Czujniki indukcyjne (LVDT ? Linear Variable Differential Transformers) zapewniają lepsze funkcjonowanie maszyn.
Współczesne układy kontroli procesu przemysłowego w coraz większym stopniu wykorzystują elementy automatyki w celu zapewnienia optymalnych warunków pracy, a także bezpieczeństwa i zwiększenia wydajności. Czujniki przemieszczenia liniowego zastosowane w tych zautomatyzowanych systemach dostarczają dokładnych informacji zwrotnych o parametrach wyrobu, stanach kontrolnych i wielkościach wyjściowych.
Zarówno jako działający samodzielnie komponent, jak i część składowa większego systemu kontroli lub bezpieczeństwa, czujnik przemieszczenia liniowego ? zwany także często czujnikiem LVDT ? może podawać wyniki pomiarów przemieszczeń od mikrometrów do kilkudziesięciu centymetrów, w różnych warunkach operacyjnych i środowiskowych, z wysoką dokładnością i niezawodnością. Czujnik przemieszczenia liniowego LVDT pełni zawsze ważną rolę w układzie sterowania maszyn, dostarczając informacji zwrotnych o położeniu wyrobu. Można powiedzieć, że zapewnia on właściwe i dokładne działanie maszyny.
Budowa mechaniczna czujnika LVDT
Mówiąc w skrócie, czujnik przemieszczenia liniowego LVDT to urządzenie elektromechaniczne, które przekształca pozycję liniową lub ruch na wprost proporcjonalną elektryczną wielkość wyjściową (rys. 2). Opisując to bardziej szczegółowo, czujnik przemieszczenia LVDT generuje elektryczny sygnał wyjściowy, wprost proporcjonalny do przemieszczenia wydzielonego, ruchomego rdzenia. Zwykle rdzeń ferromagnetyczny czujnika LVDT jest przytwierdzony do ruchomej części elementu urządzenia, które wymaga informacji zwrotnej o własnym położeniu.
Podstawą konstrukcji czujnika LVDT są trzy elementy:
- uzwojenie zasilające,
- dwa identyczne uzwojenia różnicowe,
- ruchomy twornik magnetyczny lub ?rdzeń?.
Uzwojenie zasilające jest wzbudzane przez prąd przemienny, wytwarzający pole elektromagnetyczne, które z kolei ? kiedy rdzeń znajduje się w położeniu centralnym lub zerowym ? powoduje powstanie jednakowego napięcia w obu uzwojeniach różnicowych. Uzwojenia różnicowe są nawinięte przeciwsobnie, w ten sposób, że wartość ich sygnału wyjściowego przedstawia różnicę napięcia w nich wzbudzonego, co w tym przypadku daje wynik zerowy. Gdy rdzeń przesuwa się w prawo lub lewo, to różnica napięcia wzbudzonego daje sygnał wyjściowy, którego wartość jest liniowo proporcjonalna do przemieszczenia rdzenia. Jego faza zmienia się o 180 stopni od jednego do drugiego położenia, względem pozycji zerowej.
W przemyśle naftowo-gazowym kompaktowe czujniki LVDT znajdują zastosowanie w pętlach sprzężenia zwrotnego sygnałów o miejscu i stanie świdra oraz średnicy wewnętrznej odwiertu. Podzespół cewki czujnika oraz wydzielony rdzeń mogą wytrzymać niezwykle wysokie ciśnienia środowiska, ponieważ układ mechaniczny podzespołu cewki jest zrównoważony ciśnieniowo w stosunku do ciśnienia medium nieprzewodzącego. Czujnik LVDT ? ze względu na to, że jego podzespół cewki jest wytrzymały na kombinację wysokiego ciśnienia, podwyższonych temperatur, wstrząsów i drgania ? może wykonywać pomiary na dole odwiertu, gdzie przestrzeń jest na wagę złota, a środowisko wyjątkowo nieprzyjazne.
W praktyce uzwojenie zasilające LVDT jest wzbudzane przez prąd przemienny o odpowiedniej amplitudzie i częstotliwości, zwany prądem wzbudzenia pierwotnego. Elektryczny sygnał wyjściowy czujników przemieszczenia liniowego LVDT jest różnicą napięcia prądu przemiennego pomiędzy dwoma uzwojeniami różnicowymi (wtórnymi), który zmienia się wraz z pozycją osiową rdzenia wewnątrz cewki LVDT. Zwykle to przemienne napięcie wyjściowe jest przekształcane przez odpowiedni obwód elektroniczny na wysokie napięcie prądu stałego lub sygnał prądowy odpowiednio dobrany do bezpiecznego stosowania w komputerze lub innego wyjściowego urządzenia cyfrowego.
