Sensoren als Komponenten der industriellen Automatisierung

Sensoren oder Messwertaufnehmer sind in automatisierten Produktionsprozessen Bestandteile der Regel- und Messtechnik. Innerhalb eines sich selbst steuernden Regelkreises erfassen sie physikalische oder chemische Eigenschaften ihrer Umgebung. Diese wandeln sie für die Weiterverarbeitung in elektrische Signale um. Es erfolgt ein ständiger Abgleich von Ist- und Sollwerten, der bei Abweichungen eine bestimmte Aktion auslöst. Entweder starten automatisch Massnahmen, die den Soll-Zustand wiederherstellen, oder das System schaltet sich zur Vermeidung von Folgeschäden ab. Die Auslösung eines Alarms ist ebenfalls möglich. So können Mitarbeiter*innen persönlich eingreifen. Mithilfe der Sensorik, wofür Sie bei Conrad zahlreiche Komponenten finden, lassen sich viele industrielle Abläufe automatisieren und Sicherheitsstandards einhalten.

Flaschen werden in einer automatischen Abfüllmaschine befüllt.

Klassische Funktionsprinzipien von Sensoren
Licht- oder Krafteinwirkung erfassen
Lichtschranken und Bewegungsmelder

Umgebungsbedingungen überwachen
Vibration, Beschleunigung und Neigung messen
Weitere Sensortechnik für industrielle Automatisierungen

Es besteht ein grundlegender Unterschied zwischen aktiven und passiven Sensoren. Die aktive Variante arbeitet mit externer Versorgungsspannung, während die passive Energie aus der Umgebung zieht. Darüber hinaus liegen den Messwertaufnehmern mehrere unterschiedliche Wirkprinzipien zugrunde. So gibt es kapazitive Sensoren, die unter anderem für das berührungslose Messen räumlicher Abstände, als Druck- oder Feuchtigkeitssensor Verwendung finden. Sie erfassen die Schwankungen der Kapazität eines Kondensators, welche auf den Veränderungen des Abstands seiner Elektroden beruhen.

Nach einem anderen Prinzip funktionieren induktive Sensoren. Sie arbeiten mit einer Magnetspule und ermöglichen ebenfalls berührungsloses Messen. Bei der Annäherung eines elektrisch leitfähigen Objekts ändert sich die Impedanz der Spule. Diese Abweichung ist ein messbarer Wert, der sich für die elektronische Weiterverarbeitung eignet. Beispielsweise lassen sich auf diese Weise elektrisch leitfähige von nicht leitenden Objekten unterscheiden.

Davon sind magnetische Sensoren zu unterscheiden, die eine höhere Reichweite als die induktiven Messwertaufnehmer bieten.

Der nach dem Physiker Edwin Hall benannte Hallsensor ist ein Beispiel dafür. Dieser beruht auf dem Effekt, dass in einem von Strom durchflossenen elektrischen Leiter innerhalb eines Magnetfeldes eine Spannung entsteht. Der Sensor eignet sich daher zum Nachweis und zur Messung von Magnetfeldern. Hallsensoren kommen beispielsweise für die Drehzahlmessung oder als kontaktlose Schalter zum Einsatz.

Optische Sensoren sind weit verbreitet. Es gibt unterschiedliche Varianten, welche die Intensität oder Farbe des Lichts messen können. Ihre Wirkungsweise basiert häufig auf der Eigenschaft spezieller Kristalle, deren elektrische Leitfähigkeit sich mit der Lichteinstrahlung verändert. So ist es zum Beispiel möglich, bei einer bestimmten Lichtintensität eine Reaktion auszulösen.

Auf diesem Prinzip beruht das automatische Aktivieren der Aussenbeleuchtung bei beginnender Dunkelheit. Häufig kommen optische Messwertaufnehmer in Konstruktionen zum Einsatz, in denen künstlich erzeugtes Licht auf den Sensor trifft. Dieser misst die Lichtintensität oder die Dauer des Lichteinfalls. Die Technologie eignet sich beispielsweise für die Kontrolle der Qualität von Produkten oder der korrekten Positionierung von Werkstücken auf Fliessbändern.

