Sensoren

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Was ist ein Sensor und was ist Sensorik? Definition:

Sensoren werden überall in der Automatisierungstechnik eingesetzt. Sensoren sind technische Bauteile, die bestimmte chemische oder physikalische Eigenschaften wie beispielsweise Temperatur, Feuchtigkeit oder Wärme und/oder die Beschaffenheit seiner Umgebung als Messgröße erfassen. Sensoren lassen sich auch als Detektoren,(Mess-)Aufnehmer oder (Mess-)Fühler bezeichnen.


Überblick

Die Sensoren werden in vielen unterschiedlichen Bereichen eingesetzt. Dazu zählen der Maschinen- und Anlagenbau sowie Anwendungen in der Fabrikautomation und Prozesstechnik. Spezielle Lösungen werden unter anderem für Lebensmittelapplikationen und mobile Arbeitsmaschinen angeboten.Neben baulichen Maßnahmen, wie beispielsweise hochwertige Gehäusewerkstoffe und Beschichtungen, verfügen die Sensoren auch über entsprechende Zulassungen (zum Beispiel ATEX oder E1).

Sensor Arten

Es gibt unterschiedliche Arten von Sensoren. Es wird unterschieden zwischen binären Sensoren und analogen Sensoren.

Binäre Sensoren
Binäre Sensoren haben einen schaltendes Ausgangssignal und werden z.B. zum Erkennen von Endlagen eingesetzt.
Analoge Sensoren
Analoge Sensoren haben Ausgangssignale die mehr Informationen als 0 und 1 enthalten. Sie können z.B. als Wegmesssysteme Abstände und Wege erfassen.
Funktionsprinzip und Sensoren
Physikalisches Funktionsprinzip Sensoren
Ultraschall Ultraschallsensoren
induktiv Induktive Näherungssensoren
kapazitiv Kapazitive Sensoren, Kapazitive Näherungsschalter
magnetisch Magnetsensoren, Magnetschalter
magnetoresistiv
magnetostriktiv Magnetostriktive Wegaufnehmer
optisch/Laser Optosensoren, Lasersensoren, Lichtschranken, Vision-Sensoren
potentiometrisch Linearpotentiometer, Seilzugsensoren

Folgende Sensoren können auf unterschiedliche Weise wirken:

Gassensoren

Gassensoren sind Sensoren zur Detektion gasförmiger Substanzen. Sie zählen dadurch zu den Chemosensoren. Chemische Informationen in der Umgebungsluft werden von Gassensoren in elektrische Signale umgewandelt. Gassensoren bzw. chemische Sensoren stehen in direkter Wechselwirkung mit der Umgebung. Dadurch sind diese Sensoren deutlich anfälliger für Vergiftungen (Umwelteinflüsse, die den Sensor unempfindlich werden lassen), Querempfindlichkeit (Stoffe außer der Zielkomponente, die ein Sensorsignal hervorrufen), Korrosion, Drift und Alterung. Bei der Gasdetektion eignet sich die physikalische oder die chemische Messmethode:

Physikalische Messmethode
Detektion durch molekulare Eigenschaften wie Molekülmasse, Diffusionsverhalten, Molekülstruktur, Molekülstabilität und Molekülbeweglichkeit.
Chemische Messmethode
Detektion durch chemische Eigenschaften wie Reaktivität, Oxidierbarkeit und Reduzierbarkeit.

Anforderungen an Gassensoren

  • hohe Selektivität
  • hohe Empfindlichkeit
  • chemische, elektrische & mechanische Stabilität
  • lange Lebensdauer von 10 Jahren und mehr
  • niedriger Leistungsbedarf
  • einfache Kalibrierfähigkeit bei großen Kalibrierabständen

Einsatzgebiete

Sicherheitstechnik
zum Explosionsschutz in Bergwerken (Methan- und Kohlenstoffmonoxid-Detektion)
zur Detektion von Gaslecks (Erdgasversorgung, Flüssiggas)
zum Schutz vor Vergiftungen (personengebundene Kohlenstoffmonoxid- und Schwefelwasserstoff-Überwachung)
in Brandmeldern (Brandgasdetektion durch intelligente Melder)
bei Drogentests (Atemalkoholtest für den Straßenverkehr)
Emissionsmessung
im städtischen Verkehr zur Messung gasförmiger Immissionen

CO2-Sensoren

In Büros oder Schulungsräumen staut sich manchmal die Luft. Das liegt daran, das der CO2-Gehalt erhöht ist. Dies beeinträchtigt das Wohlbefinden und die Konzentration. Um dem vorzubeugen kann die Luftqualität (CO2-Gehalt in der Luft) gemessen werden. Mit CO2-Sensoren lassen sich genaue und sichere CO2-Überwachungen vornehmen. Auch der Kohlenmonoxid-Gehalt kann mit CO-Sensoren gemessen werden. Zur Messung von CO2:

  • CO2-Messgerät
  • CO2 Sensoren und Fühler
  • CO2 Schalter
  • CO2 Datenlogger
  • Handmessgeräte
  • Funksensor für CO2

Messwerte

Die empfohlene CO2-Konzentration in der Luft sollte 1.000 ppm (parts per million = Millionstel) nicht übersteigen. Eine Konzentration von 5.000 ppm stellt noch keine Gefahr dar, aber es ruft Symptome wie Müdigkeit und Konzentrationsschwäche hervor.

  • 360 - 400 ppm - frische Luft in der Natur
  • 800 - 1.000 ppm - empfohlener CO2-Grenzwert in Büros
  • 1.000 - 5.000 ppm - Spanne von Anzeichen von Müdigkeit bis maximal sichere Konzentration ohne Gesundheitsrisiken
  • 35.000 - 50.000 ppm ausgeatmete Luft eines Menschen

Schnittstellen von Sensoren

Ausgangssignale analoger Sensoren können Spannungs- oder Stromwerte sein (0 - 10 V oder 4 - 20 mA) oder digitale Signale wie z.B. SSI oder Bus-Schnittstellen.

Spannungsausgang

Üblich sind beim Spannungsausgang 0 - 10 V. Es gibt auch Versionen mit 0 - 5 V, -10 - +10 V oder 0,5 V - 5 V.

Stromausgang

Beim Stromausgang sind die Varianten mit 0-20 mA und 4-20 mA am gebräuchlichsten. Die 4-20 mA Stromschnittstelle hat den Vorteil dass ein Kabelbruch des Sensors erkannt werden kann. Der kleinste Ausganggstrom (z.B. bei Nullposition) liegt bei 4 mA. Bei einem Kabelbruch fließt kein Strom mehr und wird von der Steuerung dann als Fehler erkannt.

IO-Link

Der IO-Link ist eine Weiterentwicklung der digitalen Sensorschnittstellen. IO-Link basiert auf einer einfachen Punkt-zu-Punkt Verbindung mit einem ungeschirmten 3-adrigen Kabel. IO-Link ist die erste, weltweit standardisierte IO-Technologie (IEC 61131-9) um mit Sensoren und auch Aktuatoren zu kommunizieren.

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