Komplexpraktikum Automatisierungstechnik. Sensorik

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1 Komplexpraktikum Automatisierungstechnik Sensorik 1. Zielstellung des Versuches Gewinnung von Messinformation mit industriellen Sensoren unter Berücksichtigung ausgewählter Einfluss- und Störgrößen. Am Beispiel induktiver, magnetischer, kapazitiver, optischer und akustischer Distanz-Sensoren sollen relevante Kennfunktionen, Einsatzmöglichkeiten und Leistungsgrenzen in Abhängigkeit vom Wirkprinzip bestimmt werden. Außerdem werden selektive und nichtselektive Gassensoren zur Bestimmung der Konzentration einzelner Gase in einem Gasgemisch vorgestellt.. Theoretische und experimentelle Grundlagen des Versuches.1 Einführung Aufgabe von Sensoren (auch: Aufnehmer, Geber, Fühler, Wandler, Transducer, pick-up...) ist es, Messgrößen xe(t) in elektrische, pneumatische oder optische Mess-Signale xa(t) zu wandeln, die mit technischen Systemen günstig weiterverarbeitet und genutzt werden können. Zur Wandlung der Messgrößen xe(t) werden in den Sensoren die Verfahren wahlweise oder gleichzeitig genutzt: physikalische Effekte (z.b. Piezoeffekt) Modulationsverfahren (z.b. Frequenz-Modulation) strukturelle Methoden (z.b. Kompensationsmethode) Verfahren zur Signalverarbeitung (z.b. Filterung)

2 Die Gesamtheit der in einem Sensor genutzten Effekte, Verfahren und Methoden bildet dessen Wirkprinzip. Ein Mess-Signal x a (t) liefert Informationen über die Qualität (Größenart) und die Quantität (Betrag) einer Messgröße xe(t). Die Qualität der Messgröße xe(t) wird durch den primären Wandlungseffekt des Sensors bestimmt. Er soll als "selektives Messfenster" wirken und nur die interessierende Messgröße x e (t), z.b. eine Geschwindigkeit in ein Mess-Signal x a (t) wandeln. Gleichzeitig auf den Sensor einwirkende Störgrößen, z.b. Temperaturschwankungen müssen abgeschirmt oder durch sensorinterne Maßnahmen in ihrer Wirkung auf das Mess-Signal xa(t) reduziert werden. Die Quantität der Messgröße xe(t) wird durch Vergleich mit einem Normal ermittelt. Mess-Signale xa(t) können unmittelbar angegeben, auf genormte Wertebereiche (z.b mA) begrenzt, oder einer Signalverarbeitung (z.b. Filterung) unterworfen werden. Abhängig vom Wertevorrat des Informationsparameters des Messwertes x a (t) am Ausgang eines Sensors wird zwischen analogen, digitalen oder binären Sensoren unterschieden. Analoge Sensoren wandeln wert-/zeit-kontinuierliche Messgrößen in wert-/zeit-kontinuierliche Ausgangssignale (meist: Spannung, Strom). Dabei wird eine lineare Kennlinie angestrebt, (Bild a). Bei digitalen Sensoren ist das Ausgangssignal wert-diskret, bei binären Sensoren treten am Ausgang nur zwei Werte auf: Hoher Spannungswert = High, niedriger Spannungswert = Low (Bild b). Häufig wird einem analogen Sensor ein Analog-Digital-Wandler (ADC) nachgeschaltet. U a U a H M : Schwellwert s (a) (b) L Meßgröße M s Meßgröße Bild : Kennlinienbeispiele: (a) analoger Sensor mit linearer Kennlinie, (b) binärer Sensor Abhängig davon, ob bei der Messgrößenwandlung Hilfsenergie erforderlich ist oder nicht, werden passive und aktive Sensoren unterschieden. Bei passiven Sensoren beeinflusst die Messgröße zunächst eine z.b. elektrische Größe (, C, ε, æ, u, i usw.), die die Wirkung einer konstanten Hilfsenergie steuert. Meßgröße Hilfsenergiequelle Weg s Bild 3 : Beispiel für einen passiven Sensor (esistiver Wegaufnehmer) =(s) I=konst. U a =U a (s)

