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12-2019

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Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik

Sensoren • Einsatz in

Sensoren • Einsatz in der Lager- und Fördertechnik Hall basierter Sensor Prinzip Hall-Effekt-Sensoren sind sehr empfindlich gegenüber Magnetfeldern. Sie können für lineare und rotatorische Messungen sowie zur Geschwindigkeits- und Richtungserfassung verwendet werden. Die Hauptkomponenten dieser Sensoren sind zum einen die Hall-IC (dünner Halbleiterchip) und zum anderen der darunter liegende Permanentmagnet. Der sogenannte Hall- Effekt basiert auf diesen Komponenten. Wird ein solch stromführender Chip vertikal von einer Induktion B, durchdrungen, so werden Ladungsträger durch die Lorentzkraft senkrecht zum Feld abgelenkt. Der Strom I wird von seinem ansonsten geraden Weg abgelenkt. Somit kann eine Spannung U detektiert werden, die quer zur Stromrichtung zwischen zwei gegenüberliegenden Randpunkten der Platte auftritt. Die Ausgangsspannung U ist proportional zu der Induktion B und dem Strom I. Das von dem Permanent magneten erzeugte Magnetfeld wird beeinflusst, sobald sich ein externes ferromagnetisches Material dem Sensor nähert. Insbesondere für die Geschwindigkeitserfassung müssen die Spezifikationen des zu messenden Objekts und die Größe des Luftspalts mit dem Hallsensor kompatibel sein. Aufgrund dieses Prinzips benötigt der Sensor jedoch für den Betrieb einen kontinuierlichen Strom von einer externen Energiequelle. Deshalb werden Hallsensoren auch als aktive Sensoren bezeichnet, da sie eine integrierte Elektronik für die Signalverarbeitung haben. Im Gegensatz zu dem physikalischen Phänomen der Induktion tritt der Hall-Effekt unter stationären Bedingungen auf. Die Ausgangsspannung des Hall-ICs bleibt auch dann bestehen, wenn das Magnetfeld über die Zeit konstant ist. Stärken • Kompakt, keine beweglichen Komponenten, kein Verschleiß durch Reibungskräfte • Geradezu unlimitierte Lebensdauer Reed-Schalter • Messung von hohen Geschwindigkeiten über 100 kHz möglich • Funktioniert auch bei stationären Zuständen (Geschwindigkeit = 0) • Betriebstemperatur zwischen -40 bis +150 °C • Reproduzierbarer Betrieb • Kleine Baugröße (passt physisch in viele Anwendungen, wo andere Sensoren zu sperrig sind) • Immun gegenüber Erschütterung/ Vibration sowie gegenüber Feuchtigkeit und Verschmutzung • Fähigkeit, die Magnetrichtung und -stärke zu bestimmen • Kostengünstig • Verschiedene Möglichkeiten des Ausgangssignals (digital, analog, programmierbar) • 2, 3 oder 4 Kabelkonfigurationen möglich (für redundantes Signal) Schwächen • Sensoren sind empfindlich gegenüber ESD und Induktionsfluss aus der näheren Umgebung (z. B. Kabel), die das Messergebnis beeinflussen können • Funktioniert nur unter Gleichstrom Last • Kontinuierlicher Eingangsstrom notwendig • Benötigt interne Elektronik Anwendungsfelder • Verwendung in rauen Umgebungen wie beispielsweise Fahrzeugantriebe, Erdbohrlöchern