Grant Maloy Smith

mercoledì 12 agosto 2020 · 16 min read

Misura di posizione e spostamento con sensori LVDT

In questo articolo discuteremo di come misurare la posizione e lo spostamento con i sensori LVDT, con dettagli sufficienti in modo da:

  • Vedere come funzionano questi sensori

  • Imparare ad utilizzare i sensori LVDT per misurare la distanza

  • Capire come possono essere usati nei test

Pronti per iniziare? Iniziamo!

Cos'è il sensore LVDT?

Gli LVDT (Linear Variable Differential Transformer) sono sensori di posizione lineare. Vengono utilizzati per misurare lo spostamento lineare e la posizione su distanze relativamente brevi. Oggi sul mercato, ci sono LVDT che possono misurare movimenti molto piccoli, come diversi milionesimi di cm o anche fino un metro.

Un LVDT è costituito da un tubo che contiene un albero libero di muoversi (noto anche come nucleo). La base del tubo è montata in una posizione fissa e l'estremità dell'asta è fissata a un oggetto che si muoverà in modo lineare (avanti e indietro) modificando la propria posizione.

Sezione trasversale di un tipico sensore LVDT

Come funziona un sensore LVDT?

Un tipico sensore LVDT è dotato di tre bobine solenoidi, allineate da estremità a estremità, che circondano il tubo. La bobina primaria si trova al centro e le bobine secondarie sono in posizione superiore e inferiore. Fatta eccezione per le loro posizioni fisiche, tutti e tre gli avvolgimenti sono identici. Tuttavia, risultano cablati in opposizione di serie, in modo tale che se presentano la stessa eccitazione, le loro uscite sommandosi daranno zero.

Questi elementi interni sono normalmente costruiti in modo tale da essere protetti sia dall'umidità che dai campi magnetici esterni.

Il modo in cui le bobine secondarie dell'LVDT indicano la posizione dell'asta mentre si muove avanti e indietro all'interno del nucleo LVDT

In un LVDT AC, la bobina primaria è eccitata con una tensione di alimentazione AC costante, tipicamente 3 kHz a 3 Vrms. Ciò induce un campo nelle bobine secondarie. Se l'asta è in punto morto all'interno del tubo, i flussi magnetici da S1 e S2 sono identici e si annullano a vicenda. Questa è nota come posizione "nulla".

Tuttavia, se la posizione dell'albero si avvicina a S1 o S2, l'energia di quella bobina aumenterà rispetto all'altra bobina. Quindi, semplicemente sottraendo le tensioni in uscita uscita dalle bobine, il sensore ci dice in ogni momento dove è posizionato l'albero all'interno del tubo.

Tipici sensori LVDT. Immagine protetta da copyright per gentile concessione di eddyLab

Quando la posizione dell'albero trasla lungo il tubo collegato all'oggetto di prova, l'LVDT emette un segnale che rappresenta la posizione dell'albero dal suo punto di partenza al suo spostamento massimo. L'albero non tocca l'interno del tubo, questo fa si che non vi sia attrito, e lo stesso LVDT non contiene componenti elettronici, ciò lo rende popolare in ambienti difficili.

Il segnale in uscita viene inviato a un condizionatore di segnale LVDT all'interno di un sistema di misura, che lo visualizza e lo registra per un'analisi successiva.

Per riassumere, un LVDT AC è un dispositivo a riluttanza variabile la cui bobina primaria crea un flusso magnetico che viene accoppiato tramite un nucleo mobile a bobine secondarie cablate in serie in opposizione al primario.

Tipologie LVDT o Varietà Meccaniche

In termini di costruzione sono disponibili diverse varietà di base:

  • LVDT con nucleo libero

  • LVDT con nucleo guidato

  • LVDT tastatore

Diamo un'occhiata a ciascuno di questi in modo più dettagliato.

