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Über dieses Buch

Das inhaltlich erweiterte und in Praxis wie Ausbildung gut aufgenommene Buch bietet einen Überblick über physikalische Grundlagen und Funktionen von Sensoren in der Fabrikautomation. Es ist nach Aufgaben von Sensoren gegliedert und zeigt an vielen Beispielen Wirkungsweise und Anwendung, auch in der Robotik. Für Begriffe der Sensorik wird die englische Übersetzung angegeben. Im Minilexikon werden 264 Fachtermini erklärt.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Sensoren – Sinnesorgane der Technik

Zusammenfassung
Es werden verschiedene Facetten zum Thema „Sensoren“ beleuchtet. Dazu gehören die Erläuterungen z. B. zu Elementarsensor, Robotersensoren und physikalische Zusammenhänge ebenso, wie typische Eigenschaften, Anwendungen und Signalzustände. Aufgaben und nutzbare Effekte vervollständigen diesen ersten Überblick. Der Leser bekommt einen Eindruck über die Häufigkeit in der fertigungstechnischen Automatisierung sowie die einsetzbaren physikalisch‐technischen Möglichkeiten. Eine kurze Auflistung der Schritte zur Auswahl eines Sensors beschließt das Kapitel.
Stefan Hesse, Gerhard Schnell

2. Sensoren zur Positionserfassung

Zusammenfassung
Die Möglichkeiten, um eine Position zu detektieren, werden hauptsächlich an Beispielen erläutert. Die Palette erstreckt sich über elektromechanische, pneumatische, induktive, kapazitive, magnetinduktive, akustische und optoelektronische Sensoranwendungen. Es werden jeweils praktische Anwendungsfälle für die Funktionsbeschreibung ausgewählt. Auf einige Fehlerquellen wie z. B. Parallaxenfehler wird aufmerksam gemacht. Die Füll‐ und Grenzstandsmessung kennt viele technische Ausführungen und sensorische Lösungen. Die wichtigsten Verfahren werden besprochen und an Beispielen visualisiert. Die physikalischen Effekte reichen von kapazitiven Schaltsonden bis zum Einsatz radiometrischer Sensoren. Anspruchsvoll sind Sensoren für das Führen von Schweißrobotern. Es folgt ein Abschnitt zur sensorischen Ausstattung von autonomen mobilen Robotern. Dazu gehört auch die Selbstlokalisation mit Hilfe der Odometrie und Kompasssensoren. In der Robotik werden die Greifer immer häufiger sensorisiert. Einige Beispiele zeigen die Möglichkeiten auf, was man machen kann.
Stefan Hesse, Gerhard Schnell

3. Sensoren zur Erfassung mechanischer Größen

Zusammenfassung
Schwerpunkte sind in diesem Kapitel die Messung von Kräften, Beschleunigungen, Drehmomenten und Geschwindigkeiten. Die Funktion entsprechender Sensoren wird an Beispielskizzen erklärt, einschließlich der Ausführung von Verformungskörpern für die Kraft‐Momenten‐Messung. Beispiel für die Drehzahl‐ bzw. Drehwinkelmessung werden vorgestellt und ihre Wirkungsweise erläutert. Es werden aber auch Lösungen gezeigt, wie die Dickenmessung oder der Betrieb von hydraulischen Gleichlaufachsen. Auch die Messung von Schwingungen in Form des Körperschals an Festkörpern hat im Maschinenbau Bedeutung. Weitere Themen sind Wiegandsensor, faseroptischer Kreisel, interferenzoptische Wägezelle und z. B. Delta‐Sher Aufnehmer. Zu den mechanischen Größen zählen in erster Linie Länge, Winkel, Kraft, Drehmoment und Masse (Gewichtskraft). Ihre Kenntnis ist für die Funktion von Maschinen und Verfahren unerlässlich. Die Größen Länge und Winkel werden in Kap. 6 behandelt. Die Kraft ist eine fundamentale Größe der Mechanik und kann meistens nicht direkt gemessen werden. Ordnet man im Kraftfluss einen Verformungskörper an, dann kann aus dessen Veränderung auf die Größe der Kraft geschlossen werden. Ähnlich verhält es sich mit dem Drehmoment. In diesem Fall verändert ein Verformungskörper unter Last den Torsionswinkel, der hier als Größe eines Drehmomentes genommen werden kann. Die Kraft‐Momenten‐Sensoren (force/torque sensors) erfordern einen besonders gestalteten Verformungskörper und sind immer taktile Sensoren. Die Abtastung geschieht häufig mit Hilfe von Dehnungsmessstreifen, abgekürzt DMS.
Stefan Hesse, Gerhard Schnell

