El transformador diferencial variable lineal ( LVDT ), también llamado transformador de desplazamiento variable lineal , [1] transductor de desplazamiento variable lineal , [2] o simplemente transformador diferencial [3] , es un tipo de transformador eléctrico utilizado para medir el desplazamiento lineal (posición a lo largo de una dirección dada). Una contraparte de este dispositivo que se utiliza para medir el desplazamiento rotatorio se llama transformador diferencial variable rotatorio (RVDT).
Los LVDT son transductores de desplazamiento/posición lineales absolutos y robustos; inherentemente sin fricción, tienen una vida útil prácticamente infinita cuando se utilizan correctamente. Como 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 e impacto. 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. [ cita requerida ]
El LVDT convierte una posición o un desplazamiento lineal a partir de una referencia mecánica (posición cero o nula) en una señal eléctrica proporcional que contiene información de fase (para la dirección) y amplitud (para la distancia). El funcionamiento del LVDT no requiere un contacto eléctrico entre la parte móvil (sonda o conjunto de núcleo) y el conjunto de bobinas, sino que se basa en un acoplamiento electromagnético. [ cita requerida ]
El transformador diferencial variable lineal tiene tres bobinas solenoidales colocadas de extremo a extremo alrededor de un tubo. La bobina central es la primaria y las dos bobinas exteriores son los secundarios 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 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 los voltajes inducidos cambien. Las bobinas están conectadas de modo que el voltaje de salida sea la diferencia (de ahí el nombre de "diferencial") entre el voltaje secundario superior y el voltaje secundario inferior. Cuando el núcleo está en su posición central, equidistante entre las dos bobinas secundarias, 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, pequeñas variaciones en la forma en que el primario está acoplado a cada secundario significan que se emite un pequeño voltaje cuando el núcleo está en el centro.
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 en torno al punto nulo y también puede ser inaceptable en aplicaciones de medición simples. Es una consecuencia del uso de demodulación sincrónica, con sustracción directa de los voltajes secundarios en CA. Los sistemas modernos, en particular los que implican 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 un voltaje de excitación constante, la suma de los dos voltajes secundarios es casi constante durante toda la carrera operativa del LVDT, su valor permanece dentro de una pequeña ventana y se puede monitorear de manera que cualquier falla interna del LVDT hará que el voltaje de suma se desvíe de sus límites y se detecte rápidamente, lo que hará que se indique un fallo. Con este esquema no hay error de cuadratura y el voltaje diferencial dependiente de la posición pasa suavemente por cero en el punto nulo.
Cuando el sistema dispone de procesamiento digital en forma de microprocesador o FPGA , es habitual que el dispositivo de procesamiento lleve a cabo la detección de fallos y, posiblemente, el procesamiento ratiométrico [4] para mejorar la precisión, dividiendo la diferencia de 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 se dispone de suficiente capacidad de procesamiento digital, se está volviendo habitual utilizarla 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 arriba, el voltaje en la bobina secundaria superior aumenta a medida que el voltaje en la inferior disminuye. 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 (arriba o abajo) y la amplitud indica la cantidad de desplazamiento. Un detector sincrónico 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 en un desplazamiento de hasta varias pulgadas (varios cientos de milímetros) de largo.
El LVDT puede utilizarse como sensor de posición absoluta. Incluso si se apaga el suministro eléctrico, al reiniciarlo, el LVDT muestra la misma medición y no se pierde información de posición. Sus mayores ventajas son la repetibilidad y reproducibilidad una vez que se configura correctamente. Además, aparte del movimiento lineal uniaxial del núcleo, cualquier otro movimiento, como la rotación del núcleo alrededor del eje, no afectará a sus mediciones.
Como el núcleo deslizante no toca el interior del tubo, puede moverse sin fricción, lo que hace que el LVDT sea un dispositivo muy 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 retroalimentación de posición en servomecanismos , y para medición automatizada en máquinas herramienta y muchas otras aplicaciones industriales y científicas.