مجسات حديثة لموضع LVDT

سرد لكيفية تطور LVDT إلى جهاز رد فعل خطي موثوق وفعال من حيث التكلفة لتحديد مواقع سيارات المصاعد.

بواسطة جون ماتلاك ومايك بوتشيو

لقد تطور المحول التفاضلي الخطي المتغير (LVDT) من استخدامه المحدود كأداة معملية منذ أكثر من 60 عامًا إلى جهاز تغذية مرتدة خطي موثوق وفعال من حيث التكلفة ، مما يجعله تقنية مناسبة لقياسات الإزاحة الخطية الحرجة والموثوقة في مجموعة من التطبيقات الصناعية والقياسية الأبعاد والعسكرية / الجوية.

سواء تم تنفيذه كمكون مستقل أو كجزء من نظام تحكم أو أمان ، فإن LVDT ، المعروف أيضًا باسم مستشعر الموضع الخطي ، قادر على توفير قياسات إزاحة خطية من بوصات إلى قدمين في ظل ظروف تشغيل وبيئية مختلفة بدقة عالية و الموثوقية. بشكل أساسي ، يوفر LVDT المعلومات الهامة لنظام التحكم لأداء وظيفته.

على سبيل المثال ، تعتمد أنظمة التحكم الكهروميكانيكية المستخدمة في المصاعد على LVDTs المحملة بنابض لتوفير ردود الفعل الضرورية للموقع من أجل المحاذاة المناسبة لسيارات المصاعد في طوابق المبنى عند الوصول. قياس الفرق بين الإطار وموضع السيارة ، توفر مستشعرات الموضع الخطي LVDT إخراجًا لنظام تحكم يستخدم معلومات الإزاحة لضبط حركة الإطار ، لذلك عند فتح أبواب السيارة ، تظهر أرضية السيارة
تتساوى مع الأرضية التي يخرج منها الركاب.

تطور LVDT

بينما يمكن العثور على مستشعر الموضع الخطي LVDT في عدد لا يحصى من التطبيقات المهمة اليوم ، لم يكن هذا هو الحال دائمًا. قبل الحرب العالمية الثانية ، كان استخدام LVDTs محدودًا كأدوات تصنيع ، مثل محاذاة قطعتين من جسم الطائرة أثناء التجميع. في النهاية ، وجدت مستشعرات الموقع الخطي LVDT طريقة في الطائرات والغواصات وأنظمة الأسلحة / الذخائر.

ومع ذلك ، على الرغم من العديد من النجاحات في تطبيقات زمن الحرب ، لم يتم اعتبار LVDTs تقنية قياس إزاحة خطية قابلة للتطبيق تجاريًا حتى عام 1946 ، عندما كتب هيرمان شايفيتز مقالًا علميًا بعنوان "المحول التفاضلي الخطي المتغير" الذي نشرته جمعية تحليل الإجهاد التجريبي. أصبحت هذه الورقة علامة فارقة في التطوير المستقبلي لـ LVDT ، حيث قدمت بيانات فنية كاملة لتقنية إزاحة الموقع الخطي ، جنبًا إلى جنب مع العديد من التطبيقات المحتملة التي لا تزال تستخدم فيها هذه المحولات حتى اليوم.

بينما تم استخدام LVDTs في العديد من التطبيقات الصناعية مثل التحكم في العمليات وتوليد الطاقة ، لم يكن حتى وصول الإلكترونيات القائمة على وحدة التحكم الدقيقة ذات الأسعار المعقولة والمواد الجديدة المقاومة للتآكل / ذات درجة الحرارة العالية على مدار العقد الماضي حيث أصبحت LVDTs إزاحة أكثر تنافسية تكنولوجيا الاستشعار ، من حيث الأداء والسعر (الشكل 1).

في الماضي ، كانت الإلكترونيات اللازمة لتشغيل LVDT بشكل صحيح معقدة ومكلفة ، مما يحظر استخدامها على نطاق واسع لقياس الإزاحة. ومع ذلك ، فإن الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات والمعالجات الدقيقة جنبًا إلى جنب مع مواد البناء الجديدة وعمليات التصنيع ، أدت إلى خفض تكاليف التصنيع ، مع تحسين الأداء في الوقت نفسه ، مما يجعل LVDT أكثر تنافسية مع تقنيات المستشعرات الأخرى.

