonctionner dans des environnements difficiles. Bien que les LVDT à noyau libre soient généralement moins chers et disponibles dans de nombreuses gammes, ils sont plus difficiles à installer que les capteurs à noyau guidé. Disponibles avec des noyaux à ressort ou à air, les LVDT à noyau guidé sont plus simples à installer mais coûtent plus cher et ne disposent pas d’une large gamme.[ En plus de ces différences, certaines applications sont tout simplement mieux adaptées à un LVDT à noyau libre, tandis que d'autres peuvent tirer parti d'un LVDT à noyau guidé.
LVDT à noyau libre
L’élément mobile d’un LVDT à noyau libre est une armature tubulaire en matériau magnétiquement perméable, appelée noyau, qui est libre de se déplacer axialement dans l’alésage creux de la bobine. Il qui est mécaniquement couplée à l’objet dont la position est mesurée. Cet alésage est généralement assez large pour permettre un jeu radial important entre le noyau et celui-ci, sans contact physique entre le noyau et la bobine, permettant ainsi de réaliser des mesures sans frottement tout en offrant une durée de vie mécanique quasiment infinie.
Les LVDT à noyau libre sont très polyvalents, sans contact et robustes, ils offrent une fiabilité durable dans les environnements difficiles ou hostiles si ils sont fabriqués avec les bons matériaux. Le fonctionnement sans friction se traduit par une répétabilité et une résolution plus élevées. En raison de ces caractéristiques, les LVDT sont généralement utilisés dans des systèmes où le coût de possession, la sécurité et la fiabilité sont des priorités, comme l'indication des volets d'ailes d'avions, les applications sous-marines, les vannes de vapeur à haute température et les installations de centrales électriques.
Il existe d'autres applications appropriées pour les LVDT à noyau libre :
- Quand l'objet à mesurer est couplé mécaniquement à une surface ou à un objet de référence (vannes, vérins hydrauliques, actionneurs, machines d'essai de déformation)
- Lorsqu'il est nécessaire de mesurer des plages de mesure supérieures à 100 mm avec une réponse en fréquence >10 Hz (mesures de vibrations)
- Pour réaliser des mesures critiques sur des matériaux délicats ou très élastiques qui permettent à l'objet mesuré de se déplacer avec peu ou pas de résistance mécanique.
LVDT à ressort
Communément appelées sondes de mesures dimensionnelles, les LVDT à ressort intègrent un capteur de position inductif sans contact, soit un LVDT, soit un demi-pont, qui comprend une armature mobile à ressort couplée à un arbre supporté par un roulement linéaire de haute précision. La plupart des sondes de mesures ont une plage de mesure maximale allant de ±0,50 mm à ±50,0 mm, avec des résolutions de l'ordre de quelques fractions de microns. Lorsque les composants électroniques sont intégrés dans un assemblage à ressort, il n'est pas nécessaire d'utiliser des composants électroniques externes, ce qui rend l'installation mécanique du capteur dans les machines automatisées moins compliquée et plus économique.
Les sondes de mesure électroniques sont couramment utilisées pour mesurer les dimensions des pièces fabriquées et sont des composants importants pour les systèmes de contrôle qualité. Les applications appropriées sont celles où l'objet mesuré n'est pas couplé mécaniquement à la référence :
- Mesurer dans l'industrie lourde : les sondes de mesures hermétiques peuvent résoudre de nombreux problèmes associés aux mesures dimensionnelles en environnements difficiles
- Mesure de haute précision : les sondes de mesure de haute précision utilisent un assemblage de roulements à billes linéaires montés avec précision sur un arbre non rotatif, trempé et rectifié, afin de minimiser le jeu radial et les effets des charges latérales. Cela se traduit par une répétabilité exceptionnelle des sondes de 0,15 μm.
- Mesures de la qualité sur une chaîne de montage : les sondes de mesure à extension pneumatique et à rétraction par ressort sont recommandées pour ces applications, car elles s'étendent pour effectuer des mesures, puis se rétractent afin que la sonde ne soit pas endommagée lorsque les produits se déplacent sur la ligne.
