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Arbeitsbuch FP 1130
Festo Didactic
090165 de
Sensoren für Kraftund Druck
090165_cover_workbook_fp1130_de.indd 1 30.06.2005 10:22:04
Bestell-Nr.: 090165
Stand: 08/2004
Autoren: R. Schulé, P. Waiblinger, R. Ackermann
Grafik: Thomas Ocker, Doris Schwarzenberger
Layout: 12.08.2004, Thomas Ocker, Beatrice Huber
© Festo Didactic GmbH & Co. KG, 73770 Denkendorf, 2004
Internet: www.festo.com/didactic
E-Mail: did@festo.com
Weitergabe sowie Vervielfältigung dieses Dokuments, Verwertung und Mitteilung
seines Inhalts verboten, soweit nicht ausdrücklich gestattet. Zuwiderhandlungen
verpflichten zu Schadenersatz. Alle Rechte vorbehalten, insbesondere das Recht,
Patent-, Gebrauchsmuster- oder Geschmacksmusteranmeldungen durchzuführen.
© Festo Didactic GmbH & Co. KG • FP 1130 3
Konzeption des Arbeitsbuches___________________________________________ 7
Was sind Sensoren? ___________________________________________________ 8
Benutzerhinweise ____________________________________________________ 18
Gerätesatz __________________________________________________________ 23
Elemente-Aufgaben-Matrix_____________________________________________ 24
Teil A – Aufgaben
Kraftmessung
Aufgabe 1
Elektrisches Verhalten mechanisch belasteter Dehnungsmessstreifen__________A-3
Aufgabe 2
Reihenschaltung von Dehnungsmessstreifen ______________________________A-9
Aufgabe 3
Beschalten eines Messbrückenverstärkers _______________________________A-15
Aufgabe 4
Kalibrieren eines Kraftsensors mit Viertelbrückenschaltung _________________A-23
Aufgabe 5
Kalibrieren eines Kraftsensors mit Halbbrückenschaltung ___________________A-29
Aufgabe 6
Kalibrieren eines industriellen Kraftsensors ______________________________A-37
Aufgabe 7
Kraftmessung an Pneumatikzylindern
mit einem industriellen Kraftsensor _____________________________________A-43
Druckmessung
Aufgabe 8
Inbetriebnahme eines Analog-Drucksensors______________________________A-53
Aufgabe 9
Kennlinie eines Analog-Drucksensors ___________________________________A-59
Aufgabe 10
Einstellen eines mechanischen Druckschalters____________________________A-67
Aufgabe 11
Einstellen eines elektronischen Druckschalters ___________________________A-75
Aufgabe 12
Verwendung eines elektronischen Druckschalters
als Differenzdruckschalter ____________________________________________A-83
Aufgabe 13
Dichtheitsprüfung von Druckbehältern __________________________________A-93
Aufgabe 14
Inbetriebnahme eines Staudruckschalters _____________________________ A-103
Inhalt
Inhalt
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Teil B – Grundlagen
1. Kraft- und kraftbezogene Größen _________________________________B-3
1.1 Definition der Kraft ____________________________________________B-3
1.2 Arten der Kraft ________________________________________________B-4
1.3 Kraft und Gegenkraft ___________________________________________B-7
1.4 Elastische und plastische Verformung _____________________________B-8
1.5 Messmethoden für Kräfte _______________________________________B-9
1.6 Masse _______________________________________________________B-9
1.7 Druck _____________________________________________________ B-11
1.8 Drehmoment _______________________________________________ B-13
1.9 Beschleunigung _____________________________________________ B-14
2. Elastische Deformation _______________________________________ B-15
2.1 Mechanische Spannung ______________________________________ B-15
2.2 Hookesches Gesetz __________________________________________ B-16
2.3 Biegebalken ________________________________________________ B-17
2.4 Torsionsstab _______________________________________________ B-19
2.5 Technische Ausführung von Federkörpern________________________ B-20
2.6 Weitere Konstruktions-merkmale des Federkörpers ________________ B-21
3. Dehnungsmessstreifen und weitere Kraftsensoren_________________ B-23
3.1 Messung der Dehnung _______________________________________ B-23
3.2 Piezoresistiver Effekt _________________________________________ B-24
3.3 Halbleiter-DMS _____________________________________________ B-26
3.4 Technische Ausführung_______________________________________ B-27
3.5 Einsatz von DMS ____________________________________________ B-29
3.6 Weitere Kraftsensoren________________________________________ B-30
4. Messdatenerfassung _________________________________________ B-33
4.1 Messkette__________________________________________________ B-33
4.2 Wheatstonesche Messbrücke __________________________________ B-34
4.3 Kompensation von Störeffekten ________________________________ B-36
4.4 Elimination von Leitungsstörungen _____________________________ B-38
4.5 Industrielle Kraftsensoren_____________________________________ B-41
4.6 Messverstärker _____________________________________________ B-42
4.7 Ausgangsschaltungen ________________________________________ B-44
4.8 Weiterverarbeitung in digitalen Anlagen _________________________ B-45
4.9 Signalübertragung___________________________________________ B-46
4.10 Kalibrierung ________________________________________________ B-48
Inhalt
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5. Technische Ausführung von Kraft- und Drehmomentsensoren________ B-49
5.1 Direkte Kraftmessung ________________________________________ B-49
5.2 Indirekte Kraftmessung _______________________________________ B-50
5.3 Wägezellen_________________________________________________ B-51
5.4 Messung von Kraftkomponenten _______________________________ B-52
5.5 Drehmomentmessung ________________________________________ B-54
