Sensorik - Auswahl und Bedeutung für die Automatisierungstechnik

Das Sammeln von Daten ist besonders im Zuge der Digitalisierung und Industrie 4.0 ein zentraler Aspekt moderner Anlagen. Realisiert wird das durch Sensoren. Sie liefern Eingangsdaten und überwachen und adaptieren Prozesse. Doch welche Arten von Sensoren gibt es überhaupt? Wie wählt man den geeigneten Sensor für die konkrete Anwendung aus? In diesem Artikel werden Wirkweise und Einsatzmöglichkeiten für verschiedene Sensoren, sowie Auswahlkriterien für die Suche nach dem geeigneten Sensor vorgestellt.

Was sind Sensoren?

Die Sensorik befasst sich mit dem Einsatz von Sensoren zur Messung und Kontrolle von Änderungen z.B. in technischen Systemen. Sensoren erfassen dabei verschiedene Messgrößen sowohl auf qualitativer als auch auf quantitativer Ebene. Messgrößen können dabei chemisch (z.B. pH-Wert), biologisch (z.B. Enzymvorkommen) oder physikalisch (z.B. Temperatur, Feuchtigkeit, Strom) sein. Der Sensor, oder auch Detektor, Messaufnehmer oder Messfühler genannt, wandelt ein Eingangssignal in ein Ausgangssignal um. Das Eingangssignal ist in der Regel keine elektrische Messgröße, während das Ausgangssignal ein elektrisches Signal wie Strom oder Spannung ist.

Weitere Infomationen zur Messtechnik finden Sie in unserem Artikel: Messtechnik - Qualitätskontrolle durch Messverfahren.

Funktionsweise

Sensoren agieren in einem System zusammen mit Aktoren. Signale vom Sensor werden in der Regel an eine Steuerungseinheit weitergeleitet, welche die Daten entsprechend analysiert, auswertet und bei Handlungsbedarf Befehle an Aktoren senden. Aktoren setzen dann die Befehle durch physikalische Aktionen um. Ist z.B. die Temperatur in einem Lagerraum zu hoch, geht ein Signal an den Aktor. Das kann eine Heizung sein, die nun heruntergeregelt wird, sodass sich der Raum auf die gewünschte Temperatur abkühlt.

Arten von Sensoren

Es gibt aktive und passive Sensoren. Für die Unterscheidung, ob es sich um einen aktiven oder passiven Sensor handelt, wird die Art der Messdatenerfassung betrachtet. Aktive Sensoren erzeugen selbst (aktiv) ein Signal zur Erfassung der Messdaten. Die ermittelten Daten werden dann als Ausgabesignal ausgegeben. In der Regel wird eine Stromversorgung zur Erzeugung des Signals zur Erfassung der Messgröße benötigt. Typische Beispiele für aktive Sensoren sind: Laserentfernungsmesser, IR-Bewegungsmelder oder Ultraschallsensoren.

Passive Sensoren erzeugen kein aktives Signal zur Erfassung der Messdaten einer Messgröße. Sie enthalten passive Elemente, die sich aufgrund einer Messgröße (z.B. z.B. Temperatur) in ihrer Eigenschaft (z.B. Leitfähigkeit) verändern. Eine Stromversorgung zur Erzeugung eines zur Messung benötigten Signals ist somit nicht notwendig. Zur Erfassung der Veränderung wird aber Hilfsenergie benötigt, da zur Ermittlung der Messergebnisse das Eingangs- und Ausgangssignal verglichen wird. Passive Sensoren werden relativ häufig verbaut, da sie sich zum Erkennen statischer Messgrößen eignen. Beispiele für passive Sensoren sind: PIR-Sensoren (Passiv-Infrarotsensor), Widerstandsthermometer oder Dehnungsmessstreifen.

Eine weitere Unterteilung von Sensoren erfolgt über die Art des Ausgabesignals in schaltend und messend. Messende Sensoren zeichnen fortlaufend physikalische o.a. Werte auf und liefern Datensätze zur detaillierten Überwachung von Prozessen. Schaltende Sensoren erkennen im Gegensatz dazu z.B., wenn eine Messgröße vom Soll-Wert abweicht und reagieren aktiv mit dem Schalten eines Ausgangs, was z.B. einen Aktor auslöst.

