Lineer Değişken Diferansiyel Trafo

Lineer Değişken Diferansiyel Trafo, hareketli çekirdeğinin konumuyla orantılı bir çıkış voltajına sahip bir nesnenin doğrusal yer değiştirmesini ölçmek için kullanılan çok hassas ve sürtünmesiz bir konumsal dönüştürücüdür.

Lineer değişken transformatör veya LVDT kısa, bir dış kuvvet veya nesnenin doğrusal mekanik durumu hakkında doğru ve sürtünmesiz konumsal geribildirim bilgi sağlayan bir elektromekanik pozisyonu vericisi (sensör) ‘dir. Adından da anlaşılacağı gibi, lineer değişken diferansiyel transformatör , AC transformatör ile aynı prensipte çalışır, ancak bir yük akımı veya yüksek voltaj sağlamak yerine, lineer hareketi ölçmek için temel transformatör karşılıklı endüktans prensiplerini kullanır.

Karşılıklı endüktansla ilgili öğreticimizde, iki veya daha fazla uzun solenoid bobin aynı kalıp veya çekirdek üzerine birlikte sarıldığında, bobinlerden herhangi biri tarafından üretilen manyetik akının, tahrik bobini tarafından üretilen manyetik akı ile diğerlerine bağlandığını gördük. diğer bobinler tarafından üretilen akıya karşı. Böylece bir bobinden akan herhangi bir AC akımı, diğer manyetik olarak bağlanmış bobinlere bir voltaj indükleyecektir ve bu, LVDT’nin temel ilkesidir.

Lineer Değişken Diferansiyel Trafo

O zaman LVDT, çalışması için harici bir güç kaynağı gerektiren pasif bir endüktif dönüştürücüdür. Analog çıkış voltajı üretmek için bobinler ve alternatif bir manyetik alan kullanır ve onu değişken bir endüktif dönüştürücü yapar. Böylece “doğrusal değişken diferansiyel transformatör” doğrusal bir eksen boyunca mesafeyi ölçer.

Lineer Değişken Diferansiyel Trafo

LVDT, içi boş, manyetik olmayan yalıtımlı bir tüp etrafına sırayla sarılmış üç ayrı bobinden oluşur. Manyetik telin bir bobini birincil bobin olarak sınıflandırılır ve diğer bobinler iki özdeş ikincil bobin, oluşturur.

İki ikincil bobin, birbirine zıt bir seri konfigürasyonda birbirine bağlanır, yani birbirleriyle elektriksel olarak 180o faz dışıdırlar. Bu nedenle, adın diferansiyel kısmı vardır.

LVDT’NİN merkezi olarak konumlandırılmış tek birincil bobini, yaklaşık 1khz ila 10kHz arasında değişen bir frekansa sahip sabit bir AC sinüzoidal dalga formu kaynağı tarafından enerjilendirilir. Birincil sargı tarafından üretilen manyetik akı, çekirdeğin içinden, her iki tarafına yerleştirilmiş iki ikincil bobinden birine veya her ikisine bağlanır.

Bu düzenleme, çekirdeğin yer değiştirmesiyle orantılı bir diferansiyel çıkış voltajı üretir ve böylece ona ek olarak “boşluk sensörü” adını verir. Daha sonra lineer değişken diferansiyel transformatör, bir birincil uyarma bobininden ve “seri karşıt” (Diferansiyel) bağlı iki ikincil bobinden oluşur.

Lineer Değişken Diferansiyel Trafo

Lineer Değişken Diferansiyel Trafo

Yukarıdaki görüntü, LVDT’nin genelleştirilmiş ilkesini göstermektedir. Hareketli yumuşak demir ferromanyetik çekirdek iki ikincil bobinin merkezine yerleştirildiğinde, “boş konum”, iki ikincil bobinin her birine indüklenen birincil manyetik akı miktarı tamamen aynıdır. İki sekonder bobin birbiriyle faz dışı 180 o sarıldığından , iki sekonder sargıdaki iki indüklenen emk, VSEC1 = VSEC2 değeri olarak birbirini iptal eder, bu nedenle elde edilen sekonder çıkış voltajı sıfırdır (V ÇIKIŞ = 0). Böylece sıfır volt, çekirdeğin sıfır konumunda tamamen ortalandığı anlamına gelir.

Çekirdek bu sıfır konumundan hafifçe bir tarafa veya diğerine kaydırıldığında, ferromanyetik çekirdeğin birleştirme etkisinden dolayı ikincil bobinlerden birinde indüklenen manyetik akı diğerinden daha fazla olacaktır. Bu, çekirdekten daha uzakta ikincil bobine indüklenen voltaj küçülürken, çekirdeğe en yakın ikincil bobine indüklenen voltaj daha büyük hale geldiğinden, iki ikincil bobinin dengesiz hale gelmesine neden olur. İki ikincil sargı arasındaki bu manyetik dengesizlik , birincil uyarma bobininin sargısına uygulanan tepe voltajının sinüzoidal frekansına göre bir çıkış voltajı (V OUT ) üretir .

