Sensoren - HTL Wien 10

MESSTECHNIK KOMPENDIUM Sensoren Berufskolleg Olsberg 2004/2005
Sensoren
ein Kompendium der Klasse PF3A
am Berufsskolleg Olsberg 2004/2005
Lehrer: Diether Schnelle
Messtechnik Kompendium - Sensoren

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Agenda
Autoren Thema Seite
Lachenicht / Pithan Drehwinkel- / Drehzahlsensoren 1-4
Beule / Babilon Thermoelemente 5-7
Keßler / Meier Halbleiter-Temperatursensoren 8-13
Lauenroth / Hellwig / Brüne Differenzialdrossel 14-15
Böhmer / Hein / Abou-El-Elle Längenmesssensoren 16-21
Sommerfeld / Wodera Kapazitive Füllstandssensoren 22-25
Müller / Ortmüller Annäherungssensoren 26-29
Wolf Metallische Dehnungssensoren 30-46
Schmitt / Wegener Metallische Temperatursensoren 47-53
Frisch / Mündelein Beleuchtungsstärke-Sensoren 53-57
Messtechnik Kompendium - Sensoren

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Drehgeber - Drehwinkelsensoren
Anwendungsbeispiele
- Positionsmeldungen an Servosystemen
- Neigungswaagen
- Nocken- und Drosselklappenstellungen
- Pendelwalzenregler
- Faden- und Bandspannungsmessung
- Fräßmaschienen
Funktionsweise
Man unterscheidet hier
hauptsächlich zwei Arten:
- Inkrementaldrehgeber
- Absolutdrehgeber
Inkrementale Drehgeber
In der einfachsten Variante als
einkanalige Drehgeber dienen
diese Sensoren z. B. zur
Drehzahl- und Winkelmessung.
Die lichtundurchlässigen Striche
auf der Scheibe unterbrechenden
Lichtstrom zwischen LED und
Fotoempfänger, was zu einer
Veränderung des Empfängerausgangssignales
führt. Dieses
elektrische Signal wird in ein
Rechtecksignal
Einkanal Dreheber (inkemental)
umgeformt.
Einkanalige Drehgeber zählen Impulse (Inkremente),
erkennen aber weder die Richtung der Bewegung noch
die absolute Position der Scheibe. Will man zusätzlich
die Richtung der Drehbewegung erfassen, benötigt
man dazu einen zweikanaligen Drehgeber, der mit
einem zweiten, um 90° elektrisch versetzten
Fotoempfänger ausgerüstet ist. Wegen der
Phasenverschiebung zwischen den Signalen kann die
Drehrichtung ermittelt werden. Zweikanalige Drehgeber
zählen Impulse und erkennen die Drehrichtung, nicht
jedoch die absolute Position der Scheibe. Sie eignen
sich beispielsweise für Positionieraufgaben. Erst mit einem dritten Kanal lässt sich
auch die absolute Position der Scheibe bestimmen. Dreikanalige Drehgeber
verfügen zu diesem Zweck über einen separaten optischen Sensor, der eine
Einzelmarkierung auf der Scheibe abtastet und als Referenzsignal (auch Indexsignal)
nutzt. Damit ist ein Nullimpuls vorhanden, der einmal pro Umdrehung auftritt.
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Absolutdrehgeber
Auf der Scheibe eines
Absolutdrehgebers sind mehrere
Spuren mit Gitterlinien bzw. Flächen
konzentrisch angeordnet. Für jedes
radiale Segment der Scheibe existiert
dadurch ein charakteristisches
Strichmuster, das einer absolut
definierten Lage der Scheibe
entspricht. Dieses Muster wird parallel
ausgelesen und ergibt diskrete
Zahlenwerte, die jeweils einer exakten
Winkelposition entsprechen. Anders als
beim inkrementalen Geber, erkennt der
Absolutdrehgeber immer die absolute
Position der Scheibe – auch wenn die
Versorgungsspannung unterbrochen
und die Welle währenddessen bewegt wurde. Bei solchen Sensoren sind bei der
Wiederinbetriebnahme also keine Refernzfahrten erforderlich. Die Auflösung eines
Absolutdrehgebers hängt von der Zahl der konzentrischen Spuren auf der Scheibe
ab: Jede Spur entspricht einem Bit. Da die Spuren die Fläche der Scheibe
unterteilen, spricht man bei Absolutdrehgebern von Teilungen. Aktuell werden bis zu
19 Bit (also 19 Spuren) Teilung realisiert. Um den Verkabelungsaufwand zu
begrenzen, kann man bei Absolutdrehgebern serielle Datenformate (RS 232, RS
422, SSI u. a.) wählen. Die Signalwandlung erfolgt geräteintern, entweder durch eine
Hardware-Logikschaltung oder einen Mikroprozessor.
Absolutdrehgeber arbeiten nicht mit dem
natürlichen Binär Code, der EDV-technisch
einfach zu verarbeiten ist, bei der optischen
Abtastung kann es jedoch zu Lesefehlern
kommen. Es kann vorkommen, dass die
Bitwechsel mehrerer Spuren nicht exakt
zeitsynchron erfolgen (Glitch) und somit eine
falsche Positionszuordnung erfolgen kann.
Absolutdrehgeber arbeiten mit Gray Code. Der
Gray Code ist ein einschrittiger Code, bei dem
gewährleistet ist, dass sich von Position zu
Position jeweils nur 1 Bit ändert. Dies führt zu
einer zuverlässigen Abtastung des Codes und
somit der Positionen.
