Sensoren – Signalarten (binär, analog, digital)

Ein Sensor ist ein Bauteil, das eine physikalische Größe erfasst und in ein elektrisches Signal umwandelt. Die erfasste Größe – etwa Temperatur, Weg oder Druck – heißt Messgröße. Der konkrete Zahlenwert, den der Sensor zu einem Zeitpunkt liefert, ist der Messwert.

Damit ist ein Sensor im CORE ein Wandler: Auf der einen Seite steht die physikalische Welt, auf der anderen ein elektrisches Ausgangssignal. Dieses Signal ist der Informationsträger – die Spannung, der Strom oder die Bitfolge, mit der die Information zur Steuerung transportiert wird.

In der Werkstattsprache werden ein paar Begriffe gern durcheinandergeworfen. Ein Schalter liefert nur zwei Zustände und wird oft von Hand betätigt. Ein Geber (engl. Encoder) ist ein Sensor, der meist Position oder Drehwinkel als Zählwert oder codierte Folge ausgibt. Allgemein bleibt „Sensor“ der Oberbegriff für jedes signalgebende Erfassungselement.

Warum steht die Signalart so im Mittelpunkt? Weil sie bestimmt, an welchen Eingang einer Steuerung der Sensor gehört und wie sein Signal interpretiert wird. Ein Sensor mit Schaltsignal kommt an einen Digitaleingang, ein stufenloser Sensor an einen Analogeingang. Verwechselt man das, funktioniert die Anlage nicht – unabhängig davon, wie gut der Sensor die physikalische Größe erfasst.

Das einfachste Signal kennt nur zwei Zustände. Entweder ist Spannung da oder nicht. Entweder ist ein Objekt vorhanden oder nicht. Ein binäres Signal trägt damit genau eine Ja/Nein-Information, oft beschrieben als 0 und 1, als „aus“ und „ein“ oder als LOW und HIGH.

Im industriellen Umfeld werden diese Zustände meist über feste Spannungspegel dargestellt. Verbreitet ist das 24-V-Gleichspannungsniveau: rund 0 V bedeuten den Zustand 0 (LOW), rund 24 V den Zustand 1 (HIGH). Zwischen beiden Pegeln liegt ein Bereich, der nicht eindeutig zugeordnet ist – deshalb arbeiten binäre Sensoren mit einem klaren Umschaltpunkt.

Damit das Umschalten nicht bei jeder kleinen Schwankung hin- und herspringt, nutzt man eine Hysterese: Der Einschaltpunkt liegt etwas höher als der Ausschaltpunkt. Nähert sich zum Beispiel ein Metallteil einem Sensor, schaltet dieser bei einem bestimmten Abstand ein und erst bei einem etwas größeren Abstand wieder aus. So entsteht ein stabiles, sauber definiertes Schaltverhalten ohne Flattern im Grenzbereich.

Binäre Sensoren gibt es als Schließer (Ausgang wird im aktiven Zustand leitend, Signal geht auf HIGH) und als Öffner (Ausgang ist im Ruhezustand leitend und wird beim Auslösen abgeschaltet). Welche Variante man wählt, hängt von der Sicherheitslogik der Anwendung ab.

Typische Vertreter dieser Gruppe sind mechanische Endschalter, induktive und kapazitive Näherungsschalter sowie einfache Lichtschranken. Sie alle melden lediglich „Zustand erreicht – ja oder nein“. Die genaue Funktionsweise dieser Sensortypen ist jeweils ein Thema für sich.

Viele Größen lassen sich nicht in „ja oder nein“ pressen. Eine Temperatur steigt langsam an, ein Druck schwankt, ein Füllstand wandert kontinuierlich. Für solche Größen braucht es ein analoges Signal: Es kann jeden Wert innerhalb seines Bereichs annehmen und folgt der Messgröße stufenlos.

Damit Sensoren verschiedener Hersteller zusammenpassen, haben sich genormte Signalbereiche durchgesetzt. Am häufigsten sind die Spannungssignale 0–10 V und die Stromsignale 4–20 mA. Der untere und obere Wert des Signals stehen dabei für den unteren und oberen Wert des Messbereichs.

Beim Stromsignal fällt auf, dass es nicht bei 0 mA, sondern bei 4 mA beginnt. Dieser Versatz heißt Lebend-Null (Live Zero). Er hat einen handfesten Nutzen: Misst die Steuerung 0 mA, ist das kein gültiger Messwert, sondern ein Hinweis auf einen Leitungsbruch oder einen Sensorausfall. Bei einem 0–10-V-Signal lässt sich ein Drahtbruch dagegen nicht so leicht von einem echten Minimalwert unterscheiden.

