Technik

LVDT-Begriffe

Begriffe zur Spezifizierung eines LVDT (Linear Variable Differential Transformer)-Wegsensors

Schlüsselbegriffe

Unten finden Sie sieben Schlüsselbegriffe erklärt, die für die Auswahl eines LVDT-Wegsensors von Bedeutung sind.

Nenn-Linearitätsbereich

Die Grundvariable bei der Auswahl eines linear variablen Differenzialtransformators (LVDT) ist der maximale Bewegungsbereich des Kerns, in dem ein analoges Ausgangssignal bestimmter Linearität erzeugt wird. Dabei ist der volle Messweg die Entfernung, über die der Kern aus der Nullposition heraus innerhalb dieses Linearitätsbereichs verfährt. Da sich der Kern aus Null in beide Richtungen bewegen kann, ist der lineare Arbeitsbereich zweimal so groß wie der volle Messweg. Der mit einem Plus oder Minus (+/–) angegebene volle Messweg ist der Nenn-Linearitätsbereich. Ohne Polaritätsangabe ist der Vollbereich, Vollweg oder Gesamtweg des LVDT gemeint. Der Nenn-Linearitätsbereich eines LVDT ist frequenzabhängig. Vorausgesetzt der LVDT verwendet den für eine gegebene Frequenz passenden Kern, wird der tatsächliche Linearitätsbereich immer gleich dem Nennbereich oder größer sein. Wo optimale Linearität in einer Anwendung nicht ausschlaggebend ist, kann der praktisch nutzbare Arbeitsbereich sehr wohl größer als der Nenn-Linearitätsbereich sein. Der Nenn-Linearitätsbereich ist für eine hochohmige Last, typischerweise 50 kOhm bis 0,5 MOhm, bemessen. Eine niedrige Lastimpedanz kann sich nachteilig auf die Linearität und den Nenn-Linearitätsbereich auswirken.
 

Linearitätsfehler

Da sich das LVDT-Ausgangssignal nominal linear zur Verschiebung des Kerns in dessen linearem Bewegungsbereich verhält, ist der Graph der Funktion aus Ausgangsspannung und Kernverschiebung im Prinzip eine Gerade. Jenseits des Nenn-Linearitätsbereichs weicht das Ausgangssignal von einer Geraden ab und folgt einer leichten Kurve. Die maximale Abweichung des LVDT-Ausgangssignals von der statistisch optimalen Geraden bezogen auf die Verschiebung des Kerns innerhalb des Nenn-Linearitätsbereichs des LVDT 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 die Gerade und Abweichungen einhüllenden Fehlerbandbreite ausgedrückt. Die Bedeutung des Linearitätsfehlers eines LVDT ist prinzipiell im Kontext der Endanwendung des LVDT in einer Messanwendung zu bewerten. Manchen Anwendern dient die Nicht-Linearität als Maß für die Systemgenauigkeit, da sie oft der größte Fehlerfaktor ist.  

Messbereichendwert

FSO (Full-Scale Output)

Bei einem AC-LVDT ist das Ausgangssignal, das dem Messbereichendwert entspricht, das Ausgangssignal, wenn der Kern des LVDT am Ende des vollen Messwegs steht und die Primärspule mit einer definierten Nenn-Eingangsspannung erregt ist. AC-LVDTs mit gleichem Linearitätsbereich lassen sich allerdings meist besser über die Empfindlichkeit vergleichen. Sie wird gewöhnlich in Millivolt pro tausendstel Zoll Verschiebung des Kerns pro Volt Erregungsspannung (in mV/Millivolt) angegeben. Die Empfindlichkeit ist von der Erregungsfrequenz abhängig, die ebenfalls anzugeben ist. Die Empfindlichkeit betrifft im Wesentlichen die von der Signalaufbereitungselektronik geforderte Verstärkung. Bei den meisten DC-LVDTs wird die Empfindlichkeit als Empfindlichkeitsfaktor in Volt Gleichspannung (DC) des Ausgangssignals pro Zoll Verschiebung des Kerns ausgedrückt. Bei einigen DC-LVDTs früherer Generationen mit ratiometrischer Auslegung müssen für die Empfindlichkeit dieselben Einheiten verwendet werden, oder der Empfindlichkeitsfaktor muss sich auf eine bestimmte DC-Eingangsspannung beziehen. Daneben gibt es DC-LVDTs, deren Ausgangssignal in einen 4 –20-mA-Stromkreis gespeist wird, sodass entsprechend der Empfindlichkeitsfaktor in Milliampere pro Zoll (mA/in) oder Milliampere pro Millimeter (mA/mm) angegeben wird. 

