Sensoren: Typen, Funktionsweisen und Anwendungen

Sensoren: Definition und Typen

Sensoren sind primäre Messelemente, die Veränderungen im Wert einer gemessenen oder kontrollierten Variablen erfassen. Sie wandeln diese Veränderungen in ein mechanisches, elektrisches oder ähnliches Signal um, das die Prozessvariable darstellt.

Temperatursensoren

Zu den gängigen Temperatursensoren gehören:

• Flüssigkeits-in-Glas-Thermometer (Birnenfühler)
• Widerstandsthermometer (RTDs)
• Thermistoren
• Thermoelemente

Funktionsprinzip von RTDs

Das Funktionsprinzip von RTDs basiert auf der Eigenschaft von Metallen, ihre elektrische Leitfähigkeit mit der Temperatur zu ändern.

RTD-Materialien und Messbereiche

• Platin: -200 bis 900 °C, Genauigkeit von 0,01 °C
• Nickel: -150 bis 120 °C, Genauigkeit 0,5 °C
• Kupfer: -200 bis 120 °C, Genauigkeit 0,1 °C

Vorteile von RTDs

• Hohe Genauigkeit
• Schnelle Reaktion
• Gute Stabilität

Nachteile von RTDs

• Teurer als Thermoelemente und Thermistoren
• Zerbrechlich
• Eigenerwärmung kann ein Problem darstellen

Thermoelemente

Funktionsprinzip von Thermoelementen

Das Funktionsprinzip basiert auf dem Seebeck-Effekt: In einem geschlossenen Stromkreis, der aus zwei verschiedenen Metallen besteht, fließt ein Strom, wenn deren Verbindungsstellen unterschiedliche Temperaturen aufweisen.

Anwendungen von Thermoelementen

Gas- und Elektro-Industrieöfen, Kessel mit bewegtem Rost.

Messbereiche von Thermoelementen

-200 bis 1700 °C, je nach Legierung.

Vorteile von Thermoelementen

• Klein und kostengünstig
• Schnelle Reaktion
• Einfache Montage
• Einfach in Sensoren zur präzisen Temperaturmessung zu verwenden, besonders bei Fernanzeigen und Mehrpunktmessungen.
• Kosteneffizient im Vergleich zu anderen Methoden, insbesondere bei gängigen Materialtypen wie J, K, T, R, S.

Nachteile von Thermoelementen

• Kaltstellenkompensation erforderlich

Drucksensoren

Diese Drucksensoren umfassen:

• Rohrfeder (Bourdon-Rohr)
• Wägezellen mit Dehnungsmessstreifen
• Kapazitive Wandler
• Piezoelektrische Wandler

Rohrfeder (Bourdon-Rohr)

Funktionsprinzip

Basiert auf dem physikalischen Gesetz, dass flexible Elemente sich unter Druck verformen.

Anwendungen

Flüssigkeiten und Dämpfe (auch Dampf-Flüssigkeits-Gemische).

Messbereiche

• 0,5 bis 6.000 bar mit einer Genauigkeit von +/- 0,5 bis +/- 1% für Typ C
• 0,5 bis 2.500 bar, Genauigkeit +/- 0,5 bis +/- 1% für Spiralformen
• 0,5 bis 5.000 bar für Schraubenformen mit ähnlicher Genauigkeit

Vorteile

• Breite Verfügbarkeit von Bourdon-Rohren
• Helix- und Spiral-Typen bieten einen größeren Bewegungsumfang, ideal für Schreiber
• Kleine Größe, große Länge

Nachteile

• Höhere Herstellungskosten
• Abhängig vom Baumaterial für den jeweiligen Prozessbereich

Piezoelektrische Wandler

Funktionsprinzip

Basiert auf der Erzeugung einer elektromotorischen Kraft (EMK), wenn bestimmte Kristalle durch Druck an ihren Enden deformiert werden, wodurch ein elektrisches Signal erzeugt wird.

Messbereiche

Der Messbereich liegt zwischen 0,1 bis 600 kg/cm² mit einer Genauigkeit von +/- 1%.

