ترانسفورماتور تفاضلی متغیر خطی و چرخشی (RVDT – LVDT)- (اصول و مبانی ابزار دقیق بخش ۴)

دو نوع از مبدل‌های موقعیت به نام‌های ترانسفورماتور تفاضلی متغیر خطی (LVDT) و ترانسفورماتور تفاضلی متغير چرخشی (RVDT) می پردازیم این مبدل‌ها از القاء الکترومغناطیس برای اندازه گیری میزان جابجایی استفاده می‌کنند ساختار این مبدل‌ها ساده و تشکلی شده از سیم پیچ اولیه و ثانویه به همراه هسته مغناطیسی در امتداد محور سیم پیچ‌هاست. برای بررسی دقیق‌تر این مبدل‌های موقعیت با ما همراه شوید. ترانسفورماتور تفاضلی متغیر خطی (LVDT مخفف کلمه linear variable differential transformer) و ترانسفورماتور تفاضلی متغير چرخشی (RVDT مخفف کلمه Rotary variable differential transformer)، یکی از انواع ترانسدیوسر یا مبدل موقعیت است.

ترانسفورماتور تفاضلی متغیر خطی و چرخشی، یکی از انواع ترانسدیوسر یا مبدل موقعیت است. روش هاي گوناگونی براي اندازه گيري موقعيت وجود دارد. بصورت کلی چهار نوع مبدل موقعیت به شرح زیر است:

1. پتانسيومتر
2. ترانسفورماتور تفاضلی متغیر خطی و چرخشی
3. انکودر افزایشی و مطلق نوری
4. سینکرو (Synchro) و ریزولور (Resolver)

در این مقاله ترانسفورماتور تفاضلی متغیر خطیLVDT و ترانسفورماتور تفاضلی متغير چرخشی RVDT به عنوان دومین مبدل موقعیت توضیح داده میشود با ما همراه باشید. در صورتی که میخواهید بدانید ترانسدیوسر چیست مقاله ترانسدیوسر چیست، کاربرد و انواع آن را بخوانید.

ترانسفورماتور تفاضلی متغیر خطی چیست؟

ترانسفورماتور تفاضلی متغیر خطی (LVDT) – که به آن ترانسفورماتور جابجایی متغیر خطی، مبدل جابجایی متغیر خطی یا ترانسفورماتور دیفرانسیل هم میگویند، نوعی ترانسفورماتور الکتریکی است که برای اندازه گیری جابجایی خطی استفاده می شود. ترانسفورماتور دیفرانسیل متغیر خطی سیستمی الكترونيكي است كه متناسب با حركت هسته، سيگنال الكتريكي خروجي توليد مي­ كند. این مبدل از يك سيم پيچ اوليه و دو سيم پيچ ثانويه متقارن كه در دو طرف سيم پيچ اوليه و به شكل استوانه ­اي قرار گرفته­ اند؛ تشکیل شده است.

هسته ای مغناطيسي با قابليت حركت آزاد داخل سيم پيچ، مسير بسته ­اي را براي جریان مغناطيسي از درون سيم پيچ ­ها فراهم مي­ كند. مقطع يك ترانسفورماتور تفاضلی متغیر خطی (LVDT) و ترسيمي از چگونگي كاركرد آن در شكل زير نمایش داده شده است. وقتي هسته اوليه توسط يك منبع AC خارجي تحريك مي­ شود، ولتاژهايي در سيم پيچ­ های ثانويه القا مي­ گردد.

همان طور که در شکل فوق ملاحظه می­ کنید، دو سيم پيچ ثانويه به طور سري و به نحوی که دو ولتاژ در پلاريته مخالف یکدیگر ­باشند، با  180^o اختلاف به هم متصل می شوند. بنابراين، خروجی نهايي این مبدل موقعیت، تفاوت بين اين دو ولتاژ می ­باشد و زمانی که هسته در وسط (موقعيت صفر) قرار بگیرد، اين ولتاژ صفر می­ شود.

