Als Spezialist für Weg-, Abstands- und Positionsmesstechnik möchten wir, die eddylab GmbH, Ihnen auf dieser Seite die Technologie der induktiven Sensoren (LVDT) näher bringen und die Möglichkeiten und Vorteile unserer Wegaufnehmer erläutern. Dies soll Ihnen als Kunde helfen, den richtigen Sensor für Ihre Anwendung zu finden und durch das Verständnis der Grundlagen und charakteristischen Eigenschaften dieser Sensorart einen bestmöglichen Betrieb sicherstellen.
Ein LVDT (Linear Variable Differential Transformer) ist ein analoger Sensor zur Wegmessung. Im Inneren arbeitet ein Spulensystem, bestehend aus einer Primärwicklung und zwei Sekundärwicklungen und wandelt die lineare Bewegung in ein elektrisches Signal.
Von der Elektronik, auch Trägerfrequenzmessverstärker genannt, wird die Primärspule mit einer Wechselspannung gespeist. Ein ferromagnetischer Kern, der im Inneren der rohrförmigen Spulen sitzt und üblicherweise mit dem zu messenden Objekt verbunden ist, induziert Spannung in die Sekundärspulen (Usec).
In der Mittelposition ist der Betrag von Sekundärspule 1 und Sekundärspule 2 gleich groß und hebt sich damit auf. Wird der Kern aus der Mitte herausbewegt, steigt die Spannung in der Spule, in dessen Richtung der Kern verschoben wird. In der anderen Spule sinkt die Spannung (s. Abbildung).
Das Verhältnis dieser Spannungen wird von der Elektronik differentiell ausgewertet und üblicherweise in ein normiertes Ausgangssignal (0...10 V, 4...20 mA, etc.) transformiert. Innerhalb des spezifizierten Messbereiches weisen LVDT-Sensoren eine sehr gute Linearität auf. Die Erweiterung des Messbereichs ist oftmals möglich unter Berücksichtigung einer stärkeren Linearitätsabweichung.
Der ferromagnetische Kern besitzt ein Innengewinde, über das eine sogenannte Kernverlängerung aus antimagnetischem Material montiert wird. Dieser Stößel wird in der Regel an dem sich bewegenden Objekt befestigt und läuft berührungslos im Sensor. Alternativ kann ein LVDT auch mit einer Stößellagerung ausgeführt werden.
Die dritte und zugleich beliebteste Bauform ist der Federtastmechanismus. Über eine im Sensor integrierte Präzisionslagerung und Rückstellfeder kann so auf Objekte gemessen werden, an denen es nicht möglich oder gewünscht ist, eine Bohrung zur Stößelmontage anzubringen. Das Außengehäuse aus rostfreiem Edelstahl oder verchromtem Stahl dient zugleich als magnetische Abschirmung gegenüber externen Störeinflüssen. Zusätzlich kann das Spulensystem mit einer speziellen Abschirmfolie umwickelt werden.
Primär- und Sekundärwicklungen werden je nach Anforderung unterschiedlich ausgeführt. Das untere Bild zeigt eine Langspule in Lagenwicklung, mit der sich sehr gute Linearitäten erreichen lassen. Andere Wickeltechniken bieten zum Teil einen einfacheren Aufbau, was fertigungstechnische Vorteile bringt, oder können ein besseres Verhältnis aus Spulenlänge und Messbereich aufweisen. Das Spulensystem kann als elektrische Halb- oder Vollbrücke geschaltet werden. Alle eddylab LVDT Sensoren werden grundsätzlich als Vollbrücke gebaut. Dies bringt große Vorteile bei der Kompensation von Temperaturfehlern (geringer Temperaturkoeffizient) und macht das Messsystem unempfindlich gegenüber äußeren Störeinflüssen (EMV).
