Archiwum - SENSORY 2

Archiwum - SENSORY 2

 Linear Variable Differential Transformer jest specyficznym rodzajem sensora - transformatora roznicowego uzywanego do pomiaru przemieszczen liniowych. W dostepnej literaturze LVDT na poziomie ogolnym są opisywane stad zwrocmy uwage na informacje rzadziej podawane.

Na zachodzie LVDT są oferowane jako produkt katalogowy. Produkowanych jest kilka rodzin LVDT w ramach ktorych kazda na wiele LVDT o roznych dlugosciach zwiazanych z zakresem maksymalnego pomiaru. Popularna jest amerykanska firma Schaevitz Engineering.

LVDT zyskaly duza popularnosc w produkcyjnych urzadzeniach przemyslowych ale takze w urzadzeniach kontrolnych. Stosowane sa do pomiaru przesuniec. Stosowane sa w przetwornikach cisnienia ale takze w analogowych aktuatorach na przyklad do kontroli stopnia otwarcia przepustnicy. Szczegolna popularnosc LVDT zyskaly w lotnictwie gdzie mierza wychylenia kontrolowanych silownikami hydraulicznymi elementow skrzydel. Stosowane są powszechnie w urzadzeniach militarnych czy nawet w sprzecie kosmicznym.

Jesli obudowa i uzwojenia są hermetyczne to mogą pracowac nawet w otoczeniu agresywnym chemicznie.

Transformator taki ma trzy cylindryczne uzwojenia rozmieszczone wzdluz a w cylindrze porusza sie ferromagnetyczny pretowy rdzen. Srodkowa cewka (uzwojenie pierwotne) o polozeniu symetrycznym jest zasilana pradem lub napieciem zmiennym , z reguly o czestotliwosci 1-10 KHZ ( często 2.5KHz) choc spotykane sa czestotliwosci 250 Hz a wyjatkowo nawet i sieciowa czestotliwosc 60Hz. Czestotliwosc pracy wprost przeklada sie na pasmo przenoszenia LVDT ktore zawsze jest przynajmniej 5 krotnie mniejsze od czestotliwosci generatora zasilajacego. Gdy sygnal podany jest do probkujacego przetwornika A/D musi być dobrze odfiltrowany co sugeruje uzycie wzglednie duzej czestotliwosci pracy.

Dwie cewki antysymetryczne (dwa uzwojenia wtorne często polaczone są antyszeregowo) dostarczaja napiec bedacych funkcja polozenia rdzenia. Gdy rdzen jest w polozeniu centrycznym (=zerowym) napiecia sa identyczne, gdy zas przesuwa sie w jedna ze stron jedno napiecie maleje drugie zas rosnie. Cewki uzwojen wtornych mozemy polaczyc antyszeregowo co powoduje ze w symetrycznym polozeniu rdzenia napiecie wyjsciowe jest Zerowe. W takim rozwiazaniu stosujemy detektor synchroniczny bowiem w fazie napiecia zawarta jest informacja. Najczesciej jednak w przemyslowych zintegrowanych sensorach napiecia wtorne podane sa do prostowniczego ukladu roznicowego co podwojnie wyjasnia nazwe transformatora.

Poruszajacy sie rdzen nie dotyka karkasu i nie powstaja sily tarcia. Studiujac rozklad pola magnetycznego dochodzimy do wnioskow jak zaprojektowac cewki aby uzyskac porzadana bardzo wysoka liniowosc i odpowiedni zakres pomiaru przesuniecia. W literaturze angielskojezycznej sa dostepne stosowne informacje a nawet przyklady projektow. Generalnie wykonanie prymitywnego LVDT jest bardzo proste. Jako LVDT mozna do prob laboratoryjnych uzyc przykladowo cewek z karkasem o srednicy 7mm z rdzeniem ferrytowym (czestotliwosc pracy >1Mhz) uzywanych w telewizyjnych torach IF starych odbiornikow lampowych.