Ze względu na fakt, że nie ma bezpośredniego kontaktu pomiędzy rdzeniem LVDT i jego cewką, żadne części nie trą o siebie i nie zużywają się w sensie mechanicznym. Oznacza to, że czujnik przemieszczenia liniowego LVDT charakteryzuje się zasadniczo nieograniczoną mechaniczną trwałością. Cecha ta jest bardzo pożądana w wielu zakładowych systemach automatyzacji i kontroli przemysłowej.
Szerokie zastosowanie w kontroli procesu technologicznego
Ostatnie innowacje w materiałach konstrukcyjnych, metodach wytwarzania przemysłowego i mikroelektroniki zrewolucjonizowały konstrukcje czujników LVDT, jako niezawodnej i oszczędnej technologii do zastosowania w procesach sterowania i kontroli. W przeszłości elektronika niezbędna do właściwego działania czujników przemieszczenia liniowego była skomplikowana i droga, stanowiąc kluczową przeszkodę w szerokim użyciu w zastosowaniach kontroli procesu pomiaru przemieszczenia. Współczesne zintegrowane układy scalone (AISIC ? Application-Specific Integrated Circuit) oferują technologii czujników LVDT bardziej skomplikowane funkcje procesowe i umożliwiają przetwarzanie sygnału wewnątrz obudowy czujnika tak, by ten generował cyfrowe sygnały wyjściowe bezpośrednio kompatybilne z systemami opartymi na technologiach komputerowych i standardowych cyfrowych portach komunikacyjnych. W rezultacie współczesne czujniki przemieszczenia liniowego mogą dostarczać bardziej dokładne pomiary przemieszczeń, w szerokim spektrum aplikacji kontroli jakościowej, sprawdzaniu wyposażenia i innych zastosowaniach metrologii przemysłowej, w tym sprawdzaniu części przy użyciu urządzeń podłączonych do Internetu, systemów pozycjonowania przy użyciu serwomechanizmów ze sprzężeniem zwrotnym i kontroli procesu produkcji.
W aplikacjach realizowanych w warunkach ekstremalnych czujnik może być odseparowany od obwodu elektronicznego, przeciwnie do pojemnościowego, magnetostrykcyjnego i innych rozwiązań technologicznych, opartych na wysokich częstotliwościach. Czujniki LVDT prądu przemiennego mogą być podłączone za pomocą długich przewodów aż do 31 m lub działać za pomocą elektronicznego zdalnego sterowania, które zasila te czujniki, wzmacnia i przekształca ich wielkości wyjściowe. Wartość wyjściowa jest potem wyświetlana na odpowiednim czytniku i/lub wprowadzana do komputerowego systemu zbierania danych, przeznaczonych do statystycznej analizy danych z procesu technologicznego. Ta zdolność do transmisji danych do komputera zdalnego sterowania sprawiła, że czujniki przemieszczenia liniowego stały się popularne w programach zapewnienia jakości.
Mniejsze średnice, nowe materiały
Kiedyś czujniki przemieszczenia liniowego były postrzegane jako elementy zbyt długie do zastosowań, w których przestrzeń jest ograniczona. Nowe technologie nawijania cewek i sterowane komputerowo maszyny nawijające pozwoliły na zredukowanie obudowy czujnika przemieszczenia liniowego, przy jednoczesnym zwiększeniu długości suwu pomiarowego. Przez poprawę stosunku suwu do długości (teraz do 80%), czujnik przemieszczenia liniowego LVDT stał się narzędziem, które może być użyte do pomiaru położenia i ustawiania narzędzia maszynowego, cylindrów hydraulicznych i zaworów.
Mniejsze gabarytowo, bezkontaktowe czujniki położenia liniowego charakteryzują się także małą masą rdzenia. Jest ona idealna (rys. 2) do aplikacji kontroli procesu technologicznego, które wymagają odporności na obciążenia dynamiczne ? takich jak w przypadku maszyn do formowania tworzyw sztucznych metodą wtrysku, urządzeń do automatycznego sprawdzania i innych różnych aplikacji w konstrukcji robotów przemysłowych, wymagających informacji zwrotnych na temat przemieszczenia w celu zapewnienia właściwego działania całego mechanizmu.
