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Arbeitsbuch FP 1130

Festo Didactic

090165 de

Sensoren für Kraftund Druck

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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: [email protected]

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

4 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • FP 1130

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


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


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


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


als Differenzdruckschalter ____________________________________________C-29

Lösung 13

Dichtheitsprüfung von Druckbehältern __________________________________C-31

Lösung 14

Inbetriebnahme eines Staudruckschalters _______________________________C-33

Teil D – Anhang

Datenblätter


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


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?


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?


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?


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?


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?


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?


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?


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?


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?


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


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


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


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


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


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


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


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


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


als Differenzdruckschalter ____________________________________________A-83

Aufgabe 13

Dichtheitsprüfung von Druckbehältern __________________________________A-93

Aufgabe 14

Inbetriebnahme eines Staudruckschalters _____________________________ A-103

Teil A – Aufgaben


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) 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



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)



• 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


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


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