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Sensoren: Die Sinne der Technik

Was beim Menschen die Sinneszellen beispielsweise der Haut, Augen oder Ohren erkennen, wird in der Technik von Sensoren erfasst. In der Gebäudetechnik misst die Heizungsanlage mit einem Temperatursensor die Raumtemperatur oder ein Gassensor überwacht den Co2 Gehalt in der Luft. Das Auto erkennt mit Hilfe von Ultraschallsensoren oder Radarsensoren Gegenstände, welche sich im Fahrbereich befinden. Mit Hilfe von Feuchtigkeitssensoren wird der Garten bedarfsgerecht bewässert und mit Bewegungssensoren oder PIR-Sensoren schaltet nachts das Licht am Haus ein. All das und noch sehr viel mehr sind Anwendungen, welche durch Sensoren ermöglicht werden.

  • Was ist ein Sensor?

  • Wo soll der Sensor intergriert werden?

  • Fertige Sensorlösungen sind für extreme Bedingungen geeignet

  • Wie sieht das Ausgangssignal aus?

  • Wie sichere ich ein System ab?

  • Welche Verbindungstechnik kommt zum Einsatz?

  • Fazit: Was ist bei der Auswahl von Sensoren zu beachten?

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Was ist ein Sensor?

Sensoren übernehmen die Funktion der Sinne in der Automatisierungstechnik. Sie sind das Bindeglied zwischen der digitalen und der realen Welt und in nahezu jedem Industrie 4.0 System integriert. Sensoren dienen dazu die Umgebungsbedingungen als physikalische- oder chemische Größe zu erfassen und diese als elektrische Größe in Form von Daten umzuwandeln. Mit der weitgreifenden und präzisen Datenerhebung durch Sensoren gibt es stetig neue Anwendungsmöglichkeiten für SMART-Home- und Industrie 4.0 Lösungen.

Eine Übersicht möglicher Messgrößen mit den entsprechende Sensorarten ist im Folgenden aufgelistet.

  • Die Wärmestrahlung oder Thermische Energie als Temperatur eines Objektes oder des Raums wird erfasst mit:

    · Widerstandsthermometer

    · Infrarot Temperatursensor

    · Thermoelement

  • Volumenströme, die innerhalb einer gewissen Zeit durch eine Leitung fließen, werden mit Durchflusssensoren ermittelt:

    · Flügelradsensor

    · Ultraschallsensor

    · Induktiver Sensor

    · Differenzdruck Sensor

    · Schwebekörper Sensor

  • Die Standhöhe in einem Behälter durch Flüssigkeiten oder Schüttgut wird als Füllstand bezeichnet. Die Höhe der Füllung wird ermittelt mit:

    · Schwimmerschalter

    · Ultraschall Sensor

    · Radar oder Mikrowelle

    · Widerstandsmessung

    · Druckmessung

    · Kapazitiver Sensor

    · Optischer Sensor

  • Kinetische Energie ist eine Bewegungsenergie, die in Form von Kraft und Beschleunigung auf ein Objekt einwirkt. Die Kräfte werden erfasst mit:

    · Piezoresistiver Sensor

    · Kapazitiver Sensor

    · Dehnungsmessstreifen

    · Differenzdruck Sensor

  • Schallwellen sind mechanische Schwingungen, die sich in einem elastischen Medium bewegen. Sie treten in verschiedenen Frequenzen auf und werden vom menschlichen Ohr als Ton wahrgenommen. Diese Frequenzbänder werden erfasst mit:

    · Piezo Mikrofon

    · Kondensator Mikrofon

    · Membran-Spule Mikrofon

  • Ein Objekt nimmt eine Position im Raum ein oder bewegt sich darin fort. Position und Geschwindigkeit werden ermittelt mit:

    · Encoder

    · Bildsensor

    · Ultraschallsensor

    · Kapazitiver Sensor

    · Induktiver Sensor

    · Optischer Sensor

    · Radar / Lidar

    · Winkelsensor

    · Neigungssensor

    · Laserinterferometer

  • Informationen eines Objekts können kontaktlos gelesen werden. Zur Identifikation mittels Datenerfassung oder Datenerhebung dienen folgende Technologien:

    · Bildsensor

    · Barcode- oder QR-Code-Scanner

    · RFID / NFC

    · Farbsensor

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Wo soll der Sensor integriert werden?

Die Kommunikationsschnittstellen und der Bauraum sind abhängig von der Anlage. Sowohl die Schnittstellen für Kommunikation und Energieversorgung als auch die mechanischen Befestigungsmöglichkeiten zum Positionieren im bestehenden Bauraum sind bei der Wahl des Sensors mit einzubeziehen. Dabei können Sensorelemente in bereits vorhandene Gehäuse für Elektronik integriert, oder sogar auf vorhandenen Platinen angebracht werden. Das Sensorelement kann zum Schutz durch Einschäumen oder Vergießen als mechanischer Schutz fixiert werden. Die Verdrahtung ist bei fertigen Sensorlösungen entweder farblich oder numerisch gekennzeichnet.