كما تسمح تقنيات اللف الجديدة وآلات اللف القائمة على الكمبيوتر بتقليل طول جسم المستشعر ، مع الحفاظ على نسبة الشوط إلى الطول أو زيادتها. يقلل هذا الحجم الأصغر من مساحة التثبيت المطلوبة ، مما يسمح بالنظر في LVDT للتطبيقات ذات المساحة المحدودة (الشكل 2).

كيف تعمل هذه التقنية؟

بعبارات أساسية ، محول الطاقة هو جهاز كهروميكانيكي يحول الموضع أو الحركة الخطية إلى خرج كهربائي متناسب. وبشكل أكثر تحديدًا ، ينتج مستشعر موضع LVDT إشارة خرج كهربائية تتناسب طرديًا مع إزاحة قلب متحرك منفصل. عادة ، يتم تثبيت جسم LVDT في مكانه ، ويتم توصيل النواة الحديدية بالعنصر المتحرك على قطعة الجهاز التي تتطلب تغذية راجعة للموضع.

يتكون تصميم LVDT الأساسي من ثلاثة عناصر:

u ملف أساسي واحد

ش ملفان ثانويان متطابقان

ش محرك مغناطيسي متحرك أو "قلب"

يتم تحفيز الملف الأولي بمصدر تيار متردد يولد مجالًا مغناطيسيًا ، والذي عندما يتم وضع اللب في الوضع المركزي أو الوضع "الفارغ" ، يؤدي إلى جهود متساوية في كلا المرحلتين الثانية. الثواني عبارة عن سلسلة سلكية متعارضة بحيث يمثل ناتجها المشترك الفرق في الجهد المشار إليه فيها ، والذي يكون في هذه الحالة صفرًا. عندما يتم تحريك اللب إلى اليسار أو اليمين ، ينتج عن الاختلاف في الفولتية المحرضة ناتجًا يتناسب خطيًا في الحجم مع إزاحة القلب. بالإضافة إلى ذلك ، عندما يمر القلب عبر الموضع الفارغ ، فإن علاقة الطور بين جهد الإثارة الأولي والجهد الثانوي الناتج تتحول فجأة إلى 180 درجة ، مما يسمح للمستخدم بتمييز اتجاه الإزاحة.

نظرًا لأن LVDTs عديمة الاحتكاك ، فلا يوجد اتصال مادي بين التجويف الأساسي والداخلي للملف ، مما يؤدي إلى محولات توفر عمرًا غير محدود ، حيث لا تتآكل مكوناتها الميكانيكية أو تتدهور. ينتج عن الغياب المقابل للاحتكاك أيضًا دقة غير محدودة حقًا وعدم تباطؤ. علاوة على ذلك ، نظرًا لوجود نواة ذات كتلة منخفضة ، فهي مثالية للاستخدام في مواقف قياس الحركة الديناميكية. في تطبيقات المصاعد ، على سبيل المثال ، فإن التغيير المستمر في الوضع الأساسي بسبب تحميل الركاب أو البضائع وتفريغهم والقصور الذاتي لعربة المصعد عندما تبدأ في التحرك ثم تبطئ إلى التوقف من شأنه أن يتسبب في أجهزة التلامس مثل مقاييس فرق الجهد و يرتدي.

في حين أن الغالبية العظمى من التطبيقات التي تتطلب ملاحظات حول الموقع يمكنها الاستفادة من المستشعرات التقليدية بما في ذلك LVDTs ، إلا أن هناك العديد من التطبيقات التي يعتبر فيها مستشعر الموضع الخطي LVDT ، من الناحية الفنية ، أحد أفضل الحلول. مقارنة بتقنيات الإزاحة الأخرى مثل مقياس الجهد الملامس ، ومحول الطاقة المغنطيسي ، والمستشعر البصري ، والمستشعر السعوي ، يمكن أن يؤدي LVDT في التطبيقات البيئية القاسية مثل توليد الطاقة ، واستكشاف النفط والغاز في أعماق البئر ، وأنظمة التحكم في صمام البخار ، والمشغلات ، وأفران الانفجار ، ومحرك الطائرات وعناصر التحكم في الرفرفة.

في المصعد ، توجد اهتزازات وصدمات وأوساخ / شحم. يمكن أن ترتدي مقاييس الجهد ، كما تمت مناقشته سابقًا. ستواجه المستشعرات الضوئية مشكلات إذا أعمتها الأوساخ أو الشحوم ، وعادة لا تتعامل أجهزة الاستشعار المغناطيسية مع الاهتزاز والصدمات بمرور الوقت بسبب الأسلاك الداخلية في أنابيبها تنكسر.

