月: 2023年3月

Was ist ein Industrielle Endoskope?

Ein Industrielles Endoskope ist ein Instrument, das die Beobachtung von Bereichen ermöglicht, die mit bloßem Auge nicht einsehbar sind, wie z. B. enge Räume und gewundene Rohre.

Am Ende einer langen, dünnen Sonde ist eine Kamera angebracht, die auf dem zu untersuchenden Teil positioniert werden kann, um das Innere durch das Okular zu betrachten, oder die Bilder können auf einen Monitor oder PC projiziert werden, um das Innere in Echtzeit zu beobachten.

Die geeignete Auflösung, Schärfentiefe, Länge der Sonde und der Haupteinheit, Flexibilität der Sonde, Anzahl der Lichtquellen, operativer Temperaturbereich usw. müssen je nach Beobachtungsziel, Anwendung und Betriebsumgebung ausgewählt werden. Es gibt auch eine Funktion, mit der Videobilder aufgezeichnet werden können, was für eine spätere Überprüfung und Datenverwaltung nützlich ist.

Darüber hinaus sind neuere Industrielle Endoskope mit Hochleistungskameras und LED-Leuchten ausgestattet, die klarere Bilder liefern.

Anwendungen für Industrielle Endoskope

Industrieendoskope werden in vielen Bereichen der Industrie eingesetzt, z. B. im Automobilbau, in der Luftfahrt, in Kraftwerken und in der Infrastruktur wie der Gas- und Wasserversorgung.

1. In der Automobil-, Flugzeug-, Eisenbahn- und Schiffsindustrie

Inneninspektion von Motoren, Hydraulikkomponenten, Einspritzdüsen, Turbinen usw.

2. Energiewirtschaft

Wartung und Inspektion von Kondensatoren, Rohrleitungen, Turbinen usw. in Kern- und Wärmekraftwerken.

3. Tiefbau und Bauwesen

Wartung von Brücken, Diagnose von Stahlrahmen, Inspektion von Unterböden und Decken usw.

4. Infrastruktur

Inspektion von Rost, Korrosion, Verstopfung usw. von Rohren in Wasser- und Gasanlagen.

Prinzip der Industriellen Endoskope

Ein Endoskop besteht aus drei Komponenten: einem Beleuchtungsmechanismus, einer Kamera und einer Bildverarbeitungsfunktion. Am Ende des Endoskops befindet sich eine spiegelnde Oberfläche oder optische Linse, die das Bild an die Kamera weiterleitet. Für die Übertragung des Lichts wird eine Faseroptik verwendet, die durch einen starren Schlauch oder eine flexible Hülle geschützt ist.

Endoskope werden für die zerstörungsfreie Prüfung eingesetzt, um den Zustand von Bauteilen und Strukturen im Inneren zu beurteilen, wobei die Bilder während der Inspektion in Echtzeit angezeigt werden können.

Sie sind äußerst schwierig zu bedienen und müssen von Technikern mit spezieller Ausbildung bedient werden.

Arten von Industriellen Endoskopen

Industrielle Endoskope bestehen aus einer Haupteinheit und einer Sonde, von denen einige über einen Monitor verfügen, andere an einen PC angeschlossen werden können und wieder andere durch ein Okular blicken.

Es gibt verschiedene Arten von Industriellen Endoskopen, darunter Videoskope, Fiberskope und Hardskope.

1. Videoskope

Dieses zeichnet sich durch eine kleine Spezialkamera aus, die an der Spitze der Sonde angebracht ist und es ermöglicht, Bilder in Echtzeit auf einem speziellen Display oder einem Smartphone zu betrachten. Gleichzeitig können auch Standbilder aufgenommen werden, und einige können die Länge des Objekts messen.

Sie sind nicht nur wasserdicht, sondern können auch zur Untersuchung des Inneren von Unterwassergeräten und Rohrleitungen verwendet werden.

2. Fiberskope

Hauptsächlich für die zerstörungsfreie Inspektion und Reparatur verwendet. Kennzeichnend ist der Einsatz von Sonden, die aus Tausenden bis Zehntausenden von flexiblen Glasfasern bestehen.

Jede Glasfaser sammelt Licht und ermöglicht es, mit einem Okular auf der anderen Seite ein Bild zu erhalten. Da jede Glasfaser wie eine Kamera funktioniert, spiegelt das resultierende Bild den Schatten der Wabenstruktur der Glasfasern wider.

3. starrer Spiegel

Das von der Objektivlinse aufgenommene Bild wird durch eine Relaislinse übertragen. Der Sondenteil der Relaislinse ist ein Metallrohr und kann nicht gebogen werden. Er zeichnet sich durch seinen einfachen Aufbau und seine leichte Bedienbarkeit aus.

Starre Spiegel bestehen aus einer Lichtquelle, einer optischen Faser, einer Linse und einer Kamera und werden in medizinischen Anwendungen wie Chirurgie, Behandlung und Beobachtung von Läsionsstellen eingesetzt.

Merkmale für Industrielle Endoskope

1. Viele Funktionen

Industrielle Endoskope sind mit einer Vielzahl von nützlichen Funktionen ausgestattet. Einige Produkte bieten eine Zoomfunktion auf dem Monitor oder einen Temperatursensor und eine Alarmfunktion am Ende des Kamerakabels.