3 Ein aktiver Sensor wandelt die thermische, optische, mechanische usw. Energie der Messgröße in z.b. elektrische Energie des Ausgangssignals um und in Abhängig vom im Sensor genutzten primären physikalischen Wandlungseffekt wird zwischen induktiven, magnetischen, kapazitiven, optischen usw. Sensoren unterschieden. Bild 4 : Beispiel für einen aktiven Sensor (Optischer Sensor) Beleuchtungsstärke E (Strahlungsenergie) U a =U a (E) (elektr. Energie). Wirkprinzipien binärer Distanz-Sensoren Der induktive binäre Distanz-Sensor enthält einen Oszillator mit einem LC- Schwingkreis als frequenzbestimmendes Element. Werden elektrisch leitfähige Objekte in den Nahbereich des magnetischen Wechselfeldes der Schwingkreis- Induktivität gebracht, so kommt es auf Grund der im Objekt induzierten Wirbel- Ströme zu einem Entzug von Schwingkreisenergie ( vgl. Transformator mit sekundärseitiger Belastung). Zu einem ähnlichen Wirkungsverlauf kommt es auch bei ferromagnetischen Objekten auf Grund der bei der Ummagnetisierung auftretenden Verluste. Das ist gleichbedeutend mit einer Senkung der Schwingkreisgüte Q, die Schwingung wird gedämpft. Im Extremfall kann sie sogar aussetzen, wenn die Schwingbedingung nicht mehr erfüllt ist. Der gedämpfte LC-Schwingkreis ist als Parallelkreis (Bild 5) mit eihenwiderstand darstellbar. In lassen sich alle Verluste zusammenfassen (ohmsche und magnetische Verluste der Spule und solche, die durch die magnetische Verkopplung wirksam werden). Für die Güte des Schwingkreises gilt Bild 5 : Parallelschwingkreis L C L Q = Q( ) = ω 0 mit der Eigenfrequenz ω 1 = ω ( ) = LC L. 0 0 Beim Eindringen eines leitfähigen oder ferromagnetischen Objekts in das Magnetfeld der Spule wird der Schwingkreis bedämpft und gleichzeitig seine Eigenfrequenz verändert. Erreicht die Dämfung einen bestimmten Schwellwert, wird dies binär signalisiert (Bild 6). Objekt Betriebsspannung, +U B F (t) L C Oszillator Schwellwertschalter Signalwandler Ausgangsstufe U a induzierter Wirbelstrom optisches Ausgangssignal Bild 6: Induktiver Distanz-Sensor 3

4 Im Gegensatz zum induktiven Sensor wird beim kapazitiven binären Distanz- Sensor das elektrische Feld eines zu einem C-Oszillator gehörigen Kondensators C von außen beeinflusst. Leitfähige Objekte im Nahbereich reduzieren den effektiven Plattenabstand und vergrößern somit die Kapazität C. Auch dielektrische Objekte mit εr > 1 wirken kapazitätserhöhend. Die Kapazitätsänderungen sind klein und nicht unmittelbar auswertbar. Deshalb wird der Kondensator als Element C1 eines C-Oszillators (Wien-obinson-Oszillator, Bild 7) geschaltet. Die Brücke wird so dimensioniert, dass erst bei einer Erhöhung der Kapazität von C1 um einen definierten Wert C1 eine Schwingung angefacht wird. Die angefachte Schwingung wird in ein binäres Ausgangssignal x a (t) gewandelt. Die Schwingbedingung lautet: 1 C C +, C und die Schwingfrequenz ergibt sich aus 1 C 3 ω 0 1 = C C Bild 7: Wien-obinson-Oszillator Im Bild 8 ist ein kapazitiver Distanz-Sensor bei Annäherung einer elektrisch leitfähigen Platte dargestellt, Bild 9 zeigt die typische Gestaltungsform der Kondensatorplatten. +U B E E Oszillator, Signalwandler Ausgangsstufe U a C C + C elektrisch leitfähige Platte im Nahbereich Bild 8 : Kapazitiver Distanz-Sensor Draufsicht Seitenansicht Bild 9 : ealisierte Anordnung der Kondensatorplatten Magnetischer binärer Distanz-Sensor Der primäre Wandler von Sättigungskern-Sensoren ist eine Magnetspule mit hochpermeablem weichmagnetischen Kern. Dieser besteht meist aus amorphem Metall, dessen relative Permeabilität µ r ~ B/H Werte bis µ r = erreichen kann. Die Magnetspule wird mit einem Impulsstrom (bis 100kHz) beaufschlagt. Bei jeder Impulsflanke wird ein Spannungsimpuls induziert. Seine Höhe hängt von der gespeicherten magnetischen Energie und damit von Betrag und ichtung eines äußeren Magnetfeldes ab. Dieses Magnetfeld wird von einem sich nähernden Objekt geliefert. 4