Wenn es darum geht, die Einwirkungen einer mechanischen Kraft in ein elektrisches Signal zu übersetzen, kommen häufig piezoelektrische Sensoren zum Einsatz. Diese arbeiten mit einem Piezoelement, das Druckschwankungen in elektrische Spannung wandelt. Spezielle Kristalle oder polykristalline Materialien haben diese Eigenschaft. Zum Beispiel arbeiten Vibrationssensoren mit dieser Technologie.

Lichtschranken und Bewegungsmelder

Person läuft auf einem barrierefreien Zebrastreifen mit akustischer Ampel, die den Weg sicher macht.

Es gibt in der Industrie und im Alltag viele Möglichkeiten, die Sensortechnik für mehr Effizienz und Sicherheit einzusetzen. Eine häufig genutzte Konstruktion ist die Lichtschranke. Ihre Funktionsweise beruht darauf, dass künstlich erzeugtes Licht auf einen Sensor trifft, der es in ein elektrisches Signal umwandelt. Eine Schaltung erfolgt entweder bei der Unterbrechung oder Wiederherstellung des Lichtstrahls, mitunter auch in beiden Fällen. Wenn sich der Sensor gegenüber der Lichtquelle befindet, handelt es sich um eine Einweg-Lichtschranke. Ist beides übereinander angeordnet, muss auf der gegenüberliegenden Seite eine Reflexion erfolgen. Deshalb spricht man von einer Reflexionslichtschranke. Es gibt darüber hinaus Lichtschranken, die auf diffuses Licht reagieren. Das bedeutet, der Lichtstrahl muss nicht direkt auf den Empfänger ausgerichtet sein.

Ein weiterer Anwendungsbereich der Sensorik sind Bewegungsmelder, die häufig mit PIR-Sensoren arbeiten. Diese enthalten Kristalle, welche auf Temperaturschwankungen mit der Veränderung ihres elektrischen Potenzials reagieren und auf dieser Grundlage einen Schaltvorgang auslösen. Im Gegensatz zu einem Temperatursensor messen sie nicht die Temperatur selbst, sondern registrieren nur Veränderungen. Auf dieser Basis funktioniert die automatische Steuerung der Beleuchtung, wofür Sie bei Conrad Varianten für den Innen- und Aussenbereich finden. Aber auch für Automatisierungen in der Fertigung und beim Transport eignen sich Konstruktionen mit Bewegungsmeldern.

Feuchte-Sensoren kommen in der Industrie häufig zum Einsatz, hauptsächlich zur Feuchtigkeitsmessung von Materialien und Endprodukten. Darauf basiert beispielsweise die automatische Trocknung oder Befeuchtung. Eine Regulierung der Luftfeuchtigkeit in Räumen ist auf diese Weise ebenfalls realisierbar. Der Feuchte-Sensor kann den Wassergehalt fester, viskoser oder gasförmiger Stoffe messen und Veränderungen registrieren. Dafür eignen sich unterschiedliche Funktionsprinzipien. Oft wirkt sich die Feuchtigkeit auf die Kapazität oder den Widerstand des Sensors aus. Dieser erzeugt bei festgelegten Werten ein elektrisches Signal, das den passenden Vorgang auslöst.

Temperatursensoren eignen sich zur konstanten Temperaturmessung. So lassen sich zulässige Mindest- oder Maximaltemperaturen während eines Fertigungsprozesses überwachen und beim Überschreiten der Grenzwerte erforderliche Aktionen auslösen. Es ist auf diese Weise zum Beispiel möglich, Heiz- und Kühlelemente automatisch zu steuern. Die Sensoren messen die Temperatur mit einem Mantel- oder Oberflächenfühler beziehungsweise mit einem Fühlerelement. Die Erzeugung des elektrischen Signals beruht häufig auf einer Änderung der Spannung oder des Widerstands. Bei Thermistoren, das heisst widerstandsverändernden Bauteilen, unterscheidet man zwischen Heissleitern und Kaltleitern. Das hängt davon ab, wie sich der Widerstand temperaturabhängig verändert.