- Mesures de planéité sur plaques
- Déplacement transversal potentiel de l'objet mesuré : Par exemple, pour mesurer la circularité d'une pièce en rotation.
Signaux de sortie
Un capteur de position linéaire LVDT à CA ne contient aucune électronique interne et nécessite un oscillateur externe, un amplificateur porteur ou des démodulateurs et filtres pour fonctionner. Un capteur de position linéaire LVDT à CC est composé d'un LVDT à CA et d'un module porteur générateur / conditionneur du signal. Il conserve toutes les caractéristiques souhaitables du LVDT à CA, mais bénéficie de la simplicité du fonctionnement du CC. Les applications dictent souvent le choix entre un signal de sortie CA ou CC du LVDT.
Capteurs LVDT à CA
- Un LVDT à CA classique se compose d'une bobine primaire et de deux bobines secondaires
- Le noyau ferromagnétique à l'intérieur de l'ensemble de la bobine fournit un chemin pour le flux magnétique reliant les bobines
- Lorsque la bobine primaire est alimentée par une tension alternative (généralement 3-7 Vrms à 2,5 kHz), la tension est inductivement transmise par le noyau aux deux bobines secondaires
- La bobine est maintenue immobile tandis que le noyau est relié à l'objet en mouvement par une bielle
- À l'aide de composants électroniques, la position exacte du noyau à l'intérieur de l'ensemble de la bobine peut être déterminée
Capteurs LVDT à CC
Circuit de conditionnement de signal intégré
- Un oscillateur interne excite les bobines avec le signal CA nécessaire
- Le LVDT CC est équipé d’un petit circuit de conditionnement du signal situé à l’intérieur du capteur
- Le circuit de démodulation synchrone lit la sortie des bobines secondaires, puis la redresse et l'amplifie pour obtenir un signal CC proportionnel à la plage complète de la position du noyau du LVDT.
Tension de sortie
Tension de sortie différentielle
L’amplitude de la tension de sortie différentielle, EOUT, varie en fonction de la position du noyau. La valeur de l’EOUT au déplacement maximal du noyau à partir du point nul dépend de l’amplitude de la tension d’excitation primaire et du facteur de sensibilité du LVDT concerné, mais elle est généralement de plusieurs volts RMS.
L’angle de phase de cette tension de sortie CA, EOUT, référencé à la tension d’excitation primaire, reste constant jusqu’à ce que le centre du noyau dépasse le point nul, où l’angle de phase change brusquement de 180 degrés, comme le montre le graphique de la figure 3B.
Ce déphasage de 180 degrés peut être utilisé pour déterminer la direction du noyau à partir du point nul au moyen d’un circuit approprié. Ceci est illustré dans la figure 3C, où la polarité du signal de sortie représente la position du noyau par rapport au point nul. La figure montre également que la sortie d’un LVDT est très linéaire sur la plage de mouvement du noyau spécifiée, mais que le capteur peut être utilisé sur une plage étendue avec une certaine réduction de la linéarité de sortie.
Figure 3 : Les caractéristiques de sortie d’un LVDT varient en fonction des différentes positions du noyau. Dans le cas d’une sortie totale, le signal de sortie est important, typiquement de l’ordre d’un volt ou plus, et ne nécessite souvent pas d’amplification. Il est à noter qu’un LVDT continue à fonctionner au-delà de 100 % de la plage de mesure, mais avec une linéarité dégradée.
