Auswahl von Sensoren, Grundprinzipien und Auswahlkriterien
Alle Sensoren werden nach dem gemessenen Parameter klassifiziert. Sie können auch als passiv oder aktiv klassifiziert werden. Bei passiven Sensoren wird die für die Ausgabe erforderliche Leistung durch das gemessene physikalische Phänomen (z. B. Temperatur) selbst bereitgestellt, während bei aktiven Sensoren eine externe Stromversorgung erforderlich ist.
Darüber hinaus werden Sensoren je nach Art des Ausgangssignals in analoge oder digitale Sensoren eingeteilt. Analoge Sensoren erzeugen kontinuierliche Signale, die proportional zum erfassten Parameter sind und normalerweise erfordern Analog-Digital-Wandlung bevor es dem digitalen Controller zugeführt wird.
Digitale Sensoren hingegen erzeugen digitale Ausgänge, die direkt an den digitalen Controller angeschlossen werden können. Digitale Ausgänge werden häufig durch Hinzufügen eines A/D-Wandlers zum Sensormodul erzeugt.
Wenn viele Sensoren benötigt werden, ist es wirtschaftlicher, einfache analoge Sensoren auszuwählen und diese an einen digitalen Controller anzuschließen, der mit einem Mehrkanal-A/D-Wandler ausgestattet ist.
Typischerweise erfordert das Ausgangssignal des Sensors eine Nachbearbeitung (Transformation), bevor das Signal dem Controller zugeführt werden kann. Das Ausgangssignal des Sensors kann demoduliert, verstärkt, gefiltert und isoliert werden, sodass das Signal von einem herkömmlichen Analog-Digital-Wandler des Controllers erhalten werden kann (siehe Einheitliche analoge Signale in Automatisierungssystemen). Die gesamte Elektronik ist in einem Mikroschaltkreis integriert und kann direkt an Steuerungen angeschlossen werden.
Der Sensorhersteller stellt in der Regel Kalibrierkurven zur Verfügung. Wenn die Sensoren stabil sind, ist keine Neukalibrierung erforderlich. Allerdings muss der Sensor nach der Integration in das Steuerungssystem neu kalibriert werden. Dies erfordert im Wesentlichen die Einstellung eines bekannten Eingangssignals für den Sensor und das Aufzeichnen seines Ausgangssignals, um die korrekte Skalierung festzulegen.
Wenn der Sensor zur Messung eines zeitlich veränderlichen Eingangssignals verwendet wird, ist eine dynamische Kalibrierung erforderlich. Die Verwendung sinusförmiger Eingänge ist die einfachste und zuverlässigste Methode zur dynamischen Kalibrierung.
Bei der Auswahl eines geeigneten Sensors zur Bestimmung des erforderlichen physikalischen Parameters müssen eine Reihe statischer und dynamischer Faktoren berücksichtigt werden. Nachfolgend finden Sie eine Liste typischer Faktoren:
1. Bereich – die Differenz zwischen dem Maximal- und Minimalwert des Parametermessschwellenwerts.
2. Die Auflösung ist die kleinste Änderung, die der Sensor erkennen kann.
3. Genauigkeit ist die Differenz zwischen dem gemessenen Wert und dem wahren Wert.
4. Präzision – Fähigkeit, Messungen mit einer bestimmten Genauigkeit zu wiederholen.
5. Empfindlichkeit – das Verhältnis der Änderung des Ausgangssignals zur Änderung des Eingangssignals.
6.Null-Offset – Ein Ausgabewert ungleich Null für ein Null-Eingangssignal.
7. Linearität – Die prozentuale Abweichung von der besten linearen Kalibrierungskurve.
8. Nullpunktdrift – die Änderung des Ausgangssignals vom Nullwert für einen bestimmten Zeitraum, ohne dass sich das Eingangssignal ändert.
9. Reaktionszeit – Zeitintervall zwischen Eingangs- und Ausgangssignalen.
10. Bandbreite – die Frequenz, bei der die Ausgabe um 3 dB abfällt.
11. Resonanz ist die Frequenz, bei der die Ausgangsspitze auftritt.
12. Betriebstemperatur – der Temperaturbereich, in dem der Sensor verwendet werden sollte.
13. Totzone – der Bereich der Messwerte, die der Sensor nicht messen kann.
14. Signal-Rausch-Verhältnis – das Verhältnis zwischen den Amplituden des Signals und dem Ausgangsrauschen.
Die Auswahl eines Sensors, der alle oben genannten Anforderungen gemäß der erforderlichen Spezifikation erfüllt, ist schwierig. Die Wahl eines Positionssensors mit Mikrometergenauigkeit im Bereich von einem oder mehreren Metern scheidet beispielsweise für die meisten Sensoren aus. In vielen Fällen erfordert das Fehlen des erforderlichen Sensors einen kompletten Systemneuaufbau.
Sobald die oben genannten Funktionsfaktoren erfüllt sind, wird eine Liste von Sensoren erstellt. Die endgültige Wahl der Sensoren hängt von Größe, Signalkonditionierung, Zuverlässigkeit, Wartung und Kosten ab.