Sensoren - FreeLists

Sensoren
Die Technik der Umwandlung nichtelektrischer Größen in elektrische Größen wird allgemein Sensorik
genannt.
In industriellen Anwendungen werden für Sensoren auch eine Reihe anderer Bezeichnungen
verwendet, z.B. Messfühler, Geber, Aufnehmer, Taster, Schalter, Messwertgeber etc.
Eine gängige Klassifizierung ordnet Sensoren nach ihrer Leistungsfähigkeit:
1)
2)
3)
4)
Elementarsensoren -> reine Wandlung in die elektrische Größe
+ Signalvorverarbeitung -> liefert Normsignale
+ Digitalisierung (ADC) -> liefert binäre Daten
+ µC und Datenschnittstelle -> liefert Systemfähige Hardware + Protokolle
Beispiele:
1) Elementarsensoren liefern
- Spannung
- Strom
- Ladung
- Widerstandsänderung
- Kapazitäts- /Induktivitätsänderung
2) Normsignale
- 0…10V
- +10V
- 0…20mA
- 4..20mA
3) Digitale Signale
- Binär
- BCD codiert
4) Systemfähige Signale
- Feldbusschnittstelle (Profibus, CAN, …)
- Ethernet
- USB
- IEEE488 (IEC-Bus)
K.Krust, 2013
Sensoren
1/15
Die wichtigsten Messgrößen für Sensoren sind :
-
Gewicht, Kraft, Druck
Temperatur
Geschwindigkeit, Drehzahl, Beschleunigung
Weg, Länge, Distanz, Stückzahl
Magnet. Größen
Optische Größen
Chemische Größen
Stoffkonzentration
Grundsätzlich lassen sich Sensoren nach Messgröße, Messeffekt des Sensors oder nach dem
elektrischen Ausgangssignal einteilen.
Für den Anwender am brauchbarsten ist meist die Einteilung nach Messgröße, Messgenauigkeit und
Preis.
Widerstandsthermometer (Pt100)
Bei Widerstandssensoren nutzt man die Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur aus
R0=Widerstand bei 0°C
Rϑ=Widerstand bei Messtemperatur
α=Temperaturkoeffizient in 1/K
∆ϑ=Temperaturdifferenz zwischen Messtemperatur und Bezugstemperatur
Als Widerstandsmaterial wird i.a. Platin oder Nickel verwendet, da diese Elemente einen hohen
Temperaturkoeffizienten, gute Reproduzierbarkeit und Langzeitstabilität besitzen. Messungen bis zu
Genauigkeiten von 0,001K sind im Bereich von -260°C…+630°C möglich. Der Temperaturkoeffizient
von Platin liegt bei ca. 0,39%/K.
Die IEC751 gibt für Pt100-Messwiderstände für einen Messbereich von 0…100°C einen Wert
α0,100=0,00385 K-1 an. Für genauere Werte über einen weiten Temperaturbereich berücksichtigt man
zusätzlich en quadratischen Koeffizienten β.
K.Krust, 2013
Sensoren
2/15
Nach IEC751 gilt
α=3,90802∙10-3K-1
β=-0,580195∙10-6K-2
Beispiel
Temperatur
-200°C
0°C
100°C
850°C
Widerstand
18,49Ω
100,00Ω
138,50Ω
390,26Ω
Daneben wird auch Nickel verwendet. Hier ist der nutzbare Temperaturbereich ca. -80°C…+320°C.
(αNi0,100=0,00618K-1)
z.B: Ni100, Ni500, Ni1000
Ebenso gibt es neben dem häufig verwendeten Pt100-Messwiderstand auch Pt500, Pt1000.
Messung mit Pt100
Prinzip
Nach dem ohmschen Gesetz ist der Spannungsabfall bei konstantem Strom linear von ∆R abhängig.
Im
Pt100
U˜ T
Um
V
I=const.
