ترانسفورماتور دیفرانسیل متغیر خطی
ترانسفورماتور دیفرانسیل متغیر خطی یک مبدل موقعیتی بسیار دقیق و بدون اصطکاک است که برای اندازه گیری تغییر مکان خطی یک جسم با ولتاژ خروجی متناسب با موقعیت هسته متحرک آن استفاده می شود.
بعد از آموزش رله برقی در اینجا قصد داریم در مورد ترانسفورماتور دیفرانسیل متغیر خطی صحبت کنبم.
ترانسفورماتور دیفرانسیل متغیر خطی یا به اختصار LVDT یک مبدل موقعیت الکترومکانیکی (حسگر) است.
که اطلاعات بازخورد موضعی دقیق و بدون اصطکاک را در‌مورد موقعیت مکانیکی خطی یک نیرو یا جسم خارجی فراهم می‌کند.
همانطور که از نام آن مشخص است، ترانسفورماتور دیفرانسیل متغیر خطی در همان اصل ترانسفورماتور AC کار می کند.
اما به جای تأمین جریان بار یا ولتاژ بالا، از اصول اولیه ترانسفورماتور القایی متقابل برای اندازه‌گیری حرکت خطی استفاده‌می‌کند.
در آموزش ما در مورد القا متقابل، دیدیم که وقتی دو یا چند سیم پیچ برقی طولانی روی یک هسته یا هسته قبلی قرار می گیرند ، شار مغناطیسی تولید شده توسط هر یک از سیم پیچ ها با شار مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ رانندگی یا سایر موارد ، به سایر اتصالات متصل می شود. مخالف شار تولید شده توسط سیم پیچ های دیگر.
بنابراین هر جریان متناوب AC که از یک سیم پیچ عبور می کند ، ولتاژی را به سیم پیچ های دیگر با اتصال مغناطیسی القا می کند و این اصل اساسی LVDT است.
ترانسفورماتور دیفرانسیل متغیر خطی
سپس LVDT یک مبدل القایی منفعل است که برای کارکرد به یک منبع خارجی نیرو نیاز دارد.
برای تولید‌ولتاژ خروجی آنالوگ از سیم‌پیچ و میدان‌مغناطیسی متناوب استفاده می‌کند و آن‌را به یک مبدل القایی متغیر تبدیل می‌کند.
بنابراین “ترانسفورماتور دیفرانسیل متغیر خطی” فاصله را در امتداد یک محور خطی اندازه گیری می کند.
LVDT متشکل از سه سیم‌پیچ جداگانه است که به‌صورت پی‌در‌پی در‌اطراف یک لوله عایق توخالی و غیر مغناطیسی پیچیده می‌شوند.
یک سیم‌پیچ سیم مغناطیسی به‌عنوان سیم پیچ اولیه طبقه‌بندی می‌شود و سیم پیچ دیگر دو ثانویه یکسان را تشکیل می‌دهد.
این دو سیم‌پیچ ثانویه در یک پیکربندی سری با هم متصل می‌شوند،یعنی این که آنها به‌طور الکتریکی۱۸۰درجه با‌هم فاصله دارند.
از این رو بخش دیفرانسیلی اگر نام آن باشد.
سیم پیچ اصلی LVDT که در مرکز قرار دارد ، توسط یک منبع شکل موج سینوسی AC متناوب با فرکانس بین 1 کیلوهرتز تا 10 کیلو هرتز انرژی می گیرد.
شار‌مغناطیسی تولید‌شده توسط سیم‌پیچ اولیه از‌طریق هسته به‌یک یا هر دو دو سیم پیچ ثانویه قرار‌گرفته در دو‌طرف آن متصل‌می‌شود.
این ترتیب ولتاژ خروجی دیفرانسیل متناسب با جابجایی هسته تولید می‌کند، بنابراین نام اضافی “سنسور توزیع” را به آن می‌دهد.
سپس ترانسفورماتور دیفرانسیل متغیر خطی شامل یک سیم پیچ تحریک اولیه و دو سیم‌پیچ ثانویه متصل به “سری مخالف”(دیفرانسیل) است.
یک هسته آهن فرو مغناطیسی آهن نرم، به نام “هسته”،”حلزون حرکت”،”پیستون” یا “آرماتور”، اجازه دارد آزادانه در داخل لوله توخالی مرکزی در یک خط مستقیم حرکت کند در نتیجه جابجایی جسم متصل شده افزایش می‌یابد یا کاهش القا mutual متقابل بین سیم پیچ اولیه و ثانویه که باعث افزایش ولتاژ ناشی از هر سیم پیچ ثانویه می شود.
تولید دستگاه بسیار‌دقیق برای اندازه‌گیری تغییر مکان خطی و خروجی آن متناسب با موقعیت هسته متحرک آن است.
