Reihe: Industrial IoT – Die smarte Fabrik verstehen (Teil 4)

Die Augen und Ohren der Fabrik: Eine Übersicht über Sensorprinzipien für das IIoT (Vibration, Temperatur, Strom, Füllstand etc.).

Von DerSchneider

Bisher haben wir uns mit der Architektur des IIoT beschäftigt, mit den verschiedenen Ebenen und Akteuren. Doch am Anfang jeder Wertschöpfungskette in der smarten Fabrik steht ein unscheinbares, aber fundamentales Element: der Sensor.

Ohne Sensoren bleibt das IIoT ein blinder, tauber und gefühlloser Körper. Sie sind es, die die Brücke zwischen der physischen Welt aus Stahl, Schmiermittel und rotierenden Wellen und der digitalen Welt aus Bits und Bytes schlagen. Sie liefern die Rohdaten, aus denen später Intelligenz entsteht.

Doch was für Sensoren gibt es eigentlich? Und welche physikalischen Prinzipien nutzen sie, um Phänomene wie Vibration oder Temperatur in elektrische Signale zu verwandeln? Ein Überblick über die wichtigsten Sensorarten in der industriellen Praxis.

1. Temperatursensoren: Das Fieber messen

Die Temperatur ist einer der universellsten Indikatoren für den Zustand von Maschinen und Prozessen. Ein heiß laufendes Lager, eine überhitzte Wicklung oder eine abweichende Prozesstemperatur – all das sind Frühwarnsignale.

• Widerstandsthermometer (Pt100, Pt1000): Sie nutzen den Effekt, dass der elektrische Widerstand von Metallen (meist Platin) mit der Temperatur steigt. Das Verhältnis ist sehr linear und genau, weshalb sie im Bereich von -200 °C bis +850 °C die erste Wahl für präzise Messungen sind.
• Thermoelemente (Typ K, J, N): Sie bestehen aus zwei unterschiedlichen Metalldrähten, die an einem Ende verbunden sind. Wird diese Verbindungsstelle erwärmt, entsteht eine kleine, sehr genau messbare Spannung (Thermospannung). Thermoelemente sind robuster und können extrem hohe Temperaturen (über 1000 °C) messen, sind aber etwas ungenauer als Widerstandsthermometer.
• Halbleitersensoren (z.B. LM75, DS18B20): Diese winzigen Chips sind billig, einfach zu verbauen und liefern bereits ein digitales Signal. Sie sind ideal für unzählige IIoT-Anwendungen, bei denen es auf moderate Genauigkeit und geringe Kosten ankommt.

2. Vibrationssensoren: Den Puls fühlen

Jede rotierende Maschine – ob Pumpe, Ventilator, Motor oder Turbine – schwingt in einem bestimmten Muster. Veränderungen in diesem Muster sind der Schlüssel zur prädiktiven Wartung. Sie verraten Unwuchten, Lager- oder Zahnradschäden, lange bevor die Maschine tatsächlich ausfällt.

• MEMS-Beschleunigungssensoren (z.B. ADXL345, MPU6050): Diese winzigen, aus der Consumer-Elektronik (Smartphones) bekannten Chips messen Beschleunigungskräfte. Sie sind klein, preiswert und für viele IIoT-Anwendungen völlig ausreichend, um Veränderungen im Schwingungsverhalten zu erkennen. Sie liefern oft Daten für drei Achsen (X, Y, Z).
• Piezoelektrische Sensoren (IEPE/ICP): Wenn Sie höchste Präzision benötigen, um feinste Schäden an Hochgeschwindigkeitsturbinen zu analysieren, kommen diese Klassiker zum Einsatz. Ein Kristall im Inneren wird durch die Vibration verformt und erzeugt eine propor-tionale elektrische Ladung. Sie sind robuster und genauer als MEMS, aber auch teurer und benötigen eine spezielle Elektronik.