Probleme:
Leitungswiderstand
Die Zuleitungen werden vom Strom durchflossen und erzeugen einen Spannungsabfall, der
mitgemessen wird.
Um=UPt100+2∙URLtg.
K.Krust, 2013
Sensoren
3/15
Um diesen Fehler zu vermeiden, empfiehlt sich der Anschluss in Vierleitertechnik.
RLtg
Pt100
U˜ T
Im
Um
V
I=const.
RLtg
Der Spannungsabfall wird direkt am Messwiderstand abgegriffen. Der Eingang des Messgerätes sollte
ausreichend hochohmig sein, um den Spannungsabfall auf den Messleitungen vernachlässigen zu
können.
Eigenerwärmung
Im Sensor wird Leistung umgesetzt. Dies hat eine Selbsterwärmung zur Folge. Bei hochauflösenden
Messungen muss dieser Effekt berücksichtigt werden.
Beispiel :
Ein Pt100-Sensor hat bei 400°C einen Widerstand von 247,04Ω (nach Norm).
Der Messstrom IM betrage 5mA
Daraus folgt für die Leistung : W=I²∙R=(5mA)²∙247,04Ω=6,176mW
Dadurch kann sich ein Mantel-Widerstandselement (ø=3mm) in Luft um 0,67°C erwärmen.
Nach Möglichkeit sollte man in der Praxis daher keine allzu großen Messströme verwenden. (z.B.
Werte von 100µA…3mA ; 1mA erlaubt eine einfache Umrechnung)
Weitere Fehlerquellen
Isolationsfehler
Das Eindringen von Feuchtigkeit in den Sensor oder in das Isolationsmaterial zwischen den
Anschlussleitungen führt zu einem Messfehler (zu niedrige Temperatur )
K.Krust, 2013
Sensoren
4/15
Parasitäre Thermospannungen
Beim Verbinden unterschiedlicher Materialien tritt eine Thermospannung auf. Solche
Materialverbindungen entstehen z.B. beim Verlängern der Sensor-Anschlussdrähte mit
Kupferdrähten. Normalerweise haben beide Verbindungsstellen die gleiche Temperatur und heben
sich somit wertmäßig auf. Liegen jedoch durch unterschiedliche Wärmeableitungen verchiede
Temperaturen an den Anschluss, so entstehen unterschiedliche Thermospannungen die zu einem
Spannungsabfall führen, der vom Messgerät als Widerstandsänderung interpretiert wird.
Fehlerfindung kann durch Umkehrung des Messstroms erfolgen. Je größer der Unterschied der
gemessenen Werte, desto größer die parasitäre Thermospannung.
Thermistoren
Thermisch sensitive Widerstände mit positivem (PTC) oder negativem(NTC) Temperaturkoeffizient.
PTCs weisen eine starke Nichtlinearität auf, sind daher nicht für Messzwecke geeignet, werden aber
oft als Temperaturschalter eingesetzt. Sie werden als polykristalline Halbleiter auf Basis von
Bariumtitanat realisiert. (Sprungtemperaturen von -30°C…+290°C)
NTCs bestehen aus einem einzigen Halbleitermaterial (Sintermaterial) – anders als
Halbleitersensoren mit PN-Übergang- und besitzen eine Empfindlichkeit, die 10x größer ist als bei
einem Platinwiderstand. Der Messbereich geht von -100°C…+450°C. Sie werden in
Brückenschaltungen für empfindliche Messungen eingesetzt, um hohe Auflösung zu erreichen.
Thermoelemente
-
Bewährte preisgünstige aktive Bauelemente in der Sensorik
Einfacher Aufbau
Großer Messbereich (bis 2000°C)
-keine Eigenerwärmung
Keine Hilfsenergie nötig
Schnell ansprechend
Punktförmige Temperaturmessung
Aufbau
Zwei Metalldrähte aus unterschiedlichem Material, die am Messpunkt durch Schweißen, Löten oder
Klemmen zusammengefügt sind .