لحظه ای که هسته از وضعيت صفر حركت مي ­كند، ولتاژ القايی در سيم پيچی كه حركت به سمت آن است افزايش یافته اما ولتاژ القايي در سيم پيچ مقابل كاهش پیدا می کند. در نتیجه ولتاژ خروجي متفاوتی را تولید می‌کند كه به صورت خطی، نسبت به تغيير وضعيت هسته تغيير می‌كند. فاز اين ولتاژ خروجی، به صورت ناگهانی و زمانی كه هسته از وضعيت صفر عبور مي كند، 180^o اختلاف پيدا مي­ كند.

ويژگي هایي بارز، در ترانسفورماتور تفاضلی متغیر خطی (LVDT) موجب شده تا در زمینه‌های گوناگون صنعتی، به کار گرفته شود. برخي از این ويژگي‌­ها بسیار منحصر به فرد بوده و در مبدل‌های ديگر دیده نشده‌اند. مهم‌ترین علت برتری این مبدل، وجود يك ترانسفورماتور الكتريكي با هسته جدا شدني و غير تماسي است. به طور معمول، بين این هسته متحرك و ساختمان سيم پيچ­‌ها هیچ گونه تماس فیزیکی، وجود ندارد. پس می توان نتیجه گرفت كه LVDT، ابزاری بدون اصطكاك است. چنین خاصيتی موجب می شود تا استفاده از این ابزار در اندازه‌گيری‌­هايي با توان “تحمل اضافه وزن هسته” اما با “عدم تحمل اصطكاك”، کاربرد فراوانی داشته باشد.

دو مثال از  كاربرد ترانسفورماتور تفاضلی متغیر خطی (LVDT) 

1. تست لرزه مواد ظريف و نازك و Tensile (کشسانی) یا تغيير شكل ديناميكي
2. تست Creep (خزیدن) بر روي الياف يا مواد با خاصيت الاستيكي بالا

خدمات نیکسا: مشاوره، نصب و راه اندازی تجهیزات ابزار دقیق و اتوماسیون صنعتی نیکسا

عدم وجود اصطكاك و تماس، بين هسته و سيم پيچ ­هاي يك مبدل LVDT، مانع آسیب رسیدن به قطعات داخلی آن می گردد. اين ويژگی، یک چرخه عمر تقریبا بی‌نهایت در صورت استفاده صحیح، به ترانسفورماتور تفاضلی متغیر خطی (LVDT) می‌دهد که قابلیتی بسيار مهم در آزمون‌هایی هم چون تست خستگی (Fatigue Test) ساختمان مواد می‌باشد. عمر مكانيكي در حد بی‌نهايت، در ساختارها و سيستم­ هايی هم چون هواپيما، موشك و فضاپيما که نیاز به قابليت اطمينان بالا در ساخت خود هستند، کاربرد فراوانی دارند.

عملكرد بدون اصطكاك در کنار اصل القا در مبدل LVDT موجب بالا رفتن قدرت تفکیک تا حد بی‌نهايت شده است. اين ویژگی منحصر به فرد موجب شده تا ترانسفورماتور تفاضلی متغیر خطی (LVDT) بتواند جزئی­ ترين حركت­ های سیستم را پردازش کرده و يك خروجی، متناسب با آن حرکت، تولید کند.

باید دانست که تنها محدود كننده قدرت تفكيك در مبدل LVDT، لوازم الكترونيكي به کار رفته در آن می‌باشد و بدون حضور این قطعات، این مبدل در شرایط بسیار سخت نیز قادر به انجام کار می‌باشد.

جدا بودن فضای بين هسته و سيم پيچ هاي مبدل LVDT، شرایط جداسازي (ايزولاسيون) محيط مورد اندازه گيري مثل مايع­ هاي خورنده يا تحت فشار از ساختمان سيم پيچ را با استفاده از يك ميله ارتباطي غير مغناطيسي متصل به هسته و درون ساختمان سيم پيچ­ ها فراهم می کند که آب بندي (Hermetic Sealing) ساختمان سيم پيچ را امکان پذیر کرده و دیگر نيازي به آب بندي ديناميكي قسمت­ هاي متحرك نخواهد بود. تنها يك آب بندي ايستا در ساختمان سيم پيچ ­های درون سيستم تحت فشار، مورد نياز بوده و مفهوم کامل ترانسفورماتور به معنی يك ايزولاسيون كامل بين مدارهای ورودي و خروجي، برداشت می گردد.

