נושא :חיישני מיקום ליניאריים LVDT

בס"ד‏ ‏יום חמישי 18 ינואר 2024

הקדמה

בעולם שלנו התעשייה היא מרכיב מרכזי באספקת מוצרים מסוגים שונים וככל שנרצה מוצרים מדויקים יותר נדרש לתהליכי עבודה מורכבים וכן ניהול ומעקב של המוצר לאורך כל תהליך העבודה שלו. לעיתים הפעולות פשוטות באופן ייחסי ולעיתים פעולות מורכבות מאוד ובשל כך בתעשייה פיתחנו שיטות שונות ומשונות לדעת נתונים מתוך התהליך נתונים כמו טמפרטורה מרחק גודל ועוד.

אחד התהלכים שנדבר עליהם היום הוא זיהוי מיקום מדויק מתוך ציר תנועה מסוים והמרתו לנתון שמערכת הבקרה תוכל לזהות .

תמונה מספר 1 : מבנה חיישן מיקום לינארי

מהו חיישן מיקום לינארי

LVDT (Linear Variable Differential Transformer) זהו סוג של מתמר אלקטרומכני היכול להמיר תנועה קווית לינארית של אובייקט שאליו מצמידים את המתמר לאות חשמלי משתנה תואם פרופורציונלי לתנועה זו. חיישן מיקום לינארי עושה זאת באופן מדיוק עד כדי מדידה של תנועה שיכולה להיות מ-0-0.5 מ"מ עד 0-1000 מ"מ. לרוב חיישנים אלו דורשים שלושה עד ארבעה חוטי חיבור 2 עבור אספקת חשמל ו2 עבור אות מוצא.

מבחינה פיזית, מבנה ה-LVDT הוא גליל מתכתי חלול שבו פיר בקוטר קטן יותר נע בחופשיות קדימה ואחורה לאורך הציר הארוך של הגליל.

דרך פעולתו של חיישן מיקום לינארי (LVDT)

חיישן מיקום לינארי הוא בעצם שנאי מיניאטורי בעל ליפוף ראשוני אחד, ושני ליפופים משניים המקיפים צינור המלופפים באופן סימטרי ובמרכזו ליבה החופשית לנוע לאורך הציר הליניארי של החיישן.
ומבחוץ אנחנו רואים מוט המחבר את הרכיב שאותו נרצה למדוד לליבה החופשית, כך שתזוזה של אותו רכיב מזיזה את הליבה מחוץ למרכזה.

זרם חילופין המתקבל בסליל הראשי וגורם למתח המושרה בשני הסלילים המשניים בפרופורציה לאורך הליבה המקשרת. טווח התדרים הוא בדרך כלל מ-1 עד 10 קילו-הרץ.

תנועת הליבה גורמת לשינוי השטף מהסליל הראשוני לשני הסלילים המשניים, מה שמשנה את המתח המושרה. הפרש מתח מוצא משני העליון והתחתון הוא התנועה משלב אפס מכויל. שימוש בגלאי סינכרוני קורא מתח מוצא חתום המתייחס לתזוזה. מתמרים ליניאריים של LVDT יכולים להיות באורך של עד כמה סנטימטרים, והם פועלים כחיישן מיקום מוחלט שניתן לשחזר וניתן לשחזור. פעולות או תנועות אחרות לא ישנו את דיוק המדידה. ה-LVDT הוא גם אמין מאוד מכיוון שהליבה ההזזה אינה נוגעת בחלק הפנימי של הצינור, ומאפשרת לחיישן להיות בסביבה אטומה לחלוטין. בהתייחס לצורת העבודה של הLVDT כמובן עובד במתח חילופין כלומר גם הכניסה וגם המוצא עובד במתח חילופין וזה אומר שיש צורך באלקטרוניקה כדי לתרגם את הפלט שלו לאות מתח ישר שימושי שניתן .

תמונה מספר 2 : מבנה עקרוני של חיישן מיקום לינארי (lvdt)

עיבוד אות ה lvdt

ישנם שני מודולים שהם הבסיס לעיבוד אותות LVDT מתנד ומפענח.

1. המתנד – נועד לספק גל סינוס יציב להנעת המתמר, והתייחסות לגל ריבועי עבור המאפיין.
2. מפענח – נועד להגביר את הפלט מהמתמר, ולהמיר אותו למתח DC מדויק מאוד ביחס ישר לתזוזה הלינארית.

כדי להפעיל את המתמר הליניארי, יש צורך להניע את הראשוני עם גל סינוס והמוצא מהמשני מורכב מגל סינוס עם מידע המיקום הכלול באמפליטודה ובפאזה. המוצא במרכז המהלך הוא אפס, ועולה לאמפליטודה המקסימלית בשני קצוות המהלך. המוצא נמצא בפאזה תואמת למקור בקצה אחד של המהלך ומחוץ לפאזה בקצה השני.

