Sensor

Ein Sensor erfasst eine physikalische oder chemische Größe — Temperatur, Druck, Weg, Durchfluss, Helligkeit, Anwesenheit — und gibt sie als elektrisches Signal aus. Er ist das Gegenstück zum Aktor, der den umgekehrten Weg geht und ein Signal in eine Wirkung umsetzt.

Beide bilden zusammen die Feldebene der Automatisierungspyramide: Der Sensor liefert der Steuerung ihr Bild der Welt, der Aktor führt ihre Entscheidung aus.

Sensor, Messumformer, Geber

Die Begriffe werden durcheinandergeworfen, meinen aber verschiedene Dinge.

Das Sensorelement ist der Teil, der die Größe tatsächlich aufnimmt — bei einem Widerstandsthermometer der Platinwiderstand, dessen Wert sich mit der Temperatur ändert. Sein Rohsignal ist winzig, nichtlinear und ohne Aufbereitung kaum brauchbar.

Der Messumformer sitzt dahinter und macht daraus ein verwendbares Signal: verstärken, linearisieren, Kennlinie korrigieren, auf ein Normsignal abbilden. Im englischen Sprachgebrauch heißt er Transmitter, was in deutschen Datenblättern oft unübersetzt bleibt.

Im Sprachgebrauch meint „Sensor" heute meistens beides zusammen in einem Gehäuse. Geber wiederum bezeichnet üblicherweise Sensoren für Weg, Winkel und Drehzahl — Drehgeber, Inkrementalgeber.

Die Signalarten

Woran ein Sensor angeschlossen wird, hängt davon ab, was hinten herauskommt.

Binär. Der Sensor sagt nur ja oder nein: Teil vorhanden, Endlage erreicht, Niveau überschritten. Näherungsschalter und Endschalter arbeiten so. Eine Ader, zwei Zustände, keine Zwischentöne.

Analog. Der Sensor gibt einen stetigen Wert aus, meist als Strom von 4 bis 20 Milliampere oder als Spannung von 0 bis 10 Volt.

Digital über Bus. Der Sensor liefert eine Zahl samt Zusatzangaben über Feldbus oder Funk.

Warum 4 bis 20 Milliampere und nicht 0 bis 20

Dahinter stecken zwei Überlegungen, die den Stromkreis dem Spannungssignal überlegen machen.

Der Nullpunkt liegt bei 4 mA, nicht bei null. Ein Messwert am unteren Anschlag sieht damit anders aus als eine unterbrochene Leitung. Fällt der Strom unter 4 mA oder auf null, liegt ein Drahtbruch vor — und die Steuerung erkennt das, statt stillschweigend „Minimum" zu melden. Genau diese Verwechslung ist bei 0-10 V nicht auflösbar.

Der Strom ist über die ganze Schleife gleich. Übergangswiderstände an Klemmen und Spannungsabfall auf langen Leitungen ändern ihn nicht. Ein Spannungssignal verliert dagegen über 50 Meter messbar an Höhe, und jede Klemme verschlechtert das Ergebnis.

Deshalb ist der Stromausgang in der Verfahrenstechnik bis heute der Standard, obwohl er älter ist als jede Digitaltechnik im Feld.

Anschluss und Speisung

Sensoren brauchen Strom, und wie sie ihn bekommen, bestimmt die Aderzahl:

• Zweileiter. Versorgung und Signal laufen über dieselben zwei Adern — der Sensor regelt seinen eigenen Verbrauch so, dass daraus das 4-20-mA-Signal wird. Sparsamste Verkabelung, aber das Gerät muss mit wenigen Milliampere auskommen.
• Dreileiter. Plus, Minus und eine Signalader. Üblich bei Näherungsschaltern.
• Vierleiter. Versorgung und Signal getrennt. Nötig bei höherem Eigenverbrauch und bei genauen Messungen, bei denen der Leitungswiderstand herausgerechnet werden muss.

Bei binären Sensoren kommt die Frage PNP oder NPN hinzu — schaltet der Ausgang gegen Plus oder gegen Minus. In Europa ist PNP vorherrschend, in Asien NPN. Ein Sensor mit der falschen Ausführung lässt sich nicht anklemmen; er ist deshalb eine der häufigsten Fehlbestellungen überhaupt.

Vom Signal zur Zahl

Zwischen Sensor und Programm liegt die Abtastung, und dort entstehen Fehler, die nicht im Sensor stecken.

Die Auflösung des Eingangs begrenzt, wie fein überhaupt unterschieden wird. Ein Sensor mit 0,1 Grad Genauigkeit an einem groben Eingang liefert keine 0,1 Grad.

Die Zykluszeit der Steuerung begrenzt, was überhaupt gesehen wird. Ein Impuls, der kürzer ist als ein Zyklus, kann vollständig zwischen zwei Abtastungen verschwinden — die Steuerung bemerkt ihn nie. Schnelle Zählvorgänge brauchen deshalb Eingänge, die unabhängig vom Zyklus arbeiten.

Und bei der Angabe im Datenblatt lohnt der zweite Blick: Genauigkeit sagt, wie nah der Wert am wahren Wert liegt, Wiederholgenauigkeit, wie gut zwei Messungen derselben Größe übereinstimmen. Für eine Regelung ist oft die zweite wichtiger — ein gleichbleibender Fehler lässt sich herausrechnen, ein schwankender nicht. Dazu kommt die Drift: die Verschiebung über Zeit und Temperatur, gegen die nur regelmäßiges Kalibrieren hilft.

Sensoren, die mehr sagen als ihren Messwert

Ein analoger Sensor überträgt eine Zahl, sonst nichts. Ob er verschmutzt ist, ob er seit Jahren nicht kalibriert wurde, ob seine Temperatur im zulässigen Bereich liegt — all das bleibt unsichtbar.

Digitale Sensoren ändern das. Sie melden zusätzlich ihren Zustand, lassen sich aus der Ferne parametrieren und beim Austausch mit den Einstellungen des Vorgängers laden. Über OPC UA kommt die Beschreibung des Messwerts gleich mit — Einheit, Bereich, Bedeutung —, statt in einer Tabelle gepflegt werden zu müssen.

Im Gebäude und im Haushalt laufen Sensoren meist batteriebetrieben über Funk: Fensterkontakte, Bewegungsmelder, Temperaturfühler über ZigBee, Z-Wave oder Thread, am Bussystem auch über KNX. Weil solche Geräte die meiste Zeit schlafen, melden sie Werte in Abständen statt laufend — eine Batterie hält Jahre, der Messwert ist dafür nie ganz aktuell. Von dort führt der Weg über MQTT oder ein Gateway weiter ins Netz.

Normen

• IEC 60751 – Platin-Widerstandsthermometer, darunter Pt100 und Pt1000
• IEC 60584 – Thermoelemente und ihre Kennlinien
• IEC 60947-5-2 – Näherungsschalter
• IEC 61131-2 – Anforderungen an Ein- und Ausgänge von Steuerungen
• IEC 61131-9 – IO-Link als Punkt-zu-Punkt-Schnittstelle zum Sensor