EU-Projekt Nr MINOS, Laufzeit von 2005 bis 2007

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1 Mechatronik Modul 5: Mechatronische Komponenten Schülerhandbuch (Konzept) Wojciech Kwaśny Andrzej Błażejewski Technische Universität Wroclaw, Institut für Produktionstechnik und Automatisierung, Polen EU-Projekt Nr MINOS, Laufzeit von 2005 bis 2007 Europäisches Konzept für die Zusatzqualifikation Mechatronik für Fachkräfte in der globalisierten industriellen Produktion. Das Projekt wurde gefördert von der Europäischen Union im Rahmen des Aktionsprogramms der Europäischen Union für die berufliche Bildung Leonardo da Vinci.

2 Projektpartner bei der Erarbeitung und Erprobung des Teachwarekonzepts Technische Universität Chemnitz, Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse, Deutschland Projektleitung Corvinus Universität Budapest, Institut für Informationstechnologien, Ungarn Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Schweden Technische Universität Wroclaw, Institut für Produktionstechnik und Automatisierung, Polen Henschke Consulting Dresden, Deutschland Christian Stöhr Unternehmensberatung, Deutschland Neugebauer und Partner OHG Dresden, Deutschland Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Polen Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Ungarn Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Ungarn Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Ungarn Teachwearkonzept: Modul 1: Grundlagen Modul 2: Interkulturelle Kompetenzen, Projektmanagement Modul 3: Fluidtechnik Modul 4: Elektrische Antriebe und Steuerungen Modul 5: Mechatronische Komponenten Modul 6: Mechatronische Systeme und Funktionen Modul 7: Inbetriebnahme, Sicherheit, Teleservice Modul 8: Fernwartung, Diagnose Weitere Informationen: Technische Universität Chemnitz Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Reimund Neugebauer Prof. Dr.-Ing. Dieter Weidlich Reichenhainer Straße 70, Chemnitz Tel.: +49(0) Fax: +49(0) Internet: 2

3 Minos Inhalt: 1 Induktive Sensoren Grundinformationen Theoretische Grundlagen Resonanzkreis Der elektronische Schwingkreis Grundkonstruktion Wirkungsweise Korrekturkoeffizienten Art der Montage Sondersensoren Ringförmige induktive Sensoren Sensoren, die in einem starken Elektromagnetfeld arbeiten Sensoren, die unter schwierigen Bedingungen arbeiten Bewegungsrichtungserkennung NAMUR-Sensoren Analoge induktive Sensoren Gleichstromversorgung (DC) Wechselstromversorgung (AC) Anschlussprinzipien von Sensoren Schutzvorrichtungen und Sensorensicherheit Sensorenanschluss zu einem Kommunikationsnetz Anwendungen

4 Minos Mechatronische Komponenten 2 Kapazitive Sensoren Einleitung Theoretische Grundlagen Wirkungsweise des kapazitiven Sensors Typen der kapazitiven Sensoren Material des Objektes Störungenkompensation Anwendungen Ultraschallsensoren Grundinformationen Theoretische Grundlagen Schallwellenausbreitung in der Luft Umgebungseinfluss Schallwellenumsetzer Erzeugung der Ultraschallwellen Wirkungsweise Diffusionsverfahren Durchgangsverfahren Sensorenarbeitsstörungen Physische Faktoren Montagefaktoren Sensorensynchronisierung Sonderultraschallsensoren Reflexionssensor Sensoren mit zwei Umsetzern in einem Gehäuse Analoge Ultraschallsensoren Anwendungen

5 Minos 4 Optoelektronische Sensoren Aufbaucharakteristik Photoelektrische Elemente Physische Grundlagen Licht Lichteigenschaften Photoemitter Lichtemitterdioden (LED) Laserdioden (LD) Photodetektoren Photodioden Linienphotodetektoren PSD Linienphotodetektoren CCD Phototransistoren Sensorenarten Einweg-Lichtschranken Reflexlichtschranken Lichttaster Signalverarbeitung Quellen von Interferenzstörungen Vermeidung der Interferenz Lichtmodulation Lichtpolarisation Wirkungsgrenzbereich Arbeitsabstand Reaktionszeit Sonderarten von optoelektronischen Sensoren Reflexionslichtschranken mit Lichtpolarisation Lichttaster, die den Einfluss vom Hinter- und Vordergrund ausblenden Reflexionslichtschranken mit der Autokollimation Sensoren mit Lichtleitern Lichtleiter Wirkungsweise Anschlusstechnik Typen der Anschlüsse Umschalten des Sensorausgangs Anwendungen