Convertisseurs de signaux
Bien qu’un LVDT soit un transducteur électrique, il nécessite une alimentation en courant alternatif d’une amplitude et d’une fréquence très différentes de celles des lignes électriques ordinaires pour fonctionner correctement (généralement 3 Vrms à 3 kHz). Assurer l’alimentation en courant électrique d’un LVDT est l’une des fonctions de l’électronique de support du LVDT, qui est aussi parfois connue sous le nom d’équipement de conditionnement du signal du LVDT. Parmi les autres fonctions, on retrouve celle qui permet de convertir la faible sortie de tension en courant alternatif du LVDT en signaux en courant continu de haut niveau plus faciles à exploiter, le décodage des informations directionnelles du déphasage de sortie à 180 degrés lorsque le noyau du LVDT se déplace à travers le point nul, et une fonction qui permet d’ajuster électriquement le niveau zéro de la sortie. Une variété de dispositifs électroniques destinés à traiter les signaux LVDT est disponible. Ces dispositifs comprennent des produits utilisables pour les puces et les cartes des applications OEM, ainsi que des modules et des instruments de laboratoire complets pour les utilisateurs.
L'électronique de conditionnement peut également être intégrée, comme sur le LVDT à courant continu illustré à la figure 4. Ces capteurs de position faciles à utiliser offrent pratiquement tous les avantages des LVDT, tout en bénéficiant de la simplicité d'un fonctionnement avec une alimentation et une sortie en courant continu. Bien évidemment, les LVDT avec électronique intégrée peuvent ne pas convenir à certaines applications ou ne pas être conditionnés de manière appropriée pour certains environnements d’installation.
Connexions électriques
Les connecteurs et les fils conducteurs assurent la connexion électrique entre les bobines du capteur LVDT et l'électronique permettant de traiter les signaux. Découvrez ci-dessous quelques conseils utiles qui vous aideront à décider si vous devez utiliser un connecteur ou des fils conducteurs pour votre prochain capteur.
Fils conducteurs
Les capteurs LVDT sont le plus souvent équipés de fils conducteurs, car ils sont généralement moins chers que les connecteurs et faciles à utiliser. Ils offrent ainsi une connexion simple à l'électronique en charge du conditionnement des signaux pour les tests sur banc. Dans certains cas, les fils conducteurs peuvent offrir des plages de fonctionnement étendues en termes de température et de pression. Par exemple, les fils conducteurs sont la connexion électrique préférée pour les capteurs utilisés dans les applications hydrauliques à haute pression, dans les cylindres ou lorsque les températures de fonctionnement dépassent 400 °F.
La sensibilité des fils conducteurs, cependant, est un inconvénient potentiel à leur utilisation, car les fils peuvent se casser s'ils ne sont pas manipulés avec soin lors de l'installation. De plus, l'installation de longs fils peut s'avérer encombrante et compliquée. Enfin, les fils conducteurs sont susceptibles d'être perturbés par des bruits, ce qui peut affecter l'interprétation des signaux par le système de conditionnement et, en fin de compte, réduire la précision du signal de sortie du capteur.
Connecteurs
Indépendamment du câblage, les capteurs avec connecteurs sont plus faciles à installer et à désinstaller. Lors de la réinstallation d'un capteur, les connecteurs peuvent simplement être branchés ou débranchés, tandis que les fils conducteurs doivent être coupés et souvent réparés. Les connecteurs peuvent également être combinés avec des assemblages de câbles blindés pour créer des distances plus longues entre le capteur LVDT et l'électronique, ce qui est particulièrement important lorsque les capteurs doivent fonctionner dans des environnements difficiles, car le câblage a une résistance plus faible et un blindage qui protège contre les interférences provenant de sources extérieures.
Si des fils sont sectionnés ou arrachés au niveau de l'assemblage du câble, seul ce dernier doit être remplacé, car le capteur LVDT reste en état de marche. Rompre ou dénuder un fil conducteur en tirant trop fort dessus rend le capteur non réparable, ce qui impose de le remplacer par un nouveau capteur. Grâce à l'utilisation de connecteurs, les capteurs LVDT peuvent être rendus totalement étanches, offrant ainsi des indices de protection IP-68. Les connecteurs peuvent être encombrants et difficiles à intégrer dans des espaces étroits ou sur des LVDT dont le boîtier est de petite taille.
