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2. Kapitel Sensoren 1.Allgemeines 2.Grenztaster/Positionsschalter 3.Optische Sensoren 4.Induktive Sensoren 5.Kapazitive Sensoren 6.Ultraschallsensoren.

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2 2. Kapitel Sensoren 1.Allgemeines 2.Grenztaster/Positionsschalter 3.Optische Sensoren 4.Induktive Sensoren 5.Kapazitive Sensoren 6.Ultraschallsensoren 7.Weg- und Winkelsensoren 8. Kraft-, Druck-, Beschleunigungssensoren 9.Wägezellen 10.Temperaturmessungen 11.Durchflusssensoren (in Vorbereitung) 12. Füllstandssenoren (in Vorbereitung) 13. Beispiele und Applikationen (in Vorbereitung) Stand: April 2004

3 1.1 Aufgabe von Sensoren Ein Sensor ist ein technisches Bauelement, welches mechanische, chemische, thermische, magnetische oder optische Werte aufnimmt und in elektrische Signale umformt. nichtelektrische Signale mechanischchemischthermischmagnetischoptisch Weg, Abstand, Geschwindigkeit, Drehzahl, Druck, Winkelgeschwin- digkeit u. a. elektrische Signale (analog, digital, binär) Ionen-Konzentr., Volumen-% Temperatur magn. Flußdichte Magn. Feldstärke Lichtquandt

4 1.2 Druckaufnehmer als Beispiel für einen Sensor Soll ein Druck (einer Flüssigkeit oder eines Gases) gemessen werden, dann gibt es keinen direkten „Effekt“, um eine elektrisches Signal zu erzeugen. So kann man z.B. den Druck auf eine Membran wirken lassen und deren Durchbiegung in geeigneter Weise auf ein Potentio- meter übertragen. Die zu messende Größe Druck wird über ein Umformerelement Membran in eine andere physikalische Größe Weg übergeführt, die sich dann leicht in eine elektrische Größe Wider- stand umsetzen läßt. Eine Meßbrücke setzt dann die Veränderung der Widerstandsgröße in ein sehr gut verarbeitbares Signal, nämlich eine Spannung um. Druck p Umformer: Druck in Weg UVUV Anpassung: Brückenschaltung Verstärker USUS R Weg Wandler: Weg in Widerstand UBUB

5 1.3 Prinzipieller Aufbau von Sensoren (Messkette) WandlerAnpassungVerstärkerInterface Datern- vorver- arbeitung Umformer Zu messende physikalische Größe Zum Umwandeln geeignete physikalische Größe Umgewandelte elektrische Größe Zur Verarbeitung geeignete Größe A/D- Wandler Analoges und digitales Signal Für P ge- eign. Signal  Ausgangssignal des Sensors Meßgrößenaufnehmer Meßfühler, Sensorelement Aktiver Sensor Sensornahe Auswerteelektronik Intelligenter Sensor smart sensor

6 1.4 Sensoren für die industrielle Anwendung Der Sensor ist die Schnittstelle zwischen dem technischen Prozess und der Automatisierungseinrichtung. Er muss häufig rauhe Bedingungen des Prozesses ertragen. Dafür muss er entwickelt sein. Der Sensor soll soweit als möglich vom Prozess entkoppelt sein. Das Ziel sind damit berührungslose oder mindestens nicht penetrierende Messungen. Der industrielle Sensor muss systemfähig sein, d.h. insbesondere bezüglich seiner Signalschnittstellen und Prozessanschlüsse. Eine grundlegende Anforderung an Sensoren ist die Einhaltung von Fehlergrenzen innerhalb des angegebenen Messbereiches. Neben der eigentlichen Messgröße beeinflussen andere Prozessparameter die Messung (z.B. Temperatur, Druck). Kritisch sind z.B. auch Prozesse mit niedrigen Temperaturen (Sensorbetauung). Sensoren müssen sehr häufig gegen chemische und mechanische Beanspruchungen beständig sein. Korrosion und Toxizität sind weitere Aspekte. Der Sensor muß auch die häufigen Reinigungsprozesse mit direkter Wassereinwirkung oder Ultraschallanlagen ertragen können. Der zulässige Einfluss von Vibration und Schock in den Datenblättern der Sensoren gibt Auskunft über die mechanische Belastbarkeit. Die Verträglichkeit von Sensoren gegen die Einwirkung von elektromagnetischen Wellen (EMV)kommt für den Betrieb der Anlagen eine hohe Bedeutung zu. Sensoren müssen häufig höchste Funktionssicherheit und Verfügbarkeit aufweisen, damit beim Überschreiten von Grenzwerten Personenschäden, Schäden an Maschinen und Produktionsausfälle vermieden werden (Redundanz, selbstüberwachende Ausführung, Einsatz betriebsbewährter Komponenten helfen hier).

