Lineer Değişken Diferansiyel Transformatör (LVDT) Nedir?

Lineer değişken transformatör veya kısaca LVDT , bir dış kuvvet veya nesnenin doğrusal mekanik durumu hakkında doğru ve sürtünmesiz konumsal geri bildirim bilgisini sağlayan bir elektromekanik sensördür. Adından da anlaşılacağı gibi lineer değişken diferansiyel transformatör , AC transformatör ile aynı prensipte çalışır. Fakat bir yük akımı veya yüksek voltaj sağlamak yerine, lineer hareketi ölçmek için temel transformatör endüktans prensiplerini kullanır.

Lineer Değişken Diferansiyel Transformatörler doğrusal konum sensörleridir. Doğrusal yer değiştirmeyi ölçmek ve nispeten kısa mesafelerde konumlandırmak için kullanılırlar. Ayrıca Lineer Değişken Diferansiyel Transformatörler lineer konum ölçümünün geleneksel ve endüktif bir yöntemidir.

Lineer Değişken Diferansiyel Transformatörün Yapısı ve Çalışma Prensibi

Lineer Değişken Diferansiyel Transformatör yani LVDT, içi boş ve manyetik olmayan yalıtımlı bir tüp etrafına sırayla sarılmış üç ayrı bobinden oluşur. Manyetik telin bir bobini birincil bobin olarak sınıflandırılır ve diğer bobinler iki özdeş ikincil bobini  oluşturur.İki ikincil bobin, birbirine zıt bir seri konfigürasyonda birbirine bağlanır, yani birbirleriyle elektriksel olarak 180 derece  faz dışıdırlar. Diferansiyel adı burdan gelmektedir.

LVDT’nin merkezi olarak konumlandırılmış tek birincil bobini, yaklaşık 1khz ila 10kHz arasında değişen bir frekansa sahip sabit bir AC sinüzoidal kaynak tarafından enerjilendirilir. Birincil sargı tarafından üretilen manyetik akı, çekirdeğin içinden, her iki tarafa yerleştirilmiş iki ikincil bobinlere aktarılır. Böylece burada değişken bir transformatör oluşturulur.LVDT ikincil sargılardan iki ya da daha fazla AC sinyali üretir. Bu sinyallerin oranı  diferansiyeli çubuğun mutlak konumunun hesaplanması için kullanılır.

Yukarıdaki fotoğraf, LVDT’nin genelleştirilmiş ilkesini göstermektedir. Hareketli yumuşak demir ferromanyetik çekirdek iki ikincil bobinin merkezine yerleştirildiğinde, “boş konum” olarak adlandırılır ve  iki ikincil bobinin her birine inüklenen birincil manyetik akı miktarı tamamen aynıdır. İki sekonder bobin birbiriyle faz dışı 180 derece sarıldığından , iki sekonder sargıdaki iki indüklenen emk, Vsec1 = Vsec2 değeri olarak birbirini iptal eder, bu nedenle elde edilen sekonder çıkış voltajı sıfırdır (Vout = 0). Böylece sıfır volt, çekirdeğin sıfır konumunda tamamen ortalandığı anlamına gelir.

Çekirdek bu sıfır konumundan hafifçe bir tarafa kaydırıldığında, ferromanyetik çekirdeğin birleştirme etkisinden dolayı ikincil bobinlerden birinde indüklenen manyetik akı diğerinden daha fazla olacaktır. Bu, çekirdekten daha uzakta ikincil bobine indüklenen voltaj küçülürken, çekirdeğe en yakın ikincil bobine indüklenen voltaj daha büyük hale geldiğinden, iki ikincil bobinin dengesiz hale gelmesine neden olur. İki ikincil sargı arasındaki bu manyetik dengesizlik , birincil uyarma bobininin sargısına uygulanan tepe voltajının sinüzoidal frekansına göre bir çıkış voltajı (Vout ) üretir .

Daha sonra iki ikinci çıkışlar arasındaki fark gerilimi, Vsec1 – Vsec2 bir yönde ve

Vsec2 – Vsec1 diğer yönde faz kaymasının kosinüs ile çarpılır bu da RMS voltajı olacaktır. Bu nedenle, hareketli çekirdeğin merkezi sıfır konumundan bir uca veya diğerine (strok uzunluğu) yer değiştirmesi ne kadar büyük olursa, sonuçta ortaya çıkan çıkış voltajı o kadar büyük olacaktır.

Çıkış sinyalinin polaritesi ve büyüklüğü, bağlı nesnenin hareketi tarafından belirlenen hareketli çekirdeğin yer değiştirmesinin yönüne ve miktarına bağlıdır. Bu yer değiştirme sonuçları, çekirdek konumu ile doğrusal olarak değişen bir diferansiyel voltaj çıkışıdır. Bu nedenle, bu tip konum sensöründen gelen RMS çıkış voltajı, gösterildiği gibi hem çekirdek yer değiştirmesinin doğrusal bir fonksiyonu olan bir genliğe hem de hareket yönünü gösteren bir polariteye sahiptir.

