Sensoren - Carl-Engler

Grundlagen zur Messtechnik
Carl-Engler-Schule Karlsruhe
CPL, CCL,CCF,2BKC
Sensoren
1.
Definitionen
Der Begriff Sensor ist noch nicht genormt, wird aber weltweit nach der angegebenen Beschreibung
verwendet.
Das Gegenstück zum Sensor ist der Aktor, der durch elektrische Signale gesteuert wird und im Prozess
physikalische Größen beeinflussen kann.
2.
Technologische Ausführung von Sensoren
2.1
Basissensoren
Die minimale Funktionseinheit, die obige Bedingungen erfüllt, ist ein Basissensor.
Beispiele für Basissensoren sind:
•
•
•
2.2
Thermoelement
Dehnungsmess-Streifen
Feldplatte
Verbundsensoren
Ein Verbundsensor besteht aus der Kombination mehrerer Basissensoren zu einer Baueinheit, um Parameter
zu kontrollieren oder indirekt bestimmbare Größen zu erfassen.
Beispiele für Verbundsensoren sind:
•
•
•
Feuchte- / Temperatursensor
Fotodiodenarray
Faseroptisches Interferometer mit elektronischem Detektorsystem
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Grundlagen zur Messtechnik
2.3
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Sensorsysteme
Wird das elementar gewonnene Signal bereits im Sensor aufbereitet bzw. weiter verarbeitet oder sind zum
Betrieb notwendige Zusatzfunktionen integriert, spricht man von einem Smart-Sensor oder einem
Sensorsystem.
Beispiele für Sensorsysteme sind:
•
•
•
2.4
Pt-100 Widerstandsthermometer mit Linearisierung
Fotomultiplier
Drehwinkelgeber mit Digitalausgang
Messgeräte / Messsysteme
Die vom Sensor abgegebenen Signale müssen häufig mit einer speziellen Elektronik aufbereitet und
ausgewertet werden. Der gesamte Weg von der physikalischen Grösse zum standardisierten elektrischen
Signal oder zur Anzeige des Messwertes wird oft in einem einzigen Gerät zusammengefasst. Hierfür können
die Begriffe Messgerät bzw. Messsystem verwendet werden.
Beispiele für Messgeräte / Messsysteme sind:
•
•
•
•
•
elektronische Waage
Fotometer
Schallpegelmessgerät
Dosimeter
Anemometer
In einem automatisierten Prozess werden Prozessgrößen durch Sensoren erfasst. Die elektrischen Signale
werden von einem Messgerät gemessen, eventuell in eine andere Größe umgerechnet und an das Leitsystem
weiter gereicht. Es gibt auch Sensoren, die direkt über das Netzwerk mit dem Leitsystem kommunizieren.
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3.
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Sensorübersicht
Geordnet nach Messgrößen
Sensoren für geometrische Größen:
•
•
•
Position
Abstand
Winkel
•
•
•
Richtung
Dehnung
Füllstand
•
•
•
Schichtdicke
Korngröße
Wellenlänge
•
•
•
Volumenstrom
Massenstrom
Vibration
•
•
Phasenverschiebung
Beschleunigung
•
Beschleunigung
•
Grenzflächenspannung
•
Spezifische Wärmen
•
•
•
pH-Wert
Redoxpotential
Teilchen-Beweglichkeit
Sensoren für Bewegungsgrößen:
•
•
•
Weg
Geschwindigkeit
Drehfrequenz
Sensoren für Kräfte und daraus abgeleitete Größen:
•
•
•
Kraft
Druck
Spannung
•
•
•
Drehmoment
Härte
Elastizitätsmodul
Sensoren für hydrostatische und hydrodynamische Größen:
•
•
Druck
Vakuum
•
•
Viskosität
Strömungsgeschwindigkeit
Sensoren für thermometrische und kalorimetrische Größen:
•
•
Temperatur
Wärmemenge
•
•
Wärmeleitfähigkeit
Temperaturleitfähigkeit
Sensoren für chemische Größen und Anteile spezieller Substanzen:
•
•
Anwesenheit spez.
