Ralph DTE

Rubrica: Telemetria (sensori di spostamento)

Titolo o argomento: Sensori LVDT - Linear Variable Differential Transformer

LVDT è l’acronimo di Trasformatore Differenziale Variabile Lineare che, come implica il nome, è un trasformatore con accoppiamento secondario variabile dipendente dalla posizione del nucleo.

Il Trasformatore Variabile Differenziale Lineare ed il suo apposito amplificatore di segnale, sono progettati per essere utilizzati con la stessa facilità di un comune potenziometro lineare ma con vantaggi non indifferenti in termini di:

• precisione (qualora il veicolo viaggi su asperità estreme e continue: vedi i rally)

• basso attrito del sensore

• risoluzione infinita

• possibilità di operare in zone del veicolo molto calde.

Il trasformatore LVDT è utilizzato per misurare direttamente uno spostamento lineare o rotante. Indirettamente viene utilizzato per misurare parametri come forza o pressione. I trasformatori di tipo LVDT sono disponibili in un range che può variare da pochi millimetri ad alcuni metri anche se ques’ultimi hanno campi di applicazioni al di fuori del settore motoristico.

Il Trasformatore Variabile Differenziale Lineare deve essere alimentato da una tensione a corrente alternata che produce una tensione secondaria sempre a corrente alternata. Il rapporto tra i due valori viene utilizzato per determinare lo spostamento del nucleo e ricavare quindi il parametro cercato. La tensione secondaria che viene generata, infatti, varia a seconda della posizione del nucleo montato sullo stantuffo.

In figura (qui sotto) si osserva che la tensione è di 0,5 volt quando lo stantuffo del trasformatore è tutto retratto (ossia quando la sospensione della vettura è tutta compressa fino a fondo corsa. Tampone). Mentre la tensione diventa di 4,5 volt quando lo stantufo del trasformatore è tutto esteso fuori dalla sua sede (ossia quando la sospensione è tutta estesa; magari la vettura ha due ruote sollevate dopo aver preso abbondantemente un cordolo). Infine a metà corsa la tensione in uscita è di 2,5 volt.

La complessa circuiteria di modulazione e decodificazione (demodulazione) dello spostamento, richiesta dal trasformatore LVDT, è inclusa nell’amplificatore Pi LVDT il quale produce una corrente continua in proporzione alla posizione del nucleo. Questa caratteristica da il vantaggio di non dover effettuare delle calibrazioni prima dell’uso (come invece avviene per i potenziometri lineari). Ad una determinata posizione del nucleo posto sullo stantuffo, corrisponde una determinata tensione e, di conseguenza un valore elettrico che verrà interpretato dalla telemetria come un valore di posizione.

Ricapitolando per effettuare una misurazione precisa ad esempio della corsa di una sospensione di una vettura GTR, è necessario disporre del trasformatore LVDT ed il relativo amplificatore. La tensione in uscita dall’interazione di questi due strumenti andrà dai 0,5 Volt ai 4,5 Volt. La posizione centrale avrà un valore in uscita di 2,5 Volt indipendentemente dalla lunghezza della corsa dello stantuffo.

Come è fatto e come funziona un LVDT

Un Trasformatore Variabile Differenziale Lineare consiste in un avvolgimento principale, due avvolgimenti secondari ed un nucleo. Gli avvolgimenti principali e secondari sono alloggiati in un cilindro di metallo, con un’asta, corredata di un nucleo magnetico, semovibile che può scorrere dentro il cilindro.

Ha una finitura esterna che fornisce protezione  ed un buona resistenza meccanica nonché superfici di scorrimento a bassissimo attrito.

Quando l’avvolgimento primario viene alimentato, negli avvolgimenti secondari viene prodotta una corrente proporzionale alla posizione del nucleo. Questo fa sì che l’informazione sulla posizione di una sospensione (ad esempio) venga trasformata in segnale elettrico.

I trasformatori differenziali lineari sono costituiti come si può vedere nella figura sopra, da un trasformatore con due secondari uguali e simmetrici collegati in “controfase” l’uno rispetto all’altro (i due avvolgimenti secondari si trovano di 180° fuori fase rispetto al polo comune centrale). L’ accopiamento tra il primario e i secondari dipende dipende dalla posizione del nucleo mobile di materiale ferromagnetico. Quando il nucleo si trova nella posizione centrale la differnza tra le due mutue induttanze dei due secondari è nulla.  L’esempio sopra mostra che allo ZERO ELETTRICO entrambi i voltaggi sono della medesima grandezza ma fuori fase di 180°.

Glossario

• Gamma elettrica: La gamma elettrica del trasformatore LVDT è il reale range di funzionamento entro il quale le misure rilevate hanno la massima precisione.

• Zero Elettrico: Il punto dove sia il voltaggio primario che il secondario hanno la stessa grandezza.

• Gamma Meccanica: La gamma meccanica del trasformatore LVDT ossia la corsa che può compiere lo stantuffo (al quale è applicato il nucleo) dentro il cilindro del trasformatore stesso. Solitamente è più lunga della gamma elettrica ma questo non vuol dire che le misurazioni, oltre i limiti della gamma elettrica, saranno affidabili.

• Zero Meccanico: Questo è il centro della gamma meccanica. Ovviamente lo Zero Elettrico e Meccanico coincidono.

• Sensibilità: Questo valore è utilizzato da alcuni produttori per specificare la precisione del prodotto. Lla sua unità di misura è in ”mV Out per Volt In per mm“. Dove Volt In è la tensione primaria in V RMS.

• Rapporto di somma e Differenza: Alcuni produttori di trasformatori LVDT specificano nei dati tecnici il Rapporto di Somma e Differenza cioè (VsecA-VsecB)/(VsecA+VsecB) in cui Vsec A e Vsec B sono i voltaggi secondari del trasformatore LVDT.

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Ringrazio personalmente:

• Il mio caro amico “Giorgio”  per la gentile concessione della sua Telemetria.

• La PI research per i dati concessi ed il prezioso contributo al chiarimento di alcune nostre domande.

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