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Transformador Diferencial Variável Linear
Os LVDTs fornecem medição de posição confiável para aplicações submarinas, de geração de energia, automação industrial, aeroespacial, teste e medição e muito mais.
O que é um LVDT?
LVTD é o acrônimo em inglês para transformador diferencial variável linear. É um tipo comum de transdutor eletromecânico que converte o movimento retilíneo de um objeto ao qual está mecanicamente acoplado em um sinal elétrico correspondente. Sensores de posição linear do tipo LVDT estão prontamente disponíveis e podem medir movimentos que vão de uma fração muito pequena de uma polegada até vários centímetros, mas também são capazes de medir posições em um intervalo de até ±30 polegadas (±0,762 metro). A Figura 1 mostra os componentes de um LVDT convencional. A estrutura interna do transformador é composta por uma bobina principal no centro cercada por outras duas bobinas secundárias idênticas, posicionadas simetricamente em relação à principal. As bobinas são enroladas em um único componente oco feito de polímero reforçado com vidro termicamente estável, protegidas contra a umidade, envoltas em uma blindagem magnética de alta permeabilidade e depois fixadas em um invólucro cilíndrico de aço inoxidável. Esse conjunto de bobinas é geralmente o elemento estacionário do sensor de posição.
FIGURA 1: Ilustração da Bobina Principal no Centro do LVDT. Duas bobinas secundárias são enroladas simetricamente de cada lado da bobina principal, como mostrado nos LVDTs de "curso curto", ou em cima da bobina principal nos LVDTs de "curso longo". As duas bobinas secundárias geralmente são conectadas em "série oposta" (diferencial).
É um tipo comum de transdutor eletromecânico que converte o movimento retilíneo de um objeto ao qual está mecanicamente acoplado em um sinal elétrico correspondente.
O elemento móvel de um LVDT é um componente tubular separado feito de material magneticamente permeável. Isso é chamado de núcleo, que pode se mover livremente ao longo do eixo dentro do orifício oco da bobina e está conectado mecanicamente ao objeto cuja posição está sendo medida. Esse orifício costuma ser grande o suficiente para fornecer um espaço radial considerável entre o núcleo e o orifício, sem nenhum contato físico entre eles e a bobina. Em operação, a bobina principal do LVDT é alimentada por uma corrente alternada de amplitude e frequência apropriadas, conhecida como excitação primária. O sinal elétrico de saída do LVDT é a diferença de tensão alternada entre as duas bobinas secundárias. Essa diferença varia conforme a posição axial do núcleo dentro da bobina do LVDT. Normalmente, a tensão de saída CA é convertida pelos circuitos eletrônicos adequados em tensão ou corrente CC de alto nível de uso mais conveniente.
Como funciona um LVDT?
A Figura 2 ilustra o que ocorre quando o núcleo do LVDT está em diferentes posições axiais. A bobina primária do LVDT, P, é alimentada por uma fonte de corrente alternada de amplitude constante. O fluxo magnético gerado é transmitido pelo núcleo para as bobinas secundárias adjacentes, S1 e S2. Se o núcleo estiver localizado entre S1 e S2, um fluxo igual será transmitido para cada secundária, de modo que as tensões, E1 e E2, induzidas nas bobinas S1 e S2, respectivamente, serão iguais. Nessa posição intermediária de referência, conhecida como ponto nulo, a saída de tensão diferencial, (E1 - E2), é praticamente zero. Conforme mostrado na Figura 2, se o núcleo for movido mais perto de S1 do que de S2, mais fluxo será transmitido para S1 e menos para S2, fazendo com que a tensão induzida E1 aumente enquanto E2 diminui, resultando na tensão diferencial (E1 - E2). Por outro lado, se o núcleo for movido mais perto de S2, mais fluxo será transmitido para S2 e menos para S1, fazendo com que a tensão induzida E2 aumente enquanto E1 diminui, resultando na tensão diferencial (E2 - E1).