Schematischer Aufbau eines LVDT
LVDT´s der eddylab GmbH werden idealerweise mit einer eddylab Auswerteelektronik, oder Trägerfrequenzmessverstärker genannt, betrieben. Dies garantiert beste Performance und stellt für den Kunden die schnellste und einfachste Möglichkeit dar, einen induktiven Sensor zu installieren. Selbstverständlich ist sowohl der Betrieb als AC-Version ohne Messverstärker möglich, als auch der Anschluss an eine Elektronik eines Fremdherstellers.
Die eddylab Produktphilosophie schreibt vor, empfindliche Bauteile aus dem Sensor zu entfernen, um möglichst robuste Sensoren zu erhalten, die Vibration, Schock und extremer Temperatur widerstehen.
Sogenannte DC-LVDT´s mit integrierter Elektronik haben oftmals eine obere Betriebstemperatur von nur +85°C und weisen einen höheren Temperaturkoeffizienten auf (Änderung des Ausgangssignals in Folge von Temperaturänderung ohne Bewegung des Kerns). Unsere LVDT´s hingegen können standardmäßig bis 120°C dauerhaft betrieben werden, optional sind Geräte bis 200°C und 230°C erhältlich.
Der Messverstärker findet geschützt Platz im Schaltschrank oder wird integriert in das Sensoranschlusskabel als Kabelelektronik. Darüber hinaus bietet eine externe Elektronik weitere entscheidende Vorteile:
Im Sensorgehäuse integrierte Messverstärker sind einfacher aufgebaut. Sie bieten den Vorteil der „All-in-one“-Lösung und geben direkt ein analoges Signal aus. Es wird kein zusätzlicher Platz für eine Elektronik benötigt und bei großen Stückzahlen bieten sich Kostenvorteile.
LVDT´s sind durch ihre vielfältigen Bauformen fast universell einsetzbar. Unter Laborbedingungen werden sie gerne zur Qualitätsüberwachung eingesetzt, in Maschinen zur kontinuierlichen Überwachung der Fertigung.
Ihr volles Potential schöpfen sie jedoch bei anspruchsvollen Anwendungen aus. Typisch sind hier Applikationen, bei denen es auf hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit ankommt (Militär, Luftfahrt, Turbinen, Kraftwerke, Fabrikautomation, etc.).
Die Robustheit in Bezug auf Störempfindlichkeit, extreme Betriebstemperaturen, schnelle Temperaturwechsel und Vibrationen qualifizieren sie für anspruchsvolle Anwendungen in allen industriellen Bereichen. Hohe IP-Schutzklassen und hochwertige Gehäusematerialien wie Edelstahl und Titan machen Applikationen unter Wasser möglich. Unbeschadet überstehen diese Wegaufnehmer auch den Kontakt mit aggressiven Chemikalien, beispielsweise zur Reinigung oder Desinfektion in Maschinen zur Lebensmittelproduktion bzw. Verpackungsanlagen. Die druckdicht konstruierten Versionen werden zur Steuerung und Regelung in Hydraulikzylindern, Servoventilen und Pneumatikzylindern eingebaut.
