Линейно-регулируемый дифференциальный трансформатор

Тип электрического трансформатора

Вид в разрезе LVDT. Ток проходит через первичную катушку в точке A , вызывая генерацию индукционного тока через вторичные катушки в точке B.

Линейный переменный дифференциальный трансформатор ( LVDT ) – также называемый линейным переменным трансформатором смещения , ^[1] линейным переменным преобразователем смещения , ^[2] или просто дифференциальным трансформатором ^[3] – это тип электрического трансформатора, используемого для измерения линейного смещения (положения вдоль заданного направления). Аналог этого устройства, который используется для измерения вращательного смещения, называется вращающимся переменным дифференциальным трансформатором (RVDT).

Введение

LVDT — это прочные, абсолютные линейные датчики положения/перемещения; изначально не имеющие трения, они имеют практически бесконечный срок службы при правильном использовании. Поскольку LVDT, работающие от переменного тока, не содержат никакой электроники, их можно проектировать для работы при криогенных температурах или до 1200 °F (650 °C), в суровых условиях и при высоких уровнях вибрации и ударов. LVDT широко используются в таких приложениях, как силовые турбины , гидравлика , автоматика, самолеты , спутники, ядерные реакторы и многое другое. Эти датчики имеют низкий гистерезис и превосходную повторяемость. ^{[ необходима цитата ]}

LVDT преобразует положение или линейное смещение из механического отсчета (нулевого или нулевого положения) в пропорциональный электрический сигнал, содержащий информацию о фазе (для направления) и амплитуде (для расстояния). Работа LVDT не требует электрического контакта между подвижной частью (зондом или узлом сердечника) и узлом катушки, а вместо этого полагается на электромагнитную связь. ^{[ необходима цитата ]}

Операция

Линейный переменный дифференциальный трансформатор имеет три соленоидальные катушки, размещенные конец к концу вокруг трубки. Центральная катушка является первичной, а две внешние катушки являются верхней и нижней вторичными. Цилиндрический ферромагнитный сердечник, прикрепленный к объекту, положение которого необходимо измерить, скользит вдоль оси трубки. Переменный ток приводит в действие первичную обмотку и вызывает наведение напряжения в каждой вторичной обмотке, пропорционального длине сердечника, соединенного со вторичной обмоткой. ^[3] Частота обычно находится в диапазоне от 1 до 10 кГц .

При перемещении сердечника связь первичной обмотки с двумя вторичными катушками изменяется, что приводит к изменению индуцированных напряжений. Катушки соединены так, что выходное напряжение равно разнице (следовательно, «дифференциалу») между верхним вторичным напряжением и нижним вторичным напряжением. Когда сердечник находится в центральном положении, на равном расстоянии между двумя вторичными обмотками, в двух вторичных катушках индуцируются равные напряжения, но два сигнала взаимно уничтожаются, поэтому выходное напряжение теоретически равно нулю. На практике незначительные изменения в способе соединения первичной обмотки с каждой вторичной обмоткой означают, что небольшое напряжение выводится, когда сердечник находится в центре.

Это небольшое остаточное напряжение возникает из-за фазового сдвига и часто называется квадратурной ошибкой. Это неприятность в системах управления с замкнутым контуром, поскольку может привести к колебаниям вокруг нулевой точки, а также может быть неприемлемым в простых измерительных приложениях. Это следствие использования синхронной демодуляции с прямым вычитанием вторичных напряжений при переменном токе. Современные системы, особенно те, которые связаны с безопасностью, требуют обнаружения неисправностей LVDT, и обычный метод заключается в демодуляции каждой вторичной обмотки отдельно с использованием прецизионных полуволновых или двухполупериодных выпрямителей на основе операционных усилителей и вычислении разницы путем вычитания сигналов постоянного тока. Поскольку при постоянном напряжении возбуждения сумма двух вторичных напряжений почти постоянна на протяжении всего рабочего хода LVDT, ее значение остается в пределах небольшого окна и может контролироваться таким образом, что любые внутренние сбои LVDT приведут к отклонению суммарного напряжения от его пределов и будут быстро обнаружены, что приведет к индикации неисправности. В этой схеме нет квадратурной ошибки, и зависящее от положения разностное напряжение плавно проходит через ноль в нулевой точке.

