Bedeutung LVDT / LVIT

LVDT steht für Linear Variable Differential Transformator, übersetzt Induktiver Linearwegaufnehmer als Differentialtransformator. LVIT steht für Linear Variable Inductive Transducer, übersetzt Induktiver Linearwegaufnehmer als Differentialdrossel.

 

Messprinzip und Aufbau

Das Messverfahren von induktiven LVDT/LVIT Wegaufnehmern basiert auf der Änderung der Impedanz einer Messspule oder eines Spulensystems durch die Positionsveränderung eines magnetisierbaren Kerns, der sich im Inneren der Spulen bewegt. Der Kern ist hierbei aus einem wechmagnetischen Material wie MU-Metal, Ferrit oder Weicheisen hergestellt, um auch bei hoher Dynamik ein hysteresefreie magnetische Umpolung zu gewährleisten.

Mittels einer Verbindungstange, dem sogenannten Kernhalter, aus einem nicht-magnetisierbaren Material wird der Kern mit dem Messobjekt verbunden oder bei Messtastern auf die zu messende Oberfläche gedrückt. Kern und Kernhalter bilden zusammen den Tachanker, der sich somit relativ zur feststehenden Messspule bewegt.

Zur Messung wird das Spulensystem durch eine Elektronik mit einer Wechselspannung angeregt und ausgewertet. Dabei wandelt die Elektronik das Verhältnis der Spannungen über die verschiedenen Teilspulen des Sensors in ein zur Position des Kerns proportionales Signal um.

 

 

Differentialtransformatoren - LVDT

Differentialtransformatoren, oder auch LVDT (Linear Variable Differential Transformator) genannt, bestehen aus elektrisch nicht miteinander verbundenen Primär- und Sekundärspulen, die je nach Bauart nebeneinander oder übereinander gewickelt werden und über einen ferromagnetischen Kern nach dem Trafo-Prinzip gekoppelt sind.

Die mit einer Wechselspannung gespeiste Primärspule induziert über die magnetische Kopplung in den gegensinnig verschalteten Spulenhälften der Sekundärseite eine Spannung, die in der Mittelstellung des Kerns bzw. Tauchankers symmetriebedingt Null ist. Wird der Tauchanker verschoben, verändern sich die Impedanzen der beiden Spulenhälften gegenläufig zueinander, sodass am Ausgang der Sekundärseite eine Messspannung anliegt, die proportional zum zurückgelegten Weg ist.lvdtEin Differentialtransformator erlaubt im Vergleich zu den Differentialdrosseln eine kürzere Baulängen und ist darüber hinaus wegen der galvanischen Trennung von Primär- und Sekundärwicklung unempfindlicher gegenüber äußeren Störeinflüssen wie elektromagnetischen Störungen oder Widerstandsänderungen in den Messleitungen. Der aufwendigere Aufbau führt jedoch zu höheren Herstellungskosten.

 

 

Differentialdrossel - LVIT

Wegaufnehmer nach dem Differentialdrossel-Prinzip, oder auch LVIT (Linear Variable Inductive Transducer) genannt, bestehen aus einer durchgehenden Spule mit Mittenabgriff bzw. zwei identischen Spulen, die nebeneinander liegen und in Reihe miteinander verschaltetet sind.

Ein ferromagnetischer Kern, der sich im Innern des Spulensystems befindet, erzeugt beim Verschieben eine Veränderung der Impedanzen beider Spulenhälften. In Mittelstellung ergibt sich symmetriebedingt ein Spannungsteiler mit gleichen Anteilen, was zu einem Ausgangssignal von Null führt. Wird der Kern aus seiner Mittelstellung herausbewegt, so ändern sich die Impedanzen der beiden Messspulen gegensinnig, was von einer angeschlossenen Elektronik ausgewertet und als wegproportionales Signal ausgegeben wird.

diff-drossel

Induktive Wegaufnehmer als Differentialdrosseln zeichnen sich durch den kostengünstigen Aufbau, hohe Genauigkeitsklassen und sehr niedrigen Temperaturdrift aus. Sie haben bauartbedingt keine Phasenverschiebung und sind mit 3-Leiter-Anschluss schnell und problemlos anzuschießen und zu kalibrieren. Im deutschsprachigen Raum haben sich LVIT Wegaufnehmer über Jahrzehnte behauptet, wohingegen im internationalen Vergleich der Großteil der induktiven Wegsensoren auf LVDT Basis aufbaut.