7 1.5 Klassifikation der Sensoren MerkmalKlassen Sensorkonzepteinfach - komplex Intelligenzgrad des Sensorsunintelligent – fehlertolerant – selbstüber- prüfend – adaptiv – selbstlernend - autonom Bezug der Messgrößeintern - extern Art der MessgrößeAnwesenheit – Länge – Winkel – Moment -... Dimensionierung der Messgröße0D – 1D – 2D – 3D Erfassung der Messgrößetaktil – nicht taktil Messprinzipmechanisch – optisch – magnetische – induk. Messverfahrendirekt - indirekt Art des Ausgangssignalsbinär – digital - analog

8 1.5 Klassifikation der Sensoren MerkmalKlassen Sensorkonzept Intelligenzgrad des Sensors Bezug der Messgröße Art der Messgröße Dimensionierung der Messgröße Erfassung der Messgröße Messprinzip Messverfahren Art des Ausgangssignals

9 1.6 Messaufgabe Lagedetektion  taktil (mechanischer Taster)  optisch (optische Sensoren, CCD-Kamera, Laserscanner)  magnetisch (Reedkontakt)  induktiv (induktiver Initiator)  kapazitiv (kapazitiver Initiator)  Ultraschall (Ultraschallsensor)  massenbestimmend (Wägezelle) OD - Anwesenheitskontrolle 1-dimensional  optisch (Lichtvorhang, CCD-Kamera, Laserscanner)  induktiv (induktiver Analoggeber)  kapazitiv (kapazitiver Analoggeber)  Ultraschall (Ultraschallsensor) 2-dimensional  optisch (Lichtgitter, CCD-Kamera, Schwenkspiegel-Laserscanner) 3-dimensional  optisch (Bildverarbeitung)

10 1.7 Messaufgabe Lagedetektion Anwesenheitskontrolle (nulldimensional):  ist Objekt anwesend oder nicht? Eine Anwesenheitskontrolle ist häufig ausreichend, wenn die Identität. Position und Orientierung eines Objektes durch geordnetes Zuführen bekannt ist oder die Positionierung und Orientierung nicht interessiert, z.B. beim Zählen von Objekten (  einfache Sensoren wie Initiatoren) 1-dimensionale Lagedetektion:  erfasst die Entfernung eines Objektes von einem Bezugspunkt Hierfür geeignet sind alle alle Arten von Distanz- und Wegmeßsysteme. 2- oder 3-dimensionale Lageerkennung erfordert komplexere Sensoren. Ein höherdimensionierter Sensor kann auch zur Anwesenheitskontrolle genutzt werden, sofern zusätzlich Identifizierung erforderlich ist. Bei Objekten, die keine Transport- oder Handhabungsobjekte sind, interessiert meistens der Sicherheitsaspekt, d.h. es wird geprüft, ob ein Gegenstand/Gerät oder ein Mensch sich unerlaubt im Arbeitsbereich des Gerätes befindet.

11 1.8 Messaufgabe Identifizierung  Geometriedaten (optisch mit Laserscanner, CCD-Kamera)  Objektmasse (Wägezelle) ID mit objektimmanenten Merkmalen ID mit aufgebrachten Merkmalen  optische Merkmale: Klarschrift, Barcode ( CCD-Kamera, Laserscanner)  mechanische Merkmale: Stiftcode, Lochcode (induktive Initiatoren, mechanische Taster)  magnetische Merkmale: Magnetstreifen (Magnetstreifenleser)  elektronische Merkmale: mobile Datenspeicher (Infrarotsender, HF-Empfänger)

12 2.1 Grenztaster / Positionsschalter Grenztaster haben eine Reihe von Eigen- schaften über die berührungslose Sensoren nicht automatisch verfügen. Grenztaster Können Gleich- und Wechselstrom unter- schiedlicher Spannung bei kleinsten und größten Leistungen schalten und sie bieten eine 100-prozentige galvanische Trennung. Grenztaster haben oft die Aufgabe als Endabschalter. Objekte werden hydraulisch, Pneumatisch oder elektrisch bewegt, der Grenztaster muss bei einer bestimmten Position für einen Stopp sorgen.

13 2.2 Grenztaster – Vor- und Nachteile Vorteile > Niedriger Preis > Keine Hilfsenergie erforderlich > Verwendbarkeit bis 600 V > Unbeeinflussbar durch Fremdfelder > Gute Wiederholgenauigkeit des Schaltpunktes > Hohe Schaltleistung > Absoulte galvanische Trennung Nachteile > Es ist mechanische Betätigung notwendig, diese benötigt Kraft (Prozesseingriff) > Beschränkte Lebensdauer (bis 20 Mio. Schaltspiele, häufig kein Problem) > Kontaktprellen > Umweltbedingungen (Ablagerungen vor Betätigungssystem) > Kleine Schaltfrequenz

14 3.1 Optische Sensoren Zur Gruppe der optischen Sensoren gehören eine Anzahl unterschiedlicher Sensortypen, die jeweils für spezielle Aufgaben konzipiert sind. > Reflexionslichtschranke > Reflexionlichttaster > Durchlichtschranke > LWL für Lichtschranken > Distanzmessung

15 3.2 Die Reflexionslichtschranke Bei Reflexionslichtschranken wird Licht von einem Sender S ausgestrahlt und vom Reflektor R in den Empfänger E zurückgeworfen. Bei einer Unterbrechung der optischen Strecke durch Das Objekt O wird der Schaltausgang Q aktiviert. Mit Reflexionslichtschranken werden Reichweiten von ca. 0,1 m bis 20 m und mehr erzielt. Lichtschranke S Reflexionslichtschranken lassen die Erfassung aller nichttransparenten Objekte zu. Mit Hilfe des Reflektors wird eine erheblich größere Strahlungsleistung in den Empfänger zurückgeworfen, dies bedingt die größere Reichweite im Vergleich zum Lichttaster. Allerdings ist der Justage- und Installationsaufwand gerade bei großen Entfernungen groß, da eine genaue Ausrichtung erforderlich ist. Transparente Objekte sind nur bedingt zu erfassen, da eventuell keine ausreichende Dämpfung des Lichtes bei Eintritt des Objekts in die optische Strecke gegeben ist. Spiegelnde Objekt können das ausgesendete Licht wie ein Reflektor zurückwerfen (Polarisationsfilter). Q Reflektor R Objekt O E