LVDT con Nucleo Libero

In questo caso, il nucleo è libero di scorrere avanti e indietro lungo il corpo dell'LVDT. Il nucleo non è fissato all'LVDT e non vi sono forze che agiscono all'interno dell'LVDT stesso. Il nucleo è collegato all'oggetto in prova, che si muove parallelamente al corpo dell'LVDT.

Il risultato è una struttura praticamente priva di attrito, ciò permette una durata molto lunga della vita del sensore. Ovviamente, per ottenere i migliori risultati è necessario un corretto allineamento.

Un nucleo libero o "non guidato" è ideale per applicazioni a corto raggio e ad alta velocità (ad es. Vibrazioni). È ideale anche quando si osserva un numero elevato di cicli. Funziona meglio quando l'oggetto in prova si muove parallelamente al corpo dell'LVDT.

LVDT con Nucleo Guidato

In un LVDT chiuso o guidato, il nucleo è a contatto sia del corpo del sensore che all'oggetto in prova. Il nucleo è guidato e bloccato tramite un gruppo di cuscinetti a basso attrito, altre volte da una sede in teflon.

Ciò consente all'LVDT di gestire intervalli di misura più ampi (ad esempio, da ~ 30 mm a 50 cm), così come gli scenari in cui l'oggetto da misurare si muove trasversalmente al corpo dell'LVDT. In questi casi, si verificherebbe un disallineamento se il nucleo non fosse guidato.

Gli LVDT con nucleo guidato sono utili nelle applicazioni di misura sia statica che dinamica.

Gli LVDT che coprono piccoli range di distanza (ad esempio meno di ±100 mm) possono essere montati orizzontalmente senza subire flessioni, invece, le unità più grandi normalmente devono essere supportate quando montate orizzontalmente per garantire che non si pieghino a causa dalla gravità.

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Dai un'occhiata ai moderni sistemi di controllo e acquisizione dati EtherCAT digitali di Dewesoft che sono completamente compatibili e pronti per la misura LVDT

LVDT Tastatore

Un LVDT tastatore ha il nucleo con retrazione forzata o "a molla". Utilizza lo stesso sistema di cuscinetti a basso attrito di un LVDT guidato come descritto sopra, ma in aggiunta, utilizza un meccanismo di ritorno meccanico come una molla, un sistema pneumatico o un motore per spingere il nucleo fino al suo massimo spostamento. Questa tipologia di LVDT è realizzata per applicazioni in cui si desidera che il nucleo dell'LVDT mantenga una connessione stabile con l'oggetto in prova.

In questo scenario, solo il corpo dell'LVDT è fisso e l'estremità del nucleo ha tipicamente una sfera all'estremità che spinge contro l'oggetto in prova senza essere fissata ad esso. Quindi, l'oggetto in prova può anche allontanarsi fuori portata o essere sostituito, come nel caso di una catena di montaggio. La sfera del nucleo esteso a molla si estenderà automaticamente e attenderà che l'oggetto ritorni in posizione o venga sostituito, e si muoverà insime esso senza problemi.

Questi LVDT sono i migliori per applicazioni statiche e lente.

La maggior parte dei produttori di LVDT ha una gamma di sensori in alcune o in tutte queste varietà, al fine di gestire un'ampia gamma di applicazioni.

Oggi sul mercato è disponibile un'ampia varietà di LVDT. Alcuni sono progettati specificamente per applicazioni e ambienti quali applicazioni igieniche con alimenti e medicinali, per l'immersione in acqua salata, in ambienti a temperature estreme, per applicazioni scientifiche di altissima precisione e persino per il conteggio di denaro, all'interno di ambienti pressurizzati e molte altre varianti. Sono spesso costruiti in acciaio inossidabile, il che li rende adatti per tutte queste applicazioni.

LVDT AC vs DC

Il classico LVDT AC NON ha elettronica a bordo e richiede per funzionare un generatore di portante esterno e il relativo condizionamento del segnale. Alcuni produttori hanno integrato questi componenti elettronici negli LVDT, dando vita agli LVDT DC. Questi ultimi sono più facili da interfacciare con i sistemi di misura, ma presentano alcune limitazioni.