از این رو Linear Variable نام آن است.
ترانسفورماتور دیفرانسیل متغیر خطی
تصویر بالا اصل تعمیم یافته LDVT را نشان می دهد.
وقتی هسته فرو مغناطیسی آهن نرم قابل جابجایی در مرکز دو سیم پیچ ثانویه قرار داشته باشد ، “موقعیت نول” ، مقدار شار مغناطیسی اولیه القا شده به هر یک از دو سیم پیچ ثانویه دقیقاً یکسان است.
از آنجا که دو سیم پیچ ثانویه 180 درجه خارج از فاز با یکدیگر پیچیده می شوند ، دو EMF ناشی از دو سیم پیچ ثانویه یکدیگر را به عنوان مقدار VSEC1 = VSEC2 لغو می کنند ، بنابراین ولتاژ خروجی ثانویه حاصل صفر است (VOUT = 0) .
بنابراین صفر ولت به این معنی است که هسته در موقعیت صفر خود کاملاً متمرکز شده است.
از آنجا که هسته از این موقعیت صفر یا صفر کمی به یک طرف یا طرف دیگر منتقل شده است ، به دلیل اثر اتصال اتصال هسته فرومغناطیسی ، مقدار بیشتری شار مغناطیسی در یکی از سیم پیچ های ثانویه القا می شود. این باعث می شود که دو سیم پیچ ثانویه از تعادل خارج شوند زیرا ولتاژ القایی به سیم پیچ ثانویه با فاصله کمتر از هسته کوچکتر می شود ، در حالی که ولتاژ القایی به سیم پیچ ثانویه نزدیک به هسته بیشتر می شود.
این عدم تعادل مغناطیسی بین دو‌سیم‌پیچ ثانویه ولتاژ خروجی(VOUT)نسبت به فرکانس سینوسی ولتاژ پیک اعمال‌شده به سیم‌پیچ تحریک اولیه ایجاد‌می‌کند.
واضح است که ولتاژ دیفرانسیل بین دو خروجی ثانویه ، VSEC1 – VSEC2 در یک جهت و VSEC2 – VSEC1 در جهت دیگر ، ولتاژ RMS ضرب شده در کسینوس تغییر فاز خواهد بود.
بنابراین هرچه جابجایی هسته‌متحرک از موقعیت‌نول‌مرکزی آن به یک‌انتها یا انتهای‌دیگر افزایش یابد،(طول حرکت آن) ولتاژ خروجی حاصل بیشتر خواهد‌بود.
نکته در مورد سیگنال خروجی
قطبیت و اندازه سیگنال‌خروجی به جهت و میزان جابجایی هسته متحرک بستگی دارد که خود توسط حرکت جسم متصل تعیین‌می‌شود.
این نتایج جابجایی یک خروجی ولتاژ دیفرانسیل است که به طور خطی با موقعیت هسته ها تغییر می کند.
بنابراین ، ولتاژ خروجی rms از این نوع سنسور موقعیت هم دامنه ای دارد که تابعی خطی از جابجایی هسته ها است و هم قطبی را نشان می دهد که جهت حرکت را نشان می دهد.
ولتاژ خروجی LVDT
از نمودار موقعیت در برابر ولتاژ بالا می توان دریافت که وقتی هسته از یک انتهای دامنه خود به سمت دیگر از طریق موقعیت مرکزی حرکت می کند.
یک ارتباط مغناطیسی بیشتر بین اولیه و هر یک از دو سیم پیچ ثانویه وجود دارد.
ولتاژهای‌خروجی از حداکثر به‌صفر تغییر می‌کنند و مجدداً در‌جهت‌مخالف با‌مقداری که مربوط به میزان‌جابجایی هسته از صفر‌است، به حداکثر برمی‌گردند.
این LVDT را قادر می سازد تا سیگنال AC خروجی تولید کند که مقدار آن نشان دهنده میزان حرکت از مرکز “null” و زاویه فاز آن ، جهت حرکت هسته متحرک را نشان دهد.
اتصال یک‌جسم به هسته به مبدل ترانسفورماتور دیفرانسیل متغیر خطی اجازه می‌دهد تا اطلاعات‌دقیق در مورد موقعیت جسم را ارائه‌دهد.
دامنه یا ضربات می تواند از چند میلی متر تا صدها میلی متر باشد.
زیرا خروجی آنها کالیبره می‌شود تا ولتاژ خاصی در میلی‌متر تولید کند، به‌عنوان مثال 20 یا 200 میلی‌ولت در میلی‌متر.
این یعنی جابجایی هسته یک میلی متر ، ولتاژ خروجی 200 میلی ولت تولید می کند.
اگر زاویه فاز ولتاژ خروجی (0o یا 180o) در مقایسه با ولتاژ تحریک سیم پیچ اولیه (0o) مقایسه شود ، می توان دانست که در کدام نیمی از سیم پیچ ثانویه هسته قرار دارد و بنابراین می توان جهت حرکت را شناخت.