Zakres pomiaru przesuniecia LVDT wynosi 0.5-200 mm a nawet wiecej. Wynik pomiaru nie jest skwantowany i rozdzielczosc jest nieskonczona ale ograniczona szumami systemu oraz odfiltrowanymi tetnieniami. Liniowosc wynosi 0.1-0.5%.

Stabilny temperaturowo i dlugoczasowo karkas uzwojenia LVDT jest wykonany z Nylonu 6 lub 66 ( lub lepszych tworzyw ) z wloknem szklanym. Dlugi karkas jest sekcjonowany z uwagi na stabilnosc mechaniczna ulozenia uzwojenia. Naprezenie drutu nawojowego winno byc niewielkie ale stabilne aby nie doprowadzic do plyniecia i odksztalacenia materialu karkasu ale wystarczajace do rownego i powtarzalnego ulozenia drutu uzwojenia. Stosujemy drut samospiekajacy sie lub odpowiednia zalewe.

Przesuwany rdzen z reguly wykonany jest z permalloyow a w tym specjalnie dedykowanych do LVDT. Rdzen jest umocowany do lozyskowanego trzpienia ze stali diamagnetycznej lub plastikowego. Domeny magnetyczne stali diamagnetycznej w procesie obrobki skrawaniem na zimno ulegaja uporzadkowaniu i konieczna jest obrobka ciepla dla przywrocenia wlasnosci diamagnetycznych.

Metalowa obudowa LVDT winna zapewnic skuteczne ekranowanie.

W sensorze z ukladem pomiarowym konce drutow uzwojen sa wprost wlutowane w PCB ukladu elektronicznego.

Do produkcji LVDT uzywa się technologi dobrze opanowanych w przemysle elektromaszynowym i ma ma powodu aby w Polsce ich nie produkowano.

W pomiarowym LVDT mechaniczna koncowka pomiarowa jest z reguly latwa do wymienienia co jest zaleta w sytuacji kiedy na przyklad LVDT ( lub kilka LVDT ) kontroluje okreslony wymiar/y elementu wytloczonego z blachy co przy astronomicznej liczbie dotkniec powoduje stopniowe zuzywanie się koncowki pomiarowej. Przekroczenie dopuszczalnej tolerancji wytloczonego z blachy elementu uruchamia alarm swiadczacy o uszkodzeniu prasy i / lub zuzyciu tlocznikow.

Optymalna czestotliwosc pracy LVDT jest od gory ograniczona m.in bledami wnoszonymi przez rozproszone pojemnosci uzwojen i kabla polaczeniowego

Odksztalcenia napiecia zasilajacego LVDT moga powodowac ( wyzsze harmoniczne ) powiekszone bledy pomiaru. Spotyka sie jednak gorszej klasy sensory gdzie stosowane jest do zasilania napiecie prostokatne.

Istnieja takze roznicowe systemy pomiarowe bazujace na wzajemnych pojemnosciach zmiennych z przesunieciem liniowym a jeszcze lepiej katem ! Rowniez doskonale nadaja sie do systemow pomiarowych.

Schemat powyzej ( z Application Note 301 Signal Conditioning for Sophisticated Transducers. National Semiconductor AN-301 ) pokazuje idee dość dobrego interfejsu do LVDT. Uklad jest wadliwy o czym dalej.

Na tranzystorze Q1 objetym drabinkowym przesuwnikiem fazy RC wykonano generator sygnalu sinusoidalnego. Poniewaz generator jest przesterowany to istnieja paroprocentowe ( generalnie w takim generatorze 1-3% ) znieksztalcenia nieliniowe sygnalu.

Zmiana napiecia zasilania, wypracowanego przez regulator amplitudy sygnalu , generatora zmienia amplitude generowanego sygnalu

Sygnal sinusoidalny (oraz wysoce niepozadana skladowa stala !) z generatora podano do wzmacniacza A1A i dalej do zasilania LVDT oraz aktywnego prostownika na wzmacniaczach A1B i A1C i dalej do regulatora amplitudy typu I czyli calkujacego ( a jednoczesnie dolnoprzepustowego filtru tetnien ) na wzmacniaczu A1D.

