Sensoren in der Automatisierungstechnik

Sensoren in der Automatisierungstechnik

In diesem Artikel werden die Prinzipe von Sensoren zur Erfassung von Positionen, mechanischen Größen, fluidischer Größen, und Wegen und Winkeln vorgestellt.

Einleitung

Was wird unter einem Sensor verstanden? Der Begriff „Sensor“ kommt aus dem lateinischen sensus für Gefühl bzw. Empfindung (sensualis = die Sinne betreffend) und fand erst in den 1970er-Jahren Eingang in die Fachliteratur. ([1], S.2)

Der Sensor ist ein technisches Bauteil, das aus einem Prozess zeitvariable physikalische oder auch elektrochemische Größen erfasst und in ein eindeutiges elektrisches Signal umsetzt. Diejenige Baueinheit, die aus einem (mechanischen) Umsetzelement und einem elektrischen Sensorelement besteht, heißt Elementarsensor oder Messwertaufnehmer. ([1], S.2)

Überblick

In diesem Artikel werden Sensoren zur Positionserfassung, Sensoren zur Erfassung von mechanischen Größen (Kraft, Drehmoment,…), Sensoren zur Erfassung fluidischer Größen (Druck, Durchfluss,…), und Sensoren zur Erfassung von Wegen und Winkeln vorgestellt.

Sensoren zur Positionserfassung

Sensoren zur Positionserfassung werden auch Näherungssensoren genannt. Sie Schalten immer dann, wenn sie durch ein bewegtes Maschinenteil betätigt werden. Das kann mechanisch mit einer direkten Berührung wie bei einfachen Schaltern oder berührungslos wie bei induktiven Näherungsschaltern erfolgen. Sie sind meist als binäre Sensoren, d.h. Sensoren mit nur zwei Zuständen (EIN und AUS) ausgelegt. Wie schon erwähnt, kann man diese Sensoren in mechanische oder berührungslose Sensoren unterteilen. Bei den mechanischen Sensoren wird durch das angenäherte Maschinenteil eine Tastrolle am Sensor verlagert. Der mit der Tastrolle verbundene Hebel schließt bzw. öffnet (je nach Auslegung des Sensors) einen elektrischen Kontakt. Der Schaltzustand des Sensors (EIN bzw. AUS) wird von der Steuerung überwacht. Bei der berührungslosen Positionserfassung werden häufig induktive und kapazitive Näherungssensoren verwendet.

Induktive Näherungsschalter

Der konstruktive Aufbau eines induktiven Näherungsschalters (proximity switch) ist eine Anordnung mit einem offenen Magnetkreis (Bild 1). Ein Objekt aus magnetisch oder elektrisch leitendem Material deformiert das Magnetfeld. Diese Deformation bewirkt eine Veränderung der Impedanz der Magnetspule. Diese abstandsabhängige Impedanzänderung wird elektronisch in ein Schaltsignal umgesetzt.([1], S.27)

Prinzip Induktiver Naeherungsschalter

Induktive Sensoren kann man in die Funktionsgruppen Oszillator, Auswerteeinheit und Ausgangsstufe einteilen. Sie arbeiten berührungslos, sind verschleißfrei, schalten sehr schnell und ohne Prellen und sind somit langlebig.([1], S.28)

Um einen induktiven Näherungsschalter zu betätigen, muss in den aktiven Bereich vor dem Sensor ein elektrisch oder magnetisch leitendes Material bewegt werden.

Kapazitive Näherungsschalter

Kapazitive Näherungssensoren (capacitive sensors) sind berührungslose Schalter. Gelangt ein Gegenstand, z. B. die Schaltfahne an einem Maschinenschlitten, in den Bereich des elektrischen Feldes, verändert sich die Streukapazität und der Sensor generiert ein Schaltsignal. Man kann Metallteile detektieren, aber auch Teile aus Glas, Keramik, Kunststoff, Holz, Stein, Papier, Zement und Substanzen wie Öl und Wasser ([1], S.38).