Poiché gli LVDT AC non hanno elettronica a bordo, possono funzionare in ambienti con range di temperatura più ampio possibile, da quelli criogenici fino a centinaia di °C.

Gli LVDT AC possono anche essere più piccoli degli LVDT DC proprio per l'assenza di elettronica a bordo.

Gli LVDT AC hanno specifiche di urti e vibrazioni superiori rispetto agli LVDT DC grazie all'assenza di componenti elettronici.

Gli LVDT AC hanno una durata maggiore rispetto agli LVDT DC ... meno complessità significa maggiore affidabilità.

Ciò non significa che non ci sia impiego per gli LVDT DC. Ci sono molte applicazioni per le quali la loro più semplice interfaccia è un grande vantaggio e dove i vantaggi degli LVDT AC non sono un fattore fondamentale. Questa tipologia, per prima cosa, elimina la necessità di condizionamento esterno del segnale, requisito che a volte piò essere difficile quando non esiste un'adatta collocazione.

Inoltre, riducono i tempi e la complessità dell'installazione. Gli LVDT DC sono disponibili nei modelli loop-powered, le cui uscite di corrente 4-20 mA possono essere trasmesse su una distanza maggiore rispetto alle uscite di tensione di basso livello.

They also reduce installation time and complexity. DC LVDTs are available in loop-powered models, whose 4-20 mA current outputs can be transmitted over a longer distance than low-level voltage outputs.

Vantaggio LVDT ACVantaggi LVDT DC
Prestazioni migliori per urto e vibrazioneNon richiedono condizionamento esterno del segnale
Range di temperature operative più ampioOutputs pre-calibrati
Sono disponibili fattori di forma più piccoli possibiliTempi di allestimento ridotti
Design con durata della vita più lunga possibileOutput loop di corrente 4-20 mA disponibile per trasmissioni a lunga distanza

Applicazioni di Misura con LVDT

  • Macchine utensili

  • Banchi prova di trazione

  • Test aerospaziale: carrello di atterraggio, attuatori, posizionamento della superficie di controllo, idraulica

  • Test automotive e test ferroviari - movimenti delle sospensioni

  • Produzione di energia - monitoraggio di turbine, test di turbine

  • Robotica - feedback di posizione

  • Produzione - Automazione, controlli di processo

  • Pulp & Paper - posizionamento dei bracci di tensionamento

Vantaggi dei Sensori LVDT

  • Molto affidabile - lunga durata del sensore grazie al funzionamento quasi senza attrito della maggior parte dei modelli 

  • Risoluzione molto elevata - grazie al movimento quasi privo di attrito forniscono una risoluzione praticamente infinita. È possibile rilevare anche gli spostamenti più piccole.

  • Resistente ai danni - in alcuni modelli, entrambe le estremità del tubo sono aperte, prevenendo danni al sensore se l'oggetto in prova spinge l'asta più lontano del previsto (ad eccezione della collisione con il tubo stesso)

  • Stabilità del punto nullo - il punto zero o zero del sensore è estremamente ripetibile per costruzione del sensore stesso

  • Ampia gamma di temperature di esercizio - sono disponibili modelli LVDT in grado di resistere a temperature criogeniche (-200°C) e alte temperature (650°C)

  • Bassa isteresi / alta precisione di posizionamento e ripetibilità

  • Dispositivo di output di lettura assoluta - a differenza di un dispositivo di output incrementale, la lettura da un LVDT sarà la stessa prima e dopo il suo ciclo di alimentazione (supponendo che l'oggetto in prova non si sia mosso).