Andere Produkte verfügen über ein Freisprechmikrofon für die Audio- und Videoaufzeichnung, eine ultrahelle weiße LED an der Spitze, mit der die Helligkeit des Motivs nach Wunsch eingestellt werden kann, und eine Blitzfunktion mit LEDs, was sie zu nützlichen Geräten für eine breite Palette von Anwendungen macht. Es handelt sich um ein praktisches Gerät, bei dem Sie die Funktion wählen können, die Ihren Bedürfnissen am besten entspricht.

Darüber hinaus können viele Produkte Daten an einen PC oder einen TV-Monitor ausgeben, so dass die Bilder mit mehreren Personen geteilt werden können.

2. Hohe Hitzebeständigkeit

Einige Industrielle Endoskope sind hitzebeständig, so dass sie sich für die Beobachtung des Inneren von Rohren und Maschinen eignen. Beispielsweise kann die Temperatur von Motoröl in Kraftfahrzeugen manchmal weit über 100 °C liegen, so dass Endoskope mit hitzebeständigen Eigenschaften von bis zu 200 °C verwendet werden sollten.

Was ist ein Flüssigkeitsstandanzeiger?

Ein Flüssigkeitsstandanzeiger ist ein Instrument, das die Höhe des Flüssigkeitsstands in einem Behälter oder Tank misst.

In einigen Fällen kann es auch die verbleibende Menge an Pulver messen. Sie werden manchmal auch als Füllstandsanzeiger bezeichnet.

Je nach dem zu messenden Objekt und den Einsatzbedingungen wurden verschiedene Messverfahren entwickelt, darunter Schwimmer-, Rohr- und Ultraschallmessgeräte. Genauigkeit und Zuverlässigkeit sind bei Flüssigkeitsstandanzeigern wichtig.

Eine regelmäßige Wartung und Kalibrierung von Flüssigkeitsstandanzeigern ist notwendig, da fehlerhafte Flüssigkeitsstandmessungen den Produktionsprozess beeinträchtigen können. Bei richtiger Pflege ist eine genaue Füllstandsmessung auf lange Sicht gewährleistet.

Verwendungszwecke von Flüssigkeitsstandanzeigern

Flüssigkeitsstandanzeiger werden in einer Vielzahl von Branchen und Anwendungen eingesetzt

1. Die Erdölindustrie

In der Mineralölindustrie werden Flüssigkeitsstandanzeiger zur Verwaltung von Kraftstoffvorräten und zur Festlegung von Lieferplänen eingesetzt. Sie werden auch als Sensoren zur Erkennung von Kraftstofflecks verwendet.

2. Lebensmittelindustrie

In der Lebensmittelindustrie werden Flüssigkeitsstandanzeiger bei der Herstellung von Milch und Käse eingesetzt. Sie dienen zur Kontrolle der Produktqualität und zur Bestimmung des Füllstands von Behältern, wodurch die Effizienz der gesamten Produktionslinie verbessert wird.

3. Chemische Industrie

Flüssigkeitsstandanzeiger ermöglichen die Messung des Füllstandes von Behältern für flüssige Chemikalien. Sie werden zur Prozesssteuerung und Qualitätskontrolle eingesetzt.

Prinzip der Flüssigkeitsstandanzeiger

Flüssigkeitsstandanzeiger nutzen Auftrieb, Druck und elektrische Phasenunterschiede zur Messung von Flüssigkeitsständen. Durch die Kombination dieser Prinzipien und zusätzliche Innovationen wurden genauere Flüssigkeitsstandanzeiger entwickelt.

1. Auftriebstyp

Bei Auftriebsmessgeräten wird der Flüssigkeitsstand durch einen in der Flüssigkeit schwimmenden Körper gemessen.

2. Phasendifferenzmessgeräte

Phasendifferenzsysteme messen den Flüssigkeitsstand, indem sie ein elektrisches Hochfrequenzsignal in die Flüssigkeit senden und die Phasendifferenz zwischen dem Signal, das an der Grenze zwischen der Flüssigkeit und dem Gas reflektiert wird, messen.

3. Drucktyp

Der Drucktyp misst den Flüssigkeitsstand durch Messung des Drucks, der durch das Gewicht der Flüssigkeit erzeugt wird.

Arten von Flüssigkeitsstandanzeigern

Es gibt verschiedene Arten von Flüssigkeitsstandanzeigern, je nach Messverfahren. Im Folgenden sind Beispiele für verschiedene Arten von Flüssigkeitsstandanzeigern aufgeführt.

1. Flüssigkeitsstandanzeiger

Ein Flüssigkeitsstandanzeiger misst den Flüssigkeitsstand mit Hilfe eines Schwimmers, auch Schwimmer genannt. Der Schwimmer, der einen Magneten oder ein anderes Element enthält, schwimmt auf der Flüssigkeitsoberfläche und gibt ein Signal aus. Das Messprinzip ähnelt dem eines Kugelhahns, der auch für die Toilettenspülung usw. verwendet wird, und verfügt häufig über einen elektrischen Kontaktausgang, so dass er zur Steuerung verwendet werden kann.

Flüssigkeitsstandanzeiger lassen sich grob in zwei Typen einteilen: aufziehbare und nicht aufziehbare. Zu den aufziehbaren Typen gehören federausgeglichene und gegengewichtige Typen, während zu den nicht aufziehbaren Typen Armschwimmer und Kugelschwimmer gehören.

2. Flüssigkeitsstandanzeiger in Rohrform

Flüssigkeitsstandanzeiger messen den Flüssigkeitsstand, indem ein Rohr, das mit der Höhe des Flüssigkeitsstandes verbunden ist, außen am Behälter angebracht wird. Besteht das Rohr aus Glas, kann der Flüssigkeitsstand von außen visuell überprüft werden. Der Einbau eines Flüssigkeitsstandanzeigers sollte bei der Konstruktion von Tanks und Behältern berücksichtigt werden.

