Was ist ein LVDT?
Die Abkürzung LVDT steht für Linear Variable Differential Transformer. Dahinter verbergen sich analoge Positions- und Wegeaufnehmer. Sie sind als Messinstrumente mit ihrer verschleißfreien Messmethode auch in Umgebungen einsetzbar, die nach einer hohen Widerstandsfähigkeit bei exakter Präzisionsmessung verlangen. Einsatzbereiche sind beispielsweise in der Landwirtschaft Erntemaschinen oder spezielle Traktoren, in der Automobilindustrie Verformungsmesser bei der Produktion sowie allgemein die Regelung von Walzen und Stellantrieben. Auch in der Medizintechnik, im Sondermaschinenbau oder der Automatisierung sind die induktiven Sensoren nicht wegzudenken.
Eine weitere Bezeichnung für ein LVDT ist induktiver Messtaster. Die Bezeichnung Messtaster weist darauf hin, wie ein LVDT mit einem Taster oder einer Schubstange auf einem Messobjekt misst. Auf der Schubstange werden für die Messung unterschiedliche Tastköpfe wie Kugelspitzen, Tastteller und Tastroller aktiv. Alternativ werden Gelenkaugen eingesetzt. Der breite Rahmen, in dem LVDTs eingesetzt werden können, ergibt sich auch aus der Möglichkeit, die Kontakt-Taster mit und ohne Rückstellfeder zu gestalten.
Wie ist ein LVDT aufgebaut?
Über ein Innengewinde im ferromagnetischen Kern ist die sogenannte Kernverlängerung montiert. Sie besteht aus antimagnetischem Material. Damit fungiert sie als ein Stößel, der an dem sich bewegenden Objekt befestigt wird. Zwei Möglichkeiten in der Verbindung zum induktiven Sensor gibt es: Entweder läuft er berührungslos oder mit einer Stößellagerung.
Noch beliebter ist eine dritte Variante mit einem Federtastmechanismus. Hier kann mit einer im Sensor integrierten Präzisionslagerung einschließlich Rückstellfeder selbst auf Objekten gemessen werden, bei denen eine Bohrung für die Montage des Stößels nicht gewünscht oder nicht möglich ist.
Ein Außengehäuse schirmt den Messmechanismus magnetisch gegen Störeinflüsse von außen ab. Es besteht aus rostfreiem Edelstahl oder verchromtem Stahl. In manchen Fällen kommt auch eine zusätzliche Abschirmung für das Spulensystem mit Folie infrage.
Für das Spulensystem existieren unterschiedliche Ausführungen je nach Anforderung. Langspulen stehen etwa mit Lagenwicklungen für ausgezeichnete Linearität. Vorteile in der Fertigungstechnik bieten Wickeltechniken in einem einfacheren Aufbau. Es ist möglich, das Spulensystem in Form einer elektrischen Halb- oder Vollbrücke zu schalten. Vollbrücken können sich vorteilhaft beim Ausgleich von Temperaturfehlern auswirken. Sie machen das gesamte Messsystem weniger sensibel gegenüber äußeren Einflüssen.
Wie arbeiten induktive Sensoren (LVDT)?
Jeder LVDT verbirgt im Inneren ein Spulensystem. Es besteht aus Primär- und Sekundärwicklungen. Die Elektronik - der Trägerfrequenz Messverstärker - speist in die Primärspule Wechselspannung ein. Über den ferromagnetischen Kern wird die Spannung in die Sekundärspulen induziert. In der Mittelposition heben sich die Beträge von Sekundärspule 1 und Sekundärspule 2 auf. Das wird möglich, weil sie in dieser Position gleich groß sind. Dagegen steigt die Spannung bei einer Bewegung des Kerns aus der Mitte heraus in der Spule an, in deren Richtung die Kernverschiebung erfolgt. Folglich sinkt die Spannung in der anderen, gegenüberliegenden Spule.
Die exakte Messung über induktive Sensoren gelingt über die differenzielle Auswertung des Verhältnisses der Spannungsunterschiede in der Elektronik. Über ein transformiertes Ausgangssignal wird das Ergebnis ausgeworfen.