Svantaggi dei Sensori LVDT

  • Distanza di misura limitata - Anche gli LVDT più grandi sono limitati a intervalli di misura inferiori a 1 m

  • Può essere influenzato dai campi magnetici (di conseguenza sono comuni i modelli con schermatura)

  • I modelli AC richiedono una precisa eccitazione AC fornita da un condizionatore di segnale LVDT

  • I modelli LVDT DC hanno specifiche inferiori di shock, vibrazioni e temperatura rispetto ai modelli LVDT AC

Collegamento di Sensori AC LVDT al tuo Sistema DAQ Dewesoft

Il condizionamento del segnale è sempre necessario con i sensori LVDT AC a causa dei loro requisiti di eccitazione AC. I sensori LVDT DC richiedono un ingresso di tensione o di corrente 4-20 mA. Utilizzando un adattatore DSI-LVDT è possibile collegare sensori LVDT a condizionatori di segnale Dewesoft DAQ STG e LV, su diversi modelli.

La sezione che segue mostra quali ingressi sono compatibili e su quali modelli di sistema DAQ, ma prima diamo un'occhiata in generale agli adattatori DSI, quindi all'adattatore DSI-LVDT a canale singolo e alle interfacce DS-16xLVDTr a 16 canali in particolare.

Adattatori DSI LVDT - Uno sguardo più da vicino

Gli adattatori DSI sono compatibili con tutti i condizionatori di segnale Dewesoft STG e LV disponibili con ingresso analogico DB9, indipendentemente dalla famiglia di prodotti. Si adatteranno al sistema DAQ SIRIUS, ai moduli DAQ KRYPTON , e al sistema di controllo DAQ IOLITE e IOLITE modular, e i sistemi DAQ DEWE-43A e MINITAURs.

Modulo KRYPTON rugged 6xSTG con adattatori DSI-LVDT, DSI-RTD, DSI-ACC e DSI-TH collegati

Tutti gli adattatori DSI hanno un chip TEDS integrato per il rilevamento automatico del sensore e la configurazione plug-and-play. Basta collegare l'adattatore DSI a un ingresso compatibile e tutto - inclusi il ridimensionamento, le unità, i dati di calibrazione, ecc. - verrà configurato automaticamente all'interno del software DAQ DewesoftX. Tutta l'elettronica è incorporata in un piccolo e robusto alloggiamento in alluminio con connettori a vite per fissare saldamente questi adattatori al canale di ingresso analogico.

L'Adattatore DSI-LVDT

Adattatore DSI-LVDT compatibile con i condizionatori di segnale Dewesoft DB9

Il DSI-LVDT è un adattatore per collegare i sensori LVDT al sistema DAQ Dewesoft. Genera l'eccitazione AC da 4 a 10 kHz richiesta dai sensori LVDT e include una facile regolazione della fase tramite un piccolo potenziometro incorporato. L'uscita 1 V = 1000 mV/V.

Il DS-16xLVDTr 

Il DS-16xLVDTr combina 16 canali di adattatori DSI-LVDT in un alloggiamento compatibile con rack da 19 pollici con altezza 1U.

Il DS-16xLVDTr di Dewesoft

La svolta di questo nuovo design sono gli ingressi/uscite di eccitazione asincrona. Si collega un segnale di eccitazione da un generatore di funzioni esterno al connettore BNC "IN". Questo segnale di eccitazione viene automaticamente indirizzato al connettore BNC "OUT", che è possibile utilizzare per collegare in cascata le interfacce DS-16xLVDTr aggiuntive per sistemi di misura LVDT con un numero elevato di canali.

Sul pannello frontale sono presenti 16 connettori DB9 (maschio) per il collegamento al sistema di acquisizione dati Dewesoft. Ogni connettore include un trimmer per la regolazione della fase.

Sul pannello posteriore sono presenti 16 connettori DB9 (femmina) per il collegamento del sensore LVDT. DS-16xLVDTr supporta misure con sensori LVDT ponte-intero e metà-ponte.