Flüssigkeitsstandanzeiger werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z. B. zur Messung des Flüssigkeitsstands in Kesseln und Wassertanks.

3. Flüssigkeitsstandanzeiger mit Ultraschall

Bei diesem Verfahren wird der Flüssigkeitsstand gemessen, indem Ultraschallwellen auf die Flüssigkeitsoberfläche gesendet und die Zeit gemessen wird, in der die Wellen zurückgeworfen werden. Es zeichnet sich dadurch aus, dass der Flüssigkeitsstandanzeiger und die zu messende Flüssigkeit nicht miteinander in Berührung kommen und dass es leicht zu installieren ist.

Da die Ultraschallsysteme eine Umwandlung des Signals in den Flüssigkeitsstand erfordern, werden sie im Allgemeinen mit einer Steuerplatine zur Berechnung geliefert. Sie sind in der Lage, kontinuierlich zu messen, und verfügen häufig über ein analoges Ausgangssignal.

4. Flüssigkeitsstandanzeiger mit Differenzdruck

Hierbei handelt es sich um einen Flüssigkeitsstandanzeiger, der den Druckunterschied zwischen dem Boden und der Oberseite des Tanks oder eines anderen Messobjekts in einen Flüssigkeitsstand umwandelt, indem er den Druckunterschied zwischen dem Boden und der Oberseite misst. Er kann nicht ohne weiteres nachgerüstet werden, da die Dichte der Flüssigkeit bekannt sein muss und ein Messstutzen am Boden des Tanks erforderlich ist.

Sie können jedoch auch in geschlossenen Behältern verwendet werden und sind daher in Druckbehältern wie z. B. Kesseln weit verbreitet.

5. Kapazitiver Flüssigkeitsstandanzeiger

Eine Elektrode wird in den Tank eingeführt, und Änderungen der elektrostatischen Kapazität an der Elektrode werden erfasst und in den Flüssigkeitsstand umgerechnet. Es zeichnet sich dadurch aus, dass es in rauen Umgebungen wie hohen Temperaturen und hohem Druck eingesetzt werden kann.

Auswahl eines Flüssigkeitsstandanzeigers

Es ist wichtig, einen Flüssigkeitsstandanzeiger zu wählen, der der Art und den Eigenschaften der Flüssigkeit entspricht. Wenn die Flüssigkeit korrosiv ist oder hohen Temperaturen und Drücken ausgesetzt ist, eignet sich ein Druckmessgerät mit hoher Lebensdauer und hoher Genauigkeit. Handelt es sich hingegen um eine flüchtige Flüssigkeit, eignen sich Auftriebsstandanzeiger und Phasenunterschiedsstandanzeiger.

Die Messgenauigkeit ist ein weiterer wichtiger Faktor. Die erforderliche Messgenauigkeit hängt von der Art und Temperatur der zu messenden Flüssigkeit ab. Bei der Auswahl eines Flüssigkeitsstandanzeigers ist es wichtig, die geeignete Messgenauigkeit zu wählen.

Auch der Typ des Flüssigkeitsstandanzeigers sollte entsprechend dem Einbauort gewählt werden. Kleinere Flüssigkeitsstandanzeiger sind für den Einbau in engen Räumen geeignet. Es gibt auch Flüssigkeitsstandanzeiger mit speziellen Formen, um der komplexen Geometrie von Tanks gerecht zu werden.

Auch die funktionellen Aspekte des Flüssigkeitsstandanzeigers sollten berücksichtigt werden. Für eine effiziente Bedienung und Überwachung können Flüssigkeitsstandanzeiger mit Fernsteuerungs- und Datenerfassungsfunktionen gewählt werden.

Was ist ein Fototransistoren?

Ein Fototransistor ist ein Halbleiterbauelement zur Erfassung von Licht.

Seine Struktur ist eine Kombination aus einer Fotodiode und einem Transistor. Je nach Gehäuse sind sie in verschiedenen Formen erhältlich, so dass je nach Anwendung die richtige Wahl getroffen werden muss.

Verwendungszwecke von Fototransistoren

Fototransistoren werden häufig als lichtempfindliche Sensoren eingesetzt. Insbesondere haben sie eine Spitzenempfindlichkeit um 800 nm und werden daher häufig für den Empfang von Infrarotlicht verwendet.

Konkrete Beispiele für die Verwendung von Fototransistoren sind “Lichtintensitätsmessung”, “Infrarot-Fernbedienungsempfänger”, “fotoelektrische Sensorempfänger” und “optische Kommunikation”. Insbesondere werden sie häufig in Kombination mit Infrarot-LEDs in Fernbedienungen für Fernseher und Klimaanlagen eingesetzt.

Eine Anwendung für die optische Kommunikation ist der von Internetanbietern angebotene optische Kommunikationsdienst Giganet. Für den Lichtempfang dieser Kommunikation werden Fototransistoren mit hoher Geschwindigkeit verwendet, die sich ideal für die Kommunikation eignen.

Fototransistoren werden manchmal auch als Sensoren in automatischen Türen verwendet. Darüber hinaus werden sie in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z. B. als lichtgesteuerte Schalter, da sie einen Strom erzeugen, wenn Licht erkannt wird.