5.6 Dynamometer ______________________________________________ B-55
5.7 Messdübel und Dehnungssensoren _____________________________ B-56
6. Anwendungen von Kraftsensoren_______________________________ B-57
6.1 Einsatzfelder von Kraftsensoren ________________________________ B-57
6.2 Forschung und Entwicklung ___________________________________ B-58
6.3 Fertigungstechnik ___________________________________________ B-59
6.4 Montagetechnik_____________________________________________ B-60
6.5 Materialflusssysteme ________________________________________ B-62
6.6 Materialwirtschaft ___________________________________________ B-63
6.7 Qualitätssicherung __________________________________________ B-64
7. Technische Ausführung von Drucksensoren ______________________ B-65
7.1 Drucksensoren______________________________________________ B-65
7.2 Membran-Druckschalter ______________________________________ B-67
7.3 Drucksensoren mit Dehnungsmessstreifen _______________________ B-69
7.4 Monolithische Drucksensoren _________________________________ B-70
7.5 Piezoelektrische Drucksensoren________________________________ B-71
7.6 Spezialanfertigungen ________________________________________ B-71
7.7 Indirekte Drucksensoren ______________________________________ B-72
7.8 Betriebsbedingungen ________________________________________ B-73
8. Anwendungen von Drucksensoren ______________________________ B-75
8.1 Einsatzfelder von Drucksensoren _______________________________ B-75
8.2 Forschung und Entwicklung ___________________________________ B-76
8.3 Fertigungstechnik ___________________________________________ B-77
8.4 Montagetechnik_____________________________________________ B-78
8.5 Verfahrenstechnik ___________________________________________ B-79
8.6 Materialwirtschaft ___________________________________________ B-80
8.7 Qualitätssicherung __________________________________________ B-81
Bildquellenverzeichnis ______________________________________________ B-83
Inhalt
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Teil C – Lösungen
Kraftmessung
Lösung 1
Elektrisches Verhalten mechanisch belasteter Dehnungsmessstreifen__________C-3
Lösung 2
Reihenschaltung von Dehnungsmessstreifen ______________________________C-5
Lösung 3
Beschalten eines Messbrückenverstärkers ________________________________C-7
Lösung 4
Kalibrieren eines Kraftsensors mit Viertelbrückenschaltung __________________C-9
Lösung 5
Kalibrieren eines Kraftsensors mit Halbbrückenschaltung ___________________C-11
Lösung 6
Kalibrieren eines industriellen Kraftsensors ______________________________C-15
Lösung 7
Kraftmessung an Pneumatikzylindern
mit einem industriellen Kraftsensor _____________________________________C-17
Druckmessung
Lösung 8
Inbetriebnahme eines Analog-Drucksensors______________________________C-19
Lösung 9
Kennlinie eines Analog-Drucksensors ___________________________________C-21
Lösung 10
Einstellen eines mechanischen Druckschalters____________________________C-25
Lösung 11
Einstellen eines elektronischen Druckschalters ___________________________C-27
Lösung 12
Verwendung eines elektronischen Druckschalters
als Differenzdruckschalter ____________________________________________C-29
Lösung 13
Dichtheitsprüfung von Druckbehältern __________________________________C-31
Lösung 14
Inbetriebnahme eines Staudruckschalters _______________________________C-33
Teil D – Anhang
Datenblätter
© Festo Didactic GmbH & Co. KG • FP 1130 7
Das vorliegende Arbeitsbuch ist Bestandteil des Lernsystems Automatisierungs-
technik der Firma Festo Didactic GmbH & Co. KG. Das Buch ist sowohl für den
Seminarunterricht als auch für das Selbststudium konzipiert.
Das Arbeitsbuch (Bestell-Nr. 090165) wurde für den Gerätesatz (Bestell-Nr. 184476)
des Funktionspaketes FP 1130 konzipiert.
Das zentrale Thema des Funktionspaketes FP 1130 sind Sensoren für Kraft und
Druck. Der Aufbau der Geräte erfolgt auf einer Aluminium-Profilplatte. Die
Messungen lassen sich mit einem Digitalmultimeter durchführen. Es werden
praktische und theoretische Kenntnisse über analoge Kraft- und Drucksensoren
sowie Druckschalter vermittelt. Die Sensoreneigenschaften lassen sich
experimentell bestimmen, z. B. Genauigkeit, Auflösung, Linearität und Hysterese.
Das Buch ist gegliedert in: Teil A Kurs
Teil B Grundlagen
Teil C Lösung
Teil D Anhang
Der Kurs vermittelt die notwendigen Kenntnisse über das Thema anhand von
ausgewählten Aufgabenstellungen. Die Themen sind inhaltlich aufeinander
abgestimmt. Die Übungen bauen aufeinander auf, sind aber voneinander
unabhängig. Mit Hilfe von Verweisen wird auf weiterführende und vertiefende
Inhalte sowohl im Grundlagenteil als auch in der Datenblattsammlung aufmerksam
gemacht.
Dieser Teil enthält die theoretischen Grundlagen zum Fachgebiet. Die Themen sind
nach Sachgebieten geordnet. Der Grundlagenteil kann kapitelweise durchgearbeitet
oder als Nachschlagewerk benutzt werden.
In diesem Teil sind die Lösungen zu den Aufgaben im Kursteil zusammengestellt.
Am Schluss des Buches befindet sich eine Datenblattsammlung des Gerätesatzes.
Das Buch kann in ein bestehendes Ausbildungsprogramm eingegliedert werden.
Konzeption des Arbeitsbuches
Teil A
Teil B
Teil C
Teil D
8 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • FP 1130
Ein Sensor ist ein technischer Wandler, der eine physikalische Größe, z. B.
Temperatur, Abstand oder Druck in eine andere, besser auswertbare Größe umsetzt.
Dies ist meist ein elektrisches Signal, z. B. Spannung, Strom, Widerstand oder
Schwingungsfrequenz. Andere Bezeichnungen für Sensoren sind
Messwertaufnehmer, Messfühler, Messwandler, Detektor oder Transducer.