Compatibilità dei Sistemi DAQ SIRIUS con gli LVDT

La linea SIRIUS non include solo il modulo SIRIUS, ma è un'intera linea di prodotti che include SIRIUS, SIRIUS waterproof, SIRIUS R1DB, SIRIUS R2DB, SIRIUS R3, SIRIUS R4 e SIRIUS R8. I seguenti condizionatori di segnale SIRIUS sono compatibili con le misure LVDT:

Moduli di ingresso standard SIRIUS

ModuloSTG STGMLV (DB9)
DSI-LVDT Compatibile
DS-16xLVDTr Compatibile

Moduli d'ingresso SIRIUS HD (High Density)

ModuloHD-STGsHD-LV (DB9)
DSI-LVDT Compatibile
DS-16xLVDTr Compatibile

Moduli d'ingresso SIRIUS HS (High Speed)

ModuloHS-STGHS-LV (DB9)
DSI-LVDT Compatibile
DS-16xLVDTr Compatibile

Compatibilità della Famiglia di Prodotti DEWE-43 e MINITAUR con gli LVDT

Sistema DAQ portatile DEWE-43A
Modello MINITAURs che include un computer integrato

Il DEWE-43A è un modulo DAQ portatile a 8 canali che fornisce otto ingressi analogici universali con connettori DB9. Il MINITAURs è essenzialmente un DEWE-43A combinato con un computer robusto, quindi i suoi ingressi sono esattamente gli stessi.

DEWE-43A e MINITAUR 8 Ingressi Universali

ModuloCompatibilità
DSI-LVDT Compatibile
DS-16xLVDTr Compatibile

Compatibilità dei Moduli DAQ KRIPTON con gli LVDT

Moduli di acquisizione dati KRYPTON EtherCAT

KRYPTON e KRYPTON ONE sono moduli DAQ estremamente robusti, classificati IP67 per il funzionamento in ambienti difficili soggetti a shock, vibrazioni e temperature estreme alte e basse. Ogni sistema DAQ Dewesoft include il premiato software DewesoftX per la configurazione completa del sistema, il funzionamento, la visualizzazione, l'archiviazione, l'analisi e la generazione di report. I moduli di ingresso mostrati di seguito sono compatibili con l'adattatore DSI-LVDT:

Moduli Multicanale KRYPTON Rugged

ModuloSTG-3STG-6
DSI-LVDT Compatibile
DS-16xLVDTr Compatibile

KRYPTON-1 Rugged Single Channel Modules

ModuloSTG-1
DSI-LVDT Compatibile
DS-16xLVDTr CompatibileN/A

Compatibilità della Famiglia di Prodotti IOLITE con gli LVDT

IOLITE DAQ and control system

I sistemi DAQ IOLITE e IOLITE modular di acquisizione e controllo combinano una potente acquisizione dati con il controllo in tempo reale tramite due interfacce EtherCAT. Disponibile in un modello rack da 19 ”e in un modello da banco. Ogni sistema DAQ Dewesoft include il premiato software DewesoftX per la configurazione completa del sistema, il funzionamento, la visualizzazione, l'archiviazione, l'analisi e la generazione di report. Il modulo estensimetrico a sei canali è compatibile con gli adattatori DSI, incluso DSI-LVDT:

Moduli I/O digitali IOLITE

Module6xSTG
DSI-LVDT compatibile
DS-16xLVDTr compatibile

Conclusioni

Gli LVDT sono sensori estremamente utili. Sono altamente affidabili, precisi e facili da usare. Di conseguenza, ce ne sono diversi milioni utilizzati in tutto il mondo in innumerevoli applicazioni di misura e controllo.

Ogni membro della famiglia di prodotti DAQ Dewesoft è compatibile con gli LVDT tramite adattatori DSI-LVDT facili da usare e l'interfaccia DS-16xLVDTr a 16 canali ... Potete migliorare le vostre applicazioni di test, misura e controllo con sensori LVDT, utilizzando l'hardware DAQ Dewesoft e il suo software proprietario.

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