16 3.3 Der Reflexionslichttaster Bei Reflexionslichttastern wird Licht von einem Sender S ausgestrahlt, vom optisch rauhen Objekt O diffus reflektiert und in dem Empfänger E zurückgeworfen. Beim Überschreiten einer festgelegten Empfangsamplitude wird der Schaltausgang Q aktiviert. Lichttaster S Objekt O Die optische Empfangsleistung ist nach einer diffusen Reflexion sehr klein, daher sind die erzielbaren Tastweiten relativ gering (von 9 bis 500 mm, spezielle Ausführungen bis 10 m). Mit Reflexionslichttastern können alle optisch rauhen Objekte erfasst werden. Da eine ein- fache Ausrichtung des Sensors auf das Objekt genügt, sind Installations- und Justageauf- Wand relativ gering. Verschmutzungen der Optik des Sensors und Veränderungen der Reflexionseigenschaften des Objekts wirken sich nachteilig auf die Konstanz der Tastweite aus. Bedingt durch das Funktionsprinzip des Lichttasters sind transparente und spiegelnde Objekte nicht oder nur bedingt zu detektieren. Q E

17 3.4 Die Durchlichtschranke Das Licht wird bei der Durchlichtschranke (Einweglichtschranke) vom Sender S ausgestrahlt und gelangt über die optische Strecke in den Empfänger E. Bei einer Unterbrechung der optischen Strecke durch das Objekt O wird der Schaltausgang aktiviert. Mit Durchlicht- schranken lassen sich große Entfernungen bis zu 100 m und mehr überbrücken. Objekt O Ebenso wie bei der Reflexionslichtschranke sind auch hier alle nichttransparenten Objekte detektierbar. Zusätzlich können beim Durchlichtprinzip spiegelnde Objekte problemlos erfasst werden. Verschmutzungen der Optiken wirken sich bei diesem Verfahren am Geringsten aus. Zwischen der Sendeeinheit und der Empfangseinheit ist in den meisten Fällen eine elek- trische Verbindung notwendig. Der Installationsaufwand ist deshalb hier am größten. Der Justageaufwand ist wie bei der Lichtschranke relativ hoch. Transparente Objekte sind ebenfalls nicht oder nur bedingt detektierbar. Q S Durchlicht- schranke E Elektrische Verbindung

18 3.5 Datenblatt eines Reflexionslichttasters Kenndaten Tastweite800 mm Bezugsgrößeweiß 200 x 200 mm Nahbereich< 65 mm Schaltfrequenz25 Hz Ansprechzeit20 ms Bereitschaftsverzögerung< 50 ms Betriebsarthell-/dunkelschaltend Timerfunktionsiehe Zeitgeber-Modus LichtartIR-Licht 940 nm Fremdlichtgrenze < Lux Sonne, < 7500 Halogen Umgebungstemp C C Lagertemperatur-40 0 C C Elektrische Daten AC / DC Relaisausgang Mechanische Daten LED rot u. gelb 45 SchutzartIP 66 OptikPMMA Linsen GehäusematerialPBTP Schock und Schwingbeanspruchung: xxx Gewicht110 g Exakte Bemaßung Schaltausgang Schließer/Öffner Relaisausgang 240 V AC max. 3 A 30 V DC max. 3 A Betriebsspannung 12 V V DC + 10 % 24 V V AC + 10 % bei Hz Leistungsaufnahme 3 VA

19 3.6 Typische Einsatzbereiche ausgewählter Sensoren Anwesen- heits- kontrolle Lage- detekti on ID Voll- ständig- keit Geome- trie- DatenMasse Taktiler Sensor +o---o Lichttaster +o--o- Line-Scanner +o+oo- CCD-Sensor Induktiver Sensor +o---- Kapazitiver Sensor +o---- Ultraschallsensor +o--o- Magnetsensor +o---- Wägezelle +ooo-+ DMS Legende: + gut geeignet o bedingt geeignet - ungeeignet

20 Zeitgeber-Modus Lichtstrahl Lichteinfall Impuls-Ausgang Aus-Verzögerung Ein-Verzögerung. Normal T = 0, s Ein Aus T T T 3.7 Signalausgang eines Reflexions-Lichttasters

21 LED rot u. gelb Tastweite x 1. Ermittlung der Tastweite x bei hellem und dunklen Objekt 2. Ermittlung der Abweichung y von der optischen Achse y 3. Versuche mit ungünstiger Eigenreflexion des Objektes (z.B. Folie, Spiegel) 4. Versuche mit verschmutzter Sensoroberfläche 5. Störung durch Fremdlicht bewirken (z.B. Glühlampe, Stroboskop) 6. Entfernungsabhängigkeit verschiedener Objektgrößen 7. Abstandshysterese bestimmen 8. Ausgangsmodus verändern, z.B. 10 sec Ausverzögerung Konstanter Stromversorgung Signal Q Sensor Objekt O 3.8 Laborversuch mit dem Reflexions-Lichttaster

22 Die Tastweiten sind abhängig von Reflexions- und Farbintensität des zu erfassenden Objektes, von der Lage des Objektes zur optischen Achse sowie von den Umweltbedingungen für den Sensor. Material Reflexions- vermögen Reichweiten- faktor Testkarte 90 % 1 Pappkarton 70 % 1,3 Holzpalette (s)20 % 4,5 Bierschaum 70 % 1,3 Toilettenpapier 47 % 1,9 Neopren (s) 4 % 22,5 Teppichrücken 2 % 45 Korrektur- faktor Umweltbedingungen Aluminium (u) 140 % 0,6 1,5 sauberste Umgebung, keine Schmutzeinwirkung auf Linsen 5 leichte Verschmutzung durch Dunst, Staub, Ölfilm; Linsen werden regelmäßig gereinigt 10 mäßige Verschmutzung durch Dunst, Staub, Ölfilm; Linsen werden gelegentlich gereinigt 50 starke Verschmutzung durch Dunst, Staub, Ölfilm; Linsen werden gar nicht gereinigt 3.9 Tastweite mit dem Reflexions-Lichttaster

