¶ Sensoren
Sensoren, auch Detektoren, Sonden oder Mess-Fühler bzw. Mess-Aufnehmer genannt, dienen zur Erfassung verschiedener Messgrößen und beruhen auf den verschiedenen Messprinzipien und Anwendungsgebieten. Mithilfe dieser Messprinzipien wird die zu messende Größe in ein elektrisches Signal umgewandelt [2]. In der Landwirtschaft werden Sensoren für verschiedenste Anwendungsgebiete eingesetzt, z.B.: Tiersensoren, Ertragssensoren, Füllstandsensoren, Radar, NIR Sensoren, Durchflusssensoren.
¶ Beschreibung
Ein Sensor ist ein technisches Bauteil, das in Systemen integriert wird, um physikalische Größen zu erfassen. Diese erfassten Größen können entweder direkt angezeigt oder zur weiteren Verarbeitung, beispielsweise in Regelkreisen, genutzt werden. [2]
¶ Beispiel
Ein Thermostat am Heizkörper dient als praktisches Beispiel für einen solchen Regelkreis zur Steuerung der Raumtemperatur. Dabei fungiert ein Temperaturfühler als Sensor, der auf Temperaturänderungen reagiert. Bei Erwärmung dehnt sich das im Fühler enthaltene Medium aus und betätigt über einen Mechanismus das Ventil des Heizkörpers. Dies führt dazu, dass bei Erreichen der gewünschten Temperatur die Warmwasserzufuhr reduziert oder gestoppt wird. Sinkt die Raumtemperatur unter den eingestellten Wert, zieht sich das Medium im Fühler zusammen. Dadurch öffnet sich das Ventil und mehr warmes Wasser fließt in den Heizkörper, um die Temperatur anzuheben. Dieser Mechanismus ermöglicht die automatische Regulierung der Raumtemperatur ohne elektronische Komponenten. In diesem Regelkreis übernimmt der Sensor (Temperaturfühler) die essenzielle Aufgabe, die Ist-Temperatur zu erfassen und mit der Soll-Temperatur abzugleichen. Ohne diese Rückkopplung wäre lediglich eine manuelle Steuerung möglich, bei der die Warmwassermenge fest eingestellt wird. Dies würde jedoch zu unkontrollierten Temperaturschwankungen führen, beispielsweise durch äußere Einflüsse wie geöffnete Fenster oder veränderte Außentemperaturen. [3].
Moderne digitale Thermostate hingegen wandeln die gemessene Temperatur elektronisch um und ermöglichen präzisere Einstellungen sowie zusätzliche Funktionen, wie programmierbare Heizzeiten oder Fernsteuerung.
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die Führungsgröße w der Soll-Temperatur die Regelabweichung e der Differenz Soll zu Ist-Temperatur die Stellgröße u der Ventilöffnung zur Änderung des Warmwasserdurchflusses die Regelgröße y die gemessene Ist-Temperatur durch den Temperatursensor |
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¶ Merkmale:
Ein Messgerät besteht typischerweise aus mehreren Komponenten:
Aufnahmeeinheit: Hier befindet sich der eigentliche Sensor, der die physikalische Größe erfasst und in ein elektrisches Signal umwandelt.[4]
Auswerteeinheit: Diese verarbeitet das vom Sensor kommende Signal, verstärkt es gegebenenfalls und bereitet es für die Anzeige oder Weiterleitung auf.[4]
Anzeigeeinheit: Der aufbereitete Messwert wird dem Benutzer präsentiert, entweder analog mittels eines Zeigers und einer Skala oder digital auf einem Display.[5]
Einige Messgeräte verfügen zudem über eine Bedieneinheit, die es ermöglicht, Einstellungen vorzunehmen oder bestimmte Funktionen auszuwählen. In modernen Anwendungen sind auch Messgeräte ohne eigene Anzeige üblich. Bei diesen erfolgt die Anzeige der Messwerte durch Übertragung an externe Geräte wie Smartphones oder Tablets über drahtlose Technologien wie WLAN oder Bluetooth [4]. Ein Beispiel hierfür sind Blutdruckmessgeräte, die ihre Daten kabellos an eine App auf dem Smartphone senden, wo sie weiter analysiert und gespeichert werden können. Diese drahtlose Übertragung ermöglicht eine flexible und mobile Messwerterfassung, die in vielen Bereichen wie der Industrie, der Medizin oder der Umwelttechnik eingesetzt wird.