K.Krust, 2013
Sensoren
5/15
Das Wirkungsprinzip beruht auf dem Seebeck-Effekt (1826):
An der Kontaktstelle zweier unterschiedlicher Leitermaterialien entsteht eine temperaturabhängige
Spannung durch Diffusion freier Elektronen, die nahezu proportional zur absoluten Temperatur der
Messstelle ist .
Seebeck-Koeffizient
kAB = dU/d(∆T) = a0 + 2a1 * ∆T + …
( a0, a1 = Koeffizienten zur Polynomberechnung des Temperaturverlaufs )
Die Umkehrung des Seebeck-Effektes ist der Peltier-Effekt . Schließt man eine Spannung an ein
Materialpaar und lässt Strom durch die Anordnung fließen, kühlt sich der Kontakt je nach
Materialpaarung ab oder erwärmt sich .
Wärmestrom ∆Q/∆t =πAB*I ; (πAB = Peltier-Koeffiezient; kAB = πAB*T)
Anordnung von Metallen nach ihrem Seebeck-Koeffizient (bei der Bezugstemperatur T=273K)
( Pt als Bezug auf 0 gesetzt)
Element
NiCr
Fe
Ag
Au
Cu
Rh
Al
C
Pt
Ni
Konstantan
Bi
k[µV/K]
+25
+19
+6,5
+6,5
+6,5
+6
+3,5
+3
0
-15
-35
-72
Bei Halbleitern lässt sich ein Koeffizient von bis zu 10mV/K erreichen . Allerdings werden Halbleiter
praktisch nicht verwendet, da sie nur bei rel. niedrigen Temperaturen einsetzbar sind und sich nicht
gut in Drahtform bringen lassen .
Thermoelemente sind in technischen Anlagen prädestiniert für Messungen hoher Temperaturen , die
mit Pt100 nicht erreicht werden können sowie an Einbaustellen, wo man kleine , filigrane Fühler
benötigt.
Aus den Seebeck-Koeffizienten ergibt sich zum Beispiel näherungsweise für Eisen gegenüber
Konstantan :
EFeKo=EFePt-EKoPt=19µV/K+35µV/K = 54µV/K
Bei 400K Temperaturunterschied ergibt dies eine Spannung von U400=400∙54µV=21,6mV
(Die IEC584 gibt für 400°C einen Grundwert von 21,85mV an).
K.Krust, 2013
Sensoren
6/15
Thermospannungen sind genormt nach DIN IEC584 angegeben. Die Spannungen sind über weite
Temperaturbereich nichtlinear und werden in der Norm durch Polynome höherer Ordnung für die
verschiedenen Paare angenähert und in Wertetabellen angegeben.
Normpaare ( IEC584)
Je nach Materialpaarung / Temperaturverlauf sind die Thermoelemente nach DIN IEC584 genormt .
In der Normschrift sind Tabellen abgedruckt mit Spannungswerten in µV gegenüber Temperaturen in
1°-Schritten- Diese durch Polynome modellierten Kurvenverläufe der Thermoelemente führen zu
Spannungen, die als Grundwerte bezeichnet werden.
Element
Fe-CuNi
Cu-CuNi
NiCr-Ni
NiCr-CuNi
NiCrSi- NiSi
Pt10Rh-Pt
Pt13Ph-Pt
Pt30Rh-Pt6Rh
Max. Temp.
Definiert
Typ
J
T
K
E
N
S
R
B
Max. Temp.
