A TRANSDUÇÃO LVDT

O QUE É UM LVDT?

As letras LVDT são um acrônimo para Transformador Linear de Tensão Diferencial Variável, um tipo comum de transdutor eletromecânico que pode converter o movimento retilíneo de um objeto ao qual ele está acoplado mecanicamente em uma resposta elétrica correspondente.

Sensores de posição linear LVDT são prontamente usados para medir movimentos tão pequenos como poucos milhões de uma polegada, mas são também capazes de medir posições até ± 20 polegadas.

Esta figura mostra os componentes de um LVDT típico. A estrutura interna do transformador consiste de um enrolamento primário centralizado entre um par de enrolamentos identicamente enrolados, simetricamente espaçados do primário. As bobinas são enroladas em um formato de uma peça oca de vidro estável reforçada de polímero, encapsulada contra umidade, envolvido em um alto escudo permeável magnético, e então seguro em um cilindro de aço de alojamento imaculado. Esta montagem de bobina é usualmente o elemento estacionário do sensor de posição.

O elemento movente de um LVDT está numa armadura separada tubular de material magneticamente permeável que se chama núcleo, que está liberada para se mover axialmente, e mecanicamente acoplado para a posição que está sendo medida. Isto suportou ser tipicamente o suficiente para prover desobstruição substancial radial entre o núcleo, com nenhum contato físico entre ele e a bobina.

Em operação, o enrolamento primário do LVDT é energizado por corrente alternada de amplitude apropriada e freqüência, conhecido como a excitação primária. O sinal elétrico de saída do LVDT é a tensão diferencial AC entre o dois enrolamentos, que varia com a posição axial do núcleo interno e a bobina LVDT. Usualmente, esta saída AC de tensão é convertida por circuitos eletrônicos adequados para alto nível DC de voltagem ou corrente que pode ser mais conveniente para usar.

COMO UM LVDT TRABALHA?

Esta figura ilustra o que acontece no núcleo do LVDT quando está em diferentes posições axiais. O enrolamento primário do LVDT, P, é energizado por uma fonte de amplitude constante AC. O fluxo magnético assim desenvolvido é acoplado pelo núcleo para os enrolamentos secundários adjacentes, S1 e S2. Se o núcleo está localizado na metade do caminho entre S1 e S2, fluxo igual é acoplado para cada secundário então, E1 e E2, induzem em cada enrolamento igualmente. Nesta posição no meio do caminho do núcleo, a saída de voltagem diferencial, (E1 - E2), é eficazmente zero.

Como mostra aqui, se o núcleo é movido mais para S1 do que para S2, mais fluxo é acoplado para S1 e menos para S2, então a voltagem E1 é aumentada enquanto E2 é diminuída, resultando em uma voltagem diferencial (E1 - E2). Reciprocamente, se o núcleo é movido para S2, mais fluxo está acoplado para S2 e menos para S1 e E2 é aumentada como E1 é diminuída, resultando em uma voltagem diferencial (E2 - E1).

Esta figura mostra como a magnitude de voltagem de saída diferencial, Eout, varia com a posição do núcleo. O valor de Eout no deslocamento máximo do núcleo depende da amplitude da voltagem de excitação primária e fator sensibilidade do LVDT, é tipicamente em volts RMS diferente. O ângulo de fase de voltagem de saída Eout em AC, referenciado para a voltagem de excitação, permanecer constante até o centro, e o ângulo de fase onde muda abruptamente de 180 graus, como mostra graficamente o diagrama.

Esta mudança de 180 graus do ângulo de fase pode ser usada para determinar a direção do ponto nulo do núcleo por significar o circuito apropriado. Isto está mostrado no diagrama, onde a polaridade do sinal de saída representa o relacionamento do núcleo para o ponto nulo. Desejando-se conhecer a direção do deslocamento é necessário o uso de um demodulador de fase.

O diagrama mostra que a saída de um LVDT é muito linear na sua especificação de alcance de movimento do núcleo, mas o sensor pode ser usado por um deslocamento estendido de alcance com alguma redução na saída linearmente.