Ein Vibrationssensor arbeitet mit einem Piezoelement, das aus mechanischen Einwirkungen elektrische Signale erzeugen kann. Diese auch Schwingungsaufnehmer oder Beschleunigungssensoren genannten Bauteile kommen zur Messung von Vibrationen an Gebäuden, Maschinen und Windkraftanlagen zum Einsatz. Die Sicherung von Warentransporten ist ein weiteres Anwendungsgebiet.

Zur Überwachung der Lage von Maschinenkomponenten, Werkzeugen oder Werkstücken eignet sich ein Neigungssensor, speziell ein Winkelsensor. Dieser erfasst einen Neigungswinkel in Relation zu einem Bezugssystem, zum Beispiel zu einem anderen Objekt oder zur Erdoberfläche. Die Wirkungsweise diese Bauteile kann auf unterschiedlichen Prinzipien beruhen. Der magnetische Hallsensor kommt hier ebenso infrage wie ein optischer Sensor.

Nahaufnahme eines blauen Mikrocontrollers, der mit einer Lupe gehalten wird, umgeben von einem USB-Stick, einem Schraubenzieher und einem elektronischen Bauteil.

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Bei Conrad haben Sie die Wahl aus Sensoren für unterschiedliche Einsatzbereiche. Viele davon eignen sich für industrielle Automatisierungen, darüber hinaus für den Gütertransport oder die Umwelttechnik. Neben den genannten Funktionsprinzipien und Automatisierungsmöglichkeiten finden die im Folgenden kurz vorgestellten Lösungen in der Industrie ebenfalls häufig Verwendung.

Füllstandssensoren

Füllstandssensoren kommen bei der Arbeit mit Flüssigkeiten oder Schüttgütern zum Einsatz. Oft geht es darum, die kontinuierliche Versorgung des Produktionsprozesses sicherzustellen oder Mengen abzumessen. Für diesen Zweck eignen sich unterschiedliche Funktionsprinzipien. Dazu gehören unter anderem mechanische, optische und kapazitive Messsysteme.

Drucksensoren

Drucksensoren können den Druck überwachen, der zum Beispiel auf ein Werkstück oder in einer Produktionsanlage wirkt. Druckdifferenzen und -schwankungen lassen sich ebenfalls messen und in elektrische Signale umwandeln. Dafür eignen sich piezoelektrische, kapazitive, induktive sowie magnetische Verfahren.

Durchflusssensoren

Durchflusssensoren messen den Volumen- oder Massedurchfluss von Flüssigkeiten und Gasen. Sie kommen in Rohren und Leitungen zur Anwendung, etwa für die Dosierung oder Verbrauchsermittlung. Es gibt viele unterschiedliche Messprinzipien, die sich für diesen Zweck eignen.

Ultraschallsensoren

Ultraschallsensoren, mit denen die Einparkhilfe von Fahrzeugen arbeitet, sind ebenso für Anwendungen in der Industrie relevant. Das Prinzip besteht darin, dass ein Sender in kurzen Zeitabständen Ultraschallsignale aussendet. Diese treffen auf ein Hindernis und der Sensor empfängt die Reflexionen. Aus den Zeitabständen zwischen Senden und Empfangen lässt sich der Abstand zu einem Objekt ermitteln.

Chemische Sensoren

Nicht zuletzt gibt es viele Arten von chemischen Sensoren. Sie messen das Vorkommen oder die Konzentration bestimmter Substanzen und lösen gegebenenfalls Massnahmen zur Regulierung aus. In der industriellen Automatisierung verwendet man sie zur Überwachung der Umgebungsbedingungen für Produktionsverfahren. Auch die Qualitätskontrolle der Zwischen- und Endprodukte ist damit möglich.