LVDT-Wegsensoren

• AC-betriebene lineare variable Differentialtransformatoren (LVDTs) enthalten keine Elektronik, was sie zu einer ausgezeichneten Wahl für Anwendungen mit Größenbeschränkungen oder rauen Betriebsumgebungen macht.
• DC-betriebene LVDTs sind mit integrierter Signalkonditionierungselektronik ausgestattet und erfordern keine Kalibrierung oder spezielle Signalkonditionierung. Einheiten können mit uni- oder bipolaren Gleichspannungen gespeist werden und verfügen über skalierte Spannungs-, Strom- oder digitale Ausgänge.
• LVDTs mit federbelasteten Druckstücken und Lagerbaugruppen (Messköpfe) ermöglichen eine einfache Montage. Es stehen Versionen mit Wechselstrom-, Gleichstrom- und digitalen Ausgängen in Messbereichen von +/–0,020” bis +/–2,000” zur Verfügung
• LVDTs mit separatem Kern sind unter anderem in folgenden Konfigurationen erhältlich: Miniatur (AC), Allzweck (AC, DC und Schleifenspeisung), abgedichtet (DC, Schleifenspeisung), hermetisch abgedichtet (AC, DC), tauchfähig (Schleifenspeisung), für gefährliche Standorte (AC) sowie als kundenspezifische Ausführung.

Das bewegliche Element eines LVDT mit freiem Kern ist ein hohler, magnetisch leitfähiger Anker: der sogenannte Kern. Der Kern ist in der Hohlbohrung der Spule axial frei verschiebbar und mechanisch an das Messobjekt gekoppelt. Die Bohrung gewährt dem Kern ein ausreichendes Radialspiel, sodass zur reibungsfreien Messung – und im Sinne einer praktisch unbegrenzten mechanischen Lebensdauer – kein physischer Kontakt zwischen Bohrung und Spule entsteht.

LVDTs mit freiem Kern sind sehr vielseitig und robust und arbeiten berührungslos – das garantiert in Verbindung mit den richtigen Werkstoffen die langfristige Zuverlässigkeit in rauen widrigen Umgebungen. Aus der Tatsache, dass keine Reibung anfällt, ergibt sich eine höhere Wiederholpräzision und Auflösung. Aufgrund dieser Eigenschaften kommen LVDTs typischerweise in Systemen zum Einsatz, in denen Betriebskosten, Sicherheit und hohe Ausfallsicherheit Prioritäten sind, wie zum Beispiel bei Landeklappen oder Heißdampfventilen, in Unterwasseranwendungen und Kraftwerkanlagen.

Andere Anwendungen, für die sich LVDTs mit freiem Kern anbieten, sind:

• Anwendungen, in denen das Messobjekt mechanisch mit der Referenzfläche oder dem Objekt gekoppelt ist (Ventile, Hydraulikzylinder, Stellglieder, Dehnungsprüfmaschine)
• Messbereiche über 4,00-Zoll-Frequenzgang >10 Hz (Schwingungsmessung)
• Kritische Messungen filigraner oder hochelastischer Materialien, die der Bewegung des Messobjekts wenig oder keinen mechanischen Widerstand entgegensetzen.

Federbelastete LVDTs, auch bekannt als Messtaster oder Wegaufnehmer, sind berührungslose, induktive Wegsensoren, entweder als LVDT oder Halbbrücke ausgeführt, mit einem beweglichen Anker, der einerseits unter dem Druck einer Feder steht und andererseits mit einem präzisionsgelagerten Schaft verbunden ist. Die meisten Messtaster verfügen über einen maximalen Messbereich von ±0,50 mm bis ±50,0 mm (±0,020 in bis ±2,00 in), die Auflösungen betragen Bruchteile von Mikrometern. Die Elektronik kann in die federbelastete Einheit integriert werden – so ist keine externe Elektronik erforderlich, und die mechanische Einrichtung des Sensors in einer automatisierten Umgebung wird vereinfacht und ist kostengünstig möglich.