باستخدام المواد والمكونات الجاهزة ، يمكن لأجهزة استشعار ماكرو تصميم LVDT للعمل من -60 درجة مئوية إلى 200 درجة مئوية. مع التعديلات على قلب LVDT والإسكان والواجهة الكهربائية ومواد اللف ، يمكن تمديد نطاق درجة الحرارة إلى -200 درجة مئوية إلى 500 درجة مئوية.

مع الختم المحكم وعملية عدم التلامس ، تعد مستشعرات الموضع الخطي LVDT من بين التكنولوجيا الوحيدة التي يمكنها تقديم أداء دقيق وموثوق ، أثناء التشغيل عند ضغوط تصل إلى 7,500 رطل لكل بوصة مربعة (500 بار) بمتوسط ​​وقت بين فشل يبلغ 5 ملايين ساعات. حتى في نطاقات السكتة الدماغية من +/- 0.050 إلى + /
-2.0 بوصة ، هذه المستشعرات محكمة الإغلاق (IEC IP-68) يمكنها تحمل الصدمات الشديدة الشائعة مع المصاعد ، بالإضافة إلى تأثيرات الأوساخ والماء والبخار والعناصر المسببة للتآكل الأخرى دون التأثير على الأداء.

المراقبة عن بعد بالإلكترونيات الحديثة

في بعض التطبيقات الحرجة والمتطلبة مثل ارتفاع درجة الحرارة والإشعاع والصدمات والاهتزازات ، قد يلزم تحديد موقع إلكترونيات تكييف الإشارة عن بُعد من جهاز الاستشعار. يفضل بعض مصنعي المصاعد احتواء إلكترونيات تكييف الإشارة داخل هيكل LVDT ، بينما يفضل البعض الآخر أن تكون موجودة في نظام التحكم في المصعد.

بالمقارنة مع التقنيات السعوية والتضيق المغنطيسي وغيرها من التقنيات عالية التردد التي لا يمكن فيها فصل الدوائر الإلكترونية عن عناصر الاستشعار ، يمكن تثبيت LVDT حتى 100 قدم (31 مترًا) من إلكترونيات التكييف. يعمل التردد الجيبي المنخفض المحرك تحت طيف التردد الراديوي ولا يصدر ضوضاء كهربائية.

يمكن أيضًا وضع وظائف تكييف الإشارة والمعالجة داخل مبيت LVDT ، بدلاً من طلب صندوق خارجي ثانوي. تسمح الإلكترونيات الحديثة القائمة على المتحكم الدقيق بمحرك كامل ودائرة معالجة لمستشعر الموضع الخطي LVDT المدمج وسهل الاستخدام. تسمح هذه الأجهزة الإلكترونية للعميل بتحديد تردد القيادة وخيارات التصفية للسرعة والضوضاء. ويمكن أن تنتج LVDTs مخرجات رقمية متوافقة مباشرة مع الأنظمة القائمة على الكمبيوتر والناقلات الرقمية المعيارية.

تساعد LVDTs في ضمان الهبوط الدقيق للأرضية

تلعب مستشعرات موضع LVDT المحملة بنابض دورًا أساسيًا في ضمان تحديد المواقع بدقة لسيارات المصاعد في طوابق المبنى. بينما يسافر الركاب على مصاعد بسرعات تزيد عن 2,000 إطار في الدقيقة ، تعتمد أنظمة التحكم الكهروميكانيكي والسلامة على أجهزة استشعار لتوفير الملاحظات اللازمة لضمان محاذاة سيارات المصاعد وأرضيات المبنى بشكل صحيح عند الوصول.

لضمان قيادة سلسة ومريحة ، يتم تعليق عربة المصعد بواسطة نوابض داخل إطار خارجي يوفر توسيدًا ضد تأثيرات التسارع / التباطؤ والبدء الأولي ونفضات التوقف للتغلب على الجمود. عندما يتم تحميل المصعد بالركاب ، فإن الينابيع تنضغط ، مما يؤدي إلى تغيير موضع السيارة داخل الإطار. يمكن أن يؤثر ذلك على موضع السيارة النهائي في طابق الوجهة. لضمان محاذاة كل من السيارة وأرضية المبنى بشكل صحيح عند الوصول ، يتم استخدام مستشعر موضع LVDT محمل بنابض من Macro Sensors لقياس الفرق بين مواضع الإطار والسيارة. على وجه التحديد ، تقوم المستشعرات بقياس انحراف الزنبرك نتيجة الحمل.