für Bohrmaschinen • Geschwindigkeit von Rädern und Achsen beispielsweise in Verbrennungsmotoren für Zündzeitpunkt, ABS-Systeme • DC Motoren zur Positionserkennung des Permanentmagnets • Kraftwerksanlagen/Wind Energie: Turbinen Geschwindigkeit • Winkelsensoren für Lenk- und Pedalsysteme • ABS-Systeme und Geschwindigkeitsmessung von E-Bikes Optischer Encoder Prinzip Optische Sensoren werden üblicher weise als Encoder und inkrementale Positionssensoren für Winkel- und Wegmessungen bezeichnet. Außerdem eignen sie sich auch bestens zur Drehzahlerfassung. Hauptkomponenten sind eine LED, eine sich drehende optische Platte mit Referenzmarke und ein Fotosensor. Ein von der LED erzeugter Lichtstrahl wird durch ein Gitter der optischen Platte gelenkt. Der Lichtstrahl, der das Gitter passiert, wird von einem Fotosensor gemessen und automatisch in ein digitales Ausgangssignal umgewandelt. Stärken • Radiale Encoder können pro Umdrehung 50 – 5.000 Zählimpulse verarbeiten • Hohe Auflösung bei exakter Montage • Geringes Gewicht • Hohe Lebensdauer (80.000 – 100.000 Stunden) • Keine Anfälligkeit gegenüber ferromagnetischen Materialien Schwächen • In rauer Umgebung können die Messergebnisse versagen, falls die Linse oder optische Platte durch Fremdkörper bedeckt wird • Anfällig gegenüber Erschütterungen • Keine Warnung vor unmittelbar bevorstehenden Betriebsversagen • Limitiere Betriebstemperatur (Max. 70 °C) Anwendungsfelder • Einsetzbar als Positions-, Geschwindigkeits- und Richtungssensor • Für Anwendungen, die pro Umdrehung eine hohe Anzahl an Zählimpulsen benötigen • Eignung für unkritische Umgebungsbedingungen Reed-Schalter Prinzip Der Reedschalter wurde in den 1930er Jahren von Bell Labs erfunden. In den ersten zehn Jahren fand er breite Anwendung als Positionssensor in elektronischen Geräten und Testgeräten. Im Gegensatz zu den anderen in diesem Artikel erwähnten Sensoren kann der Reed-Schalter nur die Endposition eines Ziels erfassen oder als Geschwindigkeitssensor fungieren, indem der Sensor die Schaltvorgänge über die Zeit zählt. Der Grundschalter besteht aus zwei ferromagnetischen Nickel-Eisen- Drähten, die sich in einer hermetisch abgeschlossenen Glaskapsel befinden. Die beiden Drähte werden durch das Abflachen eines Endes zu „Reeds“ geformt. Diese werden mit einer kleinen Überlappung und kleinem Spalt zueinander ausgerichtet. Die Glaskapsel ist mit einem inerten Stickstoff gefüllt. Werden die Reeds einem externen Magnetfeld ausgesetzt, wirken sie als Magnetflussleiter. Pole mit entgegengesetzter Polarität werden am Kontaktspalt erzeugt und die Kontakte schließen, wenn die Magnetkraft die Federkraft der Reeds überschreitet. Die Kontakte öffnen sich, wenn das äußere Magnetfeld verringert wird, so dass die magnetische Anziehungskraft zwischen den Reeds geringer ist als die Rückstellfederkraft. Stärken • Keine zusätzliche Energiequelle notwendig • Lebensdauer bis zu Millionen Schaltvorgänge • Kostengünstig 20 PC & Industrie 12/2019