Das Wort Sensor leitet sich vom lateinischen sensus, zu deutsch Gefühl,
Empfindung, ab. Allerdings heißt es im Englischen ebenfalls sensor und der
deutsche Begriff Messwertaufnehmer wurde in dem Maße zurückgedrängt, wie die
Halbleitertechnik und die Messdatenerfassung mit ihren englischsprachigen
Begriffen an Bedeutung gewann. Zum einen beruht die Leistungsfähigkeit vieler
Sensoren auf den technischen Entwicklungen der Halbleitertechnik und zum andern
werden die Sensoren überwiegend eingesetzt in der Messdatenerfassung.
Sensoren sind in etwa mit den Rezeptoren der Sinnesorgane zu vergleichen; auch
diese bewirken eine Umwandlung einer physikalischen Größe, z. B. Licht, Wärme
oder Schalldruck, in einen neuro-physiologischen Reiz.
Fotowiderstand Stäbchen
Bild 1: Gegenüberstellung von Sensor und Rezeptor
Stäbchen sind Rezeptoren in der Netzhaut des Auges der Wirbeltiere und vermitteln
die Schwarzweißempfindung.
Die Leistungsfähigkeit von Sensoren und Rezeptoren für vergleichbare
Messaufgaben oder Sinneseindrücke ist beträchtlich verschieden. So erfassen
unsere Sinnesorgane die meisten Größen nur näherungsweise, und sind daher für
Messungen von Absolutwerten ungeeignet.
1.
Sensoren und
Sinnesorgane
Was sind Sensoren?
Sensor
Was sind Sensoren?
© Festo Didactic GmbH & Co. KG • FP 1130 9
Die Leistungsfähigkeit der Sinnesorgane liegt dagegen in der Bündelung der
Funktionen mehrerer Rezeptoren, sowie der teilweisen Verarbeitung und Bewertung
des Signals. So besteht die Leistungsfähigkeit des menschlichen Auges aus dem
Linsensystem, der Irisblende, der Netzhaut mit den ca. 120 Millionen
lichtempfindlichen Stäbchen und den ca. 6 Millionen farbempfindlichen Zäpfchen
sowie diversen Muskeln zur Fokussierung der Lichtstrahlen und der Bewegung der
Irisblende. Teilweise findet also schon eine erste Bildverarbeitung in den
Nervenzellen der Netzhaut statt, z. B. die Analyse von Kanten oder
Bewegungsvorgängen. Im Gehirn findet anschließend eine Bildverarbeitung auf
höherer Ebene statt. Hierzu gehört die automatische Fokus- und Blendensteuerung,
die Tiefenwahrnehmung durch Überlagerung der Bilder der beiden Augen, die
Kompensation der Eigenbewegung des Auges und aller sonstigen
Körperbewegungen. All dies läuft noch vor dem eigentlichen bewussten Sehen ab.
Kamera Auge
Bild 2: Gegenüberstellung von Sensorsystem und Sinnesorgan
Die Technik befindet sich auch hier auf dem Weg, diese Spitzenleistungen der Natur
zu kopieren. Zeilen- oder matrixförmige Anordnungen vieler gleichartiger Sensoren
wie bei den CCD-Chips werden als Sensorsysteme bezeichnet. CCD ist eine
Abkürzung für Charge Coupled Device und bezeichnet den Aufbau eines CCD-Chips
aus ladungsgekoppelten Halbleitern. Das Funktionsprinzip eines CCD-Chips beruht
darauf, dass die durch den fotoelektrischen Effekt im Halbleiter entstandene
elektrische Ladung in einen angekoppelten Speicher übertragen wird, der mit einer
bestimmten Taktfrequenz abgefragt werden kann.
Auch Sensoren mit der Signalaufbereitung auf dem gleichen Halbleiterchip, der
zugleich den Sensor enthält, werden als Sensorsystem bezeichnet. Allerdings
erreichen die Sensorsysteme bei weitem noch nicht die Komplexität und die
Leistungsfähigkeit der Sinnesorgane.
Sinnesorgane
Sensorsysteme
Was sind Sensoren?
10 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • FP 1130
Über die Einbeziehung von Verstärkern hinaus versucht man auch Rechenleistung in
den Sensor zu integrieren. Dies stellt einen interessanten Trend dar, denn er kommt
der verteilten Verarbeitung der Daten und damit einem besseren Datendurchsatz
entgegen. Ein solches Sensorsystem, im Englischen wie auch im Deutschen als
smart sensor bezeichnet, gestattet schon eher die Gleichsetzung mit einem
Sinnesorgan.
Bei den Entwicklungen der Mikromechanik werden auch mechanische Komponenten
des Sensors im Silizium-Chip integriert. In erster Linie handelt es sich dabei um
Membranen, Feder- oder Schwingungskörper, die aus dem Silizium herausgeätzt
werden. In Forschungslabors wurden auch schon Dreh- und Schiebeverbindungen
realisiert, so dass der Aufbau miniaturisierter mechanischer Apparate schon
vorbereitet ist. Die guten mechanischen Eigenschaften von Silizium, insbesondere
seine hohe Elastizität, treffen in der Mikromechanik vorteilhaft mit den besonderen
elektrischen Eigenschaften des Siliziums zusammen.
Ein weiterer interessanter Trend ist die Entwicklung von sogenannten biologischen
Sensoren. Sie bestehen aus einem biologisch aktiven Teil, z.B. Enzymen oder
Bakterien, und einem mikroelektronischen Teil, der die biologischen Reaktionen
registriert und weiterverarbeitet. Die ersten verfügbaren biologischen Sensoren
dienen insbesondere zur Analyse organischer Substanzen, z.B. der Bestimmung des
Blutzuckerwerts. Die weitere Entwicklung der biologischen Sensoren ist jedoch noch
nicht abzusehen.
Smart Sensor
Mikromechanik
Biologische Sensoren
Was sind Sensoren?