 

Linearer Nennbereich

Der lineare Nennmessbereich spezifiziert bei einem LVDT / LVIT den maximalen Weg des Kerns, in dem das Ausgangssignal einer bestimmten Linearitätsklasse erreicht wird. Dabei ist der volle Messweg die Entfernung, über die der Kern aus der Nullposition heraus innerhalb des Linearitätsbereichs verfährt. Da sich der Kern aus Null in beide Richtungen bewegen kann, ist der lineare Arbeitsbereich zweimal so groß wie der Messweg. Ohne Polaritätsangabe ist der Gesamtweg des LVDT gemeint.

LVDT linear

Der lineare Nennmessbereich eines LVDT ist frequenzabhängig. Abweichende Frequenzen führen zu einer Veränderung der Linearitätskennlinie des LVDT. Wo eine optimale Linearität in einer Anwendung nicht ausschlaggebend ist, kann der praktisch nutzbare Arbeitsbereich auch größer als der lineare Nennbereich sein. Hierbei ist allerdings auf die mechanischen Einbaumaße zu achten. Der lineare Nennmessbereich ist für eine hochohmige Last, typischerweise 50kOhm bis 0,5MOhm, bemessen. Eine niedrige Lastimpedanz kann sich nachteilig auf die Linearität und den linearen Nennbereich auswirken.

 

Linearitätsfehler

Da sich das Ausgangssignal eines LVDT linear zur Verschiebung des Kerns in dessen linearem Bewegungsbereich verhält, ist der Graph der Funktion von Ausgangsspannung zu Kernverschiebung im Prinzip eine Gerade. Jenseits des linearen Nennbereichs weicht das Ausgangssignal von einer Geraden ab und folgt i.d.R. einer leichten S-Kurve. Die maximale Abweichung des LVDT-Ausgangssignals von der optimalen Geraden bezogen auf die Verschiebung des Kerns ist als Linearitätsfehler oder Nicht-Linearität des LVDT definiert. Der Linearitätsfehler wird in der Regel als ein Plus/Minus-Wert in Prozent des vollen Messbereichs oder in Form einer Fehlerbandbreite zur idealen Geraden ausgedrückt. Sollte die maximale Abweichung von der idealen Geraden nicht auf den Gesamtmessweg sondern auf die jeweilige Ist-Position bezogen werden, müssen LVDT mit höheren Linearitätsklassen genutzt werden. Sollte dies notwendig sein, muss dies unbedingt bei der Auswahl bzw. Beauftragung angegeben werden.

 

Nennausgangssignal  / FSO

Bei einem LVDT ist das maximale Nennausgangssignal jenes Signal, was man erhält wenn der Kern des LVDT am Ende des vollen Messwegs steht und dabei die Primärspule mit der definierten Eingangsspannung erregt wird (FSO = full scale output). LVDT Sensoren mit gleichem Linearitätsbereich lassen sich allerdings meist besser über die Empfindlichkeit vergleichen. Sie wird gewöhnlich in Millivolt pro Millimeter pro Volt Erregungsspannung (mV/mm/V) angegeben. Die Empfindlichkeit ist von der Erregerfrequenz abhängig, die ebenfalls anzugeben ist. Die Empfindlichkeit betrifft im Wesentlichen die von der Signalaufbereitungselektronik geforderte Verstärkung. Bei den meisten DC-LVDT wird die Empfindlichkeit als Empfindlichkeitsfaktor in Volt Gleichspannung (DC) des Ausgangssignals pro mm Verschiebung des Kerns ausgedrückt.