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Drehgeber auf Hall-Efekt Basis
Zur Messung von Winkelpositionen und Drehbewegungen lässt sich der Halle-
Effekt benutzen, in dem man einen Permanentmagneten in Abhängigkeit zu
dem zu messenden Winkel vor dem Hall-Element dreht. Es entsteht dann eine
sinus-förmige Ausgangsspannung. Da dieses Signal nach jeweils 90° aber
mehrdeutig ausgewertet werden kann, werden in den Winkelsensoren zwei um
90° versetzte Hall-Elemente in einem Baustein eingesetzt.
Durch Quadrantenauswertung wird die Winkelposition des Magneten eindeutig
ermittelt. Über eine nachfolgende Interpolation kann jeder Winkel innerhalb
eines Vollkreises bis auf rund 260000 Schritte aufgelöst werden.
Quellenangaben
www.twk.de , www.haidenhein.de , www.kuebler.com
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Thermoelemente
Ein Thermoelement ist ein aktives Bauteil, welches eine Spannung erzeugt.
Die Anordnung von zwei verschiedenen Metalldrähten nennt man
Thermoelement:
- Es diffundieren Elektronen aus dem Metall (1) mit der kleineren
Austrittsarbeit in das Metall (2) mit der größeren Austrittsarbeit.
- Das hat zur Folge das Metall (1) negativ geladen und Metall (2) positiv
ist.
An den beiden offnen Drahtenden entsteht ein Potentialdifferenz ,die
Kontaktspannung, welche sehr klein ist (10 -4 bis 10 -5 ).
Diese Kontaktspannung (Thermospannung) ist abhängig von:
- der Temperaturdifferenz der Kontaktstelle T 1 und den Drahtenden T 0
- den Materialien der beiden Metalle (der Empfindlichkeit/Thermokraft)
Empfindlichkeit:
∆U
η = ⎯⎯
∆T
→ Dieser Effekt wird thermoelektrischer oder Seebackeffekt genannt.
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Thermoelektrische Spannungsreihe(Seebeckkoeffizienten):
Material Sb Fe Zn Cu Ag Pb Al Pl Ali Bi
η in
µV/K
+35 +16 +3 +2,8 +2,7 0 -0,5 -3,1 -19 -70
Die durch eine Temperaturdifferenz entstehende Thermospannung ist von der
Materialpaarung abhängig:
Beispiel:
η = Fe– Al
η = 16 µV/K – (-0,5µV/K)
η = 16,5 µV/K
Die Empfindlichkeit dieses Thermoelementes würde 16,5 µV/K betragen.
Verbindet man die Enden der beiden Drähte, dann fließt bei unterschiedlicher
Temperatur der Kontaktstelle ein Thermostrom. Die Energie für diesen Strom
wird der Wärmequelle entzogen. Die entstehenden Ströme liegen in der
Größenordnung von 40A.
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Messung der Spannung:
- Um die Empfindlichkeit zu erhöhen kann man mehrere Thermoelement
zu einer Thermosäule hintereinander schalten.
- Mit Thermoelementen können Temperaturen von –200 °C bis 2000°C
gemessen werden.
- Bei der Messung wird nicht die absolute, sondern die Temperaturdifferenz
zwischen den Drahtenden und der Kontaktstelle gemessen. (Die
Bezugstemperatur T 0 kann durch Eiswasser leicht auf 0°C gelegt werden.)
Bei der Temperaturmessung werden zwei Thermoelemente verwendet, die
entgegengesetzt geschaltet sind:
Thermospannung:
U 0 = T 0 * η
U 1 = T 1 * η
- U 1 + U 0 + U TH = 0
U TH = U 1 + U 0
U TH = T 1 * η + T 0 * η
U Th = η * (T 1 – T 0 )
Die entstehende Thermospannung ist in einem bestimmten Bereich proportional
zur Temperatur.
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Temperatursensoren
Halbleitertemperatursensoren wie der Silizium
Temperatursensor KTY
Inhaltsverzeichnis
•Was sind passive Temperatursensoren?
•Vor- und Nachteile zwischen Metall- und Halbleiter-Temperatursensor
•Der Aufbau eines Silizium-Temperatursensors
•Der Aufbau eines symmetrischen Silizium-Temperatursensors
•Anwendungen der Halbleiter-Temperatursensoren
•Beispiel eines Halbleiter-Temperatursensors der KTY
•Tabelle der Widerstandsänderung des KTY10-6 bei Temperaturänderung
•Diagram zur Widerstandsänderung des KTY-6
•Linearitätsfehler
•Schaltung zur Messung der Spannung am KTY
•Diagramm zur Linearisierung eines KTY
•Probleme des KTY
•Diagramm zur Linearitätsfehler des KTY
•Mathematische Formel für den Widerstand bei Erwärmung
Was sind passive Temperatursensoren?
Passive Temperatursensoren sind Sensoren welche bei einer Temperaturänderung keine
direkte messbare Spannung ausgeben sonder z.B. ihren Widerstand ändern.
Es gibt zwei verschiedene Arten von diesen widerstandsändernden
Temperatursensoren Metall- und Halbleiter-Temperatursensoren
Bei den Metall-Temperatursensoren wird die Widerstandsänderung mancher Metalle
z.B. Platin und Nickel
Bei den Halbleiter-Temperatursensoren wird die Widerstandsänderung von dem
Halbleitermaterial Silizium und Germanium ausgenutzt.
In der Industrie wird vorwiegend Silizium benutzt weil es höhere Temperaturen
aushält und belastbarer ist.
Wenn nun durch einen Temperaturabhängigen Widerstand ein konstanter Strom fliest,
kann die Spannungsänderung bei Temperaturänderung gemessen werden.