5 Die induzierte Spannung wird gleichgerichtet, gefiltert und ändert sich mit dem äußeren Magnetfeld, solange die Sättigung nicht erreicht wird. Eine weitere Möglichkeit zur Auswertung ist die Messung der Induktivität L oder die Güte Q der Magnetspule. H : Änderung der magnetischen B H B H * H * B H Feldstärke bei Oszillatorbetrieb H* : Von einem äußeren Objekt aufgeprägte magnetische Feldstärke (konstant) B : Änderung der magnetischen Flussdichte bei fehlendem Gleichfeld (H = 0) B * : esultierende Änderung der magnetischen Flussdichte bei vorhandenem Gleichfeld (H = H * ) Bild 10 : Magnetische Kennlinie des Sättigungskerns Der optische binäre Distanz-Sensor beruht auf dem Prinzip eines eflektorkopplers. Er hat als Lichtsender eine Lichtemitterdiode im Infrarotbereich und als Empfänger einen Fototransistor (Bild 11). Der Empfänger wandelt die Intensität des an Objektoberflächen reflektierten Lichtes des Senders in eine elektrische Spannung. Diese Spannung wird bei einem definierten Schwellwert in ein binäres Ausgangssignal überführt. Die optischen Achsen von Sender und Empfänger bilden einen spitzen Winkel, so dass eine Kopplung nur durch ein in einem definierten Abstand vor dem Sensor befindliches reflektierendes Objekt verursacht wird. Zur Vermeidung von Störungen durch gleichförmige oder schwankende Fremdlichteinflüsse (z.b. benachbarter Sensor, Sonne) wird der Empfänger mit einem gepulsten Sender synchronisiert und der Empfangsverstärker auf die Impulsfolgefrequenz des Oszillators abgestimmt, so dass andere Störfrequenzen unterdrückt werden. In den Sendepausen wird der Empfänger gesperrt. Das Messfenster des Empfängers ist mit einem Infrarotfilter versehen, um Fremdlicht mit längerer oder kürzerer Wellenlänge zu dämpfen. LED Sender Pulsgenerator +U B stufe Meßfenster Empfänger, Verstärker Schwellwertschalter Ausgangs- U a Objekt Bild 11 : Fototransistor reflektierende Oberfläche Optischer Distanz-Sensor 0 5

6 Laser b CCD-Zeile Meßobjekt zmin Optik d pmax p pmin α Bei einem Distanz-Sensor nach dem Triangulations-Prinzip wird ein Laserstrahl auf das Messobjekt gerichtet. Das vom Objekt diffus reflektierte Licht wird durch eine Optik auf einen positionsempfindlichen Photoempfänger, z.b. CCD-Zeile, fokussiert. Über Winkelbeziehungen kann von der Lage des Fokus auf die Entfernung des Messobjektes geschlossen werden. z Bild 1: Triangulations-Prinzip Meßobjekt zmax ))) Akustische Distanz-Sensoren nutzen als primären Wandlungseffekt die Änderung der Laufzeit τ oder der Intensität I von Ultraschall beim Durchlaufen einer Wegstrecke. Beim akustischen Impuls-Sensor wird von einem piezoelektrischen Wandler ein kurzer Schallwellenimpuls abgesandt. Dieser durchläuft mit Schallgeschwindigkeit c ~ 340 m/s die Strecke s bis zu einem Objekt und wird dort reflektiert. Der reflektierte Impuls wird vom gleichen piezoelektrischen Wandler aufgenommen und in ein elektrisches Signal gewandelt (siehe Bild 13). Es zeigt das Vorhandensein des Objekts an. t Aus der Laufzeit t des Schallimpulses lässt sich die Entfernung s = c des Objekts bestim- men. s Sensor (( )) Schallimpuls Objekt Bild 13: Wirkungsweise des akustischen Impuls-Sensors 6