Czujniki LVDT są także łatwe do skonfigurowania w wielu mechanicznych i elektrycznych konstrukcjach, tak aby spełnić wymagania środowiskowe i pomiarowe w różnych aplikacjach sterowania procesowego. Wysoce odporne na korozję i wysokie temperatury materiały, takie jak monel i inconel, umożliwiają zastosowanie czujnika LVDT w bardzo nieprzyjaznych środowiskach, w tym tych o ekstremalnie wysokich i niskich temperaturach, ekspozycji na promieniowanie lub w warunkach próżniowych. W aplikacjach, w których czujniki muszą wytrzymać ekspozycję na opary i ciecze łatwopalne lub korozyjne, albo działać w płynach pod ciśnieniem, ich obudowa i podzespół cewki mogą być hermetycznie zamknięte przy użyciu procesów spawalniczych.
Dla przykładu, w aplikacjach wytwarzania energii czujniki LVDT zaprojektowane na odporność na wysoką temperaturę i umiarkowaną radiację, mogą pracować w elektrociepłowniach w celu dostarczania informacji zwrotnych o położeniu zaworów sterujących turbiny gazowej i parowej w elektrowni jądrowej dla osiągnięcia zwiększonej sprawności i zmniejszenia kosztów operacyjnych.
W typowej elektrociepłowni turbiny parowe mają określoną liczbę zaworów regulacyjnych, sterujących wartością końcową przegrzewu pary, a także zawór odcinający i zawór główny. Zwykle zakłady dysponują dokładnymi planami rozmieszczenia zaworów do zwiększenia sprawności i zaoszczędzenia paliwa. Czujniki LVDT, pracując w trudnych warunkach elektrociepłowni parowych lub gazowych, mogą zmierzyć, czy zawory będą w pełni otwarte, czy domknięte, z dokładnością do jednej tysięcznej cala, przekazując wartości wyjściowe do obwodu elektronicznego zdalnego sterowania, monitorowanego przez operatorów reagujących, jeśli coś nie działa prawidłowo. Czujniki LVDT, w połączeniu z nowoczesnym, skomputeryzowanym systemem kontroli pracy turbiny, przynoszą zakładom wytwarzania energii oszczędności rzędu milionów dolarów rocznie.
Odgrywają one także ważną rolę w przewidywaniu koniecznych napraw turbin gazowych jako części systemów kontroli procesu technologicznego, są wykorzystywane do monitorowania rozszerzania się korpusu i wibracji łożysk turbiny. Zainstalowane na jej korpusie, hermetycznie zamknięte czujniki LVDT mierzą jego rozszerzanie się, podając wartość liniową operatorom, którzy mogą ją wykorzystać w celu określenia właściwej, dopuszczalnej wartości wzrostu rozszerzalności cieplnej korpusu turbiny, podczas jej rozruchu, działania i wyłączania.
Czujniki LVDT zaprojektowane są tak, aby wytrzymać wstrząsy i silne uderzenia występujące w prasach i matrycach przemysłowych oraz kontrolować działanie maszyn. Niewłaściwa ich obsługa może bowiem prowadzić do uszkodzenia matryc i przestojów, a niejednakowo powtarzalne siły docisku mogą powodować powstawanie zniekształceń i produkcję detali odbiegających od obowiązujących standardów. Sprężynowe czujniki przemieszczenia LVDT są tak zamontowane na prasach, że ich trzpień pomiarowy jest uciskany, gdy stempel dotyka kształtowanego detalu metalowego. Wartość wielkości wyjściowej czujnika LVDT stanowi informację zwrotną dla systemu kontroli maszyny o tym, jak dalece prasa zadziałała i kiedy należy ją zatrzymać.
Już od ponad sześciu dekad czujniki przemieszczenia liniowego LVDT służą jako ważne elementy systemów kontroli i pomiaru, dostarczając informacji, bez których wiele systemów kontroli procesu technologicznego nie mogłoby funkcjonować. Przeszły w tym czasie ewolucję od ograniczonego zastosowania jako narzędzie laboratoryjne trzydzieści lat temu, do wysoce niezawodnego i oszczędnego urządzenia, wykorzystywanego w aplikacjach ze sprzężeniem zwrotnym obecnie. Są preferowanym rozwiązaniem technologicznym w przypadku krytycznych i niezawodnych pomiarów przemieszczenia liniowego, w szeregu aplikacjach kontroli procesów przemysłowych.
Autorka: Eileen Otto jest kierownikiem marketingu i sprzedaży w firmie Macro Sensors.