Vor- und Nachteile zwischen Metall- und Halbleiter-
Temperatursensor
Metall-Temperatursensoren
Ihre Vorteile:
•fast Linearität
•Langzeitstabilität
•Hohe Herstellungskosten
Halbleiter-Temperatursensor
Ihre Nachteile:
Ihre Vorteile:
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•Geringe Herstellungskosten
•Exemplarstreuungen
Ihre Nachteile
•Linearität nur bedingt möglich
Der Aufbau eines Silizium-TemperatursensorsDer Strom fließt, je
nach wärme durch einen von der gestrichelten Linie
Der Ausbreitungswiderstand zwischen den beiden Kontaktflächen wird zur Temperaturbestimmung
benutzt.
Der Aufbau eines symmetrischen Silizium-
TemperatursensorsDurch diesen Aufbau, der fast ausschließlich zu finden ist,
wird der Ausbreitungswiderstand linearer und Richtungs-unabhängig.
Anwendungen der Halbleiter-Temperatursensoren
Der Hauptanwendungsbereich der Silizium-Sensoren liegen in der
Temperaturmessung und der Grenzwertüberwachung im Bereich der
•industriellen Messtechnik / Motorschutz
•Kraftfahrzeugtechnik
•Medizinelektronik
Beispiel eines Halbleiter-Temperatursensor der KTY
KTY-Sensoren
Der Sensor KTY ist ein Silizium- Temperatursensor.
Er hat die Eigenschaften eines PTC, d.h.
bei Temperaturzunahme steigt sein Widerstandswert .
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TYP R bei T
KTY 1890
ol
KTY 1910 1
KTY 1940 1

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Im Gegensatz zu den PTC's weisen
sie eine annähernd lineare
Temperaturcharakteristik auf. Ihr
Widerstandsverhalten ist
vergleichbar mit dem eines
Messwiderstands mit sehr großem
Temperaturkoeffizienten
Tabelle die Widerstandsänderung des KTY10-6 bei
Temperaturänderung
T in °C R in W T in °C R in W T in °C R in W T in °C R in W
-50 1040,51 0 1645,27 50 2389,69 100 3273,76
-45 1094,7 5 1713,43 55 2471,81 105 3369,85
-40 1150,29 10 1782,98 60 2555,33 110 3467,33
-35 1207,27 15 1853,93 65 2640,24 115 3566,21
-30 1265,65 20 1926,28 70 2726,56 120 3666,49
-25 1325,43 25 2000,02 75 2814,26 125 3768,16
-20 1386,61 30 2075,16 80 2903,37
-15 1449,18 35 2151,7 85 2993,87
-10 1513,14 40 2229,63 90 3085,77
-5 1578,51 45 2308,96 95 3179,07
Diagram zur Widerstandsänderung des KTY-6
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Widerstandsänderung des KTY10-6 bei unterschiedlichen Temperaturen
4000
W
i
d
e
r
s
t
a
n
d
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
Temperatur
Widerstandsänderung
Linearitätsfehler:
Quelle: http://www.sprut.de/electronic/temeratur/temp.htm
Der Widerstand ändert sich aber leider bei hohen Temperatur stärker als bei niedrigen
Temperaturen, da der Temperaturkoeffizient den PTC temperaturabhängig ist.
Dem läßt sich entgegenwirken, wenn man keine Konstantstromquelle verwendet, sondern den
PTC durch einen einfachen 2,7kOhm-Widerstand (Metallschicht , TK=25) aus der 5V-
Betriebsspannung speist. Der Strom durch die in Reihe geschalteten Widerstände ist nun vom
Widerstand des PTC und damit von der Temperatur abhängig. Bei hohen Temperaturen ist
der Strom etwas kleiner, und der Spannungsabfall über dem PTC ist dadurch etwas geringer
als bei Konstantstrom.
Das gleicht die Unlinearität fast genau aus. Im Bereich von -40°C ... +140°C scheint der
Sensor nun linear zu sein. Der verbleibende Linearitäts-Restfehler liegt bei +- 10 mV, also
etwa +- 1,25°. Unterhalb 50°C ist die ausgegebene Spannung etwas zu klein, oberhalb aber
etwas zu groß.
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Schaltung zur Messung der Spannung am KTY
Schaltung 1 Schaltung 2
Linearisierung des Signals
Diagramm zur Linearisierung eines KTY
: Spannungsverlauf bei Schaltung 1
: Spannungsverlauf bei Schaltung 2
Probleme des KTY
Probleme dabei: Der KTY ist für einen Strom von 1mA ausgelegt. Niedrigere Ströme sind
wohl unkritisch, aber höhere Ströme können zu stärkerer Eigenerwärmung führen. Mit dem
2,7kOhm-Widerstand an 5V erzeugt der KTY-81 bis zu 2mW Wärme (anstelle der normalen
1mW). Daß läßt eine Eigenerwärmung um zusätzlich 1° erwarten.Dieser Effekt ist
temperaturabhängig, und macht sich erst oberhalb von 50°C bemerkbar. Wenn man den
Sensor nur während der Messung mit Strom versorgt, läßt sich die Eigenerwärmung gänzlich
vermeiden.
Diagramm zur Linearitätsfehler des KTY
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Mathematische Formel für den Widerstand bei
Erwärmung
Mathematische Formel beispielsweise für den Bereich
-30 bis +130 °C (KTY 11-16)
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Induktive Sensoren – Differentialdrossel
Um Wegänderungen in Spannungsänderungen umwandeln zu können, bedient man sich einer
Differentialdrossel. Bei diesem Sensor nutzt man den Effekt des Blindwiderstandes von
Spulen im Wechselstromkreis. Der
Blindwiderstand von Spulen kann durch
Beeinflussung der mittleren Feldlinienlänge
verändert werden. Wie man diese
Feldlinienlänge mechanisch verändern kann
zeigt Bild 1.
