Lernfeld 7 · Prüfung Teil 2

Sensoren und Signalwandler

Näherungsschalter, Lichttaster, Drehgeber und Messumformer kurz erklärt: Auswahl, PNP und NPN, Einheitssignale und typische Prüfungsfehler.

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Darum geht es

Sensoren melden der Steuerung, was an der Maschine passiert. Binäre Sensoren wie Näherungsschalter liefern nur 0 oder 1, analoge Sensoren und Messumformer geben einen Messwert als Einheitssignal aus, meist $4$ bis $20 mA$ oder $0$ bis $10 V$ . Drehgeber liefern Impulse oder eine Positionszahl.

Die Auswahl richtet sich nach dem Objekt. Induktive Näherungsschalter erkennen nur Metall, bei Aluminium oder Kupfer sinkt der Schaltabstand deutlich (Reduktionsfaktor). Kapazitive Sensoren erfassen fast jedes Material, auch Granulat oder Flüssigkeit durch eine Kunststoffwand. Optische Sensoren arbeiten berührungslos über größere Strecken, bei durchsichtigen oder spiegelnden Teilen brauchst du eine geeignete Bauart oder Ultraschall. Zylinderendlagen fragst du meist mit Magnetfeldsensoren am Kolbenmagneten ab.

Beim Anschluss zählt die Ausgangsart. Ein PNP-Ausgang schaltet das Plus auf die Last, die Last liegt gegen 0 V. Ein NPN-Ausgang schaltet nach 0 V. Passt die Ausgangsart nicht zur Eingangskarte, kommt kein Signal an, obwohl die Sensor-LED leuchtet.

Bei Messumformern rechnest du den Messwert linear aus dem Signal zurück. Ein Inkrementalgeber zählt Impulse ab einem Referenzpunkt, ein Absolutwertgeber kennt seine Lage auch nach einem Spannungsausfall sofort.

Das solltest du dir merken

Induktiv nur Metall, kapazitiv fast alles, optisch auf Abstand, Magnetfeldsensor für Zylinderendlagen.
PNP schaltet Plus auf die Last, NPN schaltet nach 0 V; Sensor und Eingangskarte müssen zusammenpassen.
Der sichere Arbeitsschaltabstand liegt unter dem Bemessungsschaltabstand, bei Stahl höchstens bei 81 %.
4 bis 20 mA hat einen lebenden Nullpunkt: unter 4 mA liegt ein Fehler wie Drahtbruch vor.
Ein Absolutwertgeber braucht nach dem Einschalten keine Referenzfahrt, ein Inkrementalgeber schon.

Formeln

Messwert aus Stromsignal 4 bis 20 mA: $x = x_{min} + \frac{I - 4 mA}{16 mA} \cdot (x_{max} - x_{min})$; $x$ Messwert, $x_{min}$ und $x_{max}$ Grenzen des Messbereichs, $I$ gemessener Strom in mA
Arbeitsschaltabstand: $s_{a} \leq 0, 81 \cdot s_{n}$; $s_{a}$ gesicherter Arbeitsschaltabstand in mm, $s_{n}$ Bemessungsschaltabstand in mm (bezogen auf Stahl)
Auflösung eines Inkrementalgebers an einer Spindel: $Δ s = \frac{P}{z}$; $Δ s$ Weg je Impuls in mm, $P$ Spindelsteigung in mm, $z$ Impulse je Umdrehung (ggf. mal Auswertefaktor)

Typische Fehler in der Prüfung

Bei 4 bis 20 mA mit 20 mA Spanne gerechnet statt mit 16 mA; der Nullpunkt liegt bei 4 mA.
Induktiven Sensor für Kunststoff oder Glas gewählt; er erkennt nur Metall.
PNP-Sensor durch NPN ersetzt; die LED leuchtet, aber der SPS-Eingang bekommt kein Signal.
Leitungswiderstand bei Pt100 in Zweileitertechnik vergessen; die Temperatur wird zu hoch angezeigt.

Tipps aus der Werkstatt

Induktiv erkennt nur Metall, kapazitiv fast alles (auch Flüssigkeiten und Kunststoff), optisch alles, was Licht unterbricht oder reflektiert, magnetisch den Kolbenmagneten im Zylinder. PNP schaltet Plus auf die Last (Last liegt an Minus), NPN schaltet Minus (Last liegt an Plus).
Inkrementalgeber zählen Impulse und brauchen nach dem Einschalten eine Referenzfahrt, Absolutwertgeber kennen ihre Position sofort. Beim Pt100 verfälscht der Leitungswiderstand den Messwert, deshalb Drei- oder Vierleiter verwenden.

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20 Aufgaben zu „Sensoren und Signalwandler“, falsche Antworten kommen in der Runde noch einmal.

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Grundlage: Rahmenlehrplan Mechatroniker/-in, Lernfeld 7 (KMK); DIN EN 60947-5-2 Näherungsschalter. Eigene Erklärung, keine Originalaufgaben der Prüfungsausschüsse.