So vielfältig die Prinzipien und Anwendungen von Sensoren sind, gibt es grundlegende Eigenschaften [5]
- Empfindlichkeit bzw. Auflösung der Messgröße: Bei welchem Messgrößenunterschied wird eine Änderung sicher detektiert? Oder gibt es nur eine qualitative Bestimmung der Messgröße?
- Einsatzbereich: Ab und bis zu welcher Messgröße liefert der Sensor Messwerte?
- Ansprechzeit: Wie lange dauert es, bis ein Messgrößenunterschied detektiert wird? Wie ist die technische Zeitauflösung?
- Querempfindlichkeit: Bei einigen Messprinzipien gibt es Störgrößen, die die Messgröße beeinflussen, obwohl sie nichts mit der eigentlichen Zielgröße zu tun haben. So ist z.B. die Infrarot-Strahlung, die zur Oberflächentemperaturmessung verwendet wird, auch stark von der Farbe der zu messenden Oberfläche abhängig. [7]
¶ Beispiel
Wieder am Beispiel eines Temperatur-Sensors – dem PT100 - werden diese Eigenschaften im Folgenden erklärt: Das Messprinzip beruht hierbei auf der Widerstandsänderung bei Temperaturänderung. Der PT100 hat bei 0°C einen Widerstand von 100 Ohm, welcher sich etwa um 0.39 Ohm je Grad Celsius erhöht.
- Die Auflösung der Temperaturmessung hängt direkt mit der Widerstandsmessung zusammen und ist „beliebig“ klein, d.h. bei einer Digitalisierung des Messsignals von der Auflösung des Analog-Digitalwandler abhängig.
- Der Einsatzbereich liegt zwischen -200°C und 850°C
- Die Ansprechzeit ist von der Wärmekapazität der Sensormasse abhängig, da sie von der zu messenden Proben erwärmt werden muss. Die technische Zeitauflösung hängt wiederum nur mit der Widerstandsmessung zusammen und kann fast beliebig kurz werden bis ns-Bereich.
- Als Querempfindlichkeit ist durch das Messprinzip einerseits der Widerstandseinfluss des Anschlusskabels zu nennen, welcher durch eine Kompensation durch mehrere Referenzleitungen minimiert werden kann, andererseits gibt es durch den Messprozess der Widerstandsmessung mit elektrischem Strom auch eine Eigenerwärmung des Sensors.
¶ Varianten:
Es gibt sehr viele verschiedene Sensoren; eine Auswahl ist in Tabelle 1 mit den zugehörigen Messprinzipien gegeben. [1]
Tabelle 1: Sensoren und deren Messprinzipien – eine Auswahl
| Sensor | Messprinzip |
|---|---|
| Temperatursensor | Thermoelement: Nutzung des Seebeck-Effekts, bei dem eine Spannung erzeugt wird, wenn zwei unterschiedliche Metalle erhitzt werden. Thermistor: Nutzung der temperaturabhängigen Änderungen des elektrischen Widerstands von Metallen oder Keramiken |
| Drucksensor | Piezoelektrischer Sensor: Nutzung des piezoelektrischen Effekts, bei dem Druck eine elektrische Spannung erzeugt. |
| Lichtsensor | Fotodiode: Nutzung des inneren fotoelektrischen Effekts, bei dem Licht auf eine Halbleiteroberfläche trifft und Strom erzeugt. |
| Beschleunigungssensor | MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems): Nutzung kleiner mechanischer Strukturen, die sich unter Beschleunigung bewegen und Kapazitätsänderungen erzeugen. |
| Feuchtigkeitssensor | Hygrometer: Nutzung von Materialien, die ihre elektrische Kapazität oder ihren Widerstand in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit ändern. |
| Dehnungssensor | Dehnungsmessstreifen: Nutzung des piezoresistiven Effekts, bei dem Dehnung den Widerstand eines Materials ändert. |
| Magnetfeldsensor | Hall-Effekt-Sensor: Nutzung des Hall-Effekts, bei dem ein Magnetfeld eine Spannung in einem stromdurchflossenen Leiter erzeugt. |
| Gassensor | Halbleiter-Gassensor: Nutzung von Halbleitermaterialien, deren Leitfähigkeit sich bei Anwesenheit bestimmter Gase ändert. |
| pH-Sensor | Glaselektrode: Nutzung des Potentials, das an der Grenzfläche zwischen Glasmembran und der Lösung aufgrund der Wasserstoffionen-Konzentration entsteht. |
| Infrarotsensor | Pyroelektrischer Sensor: Nutzung des pyroelektrischen Effekts, bei dem Temperaturänderungen eine elektrische Spannung in einem kristallinen Material erzeugen. |
¶ Beispiel
Die Erscheinungsform von Sensoren kann höchst unterschiedlich sein. So gibt es Temperatursensoren von der temperaturabhängigen unterschiedlichen Ausdehnung einer Bimetall Spirale eines Zeigerthermometers (Abbildung 4) bis hin zum digitalen Infrarot Temperaturmessgerät (Abbildung 5). Bei sogenannten Teilchendetektoren zum Aufspüren atomarer Teilchen gibt es zur qualitativen Darstellung eine einfache Nebelkammer (Abbildung 6) oder auch einen hausgroßen Teilchendetektor bei CERN (Abbildung 7).
