Endüstriyel otomasyondan havacılık ve tıbbi cihazlara kadar geniş bir yelpazede kullanılan doğrusal ve açısal değişken diferansiyel transdüserler (LVDT ve RVDT), farklı uygulama alanlarına ve avantajlarına dair sundukları çözümlerle geleceğin robotik ve doğru konum algılama gibi teknolojik gelişmelerinde önemli rol oynayacak. 

Doğrusal Değişken Diferansiyel Transdüserler (Linear Variable Differential Transducer- LVDT) ve Açısal Değişken Diferansiyel Transdüserler (Rotary Variable Differential Transducer - RVDT), mekanik yer değiştirmelerin elektrik sinyallerine dönüştürülmesinde çok önemli roller oynayan, algılama ve kontrol sistemleri alanında hayati öneme sahip bileşenlerdir. Bu transdüserler, havacılık ve otomotiv endüstrilerinden tıbbi cihazlara ve endüstriyel otomasyona kadar çeşitli uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır.

LVDT (Linear Variable Differential Transducer)

Özellikle doğrusal mekanik hareket ve titreşimleri değişken elektrik akımına, gerilime veya elektrik sinyallerine çevirmek için kullanılan bir elektromekanik dönüştürücüdür. “Linear Variable Displacement Transducer” olarak da bilinir.

LVDT’nin yapısı

LVDT; bir tane primer sargı (bobin), birbirine seri şekilde bağlı iki adet sekonder sargı ve doğrusal ekseni boyunca serbestçe hareket eden bir demir nüveden (çekirdek) meydana gelir. 

Aslında bu haliyle küçük bir transformatördür. LVDT, yer değiştirme transdüserinin primer ve sekonderleri arasındaki akım transferi, armatür adı verilen manyetik bir çekirdeğin konumu ile kontrol edilir.

Çalışma prensibi

Primer sargı merkezde yer alırken sekonder sargılar üste ve alta yerleştirilmiştir. Bir itme çubuğu (push-rod), izlenen komponenti armatüre bağlar, böylece bu komponentin yer değiştirmesi armatürü merkezden uzaklaştırır..

Mekanik input, armatürün konumunu değiştirir. Armatürün konum değiştirmesi, primer ve sekonder sargılar arasındaki manyetik kuplajı etkiler. Mekanik input, armatürü bir yönde hareket ettirdiği zaman, sekonder sargılardan biri diğerine göre daha fazla manyetik akı alır. Bu durum, ilgili sargıda daha yüksek bir voltaj indüklenmesine yol açar. Diğer sekonder sargı daha az manyetik akı alır, daha düşük bir voltaj indüklemesine sebep olur. Sekonder sargılarda indüklenen gerilimler arasındaki fark mekanik konumla orantılıdır.

. Armatör konumu ortaladığında, primer sargı tarafından indüklenen manyetik alan sekonder sargılar arasında eşit olarak bölünür. Bu nedenle çıkış gerilimi sıfırdır.

. Armatür sola doğru hareket ettiğinde, yeşil renkli sargıya daha fazla kuplaj ve mavi sargıya daha az kuplaj olur. Çıkış voltajı artar ve uyartım akımı ile aynı fazdadır.

. Armatür sağa doğru hareket ettiğinde, mavi sargıya daha fazla ve yeşil sargıya daha az bağlantı olur. Çıkış voltajı artar ve uyartımla zıt fazdadır.

Pozisyon Ölçümü

LVDT, doğrusal pozisyon (konum) ölçümünde kullanılan elektriksel bir dönüştürücüdür. Doğrusal yer değiştirme, belirli bir eksen boyunca ilgili nesnenin bir yöndeki hareketini ifade eder. Yer değiştirmenin ölçülmesi hareket yönünü belirtir. Doğrusal yer değiştirme sensörünün çıkış sinyali, milimetre (mm) veya inç (in.) birimlerinde olabilir ve negatif veya pozitif bir değere sahip olabilir. Hassas üretilmiş  LVDTler, çoğu modern üretim hattına otomatik sıralama ve ölçme, go-no go uygulamaları amacıyla monte edilir. Çoğu endüstriyel uygulamalarda sertleştirilmiş çelik şaftların yapısı, O-ringler ve titanyum yapılı push-rodlar ölçüm hassasiyetini optimize eder.

RVDT  (Rotary Variable Differential Transducer)

Açısal yer değiştirmeye karşılık geleni elektrik sinyaline dönüştüren elektro-mekanik bir endüktif dönüştürücüdür.Yüksek doğruluk seviyesi nedeniyle en yaygın kullanılan endüktif sensördür. RVDT’nin bobini açısal bir konumu ölçmek için tasarlandığından, açısal konum sensörü olarak da bilinir. LVDT’nin aksine, RVDT aynı zamanda pasif bir diferansiyel dönüştürücüdür.

