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Präzision mit Ultraschall

Text: Vera Hoxha, Microsonic Fotos: rpbirdman; Microsonic
In stockdunkler Nacht mit 25km/h knapp über den Boden fliegen, Hindernissen ausweichen und sich nebenher auch noch den Bauch mit Insekten vollschlagen. Dieses Kunststück gelingt Fledermäusen nur durch ihren sechsten Sinn: Ultraschall. So vielseitig wie Fledermäuse diese Eigenschaft nutzen, ist auch die Einsatzfähigkeit von Ultraschallsensoren in der Industrie.

Ultraschallsensoren sind Multitalente für fast jede Art von industriellem Einsatz: Sie registrieren nahezu alle reflektierenden Materialien und nehmen es mit fast jeder Flüssigkeit, Glas und Folien, Stoffen oder grobkörnigen Teilen, Spänen und feinem Sand sowie dünnsten Drähten auf. Die Anforderungen der Industrie an Sensor und -hersteller wachsen weiter: Der Trend geht zur Miniaturisierung. Maximale Leistung auf kleinstem Raum wird nicht nur von Elektronikartikeln, sondern auch von Ultraschallsensoren erwartet.

Optik und Induktion

Im Gegensatz zu optischen Sensoren, die ausschließlich lichtreflektierende und -undurchlässige Objekte erkennen oder induktiven Sensoren, die nur ferromagnetische Metallteile auf kurze Entfernungen erkennen, sind dem Einsatz von Ultraschallsensoren so gut wie keine Grenzen gesetzt. Die Sensoren erkennen alle schallreflektierenden Objekte, transparentes Material und Flüssigkeiten mit hoher Messgenauigkeit in Reichweiten von 20mm bis 15m selbst bei verschmutztem Sensor oder Schwebstoffen in der Luft oder bei störendem Fremdlicht. Im Gegensatz zu induktiven Sensoren, können Ultraschallsensoren in unterschiedlichsten Anwendungen und in verschiedenen Betriebsarten genutzt werden: Durch Einlernen eines einfachen Schaltpunktes fungieren sie als Näherungsschalter. Als Zwei-Weg-Reflexionsschranke können sogar schallabsorbierende Objekte mittels eines Zwangsreflektors erkannt werden. Der Fensterbetrieb hingegen erlaubt die Überwachung eines festgelegten Bereichs. Ihre Unempfindlichkeit, die enorme Bandbreite der realisierbaren Messbereiche für so gut wie jedes Material sowie die unterschiedlichen Bauformen machen Ultraschallsensoren zum Allrounder für fast jede industrielle Aufgabenstellung.

Beispiele für den Einsatz:

  • Drahtbruchüberwachung

  • Abtastung von kleinen Flaschen in der Verpackungsindustrie

  • Anwesenheitskontrollen

  • Verschlusserkennung bei der Flaschenabfüllung

  • Detektion von Verpackungen

  • Feuchtmittelüberwachung an Druckmaschinen

  • Zählen von kleinen Objekten auf dem Förderband

  • Bogenerkennung an papierverarbeitenden Maschinen

  • Erkennen von Glasscheiben

  • Fadenrisskontrolle in der Textilindustrie

  • Schlaufenregelung

  • Durchmessererfassung an kleinen Coils

  • Positionierung eines Greifarms

Funktionsprinzip

Das Standard-Ultraschall-Messprinzip ist die Echo-Laufzeitmessung. Sie kommt zum Beispiel bei Ultraschall-Abstandssensoren und -Näherungsschaltern zum Einsatz und dient der Messung von Anwesenheit, Abständen und Entfernungen. Der Sensor strahlt zyklisch einen hochfrequenten Schallimpuls aus, der sich mit Schallgeschwindigkeit durch die Luft fortpflanzt. Trifft er auf ein Objekt, wird er reflektiert und das Echo gelangt zurück zum Sensor. Aus der Zeitspanne zwischen dem Aussenden des Schalls und dem Empfang des Echos errechnet der Ultraschallsensor die Entfernung zum Objekt. Spezielle Messaufgaben erfordern spezielle Messtechniken wie die Amplitudenauswertung. Sie wird bei Ultraschall-Bahnkantensensoren, Etiketten- und Spleißsensoren oder Ultraschall-Doppelbogenkontrollen für Bogendruckmaschinen benötigt. Bei diesem Funktionsprinzip liegen sich Ultraschall-Sender und -Empfänger gegenüber; der Sensor arbeitet im Schrankenbetrieb. Dabei strahlt der Sender zyklisch kurze Schallimpulse aus, die vom Empfänger erfasst und analysiert werden. Anhand des empfangenen Signalpegels lässt sich auf die Materialsituation schließen. Die Auswertelektronik setzt diese Information in ein entsprechendes Ausgangssignal um.

Minituarisierung

Die Anforderung nach Miniaturisierung erfüllt das Modell Nano von Microsonic: Mit nur 55mm Gesamtlänge einschließlich Stecker ist er nach Herstellerangaben zurzeit der kürzeste M12-Ultraschallsensor am Markt. Der Sensor bietet die Tastweiten 250 und 350mm und ist mit Analog- oder Schaltausgang verfügbar. Bei Bedarf kann er komfortabel mittels Teach-in über Pin 2 eingestellt werden.

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