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Über dieses Buch

Zur Messung von physikalischen, chemischen und biologischen Größen werden Sensoren eingesetzt. Das Buch bietet einen umfassenden Überblick über physikalische Grundlagen, Funktionen und Applikationen von Sensoren. Es ist nach den Aufgabenfeldern von Sensoren gegliedert und zeigt anhand typischer Einsatzbeispiele anschaulich deren Anwendung. Sensorisch erfassbare Messgrößen sind z.B. mechanische, dynamische, thermische sowie elektrische und magnetische. Weiterhin werden auch optische und akustische Sensoren in deren Anwendung im Buch detailliert behandelt. Die Sensor-Signale werden aufgenommen, weiterverarbeitet und in Steuersignale für Aktoren umgewandelt. Solche Sensorsysteme werden ebenfalls vorgestellt.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Sensorsysteme

Um das tägliche Leben mit seinen Aufgaben zu meistern, muss der Mensch die ihn umgebenden Prozesse beeinflussen können, d. h. er muss sie nach seinen Zielen steuern können. Um dies zu ermöglichen, muss der aktuelle Istzustand erfasst, deren Informationen ausgewertet und die Maßnahmen ergriffen werden können, die zur Zielerreichung dienen. Die Elemente, mit denen die Erfassung der Messgrößen der Umwelt möglich ist, sind die Sensoren. Sie bilden damit die Voraussetzung für alle Veränderungen und Entwicklungen im natürlichen oder technischen Umfeld der Menschen. Unterschiedliche Effekte in Physik, Chemie, Biologie und Medizin ermöglichen eine Vielfalt an Sensoren und Anwendungsmöglichkeiten. Diese werden in diesem Werk umfassend dargestellt, ohne jedoch dem Anspruch an Vollständigkeit zu genügen.
Ekbert Hering, Gert Schönfelder

2. Physikalische Effekte zur Sensornutzung

Werden bestimmte Materialien durch Einwirkung von äußeren Kräften oder Drücken verformt, dann entsteht eine elektrische Spannung. Wie Bild 2.1-1 zeigt, verschieben die Kraft bzw. der Druck die Ladungen im Inneren des Materials. Die Schwerpunkte der positiven und negativen Ladungen fallen nicht mehr zusammen. Dadurch entsteht eine elektrische Polarisation P. An der Oberfläche der Materialien sammeln sich Ladungen, so dass eine elektrische Spannung gemessen werden kann.
Ekbert Hering, Gert Schönfelder

3. Geometrische Größen

In den folgenden Abschnitten werden Weg- und Abstandsensoren mit verschiedenen physikalischen Wirkprinzipien vorgestellt. Wegsensoren unterscheiden sich von Abstandsensoren dadurch, dass sie ein positionsgebendes Element besitzen. Dies kann beispielsweise ein Magnet sein, der fest mit dem bewegten Teil verbunden ist und dessen lineare Verschiebung gemessen werden soll. Abstandsensoren dagegen messen die Entfernung zwischen der aktiven Fläche des Sensors und einem Target, das mit gewissen Einschränkungen beliebiger Natur sein kann. Man spricht hier von einem nicht kooperativen Target. Beispiele finden sich im Werkstück- Handling durch Roboter. Durch eine Abstandsmessung auf das zu greifende Teil können Zykluszeiten drastisch gesenkt werden. Die genaue Kenntnis des Abstands erlaubt ein Anfahren mit Maximalgeschwindigkeit und ein gezieltes Abbremsen kurz vor dem Teil.
Ekbert Hering, Gert Schönfelder

4. Mechanische Messgrößen

Die Masse m ist ein Maß für die Anzahl der Teilchen (z. B. Atome, Moleküle) eines Körpers. Die Massen können wie Mengen addiert werden. Die Maßeinheit der Masse ist ein Kilogramm (kg) und ist durch einen Eichkörper festgelegt. Die Masse ist sowohl unabhängig vom Ort als auch vom Bewegungszustand eines Körpers (in der relativistischen Physik ist die Masse von der Geschwindigkeit abhängig; dies macht sich aber erst bei sehr hohen Geschwindigkeiten in der Größenordnung von Lichtgeschwindigkeit bemerkbar).
Ekbert Hering, Gert Schönfelder

5. Zeitbasierte Messgrößen

Die Sekunde ist das 9.192.631.770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nukleids 133Cs entsprechenden Strahlung. Die Zeit hat als Formelzeichen t und die Einheit Sekunde [s]. Die relative Messunsicherheit beträgt 10–14. Wegen dieser hohen Mess-Sicherheit ist die Zeit für viele Messverfahren die entscheidende Bezugsgröße.
Ekbert Hering, Gert Schönfelder