اعتمادًا على الشركة المصنعة للمصعد ، يتم تثبيت المستشعرات أسفل أو فوق منصة المصعد. عندما يتم إجراء القياس من الأعلى ، عادةً ما يضغط مسبار مستشعر موضع LVDT المحمّل بنابض ويمتد مع زيادة الحمل. عندما يتم تثبيت المستشعرات أسفل منصة المصعد ، يتم إجراء القياس في تطبيق معاكس حيث يضغط المستشعر مع زيادة الحمل. يتم إدخال الخرج في نظام تحكم يستخدم معلومات الإزاحة لضبط حركة الإطار ، لذلك عند فتح أبواب السيارة ، تكون أرضية السيارة على نفس مستوى الأرضية التي يخرج منها الركاب.

حول مجسات الماكرو

تقوم Macro Sensors بتصنيع خط واسع من المستشعرات الخطية والدوارة المستخدمة لقياس الموقع وردود الفعل في مجموعة متنوعة من التطبيقات الصناعية ، بما في ذلك أتمتة المصانع وأنظمة التحكم في الحركة (مثل أنظمة التحكم في المصاعد) وتصنيع المعادن وتجميع السيارات ، فضلاً عن محطات توليد الطاقة ، وتوربينات الغاز / البخار. تأسست Macro Sensors في عام 1994 ومقرها في بنسوكين ، نيو جيرسي ، وتتبع أصولها مباشرة إلى هيرمان شايفيتز ، الذي أسس Schaevitz Engineering في عام 1945 وأدخل تقنية LVDT تجاريًا.

يُعرف Schaevitz على نطاق واسع بأنه المطور الرائد لتقنية LVDT. لقد قام بتحويل LVDT من جهاز معمل يدوي الصنع إلى مستشعر الموضع الذي هو عليه اليوم وقام ببناء Schaevitz Engineering إلى مؤسسة ناجحة مع LVDT كمنتج أساسي لها. بعد تقاعد شايفيتز ، خلفه ابنه هوارد كمدير تنفيذي ، والذي ترأس على مدار عقد من نمو الشركة وتوسيع المنتجات.

بعد بيع Schaevitz Engineering إلى شركة أكبر ، قام العديد من أعضاء Schaevitz "Brain Trust" بتشكيل Macro Sensors ، وهو قسم من Howard A. Schaevitz Technologies ، لتصميم وتصنيع وتسويق أجهزة الاستشعار والمنتجات ذات الصلة. يجلب موظفو Macro Sensors المعرفة والخبرة إلى صناعة مستشعرات الموضع مع أكثر من 500 سنة تراكمية من الخبرة في التصميم والتصنيع.

بدعم من شبكة موزعين في جميع أنحاء العالم ، توظف Macro Sensors فريقًا هندسيًا داخليًا من المتخصصين في التصميم والميكانيكا والكهرباء لديهم معرفة بالتطبيق وخبرة التصميم للعمل جنبًا إلى جنب مع العملاء لهندسة حلول لمشاكل قياس الموقع. صممت Macro Sensors أكثر من 800 تصميم مخصص لتلبية تطبيقات العملاء الخاصة.

في عام 2005 ، استحوذت شركة American Sensor Technologies ، المصنعة لأجهزة استشعار الضغط الكهروميكانيكية الدقيقة بتقنية Krystal Bond ™ ، على مستشعرات Macro Sensors ، مما أدى إلى إنشاء مصدر واحد يوفر للعملاء خبرة في الضغط واستشعار الموقع. أعادت Macro Sensors مؤخرًا تصميم موقعها على الويب لتسهيل على مهندسي التصميم العثور على مستشعرات LVDT للموضع الخطي ومستشعرات موضع ناقل الحركة المتغير التفاضلي الدوارة التي تلبي معايير أداء التطبيقات في صناعات محددة. العثور على أن العديد من المهندسين لم يكونوا متأكدين من نوع المستشعر الذي قد يلبي متطلبات تطبيقاتهم ، وقطاعات مستشعرات الماكرو LVDT ومستشعرات موضع المحولات التفاضلية المتغيرة الدوارة في فئات التطبيقات.