Kapazitive Näherungssensoren reagieren auf eine Veränderung der Schwingungsfrequenz eines Oszillators durch Veränderung des Dielektrikums (dielectric material) in der Umgebung des Sensorkondensators und damit auf eine Kapazitätsänderung. Der Sensor nach Bild 2 besitzt zusätzlich eine Kompensationselektrode zum Ausgleich von Verschmutzungen ([1], S.39f).

Blockschaltbild kapazitiver Sensor

Da der kapazitive Näherungsschalter sowohl Metalle als Kunststoffe und Flüssigkeiten erkennt, kann man in Kombination mit einem induktiven Näherungsschalter bereits eine einfache Unterscheidung von Materialien wie Kunststoff und Metall schaffen. Das kann z.B. in einem Sortiervorgang Verwendung finden.

Magnetschalter

Ein klassischer Näherungssensor ist der Reed-Sensor (engl. reed = Federzunge). Er spricht auf Magnetfelder an. Das Prinzip ist in Bild 3 zu sehen. Der Sensor besteht aus zwei federnden ferromagnetischen Kontaktzungen (Fe-Ni-Legierung), die in einem hermetisch verschlossenen Glaskolben untergebracht sind. Das Röhrchen ist mit einem reaktionsträgen Gas gefüllt. Bewegt man nun einen Magneten am „Schaltrohr“ vorbei, berühren sich die Kontaktzungen und schließen den Stromkreis. Die Schaltzeit liegt bei 1 ms. Der Reed-Sensor (reed switch) arbeitet Verschleißarm. ([1], S.47)

Prinzip

Magnetschalter finden oft Verwendung bei der Überwachung des Kolbenweges von pneumatischen Zylindern. Die Sensoren werden außen auf dem Zylinder befestigt und werden durch einen auf dem Kolben angebrachten Dauermagneten geschaltet.

Sensoren zur Erfassung von mechanischen Größen

Die elektrische Messung von Kräften und Drehmomenten ist im Maschinen- und Anlagenbau, in Test- und Prüfständen, bei automatischer Montage und zur Überwachung von Antrieben eine wichtige Aufgabe. Bei den Drehmoment-Sensoren wird meistens eine freie Drehbarkeit jenes Teils des Sensors gefordert, der im Momentenfluss liegt. Dieser Teil wird allgemein als „Messwelle“ bezeichnet. Ein erster Eindruck über diese Sensoren wird in den Prinzipdarstellungen in Bild 4 gegeben. ([1], S. 153)

Kraft Drehmoment Sensoren Prinzip

Bezüglich ihrer Wirkungsweise kann man drei Gruppen unterscheiden:

• Direkte Verfahren

Die mechanische Belastung wirkt auf einen elektrisch oder magnetisch aktiven Körper, der mit einer Veränderung seiner Eigenschaften reagiert (Bild 3-1a).

• Indirekte Verfahren

Die mechanische Belastung erzeugt eine Gegenreaktion auf rein mechanische Weise in einem Verformungskörper. Ein wandelndes Organ erfasst die Veränderungen und formt sie in eine elektrische Ausgangsgröße um (Bild 3-1b).

• Kompensationsmessverfahren

Unter Last wird eine Gegenreaktion durch rein elektrische bzw. magnetische Mechanismen erzeugt, z. B. durch die Kraft auf einen im Magnetfeld befindlichen stromdurchflossenen Leiter. Das Verfahren hat nur für kleine Nennkräfte oder -momente Bedeutung. ([1], S. 154)

Messung von Kräften

Bei vielen Sensorlösungen wird ein Verformungskörper (ductile body) abgetastet, der z. B. kleinste Dehnungen oder Stauchungen unter Belastung erleidet. (…) Das Verhältnis von absoluter Längenänderung $\Delta L$ zur Basislänge $L0$ wird als Dehnung ε bezeichnet. Sie ist $\varepsilon = \frac{\Delta L}{L0}$. Wegen der in der DMS-Aufnehmertechnik auftretenden sehr kleinen Dehnungen ε ist als Maßeinheit μm/m gebräuchlich. Die Belastung z. B. eines Stabes als Verformungskörper darf nur im elastischen Verformungsbereich des Werkstoffes erfolgen, damit nach der Entlastung keine plastische Verformung zurück bleibt. Dabei spielt der Elastizitätsmodul E eine entscheidende Rolle. Es gilt