نکته:
ترانسفورماتور دیفرانسیل متغیر در مقایسه با مبدل های مبتنی بر پتانسیومتر مقاومت دارای مزایا و کاربردهای‌زیادی برای اندازه‌گیری موقعیت است.
LVDT دارای خطی بسیار خوب است ، یعنی خروجی ولتاژ آن نسبت به جابجایی بسیار عالی است ، دقت بسیار خوب ، وضوح خوب ، حساسیت بالا و همچنین عملکرد بدون اصطکاک به دلیل این واقعیت است که هیچ اتصال مکانیکی بین سیم پیچ ها و هسته وجود ندارد ، بنابراین هیچ اصطکاک و هیچ بخشی برای فرسودگی وجود ندارد.
همچنین قسمت ترانسفورماتور از نام آن به این معنی است که بین سیم پیچ های اولیه و ثانویه ایزوله الکتریکی وجود دارد که امکان اتصال الکتریکی بیشتر را فراهم می کند.
از آنجا که تنها تعامل بین سیم پیچ های اولیه ، ثانویه و هسته LVDT اتصال مغناطیسی است ، سیم پیچ های اولیه و ثانویه LVDT معمولاً در یک کپسول اپوکسی با کل سنسور در یک محفظه فلزی مهر و موم می شوند و اجازه می دهد تا از آن در انواع مختلف استفاده شود. از شرایط محیطی مرطوب یا سخت.
استفاده معمول از مبدل ترانسفورماتور متغیر خطی متغیر عمدتا در کاربردهای صنعتی به عنوان مبدل فشار است.
جایی که فشار اندازه‌گیری شده به دیافراگم فشار می‌آورد تا یک‌حرکت خطی ایجاد‌کند که توسط LVDT به سیگنال ولتاژ تبدیل‌می‌شود.
یا در سر اندازه گیری رباتیک مورد استفاده در ابزار بازرسی و سنجهایی که هسته داخلی LVDT دارای فنر است و باعث بازگشت آن به برخی از نقاط مرجع از پیش تعیین شده می شود.
در‌صورت استفاده‌مجدد از قابلیت‌تکرار نقطه‌صفر، از آنها به‌عنوان سنسور موقعیت تهی در سیستم‌های کنترل سروو یا حلقه‌بسته استفاده‌های زیادی می‌شود.
مثال شماره 1 LVDT
یک ترانسفورماتور دیفرانسیل متغیر خطی دارای طول حرکت 150 ± mm است و رزولوشن 40mV / mm تولید می کند.
تعیین کنید:
الف) حداکثر ولتاژ خروجی LVDT
ب) ولتاژ خروجی هنگامی که هسته 120 میلی متر از موقعیت صفر خود منتقل می شود
ج) موقعیت هسته از مرکز هنگامی که ولتاژ خروجی 3.75 ولت باشد
د) تغییر ولتاژ خروجی هنگام ولتاژ هسته از + 80 mm به -80 mm تغییر مکان داده شده است.
آ). حداکثر ولتاژ خروجی ، VOUT
اگر 1 میلی متر حرکت 40 میلی ولت تولید کند ، 150 میلی متر حرکت تولید می کند:
VOUT = 40mV x 150mm = 0.04 x 150 = ±6 Volts
ب) VOUT با جابجایی هسته 120 میلی متری
اگر جابجایی هسته 150 میلی متر خروجی 6 ولت ایجاد کند ، حرکت 120 میلی متری تولید می کند:
ج) موقعیت اصلی هنگام VOUT = 3.75 ولت
د) تغییر ولتاژ از + 80 میلی متر به -80 میلی متر تغییر مکان
بنابراین ولتاژ خروجی از هسته +3.2 ولت به -3.2 ولت تغییر می کند که هسته به ترتیب از + 80 میلی متر به -80 میلی متر می رسد.
مبدل‌های جابجایی برای اندازه‌گیری چند میلی‌متر تا اندازه‌هایی که می‌توانند ضربات‌طولانی را اندازه‌بگیرند، دارای طول و اندازه های مختلف هستند.
اما در‌حالی که LVDT قادر به اندازه‌گیری حرکت خطی در یک خط مستقیم است ، یک تغییر در LVDT وجود‌دارد.
می تواند حرکت زاویه ای را اندازه گیری کند به نام Transformer Differential Variable Rotary یا RVDT.
ترانسفورماتور دیفرانسیل متغیر چرخشی
استفاده از مبدل های مبتنی بر پتانسیومتر آسان و ساده است اما پتانسیومترهای مقاوم در اثر تماس بین برف پاک کن کشویی و مسیر مقاومت آن و همچنین تولید سر و صدای الکتریکی در حالی که برف پاک کن به طول می لغزد و از مسیر مقاومت مقاومت می کند ، دچار فرسودگی مکانیکی می شوند.