תיאורו תפקידו של המתנד

תפקידו של המתנד הוא לספק מתח בעל גל סינוס מדויק ויציב הן באמפליטודה והן בתדר. זה גם מספק התייחסות לפאזה של גל ריבועי ולהגדרת האפס המוחלט של המתנד ,המתנד פועל באופן הבא גל הסינוס להנעת המתמר נוצר על ידי מתנד גשר ווין (עליו ניתן לקרוא בהרחבה כאן). התדר של המתנד נקבע על ידי שינוי ערכי הנגדים הפנימיים של גשר ווין. גל הסינוס מועבר לאחר מכן דרך מגבר הספק כדי לספק זרם מספיק להניע את רוב המתמרים (50mA) מגבר מכיל מעגלי הגנה מפני זרם יתר מכיוון שסביר להניח שיהיו קצרים או תקלות במערכת.

תיאור תפקידו של המפענח

תפקידו של המפענח המקבל את האות מתוך רכיב ה LVDT הוא לקחת את אות המוצא עם המידע על המיקום לסנן את האות ולהמיר אותו למתח ישר פרופורציונלי לתזוזה, בדרך כלל הוא מכיל גם מעגל המאפשרים כוונון עדין של תווך והגדרת האפס כדי להתאים לטווח רחב של מתמרים.
האות המתקבל מהLVDT עובר הגברה ראשונית למתח החילופין המתקבל ומועבר לאחר מכן למפענח סינכרוני פאזה, אשר משתמש בגל הריבועי מהמתנד כדי להמיר אותו למתח ישר עם קצת גליות. לאחר מכן זה מוזן דרך מסנן תדרים נמוכים (low pass filter) אשר מסיר את רוב מרכיבי האות הסינוסואידלי ונשאר מתח ישר יציב עם אדווה קלה.

שימושים אופייניים

1. שימושי לספירה

ניתן להשיג ספירה במהירות גבוהה של שטרות כסף באמצעות עיקרון זהה. ניתן להשתמש בפלט אות המתח מחיישני LVDT רגישים מאוד אלה כדי: לספור את כמות השטרות בנפרד במהירות גבוהה, לזהות מתי שני פתקים או יותר נספרים יחד, לציין מתי פתק הפך להיות מקופל; ולהתריע למפעיל כאשר חלק מהשטר חסר.
בתכנון השטרות יוזנו בין שני גלילים מסתובבים, שאחד מהם קבוע ואילו השני מסוגל לנוע על ציר ליניארי כדי לשנות את הפער ביניהם, מתמר ליניארי מיניאטורי מותקן בכל קצה של הגלגלת הנעה הזו כדי למדוד את התזוזה הליניארית שלו כשהשטרות עוברים דרך הרווח.
כתוצאה מכך, כאשר שטר בודד עובר בין הגלילים, ליבות ה-LVDT נעות בכמות השווה לעובי השטר, וזה מייצר אותות פלט מתח בעוצמה מתאימה עבור שני המתמרים. האות נשמר רק בזמן שהפתק עובר בין הגלילים וכך מייצר פלט פולס שניתן להשתמש בו לספירה אלקטרונית.

2. שימושי לטורבינות

טורבינות לייצור חשמל משתמשות במתמרים ליניאריים כחיישני מיקום כדי לספק נתונים מדויקים על מצבי עבודה שונים של המכונות.

3. הידראוליקה

חיישני מיקום ליניאריים משמשים לזיהוי מהלכי יד , בוכנות שמן שערים או מחסומים הידראוליים ועוד שלל שימושים שבהן נדרש זיהוי של מיקום לינארי.

4. מדידת משקל

היות והחיישן מיקום לינארי יודע לזהות שינויים קלים ניתן למדוד באמצעותו משקל (דבר זה לא אופטימלי אך ניתן).

5. עיבוד שבבי

בשל צורת בניה פשוטה ניתן למדוד חלקים או עובי של חומר בעיבוד שבבי תוך כדי עבודה או מוצר מוגמר.

יתרונותיו של ה LVDT

1. טווח מדידה גדול בין 1.25 מ"מ ל-250 מ"מ.
2. רזולוציית מדידה גבוהה.
3. צריכת חשמל נמוכה.
4. זהו מכשיר כמעט ללא חיכוך עם המכונה.
5. הוא קטן בגודלו באופן יחסי לפתרונות אחרים.
6. משקל נמוך.
7. עמיד לזעזועים ורעידות.
8. אמינות גבוה כאשר עובדים בתחומי הוראות יצרן.
9. עכבת מוצא נמוכה מאוד.

חסרונותיו של ה LVDT

1. יש צורך בתזוזה גדולה לתפוקה קטנה.
2. הוא מושפע משדה מגנטי חיצוני ולכן נדרש לסכך את כל מעגל ה LVDT כדי להשיג את הדיוק הרצוי.
3. רעידות עקב תזוזה עלולות להשפיע על הביצועים של מכשיר ה-LVDT.
4. הביצועים של LVDT מושפעים עקב עלייה בטמפרטורה.
5. כדי לקבל פלט DC, נדרש מפענח חיצוני.
6. יש לו תגובה דינמית מוגבלת.

בהצלחה