Substanzen
Volumenanteil
•
•
•
Massenanteil
Leitfähigkeit
Feuchtegehalt
Sensoren für elektrische und magnetische Größen:
•
elektrisches Potential
•
magnetische Induktion
Sensoren für elektromagnetische Strahlung:
•
•
•
Reflexion
Absorption
Transmission
•
•
•
Polarisation
Extinktion
Strahlungsleistung
•
Strahlungstemperatur
•
•
Lichtdichte
Beleuchtungsstärke
•
Farbort
•
Dosis
•
Energie
Sensoren für optische Größen:
•
•
Brechungsindex
Strahlungsleistung
Sensoren für ionisierende Strahlung:
•
Aktivität
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4.
Signale
4.1
Signal
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Ein Signal ist eine veränderbare, meist elektrische (manchmal auch optische, pneumatische oder
hydraulische) Größe, deren Wert eine bestimmte Bedeutung hat. Als Signalgröße bei elektrischen Signalen
werden häufig folgende Größen verwendet:
Aktiv:
Spannung, Strom, Ladung, Frequenz, Tastgrad
Passiv:
Widerstand, Kapazität, Induktivität
Ein Signal besitzt zu jedem Zeitpunkt einen bestimmten Signalwert.
4.2
Binäre und Digitale Signale
Bei einem Binärsignal sind nur zwei unterscheidbare Zustände zugelassen (z.B. positive oder negative
Spannung). Diese beiden Zustände werden meist durch die Ziffern 0 und 1 unterschieden. Beim 24VBinärsignal sind z.B. die Bereiche „1“ +13V bis +35V und „0“ -35V bis 4,5V festgelegt.
Bei einem Digitalsignal sind mehrere Binärsignale
zusammengefasst. Die zugehörigen Nullen und Einsen
werden als Dualzahl beschrieben. Mit 8 Stellen lassen
sich 2^8 = 256 Zustände erzeugen. Wenn jedem
Zustand eine Bedeutung zugeordnet wird (z.B. ein
Buchstabe oder Zeichen) spricht man von einem Code.
Bei einem Parallel-Signal sind die einzelnen Zuständig
gleichzeitig (z.B. auf verschiedenen Leitungen)
vorhanden, bei einem Seriell-Signal folgen die
Zustände zeitlich aufeinander (z.B. in einem festen
Takt).
Eine einzelne Stelle, die den Wert 0 oder 1 haben kann, wird als ein Bit (binary digit) bezeichnet. Mit der
Kombination von 8 bit = 1 byte lassen sich 256 Zeichen codieren. 1024 byte = 1kbyte (nicht 1000 byte) und
1024 kbyte = 1Mbyte beschreiben größere Informationsmengen.
Hexadezimalzahlen können jeweils ein byte durch zwei (von 16) Zeichen darstellen (0, 1, 2, ...9, A, B, C,
D ,E, F). Messwerte werden häufig im sog. ASCII-Code übertragen oder gespeichert, bei dem jedes Zeichen
mit einem eigenen byte dargestellt wird. Als Digitalsignal werden manchmal nur Signale verstanden, die zeitund wertdiskret sind (Abtastsignale).
4.3
Analoge Signale
Bei einem Analogsignal kann die Signalgröße in einem
festgelegten Bereich jeden beliebigen Zwischenwert
annehmen. Den Werten der Signalgröße wird eine
Bedeutung zugeordnet (z.B. I=4mA entsprechen einem
Druck von p=1bar, I=20mA entsprechen p=9bar).
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5.