FIGURA 2: Núcleo do LVDT em Diferentes Posições Axiais
A Figura 3A mostra como a magnitude da tensão de saída diferencial, EOUT, varia com a posição do núcleo. O valor de EOUT no ponto máximo de deslocamento do núcleo em relação ao ponto nulo depende da amplitude da tensão de excitação primária e do fator de sensibilidade específico do LVDT, mas geralmente é de vários volts RMS. O ângulo de fase dessa tensão de saída CA, EOUT, comparado com a tensão de excitação primária, permanece constante até que o centro do núcleo ultrapasse o ponto nulo, onde o ângulo de fase muda abruptamente em 180 graus, como mostrado no gráfico da Figura 3B. Essa mudança de fase de 180 graus pode ser usada para determinar a direção do núcleo em relação ao ponto nulo por meio de circuitos apropriados. Isso é ilustrado na Figura 3C, onde a polaridade do sinal de saída representa a posição do núcleo em relação ao ponto nulo. A figura também mostra que a saída de um LVDT é muito linear ao longo da faixa especificada de movimento do núcleo, mas que o sensor pode ser utilizado em uma faixa estendida com alguma redução na linearidade da saída.
FIGURA 3: Características de Saída de um LVDT X Diferentes Posições do Núcleo. A saída de alcance total é um sinal grande, geralmente de um volt ou mais, que muitas vezes não requer amplificação. Vale lembrar que um LVDT continua a operar além de 100% da faixa completa, porém com uma linearidade reduzida.
Eletrônica de Suporte para LVDTs
Embora um LVDT seja um transformador elétrico, ele requer energia CA com amplitude e frequência bastante diferentes das linhas elétricas comuns para funcionar corretamente (tipicamente 3 Vrms a 3 kHz). Fornecer essa energia de excitação para um LVDT é uma das várias funções da eletrônica de suporte dos LVDTs, que às vezes também é conhecida como equipamento de condicionamento de sinal. Outras funções incluem converter a baixa tensão de saída CA do LVDT em sinais CC de alto nível mais convenientes para uso, decodificar a informação de direção com base na mudança de fase de 180 graus da saída à medida que o núcleo do LVDT se move através do ponto nulo e fornecer um nível zero de saída ajustável eletricamente. Existem diversas opções de componentes eletrônicos de condicionamento de sinal para LVDTs, o que inclui produtos dimensionados para chips e placas, adequados para aplicações OEM, bem como módulos e instrumentos de laboratório completos para usuários finais.
A eletrônica de suporte também pode ser autônoma, como no caso do LVDT de CC mostrado na Figura 4. Esses transdutores de posição fáceis de usar oferecem praticamente todas as vantagens de um LVDT com a simplicidade de operação de um dispositivo com entrada e saída em corrente contínua. Evidentemente, LVDTs com eletrônica integrada podem não ser adequados para algumas aplicações ou talvez não estejam encapsulados de forma apropriada para alguns ambientes de instalação.
Por que usar um LVDT?
Operação sem atrito
Uma das características mais importantes de um LVDT é a sua operação livre de atrito. No uso normal, não há contato mecânico entre o núcleo do LVDT e o conjunto da bobina, portanto, não há atrito, arrasto nem qualquer outra fonte de fricção. Essa característica é especialmente útil em testes de materiais, medições de deslocamento de vibração e sistemas de medição dimensional de alta resolução.
Resolução infinita
Uma vez que um LVDT opera com base em princípios de acoplamento eletromagnético em uma estrutura livre de atrito, ele pode medir mudanças infinitesimais na posição do núcleo. Essa capacidade de resolução infinita é limitada apenas pelo ruído em um condicionador de sinal LVDT e pela resolução da exibição de saída. Esses mesmos fatores também dão a um LVDT uma excelente repetibilidade.
Vida mecânica ilimitada
Como normalmente não há contato entre o núcleo e a estrutura da bobina do LVDT, não há peças que possam friccionar ou desgastar. Por causa disso, um LVDT apresenta vida mecânica ilimitada. Esse fator é especialmente importante em aplicações de alta confiabilidade, como aeronaves, satélites, veículos espaciais e instalações nucleares. Também é altamente desejável em muitos sistemas de controle de processos industriais e automação de fábricas.
