1. Messung nichtelektrischer Größen (Sensoren) Nichtelektrische Größen werden mittels einer Messkette erfasst:

- ein Sensor wandelt die nichtelektrische Größe in ein elektrisches Signal um eine Verstärkerstufe verstärkt das Signal. Sie erlaubt eine Kalibrierung und die Festlegung der Empfindlichkeit. Sie treibt die Anzeige bzw. Registrierung. eine Auswerteeinheit registriert das Signal. Dies kann analog, digital, anzeigend, registrierend, etc. sein. Beispiel: Messung des Füllstandes eines Flüssigkeitsehälters.

Ein Potentiometerschleifer ist mechanisch mit einem Schwimmer gekoppelt. Potentiometer und Schwimmer bilden den Sensor, der eine dem Füllstand proportionale Spannung liefert. Über einen nicht invertierenden Verstärker wird diese Spannung dem Anzeigeinstrument angepasst. Der Zeigerausschlag ist dem Füllstand proportional.

1.1 Sensoren Sensoren wandeln nichtelektrische in elektrische Größen um. Man unterscheidet aktive und passive Sensoren. Aktive Sensoren sind solche, die bei Einwirken einer nichtelektrischen Größe eine Spannung abgeben. Tachogenerator (Drehzahlerfassung) Fotoelement (Lichtstärke) Thermoelement (Temperatur) Quarzkristalle (Druck, Kraft) Hallgenerator (Magnetfelder) Passive Sensoren sind solche, die bei Einwirken einer nichtelektrischen Größe ihre elektrischen Eigenschaften ändern. (z.B. ohmschen Widerstand, Kapazität, Induktivität) Thermowiderstand (Temperatur) Heiss/Kaltleiter (Temperatur) Drehpotentiometer (Position) Fotodioden (Lichtstärke) Dehnungsmesstreifen (Zug, Druck, Spannung) Feldplatte (Magnetfeld) 1.2. Temperaturmessung 1.2.1.Thermoelemente Thermoelemente dienen zur Temperaturmessung. sie beruhen auf dem thermoelektrischen Effekt. Zwei Metalle oder Legierungen (ein Thermopaar) werden an einem Punkt verschweißt oder verlötet .Über dem Kontakt entsteht eine temperaturabhängige Spannung, die Thermospannung. Bei der direkten Messung dieser Thermospannung würden durch den Anschluss eines Messgerätes weitere Kontaktübergänge hinzukommen, deren Temperaturen ebenfalls die Gesamtspannung beeinflussen könnten. Es muss daher eine Messkette aufgebaut werden.

Die Messstelle wird auf die Temperatur T1 erhitzt, die Temperatur der Vergleichsstelle wird konstant gehalten. Das Instrument zeigt dann die Thermospannung UT an.

k: Thermoempfindlichkeit Die gemessene Spannung hängt von der Temperaturdifferenz zwischen Mess- und Vergleichsstelle ab. Die Temperatur der Vergleichsstelle muss bekannt sein oder konstant gehalten werden. die Grundwerte der Thermospannung liegen für eine

Bezugstemperatur von 0C und Messtemperaturen zwischen 0C und 100C zwischen 0mV und 40mV für NiCr - Ni. Die Empfindlichkeiten liegen im Bereich ~10mV/100K Der Einsatzbereich von Thermoelementen liegt zwischen -200C und 2500C Thermopaare nach DIN IEC 584 (Auszug)

Anwendung: Zur Messung hoher Temperaturen Härteöfen Kesselanlagen

1.2.2. Widerstandsthermometer Ausnutzung der Temperaturabhängigkeit von Widerständen (linearer Verlauf) z.B.: Pt 100 100 bei 0°C (Platin) Ni 100 100 bei 0°C (Nickel) Klassen und Fehlergrenzen: Pt:: Klasse A für T < 650 °C

Klasse B für T < 850 °C Ni: nach Einsatztemperatur

für0 °C ... +180 °C für -60 °C ... 0 °C

Bemerkung: Trotz höherem Temperaturkoeffizienten ergeben sich für Nickel größere Fehlergrenzen!