Açıkçası daha sonra iki ikinci çıkışlar arasındaki fark gerilimi, V Sec1 – V SEC2 bir yönde ve V SEC2 – V Sec1 diğer yönde faz kaymasının kosinüs ile çarpılır bu da RMS voltajı olacaktır. Bu nedenle, hareketli çekirdeğin merkezi sıfır konumundan bir uca veya diğerine (strok uzunluğu) yer değiştirmesi ne kadar büyük olursa, sonuçta ortaya çıkan çıkış voltajı o kadar büyük olacaktır.

Çıkış sinyalinin polaritesi ve büyüklüğü, bağlı nesnenin hareketi tarafından belirlenen hareketli çekirdeğin yer değiştirmesinin yönüne ve miktarına bağlıdır. Bu yer değiştirme sonuçları, çekirdek konumu ile doğrusal olarak değişen bir diferansiyel voltaj çıkışıdır. Bu nedenle, bu tip konum sensöründen gelen rms çıkış voltajı, gösterildiği gibi hem çekirdek yer değiştirmesinin doğrusal bir fonksiyonu olan bir genliğe hem de hareket yönünü gösteren bir polariteye sahiptir.

LVDT Çıkış Voltajı

Lineer Değişken Diferansiyel Trafo

Yukarıdaki konum-voltaj grafiğinden, çekirdek merkez konumu boyunca aralığının bir ucundan diğerine hareket ederken, birincil ve iki ikincil bobinden hangisi oluşursa, daha büyük bir manyetik bağlantı olduğunu görebiliriz. Çıkış voltajları, çekirdeğin sıfırdan ne kadar uzağa yer değiştirdiği ile ilgili bir miktar kadar ters yönde maksimumdan sıfıra ve tekrar maksimuma değişir. Bu, LVDT’nin büyüklüğü merkez “boş” konumdan hareket miktarını temsil eden ve faz açısı hareketli çekirdeğin hareket yönünü temsil eden bir çıkış AC sinyali üretmesini sağlar.

Bir nesneyi çekirdeğe bağlamak, doğrusal değişken diferansiyel transformatör dönüştürücünün nesnenin konumu hakkında oldukça kesin bilgiler sağlamasına olanak tanır. Çıkışları milimetre başına belirli bir voltaj, örneğin 20 veya 200 mV/mm üretmek üzere kalibre edildiğinden, aralık veya strok birkaç milimetreden yüzlerce milimetreye kadar olabilir. Yani bir milimetrelik bir çekirdek yer değiştirmesi 200 mV’luk bir voltaj çıkışı üretecektir. Çıkış geriliminin (0 o veya 180 o ) faz açısı , birincil bobin uyarma geriliminin (0 o ) ile karşılaştırıldığında, çekirdeğin ikincil bobinin hangi yarısının bulunduğunu bilmek ve böylece yönünü bilmek mümkündür.

Değişken bir diferansiyel transformatörün, dirençli potansiyometre tabanlı dönüştürücülere kıyasla konum ölçümü için birçok avantajı ve kullanımı vardır. LVDT’ler çok iyi doğrusallığa sahiptir, yani yer değiştirmeye voltaj çıkışı mükemmeldir, çok iyi doğruluk, iyi çözünürlük, yüksek hassasiyet ve ayrıca bobinler ve çekirdek arasında mekanik bağlantı olmaması nedeniyle sürtünmesiz bir çalışma sağlar ve aşınacak parça olmaz. Ayrıca adının Transformatör kısmı, daha fazla elektriksel bağlantıya izin veren birincil ve ikincil sargılar arasında elektriksel izolasyon olduğu anlamına gelir.

Bir LVDT’nin birincil, ikincil sargıları ve çekirdeği arasındaki tek etkileşim manyetik kuplaj olduğundan, LVDT’nin birincil ve ikincil sargıları genellikle bir epoksi kapsülleme içinde sızdırmaz hale getirilir ve tüm sensör metal bir muhafaza içine yerleştirilmiştir ve bu sayede nemli veya sert çevre koşulların da ve çok çeşitli alanlarda güvenle kullanılmasına izin verilir.

LVDT Soru Örneği 1

Bir lineer değişken diferansiyel transformatör ±150mm strok uzunluğuna sahiptir ve 40mV/mm çözünürlük üretir. 