Sensor-Verhalten
5.1
Statisches Verhalten
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Die statische Kennlinie beschreibt den Zusammenhang zwischen der physikalischen bzw. geometrischen
Eingangsgröße und der informationstragenden Größe des Ausgangssignals. Bei der Aufnahme der Kennlinie
dürfen keine zeitlichen Schwankungen mehr zu beobachten sein. Die Steigung der Kennlinie liefert den Wert
der Empfindlichkeit. Ist die Kennlinie eine Gerade, ist die Empfindlichkeit konstant. Bei manchen Sensoren
führt nicht jede Eingangs-Änderung zu einer Änderung des Ausgangssignals. Dies wird durch die Begriffe
Quantisierungsfehler bzw. Hysterese beschrieben.
5.2
Empfindlichkeit, Auflösung, Genauigkeit, Präzision, Richtigkeit
Die Empfindlichkeit (auch Steilheit oder Übertragungsfaktor) gibt die Steigung der statischen Kennlinie an.
Liegt keine Gerade vor, wird die differentielle Steigung angegeben. Eine Verschiebung wird mit Offset (oder
manchmal auch fälschlich Nullpunkt) bezeichnet.
Die Auflösung bezieht sich auf die Kombination Sensor plus Messgerät für die Signalgröße. Sie gibt an,
welche kleinste Änderung der Messgröße noch durch die Signalwerte unterschieden werden kann.
Die Genauigkeit gibt den maximalen Fehler an, der entsteht, wenn von dem gemessenen Ausgangssignal des
Sensors über die statische Kennlinie (Kalibrierkurve) auf die Eingangsgröße zurück geschlossen wird. Die
Genauigkeit ist abhängig von der Steigung der Kalibrierkurve, deren systematischem Fehler, der
Messunsicherheit und der Auflösung oder mit anderen Begriffen von Präzision und Richtigkeit.
Ein Sensor mit hoher Präzision liefert eine Signalgröße mit nur kleinen statistischen Schwankungen.
Messungen, bei denen die Merkmalswerte nahe beieinander liegen, können trotzdem bezüglich ihrer
Reihenfolge und ihrer relativen Abstände unterschieden werden. Allerdings können die Werte bei
gleichzeitiger geringer Richtigkeit weitab vom tatsächlichen, richtigen Wert liegen.
Ein Sensor mit hoher Richtigkeit liefert einen Wert, der dem tatsächlichen, richtigen Wert nahe liegt.
Allerdings kann bei gleichzeitiger geringer Präzision eine große Streuung auftreten. Eine Angabe setzt
voraus, dass der richtige Wert bekannt ist.
5.3
Dynamisches Verhalten
Bei schnellen Änderungen der Eingangsgröße kann das Ausgangssignal des Sensors verzögert reagieren oder
"Überreaktionen" zeigen. Die dynamische Kennlinie zeigt in der Regel die Signalantwort des Sensors auf eine
sprungartige Änderung der Eingangsgröße (Sprungantwort). Wenn nur die Größe, nicht aber die Form der
Sprungantwort von der Größe des Eingangssprungs abhängt (Proportionalität), verhält sich der Sensor als
"Lineares System".
5.4
Quereffekte
Das Ausgangssignal kann neben der Messgröße auch durch andere Größen beeinflusst werden (Feuchte,
Druck, Magnetfeld). Diese Größen müssen kontrolliert konstant gehalten oder als Parameter miterfasst und
in der Kennlinienfunktion berücksichtigt werden.
5.5
Betriebsbereiche und Grenzwerte
Kennlinien und Kennwerte gelten für die angegebenen Betriebsbereiche (z.B. bezüglich der Temperatur).
Ein Betrieb außerhalb der Grenzwerte kann zu einer dauerhaften Beeinträchtigung oder Beschädigung des
Sensors führen.
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6.
