ترانسفورماتورهای تفاضلي متغير خطی و چرخشي (RVDT – LVDT)
1. ترانسفورماتورهاي متغير خطي تفاضلي (LVDT)
مبدل LVDT 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 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 o180 اختلاف به هم متصل می شوند. بنابراين، خروجي نهايي مبدل، تفاوت بين اين دو ولتاژ مي باشد و زمانی که هسته در وسط (موقعيت صفر) قرار بگیرد، اين ولتاژ صفر مي شود.
لحظه ای که هسته از وضعيت صفر حركت مي كند، ولتاژ القايي در سيم پيچي كه حركت به سمت آن است افزايش یافته اما ولتاژ القايي در سيم پيچ مقابل كاهش پیدا می کند.
در نتیجه ولتاژ خروجي متفاوتي را تولید می کند كه به صورت خطي، نسبت به تغيير وضعيت هسته تغيير مي كند. فاز اين ولتاژ خروجي، به صورت ناگهانی و زمانی كه هسته از وضعيت صفر عبور مي كند، o180 اختلاف پيدا مي كند.
ويژگي هایي بارز، در مبدل LVDT موجب شده تا در زمینه های گوناگون صنعتی، به کار گرفته شود. برخي از این ويژگي ها بسیار منحصر به فرد بوده و در مبدل های ديگر دیده نشده اند. مهم ترین 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 پيچ ها 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 اندازه گيري هايي با توان “تحمل اضافه وزن هسته” اما با “عدم تحمل اصطكاك”، کاربرد فراوانی داشته باشد.
دو مثال از چنين كاربردي را مي توان از:
تست لرزه مواد ظريف و نازك و Tensile (کشسانی) یا تغيير شكل ديناميكي
تست Creep (خزیدن) بر روي الياف يا مواد با خاصيت الاستيكي بالا را نام برد.
عدم وجود اصطكاك و تماس، بين هسته و سيم پيچ هاي يك مبدل LVDT، مانع آسیب رسیدن به قطعات داخلی آن می گردد. اين ويژگي، یک چرخه عمر تقریبا بی نهایت در صورت استفاده صحیح، به مبدل LVDT مي دهد که قابلیتی بسيار مهم در آزمون هایی هم چون تست خستگی (Fatigue Test) ساختمان مواد مي باشد. عمر مكانيكي در حد بي نهايت، در ساختارها و سيستم هايي 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 بي نهايت شده است. اين ویژگی منحصر به فرد موجب شده تا LVDT بتواند جزئی ترين حركت های سیستم را پردازش کرده و يك خروجي، متناسب با آن حرکت، تولید کند.
باید دانست که تنها محدود كننده قدرت تفكيك در مبدل LVDT، لوازم الكترونيكي به کار رفته در آن می باشد و بدون حضور این قطعات، این مبدل در شرایط بسیار سخت نیز قادر به انجام کار می باشد.
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 (Hermatic 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 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 مبدل LVDT را مشخص کرده است:
با وجود تمام مزیت های 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 مبدل LVDT ، براي فعال کردن قسمت قرائت عدد اندازه گيري 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 خروجي،DC هستند، پس باید خروجي AC تقويت شده به خروجي 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 خروجي كار مي 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 LVDT به 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 مي باشد.
2. ترانسفورماتور تفاضلي متغير چرخشي (RVDT)
ترانسفورماتور تفاضلي متغير چرخشي، جهت توليد ولتاژي كه دامنه آن به صورت خطي و متناسب با موقعيت زاويه اي شفت تغيير مي كند؛ کاربرد دارد. روتور مغناطيسي این دستگاه، با شكل ویژه ای که دارد، جا به جايي طولي يك هسته استوانه اي شكل مستقيم را شبيه سازي مي كند.
در RVDT حلقه لغزشي كه اصطكاك مكانيكي و نويز الكتريكي ايجاد مي كند، وجود ندارد. علت آن است كه سيم پيچ ثابت و روتور چرخشي فقط به صورت الكترومغناطيسي در ارتباط هستند. در عوض، بلبرینگ دقيق مينياتوري كه شفت را نگه داري مي كند، قطعه ای است که موجب تولید اصطكاك می شود.
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 كوچك تر، تغيير مكان زاويه اي خطي بودن به صورت چشمگیری بهبود پيدا مي كند. به عنوان مثال، خطي بودن تغيير مكان زاويه اي 5-/+ درجه بهتر از %1/0 رنج كامل مي باشد.
در عمل، بالاترین حد تغيير مكان زاويه در يك RVDT، در حدود 60 -/+ درجه بوده و این در حالی است که در تئوري، این مقدار، بي نهايت 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.
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.
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.