Aufbau eines Fototransistors

Fototransistoren sind Halbleiterbauelemente mit einer NPN-Struktur. Dank dieser NPN-Struktur haben Fototransistoren ein größeres Ausgangssignal als Fotodioden. (Siehe Abbildung 2, linkes Diagramm)

Durch die NPN-Struktur des Fototransistors wird das Ausgangssignal der Fotodiode durch einen Transistor verstärkt. Wenn Licht einfällt, das der Energielücke des Halbleiters entspricht, werden Elektronen im Valenzband in das Leitungsband angeregt.

Dies führt zu einer Wanderung in die N-Schicht, während Löcher in die P-Schicht wandern. Dieser Transfer von der N- zur P-Schicht verursacht eine Vorwärtsspannung am Übergang, die zu einem Stromfluss führt. (Siehe Abbildung 2, rechte Seite).

Die in Fototransistoren verwendeten Transistoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie keine Basiselektrode besitzen. Der durch den Lichtempfang erzeugte Photostrom wird jedoch zum Basisstrom, der am Kollektor verstärkt wird.

Merkmale von Fototransistoren

Die Verstärkung des Basisstroms ist hFE (Transistorverstärkungsfaktor) mal so hoch wie bei anderen Transistoren. Eine Besonderheit von Fototransistoren ist jedoch, dass selbst bei ähnlichem hFE mal hFE relativ große hFE’s verwendet werden.

Dadurch kann das Signal an der winzigen Fotodiode als großer Kollektorstrom entnommen werden, aber es ist zu beachten, dass am Kollektor-Basis-Übergang ständig Strom entweicht und dieser Leckstrom ebenfalls verstärkt wird.

Mit anderen Worten, ein Fototransistor hat auch in völlig dunkler Umgebung einen schwachen Stromfluss. Dieser schwache Strom, der auch in einer dunklen Umgebung fließt, wird als Dunkelstrom bezeichnet. Der von einem Fototransistor erzeugte Dunkelstrom ist das interne Rauschen eines Lichtsensors. Es ist jedoch möglich, dieses interne Rauschen zu unterdrücken.

Der Dunkelstrom hat die Eigenschaft, bei hoher Temperatur anzusteigen und umgekehrt bei niedriger Temperatur abzunehmen. Diese Eigenschaft kann daher genutzt werden, um das Gerät zu kühlen und das interne Rauschen zu unterdrücken.

Weitere Informationen über Fototransistorenn

1. Fotodioden und -transistoren

Wie in Abb. 3, linkes Diagramm, dargestellt, verschiebt sich die IV-Kennlinie einer Fotodiode entsprechend der Lichtintensität nach unten (blaue Linie wird zur grünen Linie), wenn sie beleuchtet wird. Diese Änderung der IV-Kennlinie ist ein Maß für die Lichtintensität. Da der Ausgangsstrom jedoch in der Größenordnung von uA liegt, würde der Ausgang in seiner jetzigen Form die Schaltung in den nachfolgenden Stufen verkomplizieren.

Durch die Kombination eines Fototransistors mit einer Fotodiode und einem Transistor kann der Fotostrom, der beim Empfang von Licht durch die Fotodiode erzeugt wird, um den Faktor hFE mal dem Gleichstromverstärkungsfaktor des Transistors verstärkt werden. Der Fototransistor ist daher empfindlicher als die Fotodiode, und der Ausgangsstrom des Fototransistors liegt in der Größenordnung von mA, was die Schaltung in den nachfolgenden Stufen vereinfacht. (Siehe Abbildung 3, rechte Seite).

Die Empfindlichkeit des Fototransistors ist mehrere hundert Mal höher als die der Fotodiode, und wenn eine noch höhere Empfindlichkeit erforderlich ist, kann durch die Verwendung eines Fototransistors in Darlington-Schaltung eine mehrere hundert Mal höhere Empfindlichkeit erzielt werden. Damit lassen sich Helligkeiten von mehreren Lux erkennen.

2. Unterschied zwischen CDS und Fototransistor

Ein CDS ist ein Fotowiderstand, auch CDS-Zelle oder fotoleitende Zelle genannt; der Widerstand eines CDS nimmt umgekehrt proportional zur Beleuchtungsstärke ab, die er empfängt. Mit anderen Worten: Der Widerstand ist höher, wenn die Beleuchtungsstärke dunkel ist, und niedriger, wenn die Beleuchtungsstärke hell ist.

Die Vorteile von CDS liegen darin, dass die winzige Empfindlichkeitscharakteristik der des menschlichen Sehvermögens nahe kommt, der Aufbau einfach ist, die Empfindlichkeit hoch und der Preis niedrig ist.

Beispiele hierfür sind “Beleuchtungsstärkemesser”, “Belichtungsmesser für Kameras” und “Helligkeitsdetektoren für automatische Blinklichter”. Allerdings ist Cadmiumsulfid, das Hauptmaterial, das als Element in CDS verwendet wird, ein umweltschädlicher Stoff. Aus diesem Grund wurden CDS in den letzten Jahren immer weniger eingesetzt.

Fototransistoren hingegen liefern einen zur Beleuchtungsstärke proportionalen Ausgangsstrom. Ein weiterer Vorteil ist die hohe Empfindlichkeit, die sich aus der Struktur der Kombination von Fotodiode und Transistor ergibt.

Was ist ein Elektronenmikroskope?