Definiert bis
Plus-Schenkel
750°C
-210°C…1200°C
schwarz
350°C
-270°C…400°C
Braun
1200°C
-270°C…1372°C
Grün
900°C
-270°C…1000°C
Violett
1200°C
-270°C…1300°C
Lila
1600°C
-50°C…1767,6°C
Orange
1600°C
-50°C…1767,6°C
Orange
1700°C
0°C…1820°C
Keine Angabe
= Wert, bis zu dem eine Grenzabweichung festgelegt ist ( Toleranzklassen)
= Bereich, für den die Spannungen genormt sind
Beispiele für Grundwerte der Thermospannungen von Thermopaaren (Beispiele)
Thermopaar
Cu(Cu-Ni)
Fe/Cu-Ni)
(Ni-Cr)/Ni
Typ T
Typ J
Typ K
Messtemperatur
Grundwerte in
mV bei
Bezugstemperatur
-100°C
-3,38
4,63
-3,55
0°C
0
0
0
50°C
2,04
2,59
2,02
100°C
4,28
5,27
4,1
400°C
20,87
21,85
16,4
800°C
45,50
33,28
1200°C
69,54
48,83
1760°C
K.Krust, 2013
Minus-Schenkel
weiß
weiß
weiß
weiß
weiß
weiß
weiß
Keine Angabe
Sensoren
(Pt-10Rh)/Pt
Typ S
0°C
0
0,299
0,645
3,26
7,345
11,947
18,612
7/15
Beispiel für Polynome zur Berechnung eines Thermoelementes TypJ:
Für -210°C…760°C :Thermospannung
Mit
∑
a0=0
a1=5,037 275 3027∙ 101
a2=3,042 549 1284∙ 10-2
a3=-8,566 975 0464∙ 10-5
a4=1,334 882 5735∙ 10-7
a5=-1,702 240 5966∙ 10-10
a6=1,941 609 1001∙ 10-13
a7=-9,639 184 4859 10-17
Für 760°C…1200°C :
∑
Mit:
b0=2,972 175 1778∙ 105
b1=-1,505963 2873∙ 103
b2=3,205 106 4215
b3=-3,221 017 4230∙ 10-3
b4=1,594 996 8788∙ 10-6
b5=-3,123 980 1752∙ 10-10
t68 = Temperaturwerte in °C nach der „internationalen praktischen Temperaturskala von 1968
(IPTS1968)
K.Krust, 2013
Sensoren
8/15
Ausführungen :
Einfache Thermoelemente
-
Drähte oder Stäbe
Isoliert, z.B. im Keramikrohr
koaxiale Anordnung , ein Schenkel = Außenleiter
Mantelthermoelemente
-
Bevorzugt in der chem. Verfahrenstechnik eingesetzt .
Messadern liegen in verdichtetem Oxidpulver , gegeneinander isoliert im Mantelrohr meist
aus Edelstahl .
Ausführung geerdet ( mit Mantel verschweißt ) oder isoliert
Manteldurchmesser 0,5 ... 2mm ,teilw. Auch feiner
Max. Einsatztemperatur bei ca. 1400°C, darüber wird Keramikpulver leitfähig
In der Prozessmesstechnik meist als Messeinsatz in einem keram. oder metallischen
Schutzrohr
Probleme
Alle im Stromkreis vorkommenden Kontakte wirken als parasitäre Thermoelemente
Die zu messende Temperatur wird meist auf 0°C bezogen, nicht auf den absoluten Nullpunkt. Somit
ist eine Referenzmessung nötig oder eine aktive Kompensationsschaltung.
K.Krust, 2013
Sensoren
9/15
Referenzmessung
Eine Referenzmessung ist beispielsweise möglich durch ein zweites Thermoelement gleichen Typs,
das auf Referenztemperatur gehalten wird.
Material A
U3
U1
U2
V
UA
T1
U4
Material B
T2
T0=0°
Material C
T1= Messstellentemperatur
T0=Referenztemperatur, z.B. Eiswasser 0°C
T2=Klemmentemperatur des Messgerätes
Die Temperaturspannungen U3 und U4 kürzen sich heraus unter der Voraussetzung gleicher
Materialübergänge.