Hinter der Bevorzugung des Stromsignals in der Industrie steckt vor allem die Verkabelung. Jede Leitung hat einen Leitungswiderstand, der mit der Länge wächst. Bei einem Spannungssignal entsteht an diesem Widerstand ein Spannungsabfall – je länger die Leitung, desto stärker weicht die am Eingang ankommende Spannung vom Sendewert ab, und der Messwert wird verfälscht. Ein eingeprägter Strom dagegen bleibt entlang der gesamten Schleife konstant, unabhängig von der Leitungslänge. Voraussetzung ist nur, dass der Eingangswiderstand der Auswertung, die Bürde, innerhalb des zulässigen Bereichs liegt. Deshalb setzt man bei langen Wegen praktisch immer auf 4–20 mA, obwohl ein Spannungssignal messtechnisch oft einfacher zu handhaben wäre.

Der Zusammenhang zwischen Signal und Messgröße ist in aller Regel linear. Kennt man die beiden Eckpunkte – das Signal bei kleinster und größter Messgröße – lässt sich aus jedem Signalwert die zugehörige Messgröße berechnen:

Umgekehrt kann man zu einem gewünschten Messwert das nötige Signal bestimmen – das ist wichtig, wenn man einen Analogausgang für einen Aktor vorgeben muss:

Wie fein ein analoges Signal tatsächlich verwertet werden kann, hängt von der Auflösung der nachgeschalteten Erfassung ab. Das Signal selbst ist stufenlos – sobald es aber in einer Steuerung verarbeitet wird, wird es in Stufen zerlegt. Dieser Schritt führt direkt zum nächsten Kapitel.

Auf den ersten Blick wirken „binär“ und „digital“ wie Synonyme – beide arbeiten schließlich mit 0 und 1. Der Unterschied liegt in der Menge der Information. Ein binäres Signal trägt genau ein Bit, also eine einzige Ja/Nein-Aussage. Ein digitales Signal setzt mehrere Bit zu einer codierten Zahl zusammen und kann damit viele verschiedene Werte darstellen. Das binäre Signal ist also der Sonderfall des digitalen Signals mit nur einem Bit.

Mehrere Bit zusammengefasst ergeben ein Wort. Mit jedem zusätzlichen Bit verdoppelt sich die Anzahl der unterscheidbaren Werte. Die Anzahl der Stufen, die ein digitales Signal mit n Bit darstellen kann, ist:

Mit 8 Bit lassen sich also 256 Stufen unterscheiden, mit 12 Bit bereits 4096. Diese Stufenzahl ist die Auflösung des Signals: Je mehr Bit, desto feiner kann ein Wertebereich abgebildet werden. Anders als das stufenlose Analogsignal ist ein digitales Signal damit immer wertdiskret – es kann nur die vorhandenen Stufen annehmen, keine Werte dazwischen.

Ein digitales Signal ist zudem zeitdiskret. Der wert wird nicht ununterbrochen geliefert, sondern in festen Zeitabständen erfasst. Wie oft das geschieht, wird über die zeitliche Abtastung festgelegt – je schneller sich eine Größe ändert, desto häufiger muss abgetastet werden, damit der Verlauf richtig wiedergegeben wird. Die genauen Regeln dieser Umsetzung von analog nach digital sind ein eigenes Thema; für die Signalart genügt: Ein Digitalsignal ist sowohl in seinen werten als auch in der Zeit gestuft.

Übertragen wird die codierte Zahl als Bitfolge. Manche Sensoren geben die Bits nacheinander über eine Leitung aus, andere über mehrere parallele Leitungen gleichzeitig. Wie die Bits konkret über Bussysteme oder Schnittstellen laufen, gehört in den Bereich der Datenübertragung und wird hier nicht weiter vertieft.

Wer die drei Signalarten kennt, kann eine Anlage gezielt aufbauen. In der Praxis fällt die Wahl meist anhand von drei Fragen: Wie viel Information wird gebraucht? Wie lang sind die Leitungen? Wie stark ist die Umgebung gestört?

Ein binäres Signal genügt überall dort, wo nur ein Zustand interessiert – Tür offen oder zu, Werkstück da oder nicht. Es ist robust und einfach zu verdrahten. Ein analoges Signal braucht man, sobald ein stufenloser wert gefragt ist, etwa bei Druck, Temperatur oder Füllstand. Ein digitales Signal spielt seine Stärke aus, wenn viele werte präzise und störsicher übertragen werden sollen.

Bei der Störfestigkeit gibt es klare Unterschiede. Analoge Signale sind empfindlich: Jede eingekoppelte Störung verfälscht den wert direkt, weil jeder Spannungs- oder Strompegel als gültiger Messwert definiert wird. Binäre und digitale Signale sind unempfindlicher, weil sie nur zwischen festen Pegeln unterscheiden – kleine Störungen werden ausgeblendet, solange die Schwellen nicht überschritten werden.