Anschaltung
6.1
Einheitssignale
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Aktive Sensoren liefern ihre Information z.B. als Spannung (Thermoelement), Strom (Fotozelle), Ladung
(Piezosensor), Frequenz (Tacho), Phase oder Tastgrad. Nur in wenigen Fällen kann eine größere Entfernung
störsicher überbrückt werden. Der Sensor wird daher mit einer elektronischen Schaltung kombiniert, die
standardisierte Signale liefert. Normalerweise findet hier auch eine Linearisierung statt. Die Umrechnung
kann mit einer multiplikativen Konstante (Steigung, Verstärkung, gain) und einer additiven Konstante
(Abschnitt, Verschiebung, offset) erfolgen. Es kann immer nur ein Analogsignal auf einer Leitung übertragen
werden.
Einheitssignal 0 . . . 10 V
Der gesamte Messbereich des Sensors (z.B. 1 bar bis 5 bar) wird auf den
Spannungsbereich von 0V bis 10V abgebildet. Spannungen lassen sich leicht stabilisieren, so dass sie von der
Belastung weitgehend unabhängig sind. Nachteilig ist der Spannungsabfall auf den Leitungen, so dass nur
kurze Entfernungen überbrückt werden können.
Einheitssignal 0 . . . 20 mA
Der gesamte Messbereich des Sensors (z.B. 1 bar bis 5 bar) wird auf den
Strombereich von 0mA bis 20mA abgebildet. Eine Stromquelle mit stabilisiertem Strom passt die Spannung an
den angeschlossenen Widerstand an. Fast beliebig große Entfernungen (km-Bereich) lassen sich so
überbrücken. Nachteilig ist, dass zur Messung der Stromkreis aufgetrennt werden muss, um das Amperemeter
anzuschalten. Beträgt der Eingangswiderstand am Empfänger 500 Ohm, ergibt sich dort gerade ein
Spannungsbereich von 0V bis 10V. Manchen Sensoren ist ein solches Widerstandsbauteil beigelegt.
Einheitssignal 4 . . . 20 mA (lebender Nullpunkt)
Um einen Messwert an der Untergrenze des
Messbereichs von einem Leitungsbruch unterscheiden zu können, ist der zulässige Strombereich auf 4mA
(Untergrenze des Messbereichs) bis 20 mA (Obergrenze des Messbereichs) eingeschränkt. Natürlich müssen
hier andere Umrechnungskonstanten verwendet werden.
Mit einfachen Schaltungen lassen sich die einzelnen Standards ineinander überführen. Der Verstärker der
dritten Schaltung sorgt für ausreichenden Strom bei hochohmigem Sensor-Ausgang. Er ist an eine eigene
Stromversorgung angeschlossen.
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Standardschnittstellen
Standardschnittstellen des Computers werden auch häufig für den Anschluss von Prozess-Geräten
verwendet. Um eine Anbindung an das Systemnetzwerk des Leitsystems zu erhalten, muss der zugehörige
Computer sowohl einen Netzwerkanschluss besitzen als auch durch ein Anwenderprogramm die Schnittstelle
bedienen. Verbreitete Computer-Schnittstellen sind:
• Serielle Schnittstelle RS-232 (COM, V.24) oder RS485
• USB
• Fire Wire (iLink, IEEE1394)
• IEC-Bus (IEEE-488, IEC-625, GPIB, HP-IB)
Für die Parametrierung und Datenabfrage von Geräten der Feld- bzw. Funktionsebene werden auch portable
Geräte verwendet. Diese kommunizieren oft über die Infrarot-Schnittstelle IrDA (Infrared Link), mit der sich
etwa ein Meter überbrücken lässt..
Zunehmend setzt sich USB dort durch, wo bei kurzen Abständen (bis 5m) zu einem Host (Steuercomputer,
PC, Laptop, PAC) eine standardisierte Kommunikation bereits zur Verfügung steht oder wo im laufenden
Betrieb Komponenten ausgetauscht werden müssen (hot swap). Geräte mit geringem Strombedarf (bis
500mA) lassen sich auch über das Buskabel versorgen (selfpowered).