Die Induktivität L ist definiert als:
N
L =
R
2
M
R M ist der magnetische Widerstand. Er ist ein Maß für die Durchlässigkeit eines Stoffes für
den magnetischen Fluss. R M ist definiert als:
R
l
m
µ
µ
M
0
r
A
lm
=
µ ⋅µ ⋅A
0
r
mittlere Feldlinienlänge
⎛
magn. Feldkonstante ⎜1,256⋅10
⎝
relative Permeabilität
-6
Vs ⎞
⎟ Am ⎠
Querschnittsfläche des magn. Leiters
Der magnetisch Widerstand setzt sich zusammen aus R M Eisen und R M Luft . Es ergibt sich für
den Gesamtwiderstand:
R
M ges
Fe
= +
Fe
l
2 ⋅ s
µ ⋅µ ⋅A µ ⋅µ ⋅A
0 L 0
Da µ Fe verhältnismäßig groß ist, kann der erste Term vernachlässigt werden. Es ergibt sich
nun die endgültige Formel für die Induktivität:
2
µ
0
⋅A⋅N
L =
2s
Es ergibt sich nun folgende nicht-lineare Abhängigkeit:
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Dieser Verlauf muss linearsistiert werden, um
die Spule sinnvoll zur Wegmessung einsetzen
zu können. Dies lässt sich realisieren, indem
man zwei Spulen in Differentialschaltung
betreibt (Bild 3).
Die in Bild 3 dargestellte Messschaltung hat nun
die Eigenschaft, dass die Wegänderung ∆s
proportional zur Spannungsänderung ∆U ist.
Diese Schaltung ist das grundlegende Prinzip
induktiver Wegsensoren. Man unterscheidet
diese Sensoren in zwei Gruppen:
- Wegtaster (mit Rückstellfeder)
- Tauchanker (ohne Rückstellfeder)
Diese Wegsensoren gibt es in den
unterschiedlichsten Größen und Messbereichen.
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Referat Längenmesssensoren
Digitale Sensoren
Die bisher vorgestellten Sensoren lieferten am Ausgang ein analoges
Signal als Abbild der Messgrößen. Der Nährungsschalter bildet die
Ausnahme, da er ein binäres Signal liefert, HIGH and LOW. Dies
entspricht der Schalterfunktion.
Digitale Sensoren liefern ein digitales Abbild der Messgrößen.
Das digitale Abbild der Messgrößen kann ein binärer Zustand haben,
oder als Zustandsbeschreibung eines Schalters, eine Menge von
zuordenbaren Impulsen, entstanden durch – oder –Übergänge oder eine
Digitalzahl als Abbild der Messgröße.
Der prinzipielle Aufbau eines digitalen Sensorsystems besteht aus einer
Codierscheibe bzw. Codierlineal und einem Abtastsystem.
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Ein Glasstab, der mit dunklen Strichen versehen ist (siehe oben), wird
durch einen parallelen Lichtstrahl bewegt. Der durch die Hell-Dunkel-
Zonen modulierte Lichtstrahl fällt auf eine Fotodiode. Das
Ausgangssignal der Fotodiode wird entsprechend der Bewegung der
Striche Impulse abgeben. Die Anzahl der Impulse ist nun ein direktes
Abbild der Verschiebung des Strichlineals.
Das Strichlineal ist mit lichtdurchlässigen und nichtdurchlässigen Streifen
versehen. Eine andere Methode besteht darin, reflektierende Streifen auf
dem Strichlineal anzuordnen. Das Abtastverfahren arbeitet dann nach
dem oben gezeigtem Bild.
Def.:
Die Quantisierung des Messsignals wird durch optische Abtastverfahren
eines beweglichen Strichlineals erreicht.
Ein weiteres Verfahren zur Codierung eine Lineals bzw. einer Scheibe
ist das magnetische Verfahren. Zur Abtastung der magnetischen
Markierung werden Hallgeneratoren verwendet. Die magnetischen
Verfahren haben sehr viele Ähnlichkeiten mit den häufiger
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vorkommenden optischen Verfahren. Der große Vorteil hierbei ist die
Verschmutzung am Codierlineal keine Auswirkung auf die Messung hat.
Die am häufigsten benutzte digitale Längen – und Winkelsensoren
arbeiten nach den inkrementalen Messverfahren.
Inkrementales Verfahren:
1. Auf dem Codelineal sind gleichartige Inkremente (Messschritte)
angebracht.
2. Durch Aufzählen der einzelnen Messschritte, wird die Position
ermittelt
3. Inkrementale Messverfahren sind relative Verfahren, weil es keinen
absoluten Bezug gibt.
è Von jeder Stelle kann der Messvorgang neu begonnen werden, ohne
dass man weiß, wo sich die Position absolut befindet.
Definition:
Inkrementale Messverfahren stellen durch Aufzählen der einzelnen
Messschritte die Position relativ zu einem Bezugspunkt fest.
