Lehrbehelf für Prozessregelung und Rechnerverbund, 3. Klasse HTL

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1 Sensorik Sensoren erfassen physikalische Größen und wandeln diese in ein elektrisches Signal um. Dieses elektrische Signal wird mit dem Messverstärker (Operationsverstärker) meist in eine der Messgröße möglichst proportionale Spannung umgewandelt. Diese Spannung wird dann zur Regelung oder Prozessüberwachung verwendet oder angezeigt. Sensor Verstärker ADU Rechner Anzeige Es gibt viele Sensoren für die verschiedensten Messgrößen: Temperatur, Licht, Schall, Magnetfeld, Kraft, Druck, Beschleunigung, Weg, Winkel, Feuchte, Abstand, Strömung, Gas, Feuchte, Drehzahl, etc. Temperaturmessung Sensorarten: Metalle: Thermoelemente, Widerstandsthermometer großer Temperaturbereich Halbleiter: Kaltleiter, Heißleiter, Transistor größeres Ausgangssignal, deshalb billiger Kaltleiter Metalle, positiver Temperaturkoeffizient Platin Temperaturfühler, nur kleine Nichtlinearität: Erste Annäherung für den Widerstandsverlauf: Sensoren 1/

2 R T = R 0 *(1+Alpha*Delta T) Zweite Annäherung für den Widerstandsverlauf (0 und 850 Grad C): R T = R 0 *(1+Alpha*Delta T- Beta*(Delta T)²) Alpha= 3,90802 *10-3 Grad C -1 Beta= 0,580195*10-6 (Grad C) - ² Ausführungen: z.b. PT100, PT200, PT500, PT1000 (Zahl= Widerstand bei 0 Grad C) Nickel-Eisen Temperaturfühler, billiger, Linearisierung erforderlich: Erste Annäherung für den Widerstandsverlauf: R T = R 0 *(1+Alpha*Delta T) Zweite Annäherung für den Widerstandsverlauf (-50 und 150 Grad C): R T = R 0 *(1+Alpha*Delta T+ Beta*(Delta T)²) Alpha= 3,83 *10-3 Grad C -1 Beta= 4,64 *10-6 (Grad C) - ² Ausführungen: z.b. Ni100, Ni2000 (der Nennwiderstand ist bei 20 Grad C spezifiziert). Kaltleiter Silizium, positiver Temperaturkoeffizient, PTC Erste Annäherung für den Widerstandsverlauf: R T = R 0 *(1+Alpha*Delta T) Zweite Annäherung für den Widerstandsverlauf (-50 und 200 Grad C) für Texas Instruments Sensoren): R T = R 0 *(1+Alpha*Delta T- Beta*(Delta T)²) Alpha= 7,95 *10-3 Grad C -1 Beta= 19,5 *10-6 (Grad C) - ² Ausführungen: AD22100, Texas Instruments Serie, KTY-Serie (Philips, Infineon). Der Nennwiderstand ist bei 25 Grad C spezifiziert und liegt zwischen 1 und 2kOhm. Heißleiter Metalloxid-Keramik, negativer Temperaturkoeffizient, NTC Erste Annäherung für den Widerstandsverlauf (-50 und 200 Grad C): R T = R 0 * exp. (B* (1/T 1/ T N ) T N = Nenntemperatur in Kelvin (also Grad C + 273) T= Temperatur in Kelvin B= 1500 bis 7000 K Beta= 19,5 *10-6 (Grad C) - ² Ausführungen: NTH-Serie (Murata), M-Serie (Infineon), Heißleiter (Philips). Der Nennwiderstand liegt zwischen 100 Ohm und 1MOhm. Sensoren 2/

3 Betrieb von Temperaturfühlern z.b. Linearisierung und Verstärkung: Uref 2,5V R lin 2851 Ohm 10V R T TSP102 U T R Ohm Umess R Ohm U T = U ref * R T / (R T + R lin ) U T = I* R 1 U MESS = I* (R 1 + R 2 ) U MESS = U T * (R 1 + R 2 )/ R 1 Transistor als Temperaturfühler U BE = f(t) Aufbau: Basis und Kollektor sind verbunden (Transistor= Diode), Speisung mit konstantem Strom. U BE typisch: 800mV bei 200K und 400mV bei 400K (-> Spannungsänderung ist 0,3% / K) Lichtsensoren Wie wird Licht charakterisiert: Beleuchtungsstärke E: µw/cm²= 1/ 0,147 lx bei 555 nm Wellenlänge. Vollmond~ 0,15 lx, Schreibplatz~ 750 lx, Tageslicht~ lx. Photowiderstand Sind sperrschichtlose Halbleiter, deren ohmscher Widerstand von der Beleuchtungsstärke abhängt R= f(e). Ist sehr langsam (>s ). Hohe Empfindlichkeit. Photodiode Der Sperrstrom steigt mit der Belichtung, d.h. man betreibt die Photodiode in Sperrrichtung. Photodioden haben kürzere Ansprechzeiten (~MHz)als Photowiderstände. Phototransistor Der Strom durch die Photodiode bewirkt einen Basisstrom und damit einen verstärkten Kollektorstrom. Praktische Beispiele: Die Lichtsensoren TSL260, TSL261 und TSL262 (Texas Instruments) wandeln Licht in Spannung um, sie bestehen aus einer integrierten Photodiode und einen Verstärker. Die Ausgangsspannung ist proportional der Beleuchtungsstärke E (µw/cm²= 1/ 0,147 lx bei 555 nm Wellenlänge). Vollmond= 0,15 lx, Schreibplatz 750 lx, Tageslicht bis lx. Sensoren 3/