Zweileitertechnik

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Sensoren mit Zweileitertechnik werden in Reihe mit der Last geschaltet. Das System ist einem mechanischen Schalter sehr ähnlich. Der Spannungsabfall über den Sensor ist bei der Dimensionierung des Systems zu beachten. Dieser ist abhängig vom Sensortyp und kann aus dem Datenblatt des Sensors entnommen werden.

Dreileitertechnik

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Sensoren mit Dreileitertechnik verfügen über Anschlüsse für die Stromversorgung und eine Extraleitung für die Last. Diese sind besonders für den Einsatz an einer SPS geeignet, da bei der Zweileitertechnik der Reststrom über die Last abfällt. Dies kann bei der Zweileitertechnik zu Fehlschaltungen innerhalb der SPS führen. Bei der Dreileitertechnik wird zwischen negativ schaltenden NPN und positiv schaltenden PNP Sensoren unterschieden. Je nach Typ ist die Last entweder zwischen Ausgang und 0 Volt oder zwischen Ausgang und +UB angeschlossen.

Aufgrund des Endstufentransistors ist die Bezeichnung NPN-Endstufe für minusschaltende Endstufen und PNP-Endstufe für plusschaltende Endstufen geläufig.

Vierleiter- und mehr Technik

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Vergleichbar mit der Dreileitertechnik bietet die Vierleitertechnik darüber hinaus einen zweiten antivalenten Ausgang. Sie verfügen demnach sowohl über einen Öffner- als auch über einen Schließer-Kontakt als Leitung für das Ausgangssignal.

Kennzeichnungsmöglichkeiten nach DIN EN 60947-5-2
TypFunktionAderAderfarbeAnschlussziffer (2, 3, 4)
2 Anschlüsse AC und 2 Anschlüsse DC Polung freiSchließer

Jede Farbe (1) außer Gelb, Grün oder

Grün / Gelb

3

4

Öffner

1

2

Schließer / Öffner programmierbar

1

4

2 Anschlüsse DC Polung beachtenSchließer

+

-

Braun

Blau

1

4

Öffner

+

-

Braun

Blau

1

2

3 Anschlüsse DC Polung beachtenSchließer

+

-

Ausgang

Braun

Blau

Schwarz

1

3

4

Öffner

+

-

Ausgang

Braun

Blau

Schwarz

1

3

2

3 Anschlüsse AC und 3 Anschlüsse AC / DC Polung beachtenSchließer

L

Ausgang

Braun

Blau

Schwarz

1

3

4

Öffner

L

Ausgang

Braun

Blau

Schwarz

1

3

2

4 Anschlüsse DC Polung beachtenWechsler (öffnen, schließen)

+

-

Schließer Ausgang

Öffner Ausgang

Braun

Blau

Schwarz

Weiß

1

3

4

2

8 Anschlüsse M12 Steckverbinder DC Polung beachten7Schließer, Öffner und weitere nicht festgelegte Funktionen

+

-

Schließer Ausgang

Öffner Ausgang

Nicht festgelegt

Nicht festgelegt

Nicht festgelegt

Erde

Schirm

Braun

Blau

Schwarz

Weiß

Grau

Rosa

Violett

Orange (5)

Schirm (6)

1

3

4

2

5

6

7

8

8

1. Es wird empfohlen, dass beide Adern die gleiche Farbe haben.

2. Die Anschlussziffern, (ausgenommen Näherungsschalter für AC und Näherungsschalter mit 3-poligen 8 mm Steckern) und die Stiftnummern der Gerätestecker müssen gleich sein.

3. Bei Näherungsschaltern für DC mit 4 oder 8 Anschlüssen mit besonderen Funktionen dürfen die Anschlüsse 2 oder 4 für andere als Ausgangsfunktionen verwendet werden. In diesem Fall muss der Hersteller die Aderfarbe und die Funktionsweise genau angeben.

4. Bei Näherungsschaltern für DC mit 4 Anschlüssen dürfen die Anschlüsse 2 oder 4 für Ausgangskombinationen verwendet werden, die sich von den in dieser Tabelle dargestellten unterscheiden. In diesem Fall muss der Hersteller für jeden Anschluss die Funktion genau angeben.

5. Für Steckverbinder ohne Schirmbindung.

6. Für Steckverbinder mit Schirmbindung.

7. Empfohlene Farbkennzeichnung. Der Hersteller muss die aktuelle Aderfarbe in den Angaben für die Verwendung angeben.

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Fertige Sensorlösungen sind für extreme Bedingungen geeignet

Fertige Sensorlösungen bieten herstellerübergreifend einheitliche Befestigungsarten und Anschlüsse. Dadurch können die Sensoren im Störungsfall leicht ausgewechselt werden und sind wartungsfreundlich.

Die empfindlichen Sensorelemente sind vor Umwelteinflüssen standardisiert beispielsweise mit IP 54 gegen Staub, Spritzwasser oder höherwertig geschützt.