Anwendung: Gefrieschränke Elektröfen Klimaanlagen Motorenprüfstände 1.2.3. Thermistoren Halbleiterwiderstände mit pos. oder negativen Temperaturverlauf Kaltleiter (PTC) (engl. : Positive Temperature Coefficient) Material: dotierte Titanat-Keramik Vorteile: sehr hoher Temperaturkoeffizient Nachteile: starke Nichtlinearität Heißleiter (NTC)

(engl.: Negative Temperature Coefficient)

Material: polykristalline Halbleiter-Keramik

Vorteile: hoher Temperaturkoeffizient

Nachteile: Exemplarstreuung, ungünstige Langzeitstabilität

Anwendung (PTC): Temperaturmessung Temperaturregelung Überlastschutz Anwendung (NTC): Temperaturmessung Körpertemperatur Kühlwassertemperatur Öltemperatur

1.3Weg- und Drehwinkelaufnehmer 1.3.1. Messprinzipien

Man unterscheidet zwischen berührungs und berührungslosen Verfahren. Zur ersten Gruppe gehören die resistiven Sensoren. Die meisten übrigen Sensoren arbeiten berührungslos. Die wichtigsten Prinzipien sind:

• resistiv Änderung des Wirkwiderstandes • kapazitiv Änderung der Kapazität eines Kondensators • induktiv Änderung der Induktivität einer Spule • optisch Zählung von Inkrementen

Beispiele: - Stellung von Klappen, Ventilen, Einstellreglern, pneumatischen Stellzylindern - Füllstand in Behältern - Position oder Geometrie eines Werkstückes

1. 3. 2. Resistive Aufnehmer Einfachstes Verfahren zur Messung geometrischer Größen, da die Information über die Position direkt als Spannung dargestellt werden kann Für Wegmessungen sind Potentiometer besonders geeignet, bei denen die Widerstandsbahn als Gerade ausgelegt ist (Linearpotentiometer); für Winkelmessungen gibt es ringförmige Anordnungen (Drehpotentiometer).

Anwendung.:

Linearpotentiometer: Wegmessung Werkzeugmaschinen 5mm bis 4000 mm

Drehpotentiometer Gelenkwinkel Roboter od. Messtechnik 0° bis 355°

1.3.3. Induktive Sensoren:

Ausführungsformen

a) Tauchanker-Aufnehmer Durch Eintauchen des beweglichen Ankers in die Spule verringert sich der magnetische Widerstand. Dies führt zu einer Erhöhung der Induktivität. Wegen der nichtlinearen Beziehung zwischen Auslenkung und Induktivitätsänderung werden Differentialausführungen bevorzugt, bei denen der Anker zwischen beiden Spulen bewegt wird.

Durch Positionsänderung ändert sich die Induktivität. Induktive Aufnehmer arbeiten berührungsfrei. Messbereich von mm Bruchteilen bis zu 1 m Anwendung: Taster zur Dickenmessung von Werkstücken Weggeber bei kleinen Werkzeugtischen Erfassung der Greifbewegung bei Robotern Schwingungserfassung von Prüfständen 1. 3. 4. Kapazitive Sensoren

Durch Änderung des Plattenabstandes, Dielektrikum oder Plattenfläche wird die Kapazität verändert

Änderung der Kapazität - des Abstandes: Membrankondensator (s. Differenzdruckmessung) - der wirksamen Fläche: Verschiebung zweier konzentrischer Röhren (Zylinderkondensator), Verdrehung zweier ineinander greifender Plattenpakete (Drehkondensator) - der relativen Dielektrizitätskonstante : Ersatz von Luft durch andere Materialien, z.B. Glimmer ; organische Isolierstoffe , Wasser Anwendung: Erfassung der Stempelwege bei Druckgießmaschinen

Füllstandsmessung und Feuchtemessung 1. 3.5. Inkrementale Weggeber 1.3.5.1. Aufbau Als Maßstab dient hier ein in Inkremente eingeteiltes Rasterlineal. Die Breite der Inkremente bestimmt die Auflösung. Bei optischer Abtastung erfolgt die Kodierung durch Schwärzung jedes 2. Inkrementes. Bei magnetischer Abtastung sind die Inkremente abwechselnd als Nord- bzw. Südpol eines Magneten ausgebildet. Als Empfänger werden magnetoresistive Sensoren eingesetzt. Besondere Eigenschaften

• Inkrementale Weggeber besitzen keinen festen Nullpunkt, sondern liefern lediglich Informationen über die Größe der Verschiebung. Der Nullpunkt muss zu Beginn durch Anfahren einer bestimmten Position festgelegt werden. Bei Verwendung von codierten Maßstäben (b), z. B. auf der Basis des Dual-Codes, ist dagegen die tatsächliche Position immer feststellbar.

zwei Empfänger im Abstand von ¼ der Inkrementbreite eingesetzt, kann auch die Verschiebungsrichtung erkannt werden. Dies ist mit einem einzigen Empfänger nicht möglich.