Ein Elektronenmikroskop ist ein Mikroskop, das eine Probe durch die Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl beobachtet. Aufgrund der extrem kurzen Wellenlänge des Elektronenstrahls ist es möglich, ultrafeine Strukturen sichtbar zu machen, die mit einem Lichtmikroskop nicht beobachtet werden können. Es gibt zwei Haupttypen von Elektronenmikroskopen: solche, die die Durchlässigkeit des Elektronenstrahls als Bild ausgeben, und solche, die das durch die Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl und der Probe erzeugte Signal abbilden.

Die meisten Elektronenmikroskope, die als Produkte verkauft werden, sind für industrielle Materialien bzw. für die Betrachtung biologischer Proben optimiert. Elektronenmikroskope werden häufig auch als Elektronenmikroskope oder EM für ihre englische Abkürzung abgekürzt.

Verwendungszwecke von Elektronenmikroskopen

In der Industrie werden Elektronenmikroskope eingesetzt, um die Bruchfläche von beschädigten Metallteilen zu analysieren und die Ursache der Beschädigung zu ermitteln sowie die Oberfläche verarbeiteter Materialien zu beobachten, um deren Qualität zu überprüfen. Außerdem werden mit dem Elektronenmikroskop die instrumentellen Eigenschaften von makromolekularen Polymeren durch Beobachtung ihrer Netzwerke untersucht und das Vorhandensein von Verunreinigungen beurteilt. In den Biowissenschaften wird sie zur Visualisierung der Mikrostruktur intrazellulärer Organellen und zur Kartierung neuronaler Verbindungen durch die Beobachtung verflochtener Nervenzellen eingesetzt. Außerdem wurde sie 2017 mit dem Nobelpreis für Chemie für ihre mögliche Anwendung bei der Strukturanalyse von Proteinen durch einfache Vorbehandlung der Proben ausgezeichnet.

Grundlagen der Elektronenmikroskopie

Die Elemente, aus denen ein Elektronenmikroskop besteht, sind eine Quelle, eine Linse und ein Detektor, und allein schon vom Aufbau her ähnelt es dem eines Lichtmikroskops. Jedes dieser Elemente unterscheidet sich jedoch grundsätzlich von dem eines Lichtmikroskops.

Erstens werden Elektronenstrahlen sofort abgeschwächt und vernichtet, wenn sie mit Molekülen und anderen Objekten in der Luft zusammenstoßen. Daher muss der Elektronenstrahl in einem Vakuum erzeugt und bestrahlt werden.

Zweitens sind Glaslinsen, wie sie in der allgemeinen Optik verwendet werden, durchsichtig, so dass zur Brechung der Elektronenstrahlen magnetische Linsen verwendet werden müssen, bei denen ein Magnetfeld angelegt wird, um die Elektronenstrahlen zu bündeln.

Charakteristisch für solche Linsen ist, dass sie große optische Aberrationen aufweisen, und um dies zu verbessern, werden sie mit einer kleinen Apertur konstruiert. Dadurch haben Elektronenmikroskope eine große Schärfentiefe und können dreidimensionale Objekte mit großer Tiefe beobachten.

Die gängigen Elektronenmikroskope lassen sich in zwei Kategorien einteilen

1. Die Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM)

Bei dieser Methode wird ein Elektronenstrahl durch die Probe geschickt und der Kontrast anhand der Abschwächung des Strahls ermittelt. Damit der Elektronenstrahl die Probe durchdringen kann, muss die Dicke der Probe so eingestellt werden, dass sie sehr dünn ist. Die Stärke der Elektronen wird als Beschleunigungsspannung bezeichnet, und bei einer Beschleunigungsspannung von 300 kV beträgt die Wellenlänge 0,00197 nm, was extrem kurz ist, und die Auflösung 0,1 nm, was in der Größenordnung des ursprünglichen Materials liegt. Dies kann in eine maximale Vergrößerung von 800.000x umgewandelt werden, die 800 Mal höher ist als die eines optischen Mikroskops, was die hohe Auflösung zeigt. Transmissions-Elektronenmikroskope beobachten die Elektronen, die durch die Probe hindurchgehen, und eignen sich daher hervorragend für die Betrachtung der inneren Struktur einer Probe, z. B. der Kristallstruktur innerhalb eines sehr kleinen Bereichs.

2. Rasterelektronenmikroskopie (SEM)

Wenn Materialien im Vakuum mit Elektronenstrahlen bestrahlt werden, werden Sekundärelektronen, reflektierte Elektronen und charakteristische Röntgenstrahlen emittiert. Bei der Elektronenmikroskopie werden Bilder aus Sekundärelektronen und reflektierten Elektronensignalen durch Abtasten räumlich fokussierter Elektronenstrahlen erzeugt. Die Sekundärelektronen werden aus der Nähe der Probenoberfläche erzeugt, so dass sich das Sekundärelektronenbild für die Betrachtung der mikroskopischen Unregelmäßigkeiten der Probe eignet. Die Anzahl der reflektierten Elektronen hängt von der Zusammensetzung der Probe ab (Ordnungszahl, Kristallorientierung usw.). Das reflektierte Elektronenbild eignet sich daher zur Beurteilung der Zusammensetzung der Probenoberfläche.

Wenn ein Elektronenstrahl auf eine Probe trifft, werden die Atome, aus denen ihre Oberfläche besteht, angeregt und geben Elektronen ab. Andere Emissionen, wie reflektierte Elektronen und charakteristische Röntgenstrahlen, werden als Sekundärelektronen bezeichnet und durch Punktabtastung der Intensität der emittierten Sekundärelektronen ermittelt.