SUPORTE ELETRÔNICO DO LVDT

Embora um LVDT seja um transformador elétrico, ele requer corrente AC de amplitude e freqüência completamente diferentes da corrente de linha original para operar propriamente (tipicamente 3V RMS em 2,5kHz). Este fornecimento de excitação para um LVDT é uma das várias funções de suporte eletrônico, que também é conhecido como condicionamento de sinal do LVDT.

Outra função inclui a conversão do baixo nível AC de tensão de saída do LVDT em alto nível de voltagem de saída em nível DC, que são mais convenientes para usar, decodificando informações direcionais de mudança de fase de saída de 180 graus como um movimento do ponto nulo do núcleo do LVDT, e provendo um nível zero eletricamente ajustável. Esta figura é uma representação do diagrama de blocos típico do condicionamento eletrônico de sinal do LVDT.

Uma variedade de sinais eletrônicos de condicionamento está disponível, incluindo nível de corte e nível de subida para aplicações OEM apropriadas como módulos e laboratórios de instrumentos completos para usuários.

O suporte eletrônico também pode ser contido sozinho, como LVDTs DC. Estes transdutores de posição fáceis de usar oferecem praticamente todos os benefícios de um LVDT com a simplicidade da operação de entrada DC e saída DC. É claro, LVDTs com eletrônica integral não são apropriados para algumas aplicações, ou podem não ser apropriadamente condicionados para algumas instalações.

O TRANSFORMADOR DIFERENCIAL REAL

Até agora foi descrito sobre o transformador diferencial ideal, em que as três bobinas são indutivas puras e perfeitamente simétricas, dando assim uma tensão nula quando o núcleo tomar uma posição simétrica. Na realidade o transformador diferencial não apresenta uma saída nula para essa condição, por causa do efeito do acoplamento capacitivo entre as bobinas, além da imprecisão da simetria e devido ao efeito resistivo das bobinas. Entretanto a máxima saída para a posição neutra é menor do que 1% da máxima tensão de saída, e somente quando uma extrema sensibilidade for desejada é que tudo isto pode influenciar a medição, porém como vimos, essa influência é muito pequena.

A sensibilidade dos LVDTs normalmente encontrados no mercado varia entre 0,2 a 2 Volts/cm de deslocamento por Volt de excitação aplicada ao primário. A tensão aplicada ao enrolamento primário na maioria dos casos é de 5 a 10 Volts, a uma freqüência de 60Hz a 5kHz.

O campo de medida de deslocamento do LVDT varia conforme o tipo. Unidades comerciais podem ser encontradas com deslocamentos entre 1 a 50 mm. Quanto maior o deslocamento, menor será a sua sensibilidade.

O erro do LVDT é em geral de 0,5% a 2% para a máxima saída.

Quanto à resposta dinâmica, é limitada pela massa e pelo sistema mecânico de montagem. Também é limitada pela freqüência da tensão de corrente alternada aplicada ao primário, isto é, a freqüência portadora do sistema eletrônico, deve ser maior que dez (10) vezes a máxima freqüência que se deseja medir.

CARACTERÍSTICAS DO LVDT

Livre operação de atrito

Resolução infinita

Vida mecânica ilimitada

Eixo único de sensibilidade

Bobina e núcleo separáveis

Ambientalmente robusto

Ponto de repetibilidade nulo

Rápida resposta dinâmica

Saída absoluta

A EVOLUÇÃO DOS LVDTs

A operação desses transdutores é seriamente afetada quando usado na proximidade de grande massa de materiais magnéticos, ou em campos magnéticos, provocando excessiva tensão na posição neutra e sinal não linear; entretanto pode-se diminuir o efeito do campo magnético com auxílio de blindagens nas bobinas e na fiação.

Devido ao desenvolvimento dos instrumentos para a medida de corrente contínua, desenvolveram-se também esses transdutores de tal forma que pudessem serem excitados com corrente contínua, obtendo-se assim uma saída também contínua. Isto se faz atualmente introduzindo na entrada do LVDT um oscilador eletrônico que transforma a corrente contínua em corrente alternada de tensão estabilizada e proporcional à entrada; esta tensão é que alimenta o primário do LVDT. Na sua saída é acoplado um sistema eletrônico composto de um demodulador e um filtro passa baixa, obtendo-se assim uma saída em corrente contínua.