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In folgenden Ausführungsformen kommen industriell gefertigte
inkrementale Sensoren vor:
1. Einkanal – Inkrementalsensoren
- Codelineal enthält ausschließlich ein Strichgitter
- abgegebenen Impulse entsprechen der Bewegung des Lineals
Durch Aufzählung wird der jeweilige Abtastewert ermittelt und die
Richtungsermittlung ist hierbei nicht möglich
2. Zweikanal – Inkrementalsensor
- Der Sensor ist ähnlich aufgebaut wie der Einkanal-
Inkrementalsensor. Der besitzt im Gegensatz zu dem Einkanal-
Inkrementalsensor zwei gegeneinander verschobene Abtastsysteme
- Die Verschiebung ist so ausgelegt, dass zwei um 90° versetzte
Impulsfolgen entstehen
- Das direkt an der Fotodiode entstehende Spannungssignal ist fast
dreieckförmig; durch eine Impulsformerstufe wird es zu einem
rechteckförmige Signal umgeformt
a.) Spannungssignal von K1
b.) 90 ° von dem Signal K1 ist K2 versetzt
c.) Frequenzverdopplung mit einer EX – OR - Verknüpfung von K1 und
K2
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è Verdopplung der Frequenz gegenüber den Grundsignal; gegenüber
dem
Einkanal- Inkrementalsensor hat man hier ein System mit doppelter
Auflösung.
Schaltung zur Erkennung des Richtungssinnes????
siehe Bild 3.103 S. 124
è Ein anderer Vorteil des Zweikanal – Inkrementalsensor besteht darin,
dass der
Richtungssinn festgestellt werden kann.
Erklärung der Schaltung:
è Die Schaltung verzögert das Umschalten genau um die versetzten
90°, so dass bei einer Rechtsbewegung Ausgang B immer und bei einer
Linksbewegung A immer auf 1 stehen/ liegen. Bei einer Linearbewegung
zeigt dieses Signal die Bewegungsrichtung und bei einer Drehbewegung
die Drehrichtung.
Dreikanal – Inkrementalsensor
Wie schon oben genannt, hat der inkrementale Sensor den Nachteil,
dass sein gesamtes Messsystem relativ ist. Durch eine Referenzspur mit
einem weiteren optischen System lässt sich dieser Nachteil
kompensieren.
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Das zusätzliche Lineal enthält in gewissen Abständen Referenzmarken,
an denen sich das Gesamtsystem wieder neu orientieren kann. Dazu
müssen diese Referenzmarken einen unverwechselbaren
Strichgittercode aufweisen. Im einfachsten Fall wären dies in Gewissen
abständen der Anzahl entsprechende Striche.
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Kapazitive Füllstandssensoren
Arten der Füllstandssensoren:
elektrische-, optische-, mechanische-, radiometrische- und Ultraschall-
Füllstandssensoren
Anwendungsbereiche
-Sterilisatoren
-Ölstandsmessung
-Treibstoff-Vorrat
-Kondensflüssigkeits Überwachung
-Reinigungsmittel-Vorrat (flüssig oder pulverförmig)
-Maschinenbau, Apparatebau
-Abfüllanlagen
-Lacken
-Granulaten
-Wachse
-Schmelzklebern
-Mühlen
-Mischvorrichtungen
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Prinzipskizze
Formel
C = Er E0 A/d
E0 = 8.8542 10 -12 As/Vm
Dielektrikumskonstanten
Luft 1
Polyäthylen 2,3
Porzellan 6
Marmor 8,3
Treibstoff/COH 31
Wasser 81
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Funktionsprinzip
Das kapazitive Messverfahren beruht sich auf die Änderung des Füllstandes. Wenn sich der Füllstand
ändert entsteht eine Kapazitätsänderung ?C. Die Messanordnung wird durch den kapazitiven
Füllstandssensor (Standaufnehmer) und der Gegenelektrode (an der Behälterwand) ausgeführt. Die
gemessene Kapazität setzt sich aus der Leerkapazität des leeren Behälter und der Kapazitätsänderung,
die durch die Füllstandsänderung des Messstoffes hervorgerufen wird.
Anwendungsbereich
Das kapazitive Messverfahren wird zur Grenzwerterfassung sowie zur kontinuierlichen Messung
eingesetzt. Es kann für nicht leitende und leitende Flüssigkeit sowie für Schüttgüter eingesetzt werden.
Zur Sicherstellung der Messung muss der Messstoff eine Mindestdielektrizitätszahl (Er> 1,4) haben.
Die Dielektrizitätszahl ist eine stoffspezifische, charakteristische Eigenschaft des Messstoffes und ist
u. a. abhängig von der Zusammensetzung des Messstoffes, der Temperatur und der Feuchte.
Bei der kontinuierlichen Messung ist dies besonders zu beachten, weil hier eine konstante
Dielektrizitätszahl vorausgesetzt wird. Bei der Grenzstanderfassung sind diese Einflüsse von
untergeordneter Bedeutung. Hier muss jedoch gewährleistet sein, dass sich durch den Unterschied der
Dielektrizitätszahl von Luft (leerer Behälter) und Messstoff eine ausreichende Kapazitätsänderung
ergibt. Ablagerungen an den Standaufnehmern (Sonden) beeinflussen das Messergebnis und müssen
vermieden werden.
Messverfahren
Für viele Behälterformen kann die Berechnungsformel eines zylindrischen Rohrkondensators
angewendet werden. Die Behälterwand stellt dabei den äußeren Zylindermantel dar und der
Standaufnehmer den inneren Zylinder. Die dem jeweiligen Füllstand entsprechende Kapazität
errechnet sich als Summe der zwei Parallelgeschalteten Teilkapazitäten des gefüllten und des
leeren Behälters. Die gemessene Kapazität setzt sich aus der Leerkapazität und der
Kapazitätsänderung zusammen, die durch die Füllstandsänderung des Messmediums
hervorrufen wird.