© Festo Didactic GmbH & Co. KG • FP 1130 11
Sensoren werden auf vielen Gebieten der Wissenschaft und Technik eingesetzt. In
der Forschung werden hochempfindliche und spezialisierte Sensoren für die
Durchführung von Experimenten verwendet. In der Automatisierungstechnik finden
sowohl standardisierte als auch speziell entwickelte Sensoren ihre Anwendung. In
den Geräten des täglichen Bedarfs werden eher einfache Sensoren verwendet, die
jedoch wartungsfrei und zuverlässig funktionieren müssen.
Gegenstand der Betrachtung in diesem Arbeitsbuch ist in erster Linie der Einsatz von
Sensoren in der Automatisierungstechnik. Dieser basiert auf übergeordneten
Forderungen wie:
• Kostenreduktion
• Rationalisierung
• Automatisierung
• Flexibilisierung
• Umweltschutz
Der Einsatz von Sensoren begründet sich aber auch auf den der Technik
innewohnenden Entwicklungen wie:
• Steigerung von Empfindlichkeit, Präzision, Ansprechgeschwindigkeit und
Verlässlichkeit
• Anpassung an konstruktive und technologische Weiterentwicklungen, neuen
Technologien
Sensoren finden also ihre Anwendung in der Automatisierungstechnik, da sie:
• das Fehlverhalten von automatisierten Anlagen, z. B. Werkzeugbruch oder Stau,
frühzeitig und lückenlos melden
• im Rahmen einer intelligenten Fehlerdiagnose die Fehlerquelle einkreisen oder
lokalisieren
• Werkzeugverschleiß erkennen
• die Messwerte zur Verfügung stellen, die zur kontinuierlichen Optimierung des
Produktionsablaufs durch adaptive Steuerung und Regelung notwendig sind
• in der automatisierten Qualitätsprüfung eingesetzt werden
• die Materialwirtschaft überwachen und deren Abläufe automatisieren helfen
• die Produktidentifikation durchführen, die bei einer flexiblen Automatisierung
notwendig ist
• Gefahren am Arbeitsplatz melden, z. B. zu hohe Schadstoffkonzentrationen
• Arbeitsvorgänge humanisieren helfen, z. B. bei anstrengender und monotoner
Sichtprüfung, bei Überwachungs- und Messaufgaben in gesundheits-
gefährdender Umgebung
2.
Einsatz von Sensoren
Was sind Sensoren?
12 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • FP 1130
Sensoren sind integraler Bestandteil komplexer Maschinen. Insbesondere die
weitere Entwicklung von Robotern wird auf dem Einsatz von Sensoren basieren.
Schließlich wäre auch das CIM-Konzept (CIM = Computer Integrated Manufacturing)
mit all seinen technischen, organisatorischen und sozialen Strukturen nicht ohne die
Bausteine Sensoren realisierbar.
Bild 3: Ein Sensor überwacht die Schließkraft des Greifers
Ein Druckschalter überwacht den Druck in der Zuleitung eines pneumatischen
Zylinders. Wenn der Einschaltdruck erreicht ist, meldet er es der Prozessorik und die
Ausfahrbewegung des Zylinders wird gestoppt.
Was sind Sensoren?
© Festo Didactic GmbH & Co. KG • FP 1130 13
Die Klassifikation des weiten Gebiets der Sensoren erfolgt in erster Linie nach der zu
erfassenden physikalischen Größe, und erst in zweiter Linie nach dem
Funktionsprinzip oder dem Anwendungsfall.
Sensoren
für geometrische Größen Position, Abstand, Länge, Weg, Dehnung, Neigung,
Geschwindigkeit, Beschleunigung, Drehwinkel, Rotation sowie
Oberflächeneigenschaften von Werkstücken
für kraftbezogene Größen Kraft, Gewicht, Druck, Drehmoment und mechanische Leistung
für Materieumsatzgrößen Durchflussmengen und Füllstand gasförmiger, flüssiger und
fester Stoffe
für Temperatur und Wärmemenge
für Größen der optischen
Strahlung
Strahlungsleistung, Strahlungsenergie, Strahlstärke,
Strahldichte, und lichttechnische Größen wie Lichtstrom,
Lichtmenge, Lichtstärke, Leuchtdichte, Beleuchtungsstärke.
Darüber hinaus sind in dieser Rubrik auch alle
bildverarbeitenden Systeme aufzuzählen, sofern sie
Messzwecken dienen
für Eigenschaften akustischer
Wellen
Schalldruck, Schallenergie, Lautstärke und Tonfrequenz
für elektromagnetische Größen Weithin bekannt sind die elementaren elektrischen Größen wie
Spannung, Strom, elektrische Energie und Leistung. Darunter
fallen aber auch die elektrische und magnetische Feldstärke
und die elektromagnetische Strahlung. Letztere wird von der
zuvor erwähnten optischen Strahlung willkürlich abgegrenzt
durch die Wellenlängenbedingung λ >10-3
m.
für energiereiche Strahlung Röntgenstrahlung, Gammastrahlung. Die energiereiche
Strahlung wird von der optischen Strahlung willkürlich
abgegrenzt durch die Wellenlängenbedingung λ <10-10
m.
Sensoren für Teilchenstrahlung, wie Elektronen, Alphateilchen,
Elementarteilchen und Kernbruchstücke
für chemische Stoffe Gase, Ionen, insbesondere aber auch Wasser in der Form von
Feuchte-, Taupunkt- und Vereisungssensoren
für physikalische
Materieeigenschaften
mechanische, elektrische, optische, thermische und akustische
Eigenschaften
zur Objektidentifikation und
Merkmalserkennung
In diese Rubrik fallen meist Sensorsysteme wie Klarschriftleser,
Strichcodeleser, Magnetstreifenleser und
Bildverarbeitungssysteme, die auch unter einer der
vorangegangenen Klassifikationen hätten aufgenommen
werden können, aber aufgrund ihres spezialisierten
Anwendungsfeldes eine eigene Gruppe bilden
3.