6. Temperaturmesstechnik

Die thermodynamische Temperatur ist eine physikalische Zustandsgröße und ist eine der sieben Basisgrößen im Internationalen Einheitensystem (SI), auf die sämtliche metrologischen Größen zurückgeführt werden können. Ihre Maßeinheit ist das Kelvin (K).
Die Internationale Temperaturskala wurde am 1.1.1990 (ITS-90; ITS: Internationale Temperatur- Skala) verbindlich eingeführt und stellt die Grundlage für alle Kalibrierungen von Temperaturmessgeräten dar. Die Festlegung der Fixpunkte erfolgt auf der Grundlage bekannter Zusammenhänge des Druck-Temperatur-Diagramms für Stoffe, die in den drei Aggregatzuständen: gasförmig, flüssig und fest auftreten und sich durch die Existenz eines Tripelpunktes auszeichnen (Bild 6.1-1).
Ekbert Hering, Gert Schönfelder

7. Elektrische und magnetische Messgrößen

Die Spannung U ist ein Maß für die hineingesteckte Ladungstrennungsarbeit W je Ladung Q. Es gilt:
U = W/Q. (7.1.1)
Die Definition kann auch um die Dimension der Zeit erweitert werden. Wird die Arbeit W als das Produkt aus der Leistung P und der Zeit t beschrieben (W = P t) und die Ladung Q als Produkt aus Stromstärke I und der Zeit t (Q = I t), dann gilt: Die Spannung U ist der Quotient aus der Leistung P und der Stromstärke I:
U = P/I. (7.1.2)
Die Maßeinheit für die Spannung ist 1 V. Ein Volt liegt dann zwischen zwei Punkten eines metallischen Leiters, wenn für Transport der Ladung von 1 C (Coulomb) eine Energie von 1 J (Joule) erforderlich ist (Gl. 7.1.1). Ein Volt liegt zwischen zwei Punkten eines metallischen Leiters, wenn bei einem konstanten Strom I von 1 A zwischen den beiden Punkten eine Leistung P von 1 W umgesetzt wird.
Ekbert Hering, Gert Schönfelder

8. Radio- und fotometrische Größen

In der Radiometrie werden strahlungsphysikalische Größen gemessen. Sie sind objektiv gemessene physikalische Effekte und werden mit dem Index „e“ (energetisch) versehen. Bewertet das Auge die Strahlung, dann entstehen fotometrische oder lichttechnische Größen, die mit dem Index „v“ (visuell) gekennzeichnet werden. Im Gegensatz zu den radiometrischen Größen sind die fotometrischen Größen auf den sichtbaren Bereich des Spektrums begrenzt.
Ekbert Hering, Gert Schönfelder

9. Akustische Messgrößen

In der Akustik werden das Auftreten, die Eigenschaften und das Messen von Longitudinalwellen (örtliche Verdichtungen und Verdünnungen schwingender Partikel) in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern beschrieben. Von besonderer Bedeutung sind die Ausbreitung des Schalls in Luft und die menschliche Schallempfindung. Man unterscheidet je nach Amplitude und Frequenzverlauf:
  • Ton: eine einzige Schallfrequenz und eine sinusförmige Amplitude.
  • Geräusch: eine Vielzahl von unterschiedlichen Frequenzen und stark schwankender Amplitudenverlauf.
  • Knall: sehr viele Frequenzen bei nahezu konstantem Amplitudenverlauf.
Ekbert Hering, Gert Schönfelder

10. Klimatische und meteorologische Messgrößen

Luftfeuchtigkeit
Die Luftfeuchtigkeit, oder kurz Luftfeuchte, bezeichnet den Anteil des Wasserdampfes am Gasgemisch der Erdatmosphäre oder in Räumen.
Ekbert Hering, Gert Schönfelder

11. Ausgewählte chemische Messgrößen

Zur Beschreibung des Redoxpotenzials geht die Nernst’sche Gleichung (Abschnitt 2.15-1) in eine ihrer Spezialformen, die Peters-Gleichung (11.1.1) über, welche die Reduktions- bzw. Oxidationskraft eines Redoxsystems quantitativ beschreibt:
Ekbert Hering, Gert Schönfelder

12. Biologische und medizinische Sensoren

Ein Biosensor ist ein komplexer Messfühler, der sich biologische oder biochemische Effekte zu Nutze macht und in ein messbares Sensorsignal umwandelt. Hierbei ist die biologisch aktive Komponente (z. B. Enzym, Antikörper, Oligonukleotid, Mikroorganismus, biologische Rezeptoren) direkt mit einem Signalumwandler (Transducer) verbunden oder in diesem integriert. Ziel ist es, ein elektronisches Signal zu generieren, welches proportional zur Konzentration einer spezifischen Substanz oder einer Reihe von Substanzen (Analyten) ist. Biosensoren sind Spezialfälle chemischer Sensoren, bei denen ein Biomolekül als Erkennungselement (Rezeptor) für den Analyten genutzt wird [1].
Ekbert Hering, Gert Schönfelder