$E = \frac{\sigma}{\varepsilon}$ in N/mm²

$\sigma$ Spannung im Werkstoff ($\sigma$=F/A)

$A$ zur Wirkungslinie senkrecht Querschnittsfläche

$F$ belastende Kraft

Das Werkstoffverhalten folgt dem Hooke’schen Gesetz für Spannung (…). Daraus wird ersichtlich, dass bei bekanntem Werkstoff bzw. E-Modul und bekanntem Querschnitt des Verformungskörpers aus der auftretenden Dehnung unmittelbar die Kraft bestimmt werden kann, die auf den Körper wirkt. Die Ermittlung der Dehnung mit einem DMS beruht auf folgendem physikalischen Prinzip: Wird ein Draht gedehnt, wird er länger und im Querschnitt kleiner, womit sein elektrischer Widerstand größer wird. Die bezogene Widerstandsänderung $\frac{\Delta R}{R}$ verhält sich proportional zur Dehnung $\frac{\Delta L}{L}$. ([1], S. 154f)

In Bild 5 sind einige der verschiedenen Ausführungen von Dehnmessstreifen (DMS) dargestellt.

Arten von DMS

Messung von Drehmomenten

Das Drehmoment (torque) ist eine wichtige Größe für die Bereiche Test- und Prüfstandstechnik, Betriebs- und Prozessüberwachung, Antriebs- und Fördertechnik, Qualitätssicherung sowie Forschung und Entwicklung. Ein Drehmoment ist das Produkt aus Kraft und deren Wirkabstand, der durch einen Hebelarm von einer Bezugsachse aus gegeben ist, die meistens eine Wellenachse ist. Bei der Drehmomentmessung kann man als Messeffekt u. a. die Geometrieänderung verwenden, die infolge der Torsion eines Bauteils entsteht. Der Verdrehwinkel $\varphi$ ist dann ein Maß für das momentan wirkende Drehmoment. (…) Bei der indirekten Drehmomentmessung wird eine zweistufige Wandlung vollzogen. Im ersten Schritt wird ein Verformungskörper deformiert. Im zweiten Schritt werden Schubdehnungen bzw. Verdrehungs- oder Torsionswinkel des Verformungskörpers gemessen und als elektrische Größe ausgegeben. (…) Bei den Drehmomentsensoren mit frei drehbarer Messwelle (torsion shaft) lassen sich folgende Grundvarianten unterscheiden:

• Messwelle mit komplettem Wandler

Zwischen Messwelle und Gehäuse sind alle erforderlichen Übertragungselemente wie Drehübertrager oder drahtlos arbeitende Komponenten vorhanden.

• Wandler auf Messwelle und nicht rotierende Komponenten verteilt

Die Wandler arbeiten mit elektrischen oder magnetischen Feldern. Übertrager im engeren Sinne sind nicht nötig.

• Impulsverfahren

Die Torsion einer Messwelle wird in eine Phasenverschiebung zweier gleichartiger periodischer und meist impulsförmiger Zeitfunktionen umgeformt. Erforderlich ist eine Mindestdrehzahl. ([1], S. 170-172)

Drehmomentsensoren nach dem Impulsverfahren sind sehr einfach aufgebaut und der Abgriff der Messgröße geschieht berührungs- und damit verschleißlos. Das Verfahren ist für mittlere bis hohe Drehzahlen und einen sehr großen Drehmomentbereich bei mittleren Messgenauigkeiten geeignet. In Bild 6 wird die Messanordnung im Prinzip gezeigt. Es werden zwei identische „Räder“ mit periodischer Teilung, das könnten auch Zahnräder sein, abgetastet. Auch die Drehzahl kann mit ermittelt werden. Dazu muss aber noch der Bezug zu zeitlich bekannten Impulsfolgen hergestellt werden (Referenzzähler). Sind Drehmoment und Drehzahl ermittelt, kann nach der Gleichung (1) eine Leistungsberechnung vorgenommen werden. ([1], S. 173)