Klassifikation
der Sensoren
Was sind Sensoren?
14 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • FP 1130
Sensoren wandeln eine physikalische Größe meist in ein elektrisches Signal um. Die
Sensoren können nach der Art des Ausgangssignals in binäre Sensoren, auch
Schalter genannt, und analoge Sensoren unterschieden werden.
Binäre Sensoren erzeugen nur zwei Ausgangssignale, die Schaltzustände "Ein" und
"Aus". Das Umschalten von einem zum anderen Schaltzustand erfolgt bei einem
ganz bestimmten Wert der physikalischen Größe; dieser Schaltpunkt ist oft auch
einstellbar. Häufig unterscheidet sich der Schaltpunkt bei steigendem Werteverlauf
von jenem bei fallendem Werteverlauf. Der Unterschied zwischen den beiden
Schaltpunkten oder auch Schwellwerten wird Hysterese genannt. Die Hysterese
kann in manchen Anwendungen durchaus erwünscht sein. So reduziert sie bei
Regelungen die Schalthäufigkeit und führt zu verbesserter Stabilität des Systems.
Analoge Sensoren erzeugen bei kontinuierlicher Änderung der physikalischen Größe
ein ebenfalls sich kontinuierlich änderndes elektrisches Signal. Dieser
Zusammenhang muss nicht notwendigerweise linear sein, lässt aber im Gegensatz
zu den binären Sensoren immer den Schluss auf den aktuellen Wert der
physikalischen Größe zu. Analoge Sensoren bieten also "mehr" Information als
binäre Sensoren; dafür ist die Verarbeitung des Signals meist aufwendiger.
4.
Signale der Sensoren
Binäre Sensoren
Analoge Sensoren
Was sind Sensoren?
© Festo Didactic GmbH & Co. KG • FP 1130 15
tt
Binäres SignalAnaloges Signal
U, I
t
s
Druckverlauf
0
1
SDE-...
Bild 4: Analoge und binäre Signale
Dieses Bild zeigt den Zusammenhang zwischen einem Druckverlauf und den daraus
abgeleiteten Signalen eines analogen und eines binären Sensors. In der
Automatisierungstechnik werden analoge Sensoren verwendet, wenn die graduelle
Änderung des Werts von Bedeutung ist. Binäre Sensoren werden dagegen häufig als
Grenzwert- oder Alarmschalter eingesetzt.
Was sind Sensoren?
16 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • FP 1130
Im Versuchslabor, der Qualitätssicherung oder der Prozessüberwachung liefern
Sensoren Informationen über einen technischen Fertigungsschritt oder eine
physikalische oder chemische Reaktion. Diese Abläufe werden als Prozess
bezeichnet. Die Informationen werden dem Betrachter per Anzeigeinstrument
angezeigt oder einem Datenaufzeichnungsgerät, z. B. einem Computer, eingespeist.
In diesem Zusammenhang sollen sowohl der menschliche Betrachter als auch das
Datenaufzeichnungsgerät als informationsverarbeitende Systeme angesehen
werden. Für diese Systeme wird der kurze Begriff Prozessorik benutzt.
Die Information fließt somit in der Messtechnik vom Prozess über den Sensor oder
allgemeiner von der Sensorik zur Prozessorik.
Prozess Sensorik Signalverarbeitung
Hilfsenergie
Prozessorik
Bild 5: Informationsfluss in der Messtechnik
In der Steuerungstechnik liegt der umgekehrte Informationsfluss vor. Der Bediener
oder eine Prozessorik greift mit Hilfe von Aktuatoren in den Prozess ein. Die
Information fließt von der Prozessorik über die Aktuatorik zum Prozess.
Prozessorik Ausgabeeinheit
Hilfsenergie
ProzessAktuatorik
Bild 6: Informationsfluss in der Steuerungstechnik
5.
Informationsfluss in der
Automatisierungstechnik
Messtechnik
Steuerungstechnik
Was sind Sensoren?
© Festo Didactic GmbH & Co. KG • FP 1130 17
In der Automatisierungstechnik treten beide Arten von Informationsflüssen auf.
Der geschlossene Informationskreislauf ähnelt der Regelungstechnik von der
Prozessorik zum Prozess und wieder zurück zur Prozessorik, legt jedoch den
Schwerpunkt auf die Techniken der Übertragung und Verarbeitung von
Informationen. Regelkreise können Bestandteil eines Automatisierungssystems
sein.
Prozessorik
Prozess
Prozessenergie
Ausgabeeinheit
Aktuatorik
Stellenenergie
Signalverarbeitung
Sensorik
Hilfsenergie
Bild 7: Informationsfluss in der Automatisierungstechnik
Automatisierungstechnik
18 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • FP 1130
Neben den allgemeinen Sicherheitshinweisen sollten folgende Arbeitshinweise
beachtet werden:
• Spannungsversorgung abschalten
• Elektrischen Schaltungsaufbau mit Messleitungen durchführen. Dabei auf die
Polarität der anzulegenden Spannung achten
• Schaltungsaufbau anhand des Schaltplanes überprüfen
• Stromversorgung mit einer geregelten Spannung von 24 V DC/4,5 A einschalten
• Stromversorgung ausschalten
• Messleitungen abnehmen
Bei der Verwendung der elektrischen Betriebsmittel sind die Farbkennzeichnungen
der Anschlussleitungen und Stecker zu beachten. Mit Hilfe der folgenden Tabelle der
Farbkurzzeichen und den entsprechenden Datenblätter im Anhang D können Sie den
korrekten Anschluss vornehmen.