Weitere Applikationsbeispiele für induktive Sensoren von eddylab GmbH finden Sie hier
Technische Spezifikationen von induktiven Sensoren lassen sich in weiten Grenzen verschieben durch Anpassung der Konstruktion, die sorgfältige Auswahl der verwendeten Materialien und eingesetzten Fertigungstechnologien. Unabhängig davon ändern sich die grundlegenden herausragenden Eigenschaften des LVDT Messprinzips jedoch nicht:
Die eddylab GmbH bietet LVDT Sensoren mit Messbereichen von ±1 mm (2 mm) bis zu ±300 mm (600 mm) an. Das Standardprogramm teilt sich in vier verschiedene Baureihen auf und stellt sicher, für fast jede Anwendung ein passendes Messsystem anbieten zu können:
Die Standardserie SM mit Edelstahlgehäuse und einem Gehäusedurchmesser von 12 mm kann als Variante mit freiem Stößel, gelagertem Stößel oder Federtaster ausgeführt werden. Offene Bauformen mit durchgehender Sensorbohrung eignen sich für extreme Verschmutzungen. Alle Geräte können mit festem Kabelausgang oder M12 Steckverbinder in radialer oder axialer Richtung ausgestattet werden. Der Federtastmechanismus bietet zusätzlich einen Spanndurchmesser von 8 mm und kann durch den Einsatz eines Faltenbalges vor Feuchtigkeit und Schmutz geschützt werden. Alternativ steht eine Variante mit kombiniertem Abstreif- und Dichtring zur Verfügung. Beispiele der SM-Serie:
Die SLX-Serie leitet sich von der SL-Serie ab und wurde speziell für den Einsatz in Applikationen der Pharma-, Medizin- und Lebensmittelindustrie optimiert. Zur Reduzierung von Maschinenstillstandszeiten sind heutzutage CIP und SIP („cleaning in place“, „sterilisation in place“) Reinigungs- und Sterilisationsvorgänge Stand der Technik. Hierzu wird der Maschineninnenraum thermisch und/oder chemisch mit hoher Temperatur, Druck und aggressiven Medien gereinigt. Für den Einsatz in diesem Bereich sind die Geräte der SLX Serie perfekt gerüstet und garantieren dank äußerst robuster Konstruktion, einem komplett abgedichteten Edelstahlgehäuse sowie hoher Medien- und Temperaturbeständigkeit höchste Zuverlässigkeit und Lebensdauer.
Der LVDT Digitalcontroller von eddylab, an den wahlweise ein oder zwei Sensoren angeschlossen werden können, verbessert die Linearität von induktiven Wegaufnehmern jetzt erheblich. Der digitale Controller konditioniert, digitalisiert und linearisiert das Sensorsignal und gibt es als Spannungs- oder Stromsignal sowie über CAN-Bus oder USB-Schnittstelle aus. Die Messwerte des LVDT Digitalcontrollers können mithilfe der speziell von eddylab entwickelten Analysesoftware eddyMOTION visualisiert und konfiguriert werden.
Bei allen eddylab Sensoren können Sie sich auf Präzision bis in den Submikrometerbereich verlassen.
Bei der Entwicklung der induktiven Wegaufnehmer wurde großer Wert auf folgende Eigenschaften gelegt:
Abb: Beispiel Einbau Hydraulikzylinder
Ein LVDT erzeugt an seinen Sekundärspulen ein Wechselspannungssignal (Usec), abhängig von der Position des Kerns. Dieses Signal geht in der Mitte des Messbereiches gegen Null und steigt an, falls der Stößel aus der Mittelstellung heraus bewegt wird. Die Elektronik formt dieses Signal in ein lineares analoges Ausgangssignal um. Für einen Analogausgang von z. B. 0...10 V wird in der Mittelstellung des Stößels 5 V ausgegeben, für einen Stromausgang von 4...20 mA entsprechend 12 mA. Im Falle eines Kabelbruchs zwischen Sensor und Elektronik liegt kein Signal am Eingang der Elektronik an. Die Sekundärspannung Usec wird durch den Bruch zu Null und dies entspricht der Mittelstellung des Stößels. Herkömmliche Gerate interpretieren dieses Signal irrtümlich als Messbereichsmitte und geben ein falsches Analogsignal aus. Dies kann z.B. bei einer Weiterverarbeitung der Signale durch eine Steuerung zu Fehlfunktionen in einer Anlage oder Maschine führen.
Die neu entwickelte Elektronik der eddylab GmbH besitzt eine integrierte Kabelbrucherkennung. Hierzu dient eine Impedanzmessung der Sekundärspule des LVDT's. Wird das Sensorkabel durchtrennt, ändert sich die Impedanz an der Elektronik unabhängig von der Kernstellung und die Kabelbrucherkennung wird ausgelöst. Voraussetzung ist hierzu die Durchtrennung der Anschlüsse der Sekundärspule des Sensors. Ein Teilbruch lediglich der Anschlüsse zu den Primärspulen aktiviert diese Funktion nicht. Je nachdem, ob eine IMCA oder KAB eingesetzt wird, werden verschiedene Funktionen durch die Kabelbrucherkennung aktiviert:
Funktionen bei aktiver Kabelbrucherkennung
IMCA
KAB
Abb.: IMCA Alarmfunktion
Die eddylab GmbH achtet bei der werksseitigen Kalibrierung auf bestmögliche Linearität. Aufgrund leicht unterschiedlicher Spulencharakteristiken sowie Einflüsse von anderen verwendeten Bauteilen, kann der Messbereichsanfang leicht variieren. Bitte folgen Sie den Abbildungen, um den Messbereichsanfang des Sensors zu finden.