4. Sensoren zur Erfassung fluidischer Größen

Zusammenfassung
Fluidische Größen, die in diesem Kapitel behandelt werden, sind Druck, Volumen‐ bzw. Massenstrom und (Gas‐)Feuchte. Das Interesse an Messsystemen für diese Größen hat in den letzten Jahren sehr zugenommen. Fortschreitendes Automatisieren macht es erforderlich, auch sie verstärkt in die Überwachung (monitoring, supervision) und Regelung (closed‐loop control) einzubeziehen. In der Prozesstechnik sind z. B. 30 bis 40 % aller Messungen Druckmessungen. In der Pneumatik sind Fließ‐ und Staudruck wichtige Größen. Wartungsgeräte für Druckluftkreisläufe benötigen ein Druckmess‐ und ‐einstellgerät.
Stefan Hesse, Gerhard Schnell

5. Sensoren zur Erfassung der Temperatur

Zusammenfassung
Es werden die Möglichkeiten erläutert, die in der Thermometrie und Pyrometrie geboten werden. Temperatursensoren werden in ihren Einsatzfeldern, Messschaltungen und Wirkungsweisen behandelt. Thermoelemente und Pyrometer sind bewährte Messgeräte. Die Strahlungsgesetze und das Emissionsvermögen nehmen großen Einfluss. Auch scannende Geräte werden im Arbeitsprinzip dargestellt und erläutert, wie auch Farbpyrometer und Infrarot‐Kameraanordnungen. Zum Planck’schen Strahlungsgesetz erfolgen Erläuterungen an Hand von Gleichungen. Einige Fehlerquellen und Störeinflüsse bei der berührungslosen Temperaturmessung beschließen das Kapitel.
Die Temperatur ist eine Größe von außerordentlicher Bedeutung für technische Prozesse [1]. Von der Temperatur hängen sehr viele Stoffeigenschaften ab. Der thermische Zustand eines Stoffes kann grundsätzlich nach zwei physikalischen Prinzipien bestimmt werden:
  • Kontaktthermometrie
  • Pyrometrie
Bei der Thermometrie wird der Temperatursensor mit dem Medium oder der Oberfläche des Körpers, dessen Temperatur bestimmt werden soll, ins thermodynamische Gleichgewicht gebracht. Anschließend wird die Temperatur des Sensors mit einem temperaturabhängigen Effekt ermittelt. Der Temperaturausgleich erfolgt über Konvektion, Wärmeleitung oder Wärmestrahlung.
Stefan Hesse, Gerhard Schnell

6. Sensoren zur Erfassung von Wegen und Winkeln

Zusammenfassung
Die präzise Zuordnung von Werkzeug und Werkstück ist das Kerngeschäft in der Fertigungstechnik. Dazu werden die gebräuchlichen Verfahren und Sensoren zur Weg‐ und Winkelmessung vorgestellt. Das sind z. B. Codescheiben und ‐lineale, Resolver, Potenziometer, Inkrementalgeber und spezielle Transformatoren. Die analogen und digitalen Verfahren wie Laufzeitmessung, V‐Abtastung bei Codelinealen, Phasenmessung, Triangulation und magnetische Effekte werden besprochen und illustriert. Für Neigungssensoren werden ebenfalls Lösungen gezeigt, bei denen verschiedene physikalische Effekte ausgenutzt werden, Es wird gezeigt, wo Fehler entstehen können: Kopplungsart, Anordnung im Kraftfluss und Mehrfachreflexion bei der Triangulation. Bei drehenden und schiebenden Bewegungen wird auch die Erkennung der Richtung benötigt. Lösungen dazu werden angegeben und kommentiert. Weg‐ und Winkelmesssysteme dienen hauptsächlich zur Erfassung des Istwertes der Relativposition von Werkstück und Werkzeug in einer Maschine. Die Positionserfassung erfolgt im Bearbeitungsprozess in der Regel mittelbar, d. h. nicht direkt am Werkstück, sondern an einer Maßverkörperung. Die Art der Maßverkörperung hat insbesondere Einfluss auf die Genauigkeit der Positionsbestimmung sowie auf das regelungstechnische Verhalten eines geschlossenen Positionsregelkreises [1–3]. Die Forderungen an die Auflösung der Messsysteme liegen bei NC‐Maschinen bei 0,001 Millimeter bzw. bei 0,001 Grad, teilweise auch darunter.
Stefan Hesse, Gerhard Schnell