Sensoren • Relay Anwendungen (Messgeräte) • Automobil und Transport • Smart Home (Sicherheitssysteme, Haushaltsgeräte, Sanitärinstallationen) • Safety und Security (Feueralarm, Türsensoren) • Medizintechnik, Telekommunikation, Test und Messsysteme Zusammenfassung Bewertungstabelle Sensoren • Luftdicht verschlossen: Immun gegenüber Staub/Partikel, Wasser/Feuchtigkeit • Reedschalter sind verfügbar in verschiedenen Größen, Maß an elektrischer Durchflutung und Hysterese • Schaltenergie: Kann sowohl bei AC also auch bei DC betrieben werden und schafft 10 Nanovolts bis zu 10.000 Volt und über 5 Ampere • Immun gegenüber elektrostatischer Entladung (ESD) • Betriebstemperatur bis zu über 200 °C Schwächen • Anfälligkeit gegenüber Erschütterungen und Vibration über 20 g • Kann eine Änderung der Sensitivität erfahren aufgrund mechanischen Stresses • Geschwindigkeitsmessung ist auf unter 1 kHz limitiert • Nur digitaler Ausgang möglich (Schalter ein oder aus) • Kann nur die Endposition ermitteln Anwendungsfelder • Positionserkennung (Endposition eines Zielobjekts) • Geschwindigkeitsmessung (zählt Schaltvorgänge) Alle vorgestellten Sensoren weisen aufgrund ihres physikalischen Prinzips unterschiedliche Eigenschaften auf. Es gibt keine beste Sensorlösung in diesem Sinne. Es kommt immer auf das jeweilige Einsatzgebiet an. Die Tabelle „Bewertungstabelle Sensoren“ gibt einen groben Vergleich von Positions- und Geschwindigkeitssensoren unter Berücksichtigung von einigen wesentlichen Kriterien. Die Beurteilung basiert lediglich auf Standardsensoren der jeweiligen Sensortypen. Aufgrund der Vielfalt an Versionen und Sonderexemplaren kann es jedoch zu Abweichungen kommen. ◄ Hochgenaue wartungsfreie CO 2 -Sensoren mit sehr kompakten Abmessungen Eine hohe Messgenauigkeit von ±40 bzw. ±50 ppm (±3 bzw. ±5 % der Messung) zeichnet die ab sofort bei SE Spezial-Electronic erhältlichen kommerziellen Kohlendioxid-Sensoren CRIR M1/CRIR E1 von Honeywell aus. Die mit Abmessungen von lediglich 33 x 22 x 11,2 mm sehr kompakten und leicht integrierbaren Gassensoren erfassen standardmäßig CO 2 -Konzentrationen zwischen 400 bis 2000 ppm, mit erweitertem Messbereich sogar bis zu max. 10.000 ppm. Bei normalen Innenanwendungen sind sie zudem bis zu 10 Jahre wartungsfrei. Die beiden temperaturkompensierten, mit einer digitalen UART-Schnittstelle ausgestatteten Versionen CRIR M1/CRIR E1 basieren auf einem nicht dispersiven Infrarot- (NDIR-)Sensor mit Einzelkanaltechnologie. Am einen Ende der internen Messkammer befindet sich eine Infrarotquelle, am anderen Ende ein mit einem optischen Filter ausgestatteter Detektor. Dieser Filter hat die Aufgabe, gegenüber CO 2 unempfindliche Wellenlängen zu blockieren, was zu einer deutlichen Steigerung der Selektivität und Empfindlichkeit führt. Wenn das Licht der Infrarotquelle die Messkammer passiert, wird bei Vorhandensein von CO 2 ein Bruchteil davon absorbiert. Die Differenz zwischen dem von der Quelle abgegebenen Licht und dem vom Detektor empfangenen Licht dient als Grundlage für die Messung der CO 2 -Konzentration. Dank der integrierten automatischen Basislinienkorrektur lässt sich die niedrigste Messeinstellung des Sensors über ein vorkonfiguriertes Intervall automatisch auf minimal 400 ppm CO 2 kalibrieren. Dies erhöht die langfristige Stabilität, wodurch mitunter auf eine Nachkalibrierung verzichtet werden kann. Typische Anwendungsgebiete des für einen Betriebstemperaturbereich von 0 bis +50 °C ausgelegten CRIR M1 sind Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen, bedarfsgesteuerte Innenraumbelüftungen, Messungen der Innenluftqualität (Indoor Air Quality, IAQ), Luftreinigungssysteme und Systeme für das Internet der Dinge (IoT) • SE Spezial-Electronic GmbH emech@spezial.com www.spezial.com PC & Industrie 12/2019 21

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel