2. Kapitel Sensoren 1. Allgemeines 2. Grenztaster/Positionsschalter

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1 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 Temperaturmessungen Durchflusssensoren (in Vorbereitung) 12. Füllstandssenoren (in Vorbereitung) 13. Beispiele und Applikationen (in Vorbereitung) Stand: April 2004

2 nichtelektrische Signale
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 mechanisch chemisch thermisch magnetisch optisch Weg, Abstand, Geschwindigkeit, Drehzahl, Druck, Winkelgeschwin- digkeit u. a. Ionen-Konzentr., Volumen-% magn. Flußdichte Magn. Feldstärke Temperatur Lichtquandt elektrische Signale (analog, digital, binär)

3 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. US UB Weg Druck p R UV Umformer: Druck in Weg Wandler: Weg in Widerstand Anpassung: Brückenschaltung Verstärker

4 1.3 Prinzipieller Aufbau von Sensoren (Messkette)
Zu messende physikalische Größe Ausgangssignal des Sensors Zum Umwandeln geeignete physikalische Größe Umgewandelte elektrische Größe Zur Verarbeitung geeignete Größe A/D- Wandler Analoges und digitales Signal Für P ge- eign. Signal  Umformer Wandler Anpassung Verstärker Interface Datern- vorver- arbeitung Meßgrößenaufnehmer Meßfühler, Sensorelement Sensornahe Auswerteelektronik smart sensor Aktiver Sensor Intelligenter Sensor

5 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). Einfache Sensoren sind Einzelsensoren wie z.B. mechanische Taster, Lichtschranken oder induktive Näherungschalter. Diesen melden einen Zustand oder das eintreffen eines Ereignisses. Vorteil niedriger Preis, einfacher und leichter Aufbau, geringe Störanfälligkeit. Nachteil: Erfassung einfacher Sachverhalte Komplexe Sensoren sind Wegmesssysteme, Laserscanner, Bildverarbeitung, --> hohe Informationsdichte z.B. komplexe Muster erkennen Interne Sensoren erfassen Zustandsgrößen eines automatisierten Systems (Geschwindigkeit, Winkel, Position, Endlageschalter, Kraft-Momente-Sensoren Externe Sensoren stellen die Schnittstelle zu den Objekten des Materialflusses und der Umwelt dar. Die wesentlichen Objekt- und Peripherieinformationen in Materialflusssystemen sind Informationen üner Anwesenheit, Identität, Postion und Orientierung der im Aktionsbreich befindlichen Objekte.

6 1.5 Klassifikation der Sensoren
Merkmal Klassen Sensorkonzept einfach - komplex Intelligenzgrad des Sensors unintelligent – fehlertolerant – selbstüber-prüfend – adaptiv – selbstlernend - autonom Bezug der Messgröße intern - extern Art der Messgröße Anwesenheit – Länge – Winkel – Moment - ... Dimensionierung der Messgröße 0D – 1D – 2D – 3D Erfassung der Messgröße taktil – nicht taktil Messprinzip mechanisch – optisch – magnetische – induk. Messverfahren direkt - indirekt Art des Ausgangssignals binär – digital - analog Einfache Sensoren sind Einzelsensoren wie z.B. mechanische Taster, Lichtschranken oder induktive Näherungschalter. Diesen melden einen Zustand oder das eintreffen eines Ereignisses. Vorteil niedriger Preis, einfacher und leichter Aufbau, geringe Störanfälligkeit. Nachteil: Erfassung einfacher Sachverhalte Komplexe Sensoren sind Wegmesssysteme, Laserscanner, Bildverarbeitung, --> hohe Informationsdichte z.B. komplexe Muster erkennen Interne Sensoren erfassen Zustandsgrößen eines automatisierten Systems (Geschwindigkeit, Winkel, Position, Endlageschalter, Kraft-Momente-Sensoren Externe Sensoren stellen die Schnittstelle zu den Objekten des Materialflusses und der Umwelt dar. Die wesentlichen Objekt- und Peripherieinformationen in Materialflusssystemen sind Informationen üner Anwesenheit, Identität, Postion und Orientierung der im Aktionsbreich befindlichen Objekte.