6.3
Feldbus
Für unterschiedliche Anforderungen stehen verschiedene Feldbus-Systeme zur Verfügung. Die meisten
verwenden die standardisierte Schnittstelle RS-485, jedoch mit unterschiedlichen Protokollen. Auch wenn
sie sich ganz ähnlich sind, lassen sich die Komponenten nicht miteinander kombinieren. Gegebenenfalls sind
Protokollumsetzer (Gateway) zu verwenden. Wichtige Standards sind:
Bluetooth
Hart-Protokoll (Highway Addressable Remote Transducer)
ModBus, Modbus-RTU, Modbus TCP
CAN (Controller Area Network ISO 11898)
CAN-Open (Europa)
DeviceNet (USA: Rockwell; Allen-Bradley)
ControlNet
FIPIO
IO-Link
Lonworks
Smart Distributed System SDS (Honeywell)
Profibus (DIN 19245, EN 50 170) mit den Leistungsstufen
• Profibus PA (Prozess-Automatisierung)
• Profibus DP (Dezentrale Peripherie)
• Profibus FMS (Fieldbus Message Specification)
• Foundation Fieldbus FF (in Amerika und Asien)
• Interbus-S (DIN 19258)
• CC-Link
• AS-i (Aktor-Sensor-Interface)
Ist in der gesamten Anlage nur ein einziger Feldbus oder Netzwerktyp anzutreffen, spricht man von einem
homogenen Netzwerk (z.B. Ethernet bis zum Sensor). In der Regel wird man aber ein heterogenes Netzwerk
mit unterschiedlichen Kommunikationssystemen antreffen. Eine Initiative, für den Anwender eine
einheitliche Sicht auf den Feldbus oder Netzwerktyp zu schaffen, nennt sich VAN: Virtual Automation
Network.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
6.4
Ethernet
Ein LAN (Local Area Network) ist ein räumlich begrenztes Netzwerk, in dem alle beteiligten Computer Daten
miteinander austauschen können. Fast ausschließlich wird ein LAN als Ethernet betrieben. Der Name stammt
aus einer schon 1973 auf Hawaii entwickelten Technik eines Netzwerks (net) über Funk durch die Luft (ether
= Äther) mit einem speziellen Zugriffsverfahren. Für ein Ethernet gelten Standards, die eine Kombination
unterschiedlicher Hard- und Softwarekomponenten ermöglichen. Zu den Hardware-Komponenten zählen z.B.
•
•
Kabel und Stecker RJ 45 hohe Schutzart IP 67, LWL-Anschluss
Netzwerkkarten im Computer
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Switch (Schalter für Teilnetze)
Router (Übergang auf andere Netze)
Typische Standards sind „Fast Ethernet“ (100MBit/s) und „Gigabit Ethernet“ (1000MBit/s GigE). Diese
Standards beziehen sich z.B. auf:
•
•
elektrische Eigenschaften der Signale (Spannung, Geschwindigkeit)
Art der Codierung (z.B. Manchester-Codierung)
Datenformat
Zugriffsverfahren (z.B. Collision Detect)
Protokoll
Paketaufbau
Das gesamte Netz lässt sich in Segmente einteilen (Subnetze). Über die im Netz(-segment) nur einmal
vorkommende Adresse eines jeden Computers lässt sich die Verbindung herstellen.
•
•
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•
•
•
Ein einheitlicher Standard hat sich nicht herausgebildet. Die einzelnen Systeme verwenden unterschiedliche
Techniken. Sie sind trotz vieler Gemeinsamkeiten nicht direkt miteinander kombinierbar.
•
•
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•
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•
•
•
•
•
•
6.5
Ethernet Powerlink
Ethernet/IP = EIP
EtherCAT
Varan (Versatile Automation Random Access Network);
Modbus-TCP
Profinet
SERCOS III
SafetyNET p
Foundation Fieldbus HSE
FLNet
CC-Link IE
(EPSG/B&R)
(ODVA/Rockwell Automation)
(ETG/Beckhoff)
(Sigmatec)
(Modbus-IDA/Schneider)
(PNO/Siemens)
(Sercos/Rexroth)
(Pilz)
(FF, Rosemeount)
(JEMA/Mitsubishi)
(Mitsubishi)
WLAN
Selbst eine Anlagen-Installation mit einem Feldbussystem erfordert einen hohen Verkabelungsaufwand.