Auflösung

Die Auflösung ist die kleinste Positionsänderung des Kerns, die vom Ausgangssignal des LVDT abgebildet werden kann. Da der LVDT nach dem Prinzip der magnetischen Kopplung arbeitet, ist seine Auflösung im Prinzip unendlich. Eine unendliche Änderung der Kernposition bewirkt eine entsprechende Änderung des Ausgangssignals. In der Praxis wird die Auflösung beschränkt durch die Fähigkeit der beteiligten elektronischen Bauteile, Änderungen im LVDT-Ausgangssignal – das sogenannte Signal-Rausch-Verhältnis des Systems – zu erfassen. Bei einem passend ausgelegten LVDT-Messsystem sind Auflösungen im Mikrozoll-Bereich nicht ungewöhnlich.  

Wiederholpräzision

Die Fähigkeit eines Sensors, unter gleichen Betriebs- und Umgebungsbedingungen auf ein exakt identisches Eingangssignal wiederholte Male dasselbe Ausgangssignal zu liefern, ist das weitaus wichtigste Einzelkriterium bei der Auswahl eines Sensors. Dieser als Wiederholpräzision oder Wiederholgenauigkeit bezeichnete Parameter ist die einzige irreduzible und unkorrigierbare Quelle statistischer Fehler in jedem elektromechanischen Messsystem. 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. Diese Parameter sind gleich für AC-LVDTs und DC-LVDTs.

Abgedichteter LVDT HSAR
Abgedichteter LVDT HSAR
Belüfteter LVDT CD 375
Belüfteter LVDT CD375

Abgedichtete LVDT

Ein abgedichteter LVDT verhindert den Eintritt von Flüssigkeit oder Gas in das Gehäuse des Sensors.  Für Anwendungen mit korrosiven oder unter Druck stehenden Medien, hoher Feuchtigkeit oder Strahlung empfiehlt sich ein hermetisch abgedichteter LVDT, der die Wicklungen vor solchen Einflüssen schützt.  Die Abdichtung schirmt die Sensoren gegen Schmutz, Wasser, Dampf, Chemikalien und selbst gegen extreme Temperaturen ab, die ihre Lebensdauer oder Zuverlässigkeit mindern können.  Die hermetische Abdichtung entsteht hier durch das Verschweißen von Gehäuse, Buchse und Endscheiben des LVDT. Hermetisch abgedichtete LVDTs halten typischerweise Drücken von bis zu 3000 psig stand.  Die hermetisch abgedichtete Konstruktion lässt den Kern außerdem Temperaturen von bis zu 200 °C aushalten.

Belüfteter LVDT

Für extrem hohe Drücke stehen belüftete Sensorgehäuse zur Verfügung, die einen Druckausgleich zwischen dem Innenraum des LVDT-Wegsensors und seiner Umgebung ermöglichen. Belüftete Ausführungen des LVDT eignen sich für Anwendungen mit kombinierten Anforderungen aus hohen Drücken und Temperaturen, Erschütterungen und Vibrationen. Da jedoch die Ventilationsbohrungen die Spulen im Inneren des Gehäuses exponieren, muss eine eventuelle den LVDT umgebende Flüssigkeit elektrisch nichtleitend und chemisch verträglich sein.    Belüftete LVDTs eigenen sich für extreme Temperaturen von –55 °C bis +200 °C (–65 °F bis +400 °F) und Betriebsdrücke bis 35 kpsi.   Die Eignung für hohe Temperaturen wird durch dementsprechende Innenmaterialien erreicht.