Vorteile

• Hoher Frequenzgang
• Selbsterzeugend
• Klein und robust
• Linear
• Geringe Empfindlichkeit gegenüber Vibrationen

Nachteile

• Empfindlich gegenüber Temperaturänderungen
• Hohe Ausgangsimpedanz
• Geringe Leistung
• Geringe Stabilität
• Nullpunktverschiebung nach extremem Schock

Durchflusssensoren

Gängige Durchflusssensoren sind:

• Messblende
• Rotameter
• Turbinen-Durchflussmesser
• Ultraschall-Durchflussmesser
• Magnetisch-induktive Durchflussmesser

Messblende

Funktionsprinzip

Der Fluss durch ein Rohr mit einer Verengung erzeugt eine Druckdifferenz zwischen Ein- und Austritt der Blende.

Anwendungen

Gase, Flüssigkeiten, Dämpfe, Feststoffe und deren Kombinationen. Durchflussmessung mit einer Genauigkeit von 1%.

Vorteile

• Verschiedene Arten von Blenden für Dämpfe, Gase und Flüssigkeiten einsetzbar
• Einfach und relativ kostengünstig an jede Rohrgröße anpassbar

Nachteile

• Hoher Druckverlust
• Nicht geeignet für hochviskose oder verschmutzte Flüssigkeiten
• Nicht-linear (quadratische Beziehung)
• Nicht geeignet für kleine Ströme

Blendenausführungen

• Konzentrisch
• Exzentrisch
• Segment

Gewichtssensoren (Wägezellen)

Typische Gewichtssensoren sind:

• Hydraulische Wägezellen
• Wägezellen mit Dehnungsmessstreifen (DMS-System)
• Pneumatische Wägezellen

Wägezellen mit Dehnungsmessstreifen (DMS)

Funktionsprinzip

Basiert auf der Verwendung von Dehnungsmessstreifen, die an den Enden der Wiegeplattform installiert sind. Wenn sich diese Elemente unter Druck verformen, ändert sich ihr elektrischer Widerstand, was eine direkte Messung mittels einer Wheatstone-Brücke ermöglicht.

Anwendungen

Bandförderer (Pesometer).

Messbereiche

20 kg - 150 Tonnen mit einer Genauigkeit von +/- 0,2%.

Vorteile

• Gegen Korrosion geschützt
• Nicht direkt mit dem Material verbunden

Nachteile

• Benötigt Temperaturkompensation
• Relativ hohe Kosten

Hydraulische Wägezellen

Funktionsprinzip

Basiert auf einem Kolben, der Druck auf eine Hydraulikflüssigkeit ausübt.

Messbereiche

Praktisch 40 kg - 90 Tonnen mit einer Genauigkeit von +/- 0,2%.

Vorteile

• Einfache Installation
• Schnelle Reaktion
• Vibrationsfest
• Unterstützt bis zu 40% Überlast
• Explosionsgeschützt
• Fernanzeigen möglich

Nachteile

• Relativ hohe Kosten

Pneumatische Wägezellen

Funktionsprinzip

Das Gewicht auf der Plattform wird mit dem durch eine Membran ausgeübten Druck verglichen, der durch einen einstellbaren Luftdruck erzeugt wird.

Anwendungen

Generell für statische Wägungen.

Messbereiche

Praktisch 10 kg - 10 Tonnen mit einer Genauigkeit von +/- 0,2%.

Vorteile

• Gut geeignet für pneumatische Fernanzeigen

Nachteile

• Erfordert Druckluft für die Instrumentierung

pH-Sensoren

Ein pH-Sensor dient analytischen Messungen.

Funktionsprinzip

Ein Glasrohr ist innen mit einer Glasmembran verschlossen, die besonders empfindlich auf Wasserstoffionen (pH-Wert) reagiert.

Anwendungen

Saure und neutrale Lösungen.

Messbereiche

Werte von 0-14 mit einer Genauigkeit von +/- 0,25 bis +/- 1%.

Vorteile

• Einfache Installation
• Schnelle Reaktion

Nachteile

• Erfordert permanente Pflege und Wartung
• Temperaturschwankungen beeinflussen die pH-Messung

Formeln zur Temperaturumrechnung

• Fahrenheit (°F): (°C * 1.8) + 32
• Celsius (°C): (°F - 32) / 1.8
• Kelvin (K): °C + 273.15