 

Auflösung

Die Auflösung ist die kleinste Positionsänderung des Kerns, die durch das Ausgangssignal des LVDT eindeutig abgebildet werden kann. Da der LVDT nach dem Prinzip der magnetischen Kopplung arbeitet, ist seine Auflösung im Prinzip unendlich. Eine unendliche kleine Änderung der Kernposition bewirkt eine entsprechende Änderung des Ausgangssignals. In der Praxis wird die Auflösung durch die Qualität der beteiligten elektronischen Bauteile beschränkt, insb. dem Signal-Rausch-Verhältnis des Systems. Bei einem passend ausgelegten LVDT-Messsystem sind Auflösungen im Mikrometer-Bereich zu erreichen.

 

Wiederholgenauigkeit

Die Fähigkeit eines Sensors, unter gleichen Betriebs- und Umgebungsbedingungen auf ein exakt identisches Eingangssignal wiederholte Male dasselbe Ausgangssignal zu liefern, ist ein wichtiges Einzelkriterium bei der Auswahl eines Sensors. Wiederholbarkeitsfehler sind der limitierende Faktor bei einer sensorgestützten Messung. Ein guter LVDT ist so wiederholgenau, dass ganz allein die mechanischen Einflussgrößen der physischen Bauelemente oder Strukturen, die den Kern und die Spule des LVDT tragen, eine Rolle spielen. Wiederholpräzision und Auflösung tragen beide zu dem Gesamtmessfehler bei und werden üblicherweise in Prozent des Messbereichendwerts ausgedrückt.

 

Nullpunkt

Im elektrischen Nullpunkt eines LVDT / LVIT ist das Ausgangssignal des Wegaufnehmers wegen der betragsmäßig gleichen, aber invertierten Halbbrückenspannungen gleich Null. Diese Position ist bei symmetrischen Wegaufnehmern dann erreicht, wenn der Kern zu gleichem Anteilen in beide Spulenhälften hineinragt. Die mechanische Lage des Nullpunkts ist dem Datenblatt des Wegaufnehmers mit der Position des Tauchankers gemäß "Maß A" laut Tabelle zu entnehmen.  

 

Tauchanker

Der Tauchanker eines LVDT / LVIT Wegaufnehmers ist ein zweigeteiltes, stabförmiges Bauteil, bestehend aus einem magnetisierbaren Kern und einem mechanischen Verlängerungsstab aus nichtmagnetisierbarem Material, dem sogenannten Kernhalter.

 

Mantelanker

Der Mantelanker ist ein rohrförmiges Bauteil aus Aluminium, das bei Mantelanker-Wegaufnehmern als bewegliches Teil über die Messspule geschoben wird und dadurch dem Spulenfeld proportional zum Weg Energie mittels Wirbelstromeffekt entzieht. Der Mantelanker wird bei Verwendung des Sensors in Hydraulikzylindern in der Regel in die hohlgeborte Kolbenstange eingesetzt bzw. darin verklebt.

 

Symmetrischer Wegufnehmer

Bei derartigen LVDT Differentialtransformatoren und LVIT Differentialdrosseln sind die Messspulenhälften spiegelsymmetrisch aufgebaut und nicht etwa durch eine Ersatzschaltung ersetzt. Der elektrische Nullpunkt liegt in der Mitte des Nennmessbereichs, wenn der Kern des Wegsensors zu gleichen Anteilen in beide Spulenhälften eintaucht.