1.3.5.2.Inkrementale Längengeber: Das bewegte Teil ist mit einem Codelineal verbunden, das von einem feststehenden Punkt aus (meist optisch) abgetastet wird.

Signalauswertung:

Der Zählerstand ist ein Mass für die Strecke. 1.3.5.3. Richtungserkennung: Zum Erkennen der Bewegungsrichtung werden 2 Sensoren benötigt, die um ¼ Raster versetzt angeordnet sind.

Signalauswertung:

Im Flip-Flop wird die Bewegungsrichtung gespeichert. Sein Ausgang schaltet die Zählrichtung des Zählers um Pulsdiagramm:

1.3.5.4.Eigenschaften inkrementaler Geber: gute Auflösung Nullpunkt lässt sich beliebig festsetzen zählt auch Störungen verliert den Messwert bei Spannungsausfall 1.3.5.5.Anwendungen: Maus Rollkugel Positionierungen - Linearmaßstab bis zu 3m mit Strichteilung von 1µm bzw. als - Drehgeber mit bis zu 36 000 Strichen 1.3.6..Absolutwertgeber Kodierung:

Das direkte erzeugen von Bonärcode ist ungünstig. Man verwendet daher den sog. Gray Code, bei welchem sich beim Übergang von einer Position zur nächsten immer nur 1 Bit ändert. Vorteile: Fehlererkennung kleiner „Anzeigefehler“ Eigenschaften kodierter Geber: aufwendig (Auflösung von 2n n Spuren erforderlich) messen von einem definierten Anfangspunkt aus liefern direkt das Ergebnis behalten den Messwert bei Spannungsausfall unempfindlich gegen Störungen

Einsatz bei Werkzeugmaschinen

Antriebstechnik (Servo)

1.4. Drehzahlmessung

1.4.1. Tachodynamo Kleiner Gleichstromgenerator mit der Welle gekoppelt Ausgabe der Spannung ist prop. der Geschwindigkeit

1. 4. 2. Wirbelsstromtachometer Tachometer bei KFZ; Dauermagnet wird über biegsame Welle angetrieben und rotiert in Al – Trommel. Al – Trommel erhält durch Spiralfeder Gegenmoment

1. 4. 3. Drehzahlmessung über die Impulszählung Zahnrad mit induktiven Näherungsschalter oder Lochscheibe mit Lichtschranke

1.4.4. Stroboskopisches Verfahren Lichtblitzfrequenz prop. Drehzahl

1.5. Druck- Kraft- und Spannungsmessung Prinzip aller Sensoren ist die Umsetzung der Kraft oder des Druckes in eine Wegänderung oder Verformung. Beispiele:

Durchfluss über Staudruck, Drehmoment, Füllstand (über den hydrostatischen Druck), Biegebalken zur Kraftmessung.

• Wegänderung Verwendung von Federn, z. B. bei Plattenfeder-Manometern oder Wägezellen. Wegen der verhältnismäßig großen Auslenkungen können potentiometrische, kapazitive oder induktive Längenmessverfahren angewandt werden.

• Verformung Messung kleinster Formänderungen an speziell geformten Werkstücken wie z. B. einem Biegebalken oder einer Membran mit Dehnungsmessstreifen. Häufigste Technik für Druck- und Kraftmessung.

1.5.1. Dehnmessstreifen Dehnungsmessstreifen sind Widerstände, die - auf einem Körper aufgeklebt - dessen Formänderung in eine Widerstandsänderung umsetzen können. 1.5.1.1. Ausführungsformen Einzel – Folien - DMS: Zwischen zwei Trägerfolien befindet sich eine dünne Widerstandsbahn in Form eines Mäanders. Der Folien - DMS wird mit Spezialkleber auf dem Werkzeug befestigt.

Anwendung am Biegebalken:

Auf beiden Seiten befinden sich je 2 DMS, die in einer Messbrücke diagonal verschaltet sind. - DMS 1 und DMS 4: Dehnung - DMS 2 und DMS 3: Stauchung Durch die Verwendung von 4 DMS ergibt sich gegenüber einem Einzelsensor eine 4-fache Empfindlichkeit.

Membran-Rosette-DMS Auch hier 4 DMS als Folienwiderstände zur Schaltung als Vollbrücke zum Aufkleben auf eine Plattenfeder (b).