Darüber hinaus gibt es Modelle, die für unterschiedliche Temperaturbereiche geeignet sind. Informationen dazu können aus dem jeweiligen Datenblatt entnommen werden.

Sie sind für den langlebigen Einsatz bei hoher Präzision entwickelt und oftmals mit einer Zustandsanzeige ausgestattet.

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Wie sieht das Ausgangssignal aus?

Sensoren senden Ausgangssignale, die in Abhängigkeit der zu erfassenden Größe in analog, digital und binär eingeteilt werden.

Analoge Sensoren

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Diese Messumformer geben als Signal innerhalb der Grenzwerte unendlich viele Messwerte aus. Dies ist beispielsweise bei Drucksensoren in Wagen oder Abstandssensoren der Fall. Eine Gewichtskraft oder eine Entfernung wird daraufhin in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieser Analogwert wird in Form eines Stroms oder einer Spannung weitergeleitet. Typischer weise werden Ströme zwischen 0 und 20 Milliampere oder von 4 bis 20 Milliampere ausgegeben. Eine Steuerung kann im Anschluss dieses Signal digital weiterverarbeiten.

Digitale Sensoren

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Ein digitaler Sensor gibt als Signal innerhalb der Grenzwerte eine bestimmte Anzahl an Messwerten aus. Das Signal hat eine bestimmte Auflösung, beispielsweise 16 Bit und kann im Wertebereich zwischen von 0 bis 65535 einen ganzzahligen Wert annehmen. Encoder, die eine mechanische Drehbewegung aufnehmen oder Neigungssensoren, die einen Winkelversatz erkennen produzieren impulsförmige Signale, welche von einer Steuerung direkt eingelesen werden.

Binäre Sensoren

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Ein binärer Sensor gibt als Signal zwei Zustände aus, vorhanden und nicht vorhanden. Sie sind vergleichbar mit einem mechanischen Schalter. Näherungsschalter oder Niveauüberwachungs-Sensoren können erfassen, ob ein Objekt sich in Reichweite (1 = Grenzwert) befindet oder nicht. Sie geben einen binären Wert aus entweder 0 oder 1. Binäre Sensoren werden in 2-Leiter-, 3-Leiter-, 4-Leiter- und mehr Technik angeboten.

Wie sichere ich ein System ab?

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Sensoren werden neben den Messzwecken häufig als sicherheitsrelevante Bauteile in der Industrie eingesetzt. Sie kommen als Näherungsschalter oder Hallsensoren an Schutztüren, Positionssensoren zur Produktüberwachung, Lichtsensoren in Form von Lichtschranken und vieles mehr zum Einsatz.

Die Verarbeitung der Daten geschieht über eine Steuerung. Die Signale werden entweder analog beispielsweise über Relais oder Schütze verarbeitet oder digital in einer Speicherprogrammierbaren Steuerung kurz SPS. Bei der Erstellung der Programme ist es sinnvoll mit Sicherheitsschleifen zu arbeiten.
Während die Schutzkontakte geschlossen sind, ist das Steuerprogramm der Anlage aktiv. Wird einer der Sicherheitssensoren geöffnet, hat die Anlage sofort abzuschalten und alle Aktoren haben unverzüglich still zu stehen.
Ist die Störung behoben und der Sicherheitssensor geschaltet, kann die Anlage über einen separaten Taster wieder in Betrieb genommen werden. Darüber hinaus sollten sicherheitsrelevante Sensoren stets als Öffner betrieben werden, damit im Fall eines Defekts beispielsweise durch einen Kabelbruch die Anlage in die Fehlerschleife wechselt. Es ist hilfreich Sensoren zu verwenden, die mit einer optischen Zustandsanzeige ausgestattet sind.

Welche Verbindungstechnik kommt zum Einsatz?

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Die Verbindungstechnik für Sensoren umfasst Kabeldosen, Kabelstecker, Verbindungskabel und Zentralverteiler in den Größen M8 und M12.

Se können ohne Werkzeug montiert werden und sind mit einem O-Ring unter der selbsthemmenden Überwurfmutter vor äußeren Einflüssen geschützt.

Einige Modelle verfügen darüber hinaus über eine optische Zustandsanzeige, die mit einer LED visualisiert wird.

Für den Einsatz im Hygiene- und Nassbereich der Lebensmittel- und Pharmaindustrie gibt es genau so geeignetes Zubehör, wie für den Einsatz in der metallverarbeitenden Industrie und in explosionsgefährdeten Bereichen.

Fazit: Was ist bei der Auswahl von Sensoren zu beachten?

1. Welcher Nutzen soll durch den Einsatz eines Sensors entstehen?

2. Welche Messgrößen sollen erfasst werden?

3. Wieviel Bauraum und welche Schnittstellen bietet die Anlage?

4. Wie sind die Umgebungsbedingungen?

5. Wie soll das Messsignal aussehen?

6. Was passiert bei einem Systemausfall?

7. Wie sollen die Sensoren vernetzt werden?

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Zu den Sensoren

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Author: Arline Emard IV

Last Updated: 12/29/2022

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Name: Arline Emard IV

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