 Abbildung 4: Zeigerthermometer Quelle: Bimetall-Zeigerthermometer |
 Abbildung 5: Infrarot Temperaturmessgerät Quelle: Pyrometer |
 Abbildung 6: einfache Nebelkammer Quelle: Cloud chamber bionerd |
 Abbildung 7: Teilchendetektor Quelle: File:CERN ALICE Experiment.jpg - Wikimedia Commons |
¶ Anmerkung durch den Autor:
Auch wenn viele Sensoren vom Namen her selbsterklärend sind, sollte Vorsicht geboten sein, wenn man den Messwerten blind vertraut: Ein Temperatursensor sollte die Temperatur messen. Wird als Messprinzip nicht die Wärmeausdehnung oder Widerstandsänderung verwendet, sondern die Infrarot Strahlung, so ist die Temperatur nur eine Einflussgröße auf den eigentlichen Messwert IR Strahlung; neben der Reflexion von anderen Strahlungsquellen an der zu messenden Oberfläche spielen auch die Emissionseigenschaften (Farbe) des zu messenden Objektes eine Rolle und sind bei der Temperaturmessung störend. So gibt es zu nahezu jedem Messprinzip Störgrößen, die die eigentliche Messgröße beeinflussen und nicht direkt etwas mit der Zielgröße zu tun haben.
Tabelle 2: Sensorprinzipien und deren Beeinflussung durch Störgrößen – eine Auswahl
| Sensor | Eigentliche Messgröße | Störgröße | Zielgröße |
| Thermoelement | Elektrische Spannung | Kabellänge, Eigenerwärmung | Temperatur |
| Widerstandsthermometer | Elektrischer Widerstand | Kabellänge, Eigenerwärmung | Temperatur |
| Infrarot Thermometer | IR Strahlung | Farbe | Temperatur |
| Tachometer | Radumdrehung | Schlupf | Geschwindigkeit |
| pH-Sensor | Elektrisches Potential | Temperatur, chemische Einflüsse | Wasserstoffionenaktivität |
| NDVI (normalisierter differenzierter Vegetationsindex) – optischer Sensor | IR zu Rot Reflexion | Schatten, Boden, Winkel, Verschmutzung | Biomasse |
| NIR Sensor z.B. zur Bestimmung des Stickstoffgehaltes in Gülle | Reflexionsspektrum der Probe | Verschmutzung im optischen Pfad, Zusatzstoffe in Gülle (speziell: Stickstoffsalze haben kein Einfluss auf das Reflexionsspektrum), Kalibrationsmodell | Gesamt- und Ammoniumstickstoffkonzentration |
¶ Anwendungsbereich
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¶ Quellen
- Wie funktionieren Sensoren und warum sind sie unverzichtbar?
- Einführung in die Sensorik und in die elektronische Messtechnik
- Heizkörperthermostate – so funktionieren sie
- Messtechnik und Sensorik
- Sensoren in Wissenschaft und Technik
- Elektrische Messgeräte
¶ Weiterführende Quellen
¶ Autoren
Dr. Eiko Thiessen, Christian-Albrechts-Universität Kiel, Institut für Landwirtschaftliche Verfahrenstechnik