Linearer variabler Differenzialtransformator (LVDT)
LVDTs sind weitverbreitete elektromechanische Messwertaufnehmer, die die geradlinige Bewegung eines mechanisch angekoppelten Objekts in ein entsprechendes elektrisches Signal umwandeln. LVDTs sind in verschiedenen Bauformen erhältlich und bieten eine äußerst hohe Lebenserwartung in rauen Umgebungen und kritischen Anwendungen. Diese Sensoren verfügen über eine reibungs- und kontaktlosinduktive magnetische Kopplung für eine äußerst lange Zykluslebensdauer und eine praktisch unendliche Auflösung. Für anspruchsvollste Anwendungsanforderungen stehen verschiedene serienmäßige und kundenspezifische Bauformen zur Verfügung.
LVDT Leistungsmerkmale
Reibungsfreier Betrieb
Eines der wichtigsten Merkmale eines LVDT ist der reibungsfreie Betrieb. Beim normalen Einsatz besteht zwischen dem LVDT-Kern und der Spulenbaugruppe kein mechanischer Kontakt. Deshalb gibt es kein Scheuern oder eine sonstige Quelle für Reibung. Dieses Merkmal ist besonders nützlich bei Materialprüfungen, Messungen des Schwingwegs sowie hochauflösenden Maßkalibrierungsanwendungen.
Unendliche Auflösung
Da ein LVDT nach dem elektromagnetischen Kopplungsprinzip in einer reibungsfreien Struktur betrieben wird, können damit winzig kleine Änderungen an der Position des Kerns gemessen werden. Diese Möglichkeit der unendlichen Auflösung wird lediglich durch das Rauschen in einem LVDT-Signalkonditionierer und die Auflösung der Ausgangsanzeige begrenzt. Die gleichen Faktoren verleihen dem LVDT auch seine herausragende Wiederholgenauigkeit.
Unbegrenzte mechanische Lebensdauer
Da normalerweise kein Kontakt zwischen dem LVDT-Kern und der Spulenstruktur besteht, gibt es auch keine Teile, die aneinander schleifen oder sich abnutzen. Dadurch bietet ein LVDT eine unbegrenzte mechanische Lebensdauer. Dieser Faktor ist besonders wichtig bei Anwendungen, die hohe Zuverlässigkeit erfordern, z. B. in der Luft- und Raumfahrt, bei Satelliten und Raumfahrzeuge sowie in Nuklearinstallationen. Auch in vielen industriellen Prozesssteuerungs- und Anlagenautomatisierungssystemen kann dies von hohem Nutzen sein.
Unempfindlich gegen Beschädigung durch Überhub
Die Innenbohrung der meisten LVDTs ist an beiden Enden offen. Im Fall einer unerwarteten Überschreitung kann der Kern die Sensorspulen-Baugruppe vollständig durchlaufen, ohne Schaden zu verursachen. Diese Unempfindlichkeit gegenüber einer Überschreitung des Messwegs macht den LVDT zum geeigneten Sensor für Anwendungen wie Extensometer, die in zerstörenden Werkstoffprüfmaschinen an Zugproben angebracht werden.
Reproduzierbarkeit des Nullpunkts
Die Lage des intrinsischen Nullpunkts eines LVDT ist äußerst stabil und reproduzierbar – selbst über den gesamten weiten Betriebstemperaturbereich hinweg. Dadurch eignet sich der LVDT hervorragend als Nullpunktsensor in geschlossenen Regelkreisen und hochpräzisen Servowaagen.
Empfindlichkeit in nur einer Achse Ein LVDT reagiert auf Bewegungen des Kerns entlang der Spulenachse, ist jedoch weitgehend unempfindlich gegenüber Querbewegungen Daher funktioniert ein LVDT ohne Beeinträchtigung auch in Anwendungen mit falsch ausgerichteten oder frei beweglichen Elementen sowie in Fällen, bei denen sich der Kern nicht auf einer perfekten Geraden bewegt.
Trennbare Spule und Kern
Da die einzige Wechselwirkung zwischen Kern und Spule eines LVDT die magnetische Kopplung ist, lässt sich die Spulenbaugruppe vom Kern isolieren, indem ein nichtmagnetisches Rohr zwischen Kern und Bohrung eingesetzt wird. Dadurch kann die Röhre mit einer unter Druck stehenden Flüssigkeit gefüllt sein, in der sich der Kern frei bewegen kann, während die Spulenbaugruppe drucklos ist. Diese Eigenschaft wird häufig bei LVDTs genutzt, die zur Rückmeldung der Kolbenschieberposition in hydraulischen Proportional- und/oder Servoventilen eingesetzt werden.
Schnelles dynamisches Ansprechverhalten
Da im normalen Betrieb keine Reibung auftritt, kann ein LVDT sehr schnell auf Änderungen der Kernposition reagieren. Die dynamische Reaktion eines LVDT-Sensors wird lediglich durch die Trägheitseffekte der geringen Masse des Kerns begrenzt. In der Praxis wird das Ansprechverhalten eines LVDT-Messsystems jedoch meist durch die Eigenschaften des Messsignalverstärkers bestimmt.
Absolutes Ausgangssignal
Ein LVDT ist ein absolut messender Sensor – im Gegensatz zu inkremental messenden Sensoren. Daher gehen die vom LVDT gesendeten Positionsdaten im Fall eines Stromausfalls nicht verloren. Wird das Messsystem neu gestartet, entspricht der Ausgangswert des LVDT wieder dem Wert vor dem Stromausfall.
Umgebungsfest abgedichtet
Die für LVDTs verwendeten Materialien und Konstruktionstechniken führen zu einem robusten und langlebigen Sensor, der einer Vielzahl von Umgebungsbedingungen standhält. Nach der Verklebung der Wicklungen folgt eine Epoxyd-Kapselung in das Gehäuse, die für eine herausragende Widerstandsfähigkeit gegenüber Nässe und Feuchtigkeit sowie gegenüber starken Stoßbelastungen und Vibrationen auf allen Achsen sorgt. Zudem minimiert die interne magnetische Abschirmung aus hochpermeablem Material die Auswirkungen externer Wechselfelder. Gehäuse und Kern bestehen aus korrosionsbeständigen Metallen, wobei das Gehäuse zusätzlich als ergänzende magnetische Abschirmung dient. Für Anwendungen, in denen der Sensor entzündlichen oder korrosiven Dämpfen und Flüssigkeiten ausgesetzt ist oder in druckbeaufschlagten Medien arbeiten muss, können Gehäuse und Spulenbaugruppe mit verschiedenen Schweißverfahren hermetisch versiegelt werden. Standard-LVDTs arbeiten in einem breiten Temperaturbereich; bei Bedarf können sie jedoch für den Einsatz bis hinab zu kryogenen Temperaturen gefertigt werden – oder, unter Verwendung von Spezialmaterialien, für die erhöhten Temperaturen und Strahlungswerte, wie sie in vielen Kernreaktoren herrschen.
