Transducer und Wandler: Grundlagen, Typen und Anwendungen in der Messtechnik

Transducer und Wandler: Grundlagen und Typen

Transducer und Wandler wandeln eine physikalische Größe in ein anderes, leichter verarbeitbares Signal in einem Ausgabegerät um. Der Kollektor erfasst spezifische Informationen, die dem System als Rückmeldung dienen. Die Art der beiden Geräte ist gleich; der einzige Unterschied liegt in ihrer Positionierung.

Sensortypen und Messgrößen

Sensoren können für verschiedene Messgrößen eingesetzt werden, darunter:

• Nähe
• Verschiebung (Position)
• Geschwindigkeit
• Temperatur
• Druck
• Licht

Sensoren für Position, Nähe und Verschiebung

Die Messung von Lage, Nähe und Verschiebung erfolgt oft über ohmsche, induktive, kapazitive Schalter, Endschalter, Ultraschall- und Radarsensoren.

Ohmsche (Resistive) Sensoren

Die resistiven Variationen basieren auf dem elektrischen Widerstand eines Geräts und werden am häufigsten verwendet. Sie bieten eine gute Lösung für viele Messprobleme. Für die Messung von Position und Bewegung ist ein Potentiometer wichtig. Dieses besteht aus einem festen Widerstand, über den sich ein Schleifer bewegt, und kann als variabler Widerstand betrachtet werden.

Induktive Sensoren

Mit induktiven Sensoren kann sowohl der Abstand zwischen zwei Teilen aus magnetischem Material als auch eine mögliche Abweichung von diesem Abstand erfasst werden.

Kapazitive Sensoren

Die Kapazität vieler Mengen ändert sich durch geometrische Parameter des Kondensators oder durch Einwirkung auf das Dielektrikum zwischen den Platten. Kondensatoren haben vielfältige Anwendungen, wie:

• Messung der Nähe zu einer leitenden Fläche (die Kapazität hängt vom Abstand d zwischen den Platten ab).
• Messung der Verschiebung.
• Erfassung von Änderungen der Kapazität, wenn der Abstand zwischen zwei Platten variiert wird.
• Messung von Unebenheiten oder Druck.

Endschalter

Endschalter werden eingesetzt, um die Position eines Objekts oder beweglicher Teile zu bestimmen. Wenn ein Endpunkt der Bewegung erreicht wird, ändern sich die Schaltkontakte. Sie dienen als Positionsdetektoren und sind nützlich bei Hebe- und Fördermechanismen.

Ultraschallsensoren

Ultraschall bezeichnet Schwingungen in einem materiellen Träger, die für das menschliche Ohr nicht hörbar sind. Anwendungen umfassen:

• Füllstandkontrolle in Trichtern oder Silos.
• Messung der Höhe einer Last, die in einer Fabrik transportiert wird.

Ein auf Ultraschall-Sonar basierendes System erkennt versunkene Objekte, indem ein Sender ein Signal aussendet, das am Hindernis reflektiert wird. Sie dienen zur Messung kleiner Abstände.

Radarsysteme

Radarsysteme nutzen elektromagnetische Wellen zur Erfassung der Anwesenheit und Entfernung von Objekten durch deren Ausbreitung.

Geschwindigkeitswandler

Transducer für die Geschwindigkeit sind wichtig, um die Winkelgeschwindigkeit zu messen, was typischerweise durch mechanische oder elektrische Tachometer erfolgt. Das Ergebnis drückt die Geschwindigkeit über einen bestimmten Zeitraum aus.

Mechanische Tachometer

Die mechanische einfachste Form ist der Drehzahlmesser mit einer Schnecke auf der zu messenden Welle. In Kombination mit einem externen Timer ermöglicht dies die Messung der Winkelgeschwindigkeit über die Zeit.

Der Zentrifugal-Tachometer basiert auf dem gleichen Prinzip wie ein Wattregler und verfügt über zwei Kugeln, die durch die Zentrifugalkraft bei höherer Geschwindigkeit von der Achse wegbewegt werden.

Elektrische Tachometer

Elektrische Wandler wandeln die Drehzahl in ein elektrisches Signal um. Dazu gehören:

• Wirbelstrom- oder Schleppkabelwandler: Werden in Automobilen und Flugzeugen verwendet. Sie bestehen aus einem festen Bild, das sich in einer Aluminiumwelle dreht, deren Geschwindigkeit gemessen werden soll.
• Induktionstachometer: Bei diesen ist das rotierende Teil der Fluss, der einen magnetischen Kreis variiert.
• Wechselstromwandler: Ein Rotor mit einem Permanentmagneten rotiert in einer mehrpoligen Statorwicklung und induziert einen Wechselstrom.
• Gleichstromwandler: Ein Stator mit Permanentmagneten und ein Rotor mit einem gleichmäßigen Luftspalt sind mit der Welle gekoppelt, deren Geschwindigkeit bestimmt werden soll.
• Frequenzzähler: Messen die Frequenz eines elektromagnetischen oder optischen Signals.

Temperaturwandler

Temperaturwandler, auch FTE (Fühler für Temperaturerfassung) genannt, bestehen aus einem Leiter, dessen Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Dieser ist zwischen Isolierschichten gewickelt und durch eine Glas- oder Keramikbeschichtung geschützt. Verwendete Materialien sind Platin, Nickel und Kupfer. Die Schaltung verwendet oft die Wheatstone-Brücke mit vier Widerständen.

Thermistoren

Thermistoren sind Widerstände, deren Wert sich mit der Temperatur ändert, basieren jedoch auf Halbleitern statt auf metallischen Leitern. Sie können NTC- oder PTC-Typen sein:

• NTC (Negative Temperature Coefficient): Ihr Widerstand erfährt eine schnelle und signifikante Abnahme mit steigender Temperatur.
• PTC (Positive Temperature Coefficient): Sie weisen einen sehr schnellen Wandel auf und dienen oft zur Auslösung von Alarmen.

Thermoelemente

Thermoelemente basieren auf dem Seebeck-Effekt: Wenn zwei unterschiedliche metallische Leiter einen Stromkreis bilden, wobei eine Lötstelle warm und die andere kalt gehalten wird, entsteht eine elektromotorische Kraft, die durch den Temperaturunterschied verursacht wird. Sie sind industriell am weitesten verbreitet. Gängige Legierungen sind Chromel, Alumel und Eisen.

Strahlungspyrometer

Pyrometer basieren auf dem Stefan-Boltzmann-Gesetz: Die abgestrahlte Energie pro Zeit- und Flächeneinheit eines Körpers ist direkt proportional zur vierten Potenz seiner absoluten Temperatur.

• Gesamtstrahlungspyrometer: Verwenden eine Sammellinse, um die Strahlung des emittierenden Körpers auf ein empfindliches Element zu konzentrieren.
• Optische Pyrometer: Nutzen sichtbare Strahlung in einem schmalen Frequenzband und bestimmen die Temperatur durch den Vergleich mit einer bereits bekannten Strahlungsquelle.