Einstellung, Betrieb
Da die kapazitiven Füllstandssensoren Werksseitig voreingestellt sind, ist lediglich eine
Einstellung als ein Toleranzausgleich zu sehen. Bedingt durch Montage, Füllmedium und die
Fertigung ergeben sich Toleranzen, die so ausgeglichen werden. Die Einstellung erfolgt über
die Sondenempfindlichkeit mit dem Potentiometer (Level) und muss immer mit dem
tatsächlich eingesetzten Füllmedium vorgenommen werden. In Drehrichtung nach rechts
steigt das Füllniveau. In Drehrichtung nach links fällt das Füllniveau. Bei einem eventuellen
Defekt des Gerätes kann der Ausgang einen beliebigen Zustand annehmen.
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Technische Daten (Tippkemper)
CNS-506
Nennspannung
15-30V/DC , einschließlich Restwelligkeit
Nennstrom
30 mA
Schaltfrequenz
= 0.5 Hz
Schaltspannung max.
100V AC/DC
Schaltstrom max. 0.5A
Anschlussleitung
4 X 0,25 mm² + Masse / L = 5 m
Gehäusewerkstoff
AL
zul. Umgebungstemperatur
+10°C bis +50°C
Schutzart IP 65 nach EN 40050
Betriebsdruck
-1 bis 25 bar
Messabweichung
waagerecht ± 3 mm
senkrecht ± 6 mm
Vorzüge
- Das patentierte Verfahren erlaubt verschiedene Kabelmaterialien
- Unabhängig von der Messlänge
- Aufgrund der kleinen Bauform auch bei beengten Verhältnissen einsetzbar
- Auch bei aggressiven Materialien korrosionsbeständig wegen breiter Materialienauswahl
- Kapazitives Messprinzip arbeitet auf niedrigstem Energieniveau
- Standard-Signalausgänge
- Auch bei höheren Drücken einsetzbar (entsprechende Verschraubung)
- Kontinuierliche Füllstandsüberwachung
Wartung
Kapazitive Füllstandssensoren sind wartungsfrei. Die Geräte dürfen nur durch den Hersteller
repariert oder überholt werden.
Hersteller
- Thyracont Elektronic GmbH
- Kobold
- Endress + Hauser Messtechnik GmbH+Co.
- Tippkemper Elektronik GmbH & Co KG
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Induktiver Annäherungssensor
Der Schwingkreis wird mit einer Wechselstromquelle aufrecht erhalten.
Der Schwingkreis ist so gebaut, das dass Magnetfeld in den Raum strahlt.
Nähert sich ein Leitfähiges Material so wird dem Schwingkreis Energie entzogen
Dies führt zu einer Verkleinerung der Schwingungs -Amplitude.
Diese ist Stark abhängig vom verwendeten Material
Da die Spannungsänderung jedoch zu gering ist, wird das Signal verstärkt.
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Dieses Signal ist Linear abhängig vom Abstand des Leitenden Gegenstandes
Eine Verstärkte Kennlinie könnte so aussehen:
Ua stellt in diesem Diagramm die Amplituden Spannung da.
Induktiver Näherungsschalter
Der induktive Näherungsschalter ist ein berührungsloser elektronischer Schalter, der auf
Annäherung eines leitfähigen Materials reagiert. Der Induktive Schalter wird z.B. zur
Drehzahlbestimmung z.B. im Kfz eingesetzt
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Das Grundprinzip vom Näherungssensor wird erweitert um die Funktion eines Schmitt-
Triggers
Dieser hat die Aufgabe bei einer unteren und oberen Amplitude zu Schalten
Schmitt-Trigger
U D
R 1
U E
U A
R 2
Für die Bestimmung des Schaltabstandes wird eine Normplatte aus St-37 verwendet. Andere
Materialien können mit Hilfe eines Korrekturwertes Angeglichen werden.
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Kapazitive Sensoren
Kapazitive Sensoren bestehen im wesentlichen aus einem Kondensator mit veränderlicher
Kapazität
Die Kapazität eines Kondensators ist folgendermaßen Definiert :
e0 ·eQ· A
C =
d
Die sensorische Funktion eines kapazitiven Sensors liegt in der Veränderung von
Plattenabstand, Plattenfläche oder der Dielektrizitätszahl durch eine nichtelektrische
Meßgröße.
Änderung des Plattenabstands
Der Abstand zweier Kondensatorplatten kann zur Wegmessung kleiner Größen verwendet
werden. Nachteilig ist allerdings das umgekehrte proportionale Verhalten von Wegänderung
und Kapazitätsänderung. Dies führt zu einer nichtlinearen hyperbelförmigen Kennlinie.
Differentialkondensator
sind 2 Kondensatoren mit einer beweglichen Platte in der Mitte.
Betreibt man dieses in einer Brückenschaltung, so ist die Diagonalspannung eine lineare
Funktion der Wegänderung.
Änderung der Plattenfläche
Durch Parallelverschiebung der beiden Kondensatorplatten ändert sich die Kapazität, da
beide Platten sich nur noch teilweise überdecken. Die Kapazität sinkt von C0 auf C.
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Ende
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Vortrag
Metallische Temperatursensoren
von Thomas Schmitt und Dirk Wegener
Inhalt:
- Einleitung
- Linearität
- Toleranzen
- Messfehler
- Messschaltung
- Bauformen
- Anwendungsbeispiele
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Metallische Temperatursensoren
Metallische Temperatursensoren arbeiten auf der Grundlage der temperaturabhängigen
Änderung des Metallwiderstandes.
Nickel und Platin gelten als besonders geeignete Metalle für diesen Sensortyp. Aufgrund der
hohen chemischen Resistenz werden aber meist Platintemperatursensoren verwendet.
