Linearer variabler Differenztransformator - Linear variable differential transformer

Schnittdarstellung eines LVDT. Strom wird durch die Primärspule bei A getrieben , wodurch ein Induktionsstrom durch die Sekundärspulen bei B erzeugt wird .

Der lineare variable Differenztransformator ( LVDT ) (auch linearer variabler Wegtransformator , linearer variabler Wegaufnehmer oder einfach Differentialtransformator genannt ) ist eine Art elektrischer Transformator, der zum Messen der linearen Verschiebung (Position) verwendet wird. Ein Gegenstück zu diesem Gerät, das zur Messung der Drehverdrängung verwendet wird, wird als Drehvariabler Differentialtransformator ( RVDT ) bezeichnet.

Einführung

LVDTs sind robuste, absolute lineare Positions-/Wegaufnehmer; Da sie von Natur aus reibungsfrei sind, haben sie bei sachgemäßer Verwendung eine praktisch unbegrenzte Lebensdauer. Da wechselstrombetriebene LVDTs keine Elektronik enthalten, können sie für den Betrieb bei kryogenen Temperaturen oder bis zu 1200 °F (650 °C), in rauen Umgebungen und unter hohen Vibrations- und Stoßbelastungen ausgelegt werden. LVDTs werden häufig in Anwendungen wie Leistungsturbinen , Hydraulik , Automatisierung, Flugzeugen , Satelliten, Kernreaktoren und vielen anderen eingesetzt. Diese Wandler haben eine geringe Hysterese und eine ausgezeichnete Wiederholbarkeit.

Der LVDT wandelt eine Position oder lineare Verschiebung von einer mechanischen Referenz (Null- oder Nullposition) in ein proportionales elektrisches Signal um, das Informationen zu Phase (für Richtung) und Amplitude (für Abstand) enthält. Der LVDT-Betrieb erfordert keinen elektrischen Kontakt zwischen dem beweglichen Teil (Sonden- oder Kernbaugruppe) und der Spulenbaugruppe, sondern beruht stattdessen auf einer elektromagnetischen Kopplung.

Betrieb

Der lineare variable Differentialtransformator weist drei solenoidal Spulen Ende-zu-Ende um ein Röhrchen gegeben. Die mittlere Spule ist die Primärspule und die beiden äußeren Spulen sind die oberen und unteren Sekundärspulen. Ein zylindrischer ferromagnetischer Kern, der an dem zu messenden Objekt befestigt ist, gleitet entlang der Rohrachse. Ein Wechselstrom treibt die Primärwicklung an und bewirkt , dass in jeder Sekundärwicklung eine Spannung induziert wird, die proportional zur Länge des mit der Sekundärwicklung verbundenen Kerns ist. Die Frequenz liegt üblicherweise im Bereich von 1 bis 10 kHz .

Wenn sich der Kern bewegt, ändert sich die Verbindung der Primärspule mit den beiden Sekundärspulen und bewirkt, dass sich die induzierten Spannungen ändern. Die Spulen sind so geschaltet, dass die Ausgangsspannung die Differenz (daher "Differential") zwischen der oberen Sekundärspannung und der unteren Sekundärspannung ist. Wenn sich der Kern in seiner mittleren Position befindet, äquidistant zwischen den beiden Sekundärspulen, werden in den beiden Sekundärspulen gleiche Spannungen induziert, aber die beiden Signale heben sich auf, so dass die Ausgangsspannung theoretisch Null ist. In der Praxis bedeuten geringfügige Variationen in der Art und Weise, wie die Primärseite mit jeder Sekundärseite gekoppelt ist, dass eine kleine Spannung ausgegeben wird, wenn der Kern zentral ist.