Pour choisir le raccordement électrique le plus adapté à un capteur LVDT, il est important d'évaluer son environnement d'installation, car différents facteurs peuvent influencer ses performances.
- Températures supérieures à 200 °C : les fils de raccordement peuvent être plus adaptés. Haute pression : dans les fluides conducteurs, comme l'eau, un connecteur est nécessaire ; dans les fluides non conducteurs, tels que les huiles hydrauliques, des fils de raccordement peuvent être utilisés.
- Poussière et humidité : les connecteurs scellés sous verre offrent une meilleure protection contre les fortes concentrations de poussière, l'humidité et l'immersion.
- Vibrations : Si le capteur est soumis à des chocs et des vibrations continus pendant une longue période, les fils de raccordement ou un connecteur à vis constituent les solutions les plus adaptées.
Applications recommandées pour choisir entre un fil de raccordement ou un connecteur Veuillez noter que les exigences de l'application doivent toujours être évaluées en parallèle des spécifications de performance du LVDT.
| Domaines d’utilisation | Fil conducteur | Connecteurs |
|---|---|---|
| Montage simple sur établi | X | |
| Remplacement fréquent sur le terrain | X | |
| Environnements propres et secs | X | |
| Présence importante de poussière, de saleté ou d'humidité | X | |
| Présence limitée de poussière ou de saleté | X | |
| Huile hydraulique sous haute pression | X | |
| Immersion en eau douce ou en eau de mer | X |
Considérations environnementales
En présence de poussière, de saleté, d'humidité ou de jets importants, ou si le capteur doit être installé à l'extérieur, il est recommandé d'utiliser un LVDT étanche afin de s'assurer que les fluides extérieurs ne pénètrent pas dans les enroulements, ce qui pourrait réduire la durée de vie ou la fiabilité du capteur. Dans un environnement de laboratoire plus inoffensif ou en intérieur, un capteur standard non étanche sera amplement suffisant et aura l'avantage de coûter moins cher.
Pour les applications dans les cylindres avec fluide hydraulique, un LVDT ventilé conviendra parfaitement. Les versions LVDT ventilées peuvent résister à une combinaison de pressions élevées, de températures, de chocs et de vibrations, car la bobine du capteur est ventilée afin d'égaliser la pression à l'intérieur et à l'extérieur du capteur LVDT.
Des configurations spéciales de LVDT offrent également une légère résistance aux radiations et peuvent fonctionner sous l'eau, à des pressions élevées ou dans des conditions atmosphériques difficiles. Par exemple, certains types d'acier inoxydable ne peuvent pas être utilisés dans la construction LVDT lorsque les capteurs entrent en contact direct avec l'eau de mer. Pour pouvoir résister dans les environnements sous-marins, le boîtier des LVDT doit être construit à partir d'alliages spéciaux qui augmentent la résistance chimique à l'eau de mer. Ces superalliages permettent d'améliorer la fiabilité déjà élevée des LVDT, garantissant ainsi une durée de vie prolongée, même si le dispositif est entièrement exposé à l'eau de mer à des profondeurs allant jusqu'à 4 500 mètres et à des pressions externes d'environ 240 bar.
L'alliage 400 est un alliage spécial à base de nickel offrant une excellente résistance à la corrosion par piqûres ainsi qu'aux attaques des micro-organismes. Il permet aux capteurs de fonctionner dans des eaux peu profondes, chaudes et fortement oxygénées, sans risque d'encrassement biologique. Pour les applications sous-marines jusqu'à environ 2 300 m de profondeur et sous des pressions externes supérieures à 240 bar, les alliages Inconel, titane et Hastelloy offrent une excellente protection contre la corrosion grâce à leur teneur élevée en nickel, en chrome et en molybdène.
