Afinal, o que são LVDT e RVDT?

Olá pessoal, tudo bem?

Já pararam para imaginar como é possível sabermos quão deformado está um disco de freio de um automóvel após 40 000 km? Ou se a dilatação linear de um trilho de trem está dentro de parâmetros aceitáveis? Ou se as aletas de entrada de ar de uma turbina estão com o ângulo correto, informado remotamente pelo piloto na cabine do avião? Como sabermos informações de posicionamento de determinados mecanismos, remotamente?

Entram em ação, dentro outros, o LVDT (Linear Variable Differential Transformer), Transformador Diferencial Variável Linear, e o RVDT (Rotary Variable Differential Transformer), Transformador Diferencial Variável Rotativo. Como o nome diz, o LVDT é utilizado quando necessitamos saber sobre o deslocamento linear, enquanto o RVDT movimento rotativo. Ambos possuem uma constituição física semelhante e são transdutores de posição e de movimento. Do ponto de vista funcional, conversor e transdutor são iguais. A diferença entre eles, é que o conversor utiliza, na entrada e na saída, sinal padrão de transmissão (4 a 20 mA, 1 a 5 Vcc, 3 a 15 psi, 20 a 100 kPa) e o transdutor não utiliza sinal padrão, como no caso de termopares (mV), termorresistências (ohm), LVDT, RVDT, entre outros.

Vamos estudar cada um, separadamente, agora. As ilustrações aqui inseridas são todas de minha autoria.

O LVDT é constituído por um núcleo móvel, feito de material ferromagnético (ferrite, por exemplo) e com excelente permeabilidade magnética, três bobinas, sendo uma bobina primária, que recebe a tensão de alimentação, e duas bobinas secundárias, montadas em série oposta, que geram a tensão de saída em função do movimento do núcleo móvel. O conjunto, núcleo e bobinas, é enclausurado e o núcleo móvel fica em contato com o objeto de medição. A Fig. 1 mostra a construção típica deste transdutor.

Fig. 1: Construção típica de um LVDT

Como funciona o LVDT?

Ao alimentarmos o enrolamento primário (bobina primária) com tensão alternada (Ve - Tensão de Entrada), surgirá um campo magnético. Se o núcleo móvel, que está em contato com a superfície a ser medida,  estiver na posição de repouso ou posição nula (Fig. 2 b), ele permitirá a passagem do campo magnético, uma vez que é feito de material ferromagnético e possui alta permeabilidade magnética, para os dois enrolamentos secundários. Como os enrolamentos secundários estão equidistantes em relação ao enrolamento primário e à posição de repouso do núcleo, nesta condição, surgirão as tensões V1 e V2 com a mesma amplitude e frequência entre si. Os enrolamentos secundários são montados em série oposta a fim de obtermos a diferença entre as tensões de cada enrolamento na saída (Vs - Tensão de Saída) do transdutor. Assim, a tensão de saída será zero, uma vez que V1 e V2 são iguais.

Caso haja um deslocamento do núcleo para a esquerda (Fig. 2 a), haverá uma excitação maior do campo magnético no enrolamento secundário 1, elevando a tensão V1, e uma excitação menor no enrolamento secundário 2, diminuindo a tensão V2. Como o transdutor mede a diferença de tensão entre os enrolamentos, a tensão de saída (Vs) será a diferença entre V1 e V2, neste caso, com valor positivo.

De maneira análoga, podemos pensar no deslocamento do núcleo para a direita (Fig. 2 c). Neste caso, haverá uma excitação maior do campo magnético no enrolamento secundário 2, elevando a tensão V2, e uma excitação menor no enrolamento secundário 1, diminuindo a tensão V1. Como o transdutor mede a diferença de tensão entre os enrolamentos, a tensão de saída (Vs) será a diferença entre V2 e V1, neste caso, com valor negativo.

Fig. 2: Funcionamento do LVDT

Vale reforçar que os valores inseridos na Fig. 2 são didáticos, apenas ilustrativos.

E onde podemos aplicar o LVDT?

• Variação de espessura;
• Deflexão de vigas;
• Deslocamento;
• Sensor de posição (cilindros hidráulicos, válvulas atuadas, entre outros);
• Controle de suspensão automotiva;
• Calibração de sensores de posição. 