Zur Temperaturmessung im Bereich -200 °C bis 850 °C wird in der Industrie hauptsächlich der
Pt100 genutzt. Die elektrische Widerstandsänderung eines Platindrahtes wird hierbei als Signal
in Form einer Spannung genutzt.. Er besitzt bei 0 °C den Widerstand R 0 = 100 Ohm. Es sind
auch Pt200, Pt500 und Pt1000 erhältlich. Die Widerstandsänderung ist nach IEC 751 festgelegt.
Linearität
Im Temperaturbereich zwischen 0 - 100 °C errechnet sich der Warmwiderstand R
näherungsweise als lineare Funktion der Temperatur T (in °C):
R = R 0 · (1 + a · T)
Im Bereich > 100 °C verwendet man:
R = R 0 · (1 + a · T + b · T 2 )
a = 3,90802 · 10 -3 / °C
b = -5,802 · 10 -7 / °C 2
c = -4,27350 · 10 -12 / °C 4
Im Bereich < 0 °C verwendet man:
R = R 0 ·(1 + a ·T + b · T 2 + c · (T - 100 °C )·T 3 )
Die Auswertung des Widerstands erfolgt mit einem Konstantstrom < 2 mA. Damit ist die
Spannungsänderung ?U proportional zur Temperaturänderung ?T.
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Toleranzen
Bedingt durch die Herstellungstoleranz gibt es Klassen A und B. Diese beschreiben entweder
die Abweichung des Widerstandes bei 0 °C vom idealen Wert 100 Ohm oder auch die
Abweichung des Temperaturkoeffizienten von dem idealen Wert.
Toleranzgrenzen der Klassen in °C:
• Klasse A: ?T = ±(0,15 °C + 0,002 · T)
• Klasse B: ?T = ±(0,30 °C + 0,005 · T)
• 1/3 Klasse B: ?T = ±1/3 · (0,30 °C + 0,005 · T)
Beispiel:
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Messfehler:
Eigenerwärmung:
Um den Widerstand eines PT-100 Sensors zu messen, muss dieser von einem Strom
durchflossen werden. Der Messstrom erzeugt eine Verlustleistung und damit Wärme am Sensor.
Der damit verbundene Messfehler einer höheren Temperaturanzeige hängt von verschiedenen
Einflussgrößen ab:
Höhe des Temperatur-Messwiderstandes
Ein Pt 1000 Sensor wird zehnmal stärker erwärmt als ein Pt 100 Widerstand.
Ableitung der erzeugten Wärme
Die Messarmatur sollte so eingebaut werden, dass sie optimal vom Medium umspült ist. Je
höher die Strömungsgeschwindigkeit des zu messenden Mediums, desto höher der
Wärmeabtrag.
Messstrom
Es ist ein Messstrom von 1 mA üblich. Dies bedeutet eine Verlustleistung von 0,0001 Watt
Ist der Eigenerwärmungskoeffizient (E) der Messarmatur bekannt, so kann der optimale
Messstrom bei gewünschtem max. Messfehler über nachfolgende Formel errechnet werden.
E=t/(R/I²)
E=Eigenerwärmungskoeffizient,
t= (angezeigte Temperatur) – (Temperatur des Medium)
R=Widerstand des Temperatursensors
Wärmekapazität und Wärmeleitung der Messarmatur
Beim Einbau des Pt100 Messwiderstandes muss für optimalen Temperaturübergang gesorgt
werden (z.B.: Wärmeleitpaste, geeignetes Isolationsmaterial). Das Material der Einbauarmatur
sollte möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit
Leitungsfehler:
Der Leitungsfehler resultiert aus dem Anschluss des Pt 100-Widerstandes an die
Auswerteelektronik mit einer 2-adrigen Anschlussleitung (Zweileiter-Anschluss). Dabei geht
der Widerstand der Anschlussleitung als Fehler in die Messung ein.
Besonders bei langen Anschlussleitungen und kleinem Leitungsdurchmesser kann es dabei zu
erheblichen Messfehlern kommen. Bei modernen Auswertegeräten kann der Widerstand der
Anschlussleitung kompensiert werden, jedoch können Temperaturschwankungen an der Leitung
nicht berücksichtigt werden. Die Widerstände des Pt100 und der Anschlussleitung addieren sich,
es kommt zur Anzeige einer höheren Temperatur.
Abhilfe schafft der Anschluss des PT100 in 4-Leitertechnik.
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Messschaltung:
Der Pt100 in Vierleiter-Schaltungstechnik mit Konstantstromspeisung
- Bei der Vierleiter-Schaltungstechnik mit Konstantstromspeisung nutzt man den
hohen Eingangswiderstand des Operationsverstärkers (=> ∞ ? ), sodass über die
Messleitungen 2 und 3 nur ein sehr geringer Strom (=>0 mA) fließt. Somit hat der
Widerstand der Messleitungen keinen Einfluss auf die Messung.
- Die Konstantstromquelle treibt einen Strom = 1 mA, um die Eigenerwärmung des Pt
100 so gering wie möglich zu halten.
- Am Ausgang des Operationsverstärkers wird die über dem Pt 100 abfallende
Spannung gemessen.
- Da der Strom, den die Konstantstromquelle treibt, bekannt ist, kann man den
aktuellen Widerstand mit Hilfe des Ohm’schen Gesetzes bestimmen.
- Die Temperatur am Pt 100 kann nun anhand des ermittelten Widerstandes mit Hilfe
der o.g. Formeln berechnet werden. Diese Berechnung erfolgt in der Regel direkt im
Messsystem.
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Bauformen:
Dünnschichtsensoren
Auf einem Aluminiumoxid Plättchen wird eine ca. 1 µm dicke
Platinschicht aufgedampft. Mit Hilfe eines Laserstrahles wird die
Platinschicht spiralförmig strukturiert und abgeglichen. Danach wird
eine Glasschicht zum Schutze der Platinschicht aufgebracht. Der
entscheidende Vorteil des Dünnschichtsensors liegt in seiner
preiswerten Großserienfertigung und seiner durch die
geringe Masse bedingte schnelle Ansprechzeit.