Wireless-Kommunikation ersetzt die Buskabel durch Funkstrecken. Dabei sind im Wesentlichen drei
Standards zu unterscheiden:
•
Wireless WAN (Wireless Wide Area Network)
Für die Datenübertragung über große Entfernungen oder von ständig wechselnden Orten aus werden
die von der Telekommunikation bekannten Netze wie GSM, GPRS, EDGE oder WiMax eingesetzt.
Damit lassen sich Verbindungen zu jedem beliebigen Punkt der Erde herstellen.
•
IWLAN (Industrial Wireless Local Area Network)
Beim IWLAN lassen sich bis etwa 300m Distanz im Freien überbrücken, in Gebäuden ist es deutlich
weniger. Per Funk werden die Daten wie beim Kabel nach dem Protokoll TCP/IP übertragen. Diese
Übertragungsart ist im Standard IEEE 802.15.4 genormt, die Funkfrequenzen liegen im 2.4GHz ISM
Band (Industrial, Scientific, and Medical radio band), das für die
lokale (industrielle)
Kommunikation reseviert ist.
Auf diesen Frequenzen senden auch das private WLAN (für hohen Datendurchsatz), Bluetooth (für
geringen Energiebedarf), ZigBee (Gebäude- und Prozessautomatisierung).
•
Wireless HART (Wireless Highway Addressable Remote Transducer)
WirelessHART arbeitet auf der Ebene der Funktübertragung wie IWLAN ( IEEE 802.15.4, TCP/IP,
2.4GHz), setzt auf das Protokoll von ZigBee auf und ist von der Datenstruktur son organisiert, dass
bereits vorhandene HART-Signale einschließlich des analogen Anteils übertragen werden können.
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Sensoren und Aktoren schaffen die Verbindung zwischen den physikalischen Größen im Prozess und den
digitalisierten Informationen die im Leitsystem verarbeitet werden.
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7.
Entwicklungstendenzen
7.1
Messfunktion
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Neue Effekte, Materialien und Prozesse führen immer wieder zu neuen Messgrößen und Messfunktionen oder
ermöglichen eine kompaktere Bauweise, die neue Einsatzmöglichkeiten bieten. Weitere Ziele sind die
Erweiterung des Messbereichs, eine Erhöhung der Auflösung, höhere Messraten, geringere
Querempfindlichkeit und gute zeitliche Stabilität.
Zunehmend werden Mess- und Auswertefunktionen digitalisiert (Verstärkung, Nullabgleich, Skalierung,
Filterung, Averaging) in den Sensor verlegt. Durch induktive Signalübertragung lassen sich elektrische
Kontakte beim Anschlusskabel vermeiden.
7.2
Adressierung
Sensoren werden mit einer Ethernet-Schnittstelle ausgestattet. Das neue Internet-Protokoll Ipv6 stellt so
viele Adressen zur Verfügung, dass jedem Bauteil dauerhaft und weltweit einmalig eine Adresse zugewiesen
werden kann.
7.3
Identifikation (smart label)
Sensoren werden mit einem Digitalspeicher ausgestattet, der über das Netzwerk bzw. die IP-Adresse mit
einem Browser gelesen werden kann. Der Speicher enthält eine Identifikation des Typs über die vom
Hersteller die technischen Daten eingeholt werden können, sowie eine individuelle Identifikation des
Sensors.