Farbkurzzeichen nach DIN IEC 757
Farbe Kurzzeichen Englisch
Schwarz BK black
Braun BN brown
Blau BU blue
Weiß WH white
Rot RD red
Grün GN green
Gelb YE yellow
Benutzerhinweise
Vor dem Schaltungsaufbau
Nach Beendigung der
Messungen
Anmerkungen zu den
Aufgaben im Kurs A
Benutzerhinweise
© Festo Didactic GmbH & Co. KG • FP 1130 19
Die grafischen Symbole für Druckschalter und Analogdrucksensor in pneumatischen
Schaltbildern werden in Anlehnung an die Norm ISO/DIN 1219-1 dargestellt:
PP
Bild 8: Symbole in pneumatischen Schaltbildern
Im Gerätesatz sind zwei Gerätetypen mit unterschiedlichen Befestigungsarten
vorhanden. Die Geräte mit Rändelschraube und Hammermutter lassen sich direkt
auf der Profilplatte festschrauben. Die Geräte mit Steckfüßen werden auf einer
Steckplatte montiert. Diese erfordern Steckadapter (Bestell-Nr. 323571), um die
Geräte auf der Profilplatte befestigen zu können. Im Kurs A sind die Steckadapter in
der Elementeliste aufgeführt, wenn sie benötigt werden.
In den Übungsaufgaben sind einige Vorgehensweisen erforderlich oder
Vereinfachungen festgelegt, die nicht direkt in den jeweiligen Aufgaben beschrieben
sind. Beachten Sie bitte die folgenden Hinweise.
Die elektronischen Verstärkerbauteile des Messbrückenverstärkers unterliegen
einer Temperaturdrift, solange sie noch nicht ihre Betriebstemperatur erreicht
haben. Während der Aufwärmphase lässt sich daher der Nullpunkt eines Sensors am
Verstärker nicht exakt einstellen. Der Verstärker muss daher ca. 5 Minuten vor
Beginn der ersten Aufgabenbearbeitung eingeschaltet werden. Nach dem Ablauf
dieser Zeit tritt keine Temperaturdrift mehr auf. Die Anschlüsse Out- und 0V sind
galvanisch voneinander getrennt. Bei Messungen dürfen beide Anschlüsse nicht
verbunden oder verwechselt werden.
Montage
Messbrückenverstärker
Best.-Nr. 162250
Benutzerhinweise
20 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • FP 1130
Der Kraftsensor enthält als Unterbaugruppe einen Stempel. Mit Hilfe des Stempels
kann die Gewichtskraft des Scheibengewichtesatzes auf den Kraftsensor übertragen
werden.
Die Farben der Anschlussadern und die Farben der Stecker sind pro
Anschlussleitung teilweise unterschiedlich. Die Stecker der Spannungsversorgung
und der Signalleitungen besitzen jedoch paarweise jeweils dieselbe Farbe.
Zur Vermeidung von Beschädigungen darf keine Kraft, die größer als 200 N ist, auf
den Kraftsensor eingeleitet werden. Für die Krafteinleitung mit dem Zylinder gilt,
dass auf der Kolbenseite ein Luftdruck von 4 bar nicht überschritten werden darf.
Bei der Anschlusseinheit handelt es sich um eine Einheit, mit der Analogsignale auf
die Speicherprogrammierbare Steuerung FPC 101AF geschaltet werden. Die
Anschlusseinheit D.ER-AE-101AF wird im Funktionspaket FP 1130 in Verbindung mit
dem Signalumschalter als Verteilereinheit für analoge Signale eingesetzt.
Auf der linken Seite der Anschlusseinheit befindet sich eine 9-polige Buchse zum
Anschluss von Signalen für den Zählereingang der FPC 101AF. Da bei der
Bearbeitung der Aufgaben mit dem Gerätesatz des FP 1130 der Zählereingang nicht
verwendet wird, ist er in allen elektrischen Anschlussbildern nicht dargestellt.
Zu beachten ist, dass die Masseanschlüsse des Analogteils (GND) und der
Spannungsversorgung (0 V) intern nicht miteinander verbunden sind. Für
Messaufgaben mit dem Multimeter müssen die beiden Masseanschlüsse immer
miteinander verbunden sein.
Kraftsensor
Best.-Nr. 167054
Anschlusseinheit
Best.-Nr. 162247
Benutzerhinweise
© Festo Didactic GmbH & Co. KG • FP 1130 21
Die Spannungssignale werden über den Signalumschalter auf den Ausgang 0
(Output 0), und die Stromsignale werden auf den Ausgang 1 (Output 1) geschaltet.
Der Signalumschalter schaltet pro Schaltstellung das Signal beider Eingangs-
Buchsen auf die jeweilige Ausgangs-Buchse.
- 10 V … + 10 V
0 - 20 mA
INPUT
OUTPUT
INPUT
Bild 9: Prinzip der Verschaltung des Signalumschalters und der Anschlusseinheit
In den Aufgaben, in denen die Gewichtesätze eingesetzt werden, gilt für die
Gewichtskraftbestimmung folgende Vereinfachung:
Einer Masse von 100 g entspricht annähernd eine Gewichtskraft von 1 N.
Die Verteiler- und Anschlusseinheiten sind ohne die Spannungsversorgung von 24 V
dargestellt.
Es ist jeweils nur der Signalumschalter dargestellt, jedoch nicht die Verteiler und
Anschlusseinheiten.