–Temperaturbereich: -50...+400 (600)°C
–Länge: ab 2,5 mm
SMD-Bauform
Länge ca. 3,3mm
Drahtgewickelte Keramikwiderstände
Ein gewickelter Platindraht wird in ein Keramikrohr geführt. Zur besseren Wärmeübertragung
und zur Fixierung der Wicklung wird das Rohr mit Aluminiumoxid gefüllt. Mittels eines
Glaspfropfens wird das Keramikrohr verschlossen und die Anschlussdrähte fixiert. Da keine
Verbindung zwischen Aluminiumoxidpulver und Platinwendel besteht, kann sich der Draht bei
Temperaturwechsel frei ausdehnen. Der Draht wird nur geringfügig belastet und zeigt daher
keine Hysterese zwischen steigender und fallender Temperatur.
–Temperaturbereich: -200...+800 °C
–Durchmesser: 0,9...4,5 mm
–Länge: 7...30 mm
Drahtgewickelte Glaswiderstände
Ein Platindraht wird auf einen Glasstab gewickelt und in diesen eingeschmolzen. Nach dem
Abgleich des Widerstandes wird ein zweites Glasschutzrohr übergeschoben und mit dem
Glasstab verschmolzen. Der Draht ist komplett vom Glas umgeben. Deshalb sind diese
Glaswiderstände besonders erschütterungsunempfindlich. Mit angeschmolzenem Glasrohr
werden diese Glaswiderstände auch direkt in aggressiven Medien als schnellansprechende
Sensoren eingesetzt.
–Temperaturbereich: -200...+400 (550) °C
–Durchmesser: 0,9...4,8 mm
–Länge: 7...55 mm
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Anwendungsbeispiele:
Tanks und Behälter:
Eingeschweißtes Tauchrohr in das ein
Tauchrohrtemperatursensor eingeschoben wird
Optimierter Wärmeübergang wird mit
Wärmeleitpaste sichergestellt.
Bsp:
Die Gärführung in Brauerein wo die genaue
Einhaltung der Prozessgrößen über die Qualität
des Produktes entscheidet
Oder:
Lagertanks: Steuerung der Kühlvorrichtung für
Getränke, Chemikalien usw.
Werkzeugmaschinen:
Schmierflüssigkeit darf maximale
Temperatur nicht überschreiten, wird sie
dennoch zu hoch gibt der Sensor das Signal
an ein Steuergerät das veranlasst die
Flüssigkeit zu tauschen.
Wärmetauscher, Kühlaggregate, Erhitzer:
Überwachung und Steuerung von
Temperatur Übertragungsprozessen
Im Bild tritt die zu kühlende Flüssigkeit
mit der Temperatur T1in den
Wärmetauscher ein und verlässt ihn mit
T2. Das Kühlmittel wird dabei von T3
auf T4 erwärmt.
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Vortrag zum Thema
Beleuchtungsstärke – Sensoren
von
Robin Frisch & Thomas Mündelein
Inhalte
• Einleitung
• Aufbau / Prinzip eines LDR
• Kenndaten
• Kennlinie
• Einsatzgebiet / Anwendungen
• Bauformen
• Preise
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Einleitung
Widerstandssensoren, die ihren Wert in Abhängigkeit der
Beleuchtungsstärke ändern, werden als Fotowiderstände bezeichnet. Der
Fotowiderstand ist somit ein passives Bauelement. In der Technik wird er
mit LDR, Light Dependent Resistor, benannt.
Schaltzeichen:
Die Wirkung von Fotowiderständen beruht auf dem inneren
fotoelektronischen Effekt. Bei Auftreffen von Photonen auf die
Halbleiterschicht werden Valenzelektronen aus ihren Gitterbindungen
frei. Der elektrische Widerstand nimmt mit zunehmender
Beleuchtungsstäke ab.
Aufbau / Prinzip eines LDR
Auf einer isolierten Trägerplatte wird eine halbleitende Schicht
aufgebracht. Als Elektroden dienen darüber liegende Metallschichten.
Trifft Licht auf die Halbleiterschicht, kommt es bei anliegender Spannung
an den Elektroden zu einem lichtabhängigen Stromfluss.
Metallschicht
Halbleiter
Grundplatte
Um atmosphärische Einflüsse auf das
Halbleitermaterial zu vermeiden, schlisst man
den Widerstand in Glas ein.
Zur Vergrößerung des Effektes werden die
Elektroden in Kammerstruktur angebracht.
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Kenndaten
• Dunkelwiderstand R 0
R 0 = 10 6 – 10 8 Ω
• Hellwiderstand R H (E = 1000lx)
R H = 10 2 – 10 4 Ω
Kennlinie
Der Widerstandswert nimmt mit zunehmender
Beleuchtungsstärke ab.
Widerstandsbestimmung bei
Abdunklung:
U = 5,5 V
I = 0,001 A
R = 5,5 kΩ
Widerstandsbestimmung bei
Beleuchtung:
U = 5,5 V
I = 0,1 A
R = 55 Ω
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Einsatzgebiete / Anwendungen
Beleuchtungsstärke - Sensoren können unterschiedliche Anwendung
finden:
- Umgebungslichtsensoren
- Lichtfühler
- Licht-/Spannungswandler
- UV-Sensoren
- IR-Sensoren
- Objektsensoren
Bauformen
Preise
Die Preise für einen LDR liegen zw. 0,80 € - 5€.
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