Los LVDTs (Linear Variable Differential Transformers) o Transformadores Lineales Diferenciales Variables son transductores de desplazamiento lineal ampliamente utilizados en aplicaciones industriales. La forma en que estos transductores funcionan y se les dará cierto cuidado en su elección y uso se analizarán en este artículo, basándose en la documentación proporcionada por National Instruments (www.ni.com).
La medida del desplazamiento de una pieza en una máquina o en cualquier sistema automatizado es fundamental en momentos dados.
El desplazamiento puede ser la rotación de una pieza cilíndrica o incluso un desplazamiento lineal. Para las mediciones de desplazamiento lineal en especial, existen diversos tipos de sensores. Uno de ellos es precisamente el LVDT o Transformador Lineal Diferencial Variable que trataremos en este artículo.
Midiendo el Desplazamiento Lineal
Definimos un desplazamiento lineal de un objeto la diferencia entre las posiciones iniciales medidas a lo largo de un solo eje, como se muestra en la figura 1.
En la medida en que un desplazamiento debe tenerse en cuenta tanto su amplitud (distancia recorrida) como la dirección en la que esto ocurre a lo largo de un eje.
En aplicaciones industriales y de automatización, los desplazamientos típicos que se deben medir se especifican en milímetros o incluso pulgadas.
El LVDT
Existen varias tecnologías posibles para el uso de sensores en la medida de desplazamientos. Sin embargo, uno de los más tradicionales es el que hace uso de un transformador diferencial, llamado LVDT.
Como se muestra en la figura 2, un LVDT consiste en un transformador con un devanado secundario y un devanado simple enrolamiento primario.
El núcleo de este transformador es móvil, acoplada al mecanismo o medida desde el que se desea monitorizar el desplazamiento, como se muestra en la figura 3, en la que tenemos varias aplicaciones posibles para los sensores de desplazamiento.
El enrolamiento primario es entonces excitado por una señal alterna cuya frecuencia depende de la aplicación, y la propia tensión de la red eléctrica se utiliza típicamente.
La señal aplicada en la primaria induce tensiones secundarias que básicamente dependen de dos factores: el tipo de material utilizado en el núcleo y su posición.
Si el núcleo está centrado, las tensiones inducidas en las bobinas son tales que se cancelan y con que la tensión medida en los terminales de dio secundario del transformador es nula.
Cuando el núcleo se mueve por el movimiento del objeto en el que está conectado, la inducción de señales en las dos bobinas cambia y con esto la tensión medida en la salida deja de ser nulo.
Cuanto mayor sea el desplazamiento, mayor será la tensión medida en la salida, como se muestra en la figura 4.
Este tipo de configuración tiene varias ventajas interesantes que deben tenerse en cuenta al tomar su elección para una aplicación.
Uno es en el hecho de que el acoplamiento entre las bobinas se realiza a través de un núcleo sin ningún contacto eléctrico y simplicidad muy grande.
Esto garantiza una gran robustez para este sensor que prácticamente no sufre desgaste.
Otro punto importante es que la tensión de salida depende del flujo, lo que significa una resolución infinita (que no ocurre con los sensores de desplazamiento digital). En la figura 5 tenemos un LVDT común de uso industrial.
Observe el tamaño del sensor en comparación con un "clip" comun.
Uso del LVDT
Por lo que se ha explicado, podemos concluir que un LVDT asocia la posición de un objeto con la intensidad de una señal de salida.
Debido a que las señales inducidas en las dos bobinas están en la fase de oposición por lo que tenemos un nulo en la posición central, es fácil notar que alrededor de ese punto nulo, de acuerdo con la dirección de desplazamiento, podemos tener señales con fases opuestas. Esto se muestra en la figura 6.
Por lo tanto, podemos asociar el valor del desplazamiento del objeto y la fase de la dirección de este desplazamiento en relación con la posición de referencia.
Precisión y Linealidad
Cuando se trata de sensores, la precisión y la linealidad son las características más importantes que los diseñadores observan.
Los LVDTs se construyen de tal manera que dentro de la pista de desplazamiento para el que se especifica su linealidad es lo más posible.
La figura 7 muestra la curva de respuesta típica de un LVDT, observándose que cuando el núcleo comienza a "escapar" de la acción del campo creado por una de las bobinas, la linealidad se ve afectada.
Esto ocurrirá precisamente en los extremos de su trayectoria, es decir, cuando los desplazamientos en ambas direcciones se acerquen y pasen el máximo.
Para colocar un LVDT correctamente, debe aplicar la señal a la bobina primaria y luego desplazar el sensor en la dirección que se pretende ser positivo, verifique que la fase obtenida en la salida corresponde, como se muestra en la figura 8.
Por supuesto, una vez que se coloca la inversión, es suficiente para invertir la polaridad de la bobina primaria.
La salida de un LVDT consiste en una señal senoidal en la frecuencia de excitación. Para los tipos comunes, esta frecuencia oscila entre 50 Hz hasta 25 kHz.
La elección de la frecuencia depende de que la aplicación se seleccione normalmente dependiendo de la posibilidad de que el desplazamiento se mida en una pieza que realiza movimientos rápidos.
En estas condiciones, la frecuencia debe ser al menos 10 veces mayor que la frecuencia de desplazamiento del núcleo del transformador. En este caso, la señal de la salida del circuito se convierte en una tensión continua que pasa a través de un circuito de acondicionamiento.
En la figura 9 mostramos un circuito con LVDT sofisticado que hace uso de un.
En este circuito, se utiliza un oscilador para proporcionar la señal de excitación LVDT y en la salida un acondicionador de señal para su funcionamiento en un amplio pista de velocidades.
En este caso, las unidades para la medida se expresa en mV/V/mm o incluso mV/V/in (in = pulgadas). Tal configuración puede alcanzar linealidades del 0,25% en la pista de accionamiento LVDT, es decir, en la posible amplitud de los movimientos del núcleo.
Sin embargo, en las aplicaciones modernas, los LVDTs están conectados a sistemas de adquisición de datos que transfieren directamente señales en formato digital para controlar circuitos basados en microcontroladores, microprocesadores y PC.
El National Instruments(www.ni.com), por ejemplo, ofrece para la adquisición de datos de LVDTs el módulo SCXI-1540 con 8 canales especialmente proyectado para funcionar con este tipo de sensor.
El módulo proporciona el acondicionamiento de señales obtenidas en transformadores como los utilizados en los LVDTs y sensores de rotación equivalentes, los RVDTs (Rotary Variable Differential Transformers).
Además, el módulo tiene calibración automática sin la necesidad de utilizar hardware externo, pero sólo el software de la National NI-DAQmx.
La frecuencia de muestreo es de hasta 333 ksps (3 microsegundos por canal) y cada uno de estos módulos puede multiplexar sus señales en un solo canal para un sistema de adquisición de datos (DAQ).
El módulo funciona con la interfaz USB para implementar un sistema plug-and-play de adquisición de datos con facilidad. En la figura 10 tenemos el módulo SCXI-150.
En la figura 11 disponemos de un sistema nacional de acondicionamiento de señales de la National indicado para aplicaciones con sensores LVDT.
Conclusión
Para aplicaciones en las que se requieren partes móviles de una máquina o automatismo, el uso de LVDT tiene numerosas ventajas.
Desde el conocimiento de su principio de trabajo y sus cualidades el profesional puede elegir con mucha más facilidad el tipo ideal y si este tipo de sensor es el más adecuado para la aplicación dirigida.