Lorsqu'un ensemble LVDT est conçu en alliage 625 ou 718 afin d'offrir une résistance élevée à la pression et à la corrosion, il peut fonctionner de manière fiable pendant de nombreuses années, même en cas d'exposition permanente à l'eau de mer. Bien que ces alliages soient plus coûteux que l'acier inoxydable, ils offrent une excellente résistance à la corrosion localisée ainsi qu'aux milieux oxydants et réducteurs. Des alliages hautes performances, tels que les alliages à base de cobalt, de nickel ou de chrome, associés à une isolation minérale, permettent d'obtenir des performances encore supérieures dans les applications où d'autres technologies ne résisteraient pas.
Indice IP
Les capteurs de position linéaire LVDT ont généralement un indice de protection compris entre IP-61 et IP-69. Bien qu'ils soient pratiquement tous protégés contre la pénétration de poussière, leur niveau de protection contre l'eau varie selon leur conception. Par exemple, certains modèles offrent une protection limitée des bobines, tandis que d'autres utilisent un revêtement en vernis ou un enrobage en résine époxy. Les LVDT étanches sont fermés avec une soudure afin d'éviter toute intrusion dans le capteur. Chaque type de construction LVDT comprend une classification IP différente et peut varier selon le fabricant.
LVDT non étanches
Classe IP-61
L'étanchéité externe des capteurs de position linéaire LVDT non étanche est conforme à la norme IP-61 de la CEI. Comme ces capteurs sont protégés contre la pénétration de poussière et la condensation, ils conviennent aux applications suivantes :
- Environnements secs avec une exposition limitée à la poussière et à la saleté
- Essais en laboratoire
- Applications en intérieur
- Mesures de précision
- Remplacement d'indicateur de cadran
- Retour d'information de la position d'actionneur du robot
Lorsque les bobines sont complètement encapsulées dans de l’époxy, les capteurs de position LVDT non étanches voient leur indice de protection passer à IP-64, ce qui permet de les utiliser dans des environnements où une forte humidité peut être présente.
LVDT étanches
Classe IP-68
Construits entièrement en acier inoxydable, les LVDT étanches possèdent des enroulements de bobines qui sont étanches aux environnements hostiles conformément à la norme IP-68 de la CEI. En plus d'être protégés complètement contre la pénétration de poussière, ces capteurs sont certifiés pour une immersion à long terme dans l'eau jusqu'à une pression spécifique.
Les applications recommandées pour les LVDT classés IP-68 comprennent :
- Surveillance des structures extérieures
- Applications exposées à la poussière, à la saleté, à la graisse et à l'humidité.
- Industrie lourde
- Positions des vannes
Tous les capteurs classés par les fabricants pour atteindre l'indice IP-68 sont susceptibles d'être différents, mais tous doivent dépasser l'indice IP-67. Les capteurs IP-68 sont rendus étanches grâce à la soudure, et toutes les pièces qui se trouvent en contact avec les éléments sont en métal, à l'exception du connecteur. Les capteurs eux-mêmes peuvent être immergés dans de l'eau ou d'autres fluides jusqu'à 69 bar lorsqu'ils ne sont pas opérationnels. Cependant, ils ne peuvent pas fonctionner lorsqu'ils sont immergés, car de l'eau pourrait s'infiltrer dans la connexion et ainsi provoquer un court-circuit.
LVDT submersibles
Classe IP-68
Les LVDT submersibles sont classés IP-68 s'ils sont équipés du connecteur Seacon-Branter correspondant. Le connecteur et la fiche d'accouplement sont conçus pour des pressions allant jusqu'à 345 bar ou plus. En général, ces unités sont conçues pour avoir une durée de vie de 20 ans et sont utilisées pour des applications critiques dans lesquelles l'accès à l'unité pour le remplacement ou la réparation est très coûteux.
Applications recommandées :
- En eau de mer ou eau douce
- Surveillance des structures de barrages/ponts
- Surveillance des positions de vanne de régulation/arbre de Noël
- Extensomètres sous-marins
- Câbles d'amarrage
- Retour d'information de la position d'actionneur/verrou de ROV