Drehmomentmessung Impulsmethod Prinzip

$P_{rot} = M_D\cdot n \cdot \frac{2 \cdot \pi}{60}$

(1)

$n$ Drehzahl

([1], S. 170)

Eine direkte berührungslose Drehmomentmessung ist nach dem magnetoelastischen Prinzip möglich. Das zu messende Moment wirkt direkt auf den aktiven Körper ein und beeinflusst dessen elektrische oder magnetische Eigenschaften. In diesem Fall muss auf die Wellenoberfläche eine weichmagnetische, magnetostriktive amorphe Metallschicht aufgetragen werden. Der Sensorkopf, bestehend aus einer Speisespule und mehreren Empfängerspulen, arbeitet nach dem Transformatorprinzip. Amorphe Metalle, auch metallische Gläser genannt, sind bestimmte Legierungen aus Fe, Ni, Co, Si, B und P, die sich durch hervorragende weichmagnetische, elektrische und mechanische (Härte, Streckgrenze) Eigenschaften auszeichnen. Die prinzipielle Anordnung eines solchen Sensors ist in Bild 7 zu sehen.

Magnetoelastischer Drehmomentsensor Prinzip

Die Messwelle ist zur Erfassung der magnetischen Permeabilität Teil eines elektromagnetischen Kreises geworden. Die in der Welle auftretende Torsionsspannung kann man in eine Druck- und Zugspannung zerlegen, wobei die größten mechanischen Spannungen auf der Wellenoberfläche vorhanden sind. In Richtung der mechanischen Spannungen ändert sich dann die magnetische Permeabilität des Kristalls: Eine mechanische Druckspannung bewirkt eine Verminderung, eine mechanische Zugspannung eine Vergrößerung. ([1], S.174f)

Sensoren zur Erfassung fluidischer Größen

In diesem Abschnitt werden die Prinzipe von Sensoren zur Erfassung von Druck und Durchfluss in Flüssigkeiten und Gasen gegeben. Diese Art der Sensoren wird häufig bei Automatisierungen in den Bereichen Hydraulik und Pneumatik eingesetzt, um z.B. Drücke in Zylindern zu überwachen.

Messung von Druck

Die Messgröße Druck ist definiert durch die Fläche $A$ und die Kraft $F$

$p = \frac{F}{A}$

(2)

Zur Angabe des Druckes werden die Einheiten Pascal (Pa) sowie bar verwendet: $1 Pa = \frac{1N}{m^2} = 10^{-5} bar$

Zur Druckmessung werden fast ausschließlich indirekte Messverfahren eingesetzt. Hauptsächlich verwendet man folgende Verfahren:

• Messung der Verformung eines Körpers unter Druck

• Nutzung der Druckabhängigkeit intrinsischer Eigenschaften eines Körpers

([1], S.194)

Für Überwachungszwecke genügt es in vielen Fällen in der Industrie durchaus, nur einen Grenzwert z. B. mit einem Druckschalter (pressure switch) oder einem PE-Wandler (Pneumatik-Elektrik-Wandler) zu erfassen. Bei letzterem schaltet ein pneumatisches Drucksignal einen elektrischen Signalgeber, der als Wechsler ausgeführt ist. Dabei kann durch eine entsprechend große Membranfläche die Druck-Betätigungskraft verstärkt werden. Wenn man den Schaltbereich einstellen kann, spricht man von einem Druckschalter (Bild 8). ([1], S.196)