ترانسفورماتورهای دیفرانسیل متغیر روتاری با همان اصل اساسیLVDT قبلی کار‌می‌کنند، با این‌تفاوت که از یک‌هسته فرو مغناطیسی دوار استفاده می‌شود.
در اینجا هسته ترانسفورماتورها مستقیم نیستند.
اما بخشی از یک‌دایره را تشکیل می‌دهند(همان ترانسفورماتورهای توروئیدی)که به سنسور اجازه‌می‌دهد تا جابجایی زاویه‌ای جسم متصل را اندازه‌گیری کند.
هسته متحرک فرومغناطیسی زوج های RVDT با سیم پیچ ثانویه بر اساس موقعیت زاویه ای آن، بنابراین امکان اندازه گیری تغییر مکان زاویه ای را فراهم می کند.
عملکرد الکتریکی RVDT دقیقاً همانند نسخه‌خطی است که براساس تغییر اتصال القایی متقابل بین سیم‌پیچ های اولیه و ثانویه است.
سیم پیچ اولیه هنوز توسط یک جریان تحریک AC (معمولاً در محدوده کیلو هرتز ، کیلوهرتز) هدایت می شود که باعث ایجاد جریان AC در هر یک از سیم پیچ های ثانویه مخالف سری می شود.
هسته فرو مغناطیسی متحرک به جای اسلاید در داخل بدن می چرخد.
یکی از معایب اصلی ترانسفورماتور دیفرانسیل متغیر دوار این است که فقط در‌محدوده باریک چرخش زاویه‌ای می تواند کار کند.
اگرچه از نظر تئوری آنها توانایی چرخش مداوم و اندازه گیری سرعت را دارند ، اما خروجی معمول RVDT فقط در محدوده 60 ± یا کمتر از موقعیت صفر صفر آنها (0 درجه) کاملاً خطی است که علت اصلی آن محدودیت در اتصال مغناطیس است.
فراتر از این سیگنال خروجی غیر خطی می شود و از کاربرد کمتری برخوردار می شود.
همچنین حساسیت آنها بسیار‌کمتر از همتای خطی آنها است که در‌هر درجه چرخش حدود 2 تا 5 میلی‌ولت تولید می‌کنند.
خلاصه ترانسفورماتور دیفرانسیل متغیر خطی
ما در این آموزش در مورد ترانسفورماتور دیفرانسیل متغیر خطی مشاهده کرده ایم که LVDT یک سنسور موقعیتی است.
که برای اندازه گیری جابجایی های کوچک خطی (مستقیم) از چند میلی متر تا صدها میلی متر استفاده می شود.
LVDT فاقد تماس مکانیکی مستقیم یا قطعات متحرک برای فرسودگی است.
بنابراین در واقع اصطکاک را آزاد می‌کند، عملکرد الکتریکی و طول‌عمر بیشتری در مقایسه با سنسور جابجایی نوع پتانسیومتر خطی‌دارد.
LVDT متشکل از یک ترانسفورماتور با یک سیم‌پیچ‌اولیه و دو سیم پیچ ثانویه است که با اختلاف 180درجه از نظر الکتریکی از فاز خارج می‌شوند.
LVDT همچنین از یک هسته متحرک تشکیل شده است.
هنگامی‌که هسته در‌موقعیت‌مرکزی خود قرار‌دارد، ولتاژهای القایی در دو سیم‌پیچ ثانویه برابر و برابر هستند و سیگنال خروجی صفر می‌دهند.
همانطور که هسته از موقعیت مرکزی خود دور می شود ، ولتاژ القایی در نیمی از سیم پیچ ثانویه بیشتر از دیگری خواهد بود ، سیگنالی می دهد که دامنه آن متناسب با میزان جابجایی خطی است و فاز آن جهت حرکت را نشان می دهد.
بنابراین LVDT یک خروجی ولتاژ دیفرانسیل تولید می کند که به طور خطی با موقعیت هسته متفاوت است .
زاویه فاز ولتاژ خروجی 180 درجه تغییر می‌کند زیرا هسته از یک طرف موقعیت نول به سمت دیگر منتقل می‌شود.
جابجایی اندازه گیری شده هسته داخلی یک LVDT از یک حرکت خطی به یک‌حرکت چرخشی یا زاویه ای تغییر یابد.
دستگاه به یک ترانسفورماتور دیفرانسیل متغیر چرخشی (RVDT) تبدیل می شود.
با این‌حال، سیگنال‌خروجی RVDT در‌طیف نسبتاً کمی از چرخش زاویه‌ای کاملاً خطی است و برای اندازه‌گیری چرخش360درجه کامل مناسب نیست.