Şunları hesaplayın: a) LVDT’nin maksimum çıkış voltajını,

b) çekirdek sıfır konumundan 120 mm hareket ettirildiğinde çıkış voltajını,

c) çıkış voltajı 3,75 volt olduğunda merkezden çekirdeğin konumunu,

d) çekirdek +80mm’den -80mm yer değiştirmesini.

a). Maksimum çıkış voltajı, V OUT

1 mm’lik hareket 40mV üretiyorsa, 150 mm’lik hareket şunları üretir:

ÇIKIŞ  = 40mV x 150mm = 0,04 x 150 = ±6 Volt

B). 120 mm çekirdek hareket etmesi V OUT

150 mm’lik bir çekirdek yer değiştirmesi 6 voltluk bir çıkış üretiyorsa, 120 mm’lik bir hareket şunları üretir:

Lineer Değişken Diferansiyel Trafo

C). V OUT = 3,75 volt olduğunda çekirdek konumu

Lineer Değişken Diferansiyel Trafo

NS). +80mm’den -80mm yer değiştirmeye voltaj değişimi

Lineer Değişken Diferansiyel Trafo

Böylece çekirdek sırasıyla +80 mm’den -80 mm’ye hareket ettikçe çıkış voltajı +3.2 volttan -3.2 volta değişir.

Yer değiştirme transdüserleri, birkaç milimetreden uzun vuruşları ölçebilenlere kadar birçok uzunluk ve boyutta gelir. Ancak LVDT’ler doğrusal hareketi düz bir çizgide ölçebilirken, LVDT’nin açısal hareketi ölçebilen Döner Değişken Diferansiyel Transformatör veya RVDT olarak adlandırılan bir varyasyonu vardır.

Döner Değişken Diferansiyel Trafo (RVDT)

Potansiyometre tabanlı transdüserlerin kullanımı kolay ve basittir, ancak dirençli potansiyometreler, kayar silici ile dirençli ray arasındaki temas nedeniyle mekanik aşınmaya maruz kalır ve ayrıca silici, direnç yolu boyunca kayarken ve sekerken elektrik gürültüsü üretir. Döner değişken diferansiyel transformatörler, döner bir ferromanyetik çekirdeğin kullanılması dışında önceki LVDT ile aynı temel prensipte çalışır.

Burada transformatör çekirdeği düz değildir, ancak sensörün bağlı nesnenin açısal yer değiştirmesini ölçmesini sağlayan bir dairenin (toroidal transformatörlerde olduğu gibi) bir parçasını oluşturur. RVDT’nin ferromanyetik hareketli çekirdeği, açısal konumuna bağlı olarak ikincil bobinlerle birleşir ve böylece açısal yer değiştirmenin ölçülmesine izin verir.

Bir RVDT’nin elektriksel çalışması, birincil ve ikincil bobinler arasındaki karşılıklı endüktans kuplajını değiştirmeye dayanması bakımından lineer versiyonla tamamen aynıdır. Birincil bobin hala bir AC uyarma akımı (tipik olarak kilo-hertz, kHz aralığında) tarafından sürülür ve bu, seriye karşıt ikincil bobinlerin her birinde bir AC akımı indükler.

Döner değişken diferansiyel transformatörün ana dezavantajlarından biri, yalnızca nispeten dar bir açısal dönüş aralığında çalışabilmesidir. Teorik olarak sürekli dönüş ve hız ölçümü yapabilmelerine rağmen, tipik RVDT’nin çıkışı, esas olarak manyetik kuplajdaki sınırlamalardan dolayı sıfır sıfır konumundan (0 o ) yaklaşık ±60 o veya daha az bir aralıkta gerçekten doğrusaldır. Bunun ötesinde, çıkış sinyali doğrusal olmayan ve daha az kullanışlı olmaya başlar. Ayrıca hassasiyetleri, dönme derecesi başına yaklaşık 2 ila 5mV üreten lineer kuzenlerinden çok daha küçüktür.

Lineer Değişken Diferansiyel Transformatör Özeti

LVDT’nin birkaç milimetreden yüzlerce milimetreye kadar küçük doğrusal (düz hat) yer değiştirmeleri ölçmek için kullanılan bir konumsal sensör olduğunu lineer değişken diferansiyel transformatör hakkında bu öğreticide gördük. LVDT, doğrudan kayan mekanik kontağa veya aşınacak hareketli parçalara sahip değildir, bu nedenle rezistif lineer potansiyometre tipi yer değiştirme sensörüne kıyasla daha fazla elektrik performansı ve kullanım ömrü sunarak neredeyse sürtünmesiz hale getirir.

LVDT, tek bir birincil sargıya sahip bir transformatörden ve elektriksel olarak birbirinden 180 o faz dışı olan iki sekonder sargıdan oluşur. LVDT ayrıca hareketli bir çekirdekten oluşur. Çekirdek merkezi konumundayken, iki sekonder sargıda indüklenen voltajlar eşit ve zıttır ve sıfır çıkış sinyali verir. Çekirdek merkez konumundan uzaklaştıkça, bir yarım sekonder sargıda indüklenen voltaj diğerinden daha büyük olacak ve genliği doğrusal yer değiştirme miktarıyla orantılı olan ve fazı hareket yönünü temsil eden bir sinyal verecektir. Böylece LVDT, çıkış geriliminin faz açısının 180 o değiştiği çekirdek konumu ile doğrusal olarak değişen bir diferansiyel gerilim çıkışı üretir.