4 Dunkelspannung: ca. 10mV TSL260: E= 48 µw/ cm² entsprechen typisch Ua= 2V TSL261: E= 87 µw/ cm² entsprechen typisch Ua= 2V TSL262: E= 525 µw/ cm² entsprechen typisch Ua= 2V R L = 10kOhm Optischer Schalter: Hallsensoren Die Hallsensoren TLE4913 and TLE4917 (Infineon) wandeln Magnetfeld in Spannung um. Anwendung: PDA und Mobiltelefone: Klappe auf/ zu Erkennung Sensoren 4/

5 IR Abstandssensoren Sharp IS471 Reichweite ca cm abhängig von der Objektfarbe, unempfindlich gegen Störlicht, billig (ca. 5 Euro). Der Sensor erzeugt ein Pulssignal, das eine externe IR-LED (z.b. LD274) ansteuert, diese sendet gepulstes IR-Licht. Wenn der Sensor reflektiertes IR-Licht empfängt, dann schaltet der Ausgang von 1 auf 0 (binäres Signal). Anwendungen: Kopiergeräte, Schalter, Faxmaschinen, Kollisionsschalter Quelle: Die externe IR-LED kann über einen Transistor mit höheren Strömen (800 ma statt 50mA wie direkt vom Sensor) angesteuert werden, damit kann man größere Reichweiten (10 bis 30 cm) erzielen. Quelle: Sensoren 5/

6 IR-Sensor GP2Dxx von Sharp (ca. 20 Euro): Die Sensoren sind fast farbunabhängig. GP2D02 (ca. 20 Euro): Messwert als serielles 8bit-Signal mit TTL-Pegel. Genaue Entfernungsmessung von 10cm bis 80cm. GP2D12/ 15 (ca. 20 Euro): Messwert als analoges Signal (GP2D12) oder 0/ 1 Signal mit TTL-Pegel (GP2D15). Genaue Entfernungsmessung von 10cm bis 80cm. GP2D120 (ca. 20 Euro): Messwert als analoges Signal. Genaue Entfernungsmessung von 4cm bis 30cm. GP2Y0A02YK (ca. 20 Euro): Messwert als analoges Signal. Genaue Entfernungsmessung von 20cm bis 150cm. IR-Reflexkoppler CNY70: Besteht aus einer IR-LED und einem Fototransistor. Trifft das IR-Licht der LED auf eine schwarze Fläche wird es nicht reflektiert, der Fototransistor sperrt. Trifft das IR-Licht der LED auf eine weiße Fläche wird es reflektiert, der Fototransistor leitet. Anwendungen: Zwei IR-Reflexkoppler CNY70 können eine schwarze Linie erkennen. Die Kollektoren der Fototransistoren sind mit NAND Schmitt-Trigger verbunden (z.b. 4093), damit der Ausgang Sensoren 6/

7 nicht schwingt. Mit den Potentiometern wird das Schaltverhalten der Koppler den Gegebenheiten des Untergrunds anpasst. Trifft das IR-Licht der LED auf den schwarzen Strich wird es nicht reflektiert, die beiden Fototransistoren sperren, die Ausgänge sind 0. Trifft das IR-Licht der LED auf den weißen Strich wird es reflektiert, einer der beiden Fototransistoren leitet, der entsprechende Ausgang ist 1. Quelle: Ultraschall Abstandssensoren SRF04 Reichweite ca. 2 cm bis 3 m, billig (ca. 26 Euro), genau, kein Abbild der Umgebung, erkennt Besenstiel auf 2 m. Die Messung startet mit einem Impuls (mind. 10µs) am Triggereingang. Der SRF04 sendet 200us lang Ultraschallsignale aus und der Echo-Ausgang des Moduls wird auf High gelegt. Das erste hereinkommende Echo schaltet den Echo-Ausgang wieder auf Low. Die Entfernung ergibt sich rechnerisch als Produkt aus der Schallgeschwindigkeit (344m/s in Luft bei 20 C) und der Länge des Echoimpulses. Der Echoimpuls ist direkt proportional zur Entfernung des Objektes. Die Echo Impulsdauer muss durch 2 dividiert werden, da die Strecke vom Schall doppelt zurückgelegt wird: Entfernung: s [m] = v [m/s] * t Impuls [s] / 2= 172* * t Impuls [s] Quelle: Sensoren 7/

8 Inkrementale Längenmesser: Plattenkondensator C= E0* Er* A/ d Variation durch: Abstand, Fläche oder Dielektrikum Er Anwendungen: Füllstand von Behältern, Feuchte, Temperatur, Materialien, Drehung Induktive-Drehzahlaufnehmer Sensoren 8/

9 Piezoelektrische Sensoren Materialien: Einkristalle, z.b. Quarz Si O2 Prinzip: mechanische Spannung wird in elektrische Ladung umgewandelt Grundlagen: Kristalle oder Polymere mit einer polaren Achse erzeugen Oberflächenladungen bei mechanischer Belastung Anwendungen: Schallaufnehmer, Beschleunigungssensoren, Drucksensoren, Temperatursensoren, Elektret Mikrophon FET mit Bio-Komponenten Sensoren 9/