7 1.5 Klassifikation der Sensoren
Merkmal Klassen Sensorkonzept Intelligenzgrad des Sensors Bezug der Messgröße Art der Messgröße Dimensionierung der Messgröße Erfassung der Messgröße Messprinzip Messverfahren Art des Ausgangssignals Einfache Sensoren sind Einzelsensoren wie z.B. mechanische Taster, Lichtschranken oder induktive Näherungschalter. Diesen melden einen Zustand oder das eintreffen eines Ereignisses. Vorteil niedriger Preis, einfacher und leichter Aufbau, geringe Störanfälligkeit. Nachteil: Erfassung einfacher Sachverhalte Komplexe Sensoren sind Wegmesssysteme, Laserscanner, Bildverarbeitung, --> hohe Informationsdichte z.B. komplexe Muster erkennen Interne Sensoren erfassen Zustandsgrößen eines automatisierten Systems (Geschwindigkeit, Winkel, Position, Endlageschalter, Kraft-Momente-Sensoren Externe Sensoren stellen die Schnittstelle zu den Objekten des Materialflusses und der Umwelt dar. Die wesentlichen Objekt- und Peripherieinformationen in Materialflusssystemen sind Informationen üner Anwesenheit, Identität, Postion und Orientierung der im Aktionsbreich befindlichen Objekte.

8 1.6 Messaufgabe Lagedetektion
OD - Anwesenheitskontrolle taktil (mechanischer Taster) optisch (optische Sensoren, CCD-Kamera, Laserscanner) magnetisch (Reedkontakt) induktiv (induktiver Initiator) kapazitiv (kapazitiver Initiator) Ultraschall (Ultraschallsensor) massenbestimmend (Wägezelle) 1-dimensional optisch (Lichtvorhang, CCD-Kamera, Laserscanner) induktiv (induktiver Analoggeber) kapazitiv (kapazitiver Analoggeber) Ultraschall (Ultraschallsensor) 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 (à einfache Sensoren wie Initiatoren) 1-dimensionale Lagedetektion: erfasst die Entfernung eines Objektes von einem Bezugspunkt. Hierfür geeignete Sensoren sind alle Arten von Distanz- und Wegmeßsysteme 2-dimensional optisch (Lichtgitter, CCD-Kamera, Schwenkspiegel-Laserscanner) 3-dimensional optisch (Bildverarbeitung)

9 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. Einfache Sensoren sind Einzelsensoren wie z.B. mechanische Taster, Lichtschranken oder induktive Näherungschalter. Diesen melden einen Zustand oder das eintreffen eines Ereignisses. Vorteil niedriger Preis, einfacher und leichter Aufbau, geringe Störanfälligkeit. Nachteil: Erfassung einfacher Sachverhalte Komplexe Sensoren sind Wegmesssysteme, Laserscanner, Bildverarbeitung, --> hohe Informationsdichte z.B. komplexe Muster erkennen Interne Sensoren erfassen Zustandsgrößen eines automatisierten Systems (Geschwindigkeit, Winkel, Position, Endlageschalter, Kraft-Momente-Sensoren Externe Sensoren stellen die Schnittstelle zu den Objekten des Materialflusses und der Umwelt dar. Die wesentlichen Objekt- und Peripherieinformationen in Materialflusssystemen sind Informationen üner Anwesenheit, Identität, Postion und Orientierung der im Aktionsbreich befindlichen Objekte.

