Sensorik - Sensoren und Einheitssignale

Sensoren (Klausurrelevant)

Unterscheidung nach Funktionsprinzip

Aktive Sensoren ⚡

Aktive Sensoren erzeugen selbst elektrische Signale wie Ladung oder Spannung. Sie reagieren aktiv auf Umgebungsveränderungen und benötigen keine Hilfsenergie.

Funktionsprinzipien: - Thermoeffekt (Thermoelement) - Fotoeffekt (Photozelle, Solarzelle) - Hall-Effekt (Magnetfeldsensor) - Piezoeffekt (Drucksensor, Beschleunigungssensor)

Passive Sensoren 🔌

Passive Sensoren benötigen externe Stromversorgung und erzeugen kein eigenes Signal. Sie nutzen physikalische Veränderungen zur Messung.

Funktionsprinzipien: - Widerstandsänderung (Temperatursensor, Lichtsensor) - Induktivitätsänderung (Näherungsschalter) - Kapazitätsänderung (Abstandssensor, Feuchtigkeitssensor)

Einheitssignale in der Automatisierung

Definition

Einheitssignale sind normierte Analogsignale für die Übertragung von quasistatischen (sich langsam ändernden) Prozessgrößen in der Prozessautomation.

Gängige Einheitssignale

Stromsignale (DIN IEC 60381-1) ⚡

Spannungssignale (DIN IEC 60381-2) 🔋

Ratiometrische Spannungssignale 📊

• 5 ... 95 % (0,25 V ... 4,75 V bei 5 V Versorgung)
• 10 ... 90 % (0,5 V ... 4,5 V bei 5 V Versorgung)

Pneumatisches Drucksignal (DIN EN 60654-2) 💨

• 0,2 bar ... 1 bar
• Geeignet für explosionsgefährdete Bereiche
• Blaue Leitungen zur Kennzeichnung

Versetzter Nullpunkt ("Lebender Nullpunkt")

Vorteile des 4-20 mA Signals:

✅ Drahtbruchüberwachung: 0 mA = sicherer Hinweis auf Störung ✅ Energieversorgung: Sensor kann über Signalleitung versorgt werden ✅ Störsicherheit: Unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen ✅ Leitungslänge: Bis zu 1000 m möglich

Stromsignal vs. Spannungssignal

Modulanordnungen für Stromsignale

Typ 2 (2-Leiter-Technik)

• Signalübertragung und Energieversorgung über 2 Leitungen
• Passive Sensoren (Sensor wird über Signalleitung versorgt)
• Einfachste Verdrahtung

Typ 3 (3-Leiter-Technik)

• Separate Energieversorgung (2 Leitungen)
• Signalübertragung (1 Leitung + Masse)
• Aktive Sensoren

Typ 4 (4-Leiter-Technik)

• Vollständig getrennte Energie- und Signalwege
• Höchste Störsicherheit
• Aufwendigste Verdrahtung

Berechnungen von Einheitssignalen

Grundformel für lineare Umrechnung:

Ausgangssignal = (Messwert / Messbereich) × Signalbereich + Offset

Aufgabe 1: Drucksensor (Spannungssignal)

Gegeben: - Messbereich: 0 bis 50 bar - Spannungsbereich: 0 bis 10 V - Messwert: 15 bar

Berechnung:

U = (15 bar / 50 bar) × 10 V
U = 0,3 × 10 V = 3 V

Aufgabe 2: Temperatursensor (Stromsignal)

Gegeben: - Messbereich: 10 bis 50 °C - Strommessbereich: 4 bis 20 mA - Messwerte: 35°C und 40°C

Berechnung für 35°C:

Messbereich = 50°C - 10°C = 40°C
Signalbereich = 20 mA - 4 mA = 16 mA
Messwert relativ = 35°C - 10°C = 25°C

I = (25°C / 40°C) × 16 mA + 4 mA
I = 0,625 × 16 mA + 4 mA = 14 mA

Berechnung für 40°C:

Messwert relativ = 40°C - 10°C = 30°C

I = (30°C / 40°C) × 16 mA + 4 mA
I = 0,75 × 16 mA + 4 mA = 16 mA

Ratiometrische Spannungsausgänge

Vorteile:

✅ Energieeinsparung: Keine Referenzspannungsquelle nötig ✅ Kosteneinsparung: Einfachere Schaltungen ✅ Störsicherheit: Geringere Störanfälligkeit ✅ Flexibilität: Ideal für schwankende Versorgungsspannungen

Nachteile:

❌ Ungenauigkeit: Bei unterschiedlichen Versorgungsspannungen ❌ Spannungsabhängigkeit: Messgenauigkeit hängt von Versorgung ab

Typische Anwendungen:

• KFZ-Bordnetze (schwankende Batteriespannung)
• Mobile Geräte (Batterie-/Akkubetrieb)
• Industrielle Umgebungen mit instabiler Spannungsversorgung

Pneumatische Signale

Eigenschaften:

• Ex-Schutz: Ideal für explosionsgefährdete Bereiche
• Wartung: Druckluftnetz erforderlich
• Kennzeichnung: Blaue Leitungen
• Trend: Wird durch eigensichere Messumformer verdrängt

SPS-Integration und Auswertung

Umrechnung in physikalische Größen:

Messwert = Rohwert × Messspanne + kleinster Messwert

Beispiel: - Druckaufnehmer: 500 mbar ... 2000 mbar - Rohwert: 50% (entspricht 12 mA bei 4-20 mA) - Messspanne: 1500 mbar - Kleinster Messwert: 500 mbar

Druck = 50% × 1500 mbar + 500 mbar = 1250 mbar