Somit ist also:
–U1+U3+UA-U4+U2=0
Führt man zur Beschreibung einen materialabhängigen k-Faktor ein, so erhält man:
U1=kAB∙T1
U2=kAB∙T0
U3=kAC∙T2
U4=kAC∙T2
Eingesetzt:
UA=U1-U2=kAB∙T1-kAB∙T2=kAB(T1-T0)=kAB(T1-0°C)
K.Krust, 2013
Sensoren
10/15
Übliche (praktikable) Möglichkeit der Referenzbildung , da Eiswasser nur experimentelle Bedeutung
hat:
Material C
Material A
U2
U1
V
UA
T0
Pt100
Material B
U3
T0
T0 ist hier nicht auf 0°C, sondern Raumtemperatur der Klemmen
U2-U3 ist ungleich 0, da verschiedene Materialübergänge auftreten
Häufig wird im Klemmenblock die Temperatur z.B. durch ein Pt100-Element gemessen und somit die
auftretende Thermospannung bestimmt. DA sich die Grundwerte aus der Norm auf 0°C beziehen,
muss dann für die beiden Materialübergänge an den Klemmen die entsprechende Spannung
entsprechend der Klemmentemperatur berechnet und zur Korrektur verwendet werden.
K.Krust, 2013
Sensoren
11/15
Aktive Kompensation
Vielfach werden in Thermometern mit Thermoelementen auch aktive Schaltungen verwendet, um
temperaturabhängig eine Korrekturspannung für die Messung zu Verfügung zu stellen. Das folgende
Beispiel zeigt eine Applikation mit dem Halbleitersensor LM335 .
Ausgleichsleitungen
Zur Verlängerung von Thermoelementen werden sogenannte Ausgleichsleitungen angeboten. Diese
Leitungen sind aus einem Leiterpaar, das sich thermisch verhält wie das zugeordnete Thermoelement
und somit keine parasitäre Thermospannung an der Verlängerung erzeugt.
K.Krust, 2013
Sensoren
12/15
Halbleitersensoren
Mit Halbleitersensoren lassen sich sehr kostengünstig Thermometer im Bereich -40…+100°C bauen.
Dabei wird der Temperaturgang einer Präzisions-Z-Diode ausgenutzt. Daher sind
Halbleitertemperatursensoren auch in zahlreichen hochintegrierten Halbleiterbauelementen
verfügbar (z.B. bei Konstantspannungsquellen oder Mikroprozessoren)
Beispiel : LM335
Wie man in dem Datenblattauszug sieht, lässt sich in dem spezifizierten Temperaturbereich eine
Spannung proportional zur Temperatur messen. Mit diesen Halbleitersensoren erreicht man
Genauigkeiten in der Größenordnung von 0,5..3K.
Pyrosensoren (PIR-Sensoren)
PIR Sensoren wandeln mittels pyroelektrischen Effekts absorbierte Strahlungswärme in ein
elektrisches Signal um.
Der Einsatz von PIR Sensoren hat einige entscheidende Vorteile:
• Gute Abgrenzung des Detektionsbereichs möglich
• Keine Aussendung von Strahlung (vgl. Mikrowellensensoren)
• Sehr kostengünstig
• Äußerst geringer Stromverbrauch (Batteriebetrieb möglich)
Pyroelektrischer Effekt (Pyroelektrische Polarisation)
Einige permanent elektrisch polarisierte Kristalle haben die Eigenschaft, bei Temperaturänderung
Oberflächenladungen aufzubauen. Diese Ladungen haben ihren Ursprung einerseits in einer
Veränderung des Polarisationswinkels der Gitterionen (wahrer Pyroeffekt) andererseits in der
temperaturabhängigen Volumenänderung und damit in der Verhältnisänderung Ladung zu Volumen
(Pseudopyroeffekt). Unter Umständen kann der Pseudopyroeffekt einen größeren Einfluss auf das
Ausgangssignal haben als der wahre Pyroeffekt.