 

Unsymmetrischer Wegufnehmer

Durch die platzsparende Ersatzschaltung anstelle der zweiten Spulenhälfte ergibt sich bei derartigen Wegaufnehmern ein unsymmetrischer Aufbau, der im Vergleich zu anderen LVDT / LVIT eine deutlich kürzere Baulängen ermöglicht. Bei MESSOTRON sind diese Wegsensoren die sogenannten Mantelanker-Wegaufnehmer der Baureihen WP, WA, WE und WI. Der elektrische Nullpunkt dieser unsymmetrischen Aufnehmer befindet sich am Anfang des Nennmessbereichs, wenn der Mantelanker ganz über die Messspule geschoben ist.

 

Nennmessweg

Der Nennmessweg des LVDT / LVIT Wegaufnehmers gibt den Messbereich an, für den der Aufnehmer ausgelegt ist. Das heißt, innerhalb dieses Bereichs werden die technischen Daten und angegebenen Fehlerklassen eingehalten. Bedingt durch das Messprinzip, liegt der Aufnehmernullpunkt bei Differentialtransformatoren und Differentialdrosseln in der mechanischen Mitte. Die Verlagerung des Nullpunktes in eine Endlage des Messbereiches ist mit Hilfe Verstärkereinstellung (Offset) in Grenzen möglich. Bei Mantelanker-Wegaufnehmern liegt der Nullpunkt bauartbedingt am Anfang des Nennmessweges.

 

Arbeitsspanne

Die Arbeitsspanne von LVDT / LVIT Sensoren gibt den Weg an, den der Wegaufnehmer maximal erfassen kann. Dieser geht i.d.R. über den spezifizierten Linearitätsbereich hinaus. Die technischen Daten, insbesondere der maximale Linearitätsfehler, werden nur für den Nennmessweg garantiert. Das Verfahren des Tauchankers über die Arbeitsspanne hinaus kann zu Schäden bzw. der mechanischen Zerstörung des LVDT / LVIT führen.

 

Nennkennwert / Nennausgangssignal

Der Nennkennwert oder das Nennausgangssignal eines LVDT / LVIT Wegaufnehmers gibt das Verhältnis von Ausgangsspannung (Messspannung) zu Eingangsspannung (Speisespannung) des Sensors am Ende des Nennmessbereichs an, also in einer der beiden Endpositionen des Kerns, wobei diess bei symmetrischen Wegaufnehmern in den beiden Endpositionen gleich hoch mit unterschiedlichem Vorzeuchen ist. Bei kalibrierten Wegaufnehmern beträgt der Nennkennwert den Kalibrierwert, z.B. 80 mV/V unabhängig vom Nennmessbereich des Wegaufnehmers. In älteren Wegaufnehmerdatenblättern wird auch der Begriff „Nennausgangssignal“ verwendet.

 

Empfindlichkeit

Die Empfindlichkeit eines LVDT / LVIT Wegausnehmers gibt das Verhältnis von Messspannung zu Speisespannung je mm Messweg an, z.B. 10 mV/V/mm. Empfindlichkeits- und Nennausgangssignal für MESSOTRON Wegaufnehmer werden zur Vereinheitlichung phasenunabhängig, d.h. ohne Berücksichtigung der Phasenverschiebung, ermittelt und sind bei nicht-kalibrierten Wegaufnehmern mit einer Toleranz von +/-10% angegeben.

 

Speisespannung

Die Speisespannung eines LVDT / LVIT Wegaufnehmers ist die Wechselspannung, mit welcher der induktive Sensor auf der Primärseite gespeist bzw. angeregt wird. Das Ausgangssignal hängt proportional von der Speisespannung ab, sodass mit der Speisespannung die Signalstärke beeinflusst werden kann. Die Speisespannung bei LVDT liegt typischerweise bei 2Veff und sollte 5Veff lnicht überschreiten.

 

Messspannung

Die Messspannung von LVDT / LVIT Sensoren ist die wegproportionale Wechselspannung im mV-Bereich, die der induktive Wegaufnehmer als Ausganngssignal liefert, wenn er mit einer definierten Speisespannung angeregt wird.