7 .3 Eigenschaften und Kennwerte von Distanz-Sensoren Der Nennschaltabstand sn ist der Abstand zwischen dem Messobjekt und der Frontfläche des Sensors, bei dem ein Schaltvorgang unter eferenzbedingungen ausgelöst werden würde. Beispielsweise wird für induktive Sensoren als eferenzobjekt eine quadratische Platte aus Stahl (St37, Dicke 1mm) verwendet. Der Nennschaltabstand ist ein Nennwert, bei dem Umgebungseinflüsse und Fertigungstoleranzen unberücksichtigt bleiben. Der Schaltabstand s (auch: Arbeitsschaltabstand) ist der Schaltabstand unter Prozessbedingungen. Er ist abhängig vom Material und der Größe des Objektes, von Umgebungseinflüssen und Fertigungstoleranzen sowie von der Einbautechnologie des Sensors im Träger. Ist beispielsweise die aktive Fläche eines induktiven Sensors nicht von elektrisch leitfähigem Material umgeben (nichtbündiger Einbau), sind größere Schaltabstände als beim bündigen Einbau möglich. Das Verhältnis von Schaltabstand s zum Nennschaltabstand s n wird als eduktionsfaktor bezeichnet: = s /s n. Beispiele für eduktionsfaktoren bei Messung mit induktiven Sensoren : Al- Folie 0,95; Al 0,5; rostfreier Stahl 0,7; Messing 0,55; Cu 0,45. Die Differenz zwischen Ausschaltabstand sa beim Entfernen und Einschaltabstand s e beim Nähern des Objektes, wird als Hysterese bezeichnet. Als Kennwert gibt man die Schalthysterese H bezogen auf den Nennschaltabstand s n an: H = (s a -s e )/s n. Die maximale Schaltfrequenz fs (häufig auch nur: Schaltfrequenz) gibt an, wie viele Schaltvorgänge pro Zeiteinheit für einen Sensor maximal möglich sind. Das Verhältnis von Ein- zu Ausschaltdauer beträgt dabei üblicherweise 1 :. Max. Schaltfrequenz = Ansprechzeit 1 + Abfallzeit Die Ansprechzeit ist die Zeitdauer zwischen der Beeinflussung des Sensors und dem Durchschalten seines Ausgangs. Damit der Schalter anspricht, muss die Zeitdauer der Beeinflussung größer/gleich der Ansprechzeit sein. Die Abfallzeit ist die Zeitdauer zwischen der Beeinflussung des Sensors und dem Öffnen des Ausgangs. s Sensorachse Einschaltkurve Ausschaltkurve Objekt Aus den Ansprechkurven, den Grenzlinien für das Ansprechen des Sensors, lassen sich Aussagen über den Schaltabstand bei gleichzeitig axialer (s-ichtung) und radialer (x- ichtung) Verschiebung eines Objektes gewinnen. Sensor x Bild 14 : Ansprechkurven eines Sensors 7