RVDT’ler, sonsuz çözünürlükle uzun ömürlü ve güvenilir, tekrarlanabilir konum algılama sağlamak için fırçasız, temassız teknolojiyi kullanır. Bu güvenilir ve tekrarlanabilir performans, en zorlu çalışma koşulları altında doğru konum algılamayı garanti eder.

RVDT’nin yapısı

RVDT, cam veya seramik gibi manyetik olmayan malzemelerden yapılmış silindirik bir kalıp kullanılarak inşa edilir. Primer sargı, orta kısmın etrafına sarılır ve sekonder sargılar, primer sargının her iki tarafına sarılır. Sekonder sargılar, ortak mod gürültüsünü ortadan kaldırmak için zıt yönlerde bağlanır. Daha sonra, yer değiştirmeyi ölçmek amacıyla sisteme bağlı dönen bir şaft üzerine monte edilir.

Basit olarak bir RVDT’de primer bobini (sargı), bir demir nüvesi (çekirdek) ve iki adet sekonder bobini (sargı) bulunur. Çoğu RVDT, sargılı, lamine stator ve iki kutuplu salient rotordan oluşur. Stator hem primer sargıyı hem de bazı durumlarda birbirine bağlanabilen iki sekonder sargıyı içerir. RVDT’ler sağlamlık, nispeten düşük maliyet, küçük boyut ve sıcaklık, birincil voltaj ve frekans değişimlerine karşı düşük hassasiyet gibi avantajlar sunar.

Çalışma Prensibi

Açısal değişken diferansiyel transformatör (RVDT), ana milin açısal yer değiştirmesiyle orantılı olan değişken bir AC çıkış voltajı üreten elektro-mekanik bir dönüştürücüdür. RVDT AC kontrollü bir cihaz olduğundan, içinde elektronik bir bileşen yoktur. Ayrıca, RVDT’nin elektrik çıkışı, transformatörün sekonder voltajlarındaki farkla elde edilir, bu nedenle “diferansiyel transformatör” olarak da adlandırılır

Mekanik input, demir çekirdeğin (nüvenin) konumunu değiştirir. Nüvenin konumu primer ve sekonder stator bobinleri arasındaki manyetik kuplajı değiştirir. Ana mil döndüğünde, sekonder bobinlerden biri daha fazla manyetik akı alır. Bu, bobinde daha yüksek bir voltaj indükler. Diğer sekonder bobin daha az manyetik akı alır. Bu daha düşük bir voltaj indükler. Sekonder stator bobinlerinde indüklenen gerilimler arasındaki fark, döndürülen ana milin açısı ile orantılıdır.

Karşılaştırma

LVDT doğrusal yer değiştirme ölçümü için tasarlanmıştır, yani düz bir çizgi boyunca konumdaki değişiklikleri ölçer. Öte yandan RVDT, döner veya açısal yer değiştirme ölçümü için tasarlanmıştır. Açısal konumdaki değişiklikleri ölçer. 

LVDT, silindirik bir çekirdek üzerine sarılmış bir primer bobin ve iki sekonder bobinden oluşur. Çekirdek, bobin düzeneği içinde hareket etmekte serbesttir. RVDT kam şekilli bir yapıya sahiptir ve dönme hareketi için tasarlanmıştır. Tipik olarak bir primer bobin ve makara şeklindeki bir rotor üzerine sarılmış iki sekonder bobinden oluşur. 

LVDT’ler, endüstriyel otomasyon ve konum kontrol sistemleri gibi doğrusal yer değiştirmenin hassas bir şekilde ölçülmesi gereken uygulamalarda yaygın olarak kullanılır. RVDT’ler, uçak kontrol sistemleri ve robotik gibi döner veya açısal yer değiştirmenin kritik olduğu durumlarda kullanılır. 

Hem LVDT hem de RVDT bir AC çıkış sinyali üretir. Bu sinyalin genliği ve fazı, ölçülen yer değiştirme veya açısal konumla orantılıdır. LVDT’ler genellikle zorlu ortamlar için daha uygundur çünkü yapıları çekirdeğin daha iyi korunmasını sağlar. RVDT’ler, açıkta kalan döner elemanları nedeniyle belirli ortamlarda daha savunmasız olabilir. 

LVDT’nin giriş voltaj aralığı 1V – 24V RMS iken RVDT’nin 3V RMS’e kadardır. LVDT’nin çalışma frekansı, 50 Hz – 20 kHz iken RVDT’nin 400 Hz – 20 kHz arasındadır.