13. Messgrößen für ionisierende Strahlung

Der Mensch ist von sehr vielen Arten von Strahlung umgeben. Es seien hier nur die Sonneneinstrahlung, also das Licht, die Wärmestrahlung eines Heizkörpers, die Strahlung eines Mikrowellengerätes oder die kosmische Strahlung aus den Tiefen des Universums erwähnt. Damit gehört Strahlung zu unserer Umwelt; sie kann auf natürliche Art und Weise entstehen oder mit technischen Geräten erzeugt werden (Bild 13.1-1). Strahlung ist ganz allgemein eine Energieform, die sich als Teilchenfluss oder als elektromagnetische Welle im Raum ausbreitet.
Ekbert Hering, Gert Schönfelder

14. Fotoelektrische Sensoren

Unter Strahlung versteht man einerseits Materiestrahlung, also z. B. Alpha-, Beta-, Protonen- und Neutronenstrahlung und andererseits elektromagnetische Strahlung. Materiestrahlung wird im Allgemeinen indirekt nachgewiesen, also z. B. mittels eines Szintillators in Licht ungewandelt und dann als elektromagnetische Strahlung nachgewiesen. Daneben gibt es noch den Nachweis über die ionisierende Wirkung mithilfe eines Geiger-Müller-Zählrohrs.
Ekbert Hering, Gert Schönfelder

15. Signalaufbereitung und Kalibrierung

Sensoren wandeln die zu messende physikalische Größe in ein elektrisches Signal um. Dabei sind drei Punkte zu beachten:
1.
Das Sensorsignal ist meist sehr klein. Es muss deshalb auf einen Normpegel verstärkt werden, damit es von einer Steuerung verarbeitet werden kann.
 
2.
Es müssen Beeinflussungen von Störgrößen beachtet werden (z. B. Einfluss der Temperatur auf die Kennlinie eines Feuchtesensors).
 
3.
Kennlinien müssen sehr oft gefiltert und linearisiert werden.
 
Eine Sonderstellung hat hier die Temperaturmessung. Es gibt Messelemente mit ungestörtem und linearem Charakter (z. B. PT100 und Thermoelement). Diese Elemente können oft direkt an spezielle Eingänge von Steuerungen angeschlossen werden. In diesem Sinne bilden sie einen eigenen Signalstandard.
Ekbert Hering, Gert Schönfelder

16. Interface

Um die Messwerte der Transmitter zur Auswerteeinheit zu übertragen, werden standardisierte Interfaces verwendet. Diese erlauben dem Anwender eine einfache Anschaltung von Transmittern unterschiedlichster Hersteller. Die Möglichkeiten bei der analogen Signalübertragung basieren dabei auf wenigen physikalischen Größen. Die Übertragung auf digitaler Basis beschränkt sich auf die wesentlichsten Vertreter, welche für die Sensorik entscheidend sind.
Ekbert Hering, Gert Schönfelder

17. Sicherheitsaspekte bei Sensoren

Die Dezentralisierung der Datenverarbeitung erfordert die Übertragung und Erhöhung der Intelligenz auf der untersten Ebene, der Sensoren- und Aktuator-Ebene. Dies setzt zusätzliche Funktionen zur Parametrierung und Diagnose der Systeme von zentraler Stelle voraus.
Unabhängig vom Intelligenzgrad müssen die Sensoren für industrielle Anwendungen bestimmte Schutzfunktionen enthalten. Hier soll der Näherungsschalter als technisches Beispiel dienen. Diese Schutzfunktionen gelten aber grundsätzlich für alle Arten von Sensoren, unabhängig von ihrer Funktionalität und der Art ihres Ausgangssignales.
Ekbert Hering, Gert Schönfelder

18. Messfehler, Messgenauigkeit und Messparameter

Die Messung von physikalischen, chemischen und biologischen Größen durch Sensoren unterliegen Abweichungen. Die Abweichung d ist die Differenz zwischen einem Messwert x i und einem wahren Wert x 0. Diese Abweichung stellt einen Fehler dar. Es gilt:
d = x ix 0.
Der wahre Wert kann entweder eine Normale sein oder aber ein durch eine Vielzahl von Messungen ermittelter wahrscheinlicher Wert. Normale können vorgegebene Messgrößen sein oder sich aber auf die physikalischen Basisgrößen für Zeit (s), Länge (m), Masse (kg), elektrische Stromstärke (A), Temperatur (K), Lichtstärke (cd) oder die Stoffmenge (mol) beziehen. Auf diese Basiseinheiten des SI-Maßsystems (SI: Standard International) lassen sich alle physikalischen Messgrößen zurückführen.
Durch statistische Verfahren wird ein wahrscheinlicher Wert ermittelt. Unter gewissen Voraussetzungen ist dies der arithmetische Mittelwert (Abschnitt 18.2).
Ekbert Hering, Gert Schönfelder

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