Was man nur mit einem Elektronenmikroskop beobachten kann

Elektronenmikroskope haben im Vergleich zu gewöhnlichen Lichtmikroskopen eine extrem hohe Auflösung, so dass sie z. B. die winzigen Gewebestrukturen von Zellen und Metallkristallen in der Größenordnung von Atomen beobachten können.

Am Beispiel der Zelle: Mit der Lichtmikroskopie lassen sich die feinen Strukturen der Zelle mit Ausnahme des Zellkerns nicht detailliert beobachten, mit der Elektronenmikroskopie hingegen schon. Dies ermöglicht detaillierte Untersuchungen verschiedener Funktionen, wie z. B. die Funktionsweise von Enzymen innerhalb der Zelle und Reaktionen von Zellstrukturen.

Was ist ein Näherungssensoren?

Ein Näherungssensor ist ein Sensor, der die Kontaktstelle ein- bzw. ausschaltet, wenn das zu erfassende Objekt o. Ä. in die Nähe kommt, ohne dass ein physischer Kontakt besteht. Im Gegensatz zu mechanischen Schaltern zeichnen sich Näherungssensoren dadurch aus, dass sie keinen physischen Kontakt mit dem zu erfassenden Objekt herstellen, um den Kontaktpunkt ein- oder auszuschalten.

Bei Näherungssensoren gibt es im Wesentlichen drei Erfassungsmethoden: induktiv, kapazitiv und magnetisch. Diese Erkennungsmethoden ermöglichen eine Erkennung ohne Kontakt mit dem zu erkennenden Objekt. Näherungssensoren sind berührungslos und können daher ohne Gefahr der Beschädigung oder Abnutzung des zu erfassenden Objekts eingesetzt werden.

Einsatzgebiete von Näherungssensoren

Näherungssensoren werden eingesetzt, um die An- oder Abwesenheit von Werkstücken und deren Positionierung in verschiedenen Produktionsbereichen zu erkennen. Denn Näherungssensoren zeichnen sich in der Regel durch berührungslose und relativ kurze Tastabstände bei der Erfassung von metallischen und nichtmetallischen Objekten aus.

Kapazitive Näherungssensoren werden dagegen auch eingesetzt, wenn es beispielsweise darum geht, die Menge einer Flüssigkeit oder eines Pulvers in einem Tank zu erfassen oder eine Flüssigkeit durch ein Sprühgerät abzugeben. Dies liegt daran, dass kapazitive Näherungssensoren sowohl Flüssigkeiten und Pulver als auch Metalle und Nichtmetalle erkennen können, im Gegensatz zu den Personen, die induktive und magnetische Näherungssensoren vorwiegend erfassen.

Arten von Näherungssensoren

Näherungssensoren sind Sensoren, die das zu erfassende Objekt nicht berühren. Wenn sich das zu erfassende Objekt dem Näherungssensor nähert, gibt es Energie ab, die je nach Sensortyp auf unterschiedliche Weise erfasst wird.

Näherungssensoren können Objekte erkennen, indem sie die zu diesem Zeitpunkt reflektierte Energieänderung in ein elektrisches Signal umwandeln. Näherungssensoren lassen sich daher je nach Erfassungsmethode grob in drei Haupttypen einteilen.

1. Induktive Näherungssensoren

Bei induktiven Näherungssensoren werden Magnetfelder und induzierte Ströme zur Erkennung von Objekten verwendet. In der Erfassungsspule des Näherungssensors wird ein hochfrequentes Magnetfeld erzeugt.

Kommt ein metallisches Objekt wie Eisen, Kupfer, Aluminium oder Messing in die Nähe dieses Magnetfeldes, wird durch elektromagnetische Induktion ein induzierter Strom erzeugt. Aufgrund des Widerstands des metallischen Erfassungsobjekts kommt es dann zu einem Energieverlust. Induktive Näherungssensoren erfassen die durch diesen Strom verursachten Änderungen der Impedanz der Sensorspule.

2. Magnetische Näherungssensoren

Magnetische Näherungssensoren nutzen die Kraft eines Magneten, um Objekte zu erkennen. Das Sensorelement eines magnetischen Näherungssensors besteht aus einem Magneten und einem Reedschalter.

Wenn sich ein Magnet oder ein ferromagnetisches Objekt der Erfassungseinheit des Sensors nähert, öffnet und schließt sich der Reedschalter des magnetischen Näherungssensors und erfasst so das Objekt.

3. Kapazitive Näherungssensoren

Kapazitive Näherungssensoren nutzen Kapazitätsänderungen, um Objekte zu erkennen. Der Sensorteil eines kapazitiven Näherungssensors ist mit einer Messelektrode ausgestattet.

Die Kapazitätsänderung zwischen der Elektrode und dem zu erkennenden Objekt tritt auf, wenn sich das zu erkennende Objekt der Messelektrode nähert. Kapazitive Näherungssensoren können Flüssigkeiten und Pulver sowie Metalle und Nichtmetalle erkennen, indem sie die erzeugte Kapazitätsänderung erfassen.

Weitere Informationen über Näherungssensoren

1. Fehlfunktionen von Näherungssensoren

Bei der Verwendung von Näherungssensoren können verschiedene Fehlfunktionen auftreten, z. B. dass das erkannte Objekt nicht richtig erkannt wird oder dass es nicht aus dem erkannten Zustand zurückkehrt. Ein besonderes Problem, das in den letzten Jahren zugenommen hat, sind Fehlfunktionen von Näherungssensoren in Smartphones.