8 .4 Gassensoren Gassensoren nutzen unterschiedliche physikalische, chemische oder biologische Verfahren zur Messgrößenwandlung. Diese lassen sich wie folgt einteilen: Verfahren mit energetischer Anregung des Gasgemisches Verfahren auf der Basis sensitiver Materialien Verfahren mit konstantem Energie- oder Molekülaustausch Der Analysator kann beispielsweise ein Sensor, ein Sensorsystem, ein Chromatograph oder ein Spektrometer sein. Das Praktikum beschränkt sich auf die Analyse von Gasgemischen, die aus n Gasen bekannter Art K i bestehen. Da Gasgemische keine Struktur S haben, sind nur die Konzentrationen c i der n Gase relevant. Als Maß für die Konzentrationen c i der als ideal betrachteten Gase werden der Partialdruck p i (Daltonsches Gesetz: pi = p ) und ni pi Vi der Volumenanteil xi = = = n p V benutzt. Dabei sind n i, n die Stoffmengen in mol und V i, V die Volumina der Gase und des Gemisches. Die Analyse von Gasgemischen wird mit Gassensoren durchgeführt. n i= 1 Im Bild 15 wird der Aufbau des Wärmeleitfähigkeitssensors CALDOS dargestellt. In vier Gaskammern befinden sich Platin-Heizdrähte gleicher Dimensionierung. Durch die Drähte fließt ein gleichgroßer, konstanter Heizstrom I. Zwei der Kammern werden vom Messgas umspült, die anderen beiden ruhen im eferenzgas (Luft). Befindet sich zur Nullpunktkontrolle in allen vier Kammern das gleiche Gas, ist die Abkühlung und damit die Widerstandsänderung aller Heizdrähte gleich groß, und die Brücke ist im elektrischen Gleichgewicht (U mess = 0). Bild 15: Prinzipschaltung CALDOS Im Messfall haben Mess- und eferenzgas unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten. Das führt zu einer unterschiedlichen Abkühlung der Heizdrähte und damit zu unterschiedlichen Widerstandswerten. Diese Widerstandsänderung verstimmt die Brücke und die Spannung U mess ist proportional zur Differenz der Wärmeleitfähigkeiten von Mess- und eferenzgas. Aus der Spannung U mess werden die Konzentrationen x i der Gemischanteile ermittelt. Das gelingt nur bei binären Gasgemischen eindeutig und damit sind auch die Wärmeleitungssensoren sind nichtselektiv. Der Zusammenhang zwischen U mess und den Konzentrationen x i ist kompliziert und wird i.a. durch Kalibrierung hergestellt. Bei Wärmeleitfähigkeits-Gassensoren können als Störgrößen Fremdgase, Temperaturschwankungen und Konvektion auftreten. Der Einfluss der Konvektion wird durch ein kleines Kammervolumen und durch Anordnung der Kammern im sogenannten Bypass zum Messgasstrom beseitigt bzw. in weiten Bereichen reduziert. 8

9 Festkörperelektrolyt Gassensoren (z.b. Lambda-Sonde) nutzen zur Messgrößenwandlung elektrochemische eaktionen. Bei Temperaturen ϑ > 500 C tritt bei bestimmten Verbindungen (z.b. ZrO mit Y O 3 ) eine hohe Ionenleitfähigkeit ein. Diese führt zur Ausbildung einer Ladungsdoppelschicht an den Grenzflächen des Festkörperelektrolyten. Neutrale Sauerstoffatome aus einem Gas werden durch diese Ladungsdoppelschicht ionisiert und dann in den Festkörper eingebaut. Sind die Konzentrationen von Sauerstoff O zu beiden Seiten des Festkörperelektrolyten unterschiedlich groß, kommt es zur Ausbildung einer Quellenspannung, die als Maß für den Konzentrationsunterschied des Sauerstoffs genutzt werden kann. Werden an beiden Seiten des Festkörperelektrolyten poröse Platin-Elektroden angebracht, kann die Quellenspannung als Ausgangsspannung U a abgegriffen werden. Es gilt für Sauerstoff die Nernstsche Gleichung: Ua = kt 4 q pmeß T p ln = ln meß = 0,0496 mv pref 4F pref T K p lg meß [ ] pref k Boltzmann-Konstante T absolute Temperatur q Elementarladung allg. Gaskonstante F Faraday-Konstante Wichtigstes Anwendungsbeispiel von Festkörperelektrolyten ist die λ-sonde. Den vereinfachten Aufbau zeigt Bild 16 und sie wird benutzt, um im Motorabgas den verbleibenden Sauerstoffgehalt zu bestimmen. Danach wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis so eingeregelt, dass zugeführte Luftmenge λ = ==> 1 theoretischer Luftbedarf erreicht wird. Die λ-sonde arbeitet spezifisch bezüglich Sauerstoff, d.h. die Anteile Sauerstoff O sind in jedem n- wertigen Gasgemisch eindeutig bestimmbar. 9