23 LED rot u. gelb 1. Richtige Justage des Sensors und Reflektors durchführen 2. Ermittlung der Reichweite der Lichtschranke y 3. Versuche mit ungünstiger Eigenreflexion des Objektes (z.B. Folie, Spiegel) 4. Versuche mit verschmutzter Sensoroberfläche 5. Srörung durch Fremdlicht bewirken (z.B. Glühlampe, Stroboskop) 6. Spannungsschwankungen simulieren Konstanter Stromversorgung Signal Q Sensor Objekt O Reflektor 3.10 Laborversuch mit der Reflexions-Lichtschranke

24 Störgleichrichtquellen Störwechsellicht- quellen Objekt Verschmutzung Defekte EMV Spannungsschwankungen fremde optische Sensoren Dejustage falsche Einstellung Temperatur 3.11 Störeinflüsse bei optischen Sensoren

25 IFIF 10 nA µAµA 1 d (mm)500 Nutzsignal Leuchtstoff- lampe 40 W Glühlampe 100 W Störunterdrückung durch optische Modulation I Störgleich- licht ISIS t 1. Gleichlicht- eliminierung 2.höhere Auslastung Bauelemente Störunterdrückung durch Austastung I= Q 1 t Störung Q1Q1 Q2Q2 Synchro- nisation Q2Q2 t Störung Störunterdrückung durch digitale Filter t Störung Objektkein Objekt Q2Q2 zählen t Q3Q3 t 3.12 Störunterdrückung

26 Ein Objekt kann aufgrund einer Hintergrund- reflexion nicht erkannt werden. Eine Möglichkeit der Hintergrundausblendung ist die Verdrehung der optischen Achse S E aktiver Raum Bei spiegelnden Objekten (Edelstahlbe- hälter, Metallfolien) kann das Licht vom Sender in den Empfänger zurückgeworfen werden (unerwünschte Fehlschaltung). Ein Polarisationsfilter am Sender läßt nur die horizontale Schwingungeebene zu. Retroreflektor dreht die Schwingungs- ebene um Empfangsfilter ist für horizontale Schwingungen nicht durch- lässig. Sensor S E 3.13 Hintergrundausblendung und Polarisationsfilter

27 Reflexionslichttaster mit Lichtwellenleitern werden immer dann verwendet, wenn besonders hohe Anforderungen an die Abtastung werden, z.B. * bei der Detektion kleiner Objekte * bei hohen Umgebungstemperaturen (bis C) * bei starken elektromagnetischen Feldern * bei beengten Einbauverhältnissen. Lichtwellenleiter sind unter gewissen Bedingungen in explosionsgefährdeten Räumen zulässig. Glasfaser Vergußmasse Hülse Mantel Licht Grenzfläche Glasmantel Kernglas Lichtwellenleiter LWL im be- stimmten Winkel: Detektion nur am Ort des gemein- samen Schnittpunktes Tastbetrieb bei paralleler Anordnung S EO Stehen die Fasen gegen- über: Durch- lichtbetrieb S E O O S E 3.14 Lichtwellenleiter

28 Optischer Sensor Lichtwellenleiter 24 V Stromversorgung Signal Q (akustisch) 3.15 Versuch mit Lichtwellenleiter: Füllstandssenor

29 FörderbandReflexionslichttaster erfassen den Kartoninhalt auf Vollständigkeit Einweglichtschranke steuert die Zufuhr der Kartons in die Sortieranlage 3.16 Applikationsbeispiele optischer Senoren

30 Steuerung einer automatischen Säge mit einem Reflexionslichttaster. Der Sensor überwacht die Materialzufuhr und steuert die Zuschaltung des Antriebes. Sägebank Material Säge Eine Lichtschranke steuert die Position der Autokarosserie in einer Produktionsasnlage berührungslos 3.17 Applikationsbeispiele optischer Sensoren

31 Sensoren mit Fiberoptiken eignen sich aufgrund ihrer optischen Eigen- schaften zur Erfassung kleinster Teile. Sie erkennen auch qualitäts- bestimmende Details. LichtwellenleiterKontaktfahne Der Einsatz von Fiberoptiken erlaubt Umgebungstemperaturen bis o C. Anwendung daher möglich bei Produk- tionsgütern mit hoher Eigentemperatur Applikationsbeispiele Fiberoptiken (LWL)

32 * berührungslose Signalabgabe * keine physikalische Veränderung am Objekt * Erfassung von Objekten aller Arten * Reichweiten von einigen Millimetern bis mehreren Metern * hohe Schaltfrequenzen Ein sicherer Betrieb dieser Sensoren ist im wesentlichen von drei Kriterien abhängig: * von der Lichtmenge, die der Sensor abgibt * vom Reflexionsvermögen des zu erfassenden Objektes * von den Umgebungsbedingungen (Verschmutzung, Dunst) 3.18 Applikationsbeispiele Fiberoptiken (LWL)