 

Trägerfrequenz

Die Trägerfrequenz von LVDT / LVIT Sensoren ist die Frequenz der Speisespannung, mit welcher der Wegaufnehmer betrieben werden sollte, bzw. für weöche der Wegsensor ausgelgt ist, üblicherweise 3, 5 oder 10 kHz. LVDT / LVIT können prinzipiell mit verschiedenen Trägerfrequenzen betrieben werden, wobei die Frequenz wegen der sich ändernden Spulenimpedanz erheblichen Einfluss auf die Linearität hat. Ein Optimum an Genauigkeit / Linearität der LVDT / LVIT kann nur bei einer definierten Frequenz gerantiert werden.

 

Auflösungsvermögen

Induktive LVDT / LVIT Wegaufnehmer liefern bei statischen Messungen eine stetige Anzeige, Auflösungssprünge in der Anzeige sind praktisch nicht erkennbar. Bei dynamischen Messungen wird die Auflösung durch die elektrischen Rauschspannungen von Aufnehmer und Verstärker begrenzt. Als Richtwert kann für LVDT / LVIT Sensoren bei einem übertragenen Frequenzband bis 500 Hz mit einer Auflösung von 1/10000 des Nennmessweges gerechnet werden.

 

Linearitätsfehler

Der Linearitätsfehler bei LVDT / LVIT Wegaufnehmern entspricht der maximalen Abweichung zwischen der optimalen Geraden (Sollkennlinie) und der realen Kennlinie des Messgerätes. Die Fehlerangabe wird in % angegeben bezogen auf den Gesamtmessbereich (FSO / Full Scale Output) des Wegaufnehmers. Die LVDT / LVIT Sensoren von MESSOTRON haben normalerweise einen Linearitätsfehler von maximal  ±0,5%. Abhängig von der Bauform können die Wegaufnehmer auch in höheren Genauigkeitsklassen mit Linearitätsfehler von  ±0,25% oder ±0,1% geliefert werden.

 

Temperaturfehler / Temperaturdrift

LVDT / LVIT weisen grundsätzlich Fehler durch Temperaturschwankungen auf. Bei induktiven LVDT / LVIT Wegaufnehmern unterscheidet man zwei Wirkungen infolge Temperaturveränderung: 

  • Der Temperaturfehler des Nullpunktes verlagert den Aufnehmernullpunkt und alle anderen Messwerte um den gleichen Betrag. Er wird auf den Nennmessweg des Wegaufnehmers bezogen.
  • Der Temperaturfehler der Empfindlichkeit beziffert die maximale temperaturbedingte Abweichung des Messsignals von dem Wert, der dem Messweg entspricht. Er wird auf den Ist-Wert bezogen.

Schutzart nach DIN 40050

Die induktiven Wegaufnehmer von MESSOTRON sind in der Regel staubdicht nach DIN 40050, IP 65, und können bei Bedarf wasserdicht (IP 66) und druckfest ausgeführt werden. Wenn die Gefahr des Eindringens von Fremdkörpern in den Spalt zwischen Aufnehmer und bewegtem Anker besteht, muss diese Stelle jedoch durch zusätzliche Maßnahmen gesichert werden.

 

Betriebs- und Prüfdruck

Die Kapselung der druckfesten Wegaufnehmer von MESSOTRON wird für Betriebsdrücke zwischen 120 bar und 450 bar ausgelegt, in Sonderfällen auch bis 1000bar. Im allgemeinen treten in einem technischen System jedoch kurzzeitig Druckspitzen auf, die den Betriebsdruck übersteigen. Deshalb sind die Wegaufnehmer bis in Höhe des Prüfdruckes überlastbar. Der Wegaufnehmer sollte aber nicht dauerhaft mit dem Prüfdruck belastet werden. Für höhere Betriebsdrücke als angegeben, können Sonderbauformen angefertigt werden.

 

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