7. Abbildung und Erkennung von Objekten

Zusammenfassung
Neben einigen allgemeinen Grundlagen geht es um die optische Aufnahme von Gegenständen und die Auswertung der Daten, sprich Zuordnung zu bekannten Formen und Gegenständen. Beim Lichtschnittverfahren wird mit einer projizierten Lichtebene gearbeitet. Kamerabasierte Systeme sind oft Mitwirkende beim Ordnen und Vereinzeln von Werkstücken, die meistens stufenweise arbeiten. Eine Konturprüfung ist oft auch Bestandteil von Systemen zur Qualitätskontrolle. Weiterhin werden Beispiele aus der Praxis gezeigt, die sensorisch eine breite Palette verschiedener Sensoren betreffen. Wichtig sind immer auch die Beleuchtungsarten. Zu den nichtoptischen Abtastsystemen werden einige taktile Systeme gezeigt. Schließlich erscheinen auch Beispiele für das Lesen von Barcodes und anderen Codes. Laserscanner haben hier ihr Potenzial entfaltet. Die industrielle Bildverarbeitung hat sich in den letzten Jahren zu einer Schlüsseltechnologie entwickelt. Sie erschließt neue Möglichkeiten zum Beispiel bei der Oberflächeninspektion von Objekten, der Vollständigkeitskontrolle, der Identifikation und Klassifizierung, der automatischen Montage, der Qualitätsprüfung und der Lagebestimmung sowie Vermessung von Gegenständen. Der Einsatz technisch visueller Systeme wird vor allem dann in die engere Wahl gezogen, wenn die Objektivität des Erkennens, die Erkennungsgeschwindigkeit und die Genauigkeit eine große Rolle spielen.
Stefan Hesse, Gerhard Schnell

8. Erfassung chemischer und biologischer Stoffgrößen

Zusammenfassung
Das Kapitel bietet einen kleinen Ausschnitt zum Thema. Dazu gehören Sensoren für die Gaskonzentration, die Sauerstoffmessung, die Messung der elektrolytischen Leitfähigkeit, der Leitfähigkeitsmessung und anderer Messstoffe. Das Prinzip solcher Sensoren wird skizziert und erklärt. Ein Unterkapitel behandelt den Explosionsschutz bei Sensoren, den gesetzlichen Vorschriften und den NAMUR‐Sensoren. Mit chemischen Sensoren werden ausgewählte Arten von Atomen, Molekülen oder Ionen in Flüssigkeiten oder Gasen nachgewiesen. Üblich ist auch der Begriff biologischer Sensor oder Biosensor, wenn es sich im Einzelfall um den Nachweis bioaktiver Substanzen handelt.
Stefan Hesse, Gerhard Schnell

9. Sensorvernetzung

Zusammenfassung
Behandelt werden die allgemeinen Grundlagen zur Vernetzung, also Topologien und Buszugriffsverfahren. Dem schließt sich eine Charakteristik der wichtigsten Bussysteme an, wie Profibus, Interbus oder das HART‐Protokoll. Eine Darstellung der Bushierarchien in der Automatisierung schließt das Thema ab.
Stefan Hesse, Gerhard Schnell

10. Fachbegriffe

Zusammenfassung
Es werden lexikalisch geordnet wichtige Fachbegriffe erklärt, von A wie Abbildung bis Z wie Zylinderschalter. Besonders Lernende sollen damit rasch Wissenslücken schließen können.
Stefan Hesse, Gerhard Schnell

Backmatter

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