Signalumschalter
Best.-Nr. 150538
Gewichtesätze
Best.-Nr. 034009 und
Best.-Nr. 150543
Elektrische Anschlusspläne
Elektrische Schaltpläne
Benutzerhinweise
22 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • FP 1130
Der Biegebalken-Kraftsensor und der Staudruckschalter müssen über der
Profilplatte montiert werden. Die nachfolgende Skizze zeigt die Anordnung der
beiden Bauelemente auf den Profilstäben. Zu beachten ist, dass der Biegebalken-
Kraftsensor direkt über dem vertikalen Profilstab befestigt werden sollte. Der
Verformungsweg des Biegebalkens im mechanischen Anschlag beträgt nach oben
cirka 0,5 mm und nach unten cirka 1,5 mm. Zu der Sensoreinheit Staudruckschalter
gehören zusätzlich ein Anschlusskabel, ein Stück Schlauch und ein transparenter
Plastikbecher. Die Kabelschuhe des Anschlusskabels werden auf die elektrischen
Kontakte des Staudruckschalters gesteckt. Die Zuordnung der Kabelschuhe zu den
Steckkontakten ist unerheblich. Der Schlauch wird auf den Druckeingang (unterer
Anschluss) des Staudruckschalters gesteckt. Der obere Anschluss bleibt frei. Der
Becher wird unter den am Profil befestigten Staudruckschalter gestellt. Der Schlauch
befindet sich hierbei im Becher.
Bild 10: Montage von Staudruckschalter und Biegebalken-Kraftsensor
Biegebalken-Kraftsensor
Best.-Nr. 167052 und
Staudruckschalter
Best.-Nr. 167053
© Festo Didactic GmbH & Co. KG • FP 1130 23
Menge Best.-Nr. Komponenten
1 034009 Gewichtesatz
1 107635 Montageprofil, Länge 170 mm
1 115608 Montageprofil, Länge 168 mm
1 150538 Signalumschalter
1 150543 Scheibengewichtesatz
2 150555 Druckverteiler
1 150557 Druckluftspeicher
1 150578 Zylinder *
1 151496 Kunststoffschlauch, 10 m, PUN 4 x 0,75
1 152860 3/2-Wegeventil mit Drucktaste, in Ruhestellung gesperrt *
1 152881 Drosselrückschlagventil *
1 152894 Einschaltventil mit Filterregelventil, 40 µm *
1 162247 Anschlusseinheit, analog *
1 162248 Verteilereinheit *
1 162250 Messbrückenverstärker *
1 167052 Biegebalken-Kraftsensor
1 167053 Staudruckschalter
1 167054 Kraftsensor
1 177459 Pneumatisch-elektrischer Wandler *
1 177471 Druckschalter
1 184128 Analog-Drucksensor 1
1 184129 Analog-Drucksensor 2
1 186117 L-Steckverschraubung
27 323571 Steckadapter
* Zur Montage der gekennzeichneten Einheiten auf der Profilplatte werden 2 oder 4 Steckadapter
Best.-Nr. 323571 benötigt.
Gerätesatz
Gerätesatz FP 1130
Best.-Nr. 184476
24 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • FP 1130
Best.-Nr. Komponenten Aufgabe
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
034009 Gewichtesatz 1 1
150538 Signalumschalter 1 1 1 1 1 1 1
150543 Scheibengewichtesatz 1
150555 Druckverteiler 1 1 1 1 1 2 1
150557 Druckluftspeicher 1 1
150578 Zylinder 1
152860 3/2-Wegeventil mit Drucktaste, in
Ruhestellung gesperrt
1 1
152881 Drosselrückschlagventil 1 1
152894 Einschaltventil mit Filterregelventil, 40 µm 1 1 1 1 1 1 1
162247 Anschlusseinheit, analog 1 1 1 1 1 1 1
162248 Verteilereinheit 1 1 1 1 1
162250 Messbrückenverstärker 1 1 1 1 1
167052 Biegebalken-Kraftsensor 1 1 1 1 1
167053 Staudruckschalter 1
167054 Kraftsensor 1 1
177459 Pneumatisch-elektrischer Wandler 1 1
177471 Druckschalter 1
184128 Analog-Drucksensor 1 1 1 1 1 1 1 1
184129 Analog-Drucksensor 2 1
035681 Digitalmultimeter * 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1
* Nicht im Gerätesatz enthalten (separates Zubehör)
Elemente-Aufgaben-Matrix
© Festo Didactic GmbH & Co. KG • FP 1130 A-1
Kraftmessung
Aufgabe 1
Elektrisches Verhalten mechanisch belasteter Dehnungsmessstreifen__________A-3
Aufgabe 2
Reihenschaltung von Dehnungsmessstreifen ______________________________A-9
Aufgabe 3
Beschalten eines Messbrückenverstärkers _______________________________A-15
Aufgabe 4
Kalibrieren eines Kraftsensors mit Viertelbrückenschaltung _________________A-23
Aufgabe 5
Kalibrieren eines Kraftsensors mit Halbbrückenschaltung ___________________A-29
Aufgabe 6
Kalibrieren eines industriellen Kraftsensors ______________________________A-37
Aufgabe 7
Kraftmessung an Pneumatikzylindern
mit einem industriellen Kraftsensor _____________________________________A-43
Druckmessung
Aufgabe 8
Inbetriebnahme eines Analog-Drucksensors______________________________A-53
Aufgabe 9
Kennlinie eines Analog-Drucksensors ___________________________________A-59
Aufgabe 10
Einstellen eines mechanischen Druckschalters____________________________A-67
Aufgabe 11
Einstellen eines elektronischen Druckschalters ___________________________A-75
Aufgabe 12
Verwendung eines elektronischen Druckschalters
als Differenzdruckschalter ____________________________________________A-83
Aufgabe 13
Dichtheitsprüfung von Druckbehältern __________________________________A-93
Aufgabe 14
Inbetriebnahme eines Staudruckschalters _____________________________ A-103
Teil A – Aufgaben
Teil A – Aufgaben
A-2 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • FP 1130
© Festo Didactic GmbH & Co. KG • FP 1130 A-3
Elektrisches Verhalten mechanisch belasteter Dehnungsmessstreifen
• Kennen lernen des elektrischen Verhaltens von Dehnungsmessstreifen (DMS) bei
Dehnung und Stauchung
DMS bestehen aus einer Widerstandsschicht. Der Widerstandswert wird größer,
wenn der DMS in Richtung der Widerstandsbahnen gedehnt wird. Er wird kleiner,
wenn der DMS gestaucht wird. Die Widerstandsänderung beruht auf der Änderung
der Bahnlänge, des Querschnitts und des spezifischen Widerstands infolge der
Dehnung oder der Stauchung.
