Linearer Veränderlicher Differenztransformator LVDT
Definition des LVDT
Der Begriff LVDT steht für Linearer Variabler Differenztransformator. Es ist der am weitesten verbreitete induktive Wandler, der lineare Bewegung in ein elektrisches Signal umwandelt.
Die Ausgabe an den Sekundärwindungen dieses Transformators ist differenziell, daher sein Name. Er ist sehr präzise im Vergleich zu anderen induktiven Wandlern.
Aufbau des LVDT
Hauptmerkmale des Aufbaus
Der Transformator besteht aus einer Primärwicklung P und zwei Sekundärwickungen S1 und S2, die auf einem zylindrischen Träger (der hohl ist und das Kernstück enthält) gewickelt sind.
Beide Sekundärwickungen haben die gleiche Anzahl von Windungen und werden auf beiden Seiten der Primärwicklung platziert.
Die Primärwicklung ist an eine Wechselstromquelle angeschlossen, die einen Fluss im Luftspalt erzeugt, und Spannungen werden in den Sekundärwickungen induziert.
Ein beweglicher weicher Eisenkern wird in den Träger eingeführt und die zu messende Verschiebung mit dem Eisenkern verbunden.
Der Eisenkern hat in der Regel eine hohe Permeabilität, was dazu beiträgt, Oberwellen zu reduzieren und die hohe Empfindlichkeit des LVDT zu erhöhen.
Das LVDT befindet sich in einer rostfreien Stahlhülle, da diese elektrostatische und elektromagnetische Abschirmung bietet.
Die beiden Sekundärwickungen sind so miteinander verbunden, dass die resultierende Ausgabe die Differenz zwischen den Spannungen der beiden Wickungen ist.
Funktionsprinzip und Arbeitsweise
Da die Primärwicklung an eine Wechselstromquelle angeschlossen ist, werden Wechselströme und Spannungen in den Sekundärwickungen des LVDT erzeugt. Die Ausgabe in der Sekundärwicklung S1 ist e1 und in der Sekundärwicklung S2 ist e2. Die differentielle Ausgabe lautet also:
Diese Gleichung erklärt das Funktionsprinzip des LVDT.
Es ergeben sich nun drei Fälle je nach Lage des Kerns, die die Arbeitsweise des LVDT erklären:
FALL I Wenn der Kern in der Nullposition (für keine Verschiebung) ist
Wenn der Kern in der Nullposition ist, dann ist der mit beiden Sekundärwickungen verlinkte Fluss gleich, so dass die induzierte Spannung in beiden Wickungen gleich ist. Für keine Verschiebung hat der Wert der Ausgabe eout null, da e1 und e2 beide gleich sind. Dies zeigt, dass keine Verschiebung stattgefunden hat.FALL II Wenn der Kern über die Nullposition verschoben wird (für Verschiebung über den Referenzpunkt)
In diesem Fall ist der mit der Sekundärwicklung S1 verlinkte Fluss größer als der mit S2 verlinkte Fluss. Daher ist e1 größer als e2. Daher ist die Ausgangsspannung eout positiv.FALL III Wenn der Kern unter die Nullposition verschoben wird (für Verschiebung unter den Referenzpunkt). In diesem Fall ist die Größe von e2 größer als die von e1. Daher ist die Ausgabe eout negativ und zeigt die Ausgabe unterhalb des Referenzpunkts.
Ausgangsspannung VS Kernverschiebung Eine lineare Kurve zeigt, dass die Ausgangsspannung linear mit der Verschiebung des Kerns variiert.
Einige wichtige Punkte zur Größe und zum Vorzeichen der in LVDT induzierten Spannung
Die Menge der Spannungsänderung, sei sie negativ oder positiv, ist proportional zur Menge der Kernbewegung und zeigt die Menge der linearen Bewegung an.
Durch die Beobachtung, ob die Ausgangsspannung zunimmt oder abnimmt, kann die Bewegungsrichtung bestimmt werden.
Die Ausgangsspannung eines LVDT ist eine lineare Funktion der Kernverschiebung.
Vorteile des LVDT
Hoher Messbereich – LVDTs haben einen sehr hohen Messbereich für Verschiebungen. Sie können für Verschiebungen von 1,25 mm bis 250 mm verwendet werden.
Keine Reibungsverluste – Da der Kern in einem hohlen Träger bewegt wird, gibt es keine Verluste der Verschiebungseingabe durch Reibung, wodurch das LVDT ein sehr genaues Gerät wird.
Hohe Eingangsspannung und hohe Empfindlichkeit – Die Ausgabe des LVDT ist so hoch, dass keine Verstärkung erforderlich ist. Der Wandler besitzt eine hohe Empfindlichkeit, die typischerweise etwa 40 V/mm beträgt.
Niedrige Hysterese – LVDTs zeigen eine geringe Hysterese und daher eine ausgezeichnete Wiederholbarkeit unter allen Bedingungen.
Geringer Energieverbrauch – Der Energieverbrauch beträgt etwa 1 W, was sehr gering im Vergleich zu anderen Wandlern ist.
Direkte Umwandlung in elektrische Signale – Sie wandeln die lineare Verschiebung in elektrische Spannungen um, die leicht zu verarbeiten sind.
Nachteile des LVDT
Das LVDT ist empfindlich gegenüber Fremdmagnetfeldern, daher benötigt es immer eine Einrichtung, um es vor Fremdmagnetfeldern zu schützen.
Das LVDT wird von Vibrationen und Temperatur beeinträchtigt.
Es wird geschlussfolgert, dass sie vorteilhafter sind im Vergleich zu anderen induktiven Wandlern.