K.Krust, 2013
Sensoren
13/15
Die durch diese beiden Effekte entstandenen Oberflächenladungen werden durch intrinsische
Leitfähigkeit (Eigenleitfähigkeit durch freie Ladungsträger) wieder ausgeglichen. Die Zeitkonstante
mit der dieser Ausgleich erfolgt ist im Bereich von 5 – 10 Sekunden. Dadurch ergibt sich die
Eigenschaft, dass nur Temperaturveränderungen (bewegte Wärmequellen) ein auswertbares Signal
erzeugen.
Beispiele für Kristalle mit Pyroelektrischem Effekt sind:
• SrBaNbO3
• PbTiO3
• BaTiO3
• NaNO2
• LiNbO3
Arbeitsbereich
Der Pyroeffekt tritt, wie oben beschrieben, durch Erwärmung von pyroelektrischen Kristallen auf.
Damit ergibt sich der Arbeitsbereich im thermischen Infrarot. Wärmestrahlung kann direkt
verwendet werden, um die sensorische Wirkung zu erzielen. Wärmeabstrahlung erfolgt grundsätzlich
bei allen Körpern, welche über den absoluten Nullpunkt erwärmt sind. Durch geeignete Optik
werden die Temperaturunterschiede auf den Pyrosensor projiziert. Ob der zu detektierende Körper
wärmer oder kälter als der Hintergrund ist, spielt keine Rolle. Wichtig ist lediglich, dass (je nach
Empfindlichkeit des Sensors) ein Temperaturunterschied von einigen Grad Celsius besteht.
Beispiel: Farbendarstellung von Wärmeabstrahlung
Konstruktion eines PIR Sensors
Der PIR Sensor besteht aus einer Optik, dem pyroelektrischen Element (Pyrosensor) und einer
nachgeschalteten Elektronik zur Signalaufbereitung und Verarbeitung. Der optische Teil besteht aus
Linsen, welche Abbildungseigenschaften im Bereich der Wärmestrahlung (7 –14µm Wellenlänge)
besitzen. Der Pyrosensor wird meist über mehrere solcher Linsensegmente auf einer Zielfläche (z.B.
Boden) abgebildet. Die Linse „sammelt“ also die vom Abbildungspunkt kommende
Wärmestrahlung und fokussiert sie auf den Pyrosensor.
Pyrosensoren
Ändert die Umgebungstemperatur recht schnell, was z.B. dann gegeben ist, wenn die Sonne von
einer Wolke abgedeckt wird, kann dies eine unerwünschte Aussteuerung des Sensors bewirken. Um
dies zu verhindern, werden in einem Sensor zwei antiparallele pyroelektrische Kristalle eingesetzt.
Eine in kurzer Zeit ansteigende äußere Temperatur wirkt auf beide Kristalle gleichzeitig. Dadurch
heben sich die Ladungsverschiebungen beider Kristalle gegenseitig auf. Da die pyroelektrischen
K.Krust, 2013
Sensoren
14/15
Kristalle eine Spannungsquelle mit extrem hohem Innenwiderstand darstellen, ist in Pyrosensor
Bauelementen auch noch jeweils ein Feldeffekttransistor als Impedanzwandler integriert.
Speziell für Deckenmontage sind auch Pyrosensoren mit vier pyroelektrischen Chips erhältlich.
Dadurch ergibt sich eine gleichmäßige Empfindlichkeit, unabhängig aus welcher Richtung man sich
durch das Detektionsfeld bewegt.
Quellen
Freudenberger – Prozessmesstechnik , Vogel-Verlag, 2000
DIN IEC584 Teil 1 Beuth Verlag Berlin 1984
TC Handbuch zur Temperaturmessung V6.1 , TC Mess- und Regeltechnik GmbH (www.tcgmbh.de)
PIR Sensorik , SENSITEC AG www.sensitec-ag.ch
K.Krust, 2013
Sensoren
15/15