Если в системе доступна цифровая обработка в виде микропроцессора или ПЛИС , то обычно обрабатывающее устройство выполняет обнаружение неисправностей и, возможно, логометрическую ^[4] обработку для повышения точности, путем деления разницы вторичных напряжений на сумму вторичных напряжений, чтобы сделать измерение независимым от точной амплитуды сигнала возбуждения. Если доступна достаточная мощность цифровой обработки, становится обычным использовать ее для генерации синусоидального возбуждения через ЦАП и , возможно, также выполнять вторичную демодуляцию через мультиплексированный АЦП .

Когда сердечник смещается кверху, напряжение в верхней вторичной катушке увеличивается, а напряжение в нижней уменьшается. Результирующее выходное напряжение увеличивается от нуля. Это напряжение находится в фазе с первичным напряжением. Когда сердечник перемещается в другом направлении, выходное напряжение также увеличивается от нуля, но его фаза противоположна фазе первичного напряжения. Фаза выходного напряжения определяет направление смещения (вверх или вниз), а амплитуда указывает на величину смещения. Синхронный детектор может определить знаковое выходное напряжение, которое относится к смещению.

LVDT разработан с использованием длинных тонких катушек, что позволяет сделать выходное напряжение практически линейным при смещении длиной до нескольких дюймов (нескольких сотен миллиметров).

LVDT может использоваться как датчик абсолютного положения. Даже если питание отключено, при повторном включении LVDT показывает то же измерение, и никакая позиционная информация не теряется. Его самые большие преимущества — повторяемость и воспроизводимость после правильной настройки. Кроме того, помимо одноосного линейного движения сердечника, любые другие движения, такие как вращение сердечника вокруг оси, не повлияют на его измерения.

Поскольку скользящий сердечник не касается внутренней части трубки, он может двигаться без трения, что делает LVDT высоконадежным устройством. Отсутствие каких-либо скользящих или вращающихся контактов позволяет LVDT быть полностью изолированным от окружающей среды.

LVDT обычно используются для обратной связи по положению в сервомеханизмах , а также для автоматизированных измерений в станках и во многих других промышленных и научных приложениях.

Смотрите также

Ссылки

^ "Система измерения свойств напряжений в скважинах".
^ http://www.omega.com/manuals/manualpdf/M1120.pdf ^{[ пустой URL-адрес PDF ]}
^ ab Baumeister & Marks 1967, стр. 16–8.
^ Арун Т. Вемури; Мэтью Салливан (2016). «Ратиометрические измерения в контексте обработки сигнала LVDT-датчика» (PDF) . Журнал промышленных аналоговых приложений Texas Instruments . Получено 27 октября 2017 г. .

Баумейстер, Теодор; Маркс, Лайонел С., ред. (1967), Стандартный справочник для инженеров-механиков (седьмое изд.), McGraw-Hill, LCCN 16-12915

Внешние ссылки

Как работают LVDT: интерактивное объяснение
Пояснение по фазам
Модели и приложения LVDT
Техническое описание Analog Devices AD598: преобразователь сигнала LVDT

[1] "Система измерения свойств напряжений в скважинах".

[2] ttp://www.omega.com/manuals/manualpdf/M1120.pdf ^{[ пустой URL-адрес PDF ]}

[Marks-3] Baumeister & Marks 1967, стр. 16–8.

[4] Арун Т. Вемури; Мэтью Салливан (2016). «Ратиометрические измерения в контексте обработки сигнала LVDT-датчика» (PDF) . Журнал промышленных аналоговых приложений Texas Instruments . Получено 27 октября 2017 г. .