Lernfeld 7 · Prüfung Teil 2

Sensoren, Aktoren und Signalwandlung

Sensoren und Aktoren in cyber-physischen Systemen: Messkette, Einheitssignale 4 bis 20 mA und 0 bis 10 V, Pt1000, ADU-Auflösung und Umrechnung.

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Darum geht es

Ein cyber-physisches System verbindet reale Vorgänge mit Software über ein Netz. Sensoren erfassen physikalische Größen wie Temperatur, Druck oder Füllstand, Aktoren wie Motoren, Ventile oder Relais greifen in den Prozess ein. Die Messkette führt vom Sensor über den Messumformer, der ein Einheitssignal erzeugt, zum Analog-Digital-Umsetzer (ADU) und zur Auswertung.

Das Einheitssignal 4 bis 20 mA hat einen lebenden Nullpunkt: 4 mA bedeuten Messbereichsanfang, ein Strom von 0 mA zeigt Drahtbruch. Ein Stromsignal ist bei langen Leitungen störfester als ein Spannungssignal, weil Leitungswiderstand und eingekoppelte Spannungen es kaum verändern. Kann die Steuerung nur Spannung messen, setzt man einen Bürdenwiderstand ein, 250 Ω machen aus 4 bis 20 mA etwa 1 bis 5 V. Gegen Störungen helfen geschirmte, paarig verdrillte Leitungen und getrennte Verlegung von Energiekabeln.

Für die Sensorwahl zählt das Wirkprinzip. Induktive Näherungsschalter erkennen nur Metall, kapazitive auch Kunststoff, Holz oder Flüssigkeit, sogar durch eine Behälterwand. Ultraschallsensoren messen die Laufzeit eines Echos. Ein Pt1000 hat bei 0 °C genau 1000 Ω, sein Widerstand steigt mit der Temperatur. In Zweileitertechnik verfälscht der Leitungswiderstand die Messung nach oben; Drei- oder Vierleitertechnik gleicht das aus. Ein PNP-Ausgang schaltet das Plus-Potenzial auf den Eingang. Ein ADU mit $n$ Bit teilt den Messbereich in $2^{n}$ Stufen.

Das solltest du dir merken

4 bis 20 mA hat einen lebenden Nullpunkt, 0 mA bedeutet Drahtbruch.
Induktive Sensoren erkennen nur Metall, kapazitive auch Nichtmetalle.
Ein Pt1000 hat bei 0 °C einen Widerstand von 1000 Ω.
In Zweileitertechnik zeigt ein Pt-Fühler wegen der Leitung zu hohe Temperaturen.
Jedes zusätzliche Bit halbiert den Spannungsschritt eines ADU.

Formeln

Messwert aus 4 bis 20 mA: $x = x_{min} + \frac{I - 4 mA}{16 mA} \cdot (x_{max} - x_{min})$; $x$ Messwert in der Einheit des Messbereichs, $I$ gemessener Strom in mA
Spannung am Bürdenwiderstand: $U = I \cdot R_{B}$; $U$ Spannung in V, $I$ Signalstrom in A, $R_{B}$ Bürdenwiderstand in Ω
Widerstand eines Pt-Fühlers: $R_{ϑ} = R_{0} \cdot (1 + α \cdot ϑ)$; $R_{0}$ Widerstand bei 0 °C, $α \approx 3, 85 \cdot 1 0^{- 3} 1/K$ , $ϑ$ Temperatur in °C
Auflösung eines ADU: $U_{LSB} = \frac{U _{max}}{2 ^{n}}$; $U_{LSB}$ Spannung je Schritt, $U_{max}$ Messbereich in V, $n$ Anzahl der Bit
Entfernung per Ultraschall: $d = \frac{c \cdot t}{2}$; $c$ Schallgeschwindigkeit in m/s (Luft etwa 343 m/s bei 20 °C), $t$ Laufzeit hin und zurück in s

Typische Fehler in der Prüfung

Bei 4 bis 20 mA durch 20 mA statt durch die Spanne von 16 mA geteilt.
Den Nullpunkt von 4 mA vor der Umrechnung nicht abgezogen.
Bei der Ultraschallmessung die Laufzeit nicht halbiert.
Einen induktiven Sensor für Kunststoffteile gewählt.

Tipps aus der Werkstatt

Bei 4 bis 20 mA rechnest du mit der Spanne von 16 mA: Messwert = (I − 4 mA) / 16 mA mal Messbereich. Der „lebende Nullpunkt“ bei 4 mA verrät dir Drahtbruch, das kann 0 bis 20 mA nicht.
ADC-Auflösung = Eingangsbereich geteilt durch 2 hoch Bitzahl; 10 Bit sind 1024 Stufen. Bei Widerstandsfühlern in Zweileitertechnik addiert sich der Leitungswiderstand zum Messwert, Drei- oder Vierleiter beheben das.

Sitzt das Thema? Teste dich mit echten Prüfungsfragen.

21 Aufgaben zu „Sensoren, Aktoren und Signalwandlung“, falsche Antworten kommen in der Runde noch einmal.

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Grundlage: Rahmenlehrplan IT-Systemelektroniker/-in (KMK 2019), Lernfeld 7; DIN IEC 60381-1 (Einheitssignal 4 bis 20 mA); DIN EN 60751 (Pt-Fühler). Eigene Erklärung, keine Originalaufgaben der Prüfungsausschüsse.