Sensoren sind die Sinnesorgane der vernetzten Fabrik. Sie erfassen physikalische Größen, wandeln sie in elektrische Signale um und machen sie für digitale Systeme nutzbar. Die Auswahl des richtigen Sensors für eine spezifische Aufgabe ist entscheidend für die Qualität der erfassten Daten und damit für den Nutzen des gesamten Systems.
Grundprinzip der Sensorik
Jeder Sensor wandelt eine physikalische Größe in ein messbares Signal um. Die Qualität eines Sensors wird durch mehrere Kenngrößen beschrieben:
Messbereich definiert den Bereich der physikalischen Größe, den der Sensor erfassen kann. Ein Temperatursensor mit Messbereich -20 bis 150 Grad Celsius eignet sich nicht für Anwendungen in der Nähe von Schmelzöfen.
Auflösung beschreibt den kleinsten Unterschied, den ein Sensor erkennen kann. Ein Temperatursensor mit einer Auflösung von 0,1 Grad ist präziser als einer mit 1 Grad Auflösung.
Genauigkeit gibt an, wie nah der gemessene Wert am tatsächlichen Wert liegt. Auflösung und Genauigkeit sind nicht dasselbe: Ein Sensor kann hohe Auflösung bei schlechter Genauigkeit haben.
Wiederholbarkeit beschreibt, ob der Sensor bei denselben Bedingungen dieselben Werte liefert. Für Trendanalysen und Condition Monitoring ist Wiederholbarkeit oft wichtiger als absolute Genauigkeit.
Schutzklasse (IP-Schutz) gibt an, wie gut der Sensor gegen Staub und Feuchtigkeit geschützt ist. In der Produktion sind IP67 oder höher oft notwendig.
Temperatursensoren
Temperatur ist eine der am häufigsten gemessenen Größen in der Produktion. Anwendungen reichen von der Überwachung von Maschinentemperaturen bis zur Prozesskontrolle in Wärmebehandlungsanlagen.
Thermoelemente messen Temperaturen über einen weiten Bereich, typischerweise -200 bis 1700 Grad Celsius. Sie sind robust, kostengünstig und reaktionsschnell. Nachteil: Relativ geringe Genauigkeit und Signaldrift über Zeit. Einsatz vor allem in Hochtemperaturanwendungen wie Öfen und Gießereien.
PT100 und PT1000 (Widerstandsthermometer) sind genauer als Thermoelemente und stabiler über Zeit. Messbereich typischerweise -200 bis 850 Grad Celsius. Einsatz in Anwendungen mit mittleren Temperaturen und Anforderungen an Genauigkeit, zum Beispiel Klimatisierung, Kühlanlagen und Prozessüberwachung.
Infrarotsensoren messen Temperaturen berührungslos über die Wärmestrahlung eines Objekts. Vorteil: keine mechanische Verbindung zum Messobjekt notwendig. Einsatz bei bewegten Teilen, heißen Oberflächen oder schwer zugänglichen Stellen. Nachteil: Emissionsgrad des Messobjekts beeinflusst das Ergebnis.
Vibrationssensoren
Vibrationsmessungen sind zentrales Werkzeug der vorausschauenden Wartung. Veränderte Vibrationsmuster weisen auf Lagerschäden, Unwuchten, Riemenverschleiß oder andere mechanische Probleme hin, bevor ein Ausfall eintritt.
Piezoelektrische Beschleunigungssensoren sind die am häufigsten eingesetzten Vibrationssensoren in der Industrie. Sie erfassen Beschleunigungen über einen weiten Frequenzbereich und sind robust gegenüber Umgebungseinflüssen. Einsatz an Elektromotoren, Pumpen, Kompressoren und Getrieben.
MEMS-Beschleunigungssensoren (Micro-Electro-Mechanical Systems) sind kleiner und günstiger als piezoelektrische Sensoren, aber weniger empfindlich bei hohen Frequenzen. Gut geeignet für kostengünstige Condition-Monitoring-Lösungen mit niedrigeren Frequenzanforderungen.
Die Montage des Vibrationssensors hat erheblichen Einfluss auf die Messqualität. Schraubverbindungen sind Klebeverbindungen vorzuziehen, da sie bessere Signalübertragung bieten. Der Sensor sollte so nah wie möglich am Lager oder der Fehlerquelle montiert werden.
Drucksensoren
Druckmessungen sind in vielen Produktionsprozessen unverzichtbar: Hydraulikanlagen, Pneumatiksysteme, Kompressoren, Pumpen und Rohrleitungssysteme werden über Drucksensoren überwacht.
Piezoresistive Drucksensoren sind in der Industrie weit verbreitet. Sie sind robust, genau und in einem großen Druckbereich erhältlich. Einsatz in Hydraulik, Pneumatik und allgemeiner Prozessüberwachung.
