El transformador diferencial lineal variable ( 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 giratorio se llama transformador diferencial variable giratorio (RVDT).
Los LVDT son transductores de posición/desplazamiento lineal absoluto y robustos; inherentemente sin fricción, tienen un ciclo de vida prácticamente infinito cuando se usan correctamente. Como los LVDT operados por CA no contienen ningún componente electrónico, pueden diseñarse para funcionar a temperaturas criogénicas o hasta 1200 °F (650 °C), en entornos hostiles y bajo altos niveles de vibración y choque. 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 necesaria ]
El LVDT convierte una posición o desplazamiento lineal desde 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 conjunto de núcleo) y el conjunto de bobina, sino que depende de un acoplamiento electromagnético. [ cita necesaria ]
El transformador diferencial lineal variable tiene tres bobinas solenoides 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 conecta 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 se acopla a cada secundario significan que se genera un pequeño voltaje 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 circuito cerrado, ya que puede provocar oscilaciones alrededor del punto nulo y también puede ser inaceptable en aplicaciones de medición simples. Es consecuencia del uso de demodulación síncrona, con resta directa de las tensiones secundarias 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, usando rectificadores de precisión de media onda o de onda completa, 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 a lo largo de la carrera operativa del LVDT, su valor permanece dentro de una ventana pequeña y puede monitorearse de manera que cualquier falla interna del LVDT causará que el voltaje total aumente. desviarse de sus límites y ser rápidamente detectado, provocando que se indique una avería. No hay error de cuadratura con este esquema y la diferencia de voltaje dependiente de la posición pasa suavemente a través de 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 entre 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 común 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 parte 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, la tensión 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 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 en desplazamientos de hasta varias pulgadas (varios cientos de milímetros) de largo.
El LVDT se puede utilizar como sensor de posición absoluta. Incluso si se corta la alimentación, 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 configurado correctamente. Además, aparte del movimiento lineal uniaxial del núcleo, cualquier otro movimiento, como la rotación del núcleo alrededor del eje, no afectará sus mediciones.
Debido a que el núcleo deslizante no toca el interior del tubo, puede moverse sin fricción, lo que convierte al LVDT en 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 retroalimentación de posición en servomecanismos y para mediciones automatizadas en máquinas herramienta y muchas otras aplicaciones industriales y científicas.