33 Die Optoelektronik befaßt sich mit der Umwandlung von elektrischer Energie in elektromag- netischer Strahlung (meist in sichtbares Licht) und umgekehrt. Die Halbleiter-Bauelemente nutzen den inneren Fotoeffekt. Optoelektronische Bauelemente Optische Sender Optische Empfänger Optokoppler Leuchtdioden (LED), Laserdiode, Infrarotdiode Fotowiderstand, -diode, -transistor, -thyristor Kombin.aus optischem Sender und Empfänger LED = light emittig diode Durch die Wahl des Halbleitermaterials und durch die Störstellendotierung kann die Wellen- länge eingestellt werden, z.B. Galliumarsenid (GaAs) und Silizium (Si) = Infrarot 900nm nm Ultraviolett Infrarot Licht nm Fototransistoren werden für optische Sensoren verwendet. Optokoppler bewirken galvanische Trennung von Stromkreisen 3.20 Optoelektronik

34 Optische Sensoren können auch zur Feinpositionierung von Förderzeugen, Ladebrückem etc. eingesetzt werden, nachdem eine Vorpositionierung durch die zentrale Steuerung erledigt wurde X-Y-Feinpostionierung

35 Die Triangulation ist ein weitverbreitetes Verfahren zur optischen Distanzmessung. Es wird dabei ein fokussierter Lichtstrahl ausgesendet und am Meßobjekt reflektiert. Bei natürlichen und industriellen Materialien erfolgt eine diffuse Reflexion, wodurch die Messung unabhängig wird von der Orientierung des Meßobjektes.   A BC Unter der Bedingung  = 90 0 gilt: AB = BC tan  Geodäsie Lichtquelle Fokusierung Objekt Lochblende ausgewählter Strahl Positionserkennung mit positionsempfindlichen Linienhalbleitern 3.22 Optoelektrische Distanzmessung mittels Triangulation

36 Der optische Sender strahlt das mit einer hohen Frequenz sinusförmige modulierte Licht durch eine Optik gebündelt ab. Trifft das Licht auf einen Gegenstand wird es reflektiert. Nach Durchlaufen der Strecke Sender-Objekt-Empfänger wird das Licht am Sensor empfangen. Durch die endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts besitzt das aussenden- De zum empfangendem Signal eines Phasenverschiebung, die direkt proportional zur Mess- distanz ist. u t  senden empfangen Vorteil ist, dass Form, Farbe des Objektes das Meßergebnis nicht beeinflussen, aber kurze Laufzeiten bedingen schnelle elektronische Auswertebauelemente. Zahlenbeispiel: Die modulierte Sendefrequenz eines Distanzmessers beträgt f = 8 MHz. Wie groß ist die maximale Messdistanz, wenn für die maximale Laufzeit eine Phasenverschiebung von max möglich ist ? d max = c / 4 f = km/s 3.23 Optoelektrische Distanzmessung mittels Phasenkorrelation

37 4.1 Induktive Sensoren Induktive Sensoren eignen sich zur Anwesenheits- kontrolle oder zur Abstandsmessung von Objekten aus elektrisch oder magnetisch leitendem Material im Bereich kleiner Entfernungen (typisch 10 mm). Schaltende Sensoren zur Anwesenheitsbestimmung werden auch als Näherungsschalter oder Initiatoren bezeichnet. Messende Sensoren werden induktive Analoggeber genannt.

38 4.2 Induktive Sensoren – physikalische Prinzip Im induktiven Näherungschalter erzeugt Ein L-C-Oszillator ein hochfrequentes elektromagnetische Wechselfeld (1 MHz). Diese Feld wird durch einen Ferritkern gebündelt und tritt aus der aktiven Fläche des Sensors aus. Ein metallisches Objekt, welches in das Wechselfeld eintaucht, dämpft nun diese Schwingung, womit sich die Güte des Schwingkreises verschlechtert. Wird eine bestimmte Amplitudenhöhe unterschritten, schaltet der Näherungs- schalter. Metallisches Objekt Spule Ferritkörper Magne- tisches Streufeld Ferritkörper Ummantelung Metall oder Kunststoff

39 4.3 Induktive Sensoren - Schaltabstände Die Größe des Schaltabstandes hängt vom Material, insbesondere von der Permeabilität und den Geometriedaten des Objektes ab. Eine Kenngröße ist der Nennschaltabstand s N, der sich für eine Norm-Meßfahne (St37-Blech 1 mm stark) ergibt. Der Realschaltabstand s R berücksichtigt Toleranzenen (+/- 10%), der NutzschaltAbstand s N berücksichtigt zusätzlich die spezifischen Spannungs- und Temperaturbereiche (+/-10%). Materialabhängige Reduktionsfaktoren der Schaltabstände: Messing 50 %, Kupfer 60% Die Schalthysterese ist der Vorschub/Weg des Objektes zwischen Ein- und Aussignal % - 10 % Nennschaltabstand s N Realschaltabstand s R Nutzschaltabstand s N Sensor Arbeits- schaltabstand s A Messplatte

40 4.4 Induktive Sensoren – typische Anwendungen Erfassung von Referenzpunkten Grenztaster, Endtaster Technische Prozesse werden häufig in Schritten gefahren, für die Positionierung dient ein induktiver Sensor. Bewegungsbegrenzer für hydraulische und pneumatische Zylinder. Lagekontrolle und zählen von leitenden Objekten. Drehzahlmessung mit einem induktiven Schlitzsensor

41 4.5 Induktive Sensoren – Vor- und Nachteile Vorteile: > Kompakte Bauweise, hoher Schutzgrad IP 67 > große Unempflindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen > hohe Zuverlässigkeit > hohe Schaltfrequenz (5 kHz) > Hohe Messgenauigkeit (< 0,01 mm) > berührungslose Arbeitsweise (lange Lebensdauer) > preisgünstiger als optischer Initiator Nachteile: > Detektion nur von Metallen (ferromagnetische Stoffe) > nur kleine Objektdistanzen (halber Senordurchmesser) > starke Magnetfelder (Sättigung, Induktion)