Wspomniana szkodliwa skladowa stala bardzo ogranicza najwieksza mozliwa amplitude sinusoidalnego sygnalu wyjsciowego ze wzmacniacza A1A. Totez należy na jego wejsciu dac filtr gornoprzepustowy który odetnie skladowa stala DC lub wziac sygnal ( jak sugeruje to jedyna ukosna na schemacie linia ) za pierwszym stopniem przesuwnika fazy. Tu sygnal jednak jest odrobine bardziej znieksztalcony i mniejszy.

Po stronie odbiorczej sygnal jest wzmocniony wzmacniaczem A2C i podany do detektora synchronicznego na wzmacniaczu A2A i JFecie 2N4393.

Regulowany przesuwnik fazy przed komparatorem C1 kluczujacym JFeta pozwala pokryc niewielkie przesuniecie fazy wprowadzane przez LVDT.

Zmiana rezystancji Rdson Feta pod wplywem temperatury daje dryft.

Lepszym rozwiazaniem jest zastosowanie zamiast aktywnego prostownika w torze regulacji amplitudy drugiego detektora synchronicznego. Nawzajem skompensuja one swoje dryfty !

Stabilnosc takiego systemu jest zdumiewjaco dobra i zalezy glownie od wlasnosci starzeniowych rezystorow.

Zdaniem autora znacznie lepszy i prostszy jest typowy generator z mostkiem Wiena na wzmacniaczu operacyjnym z regulacja amplitudy tranzystorem JFet.

Przyklad takiego generatora (Fig 2) jest w Application Note 263 Sine Wave Generation Techniques. National Semiconductor AN-263.

Stabilnosc amplitudy sygnalu tego generatora jest za slaba dla wysokiej klasy LVDT i trzeba znow zastosowac prostownik aktywny lub detektor synchroniczny i regulator calkujacy I.

Bardzo prosta jest pokazana powyzej aplikacja kondycjonera dla LVDT z dedykowanym dla tego sensora ukladem scalonym Signetics – Philips SE5520 lub NE5520.

Uklad zawiera generator funkcyjny bazujacy na generatorze piloksztaltym i prostym ukladzie ksztaktujacym obcieta pile w niby sinusoide. Typowe znieksztalcenia THD wynosza 4%. LVDT jest zasilany z mostka z dwoma wzmacniaczami co pozwala na prace z malym napieciem zasilajacym i także pojedynczym napieciem zasilajacym. Sygnal odebrany z LVDT podany jest do detektora synchronicznego i dalej do dwubiegunowego filtru dolnoprzepustowego. W pokazanej aplikacji zerowemu polozeniu LVDT odpowiada sygnal wyjsciowy o wartosci polowy napiecia zasilania.

Rysunek pokazuje zgrubnie wewnetrzna budowe ukladu scalonego NE5520. Schemat ideowy na poziomie scalonych tranzystorow i rezystorow nie jest dostepny.

Podane przez producenta dane są dość mierne i znacznie gorsze niż w ukladzie zbudowanym na wzmacniaczach operacyjnych.

Niemniej w wielu aplikacjach uklad jest bardzo przydatny a przy tym nie jest prohibicyjnie drogi.

Scalone kondycjonery dla LVDT produkuja tez Analog Devices i inne firmy z tego kregu ale są one okropnie drogie. 

 

W sensorach uzywajacych LVDT zasilanych z petli pradowej 4-20mA stosuje się proste asymetryczne generatory LC ze sprzezeniem transformatorowym Meisnera. Ich zaleta jest dość maly pobor mocy jako ze do cewki LVDT dostarczana jest tylko moc czynna a bierna cyrkuluje w obwodzie rezonansowym LC.