Transformador diferencial de variación lineal

Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Profesional Ticomán

Ingeniería Aeronáutica

Sistemas Eléctricos y Digitales

Ing. Hernández Bárcenas Raymundo

Trabajo de investigación: “Tipos de señales eléctricas. Dispositivos LVDT & RVDT”

Alumno: Martínez Cedillo José Jesús

México, D.F. a 06 de septiembre de 2010

Transformador diferencial de variación lineal (Linear variable differential transformer) El transformador diferencial de variación lineal (LVDT según sus siglas en inglés) es un tipo de transformador eléctrico utilizado para medir desplazamientos lineales. Dicho transformador posee tres bobinas dispuestas alrededor de un tubo. La bobina central es el devanado primario y las externas son los secundarios. Un centro ferromagnético de forma cilíndrica, sujeto al objeto cuya posición desea ser medida, se desliza con respecto al eje del tubo.1 Cuando una corriente alterna circula a través del primario, causa un voltaje que es inducido a cada secundario proporcionalmente a la inductancia mutua con el primario. La frecuencia del oscilador que causa la corriente alterna está en el rango de 1 a 10 kHz. A medida que el núcleo se mueve, la inductancia mutua cambia, causando que el voltaje inducido en el secundario cambie. Las bobinas están conectadas en serie pero invertidas, así que el voltaje de salida es la diferencia (por eso es "diferencial") entre los dos voltajes secundarios. Cuando el núcleo está en su posición central, se encuentra equidistante a los dos secundarios, los voltajes inducidos son iguales pero de signo opuesto, así que el voltaje de salida es cero. Cuando el núcleo es desplazado en una dirección, el voltaje en una bobina aumenta mientras que en la otra disminuye, causando que el voltaje de salida también aumente desde cero hasta su máximo. Este voltaje tiene la misma fase que el voltaje del primario. La magnitud del voltaje de salida es proporcional a la distancia en que fue desplazado el núcleo (hasta cierto límite), por eso el dispositivo es descrito como "lineal". La fase del voltaje indica la dirección del desplazamiento. Debido a que el núcleo deslizante no toca el interior del tubo, puede moverse prácticamente sin fricción, haciendo del LVDT un dispositivo muy fiable. La ausencia de contactos deslizantes o rotatorios permite que el LVDT sea completamente sellado. Los LVDT son usados para la realimentación de posición en servomecanismos y para la medición automática en herramientas y muchos otros usos industriales y científicos. La salida de un LVDT es una forma de onda de corriente alterna, por lo que en realidad no tienen una polaridad como tal. La magnitud de la salida de un LVDT plantea independientemente de la dirección del movimiento de la toma de posición cero.

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Con el fin de saber en qué medio de la bobina del centro de la armadura se encuentra, debe tener en cuenta la fase de la producción, así como la magnitud. La fase de salida se compara con la fase de excitación y es dentro o fuera de fase con la excitación, según la cual la mitad de la bobina del centro de la armadura se encuentra. La electrónica por lo tanto, debe combinar la información sobre la fase de la salida con información sobre la magnitud de la producción. Esto le permite saber exactamente dónde está la armadura más que en lo de la toma de posición cero se encuentran. Acondicionadores de señal LVDT generar una onda sinusoidal de la bobina primaria y sincrónicamente demodular la señal de salida secundaria, de manera que el voltaje de CC que es proporcional a los resultados de desplazamiento del núcleo. El signo de la tensión de CC indica si el desplazamiento es hacia la izquierda o la derecha. El acondicionamiento de señales para LVDTs consiste principalmente en circuitos que llevan a cabo una detección sensible a la fase de la diferencia de voltaje en el secundario. La salida es una tensión continua cuya amplitud se refiere la medida del desplazamiento, y la polaridad indica la dirección del desplazamiento. Una amplia gama de LVDTs está disponible con rangos lineales de al menos ± 25 cm hasta ± 1 mm. El tiempo de respuesta depende del equipo al que se conecta el núcleo. Las unidades de una medición de LVDT son típicamente en mV / V / mm o mV / V en /, lo que indica que por cada voltio de estimulación aplicada a la LVDT existe una retroalimentación clara en mV por unidad de distancia. Un LVDT fabricados con sumo cuidado puede proporcionar una salida lineal de ± 0,25% en un rango de movimiento corazón y con una resolución muy fina, limitada principalmente por la capacidad de hardware para medir cambios de voltaje.