10 3. Versuchsvorbereitung (vor Versuchsbeginn zu lösende Aufgaben, bitte 1 Blatt Millimeterpapier zum Versuch mitbringen) 3.1 Erklären Sie die Beeinflussung der Schwingkreisgüte beim induktiven Sensor für elektrisch leitfähige Proben! Hinweis: Stellen Sie die Zusammenhänge qualitativ entweder mit Hilfe eines Zeigerdiagramms oder einer geeigneten elektrischen Ersatzschaltung oder über die Feldbeziehungen her. 3. Berechnen Sie für einen induktiven Sensor die Änderung der Güte des Schwingkreises bei einer Änderung des Verlustwiderstandes von = +5 Ω. Gegeben sind: L = 100 mh, C = 3,3 nf, = 30 Ω. 3.3 Ist es beim induktiven Sensor zweckmäßiger, die Güteänderung oder die Frequenzänderung zur Messgrößenwandlung zu nutzen? Begründen Sie Ihre Aussage mit Hilfe der Beziehungen für den Parallelschwingkreis! 3.4 Diskutieren Sie anhand der Formel für den Plattenkondensator Beeinflussungsmöglichkeiten der Schwingkreiskapazität eines kapazitiven Sensors! 3.5 Welche Frequenz f 0 wird beim Wien-obinson-Oszillator angefacht? Gegeben sind: 1 = = 10 kω, C 1 = C = 3,3 nf. Bestimmen Sie die jeweilige Frequenzänderung bei C 1 = 3,30 nf und 3,33 nf. 3.6 In welchen Fällen ist ein Ansprechen der Sensoren durch leitfähige bzw. isolierende Gehäusewände hindurch möglich? 3.7 Warum ist eine fehlende bzw. eine zu große Hysterese eines Distanz-Sensors beim praktischen Einsatz ungünstig? 3.8 Diskutieren Sie die Abhängigkeit des Schaltabstandes eines optischen Sensors von der Be schaffenheit der Materialoberfläche des Messobjektes und dessen Lage. 3.9 Der von einem Objekt im Bereich [z min ; z max ] reflektierte Laserstrahl trifft an der Position p auf den optischen Positionssensor. Geben Sie eine Gleichung z = z(p), mit der aus der Position p eine Objektentfernung z min <z < z max bestimmbar ist Wie unterscheiden sich selektive und nichtselektive Gassensoren? 3.11 Bereiten Sie folgende Tabelle zur Messwertaufnahme mit den Gassensoren vor: a) Wärmeleitfähigkeitssensor b) Lambdasonde Argon - Luft, Gesamtgasfluss 1 l/min, Schrittweite 0,1 l/min. Normierungsbedingung: V + V 1l / min x Luft + x Ar = 1 Luft Ar = 10

11 Beispiel: V Luft [l/min] Anteil x Luft V Ar [l/min] 1, ,9 0,9 0,1 0,1 0,0 0 1,0 1 Anteil x Argon Auflistung der im Versuch verwendeten Sensoren, Materialproben und Gase Vorhandene Distanz-Sensoren: 1 Induktiver Sensor NJ 5-18 GM50-E-V1 Magnetfeldsensor MJ 60-1 GM-E-V1 3 Optischer Sensor OJ GM-E-V1 4 Ultraschallsensor UJ300-30GM-E-V1 Spannungsanschluss 1-4 Pluspol rot, Minuspol blau, Ausgang schwarz, weiß n.b. 5 Kapazitiver Sensor CJ 8-18 GM-E-V1 Spannungsanschluss: Pluspol rot, Minuspol blau, Ausgang schwarz 6 Triangulationssensor LD Spannungsanschluss: Pluspol rot, Minuspol blau Vorhandene Gas-Sensoren: Gase: 1 Wärmeleitfähigkeitsgassensor CALDOS 1 Luft Lambdasonde Argon 3 Helium Objekte / Materialproben: (Maßangaben in mm, Trägermaterial Cevausit) 1 Stahl St37 10x18x1 Aluminium 10x18x1 3 Messing 10x18x1 4 Schaumstoff 100x100x10 5 Pappe 100x100x10 6 Platine einfach 6,5x18x1 7 Platine dick (Cevausit, dick = doppelt) 8 Platine dünn (Cevausit, dünn) 9 Spiegel 10 Dauermagnet groß 11 Kupfer 1 Kunststoffplatte standardweiß 13 Kunststoffplatte mattschwarz 14 Kunststoffplatte schwarzglänzend 15 Korkfläche 11