Jeder induktive Sensor arbeitet in einem spezifisch festgelegten Messbereich und weist darin regelmäßig eine überzeugende Linearität auf.
Was ist der Linearitätsfehler bei einem LVDT?
Der Linearitätsfehler ist die Abweichung von einer idealisierten Geraden, die zwischen dem Anfang des Messpunktes und dem Ende des Messpunktes gelegt wird. Die lineare Kernverschiebung bei einem LVDT verursacht eine Verschiebung des Ausgangssignals, welche sich linear zur Verschiebung des Kerns verhält. Die Messpunkte, welche von der Geraden abweichen bilden die Linearitätsfehler. Die absoluten Messpunkte bilden mehr eine S-Kurve als eine gerade Linie. Der Linearitätsfehler ist eine Angabe (i.d.R in Prozent mit einem Plus/Minus-Wertes davor) der maximalen Abweichung von dieser idealisierten Geraden bezogen auf den Messbereich. Dieser Linearitätsfehler kann bei einem LVDT durch optimierte Spulenwicklungen und Kalibrierungen minimiert werden. WayCon bietet hier entsprechend optimierte Linearitäten an, bei gewünschten höheren Linearitätsklassen müssen diese angegeben werden.
Welche Auflösung erreicht ein LVDT?
Die Auflösung eines LVDTs ist definiert durch die direkte Änderung des Ausgangssignal bei Positionsänderung des Kerns in Richtung einer der beiden Sekundärwicklungen. Theoretisch ist die Auflösung bei einem LVDT unendlich, da eine unendlich kleine Änderung der Position eine ebenso unendlich kleine Änderung des Ausgangssignals bewirkt. Dies liegt dem Funktionsprinzip der magnetischen Kopplung des LVDT zugrunde.
In der Praxis unterliegt die Auflösung der angeschlossenen Elektronik und der Netzspannung. Daher ist die Auflösung durch das Grundrauschen der Elektronik oder Netzspannung beschränkt, je nachdem welches Rauschen höher ist. Das Rauschen entsteht durch den elektrischen Stromfluss selbst und ist eine Störung des angestrebten Nutzsignals, was zu einer Verschlechterung der Qualität des Signals führt. Die Entstehung von elektrischen Rauschen unterliegt physikalischen Größen die schwer deterministisch zu beschreiben sind. Man spricht hier auch von einem Signal-Rausch-Verhältnis des Systems.
Die meisten LVDT erreichen eine praktische Auflösung im Mikrometer-Bereich. Der LVDT LV von WayCon erreicht sogar eine Auflösung unter einem Mikrometer.
Die LVDTs als Hochtemperatursensoren
Typisch für den Aufbau von Induktiven Sensoren (LVDT) ist ein externer Messwertverstärker, der die empfindlichen elektronischen Komponenten enthält. Die Sensoren selbst werden aus robustem Stahl gefertigt. Durch die Auslagerung der empfindlichen Elektronik können LVDTs auch in Bereichen mit extremen Anforderungen eingesetzt werden. LVDTs der LV-Serie widerstehen z. B. Temperaturen von bis zu 200 °C. Dadurch eignen sich Induktive Sensoren (LVDT) hervoragend für Hochtemperaturanwendungen.
Was ist ein LVDT Messverstärker und eine LVDT Elektronik?
Ein LVDT Messverstärker ist gleichzeitig eine LVDT Elektronik, ohne einen Messverstärker kann ein LVDT kein auswertbares analoges Signal liefern. Der LVDT benötigt eine Versorgungsspannung und eine Trägerfrequenz. Ein Trägersignal ist eine sich periodisch ändernde physikalische Größe (bei LVDTs ist es die Wechselspannung) mit konstanten determinierten Parametern (z. B. Amplitude oder Frequenz). Das Nutzsignal benötigt ein Trägerfrequenzverfahren, welches die Informationen die ausgwertet gehören, transportiert. Hierbei wird das Nutzsignal in einem oder mehreren der genannten Parameter des Trägersignals abgebildet. Die Bezeichnung Messverstärker kommt daher, da das verhältnismässig niedrige Spannungspegel der Versorgung des LVDTs in ein höheres DC-Signal Pegel umgewandelt wird.
