Wichtige LVDT-Begriffe

Da das LVDT-Ausgangssignal innerhalb des linearen Bewegungsbereichs eine nominal lineare Funktion der Kernverschiebung ist, ergibt die Darstellung der Ausgangsspannung über der Kernverschiebung im Wesentlichen eine Gerade. Außerhalb des linearen Nennbereichs weicht das Ausgangssignal zunehmend von der Geraden ab und geht in eine leichte Krümmung über. Die maximale Abweichung des LVDT-Ausgangssignals von der statistischen Ausgleichsgeraden über der Kernverschiebung innerhalb des linearen Nennbereichs wird als Linearitätsfehler oder Nichtlinearität des LVDT bezeichnet.  Der Linearitätsfehler wird üblicherweise als prozentuale Abweichung (±) vom Ausgangssignal über den gesamten Messbereich oder als Fehlerband angegeben, das die Gerade und die Abweichungen einschließt. Die Bedeutung des Linearitätsfehlers eines LVDT ist prinzipiell im Kontext der Endanwendung des LVDT in einer Messanwendung zu bewerten. Manche Anwender ziehen die Nichtlinearität als Maß für die Systemgenauigkeit heran, da sie häufig den größten Einzelfehler darstellt.  

Das grundlegende Kriterium bei der LVDT-Auswahl ist der maximale Bewegungsbereich des Kerns, in dem ein analoges Ausgangssignal mit definierter Linearität erzeugt wird. Der Skalenendwert der Verschiebung ist die Strecke, die der Kern innerhalb dieses linearen Bereichs von seiner Nullposition aus zurücklegen kann. 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 lineare Nennbereich. Ohne Polaritätsangabe ist der Vollbereich, Vollweg oder Gesamtweg des LVDT gemeint. Der lineare Nennbereich 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 lineare Nennbereich sein. Der lineare Nennbereich ist für eine hochohmige Last, typischerweise 50 kOhm bis 0,5 MOhm, bemessen. Eine niedrige Lastimpedanz kann sich nachteilig auf die Linearität und den linearen Nennbereich auswirken.
 

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 wirkt sich in erster Linie auf die erforderliche Verstärkung der Signalaufbereitungselektronik des LVDT aus. Bei den meisten DC-LVDTs ist der Skalenfaktor die der Empfindlichkeit entsprechende Kenngröße; er wird üblicherweise in Volt (DC) Ausgangssignal pro Millimeter Kernverschiebung angegeben. 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. 

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.  

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.

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.  Bei dieser Bauform werden das robuste Gehäuse, die Bohrungsauskleidung und die stirnseitigen Abschlussscheiben des LVDT miteinander verschweißt und bilden so eine hermetische Abdichtung. Typische hermetisch abgedichtete LVDTs können einem Betriebsdruck von bis zu 3000 psig Stand halten.  Die hermetisch abgedichtete Konstruktion lässt den Kern außerdem Temperaturen von bis zu 200 °C aushalten.

Für extrem hohe Drücke kann das Sensorgehäuse mit einer Druckausgleichsöffnung versehen werden, die den Druck innerhalb und außerhalb des linearen LVDT-Positionssensors angleicht. Ausführungen mit Druckausgleichsöffnung halten einer Kombination aus hohen Drücken, hohen Temperaturen, Stößen und Vibrationen stand. Da die Druckausgleichsöffnungen jedoch die Spulen im Inneren des Gehäuses freilegen, muss das Medium, in dem sich der LVDT befindet, elektrisch nichtleitend und chemisch inert sein. Ausführungen mit Druckausgleichsöffnung arbeiten bei extremen Temperaturen von –55 °C bis +200 °C und Betriebsdrücken von bis zu 2.400 bar (35 kpsi). Die Eignung für hohe Temperaturen wird durch dementsprechende Innenmaterialien erreicht.