Resistente a danos causados pelo sobrecurso
O orifício interno da maioria dos LVDTs é aberto em ambas as extremidades. No caso de um sobrecurso não previsto, o núcleo pode passar completamente através do conjunto da bobina do sensor sem causar danos. Essa invulnerabilidade a sobrecarga de entrada de posição torna um LVDT um sensor adequado para aplicações como extensômetros que são fixados a amostras de teste de tênsil em dispositivos de teste de materiais destrutivos.
Sensibilidade de eixo único
Um LVDT responde ao movimento do núcleo ao longo do eixo da bobina, mas geralmente é insensível ao movimento do núcleo em direções cruzadas ou à sua posição radial. Portanto, um LVDT geralmente pode funcionar sem efeitos adversos em aplicações que envolvem membros móveis desalinhados ou flutuantes, bem como nos casos em que o núcleo não se desloca em uma linha reta precisa.
Bobina e núcleo separáveis
Como a única interação entre o núcleo e a bobina de um LVDT é o acoplamento magnético, o conjunto da bobina pode ser isolado do núcleo inserindo um tubo não magnético entre o núcleo e o orifício. Ao fazer isso, um fluido pressurizado pode ser contido dentro do tubo, no qual o núcleo é livre para se mover, enquanto o conjunto da bobina não está pressurizado. Essa característica é frequentemente utilizada em LVDTs usados para fornecer feedback de posição de carretéis em válvulas proporcionais e/ou servoválvulas hidráulicas.
Robusto em termos ambientais
Os materiais e as técnicas de construção usados na montagem de um LVDT resultam em um sensor resistente e durável que é robusto para uma variedade de condições ambientais. A equipotencialização das bobinas é seguida pelo encapsulamento em epóxi no invólucro, o que resulta em uma resistência superior à umidade, além da capacidade de suportar cargas de choque substanciais e níveis elevados de vibração em todos os eixos. E a blindagem magnética interna de alta permeabilidade minimiza os efeitos de campos CA externos. Tanto o invólucro quanto o núcleo são feitos de metais resistentes à corrosão, sendo que o invólucro também atua como uma blindagem magnética complementar. E para aplicações em que o sensor deve resistir à exposição a vapores e líquidos inflamáveis ou corrosivos, ou operar em fluidos pressurizados, o invólucro e o conjunto da bobina podem ser selados hermeticamente usando uma variedade de processos de soldagem. Os LVDTs comuns podem operar em uma ampla faixa de temperaturas, mas, se necessário, podem ser fabricados para funcionar em temperaturas criogênicas, ou, utilizando materiais especiais, operar em temperaturas elevadas e níveis de radiação encontrados em muitos reatores nucleares.
Repetibilidade de ponto nulo
A posição do ponto nulo intrínseco de um LVDT é extremamente estável e repetível, mesmo em sua ampla faixa de temperatura de operação. Isso faz com que um LVDT tenha um bom desempenho como um sensor de posição nula em sistemas de controle de loop fechado e instrumentos de servoequilíbrio de alto desempenho.
Resposta dinâmica rápida
A ausência de atrito durante a operação comum permite que um LVDT responda muito rapidamente a mudanças na posição do núcleo. A resposta dinâmica de um sensor LVDT é limitada apenas pelos efeitos inerciais da pequena massa do núcleo. Com mais frequência, a resposta de um sistema de sensor LVDT é determinada pelas características do condicionador de sinal.
Saída absoluta
Um LVDT é um dispositivo de saída absoluta, em oposição a um dispositivo de saída incremental. Como resultado, no caso de falta de energia, os dados de posição enviados pelo LVDT não serão perdidos. Quando o sistema de medição é reiniciado, o valor de saída do LVDT será o mesmo que era antes da ocorrência da falta de energia.