12 4. Aufgabenstellung für die Versuchsdurchführung, Hinweise zur Versuchsauswertung 4.1 Untersuchen Sie mit dem induktiven Sensor folgende Materialproben: Stahl, Aluminium, Cevausit-Platine (dünn). Bestimmen Sie die eduktionsfaktoren (Nennschaltabstand s n = 5mm) bzw. charakterisieren Sie das Schaltverhalten! 4. Bestimmen Sie mit dem kapazitiven Sensor jeweils die Ein- und Ausschaltpositionen für Stahl und Cevausit (dünn) und berechnen Sie daraus die Schalthysterese. Kontrollieren Sie vor der eigentlichen Messung die Empfindlichkeit des kapazitiven Sensors: Messen Sie, den Schaltabstand s e bei der Materialprobe Stahl (etwa 5mm) beträgt. Setzen Sie dann für die echnungen s e = s n! Legen Sie den kapazitiven Sensor auf dem Arbeitstisch neben das leere Polystyrolgefäß. Wählen Sie den Abstand so, dass der Sensor gerade nicht anspricht. Füllen Sie Wasser in das Gefäß und halten Sie Ihre Beobachtungen fest. 4.3 Ermitteln Sie die Ansprechkurve des induktiven Sensors mit der Materialprobe Stahl aus 8 Messwertpaaren (Querverschiebung x am Materialprobenträger vorgeben, Ausschaltabstand s a mit Hilfe des Mess-Schlittens bestimmen). 4.4 Legen Sie den magnetischen Sensor - wie im Bild 17 dargestellt am besten auf ein Blatt Millimeterpapier vor die Experimentiereinrichtung auf den Tisch. Bestimmen Sie die Ansprech-Kurven für beide dargestellte Orientierungen des großen Dauermagneten. Dauermagnet Dauermagnet Simulieren Sie danach mit vorhandenen Materialproben verschiedene Gehäusewände vor der Stirnfläche des magnetischen Sensors und halten Sie das Ergebnis (Schaltverhalten) fest. Markierung Ansprechkurve magn. Sensor Markierung Ansprechkurve Bild 17: Ermittlung von Ansprechkurven des magn. Sensors 4.5 Bestimmen Sie mit dem optischen Sensor die Ausschaltposition s a bei jeweils 0, 15, 30, 45 und 60 Neigung der Materialoberflächen: Standardweiß, spiegelnde Aluoberfläche und mattschwarzer Kunststoff. Befestigen Sie bei dieser Messung den Materialprobenträger auf der linken Seite der Segmentscheibe. Tragen Sie alle Messwerte in eine gemeinsame Tabelle ein und diskutieren Sie das Ergebnis! Prüfen Sie ob und unter welchen Bedingungen (Materialbeschaffenheit) eine einfache Objekterkennung mit dem Sensor möglich ist? 1