42 5.1 Kapazitive Sensoren Kapazitive Sensoren arbeiten ebenso wie induktive Senoren berührungslos. Mit ihnen lassen sich auch nichtleitende Objekte detektieren. Kapazitive Sensoren werden als Näherungsschalter und Analog- geber angeboten. Physikalische Prinzip: Aktive Element eines kapazitiven Sensors ist ein Kondensator, welcher von einer Sensorelektrode und einem Abschirmbecher gebildet wird. Ähnlich wie beim induktiven Sensor ist der Kondensator Teil eines Schwingkreises. Die Kapazität wird beeinflusst durch Feldlinienweg (Plattenabstand) und Dielektrikum (  r ). inhomogenes Feld bei grossem Feldlinienweg homogenes Feld im Plattenkonedensator

43 5.2 Kapazitive Sensoren – typische Anwendungen Weil kapazitive Sensoren auf fast alle Materialien reagieren, können sie sehr gut zur Detektierung von Schüttgütern aller Art und Flüssigkeiten herangezogen werden. In einer Mühle erfassen und überwachen kapazitive Sensoren den minimalen und maximalen Füllstand des Mahlstuhles. In einer Verpackungsanlage werden die Kartons auf vollständigen Inhalt überprüft.

44 5.3 Kapazitive Sensoren – Vor- und Nachteile Vorteile: > Sensor erfasst praktisch alle Objekte > kompakte Bauweise, hoher Schutzgrad IP 67 > hohe Zuverlässigkeit > relativ hohe Schaltfrequenz (1 kHz, besser als mech. Schalter) > berührungslose Arbeitsweise (lange Lebensdauer) Nachteile: > kapzitiver Sensor teuerer als induktiver > nur kleine Objektdistanzen (größer als beim induktiven Sensor) > kapazitive Sensoren lassen sich nicht so klein herstellen wie induktive > Verschmutzung auf aktiver Oberfläche muss kompensiert werden

45 6.1 Ultraschallsensoren Ultraschallsensoren gehören zu den akustischen Sensoren und eigenen sich zur Abstandmessung und Anwesenheitskon- trolle von Objekten aus beliebigen Materialien. Sehr häufig zum Einsatz kommt der Ultraschall-Abstands- Sensor, bei dem Sender und Empfänger im gleichen Gehäuse untergebracht sind (wie beim optischen Taster). Mit Ultraschall bezeichnet man akustische Wellen im Frequenzbereich oberhalb 20 kHz, jenseits der mensch- lichen Hörgrenze. Luftdruck und Temperatur haben Einfluss auf die Schallge- Schwindigkeit. (Drift 0,17 % pro 0 C).

46 6.2 Ultraschallsensoren – physikalisches Prinzip Bei Ultraschallsensoren werden die Laufzeiten der ausgesendeten Impulse gemessen. Sender und Empfänger arbeiten dabei nach dem piezo- elektrischen Prinzip. So wird im Sendebetrieb an die Piezo-Keramik angelegte Wechsel- spannung in eine mechanische Schwingung umgewandelt, die dann über eine Auskopplungsschicht an die umgebende Luft als Schallwelle abge- geben wird. Für abstandsmessende Ultraschallsensoren wird eine möglichst schmale Abstrahlcharakteristik (Keule) gefordert. Der Sendewandler benötigt eine Ausschwingzeit, erst danach kann das Echo empfangen werden. Dieser Blindbereich liegt zwischen 10 und 20 % der Maximalreichweite. Aus der Laufzeit zwischen Sende- und Echoimpuls kann wie folgt der Abstand berechnet werden: Abstand = (Laufzeit 340 m/s)/2 (bei 20 0 C) Sendeimpuls Echo Echolaufzeit Ausschwingzeit

47 6.3 Ultraschallsensoren – typische Anwendungen Der Ultraschallsensor kontrolliert hier, ob die Gläser mit der richtigen Menge Flüssigkeit gefüllt sind. Bei 0,7 m Erfassungbereich können nicht mehr als ca. 60 Messungen pro Sekunde erfolgen. Bandzugregelung bewirkt beim Aufwickeln von Folien, Stoffen, u.a. einen konstanten Zug. Länge des Durchhanges über Sensor  Antrieb 3 Sensoren ermitteln die Breite und Höhe eines Objektes Erfassen der Füllhöhe

48 6.4 Ultraschallsensoren – Vor- und Nachteile Vorteile > Vollständige materialunabhängige Abtastung von Objekten, erfassen auch von durchsichtigen Objekten (Ausnahme Watte o.ä.) > Keine Probleme bei Nebel, Staub und extremer Verschmutzung und Beleuchtung > auch kleine Gegenstände in großer Entfernung erfassbar > preisgünstige Distanzmessung im Vergleich zu anderen Sensoren Nachteile > Verglichen mit optischen, induktiven und kapazitiven Sensoren sehr langsam > Kein Betrieb mit Über- und Unterdruck möglich > Keine sehr heissen Objekte abtastbar wegen Schallbrechungen

49 7.1 Weg- und Winkelsensoren Weg- und Winkelsensoren werden in materialflusstechnischen Prozessen sehr häufig zur Bestimmung von Achs- positionen eingesetzt, z.B. als interne Sensoren in Stetig- und Unstetigkeit- förderern. Die Distanz zu externen Objekten wird häufig mit Ultraschall- oder Triangulationssenoren gemessen. Es wird zwischen analogen und digitalen Weg- und Winkelsensoren unterschieden. > Potentiometer > Induktive und kapazitive Wegaufnehmer > Digitale Weg- und Winkelsensoren > Applikationsbeispiele und Übungen Positionierung

