In vielen Bereichen, wie beispielsweise in der industriellen Fertigung und der wissenschaftlichen Forschung, fungieren Sensoren als empfindliche “Antennen”, die ständig Veränderungen in der Umgebung wahrnehmen. Heute wollen wir einen detaillierten Blick in die Welt der Sensoren werfen. Dieser Artikel behandelt Ausgangstypen, Produktkategorien, Ausgangskonfigurationen, Vorsichtsmaßnahmen bei der Verwendung sowie Auswahlrichtlinien und soll Fachleuten und Interessierten als Hilfestellung dienen.
I. Vorstellung der Ausgangstypen von Sensoren
Sensoren sind mit einer Vielzahl unterschiedlicher Ausgangsarten erhältlich, von denen jede ihre eigenen Eigenschaften und Anwendungsbereiche aufweist.
| Ausgabetyp | Kommunikationsmethode | Merkmale | Anwendungsszenarien und Vorsichtsmaßnahmen |
|---|---|---|---|
| RS485 | Digitale Kommunikation | Fernübertragung. Das Gerät kann Registerwerte lesen und ändern und wird häufig zur Fehlerbehebung bei Produkten verwendet. Es verfügt über zwei Leitungen (RS485A und RS485B); für den Anschluss an einen Computer ist ein RS485-zu-USB-Konverter erforderlich. | In der industriellen Automatisierungstechnik für die Datenübertragung über große Entfernungen, wie beispielsweise beim Datenaustausch zwischen Fabrikanlagen |
| UART | Digitale Kommunikation | Kann Schlüsselwerte lesen und ändern, ähnlich wie RS485. Allerdings hat es eine kurze Übertragungsreichweite (ca. 1 m) und ist störanfällig. Es verfügt über zwei Adern (TX und RX) und erfordert eine Kreuzverbindung. | Für die einfache Datenübertragung zwischen Geräten mit kurzer Reichweite, wie beispielsweise die Debugging-Verbindung zwischen einem Entwicklungsboard und einem Sensor |
| 4 – 20 mA | Analogausgang | Wandelt die gemessene Entfernung in einen Stromwert um. Die den Werten 4 mA und 20 mA entsprechenden Entfernungen können geändert werden, allerdings ist die Fehlersuche ohne RS485 schwierig. | Industrielle Messanwendungen mit hohen Präzisionsanforderungen, wie beispielsweise die Füllstandsmessung in der chemischen Industrie |
| 0 – 10 V | Analogausgang | Wird durch den Reihenschluss eines 500-Ω-Widerstands aus einem 4–20-mA-Signal abgeleitet. Die Entfernungen, die 0 V bzw. 10 V entsprechen, können eingestellt werden; im Wesentlichen handelt es sich um einen Stromausgang. | Messszenarien, die ein Spannungssignal erfordern, wie beispielsweise die Spannungsüberwachung in bestimmten elektronischen Geräten |
| NPN-/PNP-/Relaisausgang | Schaltausgang | Unterteilt in PNP- und NPN-Typen, mit verschiedenen Betriebsarten wie „normalerweise offen“ und „normalerweise geschlossen“. Die Kundenanforderungen müssen bestätigt werden. Der Relaisausgang ist für 50 V und 500 mA ausgelegt. | Dient zur Ein- und Ausschaltung von Stromkreisen, beispielsweise zur Start-Stopp-Steuerung von Motoren |
| HART | Analogausgang/Digitale Kommunikation | Überlagert ein analoges 4–20-mA-Signal mit einem digitalen Kommunikationssignal und ermöglicht so die gleichzeitige Übertragung von analogen und digitalen Informationen. | Komplexe industrielle Systeme, die sowohl analoge Signale als auch digitale Kommunikation erfordern |
II. Einführung in gängige Sensorprodukte
Die Sensor-Produktfamilie ist vielfältig. Im Folgenden stellen wir einige gängige Füllstandsmesser vor.
(I) Ultraschall-Füllstandsmesser (berührungslos)
Das Gerät sendet Ultraschallwellen aus und berechnet die Entfernung anhand der Echozeit. Da jedoch dieselbe Sonde sowohl zum Senden als auch zum Empfangen verwendet wird, gibt es einen toten Winkel. Achten Sie bei der Verwendung außerdem auf den Messbereich. Wenn das Zielobjekt den Messbereich überschreitet, kann es zu Messabweichungen oder Signalverlusten kommen. Wenn Sie beispielsweise den Füllstand eines Wasserspeichertanks messen und der Tank zu hoch ist und den Messbereich überschreitet, kann der Füllstand nicht genau gemessen werden.
(II) Kapazitiver Füllstandsmesser (Kontaktart)
Misst den Füllstand durch Erfassung von Kapazitätsänderungen. Theoretisch gibt es keine Totzone, doch in der Praxis entsteht durch einen 1 cm großen Pfropfen eine Totzone. Der Messbereich kann an die Anforderungen des Kunden angepasst werden. Das Gerät eignet sich jedoch nur zur Messung von Flüssigkeiten oder feinen Partikeln, und die Flüssigkeit sollte nicht viskos sein oder an den Wänden haften bleiben. Es eignet sich sehr gut zur Messung des Füllstands von Speiseöl.