Diese kleine Restspannung ist auf Phasenverschiebung zurückzuführen und wird oft als Quadraturfehler bezeichnet. Dies ist in geschlossenen Regelkreisen ein Ärgernis, da es zu Schwingungen um den Nullpunkt führen kann und auch bei einfachen Messanwendungen inakzeptabel sein kann. Dies ist eine Folge der Verwendung einer synchronen Demodulation mit direkter Subtraktion der Sekundärspannungen bei Wechselstrom. Moderne Systeme, insbesondere Sicherheitssysteme, erfordern eine Fehlererkennung des LVDT, und die normale Methode besteht darin, jede Sekundärseite separat zu demodulieren, unter Verwendung von Präzisions-Halbwellen- oder Vollwellen-Gleichrichtern, basierend auf Operationsverstärkern, und die Differenz durch Subtrahieren der DC-Signale zu berechnen . Da bei konstanter Erregerspannung die Summe der beiden Sekundärspannungen über den gesamten Arbeitshub des LVDT nahezu konstant ist, bleibt ihr Wert innerhalb eines kleinen Fensters und kann so überwacht werden, dass bei internen Fehlern des LVDT die Summenspannung zu von seinen Grenzwerten abweichen und schnell erkannt werden, wodurch ein Fehler angezeigt wird. Bei diesem Schema gibt es keinen Quadraturfehler, und die positionsabhängige Differenzspannung geht am Nullpunkt glatt durch Null.

Wenn im System eine digitale Verarbeitung in Form eines Mikroprozessors oder FPGAs vorhanden ist, ist es üblich, dass die Verarbeitungseinrichtung die Fehlererkennung und ggf. ratiometrische Verarbeitung zur Verbesserung der Genauigkeit durch Dividieren der Differenz der Sekundärspannungen durch die Summe von durchführt die Sekundärspannungen, um die Messung unabhängig von der exakten Amplitude des Anregungssignals zu machen. Wenn genügend digitale Verarbeitungskapazität zur Verfügung steht, wird es üblich, diese zu verwenden, um die sinusförmige Anregung über einen DAC zu erzeugen und möglicherweise auch die sekundäre Demodulation über einen gemultiplexten ADC durchzuführen .

Wenn der Kern nach oben verschoben wird, steigt die Spannung in der oberen Sekundärspule, während die Spannung in der unteren abnimmt. Die resultierende Ausgangsspannung steigt von Null an. Diese Spannung ist in Phase mit der Primärspannung. Wenn sich der Kern in die andere Richtung bewegt, steigt auch die Ausgangsspannung von Null an, aber ihre Phase ist der der Primärwicklung entgegengesetzt. Die Phase der Ausgangsspannung bestimmt die Richtung der Verschiebung (nach oben oder unten) und die Amplitude gibt den Betrag der Verschiebung an. Ein Synchrondetektor kann eine vorzeichenbehaftete Ausgangsspannung bestimmen, die sich auf die Verschiebung bezieht.

Der LVDT ist mit langen, schlanken Spulen ausgestattet, um die Ausgangsspannung bei einer Verschiebung von bis zu mehreren Zoll (einige hundert Millimeter) im Wesentlichen linear zu machen.

Der LVDT kann als absoluter Positionssensor verwendet werden. Auch wenn die Stromversorgung ausgeschaltet ist, zeigt der LVDT beim Neustart die gleiche Messung an, und es gehen keine Positionsinformationen verloren. Seine größten Vorteile sind Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit, sobald es richtig konfiguriert ist. Abgesehen von der einachsigen Linearbewegung des Kerns beeinflussen auch alle anderen Bewegungen wie die Drehung des Kerns um die Achse seine Messungen nicht.

Da der Gleitkern die Innenseite des Rohres nicht berührt, kann er sich ohne Reibung bewegen, was den LVDT zu einem äußerst zuverlässigen Gerät macht. Das Fehlen jeglicher Schleif- oder Drehkontakte ermöglicht eine vollständige Abdichtung des LVDT gegenüber der Umgebung.

LVDTs werden häufig zur Positionsrückmeldung in Servomechanismen und zur automatisierten Messung in Werkzeugmaschinen und vielen anderen industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen verwendet.

Siehe auch

Verweise

  • Baumeister, Theodor; Marks, Lionel S., Hrsg. (1967), Standard Handbook for Mechanical Engineers (7. Aufl.), McGraw-Hill, LCCN  16-12915

Externe Links