7.4
Historie (smart item)
Der Speicher lässt sich vom Anwender mit Daten wie Beschaffungsdaten, Lieferant, Identifikationen in
Bauteilelisten oder Kalibriertermine beschreiben. Besondere Ereignisse während der Lagerung oder des
Einsatzes wie Betriebsdauer, Überlastung, Verlassen des Temperaturbereichs werden vom Sensor
automatisch erfasst und gespeichert.
7.5
Lokalisierbarkeit
Sensoren innerhalb großer Anlagen lassen sich in einem kleineren Erkennungsradius mit RFID und besonders
bei mobilen System weltweit mit GPS lokalisieren.
7.6
Selbstvernetzung
Die eindeutige IP-Adresse der Bauteile in einer Anlage ermöglicht den eigenständigen Aufbau von
Kommunikationswegen und den Austausch von Informationen.
Über Funk kommunizierende Sensoren integrieren sich selbständig in ein vorhandenes Netzwerk und stehen
als Übertragungs-Stützpunkte für andere Sensoren zur Verfügung. So wird die Reichweite des Netzes
vergrößert und es werden neue Verbindungswege geschaffen.
7.7
Energie-Autarkie
Besonders bei Sensoren ohne Signalleitungen ist es vorteilhaft, wenn sie die benötigte Energie aus ihrer
Umgebung beziehen können (energy harvesting). Besonders folgende Verfahren werden eingesetzt:
•
•
•
•
•
•
Solarzellen
Piezo-Effekt
Seebeck-Effekt (Umkehrung des Peltier-Effekts)
Elektrodynamische Systeme (Induktion, Maschinenschwingungen, strömende Medien)
HF-Strahlung
Elektrochemische Elemente
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10 (12)
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8.
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Sensor-Beispiele
(Die aufgeführten Sensoren werden als obligatorische Unterrichtsinhalte vorgeschlagen)
8.1
Schaltende Sensoren (NAMUR)
(Normenarbeitsgemeinschaft für Mess- und Regeltechnik in der Chemischen Industrie, standardisierte
Anschlüsse, Versorgung und Signale)
8.1.1 Lichtschranke
Die Unterbrechung eines Lichtstrahls ändert den Zustand des binären Signals.
8.1.2 Kapazitiver Näherungsschalter
Polarisierbares Material im offenen elektrischen Feld eines Kondensators ändert die Resonanzfrequenz eines
Schwingkreises.
8.1.3 Induktiver Näherungsschalter
Magnetisierbares Material im Feld eines magnetischen Wechselfeldes verändert die Feldstärke und wird von
einer Feldplatte bzw. einem Hallsensor oder durch Änderung im Resonanzkreis detektiert.
8.2
Potentiometrischer Sensor
Die Schleiferposition wird durch eine lineare Bewegung oder Drehbewegung verändert. Als veränderbarer
Widerstand lässt sich die Position durch Widerstandsmessung ermitteln. Als Spannungsteiler geschaltet wird
die Spannung am Schleifer gemessen (absolut) oder im Verhältnis zur Versorgungsspannung (relativ).
8.3
Widerstandsthermometer RTD
Pt100, Pt500 und Pt1000 sind die gängigsten Widerstandsthermometer mit genormten
Temperaturkoeffizienten. Sie erfordern empfindliche Messsysteme und eine Kompensation der
Leitungswiderstände.
Halbleiterbauelemente (PTC, NTC) besitzen große Temperaturkoeffizienten, müssen aber individuell
kalibriert werden.
8.4
Thermoelement TC
Thermoelemente (häufig Typ J oder Typ K) sind am einfachsten aufgebaut und erfordern keine
Spannungsversorgung und keine Leitungswiderstand-Kompensation. Das Signal liegt im µV-Bereich und liefert
nur relative Werte bezogen auf eine Temperatur-Vergleichsstelle (Kaltstellenkompensation erforderlich).