Ein Biegebalken mit zwei gegenüber angeordneten Dehnungsmessstreifen wird zur
Kraftmessung eingesetzt. Um das prinzipielle elektrische Verhalten der DMS zu
untersuchen, soll der Biegebalken geringfügig von Hand belastet und das dabei
auftretende elektrische Verhalten der DMS untersucht werden.
1 Biegebalken 2 Dehnungsmessstreifen
Bild 1/1: Biegebalken
Kraftmessung
Aufgabe 1
Lerninhalt
Fachwissen
Problembeschreibung
Kraftmessung Aufgabe 1
A-4 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • FP 1130
a) Schließen Sie den oberen DMS an das Multimeter zur Widerstandsmessung an.
b) Drücken Sie den Biegebalken ein wenig nach unten und ermitteln Sie qualitativ
die Widerstandsänderung des DMS.
c) Drücken Sie den Biegebalken ein wenig nach oben und ermitteln Sie qualitativ
die Widerstandsänderung des DMS.
d) Berechnen Sie die prozentuale Widerstandsänderung der Messung im
Aufgabenteil b).
Beachten Sie bei der Bearbeitung der Aufgaben die Benutzerhinweise im
Einführungsteil. Informationen über die Anschlusstechnik und weitere technische
Daten finden Sie in den entsprechenden Datenblättern im Anhang.
Die Anschlusskabel des oberen DMS werden direkt an das Multimeter
angeschlossen.
Cx
A COMA/mA
10A
µ
400mAMAX
500 V MAX
750V1000V
V
TTL
OFF
A
mAmV
V
nF
µF
µA
TTL
DATA HOLD
PEAK HOLD
DC AUTO
RANGE
_
+0 10 20 30 40
Ω
Ω
Ω
!
!
2 1
WH
WHBK
BK
Bild 1/2: Elektrischer Anschluss
Pos. Nr. Menge Komponente
1 1 Biegebalken-Kraftsensor
2 1 Digitalmultimeter
Aufgabenstellung
Durchführung
Teilaufgabe a)
Gerätesatz
Kraftmessung Aufgabe 1
© Festo Didactic GmbH & Co. KG • FP 1130 A-5
Bild 1/3: Elektrischer Schaltplan
Der Widerstand dieses DMS beträgt ca. 350 Ω. Am Multimeter sollte der
nächstgrößere Messbereich eingestellt werden.
Wenn der Biegebalken ein wenig mit dem Finger nach unten gedrückt wird, zeigt das
Multimeter eine Signaländerung an. Die Kraft darf nicht zu groß sein, da der
Biegebalken nur innerhalb seines elastischen Bereichs verformt werden darf.
Cx
A COMA/mA
10A
µ
400mAMAX
500 V MAX
750V1000V
V
TTL
OFF
A
mAmV
V
nF
µF
µA
TTL
DATA HOLD
PEAK HOLD
DC AUTO
RANGE
_
+0 10 20 30 40
Ω
Ω
Ω
!
!
F
WH
WHBK
BK
Bild 1/4: Versuchsdurchführung
• Notieren Sie die qualitative Signaländerung in der Tabelle auf dem Arbeitsblatt.
Hinweis
Teilaufgabe b)
Kraftmessung Aufgabe 1
A-6 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • FP 1130
• Drücken Sie den Biegebalken mit etwa derselben Kraft wie im Aufgabenteil b)
nach oben.
Für die Durchführung muss eventuell der mechanische Anschlag entfernt werden.
Wenn Sie den Anschlag entfernt haben, dann beachten Sie bitte, dass der
Biegebalken nicht plastisch verformt werden darf.
Cx
A COMA/mA
10A
µ
400mAMAX
500 V MAX
750V1000V
V
TTL
OFF
A
mAmV
V
nF
µF
µA
TTL
DATA HOLD
PEAK HOLD
DC AUTO
RANGE
_
+0 10 20 30 40
Ω
Ω
Ω
!
!
F
WH
WHBK
BK
Bild 1/5: Versuchsdurchführung
• Notieren Sie die qualitative Signaländerung in der Tabelle auf dem Arbeitsblatt.
Die prozentuale Widerstandsänderung ∆R% berechnet sich wie folgt:
100R
RR
DMS
DMS
%⋅
∆=∆
• Berechnen Sie die prozentuale Widerstandsänderung für die Messung im
Aufgabenteil b).
• Tragen Sie den Wert in die Tabelle auf dem Arbeitsblatt ein.
Teilaufgabe c)
Hinweis
Teilaufgabe d)
Kraftmessung Aufgabe 1: Arbeitsblatt
© Festo Didactic GmbH & Co. KG • FP 1130 A-7
Qualitative Signaländerung eines DMS bei Dehnung
Der Widerstand des unbelasteten DMS: Ω
Änderung des Widerstands ∆RDMS = Ω
Der Widerstand des belasteten DMS wird:
größer
kleiner
bleibt gleich
Qualitative Signaländerung eines DMS bei Stauchung
Der Widerstand des unbelasteten DMS: Ω
Änderung des Widerstands ∆RDMS = Ω
Der Widerstand des belasteten DMS wird:
größer
kleiner
bleibt gleich
Prozentuale Widerstandsänderung
Prozentuale Widerstandsänderung ∆R% %
Schätzen Sie ab, wie sich der Widerstand des DMS im unbelasteten Zustand nach
einer plastischen Verformung des Biegebalkens verhält.
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
Teilaufgabe b)
Teilaufgabe c)
Teilaufgabe d)
Frage
Kraftmessung Aufgabe 1: Arbeitsblatt
A-8 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • FP 1130
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