Transformador diferencial de variación rotativa (Rotary variable differential transformer) Un transformador diferencial variable rotatorio (RVDT) es un tipo de transformador eléctrico que se emplea para medir el desplazamiento angular. Más precisamente un RVDT es un transductor electromecánico que proporciona una variable de corriente alterna (AC) voltaje de salida que es linealmente proporcional al desplazamiento angular de su eje de entrada. Cuando está energizado con una fuente fija de CA, la señal de salida es lineal dentro del rango especificado por el desplazamiento angular. Los RVDT’s utilizan la tecnología sin escobillas, sin contacto para asegurar larga vida útil y confiable, repetible posición de detección con una resolución infinita. Tal desempeño confiable y repetible asegura la posición exacta de detección en las condiciones de operación más extremas. La mayoría de RVDT’s se componen de una ranura, laminado del estator y un rotor de dos polos salientes. El estator, que contiene cuatro ranuras, contiene tanto el devanado primario y los dos devanados secundarios. Algunos devanados secundarios también pueden ser conectados entre sí.2

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APLICACIONES TIPICAS

CARACTERÍSTICAS

BENEFICIOS

• El control de vuelo / navegación • Actuadores de Flap • Control de Combustible • Mandos de control

• Sin escobillas, la tecnología sin contacto • Repetible detección de posición con la resolución infinita • Dimensiones estándar 8 puertos

• Larga vida • Alta fiabilidad • Repetible rendimiento • Optimización de frecuencia

Construcción básica RVDT y el funcionamiento es siempre girando un rodamiento con núcleo de hierro apoyado en una sede estator de montaje. La carcasa es de acero inoxidable. El estator se compone de una bobina de excitación primaria y un par de bobinas de salida secundaria. Una corriente alterna se aplica a la bobina del estator principal que se acopla electromagnéticamente las bobinas secundarias. Este acoplamiento es proporcional al ángulo del eje de entrada. El par de salida está estructurado de manera que una bobina está en fase con la bobina de excitación, y el segundo es de 180 grados fuera de fase con la excitación bobina. Cuando el rotor está en una posición que dirige el flujo de manera equitativa, tanto en el en-fase y bobinas de fuera de la fase, cancelar los voltajes de salida y dar lugar a una señal de valor cero. Esto se conoce como la posición cero eléctrico o E.Z. Cuando el eje del rotor se desplaza de EZ, las señales de salida resultantes tienen una magnitud y la fase relación proporcional a la dirección de rotación.3 Una resolución requiere que recibir una señal de excitación de CA. Esta señal tiene una frecuencia que se puede ajustar a las especificaciones requeridas por la resolución individual. La tensión de excitación también debe tener una configuración diferente para las variaciones de resolución. Para obtener la señal de al menos dos canales son necesarios para realizar las medidas de las dos bobinas de detección. A partir de estas dos medidas que puede tomar un arco tangente para obtener el ángulo de la resolución.

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Procesado de señal El procesado de señales (también llamado tratamiento o procesamiento de señales) es la disciplina que desarrolla y estudia las técnicas de tratamiento (filtrado, amplificación,...), el análisis y la clasificación de las señales. Se basa en los resultados de la teoría de la información, de la estadística y la matemática aplicada. Una señal es un flujo de información proveniente de una fuente, la cual puede tener una naturaleza diversa: mecánica, óptica, magnética, eléctrica, acústica,... Por lo general, para poder ser procesadas, las señales se transforman en señales eléctricas mediante transductores. Para su análisis, las señales habitualmente son modeladas como funciones matemáticas. 4 La clasificación más básica de las señales se produce en base a su representación respecto a las variables de las que dependen (tiempo, espacio,...):  Señal analógica es aquella que representa una magnitud de manera continua. Pueden provenir de captadores (o captadores + transductores) como, por ejemplo, un micrófono (para captar sonidos y trasladarlos a señales eléctricas), un termómetro (temperaturas), una sonda barométrica (capta presiones), un velocímetro...  Señal digital es aquella que toma valores sólo para una cantidad discreta de puntos, y además sus valores son únicamente discretos. Se pueden considerar ejemplos de señales digitales a un programa de ordenador, el contenido de un CD, aunque también podría ser la información recibida de un semáforo, el código Morse, etc.  De manera parecida a la señal digital, una señal discreta sólo tiene valores en una cantidad conocida de puntos. La diferencia está en que estos valores pueden tomar cualquier rango deseado, es decir, no están cuantificados. Estas señales provienen normalmente de conversores analógicodigitales, o lo que es lo mismo, de la discretización de señales continuas. Cuando una señal discreta es cuantificada mediante un cuantificador se transforma en una señal digital.