3. Strom- und Spannungssensoren: Den Energiehaushalt verstehen

Die elektrische Aufnahme eines Motors oder einer ganzen Anlage verrät viel über deren Zustand und Auslastung. Plötzliche Stromspitzen, Oberschwingungen oder eine steigende Grundlast sind wertvolle Indikatoren.

• Shunt-Widerstände: Ein sehr präziser, kleiner Widerstand wird in den Stromkreis eingebaut. Der Spannungsabfall über diesem Widerstand ist proportional zum fließenden Strom. Einfach und genau, aber es muss eine galvanische Verbindung bestehen.
• Hall-Effekt-Sensoren: Sie nutzen das Magnetfeld, das jeder stromdurchflossene Leiter umgibt. Der Sensor wird um oder neben den Leiter geklemmt und misst berührungslos das Magnetfeld. Daraus wird der Strom berechnet. Der große Vorteil: keine Unterbrechung des Stromkreises und potenzialfreie Messung – ideal für die nachträgliche Installation.

4. Füllstandsensoren: Den Vorrat im Blick

Ob Schüttgut im Silo, Flüssigkeit im Tank oder Kühlmittel im Behälter – der Füllstand muss oft überwacht werden, um Engpässe zu vermeiden oder Leckagen zu erkennen.

• Ultraschallsensoren: Sie senden einen Schallimpuls aus und messen die Zeit, bis das Echo von der Oberfläche des Füllguts zurückkehrt. Berührungslos und vielseitig einsetzbar, aber bei Schaumbildung oder starkem Staub ungenau.
• Radarsensoren (FMCW – Frequency Modulated Continuous Wave): Ähnlich wie Ultraschall, aber mit elektromagnetischen Wellen im Gigahertz-Bereich. Sie sind deutlich robuster gegen Staub, Temperatur und Druck und daher die erste Wahl in anspruchsvollen Umgebungen wie der Chemieindustrie.
• Kapazitive Sensoren: Sie nutzen die Veränderung der elektrischen Kapazität, die entsteht, wenn ein Medium (z.B. Öl, Wasser, Granulat) in die Nähe oder zwischen zwei Elektroden gelangt. Einfach, robust und gut für die Grenzstanddetektion (Ist der Behälter voll?).

5. Weitere wichtige Sensortypen

• Drucksensoren (piezoresistiv, kapazitiv): Unverzichtbar in der Pneumatik, Hydraulik und Prozessindustrie, um den Druck in Leitungen und Behältern zu überwachen.
• Näherungssensoren (induktiv, kapazitiv, magnetisch): Sie erkennen berührungslos, ob sich ein Objekt (z.B. ein Werkstück, ein Kolben) an einer bestimmten Position befindet. Das Rückgrat der Automatisierungstechnik.
• Durchflusssensoren (magnetisch-induktiv, Ultraschall): Sie messen, wie viel Flüssigkeit oder Gas pro Zeit durch eine Leitung strömt – entscheidend für die Prozesskontrolle und Abrechnung.

Vom Sensor zum Signal

Der Sensor allein ist nur die halbe Miete. Sein analoges Signal (ein sich ändernder Widerstand oder eine Spannung) muss digitalisiert und für die Kommunikation aufbereitet werden. Hier kommen Analog-Digital-Wandler (ADCs) und Mikrocontroller ins Spiel. Sie wandeln die physikalische Größe in einen digitalen Zahlenwert um, den die nächste Ebene (das Gateway, die SPS) verstehen kann.

Diese Digitalisierung geschieht oft direkt im Sensor (moderne „intelligente Sensoren“) oder in einem angeschlossenen Mikrocontroller. Damit sind wir mitten im Thema des nächsten Artikels angelangt: Wie kommen diese Daten nun eigentlich vom Sensor in die Cloud? Wir werden uns mit den Protokollen beschäftigen, die die stille Unterhaltung der Maschinen ermöglichen.