Bitte beachten Sie, dass sich Nullpunkt und Verstärkung bei großen Leitungslängen zwischen Sensor und Elektronik verschieben können. Installieren Sie daher den Sensor mit der erforderlichen Leitungslänge zur Elektronik und nehmen Sie dann die Einstellung von Nullpunkt und Verstärkung vor. Für maximale Präzision empfehlen wir den Einsatz von Endmaßen, um den Stößel in eine bestimmte Position zu bringen (Messbereichsanfang/ -ende).
1. Bewegen Sie den Stößel an den Messbereichsanfang:
2. Offset einstellen: Stellen Sie mit Hilfe des Offset Potentiometers das Ausgangssignal auf 4,000 mA (für 4...20 mA) oder 0,000 V (für 0...10 V).
3. Bewegen Sie den Stößel an das Messbereichsende: z. B. SM25-T: Abstand zwischen Sensor und Tastspitze = 30 mm (5 + 25 mm) z. B. SL100-G: Abstand zwischen Sensor und M8 Mutter = 115 mm (15 + 100 mm)
4. Verstärkung einstellen: Stellen Sie mit Hilfe des Verstärkungspotentiometers das Ausgangssignal auf 20,000 mA oder 10,000 V ein.
5. Kontrollieren Sie das Ausgangssignal an Messbereichsanfang und -ende. Sollte es leichte Abweichungen geben, wiederholen Sie bitte nochmals die Schritte 2-4.
Hinweis:
Ausgangssignal 0...20 mA: Einstellung analog zu 4...20 mA
Ausgangssignal 0...5 V: Einstellung analog zu 0...10 V
Ausgangssignal ±5 V, ±10 V: Bewegen Sie den Stößel in die Messbereichsmitte (SM25-T: 17,5 mm, SL100-G: 65 mm). Stellen Sie den Offset auf 0,000 V. Bewegen Sie den Stößel an Messbereichsanfang und -ende und kontrollieren Sie, ob die Werte identisch sind (z. B. -10,035 V und +10,035 V). Sollte das nicht der Fall sein, korrigieren Sie mit Hilfe des Offset Potentiometers. Anschließend stellen Sie die Verstärkung auf 5,000 V (-5,000 V) bzw. 10,000 V (-10,000 V).
Richtungsumkehr: Sollten Sie ein invertiertes Ausgangssignal benötigen (20...4 mA/ 10...0 V/ 5...0 V), so tauschen Sie die Klemmen 6 und 8 (Sekundärspule) an der Externelektronik.
Die eddylab GmbH bietet ein umfangreiches Zubehörprogramm für seine induktiven Sensoren an wie Kabel, Montagezubehör, selbstkonfektionierbare Steckverbinder, Anzeigen, etc. Besonderes Augenmerk sollte auf Tastspitzen gelegt werden, die als Zubehör für die Messtaster der SM-Serie angeboten werden. Es stehen unterschiedliche Geometrien und Materialien zur Verfügung, um den Einsatz des Sensors auf die Applikation hin zu optimieren.
Stahl: Standardvariante, ausreichend für die meisten Anwendungen
Hartmetall: Hartmetall bestückte, oder mit einer Hartmetallkugel versehene Messspitzen, deutlich weniger Verschleiß
Rubin: deutlich härter und verschleißfester als Stahl, elektrisch nicht leitend, für alle Anwendungen außer Tasten auf Aluminium und Gusseisen
Keramik: vergleichbare Eigenschaften wie Rubin, jedoch ideal für Aluminium und Gusseisen