LVDT ve RVDT Uygulama Alanları

Hem LVDT’ler hem de RVDT’ler çeşitli avantajlar sunar. Temassız çalışmaları sürtünme ve aşınma ile ilgili sorunları ortadan kaldırarak uzun ömürlülük ve minimum bakım gereksinimi sağlar. Ayrıca, doğal sağlamlıkları, aşırı sıcaklık, titreşim ve elektromanyetik parazit içeren zorlu ortamlarda etkili bir şekilde çalışmalarına olanak tanır.

Benzerliklerine rağmen, LVDT’ler ve RVDT’ler farklı amaçlara hizmet eder. LVDT’ler, imalat tezgahlarının ölçülmesi (CNC vb.) veya hidrolik silindirlerin konumunun izlenmesi gibi doğrusal yer değiştirmelerin hassas ölçüme ihtiyaç duyduğu uygulamalarda tercih sebebidir. Öte yandan RVDT’ler, araçların direksiyon sistemlerinde veya uçakların kontrol yüzeylerinde olduğu gibi dönme hareketlerinin doğru bir şekilde belirlenmesi gereken senaryolar için daha uygundur.

LVDT’lerin ve RVDT’lerin yaygın kullanımı, modern teknolojik gelişmelerdeki önemlerinin altını çizmektedir. Mekanik hareketi yüksek doğruluk ve güvenilirlikle elektrik sinyallerine dönüştürme yetenekleri, endüstrilerdeki çeşitli sistemlerin performansını ve verimliliğini artırmaya önemli ölçüde katkıda bulunuyor.

LVDT ve RVDT’ler birçok farklı arayüze uyum sağlayacak şekilde tasarlanmış ve üretilmiştir.

Güç Türbinleri: Dünyanın dört bir yanındaki enerji santralleri için enerji üretim türbini uygulamaları, gerekli çalışma gücünü sağlamak için pozisyon sensörleri olarak kullanır.

Hidrolik Sistemler: Hidrolik akümülatörlerde şarj sensörleri, zorlu ortamlarda titreşim ve darbeye karşı yüksek dayanıklılığa sahip özel harici sensörler olarak çalışır.

Otomasyon: Otomasyon uygulamaları; Ar-Ge laboratuvarları, üretim atölyeleri ve fabrika otomasyonunun zorlu çevresel çalışma koşullarının, işlem kontrol ortamlarının, endüstriyel ölçmenin ötesinde performans göstermesi için hermetik (hava geçirmez) olarak kapatılmış boyutsal ölçüm problarından yararlanır.

Uçaklar: Havacılık/uçak uygulamalarının çoğunda minyatür veya minyatür altı konum transdüserleri kullanılır. Bunlar kablo ile çalıştırılan yer değiştirme algılama mekanizmalarıdır. Transdüserler sabit bir konuma monte edilir, yer değiştirme kablosu iniş takımı veya aileron gibi hareketli bir komponente bağlanır. Hareket oluştuğunda kablo toplar ve salar. Sinyal durumuna ve bağlantıya bağlı olarak, elektriksel çıkış; çeşitli oranları, açıları, uzunlukları ve hareketleri gösterir. Uçuş kumanda yüzeylerinin actuatorlerinde, engine bleed ve yakıt sistemlerinde, burun iniş takımları steering sistemlerinde yaygın bir şekilde kullanılır.

Uydular: Uydu teknolojisi ve ilgili alanlardaki uygulamalarında sıklıkla kullanılır. Uydu üretimine ek olarak; uzay araçları, kargo uçakları, askeri savaş uçakları, insansız hava araçları, deneysel uçaklar, füzeler, nükleer reaktörler, uçuş simülatörleri veya yüksek hızlı demiryolları için pozisyon dönüştürücülere ihtiyaç vardır

Özetle, Doğrusal Değişken Diferansiyel Transdüserler (LVDT) ve Açısal Değişken Diferansiyel Transdüserler (RVDT) algılama ve kontrol alanında vazgeçilmez bileşenler olarak öne çıkmaktadır. Sırasıyla doğrusal ve açısal yer değiştirmelerin doğru ve güvenilir ölçümlerini sağlama yetenekleri, onları hassasiyetin çok önemli olduğu uygulamalarda paha biçilmez kılmaktadır. Teknoloji ilerlemeye devam ettikçe, bu transdüserlerin havacılık, otomasyon, robotik ve doğru konum algılamaya bağlı diğer alanların geleceğini şekillendirmede önemi giderek artan hayati bir rol oynayacak.

Kaynaklar

https://www.ueidaq.com/lvdt-rvdt-tutorial-page

https://instrumentationtools.com/difference-between-lvdt-and-rvdt/

https://www.rdpe.com/ex/hiw-lvdt.htm