Pneumatische Schaltelemente Prinzip

Messung des Durchflusses

Der Durchfluss ist die Menge eines strömenden Mediums je Zeiteinheit t, gemessen in Volumeneinheiten (QV = V/t) oder in Masseeinheiten (QM = m/t). Massen- und Volumenstrom unterscheiden sich wie folgt:

• Massenstrom (mass flow)

Messgröße, die die Geschwindigkeit des Transports der Masse gasförmiger oder flüssiger Stoffe in Rohrleitungen charakterisiert (Coriolis-Durchflussmesser)

• Volumenstrom (volumetric flow rate)

Messgröße, die die auf Volumeneinheiten bezogene Strömungsgeschwindigkeit gasförmiger und flüssiger Stoffe in Rohrleitungen charakterisiert (Wirkdruckverfahren, Schwebekörperprinzip u. a.) ([1], S.211)

Durchflussmesser haben eine große industrielle Bedeutung. Typische Anwendungen sind:

• Überwachung von Kühl- und Schmiermittelkreisläufen. So müssen z. B. wassergekühlte Punktschweißzangen ständig beobachtet werden. Bleibt die Kühlung aus, kommt es zu unsauberen Schweißverbindungen und im Extremfall zum Abreißen der Kappe auf der Zange. Man überwacht deshalb den Wasserdurchfluss mit je einem Druck- und einem Durchflusssensor im Kühlmittelvor- und -rücklauf.

• Überwachung und Messung von Fördermengen in Rohrleitungssystemen, wie z. B. Wasserverteilsysteme (Trockenlaufschutz von Pumpen), Abflussmengenkontrolle, Leckageerfassung, Pressenhydraulik und Absauganlagen z. B. in der Holzindustrie.

• Kontrolle von Belüftungsanlagen, Ventilatoren, Filtertechnik und Kühlgebläse in der Klima- und Lüftungstechnik.

• Bemessung von Füllmengen und Steuerung von Durchflussmengen in der Verfahrenstechnik und in Branchen, die mit Flüssigkeiten und Gasen umgehen.

Um den Durchfluss zu messen kann man aus 30 verschiedenen Verfahren wählen. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die Prinzipe der verschiedenen Methoden und zeigt deren Unterschiede auf. (vgl. [1], S.212)

Tabelle 1: Vergleich von Durchflusssensoren

Sensoren zur Erfassung von Wegen und Winkeln

Weg- und Winkelmesssysteme dienen hauptsächlich zur Erfassung des Istwertes der Relativposition von Werkstück und Werkzeug in einer Maschine. Die Positionserfassung erfolgt im Bearbeitungsprozess in der Regel mittelbar, d. h. nicht direkt am Werkstück, sondern an einer Maßverkörperung. Die Art der Maßverkörperung hat insbesondere Einfluss auf die Genauigkeit der Positionsbestimmung sowie auf das regelungstechnische Verhalten eines geschlossenen Positionsregelkreises. Die Forderungen an die Auflösung der Messsysteme liegen bei NC-Maschinen bei 0,001 Millimeter bzw. bei 0,001 Grad, teilweise auch darunter. ([1], S.270)

Messwerterfassung mit Potenziometer

Eine der einfachsten Methoden zur Erfassung des aktuellen Winkels oder Weges ist die Verwendung eines Potentiometers. Diese Methode zählt zu den analogen Messverfahren. Potentiometer bestehen aus einer Widerstandsbahn, die von einem Schleifer oder auch berührungslos (Leitplastikpotentiometer) abgetastet wird. Die Stellung des Abgriffs repräsentiert einen bestimmten Weg, zu dem eine abgenommene Spannung proportional ist. Die Widerstandsbahn kann eine Drahtwicklung, ein leitfähiger Kunststoff oder eine auf einem Träger aufgespritzte Metallschicht sein. Die Bahn kann gerade oder kreisförmig sein (Bild 9).

Prinzip Potenziometer

Quellen

[1]Stefan Hesse Gerhard Schnell, Sensoren für die Prozess- und Fabrikautomation, Vieweg + Teubner 2011