Der Messverstärker bzw. die Elektronik decodiert die Richtungsinformation der 180 Grad Phasenverschiebung. Hierbei ist der Nullpunkt der Ausgangspunkt. Dieser Nullpunkt wird auch als Nullpegel bezeichnet, der physikalisch ermittelt wird. Zuerst wird die Sekundärspannung mit einem Spannungsmessgerät AC gemessen und der Weg am Sensor verändert, bis die Sekundärspannung den kleinstmöglichen Wert annimmt. Diese Position des Wegsensors kennzeichnen oder arretieren. Dies ist der physikalische Nullpunkt des Wegsensors. Die Endstellungen des Wegsensors sind ± halber Messweg vom physikalischen Nullpunkt des
Wegsensors entfernt, auch wenn sich der Kern mechanisch noch darüber hinaus bewegen lässt. Ausserhalb der Endstellungen liefert der Wegsensor keine zuverlässigen Messergebnisse.
Den Messverärker LVA ist eine eigenständige Elektronik, die mit anderen LVDT verbunden werden kann. Die Abgleichung des Sensors mit der Elektronik kann mittels einem Multi-Meter erfolgen.
Was sind die Vorteile eines induktiven Messtasters wie dem LVDT?
Der LVDT (induktive Messtaster) besitzt einige Charakteristiken, welche ihn zu einem der meist genutzten Messsystemen bei herausfordernden Umgebungsbedingungen machen.
Lebenszeit
Der LVDT besitzt keinen mechanischen Kontakt zwischen den Spulen und dem Kern / Stab. Es gibt keinen Verschleiß wie bei einem Potentiometer, da keine Reibungsquelle existiert. Dies ist besonders hilfreich bei Schwingungsmessungen oder bei extrem hochauflösenden Kalibrierungen unter Fertigungsprozessen. Das Funktionsprinzip und Aufbau des LVDT besitzt somit theoretisch eine unbegrenzte mechanische Lebensdauer. Querkräfte und Umgebungsbedingungen reduzieren die Lebenszeit von diesen Sensoren natürlich. Ihre hohe Zuverlässigkeit macht sie unerlässlich bei Anlagenautomationen oder der Luft- und Raumfahrt.
Hohe Auflösung und absolut Messung
Wie unter dem Funktionsprinzip erläutert besitzt der LVDT eine theoretische unendliche Auflösung und ist darüber hinaus ein absolutes Messsystem. Infinit kleine Änderungen an der Distanz bzw. Position des Kerns werden aufgrund des elektromagnetischen Kopplungsprinzips erfasst und wird nur durch das elektrische Rauschen begrenzt. Bei Wegnahme des Stromflusses und Wiederzuführung wird das Ausgangssignal anhand der entsprechenden Position des Kerns im LVDT geliefert. Dadurch ist das Messprinzip absolut und verliert nicht seine Position zum Messobjekt bei einem Stromausfall bzw. Betriebsstörung.
Dynamische Messung
Der reibungsfreie Aufbau des Messprinzips ermöglicht eine schnelle und dynamische Änderung des Kerns und somit der Positionserfassung. Die Begrenzung unterliegt der physikalischen Trägheitseffekte, wobei der Kern eine geringe Masse besitzt und die Einschränkung meistens durch den Messverstärker bestimmt ist.
Widerstandsfähig und Zuverlässigkeit
Der LVDT bewegt sich nur auf einer Achse und ist auf dieser unempfindlich gegenüber Kräften. Eine radiale Änderung des Stößels besitzt keinen Einfluss auf die Messung. Die Konstruktion und verwendeten Materialen bei einem LVDT führen zu einem robusten und extrem langlebigen Sensor, welcher bei extremen Umgebungsbedingungen einsatzfähig bleibt. Das Gehäuse ist magnetisch abgeschirmt und reduziert die Einflüsse von externen Störquellen wie Wechselstromfeldern. Eine hohe Schutzklasse bis IP67 schützt den LVDT vor Feuchtigkeit und Nässe. Selbst bei hohen Temperaturen bis 200 °C arbeitet der LVDT sicher und zuverlässig.