اين ويژگي، از ترانسفورماتور تفاضلی متغیر خطی (LVDT)، يك عامل محاسباتي موثر آنالوگ و بدون نياز به آمپلي فاير جداكننده (بافر) مي ­سازد. هم چنين موجب ايزولاسيون زميني سيگنال از سیگنال گراند (Signal Ground) شده كه در اندازه گيري­ هاي با كيفيت بالا و حلقه­ هاي كنترلي مورد استفاده قرار می گیرد. برای عملکرد صحیح مبدل LVDT، باید ابزار دقيق استفاده شده در آن، بتواند چندين عمل را توامان با هم انجام دهد.

شكل زير بلوك دياگرامی را نشان می دهد، که تمام اعمال مورد نياز در ترانسفورماتور تفاضلی متغیر خطی (LVDT) را مشخص کرده است:

معایب ترانسفورماتور تفاضلی متغیر خطی (LVDT) 

با وجود تمام مزیت‌های بیان شده درباره این مبدل، معایبی نیز برای این دستگاه ذکر شده است. به طور مثال، يك LVDT به ولتاژی (AC: متناوب) با فركانس و دامنه­ اي معمولآ خارج از دسترس نیاز دارد. پس يك نوسان ساز با فركانس مناسب باید به يك تقويت كننده با تنظيم دامنه در خروجي به آن متصل باشد. هم چنین سطح ولتاژ پایین خروجي ترانسفورماتور تفاضلی متغیر خطی (LVDT)، براي فعال کردن قسمت قرائت عدد اندازه­ گيری شده نياز به يك تقويت كننده دارد. گاهی اوقات اين بخش در دو مرحله انجام می شود:

يك تقويت كننده AC حامل (Carrier Amplified) قبل از دي مدولاسيون (Demodulation) و يك تقويت كننده DC بعد از دي مدولاسيون. اغلب دستگاه­ هاي قرائت خروجی،DC هستند، پس باید خروجی AC تقويت شده به خروجی DC تبديل شود. هم چنین جهت استفاده از مزيت پلاريته فاز يك LVDT نياز به استفاده از دي مدولاتور سنكرون مي­ باشد.

علاوه بر این، اغلب مدولاتورها توسط يك يا دو مرحله فيلتر پايين گذر خروجی كار می كنند. تمام مدارات الكترونيك نياز به يك ولتاژ DC پايدار براي كار كرد مناسب مبدل LVDT دارند. خوشبختانه، با تولید انبوه قطعات صنعتی، از ابتدا نيازي به ساخت تمامي قطعات و تجهیزات ابزاردقيق نيست. چندين مدار مجتمع ابزار دقيق LVDTبه صورت تجاري موجود است. مثالی از اين مدارات مجتمع، قطعه NE/SE5520، ساخت كارخانه Signeics مي­ باشد. اين IC داراي سيگنالی سينوسي با فركانس متغير، تقويت كننده ابتدايي، تقويت كننده ثانويه، مدولاسيون سنكرون و يك تقويت كننده دي مدولاتور DC می‌­باشد.

بیشتر بخوانید: مجموعه مقالات اتوماسیون صنعتی

ترانسفورماتور تفاضلی متغير چرخشی چیست؟

ترانسفورماتور تفاضلی متغیر چرخشی (RVDT) نوعی ترانسفورماتور الکتریکی است که برای اندازه گیری جابجایی زاویه ای استفاده می شود. ترانسفورماتور دارای یک روتور است که می تواند توسط یک نیروی خارجی چرخانده شود. ترانسفورماتور به عنوان یک مبدل الکترومکانیکی عمل می کند که یک ولتاژ جریان متناوب (AC) متناسب با جابجایی زاویه ای شفت روتور خود را تولید می کند. روتور مغناطيسی این دستگاه، با شكل ویژه‌ای که دارد، جا به جايی طولی يك هسته استوانه‌ای شكل مستقيم را شبيه سازی مي­ كند.