(III) Radar-Füllstandsmesser (berührungslos)
Das Prinzip ähnelt dem des Ultraschall-Füllstandsmessers, allerdings werden hier anstelle von Schallwellen elektromagnetische Wellen verwendet, was eine höhere Genauigkeit und eine kleinere Messblindzone ermöglicht. Es gibt zwei Verfahren: die Entfernungsberechnung anhand der Zeitdifferenz bei der Übertragung elektromagnetischer Wellen und das Verfahren mit kontinuierlich frequenzmodulierten Radarwellen. Es wird häufig zur Füllstandsmessung in großen Lagertanks eingesetzt.
III. Analyse der Produktionskonfigurationen verschiedener Produkte
Die Ausgangskonfigurationen der verschiedenen Sensorprodukte weisen jeweils eigene Merkmale auf. Schauen wir uns das einmal genauer an.
| Produktmodell | Ausgabekonfiguration | Anforderungen an die Stromversorgung | Anzahl der Kabel |
|---|---|---|---|
| KUS550/600/630 | Eine digitale Schnittstelle, ein analoges Signal und bis zu zwei Schaltausgänge | Digitale Kommunikation: über 3,3 V (empfohlen: über 3,6 V); Analogsignale und Schaltausgänge: über 12 V | Bis zu 9 Drähte |
| KUS3000 | Erhältlich in den Ausführungen M18 und M30. Das Gerät verfügt über einen einzigen Ausgang, ist jedoch mit einer Teach-in-Funktion ausgestattet. | Festes Vier-Leiter-System (Stromversorgung, Masse, Teach-in/RS485A, 4–20 mA/NPN/PNP/RS485B/0–10 V) | 4 Drähte |
| KSLV605 | Ein digitales Signal, ein analoges Signal und bis zu zwei Schaltausgänge | Stromversorgung: 24 V | Bis zu 9 Adern (wenn der Analogausgang eine Spannung ist) |
| KLD800 | Analogausgang 4–20 mA, digitale Kommunikation über RS485 und analog-digitale Kommunikation über HART | 4 – 20 mA und HART: Spannungsversorgung, Masse; RS485: Spannungsversorgung, Masse, RS485A, RS485B | Variiert je nach Ausgabetyp |
IV. Vorsichtsmaßnahmen beim Einsatz von Sensoren
Bei der Verwendung von Sensoren gelten für verschiedene Produkttypen unterschiedliche Vorsichtsmaßnahmen.
(I) Ultraschallprodukte
Achten Sie bei der Installation darauf, dass sich keine störenden Objekte innerhalb des Erfassungswinkels befinden. Beachten Sie die Auswirkungen des Mediums und der Temperatur auf die Reflexion der Ultraschallwellen. Vermeiden Sie die Totzone sowie Bereiche, in denen Vibrationen oder Spritzwasser auftreten. Stellen Sie sicher, dass die reflektierende Oberfläche eben ist, und achten Sie darauf, dass der Druck in der Arbeitsumgebung nicht zu hoch ist.
(II) Kapazitive Produkte
Die zu messende Flüssigkeit sollte nicht an der Sonde oder dem Edelstahlrohr haften bleiben und nicht zu zähflüssig sein. Achten Sie auf Druckbeständigkeit, Durchflussrate, Schwankungen, Temperatur, Sedimentation und Schichtung der Flüssigkeit.
(III) Radarprodukte
Achten Sie während der Messung darauf, dass Sie senkrecht zum Medium stehen. Achten Sie darauf, dass sich keine störenden Objekte im Strahlwinkel befinden, und berücksichtigen Sie die Dielektrizitätskonstante des Mediums sowie die Druckfestigkeit.
V. Leitlinien zur Sensorauswahl
Bei der Auswahl eines Sensors müssen mehrere Faktoren umfassend berücksichtigt werden.
(I) Ultraschallprodukte
Legen Sie Parameter wie Messbereich, Messmedium, Stromversorgung und Ausgang fest. Machen Sie sich mit den Gegebenheiten vor Ort vertraut und prüfen Sie gegebenenfalls Zeichnungen oder Fotos.
(II) Kapazitive Produkte
Berücksichtigen Sie Parameter wie Messbereich, Messmedium, Stromversorgung und Ausgangsleistung und beachten Sie zudem die Eigenschaften der zu messenden Flüssigkeit.
(III) Radarprodukte
Beachten Sie neben den grundlegenden Parametern auch Anforderungen wie Flansch- oder Gewindespezifikationen, Einbauart, Temperatur und Druck.
(IV) Sonstige Produkte
Bei Durchflussmessgeräten sollten Sie Parameter wie Nennweite und Durchflussbereich berücksichtigen. Bei Druckmessgeräten sollten Sie auf die Druckanschlüsse und die Genauigkeit achten.
Sensoren spielen in verschiedenen Bereichen eine entscheidende Rolle. Das Verständnis ihrer Grundlagen, der wichtigsten Anwendungsaspekte und der Auswahlkriterien kann uns dabei helfen, ihre Leistungsfähigkeit besser zu nutzen und die Arbeitseffizienz zu steigern. Ich hoffe, dass dieser Blogbeitrag Ihnen ein klareres Verständnis von Sensoren vermittelt und Sie in der praktischen Anwendung versierter macht.