Bei Druckbeaufschlagung werden die Randzonen gestaucht, die Mittelzone gedehnt. Die Rosette (a) ist so dimensioniert, dass sich an den DMS betragsmäßig möglichst gleiche Widerstandsveränderungen ergeben. 1.5.2. Piezoelektrische Kraft- und Druckaufnehmer 1.5.2.1. Piezoelektrischer Effekt Bei elektrisch polarisierten Kristallen treten unter mechanischer Beanspruchung Ladungsverschiebungen auf. Diese verhalten sich proportional zur Größe der Deformation und damit zur einwirkenden Kraft. Der dadurch bewirkte Stromfluss kann als Spannungsabfall an einem Widerstand oder mit einem speziellen Ladungsverstärker gemessen werden.

Vorsicht sehr schlagempfindlich

Kraftaufnehmer und elektr. Ersatzschaltbild:

3.4.6. Binäre Sensoren (Seite 174) Näherungsschalter Induktive NS Metall verändert die Induktivität (Ausgabe binäres Signal) Anwendung: Endlagenschalter, Erfassen, Zählen und Sortieren von Werkstücken Kapazitive NS Durch Annäherung eines metallischen oder nichtmetallischen

Körpers wird die Kapazität verändert Anwendung: Zur Erfassung von Werkstücken aus Keramik, Kunststoff, Glas, Holz,

Öl, Wasser und Papier Optische NS

Lichttaster Lichtstrahl (Infrarot) wird reflektiert und über Fototransistor Empfangen Reflexionslichtschranke Lichtstrahl wird durch Reflektor zurückgebracht Einweglichtschranke Räumlich getrennte Sender und Empfängereinheit

1.1.2. Hall Sonde Die Hall Sonde wird zum Messen von Magnetfeldstärken verwendet. Das Funktionsprinzip beruht auf der Ablenkung von elektrischen Ladungen durch magnetische Felder. Die Ladungen bewegen sich in einem Festkörper, die ablenkende Kraft ist die Lorentzkraft.

Auf die bewegten Elektronen wirkt die Lorentz Kraft FL =q v B . Dadurch sammelt sich auf der rechten Seite negative und auf der linken Seite positive Ladung an. Es entsteht ein elektrisches Feld E das auf die Elektronen die Kraft FE =q E ausübt. Im Gleichgewicht gilt:

Stromdichte:

Hallspannung:

n: Elektronenkonzentration v: Geschwindigleit der Elektronen Bei konstantem Strom ist die Hallspannung proportional zur Feldstärke B.

Wegen der höheren Beweglichkeit der Elektronen nimmt man als Material für Hallsonden InSb (Indium Antimon) oder InAs (Indium Arsenid) Piezoelektrische Stoffe sind elektrisch polarisiert. Die vorhandenen elektrischen Dipolmomente ändern sich bei Verformung. Der Effekt ist umkehrbar, d.h. legt man an den Kristall eine Spannung an, dann verformt er sich. Kraftaufnehmer und elektr. Ersatzschaltbild:

Photoelement/Photodiode Aufbau einer Si Photodiode:

Betrieb als Photoelement:

Das einfallende Licht erzeugt einen Strom, der mit der Beleuchtungsstärke ansteigt. Mit dem Widerstand kann der Arbeitspunkt des Elements eingestellt werden. Es kann der Strom im Kreis sowie der Spannungsabfall am Widerstand gemessen werden. Der Zusammenhang zwischen Beleuchtungsstärke und Strom bzw.Spannungsabfall ist nichtlinear. Betrieb als Photodiode:

Es wird in Sperrichtung eine Spannung an die Diode gelegt. Diese ändert den vom Sensor gelieferten Strom nicht. Der Zusammenhang zwischen der Beleuchtungsstärke und dem im Kreis fließenden Strom ist linear. Messung nicht elektrischer Größen mit Sensoren

3.4.6. Binäre Sensoren (Seite 174) Näherungsschalter Induktive NS Metall verändert die Induktivität (Ausgabe binäres Signal) Anwendung: Endlagenschalter, Erfassen, Zählen und Sortieren von Werkstücken Kapazitive NS Durch Annäherung eines metallischen oder nichtmetallischen

Körpers wird die Kapazität verändert Anwendung: Zur Erfassung von Werkstücken aus Keramik, Kunststoff, Glas, Holz,

Öl, Wasser und Papier Optische NS

Lichttaster Lichtstrahl (Infrarot) wird reflektiert und über Fototransistor Empfangen Reflexionslichtschranke Lichtstrahl wird durch Reflektor zurückgebracht Einweglichtschranke Räumlich getrennte Sender und Empfängereinheit