Un parámetro importante de señales digitales y discretas es la frecuencia de muestreo. Las señales analógicas se pueden tratar mediante circuitos electrónicos analógicos. Sin embargo la tendencia actual es la de digitalizarlas y procesarlas de forma discreta mediante ordenadores o con un procesador digital de señal (DSP, Digital Signal Processor), que es un microprocesador especialmente diseñado para realizar tareas de procesado digital.5 En la naturaleza, el conjunto de señales que percibimos son analógicas, así la luz, el sonido, la energía etc, son señales que tienen una variación continua. Incluso la descomposición de la luz en el arcoiris vemos como se realiza de una forma suave y continúa.

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Una onda senoidal es una señal analógica de una sola frecuencia. Los voltajes de la voz y del video son señales analógicas que varían de acuerdo con el sonido o variaciones de la luz que corresponden a la información que se está transmitiendo. Ejemplos de aquellos sistemas analógicos que ahora se han vuelto digitales Fotografías: La mayoría de las cámaras todavía hacen uso de películas que tienen un recubrimiento de haluros de plata para grabar imágenes. Sin embargo, el incremento en la densidad de los microcircuitos o "chips" de memoria digital ha permitido el desarrollo de cámaras digitales que graban una imagen como una matriz de 640 x 480, o incluso arreglos más extensos de pixeles donde cada pixel almacena las intensidades de sus componentes de color rojo, verde y azul de 8 bits cada uno. Esta gran cantidad de datos, alrededor de siete millones de bits en este ejemplo puede ser procesada y comprimida en un formato denominado JPEG y reducirse a un tamaño tan pequeño como el equivalente al 5% del tamaño original de almacenamiento dependiendo de la cantidad de detalle de la imagen. De este modo las cámaras digitales dependen tanto del almacenamiento como del procesamiento digital. Grabaciones de video: Un disco versátil digital de múltiples usos (DVD por las siglas de digital versatile disc) almacena video en un formato digital altamente comprimido denominado MPEG-2. Este estándar codifica una pequeña fracción de los cuadros individuales de video en un formato comprimido semejante al JPEG y codifica cada uno de los otros cuadros como la diferencia entre éste y el anterior. La capacidad de un DVD de una sola capa y un solo lado es de aproximadamente 35 mil millones de bits suficiente para grabar casi 2 horas de video de alta calidad y un disco de doble capa y doble lado tiene cuatro veces esta capacidad. Grabaciones de audio: Alguna vez se fabricaron exclusivamente mediante la impresión de formas de onda analógicas sobre cinta magnética o un acetato (LP), las grabaciones de audio utilizan en la actualidad de manera ordinaria discos compactos digitales (CD. Compact Discs). Un CD almacena la música como una serie de números de 16 bits que corresponden a muestras de la forma de onda analógica original se realiza una muestra por canal estereofónico cada 22.7 microsegundos. Una grabación en CD a toda su capacidad (73 minutos) contiene hasta seis mil millones de bits de información. Existen sistemas que utilizan métodos digitales y analógicos, uno de ellos es el reproductor de disco compacto (CD). La música en forma digital se almacena en el CD. Un sistema óptico de diodos láser lee los datos digitales del disco cuando éste gira y los transfiere al convertidor digitalanalógico (DAC). El DAC transforma los datos digitales en una señal analógica que es la reproducción eléctrica de la música original. Esta señal se amplifica y se envía al altavoz. Cuando la música se grabó en el CD se utilizó un proceso que, esencialmente, era el inverso al descrito, y que utiliza un convertidor analógico digital (ADC, analog-todigital converter).

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Bibliografía Sistemas de Comunicaciones Electrónicas - Wayne Tomasi 4ed http://www.airporttech.tc.faa.gov/denver/dbsnsr/dbsnlv/dbsnlv.asp www.osti.gov/bridge/servlets/purl/525005-qY9Aoo/webviewable/ http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/3613 http://www.directindustry.es/prod/rdp-electronics/transductor-de-desplazamiento-lvdt-717939723.html http://es.wikipedia.org/wiki/Procesado_de_se%C3%B1al http://www.moog.com/literature/MCG/actprodguide.pdf

Notas de pie de página 1 2 3

www.osti.gov/bridge/servlets/purl/525005-qY9Aoo/webviewable/ www.osti.gov/bridge/servlets/purl/525005-qY9Aoo/webviewable/

http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/3613

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http://es.wikipedia.org/wiki/Procesado_de_se%C3%B1al 5 Sistemas de Comunicaciones Electrónicas - Wayne Tomasi 4ed, pp. 468-496.

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