Sensoren lassen sich hinsichtlich ihres Wirk- bzw. Messprinzips weiter unterteilen in z.B.:

• Mechanisch: Reagieren auf mechanische Bewegung (z.B. Durchbiegung), Beispiel: Drucksensoren.
• Resistiv: Reagieren, wenn sich der elektrische Widerstand ändert, Beispiel: Dehnungsmessstreifen.
• Thermoelektrisch: Reagieren bei Unterschieden in der Temperatur, die in elektrische Energie umgewandelt werden, Beispiel: Temperatursensoren.
• Piezoelektrisch: Reagieren indem Druck in elektrische Energie umgewandelt wird, Beispiel: Piezo-Keramik in Ultraschallsensoren.
• Induktiv bzw. elektromagnetisch: Reagieren auf eine Änderung im magnetischen Fluss, Beispiel: Geschwindigkeitssensoren.
• Kapazitiv: Reagieren bei Kapazitätsänderung, Beispiel: Feuchtigkeitssensoren.
• Optisch: Reagieren / erfassen Licht o.a. optische Phänomene, Beispiel: Lichtschranken, photoelektrische Sensoren.
• Akustisch: Reagieren auf Schallwellen, Beispiel: Schallpegelmesser.
• Chemisch: Reagieren auf chemische Veränderungen, Beispiel: pH-Sensoren.

Nachfolgend schauen wir uns die Wirkprinzipien einiger ausgewählter Sensoren im Detail an:

Induktive Sensoren

In induktiven Sensoren ist eine Spule verbaut, durch welche Strom fließt. Zur Messung wird in Messrichtung ein elektromagnetisches Feld erzeugt. Anschließend wird ein Werkstück oder Material eingebracht, was zu einer Änderung des Magnetfelds führt und eine Spannung in der Spule induziert. Über einen Schaltkreis wird diese Spannung erkannt und ein entsprechendes Signal ausgegeben. Induktive Sensoren funktionieren nur bei magnetischen Werkstücken / Materialien.

Kapazitive Sensoren

Die Kapazität gibt an, wie viel Ladung zwei elektrisch leitende Körper, die durch ein isolierendes Medium voneinander getrennt sind, bei angelegter Spannung aufnehmen können. Diese Kapazität ändert sich in Abhängigkeit von der Messgröße.

Ein kapazitiver Sensor besteht aus zwei Elektroden, zwischen denen ein elektrisches Feld entsteht. Bei Annäherung eines Objekts ändert sich dieses; der Sensor erkennt berührungslos das Material in seiner aktiven Zone. Anschließend wandelt er es in ein elektrisches Signal um.

Näherungssensoren

Näherungssensoren erkennen, wenn sich Objekte oder Personen in ihrer Nähe befinden. Sie senden einen Strahl bzw. Feld aus und messen dann die Änderungen in dem von dem Objekt oder der Person zurückgeworfenen Strahl bzw. Feld. Auf diese Weise können sie Abstände abschätzen und bei dem entsprechenden Auslöser agieren. In der Industrie können Sensoren so z.B. das Vorhandensein von Werkstücken auf Förderbändern erkennen und entsprechende Bearbeitungsprozesse steuern.

Auswahl von Sensoren: Wann eignet sich welcher Sensor?

Bei der Auswahl von Sensoren sind einige Vorüberlegungen zu treffen. Da Sensoren in Automatisierungssystemen direkt in Steuerungssysteme integriert werden, muss z.B. sichergestellt werden, dass die erforderlichen Schnittstellen zur Verfügung stehen. Schnittstellen können z.B. sein:

• Analoge Schnittstellen wie analoge Ausgänge und Eingänge
• Digitale Schnittstellen wie TTL, RS-232, SPI
• Drahtlose Schnittstellen wie WLAN
• Signalverarbeitung integriert oder extern

Umgebungsbedingungen spielen ebenfalls eine Rolle bei der Auswahl eines geeigneten Sensors. Ist der Sensor extremen Temperaturen ausgesetzt? Oder Vibrationen? In feuchten Umgebungen z.B. sollte der Sensor unabhängig von der Art wasserdicht sein und ggf. eine entsprechende Schutzklasse wie IP67 haben. In aggressiven chemischen Umgebungen muss das verbaute Material für Gehäuse und Dichtungen resistent gegen solche sein.