Elektronische Messtaster werden üblicherweise zur Vermessung von gefertigten Teilen eingesetzt und dienen somit als wichtige Komponenten in Qualitätssicherungssystemen. Zielanwendungen, in denen das Messobjekt nicht mechanisch mit der Referenzfläche gekoppelt ist:

• Schwerindustrie: Hermetisch abgedichtete Messtaster stellen eine Lösung für viele Messanwendungen in rauen Umgebungen dar.
• Hochpräzisionsmessung: Bei Hochpräzisions-Messtastern läuft ein gehärteter und geschliffener, nicht drehender Messschaft in einer geraden Kugellagerschiene, die radiale Auslenkungen und Belastungen absolut minimiert. Dies resultiert in einer außerordentlichen Wiederholpräzision der Taster von 0,000006 Zoll (0,15 μm).
• Qualitätskontrolle in der Montage: Hier empfehlen sich Messtaster, die zur Messwertnahme luftunterstützt ausgefahren und danach federunterstützt zurückgefahren werden – so wird eine Beschädigung des Sensors beim Durchlauf des Produkts auf dem Band vermieden.
• Planheitsmessungen auf Platten
• Bewegung des Messobjekts quer zur Achse: z. B. Messung der Rundheit eines drehenden Teils

LVDT-Sensoren werden in der Regel mit Zuleitungsdrähten spezifiziert, da diese im Allgemeinen kostengünstiger und benutzerfreundlicher als Steckverbinder sind und eine einfache Verbindung mit der Signalkonditionierungselektronik für Tests am Labortisch bieten. In einigen Fällen können Zuleitungsdrähte größere Betriebstemperatur- und Druckbereiche ermöglichen. So sind Zuleitungsdrähte z. B. die bevorzugte elektrische Verbindung für Sensoren in Hochdruckumgebungen, in Zylindern von Hydraulikanwendungen oder bei Betriebstemperaturen von mehr als 200 °C.

Die Empfindlichkeit der Zuleitungsdrähte ist jedoch ein möglicher Nachteil, da die Drähte brechen können, wenn bei der Montage nicht vorsichtig vorgegangen wird. Lange Leitungen können zudem eine mühsame und komplizierte Montage nach sich ziehen. Außerdem können Zuleitungsdrähte Störungen aufnehmen, die die Signalinterpretation durch die Konditionierungsausrüstung und letztlich die Genauigkeit der Sensorausgabe beeinträchtigen können. 

Sensoren mit Steckverbindern lassen sich unabhängig von der Verdrahtung einfacher installieren und deinstallieren. Bei der erneuten Montage eines Sensors können die Steckverbinder einfach gesteckt oder getrennt werden, während Zuleitungsdrähe gebrochen und häufig repariert werden müssen. Steckverbinder können auch mit abgeschirmten Kabelsätzen ausgestattet werden, um größere Entfernungen zwischen dem linearen LVDT-Wegsensor und der Elektronik zu ermöglichen. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn die Sensoren unter rauen Umgebungsbedingungen funktionieren müssen, da eine Verkabelung über eine geringere Widerstandsfähigkeit und Abschirmung gegenüber Störungen durch externe Quellen verfügt.

Wenn Drähte des Kabelsatzes brechen oder herausgezogen werden, muss lediglich der Kabelsatz ersetzt werden, während der restliche LVDT-Sensor weiterhin einsatzfähig ist. Das Brechen oder Abisolieren eines Zuleitungsdrahts durch zu festes Ziehen beschädigt den Sensor irreparabel, sodass ein Ersatzsensor angeschafft werden muss. Mithilfe von Steckverbindern können LVDT-Sensoren hermetisch abgedichtet werden, sodass sie einen Eindringschutzgrad von bis zu IP-68 bieten. Steckverbinder können sperrig sein und passen nur schwer in enge Räume oder in LVDTs mit Anforderungen an eine geringe Paketgröße. 

Für Anwendungen in Zylindern mit Hydraulikflüssigkeit eignet sich gut ein „belüfteter“ LVDT. Belüftete Versionen der linearen LVDT-Wegsensoren verkraften eine Kombination aus Hochdruck, Temperatur, Stößen und Schwingungen, da die Spulenbaugruppe des Sensors belüftet ist, um den Druck inner- und außerhalb des linearen LVDT Wegsensors auszugleichen.