50 7.2 Potentiometer zur Weg- und Winkelerfassung Mit Potentiometern kann auf einfache Weise ein Drehwinkel oder eine Wegverschiebung erfasst werden. Sie liefern eine winkel- bzw. wegproportionale Spannung, die sich leicht weiterverarbeiten lässt. Direkte lineare Wegaufnehmer gibt es in zahlreichen Ausführungen in Hublängen von mm. Die Potentiometer werden in drei Technologien hergestellt (drahtgewickelt, leitfähige Kunst- stoffe, aufgedampfte Metallschicht). Das wichtigste Gütemerkmal eines Präszsions- Potentiometers ist die Linearität (< 0,1 %). Anwendungsbeispiele: > Neigungswinkelmesung > Weg- und Winkelrückkopplung > Elektrisches Gaspedal Potentiometrischer Wegaufnehmer s     s Fehler > Linearität > Temperatur > Ankopplung

51 7.3 Induktive und kapazitive Wegaufnehmer Beim Tauchankeraufnehmer wird ein Weich- eisenkern in die Spule eingetaucht, womit sich die Induktivität der Spule erhöht. Durch Anwendung des Differentialprinzips wird eine Linearisierung der Kennlinie und eine Erhöhung der Empfindlichkeit erreicht. Kapazitive Wegaufnehmer zeichnen sich durch einen mechanisch äußerst robusten Aufbau aus. Es existieren hier eine Vielzahl von geometrischen Anordnungen (auch Einbeziehung von Maschinenteilen möglich). Die Entscheidung, ob kapazitiv oder induktiv, richtet sich nach Stellkräften, Stärke des Ausgangssignals und Temperatureinfluss.  Kapazitive Sensoren häufiger eingesetzt. Tauchankerprinzip Tauchanker s Kapazitiver Wegaufnehmer

52 7.4 Digitale Weg- und Winkelsensoren Zur Erfassung von linearen Bewegungen und Drehwinkels einer Welle haben sich in den letzten Jahren inkrementale und absolute Drehgeber durchgesetzt. Diese arbeiten im Gegensatz zu einem Potentiometer verschleiss- frei und mit höchster Linearität und Auflösung. Die moderne Antriebstechnik benutzt Drehgeber sowohl für Drehzahl- als auch zur Positionsregelung. Die Sensoren bestehen aus zwei Grund- komponenten: 1. Einer Schiene oder Scheibe, auf welche mechanische,optische oder magn. Markierungen einer oder mehrer Spuren als Träger der Informationen über die Verschiebung bzw. Verdrehung aufgebracht sind (Codescheibe). 2. Einem Lesekopf der die Spuren abtastet, ob eine Markierung oder nicht vorhanden ist. Drehgeber Grundkomponenten

53 7.5 Inkrementale und codierte Messsysteme Inkremental: Der gesamte Messweg ist in gleich große, abzählbare Intervalle zerlegt. Die Anzahl der Intervalle bestimmt das Auflösungsvermögen. Inkremental arbeitende Messsysteme besitzen keinen festen Bezugspunkt. Dieser muss bei Beginn der Messung festgelegt werden. Zählerfehler bleiben bestehen. Auflösung bis 2  m. Absolut: Derartige Messysteme besitzen für jede Messlänge ein eindeutige codiertes digitales Signal. Die Codierung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen (Dual-Code, Gray-Code = einschrittiger Code verringert Abtastfehler benötigt aber Codewandler). Codierte Längenmesssysteme besitzen einen festen Bezugspunkt. s dual Gray Inkrementales Längenmesssystem Codierte Längenmesssysteme Wechsel?

54 7.6 Erhöhung der Auflösung, Drehrichtungserkennung Inkremetale Drehgeber liefern bei jeder vollständig ausgeführten Umdrehung der Welle eine bestimmte Anzahl von Impulsen ( Impulse). Bei einem zweikanaligen Drehgeber sind die Pulsfolgen um 90 0 versetzt. Damit kann die Auflösung verdoppelt werden, bei Flanken- auswertung sogar vervierfacht. Aus der Phasenlage beider Kanäle kann die Drehrichtung bestimmt werden. Rechenbeispiel: Auf einer Scheibe von 40 mm Durchmesser sind Striche auf dem Umfang ange- bracht. Bei einer Vierkanalauswertung wird eine Winkelauflösung von 0,018 0 erreicht. Die Genauigkeit der Strichflanke bestimmt die mögliche Erhöhung der Auflösung. ABXYABXY Dreikanalige Scheibe Prinzip der Impulsvervielfachung

55 7.7 Applikationsbeispiele Drehgeber Absolute Winkelcodierer werden häufig zur präzisen Steuerung des Bewegungsab- laufs von Industrierobotern und Hand- habungs-Mitteln eingesetzt. Diese garantieren problemloses Weiterarbeiten nach einem eventuellen Stromausfall und machen aufwendige Referenzpunkte überflüssig. Inkrementale Drehgeber in Verbindung mit einem Zähler ermöglichen das automatische Schneiden z. B. von Papierbahnen auf vorgegebenen Länge.