Lineer Değişken Diferansiyel Transformatör Çeşitleri

1-Serbest (Kılavuzsuz) Armatür LVDT’ler:

Bu LVDT tipinde şaft veya armatür, LVDT gövdesinde ileri geri kaymakta serbesttir. LVDT’nin kendi içinde armatüre etki eden herhangi bir kuvveti yoktur. Armatür, LVDT gövdesi ile paralel hareket eden test edilen nesneye bağlanır. Çok uzun bir kullanım ömrü sağlar. Elbette, en iyi sonuçları elde etmek için uygun hizalama gereklidir. Serbest veya “kılavuzsuz” bir armatür, kısa menzilli, yüksek hızlı uygulamalar (ör. Titreşim) için idealdir. Aynı zamanda çok sayıda döngü gözlemlenecekse idealdir. En iyi, test edilen nesne LVDT gövdesi ile paralel hareket ettiğinde çalışır.

2-Sabit (Kılavuzlu) Armatür LVDT’ler:

Kısıtlanmış veya kılavuzlu bir LVDT’de, armatür hem gövdeye hem de test edilen nesneye bağlanır. Armatürü sınırlayan düşük sürtünmeli bir yatak tertibatı tarafından yönlendirilir. Bu, LVDT’nin daha uzun ölçüm aralıklarını (örneğin, 25 mm den 45 cm [0.5-18 inç]kadar) ve ayrıca test edilen nesnenin LVDT gövdesine çapraz hareket ettiğindeki durumlarda kullanılır. Bu durumlarda, armatür yönlendirilmezse yanlış hizalama meydana gelebilir. Sabit (kılavuzlu) armatür LVDT’ler hem statik hem de dinamik ölçüm uygulamalarında kullanışlıdır. Kısa menzillere sahip LVDT’ler (örneğin, maksimum ± 76 mm [± 3 inç]) yatay olarak monte edilebilir ve esnemeyecektir, ancak, yerçekimi ile bükülmemelerini sağlamak için daha büyük ünitelerin yatay olarak monte edildiğinde normalde desteklenmesi gerekir.

3-Zorlanmış veya Yaylı Armatür LVDT’ler:

Zorlanmış veya “yay uzatılmış”  armatürlü LVDT, yukarıda açıklanan sabit (kılavuzlu) bir LVDT’nin aynı düşük sürtünmeli yatak tertibatına sahiptir ancak ek olarak hafif bir yay, pnömatik veya motor gibi mekanik bir geri dönüş mekanizması kullanır. Bu, LVDT armatürünün test edilen nesne ile sabit bir bağlantı kurmasının istendiği uygulamalar içindir. Bu LVDT’de, yalnızca LVDT gövdesi sabitlenir ve armatür ucunda tipik olarak test edilen nesneyi iten ve ona sabitlenmeyen bir top bulunur. Böylece test edilen nesne, bir montaj hattında olduğu gibi ulaşılamayacak bir yere çıkabilir veya farklı bir nesneyle değiştirilebilir. Yay ile uzatılmış armatür topu otomatik olarak uzar ve nesnenin geri dönmesini veya değiştirilmesini bekler ve döndüğünde onunla sorunsuz bir şekilde hareket eder. Bu LVDT’ler, statik ve yavaş hareket eden uygulamalar için en iyisidir.

Lineer Değişken Diferansiyel Transformatör’ün Avantajları

-Yüksek menzil: LVDT, yer değiştirmenin ölçümü için çok geniş bir alana sahiptir. Yer değiştirme aralığı 1,25 mm ila 250 mm’dir.

-Yüksek Giriş ve Yüksek Hassasiyet: LVDT yüksek çıkış sağlar ve ayrıca amplifikasyona gerek yoktur. Dönüştürücünün hassasiyeti de çok yüksektir.

-Dayanıklılık: Özellikle göbek yay yardımı ile yüklendiğinde, yüksek derecede şok ve değişkenliğe tolerans gösterebilir.

-Düşük Histerez: LVDT’nin düşük histerezisi vardır çünkü tekrarlanabilirlikleri mükemmeldir.

-Düşük Güç Tüketimi: LVDT, 1W gücünden daha az güç harcar.

Lineer Değişken Diferansiyel Transformatör’ün Dezavantajları

–Kayda değer diferansiyel çıktısını elde etmek için büyük yer değiştirme gerekir.

-LVDT transformatörü başıboş manyetik alana karşı çok duyarlıdır.

-LVDT’nin performansı, titreşimlerden etkilenir.

-LVDT’nin performansı sıcaklıktan etkilenir.

Lineer Değişken Diferansiyel Transformatör’ün Kullanım Alanları

-LVDT’ler kullanımına havacılık uygulamalarında yaygın olarak devam edilmektedir çünkü zorlu şartlarda güvenli ve güvenilir kullanımları bakımından mükemmel bir kullanışlılık sunmaktadır.

Bunun dışında LVDT’ler;

-Makine aletleri

-Çekme test standları

-Havacılık testi – iniş takımı, aktüatörler, kontrol yüzeyi konumlandırma, hidrolik

-Otomotiv ve Tren testleri – süspansiyon sistemlerinin hareketleri

-Güç üretimi – türbin testi

-Robotik – konum geri bildirimi Üretim – Otomasyon, proses kontrolleri

-Selüloz ve Kağıt – germe kolları konumlandırma

gibi alanlarda da yaygın olarak kullanılmaktadır.