10 1.8 Messaufgabe Identifizierung
ID mit objektimmanenten Merkmalen Geometriedaten (optisch mit Laserscanner, CCD-Kamera) Objektmasse (Wägezelle) 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) Einfache Sensoren sind Einzelsensoren wie z.B. mechanische Taster, Lichtschranken oder induktive Näherungschalter. Diesen melden einen Zustand oder das eintreffen eines Ereignisses. Vorteil niedriger Preis, einfacher und leichter Aufbau, geringe Störanfälligkeit. Nachteil: Erfassung einfacher Sachverhalte Komplexe Sensoren sind Wegmesssysteme, Laserscanner, Bildverarbeitung, --> hohe Informationsdichte z.B. komplexe Muster erkennen Interne Sensoren erfassen Zustandsgrößen eines automatisierten Systems (Geschwindigkeit, Winkel, Position, Endlageschalter, Kraft-Momente-Sensoren Externe Sensoren stellen die Schnittstelle zu den Objekten des Materialflusses und der Umwelt dar. Die wesentlichen Objekt- und Peripherieinformationen in Materialflusssystemen sind Informationen üner Anwesenheit, Identität, Postion und Orientierung der im Aktionsbreich befindlichen Objekte.

11 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.

12 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

13 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

14 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. Reflektor R Q Lichtschranke S E Objekt O 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).

15 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. Objekt O Q Lichttaster S E 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.

16 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. Q S Durchlicht- schranke E Objekt O Elektrische Verbindung 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.

17 3.5 Datenblatt eines Reflexionslichttasters
Kenndaten Tastweite 800 mm Bezugsgröße weiß 200 x 200 mm Nahbereich < 65 mm Schaltfrequenz 25 Hz Ansprechzeit 20 ms Bereitschaftsverzögerung < 50 ms Betriebsart hell-/dunkelschaltend Timerfunktion siehe Zeitgeber-Modus Lichtart IR-Licht 940 nm Fremdlichtgrenze < Lux Sonne, < 7500 Halogen Umgebungstemp. -250C C Lagertemperatur -400C C Elektrische Daten Schaltausgang Schließer/Öffner Relaisausgang V AC max. 3 A 30 V DC max. 3 A Betriebsspannung V V DC + 10 % 24 V V AC + 10 % bei Hz Leistungsaufnahme 3 VA 1 2 AC / DC 3 4 Relaisausgang Mechanische Daten Schutzart IP 66 Optik PMMA Linsen Gehäusematerial PBTP Schock und Schwingbeanspruchung: xxx Gewicht 110 g LED rot u. gelb Exakte Bemaßung 45

18 3.6 Typische Einsatzbereiche ausgewählter Sensoren
Anwesen- heits- kontrolle Lage- detektion ID Voll- ständig- keit Geome- trie- Daten Masse Taktiler Sensor + o - Lichttaster Line-Scanner CCD-Sensor Induktiver Sensor Kapazitiver Sensor Ultraschallsensor Magnetsensor Wägezelle DMS Legende: gut geeignet o bedingt geeignet ungeeignet

19 3.7 Signalausgang eines Reflexions-Lichttasters
T = 0, s Lichteinfall Lichtstrahl Zeitgeber-Modus Ein Impuls-Ausgang T Aus Aus-Verzögerung T Ein-Verzögerung. T Normal

20 3.8 Laborversuch mit dem Reflexions-Lichttaster
Signal Q Objekt O Konstanter LED rot u. gelb Sensor Stromversorgung Tastweite x y 1. Ermittlung der Tastweite x bei hellem und dunklen Objekt 2. Ermittlung der Abweichung y von der optischen Achse 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

21 3.9 Tastweite mit dem Reflexions-Lichttaster
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. Reflexions- vermögen Reichweiten- faktor Korrektur- faktor Umweltbedingungen Material Testkarte % 1, sauberste Umgebung, keine Schmutzeinwirkung auf Linsen Pappkarton % ,3 Holzpalette (s) 20 % ,5 leichte Verschmutzung durch Dunst, Staub, Ölfilm; Linsen werden regelmäßig gereinigt Bierschaum % ,3 Neopren (s) % ,5 mäßige Verschmutzung durch Dunst, Staub, Ölfilm; Linsen werden gelegentlich gereinigt Teppichrücken % Toilettenpapier % ,9 Aluminium (u) % ,6 starke Verschmutzung durch Dunst, Staub, Ölfilm; Linsen werden gar nicht gereinigt