Viele Smartphones sind so konzipiert, dass sich der Bildschirm ausschaltet, wenn das Telefon bei der Annahme eines Anrufs nahe ans Ohr gehalten wird. Der Näherungssensor ermöglicht das Ausschalten des Bildschirms. Der Grund dafür ist, dass der Näherungssensor die Nähe eines erkennbaren Objekts (in diesem Fall das Gesicht oder das Ohr einer Person) erkennt. Bei einer Fehlfunktion des Näherungssensors schaltet sich der Bildschirm daher auch dann nicht aus, wenn sich das Gesicht in der Nähe befindet oder wenn das Telefon nicht telefoniert.

Spezifische Ursachen für eine Fehlfunktion des Näherungssensors sind

• Schmutz oder Ablagerungen im Sensorbereich
• Klappern bei der Ausgabe
• Einfluss von umgebendem Metall
• Starke Erschütterungen
• Fehlerhafte Verdrahtung

Näherungssensoren zeichnen sich dadurch aus, dass der Sensorteil leicht von der Umgebung beeinflusst werden kann. Aus diesem Grund muss der Sensorteil des Näherungssensors sicher und sauber gehalten werden und frei von Fremdkörpern sein. Auch Geräusche, wie z. B. Rattergeräusche, können sich nachteilig auswirken, weshalb Maßnahmen wie eine gründliche Erdung oder das Einsetzen von Isolatoren bei der Verkabelung erforderlich sind.

2. Erfassungsbereich von Näherungssensoren

Der “Erfassungsabstand” eines Näherungssensors ist der Abstand zwischen der Referenzposition und der Signalerfassung, wenn das erfasste Objekt in einer bestimmten Weise und unter bestimmten Bedingungen bewegt wird. Seine Länge variiert je nach Spezifikation, wobei einige der längsten Werte bis zu 30 mm betragen.

Die Umgebung, in der Näherungssensoren eingesetzt werden, ist jedoch nicht immer ideal. Beispielsweise können Näherungssensoren, die an Werkzeugmaschinen eingesetzt werden, durch umgebendes Metall, Späne, Kühlmittel usw. beeinträchtigt werden. Der Erfassungsabstand kann auch durch den Einfluss von Temperatur und Spannung in der Umgebung des Näherungssensors verringert werden.

Der “Einstellabstand” ist der Abstand, bei dem der Näherungssensor unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen stabil eingesetzt werden kann. Der Einstellabstand wird in der Regel mit 70-80 % des Erfassungsabstands angegeben. Bei der Auswahl von Näherungssensoren müssen der für die Objekterkennung erforderliche Erfassungsabstand und die Umgebung, in der sie installiert werden sollen, berücksichtigt werden.

Was ist ein Frequenzzähler?

Ein Frequenzzähler ist ein digitales Gerät zur Messung der in elektronischen Schaltungen auftretenden Frequenzen.

Elektrische Signale können durch drei Parameter ausgedrückt werden: Frequenz, Amplitude und Phase. Es ist auch möglich, die Periode durch den Kehrwert der Frequenz zu bestimmen, was die Frequenzmessung zu einem wichtigen Parameter bei der grundlegenden Messung elektrischer Signale macht.

Ein Universalzähler ist ein Zähler, der neben der Frequenzzählung mehrere zusätzliche Funktionen hat, wie z. B. die Messung des Tastverhältnisses, der Impulsanstiegszeit und des Zeitintervalls.

Verwendungszwecke von Frequenzzählern

Frequenzzähler werden wie Amperemeter und Voltmeter als grundlegende Messinstrumente bei der Messung elektrischer Signale verwendet. Obwohl einige Produkte als eigenständige Frequenzzähler erhältlich sind, wurden viele Produkte mit Frequenzzählerfunktionalität als Teil der Funktionalität von Geräten mit vielen Funktionen entwickelt, wie z. B. digitale Multimeter, Oszilloskope und optische Spektrumanalysatoren.

Frequenzzähler zeichnen sich dadurch aus, dass ihr Prinzip sehr einfach ist. Da es möglich ist, sie selbst zu bauen, sind auch Bausätze erhältlich. Bausätze für Frequenzzähler sind von verschiedenen Firmen für Frequenzen von mehreren zehn MHz erhältlich. Der Grund dafür ist, dass sich direkte Frequenzzähler durch ihre unkomplizierte Bedienung auszeichnen.

Einige Multitester sind auch mit einem Bereich ausgestattet, der eine Frequenzmessung ermöglicht. Diese Typen sind besonders nützlich an Orten, an denen keine großen Messgeräte mitgeführt werden können, da sie leicht zu handhaben sind. Sie haben zwar den Vorteil, dass sie einfach zu bedienen sind, doch ihr Nachteil ist, dass sie sich nicht für Anwendungen eignen, bei denen hohe Frequenzen oder eine große Anzahl signifikanter Stellen erforderlich sind.

Die meisten Bausätze sind LSI-basiert, so dass es nicht möglich ist, die gesamte Struktur zu erlernen, aber man kann ein Gefühl dafür bekommen.

Prinzip von Frequenzzählern

Ein Frequenzzähler besteht aus einer Schaltung zur Formung der Wellenform, einem Gatter, einem Quarzoszillator und einer Zählschaltung.

1. Schaltung zur Formung der Wellenform

Das Eingangssignal wird in eine “Impulsfolge” umgewandelt.

2. Quarzoszillator

Erzeugt Impulse mit einer festen Zeitbreite. Er erzeugt ein Zeitfenster (Torzeit) für die Messung der vorgenannten Impulsfolge, und das Zeitfenster dient als Fenster für die Messung der Frequenz.