Schritt für Schritt zum richtigen Sensor

Folgende Liste gibt eine Zusammenfassung über die wichtigsten Schritte bei der Auswahl eines Sensors:

• Zu messende Größe und Messbereich bestimmen: Welche physikalische Größe soll gemessen werden und wird der maximal und minimal zu erwartende Wert von der Messung abgedeckt bzw. kann der Sensor den Maximalwerten auch standhalten?
• Genauigkeit bestimmen: Gelten ggf. höhere oder niedrigere Anforderungen an die Genauigkeit?
• Umgebungsbedingungen analysieren: Unter welchen Bedingungen wird der Sensor eingesetzt? Gibt es Extreme in Bezug auf Temperatur, Feuchtigkeit, Staubbelastung o.a.? Ist der Sensor Chemikalien ausgesetzt?
• Ausgabeform und Schnittstellen wählen: Hier spielt die gesamte Steuerung eine Rolle: Welche Art von Signal kann verarbeitet werden (z.B. analog oder digital)?
• Die konkrete Anwendung berücksichtigen: Gibt es ggf. spezielle Anforderungen, die sich aus dem konkreten Anwendungsfall ergeben? Gelten spezielle Normen? (siehe dazu auch Sicherheitsstandards im Maschinenbau). Sensoren im Reinraum müssen z.B. den hohen Reinraumanforderungen genügen. Auch kann es sein, dass der Sensor nur schwer zugänglich verbaut wird und daher besonders wartungsarm und langlebig sein sollte. Sensoren können außerdem zur Qualitätskontrolle verwendet werden und müssen dafür bestimmten Kriterien genügen, siehe dazu auch den Artikel "Messtechnik - Qualitätskontrolle durch Messverfahren".
• Reaktionszeit: Wie schnell muss der Sensor auf die sich ändernden Bedingungen reagieren?
• Platzanforderungen beachten: Lässt sich der Sensor leicht in das bestehende System integrieren und ist genug Platz vorhanden?
• Für eine optimale Integration des Sensors in bestehende Systeme können auch Klemmstücke, standardisierte Sensorschienen oder Sensorhalterungen hilfreich sein.

Lassen Sie sich dazu auch von unserer Auswahl an Sensoren inspirieren.

Sensoren in der Automatisierungstechnik: Smart Sensors

Die Digitalisierung der Produktion im Zuge der Industrie 4.0 hat auch erheblichen Einfluss auf die Weiterentwicklung von Sensoren. Dabei stehen sogenannte Smart Sensors bzw. intelligente Sensoren im Mittelpunkt. Diese Sensoren bilden den Grundstein für die Überwachung und Steuerung von industriellen Prozessen. Im Gesamtsystem aus Aktoren und Steuerungen sorgen Smart Sensors dafür, dass Maschinen mit allen notwendigen Informationen versorgt werden, damit die Produktion effizienter und präziser abläuft. Die Automatisierungstechnik wird dadurch immer autonomer.

Mittlerweile gibt es Sensoren, die so hochauflösend, schnell und klein sind, dass man sie direkt in den Wirkbereichen physikalischer Effekte einsetzen kann. Dabei übernehmen sie zahlreiche Funktionen in modernen Anlagen. Sie sind nicht mehr nur für die reine Messung von Daten zuständig, sondern übernehmen mittlerweile auch Selbstdiagnose, Kommunikation und Signalverarbeitung. Die Sensoren können Abweichungen erkennen und korrigieren, bevor sie in der Produktion zum Problem werden. Dieser Vorgang nennt sich dann sensorgesteuerte Bearbeitung. Näheres dazu erfahren Sie auch in unserem Blog-Artikel Numerical Control Steuerung - Was ist eigentlich eine CNC?