22 3.10 Laborversuch mit der Reflexions-Lichtschranke
Signal Q Reflektor Objekt O Konstanter LED rot u. gelb Sensor Stromversorgung y 1. Richtige Justage des Sensors und Reflektors durchführen 2. Ermittlung der Reichweite der Lichtschranke 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

23 3.11 Störeinflüsse bei optischen Sensoren
Objekt Störgleichrichtquellen fremde optische Sensoren Störwechsellicht- quellen Dejustage Verschmutzung Defekte falsche Einstellung EMV Temperatur Spannungsschwankungen

24 3.12 Störunterdrückung Störunterdrückung durch optische Modulation IF
10 nA A 1 d (mm) 500 Glühlampe 100 W I 1. Gleichlicht- eliminierung 2.höhere Auslastung Bauelemente Leuchtstoff- lampe 40 W Nutzsignal Störgleich- licht IS t Störunterdrückung durch Austastung Störunterdrückung durch digitale Filter Q2 Störung I= Q1 t Störung Q1 Q2 Objekt kein Objekt t Synchro- nisation zählen t Störung Q2 t Q3 t

25 3.13 Hintergrundausblendung und Polarisationsfilter
Ein Objekt kann aufgrund einer Hintergrund- reflexion nicht erkannt werden. Eine Möglichkeit der Hintergrundausblendung ist die Verdrehung der optischen Achse 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 900. Empfangsfilter ist für horizontale Schwingungen nicht durch- lässig. S E aktiver Raum E Sensor S

26 3.14 Lichtwellenleiter 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 3000C) * bei starken elektromagnetischen Feldern * bei beengten Einbauverhältnissen. Lichtwellenleiter sind unter gewissen Bedingungen in explosionsgefährdeten Räumen zulässig. Tastbetrieb bei paralleler Anordnung Lichtwellenleiter Vergußmasse Hülse S E O Mantel Stehen die Fasen gegen- über: Durch- lichtbetrieb O S E Glasfaser Kernglas Licht Glasmantel LWL im be- stimmten Winkel: Detektion nur am Ort des gemein- samen Schnittpunktes O Grenzfläche S E

27 3.15 Versuch mit Lichtwellenleiter: Füllstandssenor
Optischer Sensor 24 V Stromversorgung Lichtwellenleiter Signal Q (akustisch)

28 3.16 Applikationsbeispiele optischer Senoren
Förderband Reflexionslichttaster erfassen den Kartoninhalt auf Vollständigkeit Einweglichtschranke steuert die Zufuhr der Kartons in die Sortieranlage

29 3.17 Applikationsbeispiele optischer Sensoren
Sägebank Material Säge Steuerung einer automatischen Säge mit einem Reflexionslichttaster. Der Sensor überwacht die Materialzufuhr und steuert die Zuschaltung des Antriebes. Eine Lichtschranke steuert die Position der Autokarosserie in einer Produktionsasnlage berührungslos

30 3.18 Applikationsbeispiele Fiberoptiken (LWL)
Sensoren mit Fiberoptiken eignen sich aufgrund ihrer optischen Eigen- schaften zur Erfassung kleinster Teile. Sie erkennen auch qualitäts- bestimmende Details. Kontaktfahne Lichtwellenleiter Der Einsatz von Fiberoptiken erlaubt Umgebungstemperaturen bis + 300oC. Anwendung daher möglich bei Produk- tionsgütern mit hoher Eigentemperatur.

31 3.18 Applikationsbeispiele Fiberoptiken (LWL)
* 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)

32 3.20 Optoelektronik 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 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 Fototransistoren werden für optische Sensoren verwendet. Optokoppler bewirken galvanische Trennung von Stromkreisen Ultraviolett Infrarot Licht nm LED = light emittig diode

33 3.21 X-Y-Feinpostionierung
Optische Sensoren können auch zur Feinpositionierung von Förderzeugen, Ladebrückem etc. eingesetzt werden, nachdem eine Vorpositionierung durch die zentrale Steuerung erledigt wurde.