در ترانسفورماتور تفاضلی متغير چرخشی RVDT حلقه لغزشي كه اصطكاك مكانيكي و نويز الكتريكي ايجاد مي ­كند، وجود ندارد. علت آن است كه سيم پيچ ثابت و روتور چرخشی فقط به صورت الكترومغناطيسي در ارتباط هستند. در عوض، بلبرینگ دقيق مينياتوری كه شفت را نگهداری می كند، قطعه‌ای است که موجب تولید اصطكاك می‌شود.

با اين كه RVDT دارای چرخشی پيوسته است، اغلب آن ها در دامنه 40-/+ درجه فعال هستند. در اين دامنه، ميزان خطي بودن مبدل بهتر از (%5/0-/+)، دامنه كامل تغيير مكان است. در محدوده ای كوچك‌تر، تغيير مكان زاويه ای خطی بودن به صورت چشمگیری بهبود پيدا می‌كند. به عنوان مثال، خطی بودن تغيير مكان زاويه اي 5-/+ درجه بهتر از %1/0 رنج كامل مي ­باشد.

در عمل، بالاترین حد تغيير مكان زاويه در يك ترانسفورماتور تفاضلي متغير چرخشي RVDT، در حدود 60 -/+ درجه بوده و این در حالی است که در تئوري، این مقدار، بی‌نهايت تعریف می شود.

منحني خروجي مبدل RVDT در شكل زیر نمایش داده شده است:

در كارخانه تنها يكي از دو ناحيه خطي آن كاليبره شده و وضعيت صفر متناسب با اين كاليبراسيون، با علامتی در بدنه و شفت مبدل مشخص مي­ گردد. ولتاژ خروجي هر دو نوع مبدل مطرح شده، حول نقطه صفر، °180 اختلاف فاز دارد.

ترانسفورماتور تفاضلی متغير چرخشی RVDT هايي كه با ولتاژ AC كار مي­ كنند، برای تحریک سیم پیچ اولیه، به ولتاژ AC نیاز دارند که در سيم پيچ ثانويه متناسب با وضعيت شفت، توليد مي­ گردد.

ترانسفورماتور تفاضلی متغير چرخشی RVDT هايي كه با ولتاژ DC كار مي­ كنند، ولتاژ DC را به عنوان ولتاژ ورودی قبول مي ­كنند اما این ولتاژ به صورت داخلي به ولتاژ AC تبدیل می شود که در سيم پيچ ثانويه، به ولتاژی DCبه صورت، صاف و تقويت شده تبدیل مي شود.

سخن پایانی

در این مقاله آموختیم که ترانسفورماتور تفاضلی متغیر خطی و ترانسفورماتور تفاضلی متغیر چرخشی مبدل‌های موقعیت هستند که از القای الکترومغناطیسی برای اندازه‌گیری جابجایی خطی و زاویه‌ای استفاده می‌کنند. LVDT و RVDT از نظر ظاهر و عملکرد شبیه به هم هستند اما LVDT ها برای اندازه‌گیری جابه‌جایی خطی و RVDT ها برای اندازه‌گیری جابه‌جایی زاویه‌ای طراحی شده‌اند. LVDT ها و RVDT ها به دلیل دقت، قابلیت اطمینان و وضوح بالا در طیف گسترده‌ای از کاربردها استفاده می‌شوند، از جمله ماشین‌آلات صنعتی، سیستم‌های هیدرولیک و پنوماتیک.

لازم به ذکر است که این مقاله بخشی از کتاب Industrial Control Electronics نوشته مایکل جاکوب است با مراجعه به بخش اصول و مبانی ابزار دقیق در مقالات سایت می توانید مقالات بیشتری را با محوریت این کتاب مطالعه نمایید.