6 Minos Mechatronische Komponenten 5 Magnetfeldsensoren Grundinformationen Theoretische Grundlagen Magnetfeld Reed-Kontakt Hall-Effekt Magnetoresistiver Effekt Wiegand-Effekt Magnetfeldsensoren mit einem Reed-Kontakt Hall-Sensoren Spezielle Magnetfeldsensoren Magnetoresistive Sensoren Wiegand-Sensoren Magnetfeldsensoren mit einem Magnet Einbauprinzipien Anwendungen

7 Minos 1 Induktive Sensoren 1.1 Grundinformationen Induktive Sensoren werden am häufigsten benutzt, um in automatischen Systemen die Lage und die Bewegung von Mechanismen der gesteuerten Einrichtungen zu kontrollieren. Aus Gründen des kompakten Aufbaus, der Zuverlässigkeit und des einfachen Einbaus werden sie gern benutzt. Wenn ein Metallobjekt in der Wirkungszone des Sensors erscheint, verändert sich der Sensorausgangszustand oder der Wert vom Ausgangssignal. Die Grundbestandteile eines induktiven Sensors (Abb. 1.1) sind: ein Kopf, der die Induktionsspule mit dem Ferritkern enthält, ein Sinusspannungsgenerator, ein Detektionsystem (Komparator) und ein Ausgangsverstärker. Der Induktionskreis, der aus der Spule und dem Ferritkern besteht, erzeugt um die Sensorspitze herum ein elektromagnetisches Wechselfeld mit hoher Frequenz. Das Feld induziert Wirbelströme im Metallobjekt, das in der Nähe vom Sensor ist. Da es den Induktionskreis belastet, sinkt die Oszillationamplitude. Die Amplitudenänderung hängt vom Abstand zwischen dem Metallobjekt und der Sensorspitze ab. Wenn das Objekt einen charakteristischen Abstand erreicht, ändert sich das Ausgangssignal. In Analogsensoren ist der Ausgangssignalstand umgekehrt proportional zum Abstand zwischen dem Objekt und dem Sensor. OBJEKT SENSORKOPF GENERATOR DETEKTIONSSYSTEM AUSGANGSSYSTEM Abb. 1.1: Aufbau des induktiven Sensors 7

8 Minos 1.2 Theoretische Grundlagen Resonanzkreis Eine Induktionsspule ist die Quelle vom magnetischen Wechselfeld in induktiven Sensoren. Wenn der Strom, der durch die Spule strömt, wechselnd ist, ist das Magnetfeld in der Spule auch wechselnd. Damit ist immer das Phänomen der Selbstinduktion verbunden, d.h. die Entstehung einer zusätzlichen Spannung in der Spule, die den Stromänderungen entgegenwirkt. Die im elektrischen Resonanzkreis gespeicherte Gesamtenergie gliedert sich in die Magnetfeldenergie der Induktionsspule E L und die Energie des elektrischen Felds vom aufgeladeten Kondensator E C. Die Gesamtenergie ist immer konstant: E = E L + E C = const. (Abb. 1.2). Am Anfang ist der LC-Kreis, der aus der Spule L und dem Kondensator C besteht, geöffnet und die Gesamtenergie ist auf den Elektroden des aufgeladenen Kondensators gespeichert (Abb. 1.2a). Wenn man den Stromkreis schließt, beginnt der Kondensator sich zu entladen und der Strom I im Kreis zu fließen. Die Stromstärke ändert sich von Null bis zu I max. Die ganze Kondensatorenergie wird in der Spule gespeichert (Abb. 1.2b). Obwohl der Kondesator schon entladen ist, fließt noch der Strom im Kreis in derselben Richtung. Der Strom, dessen Quelle die Selbstinduktion in der Spule ist, ladet den Kondensator auf, so wird die Energie zurück auf den Kondensator übergetragen. Wenn die Kondensatorladung maximal ist, verschwindet der Strom im Kreis (Abb. 1.2c). Der Endzustand ist dem Zustand am Anfang ähnlich, aber der Kondensator ist umgekehrt aufgeladen und der Strom fließt in entgegengesetzter Richtung. Im LC-Kreis finden also die Oszillationen vom elektrischen Feld des Kondensators und die Oszillationen vom Magnetfeld der Spule statt. Abb. 1.2: Oszillationen im LC-Kreis 8