34 3.22 Optoelektrische Distanzmessung mittels Triangulation
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 B C Unter der Bedingung  = 900 gilt: AB = BC • tan  Objekt ausgewählter Strahl Lochblende Fokusierung Positionserkennung mit positionsempfindlichen Linienhalbleitern Lichtquelle Geodäsie

35 3.23 Optoelektrische Distanzmessung mittels Phasenkorrelation
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. senden 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. 1800 möglich ist ? empfangen u t  dmax = c / 4 • f = km/s Vorteil ist, dass Form, Farbe des Objektes das Meßergebnis nicht beeinflussen, aber kurze Laufzeiten bedingen schnelle elektronische Auswertebauelemente.

36 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.

37 4.2 Induktive Sensoren – physikalische Prinzip
Metallisches Objekt 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. Ferritkörper Magne-tisches Streufeld Spule Ferritkörper Ummantelung Metall oder Kunststoff

38 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 sN, der sich für eine Norm-Meßfahne (St37-Blech 1 mm stark) ergibt. Der Realschaltabstand sR berücksichtigt Toleranzenen (+/- 10%), der NutzschaltAbstand sN 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 % Realschaltabstand sR + 10 % Messplatte - 10 % Nutzschaltabstand sN - 10 % Arbeits- schaltabstand sA Nennschaltabstand sN Sensor

39 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

40 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)

41 homogenes Feld im Plattenkonedensator
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). homogenes Feld im Plattenkonedensator inhomogenes Feld bei grossem Feldlinienweg

42 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.

43 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

44 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).

45 6.2 Ultraschallsensoren – physikalisches Prinzip
Sendeimpuls Echo Echolaufzeit Ausschwingzeit 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 0C)

46 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. Erfassen der Füllhöhe 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

47 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

48 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

49 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 s Potentiometrischer Wegaufnehmer     Fehler > Linearität > Temperatur > Ankopplung s

50 7.3 Induktive und kapazitive Wegaufnehmer
Tauchankerprinzip Tauchanker s 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. Kapazitiver Wegaufnehmer

51 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

52 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. Inkrementales Längenmesssystem dual Gray Wechsel? Codierte Längenmesssysteme

53 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 900 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 0,0180 erreicht. Die Genauigkeit der Strichflanke bestimmt die mögliche Erhöhung der Auflösung. Dreikanalige Scheibe A B X Y Prinzip der Impulsvervielfachung

54 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.

55 7.8 Übungsaufgabe Name: _____________ Mart.-Nr. __________
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? Lösung mit Bemerkungen:

56 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 Elektrische Anschlüsse Biegefeder DMS mit Brückenschaltung Träge Masse p Druckmessung über Membarn Dünnschicht-Beschleunigungssensor

57 8.2 Dehnungsmessstreifen (DMS)
Inhalt Verformungssensoren werden mit Dehnungs-meßstreifen (DMS) realisiert. Unter der Dehnung  eines Körpes versteht man dessen relative Längenänderung  l/ lO. 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/ lO Aktive Mess-gitterlänge Messgitter Träger Anschlüsse Abdeckung 20 m Dicke Aufbau eines Folien-DMS

58 9.1 Wägezellen Inhalt 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). DMS 1 DMS 2 DMS 3 DMS 4 DMS-Wägezelle Verformungs- körper Anschlüsse Kondensatorplatten Messmembran Isolation Selikonöl Schweißnähte DMS Trenn-membran Kapazitiver Druckaufnehmer Ringtorsionswägezelle

59 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.

60 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/0C Eisen und Kupfer/Nickel = 53 mV/0C Vorteile: > Kleine Gesamtabmessungen > Mechanisch äußerst robust > Sehr gute Ansprechzeiten Nachteile: > Sind nicht sehr genau (gegenüber PT) > Thermospannung sehr klein (Kontaktstellen) > Vergleichsstelle (Kompensation)

61 10.2 Temperaturmessung mit Widerstandsthermometer
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 0C 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. Metallthermometer Pt 100  + Kupferzuleitung • Dreileiterbrückenschaltung Kennlinie von Pt 100 Temperatur in 0C R () 400 300 200 100 313,59 

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