8.5
Dehnungsmessstreifen DMS
Bei mechanischer Belastung (Dehnung, Stauchung) ändert sich der Widerstand minimal. Eine stabile
Auswertung des Messsignals bei hoher Empfindlichkeit ist nur in einer Brückenschaltung möglich (Viertel-,
Halb- bzw. Vollbrücke). DMS findet man bei Dehnungs-, Masse-, Kraft-, Druck- und Beschleunigungssensoren.
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9.
Spezielle Sensoren für die Prozessmesstechnik
9.1
Drucksensor
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Drucksensoren messen die Dehnung oder Verbiegung einer Membran durch die einwirkende Kraft. Als
Messprinzip findet man Tauchspulen, Piezokristalle und Dehnungsmessstreifen. Bei Gas-Drücken unter 1mbar
werden andere Messprinzipien angewendet (z.B. Messung des Gas-Ionisationsstroms).
9.2
Laufzeit-Abstandssensor (z.B. Ultraschall)
Durch die Laufzeit eines Pulses lässt sich über die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Weg bestimmen. Bei
kurzen Wegen eignen sich Ultraschall-Pulse (c=340m/s, abhängig von Medium, Druck und Temperatur).
Schaum kann die Pulse absorbieren. Bei längeren Wegen lassen sich Licht oder Radar-Pulse einsetzen
(c=3*10^8 m/s).
9.3
Pyrometer
Durch Vergleich der Strahlungsleistung bei verschiedenen IR-Wellenlängen lässt sich die Temperatur
bestimmen (Plancksches Strahlungsgesetz). Verschiedene Strahlungsfilter leiten die Strahlung auf Reihen
von hintereinander geschalteten Thermoelementen. Die Messung erfolgt berührungsfrei.
9.4
Wärmeleitungsanemometer
Ein Heizkörper mit fester thermischer Leistung erwärmt das strömende Medium, dessen Temperatur
stromabwärts an fester Messstelle gemessen wird. Für jede Rohrgeometrie und jedes Medium ist eine
Kalibrierung erforderlich.
9.5
Magnetisch induktiver Durchflusssensor MID
Elektrisch leitende Flüssigkeiten transportieren Ladungsträger (Elektronen, Ionen) durch ein Magnetfeld.
Diese werden quer zum Massenstrom abgelenkt. Diese Ladungstrennung lässt sich als Spannung messen und
auswerten. Der Sensor muss auf das zu messende Medium kalibriert werden. U =k∗B∗D∗v
Mit
9.6
k:
geometrie- und stoffabhängiger Faktor
B:
magnetische Induktion
D:
Rohrdurchmesser
v:
Strömungsgeschwindigkeit
Coriolis-Massendurchflusssensor
Zwei Rohrbögen werden vom Medium durchströmt und durch Umgebungseinflüsse oder spezielle Aktoren zur
Schwingung angeregt. Bei ruhendem Medium ist die Schwingung in beiden Rohren phasengleich und die
Frequenz von der Dichte des Mediums abhängig (die Frequenz steigt quadratisch mit der Dichte). Bei
strömendem Medium verwinden sich die Rohre periodisch. An verschiedenen Messstellen der Rohre zeigen
die Schwingungen eine Phasenverschiebung. Die Phasenverschiebung ist vom Massenstrom abhängig. Aus
Massenstrom und Dichte lässt sich auch der Volumenstrom berechnen. Eine Integration (elektronisch oder
nummerisch) liefert auch die zugehörigen Werte für Gesamtmasse bzw. Gesamtvolumen.
9.7
Digitaler Sensor (Digitale Potentiometer)
Eine transparente Scheibe mit zwei um 90° gegeneinander versetzte Strichmuster werden durch zwei
Lichtschranken abgetastet. Zählt man die positiven Flanken des einen Musters unter Berücksichtigung des
Zustandes auf dem zweiten Muster, erhält man einen richtungsabhängigen Zähler. Das Bauteil kann zur
Messung von Drehfrequenzen, Positionsbestimmung von Drehbewegungen oder auch als Eingabe-Bauteil
verwendet werden.
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