Kapazitive Drucksensoren bieten hohe Genauigkeit auch bei kleinen Druckunterschieden. Geeignet für Anwendungen mit niedrigen Drücken und hohen Genauigkeitsanforderungen.
Differenzdrucksensoren messen den Druckunterschied zwischen zwei Punkten. Anwendung zum Beispiel zur Überwachung von Filterbelastungen: Wenn der Differenzdruck über einem Filter steigt, ist ein Filterwechsel fällig.
Durchflusssensoren
Durchflussmessungen werden in der Produktion für die Überwachung von Kühlmitteln, Hydraulikölen, Druckluft und Prozessmedien eingesetzt.
Magnetisch-induktive Durchflussmesser messen den Durchfluss elektrisch leitfähiger Flüssigkeiten berührungslos. Sie haben keine beweglichen Teile und sind wartungsarm. Einsatz bei Kühlwasser, Reinigungsmedien und anderen leitfähigen Flüssigkeiten.
Ultraschalldurchflussmesser können von außen an bestehende Rohrleitungen geklemmt werden, ohne in die Leitung einzugreifen. Vorteil: kein Eingriff in die Rohrleitung notwendig. Einsatz dort, wo nachträgliche Installation ohne Rohrtrennung erforderlich ist.
Coriolis-Massendurchflussmesser messen den tatsächlichen Massendurchfluss, nicht nur das Volumen. Sie sind sehr genau, aber auch teuer. Einsatz in Prozessen, wo Massendurchfluss für Qualität oder Abrechnung entscheidend ist.
Positionssensoren und Näherungsschalter
Positionssensoren und Näherungsschalter erfassen die Anwesenheit oder Position von Objekten und sind in der Produktion allgegenwärtig.
Induktive Näherungsschalter erkennen metallische Objekte berührungslos. Robust, langlebig und preiswert. Einsatz zur Positions- und Anwesenheitserkennung von Metallteilen an Maschinen und Förderanlagen.
Kapazitive Näherungsschalter erkennen auch nichtmetallische Materialien wie Kunststoff, Holz oder Flüssigkeiten. Einsatz zur Füllstandsüberwachung und Erkennung nichtmetallischer Objekte.
Optische Sensoren (Lichtschranken und Reflexionslichttaster) erkennen Objekte über Lichtstrahlen. Einsatz zur Anwesenheitserkennung, Zählung und Positionierung.
Lineare und rotative Encoder messen Positionen und Wege präzise. Einsatz in Antrieben, CNC-Maschinen und überall dort, wo exakte Positionierung notwendig ist.
Auswahl und Integration
Bei der Auswahl eines Sensors sind neben den technischen Anforderungen mehrere praktische Aspekte zu berücksichtigen:
Schnittstelle und Protokoll: Für die Integration in IIoT-Systeme sind Sensoren mit digitalen Schnittstellen wie IO-Link bevorzugt. IO-Link ermöglicht nicht nur die Übertragung von Messwerten, sondern auch die Fernkonfiguration und Diagnose des Sensors.
Energieversorgung: In der Fabrik stehen meist Netzspannung oder 24-Volt-Gleichspannung zur Verfügung. Für schwer zugängliche Einbaustellen oder temporäre Messungen sind batteriebetriebene Funksensoren sinnvoll.
Kalibrierung und Wartung: Sensoren driften über Zeit. Für qualitätsrelevante Messungen ist eine regelmäßige Kalibrierung notwendig. Der Aufwand dafür sollte bei der Systemplanung berücksichtigt werden.
Häufig gestellte Fragen
Wie viele Datenpunkte sollte ein Condition-Monitoring-System pro Maschine erfassen?
Das hängt von der Maschine und dem Anwendungsfall ab. Für eine einfache Zustandsüberwachung an einem Elektromotor reichen drei bis fünf Datenpunkte: Vibration in drei Achsen, Temperatur und Betriebsstunden. Für komplexere Anlagen mit vielen Komponenten können deutlich mehr Datenpunkte sinnvoll sein.
Wie oft sollen Sensordaten erfasst werden?
Die Erfassungsfrequenz hängt von der Dynamik des überwachten Prozesses ab. Für Temperaturüberwachung reichen oft Messintervalle von einer Minute. Für Vibrationsanalysen, die auf hohe Frequenzen ausgewertet werden, werden Samplingraten von mehreren Kilohertz benötigt.
Was kostet eine typische Condition-Monitoring-Installation?
Hardware für einen einfachen Sensorknoten mit Vibration, Temperatur und Übertragungseinheit liegt bei 500 bis 2.000 Euro pro Maschine. Hinzu kommen Installationskosten und die Plattform für Datenspeicherung und Auswertung.