3. Messschaltung

Die Frequenz des ursprünglichen Signals wird durch Zählen der Anzahl der Impulse im Zeitfenster gemessen. Die Auflösung der Frequenzmessung wird durch die zeitliche Breite des vom Quarzoszillator erzeugten Zeitfensters bestimmt. Die Auflösung ist proportional zum Kehrwert der Zeitbreite des Zeitfensters, d. h. ein Zeitfenster von 1 Sekunde wird in Einheiten von 1 Hz angezeigt, ein Zeitfenster von 0,1 Sekunde wird in Einheiten von 10 Hz angezeigt und so weiter.

Bei einem Frequenzzähler tritt der größte Fehler an dem Punkt auf, an dem die Impulsfolge erzeugt wird, insbesondere wenn das Eingangssignal Rauschen enthält, das dazu führen kann, dass die ansteigende Flanke des Impulses instabil wird oder zusätzliche Impulse erzeugt, die nicht vorhanden sein sollten. 

Eine Methode zur Vermeidung von Fehlern besteht darin, wiederholte Messungen durchzuführen und die Rauschkomponenten zu mitteln. Dadurch werden die Fehler, die bei der Erzeugung der Impulsfolge auftreten, reduziert.

Frequenzzähler-Messverfahren

Ein Frequenzzähler ist ein Gerät, das die Frequenz eines Eingangssignals misst und das Ergebnis anzeigt. Es gibt zwei Messmethoden: die direkte Methode, die einfach zu implementieren ist und seit langem verwendet wird, und die reziproke Methode, die teurer ist, aber eine hohe Anzahl signifikanter Ziffern liefern kann.

1. Direkte Methode

Nullpunkt-Kreuz-Messung

Bei der direkten Methode misst der Frequenzzähler, wie oft sich die Frequenz des Eingangssignals im Nullpunkt kreuzt. Handelt es sich bei dem Eingangssignal um eine Sinuskurve, wird gezählt, wie oft sie den Nullpunkt entweder nach unten oder nach oben kreuzt. Der Frequenzzähler nach der direkten Methode hat den Vorteil, dass er einfach und nur mit Hardware realisiert werden kann. Aus diesem Grund wird diese Methode seit langem verwendet, und die Anzahl der Nulldurchgänge pro Sekunde wird als Frequenzmessung angezeigt.

Der Frequenzzähler der direkten Methode zeichnet sich dadurch aus, dass im Gerät ein genauer Referenztakt erzeugt wird und die Anzahl der Nulldurchgänge durch das Öffnen eines Zeitfensters für diese Zeitspanne gemessen wird.

Anzahl der signifikanten Ziffern der Messung

Die Anzahl der signifikanten Stellen in einem Frequenzzähler mit direkter Methode wird durch die Zeitbreite des Zeitfensters und die Eingangsfrequenz bestimmt. Beträgt die Eingangsfrequenz beispielsweise 1 GHz und das Zeitfenster 1 Sekunde, so beträgt der Messwert 1×10^9 und die Anzahl der signifikanten Stellen 10. Bei einer Eingangsfrequenz von 1 kHz beträgt die Anzahl der signifikanten Stellen 4, beide mit einer Auflösung von 1 Hz.

Wird die Zeitfensterbreite vergrößert, erhöht sich die Auflösung, z. B. wenn die Zeitfensterbreite auf 100 s erhöht wird, beträgt die Anzahl der signifikanten Stellen 6 bei 1 kHz und die Auflösung 0,01 Hz. Es ist jedoch unpraktisch, für eine einzige Messung mindestens 100 Sekunden zu benötigen, was die Praktikabilität erheblich einschränkt. Außerdem sollte man sich darüber im Klaren sein, dass die Messungen immer mit einem Quantenfehler von ±1 behaftet sind.

Wenn nur hochfrequente Signale gemessen werden sollen, können Frequenzzähler mit der direkten Methode problemlos verwendet werden, aber um die Genauigkeit mit der direkten Methode zu erhöhen, muss die Zeitfensterbreite vergrößert werden. Der Nachteil ist jedoch, dass sich mit der Vergrößerung der Zeitfensterbreite bei der direkten Methode auch die für jede Messung benötigte Zeit erhöht, was zu einer äußerst geringen Effizienz führt. Unter diesen Umständen sind “reziproke” Frequenzzähler die Alternative.

2. Reziproke Methode

Reziproke Frequenzzähler zählen die Eingangswellenform, wie sie ist, oder teilen sie durch einen internen Referenztakt. Der Vorteil ist, dass eine hohe Anzahl signifikanter Stellen erreicht werden kann, insbesondere bei der Messung niedriger Frequenzen. Die Anzahl der signifikanten Stellen in einem reziproken Frequenzzähler wird durch den internen Referenztakt und die Torzeit bestimmt und wird nicht von der Eingangsfrequenz beeinflusst.

Beträgt der interne Referenztakt beispielsweise 10 MHz und die Torzeit 1 s, so beträgt die Anzahl der signifikanten Stellen sieben; wird derselbe Referenztakt verwendet und die Torzeit beträgt 10 s, so beträgt die Anzahl der signifikanten Stellen acht. Die reziproke Methode ermöglicht zwar eine hohe Anzahl signifikanter Stellen bei Messungen im Niederfrequenzbereich, doch ist die Funktionsweise des Zählers selbst komplex und hat den Nachteil, dass sie teuer ist.