Para ilustrar, a Fig. 3 traz uma aplicação do LVDT na medição de pressão diferencial em uma tubulação de um processo industrial.

Fig. 3: Exemplo de aplicação de um LVDT

Quais as vantagens e desvantagens do LVDT?

Como vantagens, podemos citar:

• Baixo custo em relação a outros sensores;
• Ótima resolução;
• Pequeno tempo de resposta;
• Não há atrito entre o núcleo e as bobinas;
• Histerese desprezível.

E desvantagens:

• Contato do núcleo com a superfície a ser medida;
• Interferência de outros campos magnéticos;
• Limitações nas medidas de distância.

Agora, falaremos sobre o RVDT.

O RVDT tem uma construção semelhante ao transdutor estuado anteriormente. As particularidades e semelhanças são:

• É constituído por um núcleo móvel rotativo, feito de material ferromagnético, com excelente permeabilidade magnética e desenhado para excitar um enrolamento secundário por vez. 
• Possui três bobinas, sendo uma bobina primária, que recebe a tensão de alimentação, e duas bobinas secundárias, também montadas em série oposta.
• O conjunto é enclausurado e o núcleo móvel rotativo fica em contato com o objeto de medição.

A Fig. 4 mostra a construção típica deste transdutor.

Fig. 4: Construção típica de um RVDT

E como RVDT funciona?

Seu funcionamento é muito semelhante ao LVDT, exceto pelo movimento do núcleo que agora é rotativo e não linear. Podemos considerar, para fins didáticos, os mesmos gráficos das formas de onda senoidais das tensões da Fig. 2 a, b e c na explicação do RVDT.

Com o núcleo na posição de repouso, haverá excitação igual do campo magnético nos dois enrolamentos secundários, produzindo tensão induzida de mesma amplitude e frequência em cada enrolamento. Assim, como V1=V2 e Vs=V1-V2, a tensão de saída (Vs) será zero.

Para qualquer movimento rotativo no eixo acoplado ao núcleo, seja no sentido horário ou no sentido anti-horário, um enrolamento secundário será mais excitado do que o outro. Deste modo, se o núcleo se mover no sentido anti-horário (Fig. 5), o campo de força magnético será direcionado ao enrolamento secundário 1, produzindo uma tensão induzida V1 maior do que a tensão induzida V2, fazendo com que a tensão de saída (Vs) seja a diferença entre as tensões V1 e V2. 

Fig. 5: Movimento anti-horário do núcleo do RVDT

Se movimento do núcleo for no sentido horário (Fig. 6), o campo magnético será direcionado ao enrolamento secundário 2, produzindo uma tensão induzida V2 maior do que a tensão induzida V1, fazendo com que a tensão de saída (Vs) seja a diferença entre as tensões V2 e V1. 

Fig. 6: Movimento horário do núcleo do RVDT

As duas tensões induzidas (V1 e V2) nos enrolamentos secundários variam linearmente com o ângulo de rotação. Assim, esta relação é mostrada na equação da Fig. 7, onde G é o ganho ou sensibilidade do transdutor.

Fig. 7: Equação da relação entre rotação e tensão induzida no RVDT

Interessante, não é?

E onde podemos aplicar o RVDT?

• Posicionamento de lemes de embarcações;
• Válvulas rotativas industriais;
• Transmissões hidrostáticas em veículos pesados;
• Posicionamento das aletas de entrada de ar em turbinas;

Para ilustrar, a Fig. 8 traz uma aplicação do RVDT, utilizado para confirmar a angulação das aletas na admissão de ar de um turbogerador a gás.

Fig. 8: Exemplo de aplicação de RVDT em um turbogerador

Quais as vantagens e desvantagens do RVDT?

Como vantagens, podemos citar:

• Baixo custo em relação a outros sensores;
• Tamanho pequeno;
• Robustez;
• Não há atrito entre o núcleo e as bobinas;
• Grande tempo de vida útil, se utilizado dentro das especificações projetadas.

E desvantagens:

• Contato do núcleo com a superfície a ser medida;
• Interferência de outros campos magnéticos.

É isso, pessoal. Espero que tenham gostado da leitura. Até o próximo texto.