56 7.8 Übungsaufgabe In Verbindung mit einem Meßrad oder Ritzel und Zahnstange sind mit Drehgebern auch Längen- und Wegmessungen möglich. Übung: Eine Weglänge soll gemessen werden, wobei die gewünschte Auflösung 0,1 mm betragen soll. Zur Verfügung steht eine Zahnstange von 50 cm Länge und ein passender Ritzel von 50 mm Abrollumfang. Welche Strichzahl muss der Drehgeber haben? Name: _____________ Mart.-Nr. __________ Lösung mit Bemerkungen:

57 8.1 Kraft-, Druck- und Beschleunigungssensoren Die Kraft-, Druck- und Beschleunigungsmessung sind aus physikalischer Sicht eng miteinander verwandt. So verformt die Kraft ein Biegeteil, der Druck eine Membran und die Beschleuni- gung mittels einer vorgespannten Masse einen Formkörper. Belasteter Biegebalken p K Druckmessung über Membarn Elektrische Anschlüsse Biegefeder DMS mit Brückenschaltung Träge Masse Dünnschicht-Beschleunigungssensor

58 8.2 Dehnungsmessstreifen (DMS) Verformungssensoren werden mit Dehnungs- meßstreifen (DMS) realisiert. Unter der Dehnung  eines Körpes versteht man dessen relative Längenänderung  l/ l O. Dehnungsänderungen werden durch Temperaturänderungen und das Angreifen von Kräften verursacht. Das Meßprinzip eines DMS beruht auf der Widerstandsänderung eines elektrischen Leiters, der sich durch Stauchung oder Dehnung verändert. Als Widerstandswerk- stoff verwendet man meist Konstantan oder eine Chrom-Nickel-Legierung. Um kleine Baulängen von wenigen Millimetern zu erhalten, sind die Leitungswege mäander- förmig aufgebracht. Damit ist die Wider- standsänderung bei Dehnungen in Längs- richtung entsprechend hoch und bei etwaigen Querdehnungen sehr gering. Unter der Dehnung  eines Körpes versteht man dessen relative Längenänderung  l/ l O Aufbau eines Folien-DMS Aktive Mess- gitterlänge Messgitter Träger Anschlüsse Abdeckung 20  m Dicke Inhalt

59 9.1 Wägezellen Massen können bestimmt werden, indem die der Masse proportionale Gewichtskraft ermittelt wird (G = m g). DMS-Wägezellen entsprechen prinzipiell Kraftaufnehmern. Für Höchstlasten werden Ringtorsionswägezellen verwendet (< 500t). Hydraulische Wägezellen leiten die Last über einen Kolben oder Membran auf eine Flüssigkeit. Die Masse wird durch die Messung des Drucks bestimmt (kapazitiv, induktiv, piezoelektrisch). Inhalt DMS 1DMS 2 DMS 3DMS 4 DMS-Wägezelle Ringtorsionswägezelle DMS Verformungs- körper Kondensatorplatten Messmembran Isolation Selikonöl Schweißnähte Anschlüsse Trenn- membran Kapazitiver Druckaufnehmer

60 9.2 Wägezellen Bei der elektrodynamische Kraftkompensa- tionswägezelle verursacht die zu messende Masse über die Gewichtskraft die Verstim- mung der Widerstandsbrücke. Der Brücken- strom wird verstärkt und der Tauchspule zugeführt. Das entstehende Magnetfeld bewirkt eine Kraft, die der Gewichtskraft der Masse entgegenwirkt. Wenn Gewichts- kraft und magnetische Kraft im Gleichgewicht sind, ist Spulenstrom ein Maß für die Masse. Die interferenzoptische Wägezelle stellt ein Messsystem mit sehr hoher Auflösung dar, mit dem kleinste Wege in kurzer Messzeit gemessen werden können. Der bewegliche Refelektor befindet sich in einem Verformungskörper.

61 10.1 Temperaturmessung mit Thermoelementen Wirkungsweise: Werden zwei Drähte aus unterschiedlichen Materialien A und B an einem Ende mitein- ander verbunden (gelötet, geschweißt) ent- steht eine Thermospannung, die mit zu- nehmender Temperatur an der Kontakstelle wächst. Platin und Rhodium = 6,5 mV/ 0 C Eisen und Kupfer/Nickel = 53 mV/ 0 C Vorteile: > Kleine Gesamtabmessungen > Mechanisch äußerst robust > Sehr gute Ansprechzeiten Nachteile: > Sind nicht sehr genau (gegenüber PT) > Thermospannung sehr klein (Kontaktstellen) > Vergleichsstelle (Kompensation)

62 10.2 Temperaturmessung mit Widerstandsthermometer Metallthermometer Pt 100 Wirkungsweise: Unter dem Einfluss der Temperatur verändert sich der Widerstand der Metalle und Halbleiter. Durch Messen des Widerstandes wird die zu er- fassende Temperatur bestimmt. Platinwiderstandsthermometer Pt 100 haben einen Nennwiderstand von 100  bei 0 0 C und erlauben eine sehr genaue Messung (1/100 K). Die Temperaturmessung und die Messbrücke liegen häufig mehrere Meter von einander ent- fernt, so dass der Kupferwiderstand der Zu- Leitung zu einem Messfehler führt. + Kupferzuleitung ° ° ° ° Dreileiterbrückenschaltung Temperatur in 0 C R (  ) ,59  Kennlinie von Pt 100

63 Meine Hinweise!! Wegmessung Differentialprinzip Schnell S. 164 Induktiver Sensor Zentrieren einer Welle Münzen (Gewicht, Größe, Material)


Herunterladen ppt "2. Kapitel Sensoren 1.Allgemeines 2.Grenztaster/Positionsschalter 3.Optische Sensoren 4.Induktive Sensoren 5.Kapazitive Sensoren 6.Ultraschallsensoren."

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