Spezialkonfigurationen für LVDTs bieten zudem eine gewisse Strahlenbeständigkeit und ermöglichen den Betrieb unter Wasser oder unter Hochdruck- bzw. atmosphärischen Bedingungen. So können beispielsweise einige Edelstahlsorten nicht für LVDTs eingesetzt werden, wenn die Sensoren direktem Kontakt mit Meerwasser ausgesetzt sind. Für einen einwandfreien Betrieb in Unterwasserumgebungen sollte das bestehen, die auch in Meerwasser chemische Beständigkeit gewährleisten. Diese Superlegierungen erhöhen die ohnehin schon hohe Zuverlässigkeit der LVDT-Baugruppe und sorgen so dafür, dass sie die Anforderungen an eine längere Nutzungsdauer selbst dann erfüllt, wenn das Gerät in Tiefen von bis zu 4,5 km bei einem Außendruck von ca. 7.500 psi vollständig Meerwasser ausgesetzt ist.

Die externe Abdichtung von nicht hermetisch abgedichteten LVDT-Wegsensoren erfüllt IEC-Norm IP61. Diese Sensoren sind gegen Staubeintritt und Kondensation geschützt und eignen sich daher für folgende Anwendungen:

• Trockene Umgebungen mit begrenztem Staub-/Schmutzaufkommen
• Laboruntersuchungen 
• Anwendungen für Innenräume
• Präzisions-Messanwendungen
• Ersatz für Messuhren
• Positionsrückmeldung von Roboteraktuatoren

Mit komplett expoxydumgossenen Spulen steigern nicht hermetisch abgedichtete LVDT-Wegsensoren ihren IP-Schutz auf IP64, was sie für den Einsatz in Umgebungen qualifiziert, in denen mit starker Feuchtigkeit zu rechnen ist.

Hermetisch abgedichtete LVDTs bestehen komplett aus Edelstahl, und die Spulenwicklungen sind gegen widrige Einflüsse nach IEC-Norm IP68 geschützt. Diese Sensoren sind vollkommen gegen Staubeintritt geschützt und können längere Zeit bis zu einem bestimmten Druck unter Wasser getaucht werden, ohne dass Wasser in das Gehäuse dringt.

Empfohlene Anwendungen für LVDTs mit der Schutzart IP68 sind:

• Bauwerküberwachung im Freien
• Anwendungen mit Staub, Schmutz, Fett, Feuchtigkeit
• Schwerindustrie
• Ventilposition
  
  

Sensoren, die laut Herstellerangabe IP68 erreichen, bieten nicht notwendigerweise identischen Schutz, müssen aber in jedem Fall IP67 übertreffen. IP68-Sensoren sind dichtgeschweißt, und alle benetzten Teile außer dem Steckverbinder sind aus Metall. Die Sensoren selbst können in Wasser oder andere Flüssigkeit bis zu 1.000 psi getaucht werden, solange sie nicht im Einsatz sind. Der Betrieb unter Wasser hingegen ist nicht möglich, da Wasser in den Gegenstecker treten und einen Kurzschluss herbeiführen kann.

Untertauchbare LVDTs erzielen IP68 mit einem entsprechenden Seacon-Branter Gegenstecker. Steckverbinder und Gegenstecker sind für Drücke bis 5.000 psi oder höher ausgelegt. Diese Einheiten haben eine typische Lebensdauer von 20 Jahren in kritischen Anwendungen, wo der Zugang zum Austausch oder zur Reparatur der Einheit mit hohen Kosten verbunden ist.

Empfohlene Anwendungen:

• Meerwasser oder Süßwasser
• Bauwerküberwachung von Dämmen/Brücken
• Positionsüberwachung von Spulen-/Sicherungsschiebern in Bohrlochköpfen
• Unterwasser-Dehnungsmesser
• Haltetrossen
• Antriebe von kabelgeführten Unterwasserfahrzeugen/Klinkenpositionsrückmeldung