13 4.6 Untersuchen Sie das Schaltverhalten des Ultraschallsensors (Laufzeitprinzip) mit dem Probenträger Korkfläche! 4.7 Nehmen Sie die Kennlinie U(z) des Triangulationssensors mit der Kork-Probe auf. Wie groß ist die Empfindlichkeit des Sensors? 4.8 Befestigen Sie den induktiven Sensor mit der Stirnfläche zur Teilung der Segmentscheibe auf dem Sensorschlitten. Positionieren Sie den Sensor so, dass die innere Teilung sichere Schaltvorgänge bewirkt. egeln Sie die Drehzahl so ein, dass der elektronische Zähler eine Schaltfrequenz von 75Hz anzeigt. Messen Sie die Schaltfrequenz bei unveränderter Drehzahl auf der äußeren Teilung. Berechnen Sie für beide Messungen die Drehzahl! Wiederholen Sie den Versuch mit der Schaltfrequenz 95Hz auf der inneren Teilung. Was schlussfolgern Sie aus den Messergebnissen? 4.9 Für die Gaskonzentrations-Messung wird ein Volumenstrom von rund 1 l/min benötigt. Um den Wert für die Druckluft einstellen zu können, stellen Sie den Druckminderer am Versuchsplatz auf 0,03 MPa. Nutzen Sie für die Versuchsdurchführung die vorbereitete Tabelle aus 3.13.! Zur Gasmischung: Die Gase sind den Kanälen wie folgt fest zugeordnet: Kanal : Luft max. 10 l/min Kanal 3: Argon max. 5 l/min Kanal 4: Helium max. 1 l/min Die Kanäle an der Dosiereinrichtung müssen während der Einstellung des jeweiligen Sollwertes aufgrund der eaktionszeit der Sensoren nicht deaktiviert werden. Schalten Sie außerdem die Heizung der Lambda- Sonde jetzt ein! a) Versuchsablauf Verbinden Sie mit dem vorgesehenen Schlauch den Ausgang des Gasdosiergerätes mit dem Sensoreingang Messgas Eing. (benötigter Gas-Volumenstrom 1 l/min). Speisen Sie aus dem Netzteil die Messbrücke mit einem konstanten Strom von 00 ma. Messen Sie die Brückenspannung U mess mit dem Multimeter (Miniaturbuchsen). Machen Sie sich das Wirkprinzip des Sensors anhand des offenen Messkopfes klar. b) Experimentelle Bestimmung der Kalibrierfunktion Bestimmen Sie die Kalibrierfunktion des Wärmeleitfähigkeits-Sensors für das binäre Messgasgemisch Argon-Luft für x Ar = in Schritten von 0,1. Stellen Sie das Ergebnis als U mess = U mess (x Ar ) grafisch dar. c) Einfluss von Fremdgas Weisen Sie die Nichtselektivität des Wärmeleitfähigkeits-Sensors nach. Benutzen Sie dazu das ternäre Gasgemisch Helium-Argon-Luft mit x He = 0,; x Ar = 0,; x Luft = 0,6. Diskutieren Sie das Ergebnis durch Vergleich mit den Messwerten aus Aufgabe 4.9.a). d) Temperaturabhängigkeit Stellen Sie ein Messgasgemisch Helium-Luft mit x He = 0,; x Luft = 0,8; Erwärmen Sie den Sensor mit dem Fön, einmal im gekapselten (mit Deckel) und anschließend offenen Zustand und beobachten Sie die Brückenspannung. 13

14 4.10 Die Lambda-Sonde benötigt einen Gasvolumenstrom von etwa 1 l/min und muss bei einer Temperatur > 500 C betrieben werden. a) Experimentelle Bestimmung der Kalibrierfunktion Bestimmen Sie die Kalibrierfunktion der Lambda-Sonde für das binäre Messgasgemisch Argon - Luft für x Ar = in Schritten von 0,. Erläutern Sie das Ergebnis anhand der Nernstschen Gleichung. b) Einfluss von Fremdgas Legen Sie an den Messgaseintritt Helium-Argon-Luft mit x He = 0,; x Ar = 0,; x Luft = 0,6 an und messen Sie die Zellenspannung nach Abklingen der Einschwingvorgänge. Diskutieren sie das Messergebnis bezüglich der Ergebnisse aus 4.10.a). Verhält sich die Sonde spezifisch? c) Untersuchung der Temperaturabhängigkeit Schalten Sie die Ofenheizung jetzt aus und legen Sie an den Messgaseintritt reines Argon x Ar = 1,0 an. Messen Sie bei abkühlendem Ofen alle 50 C bis ca. 400 C die Zellenspannung. Interpretieren Sie das Ergebnis! 5. Literatur [1] Schröter, E.: Elektrische Messtechnik Hemser Verlag, München 1990 [] Profos, P.; Pfeifer, T. (Hrsg.) Handbuch der industriellen Messtechnik Oldenbourg Verlag München, Wien 199 [3] Hart, H.: Einführung in die Messtechnik 4. Aufl., Verlag Technik, Berlin 1986 [4] Tränkler, H.-.: Taschenbuch der Messtechnik. Aufl., Oldenbourg Verlag, München 1990 [5] Bleicher, M.: Halbleiter-Optoelektronik Hüthig Verlag, Heidelberg 1986 [6] Schnell, G.: Sensoren in der Automatisierungstechnik Vieweg-Verlag, Wiesbaden [7] Schaumburg, H.: Sensoren Teubner, Stuttgart Erarbeitet: Prof. Dr. L. Zipser, Dipl.-Ing. L. Benke, Dipl.-Ing. W. Zschögner Überarbeitet: Prof. Dr. L. Zipser, DI L. Benke, März 1999 Überarbeitet: Dipl.-Ing. (FH) W.-D. Bretschneider, März

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