9 Minos In Wirklichkeit treten immer zusätzliche Energieverluste in LC- Kreisen auf, die mit dem elektrischen Widerstand der Spule und des Kondesators verbunden sind. Infolge dieser Verluste werden die Oszillationen vom Schwingkreis mit einem Widerstand (RLC) gedämpft (Abb. 1.3). Die Oszillationen des Schwingkreises können konstant gehalten werden, wenn er von einer Außenquelle mit einer Sinusspannung versorgt wird. Wenn die Außenquellenfrequenz der Selbstfrequenz des LC-Kreises gleich ist, ist die Amplitude der Oszillationen maximal. f Frequenz der Außenquelle von der Sinusspannung f 0 Eigenfrequenz des ungedämpften LC-Kreises L Induktivität [Henry] C Kapazität [Farad] Unter dieser Bedingung findet die Resonanz der Spannungen oder Stromstärken im Schwingkreis statt. Je höher der Gütefaktor ist, desto höher ist die maximale Oszillationsamplitude. Der Gütefaktor Q ist das Maß der Verluste in L- und C-Elementen, die vom Widerstand R verursacht sind. Ein Schwingkreis ohne Verluste würde während der Resonanz einen unendlich großen Widerstand R haben. Je größer die Verluste im Kreis sind, desto kleiner ist der Widerstand und umso kleiner ist der Gütefaktor. Abb. 1.3: Oszillationen der LC- und RLC-Kreise: a) ungedämpfter LC-Kreis, b) RLC-Kreis ohne Außenquelle, c) RLC-Kreis mit der Außenquelle mit einer Sinusspannung 9

10 Minos Der elektronische Schwingkreis In Generatoren, die einen aus der Spule und dem Kondensator bestehenden Resonanzkreis enthalten, werden auch Operationsverstärker oder Transistoren benutzt um Oszillationen unterzuhalten. Um Oszillationen zu schaffen muss man zwei Bedingungen erfüllen: die Phasen- und Amplitudenbedingung. Die Phasenbedingung bedeutet, dass die Eingangsspannungsphase der Ausgangsspannungsphase gleich sein soll. Die Amplitudenbedingung bedeutet, dass der Verstärker völlig die Dämpfung vom Resonanzkreis kompensieren soll. In diesem Fall erzeugt der Generator selbst das Signal, das die Oszillationen unterhält. Die Phasen- und Amplitudenbedingung werden erfüllt, wenn den LC-Kreis richtig geteilt wird oder wenn man eine Transformatorkopplung benutzt. Die Spannung- und Stromstärkeoszillationen werden im LC-Kreis erzeugt, der eine Spule und einen Kondensator enthält. Der an den LC-Kreis angeschlossene Strom überträgt dem Schwingkreis einen Teil seiner Energie durch die Kondensatoraufladung, und unterhält die angeregten Oszillationen. Wenn die gelieferte Energie der verlorenen Energie gleich ist, ändert sich die Amplitude im LC- Kreis nicht mehr und die Oszillationen werden nicht gedämpft (Abb. 1.4a). Das Ausgangssignal hängt vom Gütefaktor Q des Resonanzkreises ab. Je kleiner der Gütefaktor ist, desto kleiner ist das Ausgangssignal (Abb. 1.4b). LC-Generatoren erzeugen Abläufe, deren Frequenz größer als einige Dutzend Kilohertz ist. Wenn die Frequenz kleiner ist, braucht man eine zu große Induktivität L des Resonanzkresies. Dann ist es schwierig einen großen Gütefaktor zu erreichen und die Spulen werden groß. Abb. 1.4: Der elektronische Schwingkreis: a) LC-Generator mit dem Verstärker, der die Dämpfung vom Resonanzkreis kompensiert, b) Ausgangssignalstand für verschiedene Q-Werte 10

11 Minos 1.3 Grundkonstruktion Wirkungsweise Der aktive Teil des induktiven Sensors enthält eine auf den Ferritkern aufgewickelte Spule, die ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Der Kern mit dem offenem Magnetkreis verstärkt das Magnetfeld der Spule und richtet ihn an die Messungszone des Sensors. Wenn das Megnetfeld sich ändert, wird ein elektrisches Wirbelfeld erzeugt. Wenn sich in diesem elektrischen Wechselfeld ein Leiter befindet, wird um die Linien des elektrischen Feldes herum ein Wirbelmagnetfeld erzeugt (Abb. 1.5), das dem Spulenmagnetfeld entgegenwirkt und einen Teil der Energie vom Resonanzkreis abzieht. Der Gütefaktor wird kleiner, weil die Verluste im Resonanzkreis geändert werden. Solange sich der Leiter im Magnetfeld der Spule befindet, wird die Oszillationsamplitude gedämpft. Wenn man den Leiter entfernt, schrumpft die Dämpfung bis die Amplitude den Anfangswert erreicht. Leiter Wirbelmagnetfeld Spulenmagnetfeld Spule Amplitude Amplitude Ferritkern Zeit Zeit Abb. 1.5: Metallobjekt im Magnetfeld der Spule mit dem Ferritkern 11