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Die Sensortechnologie im Überblick.

Bild: Pepperl+Fuchs

Sensortechnologie im Überblick Was ist was bei Ultraschall?

15.03.2019

In der industriellen Anwendung zeichnen sich Ultraschallsensoren neben ihrer Zuverlässigkeit besonders durch ihre enorme Vielseitigkeit aus. Sie lösen auch besonders komplexe Aufgaben beim millimetergenauen Erfassen von Objekten oder Füllständen, weil ihr Messprinzip unter fast allen Umständen zuverlässig funktioniert.

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Ultraschallsensoren sind in der Lage, Objekte berührungslos zu erkennen und ihre Entfernung zum Sensor zu messen. Abhängig vom verwendeten Sensor sind Reichweiten von wenigen Zentimetern bis hin zu 10 Metern möglich.

Wo werden Ultraschallsensoren eingesetzt?

Die Einsatzbereiche von Ultraschallsensoren sind extrem vielfältig: Sie finden vor allem in der industriellen Automation Verwendung. Beispielsweise erkennen sie, ob sich der Füllstand eines Silos einem kritischen Level nähert, oder wie eine Hubarbeitsbühne auf einer Großbaustelle sicher bewegt werden soll.

Wie messen Ultraschallsensoren?

Ein Ultraschallsensor sendet einen Impuls aus, der an einem Objekt reflektiert und das so erzeugte Echo an den Sensor zurückgesendet wird. Der Sensor wandelt dann das empfangene Echo über einen piezoelektrischen Wandler in ein elektrisches Signal. Dieses Verfahren wird als Echo-Laufzeitverfahren bezeichnet.

Dabei wird der zeitliche Abstand zwischen dem gesendeten Ultraschall­impuls und dem empfangenen Echo gemessen und über die Schallgeschwindigkeit die Entfernung zum Objekt berechnet. Bei Raumtemperatur beträgt die Schallgeschwindigkeit in der Luft rund 344 m/s. Herrschen in der Anwendung andere Temperaturen, so ändert sich automatisch die Schallgeschwindigkeit. Der Sensor würde ohne korrekte Temperaturinformation eine falsche Distanz zum Objekt berechnen. Aus diesem Grund verfügen abstandsmessende, industrielle Ultraschallsensoren typischerweise über eine eingebaute Temperaturkompensation, damit auch bei Temperaturveränderungen zuverlässige und korrekte Distanzwerte vom Sensor bereitgestellt werden.

Welche Materialien lassen sich erfassen?

Mithilfe eines Ultraschallsensor können unterschiedliche Materialien wie Metall, Holz, sowie Kunststoffe unabhängig von ihrer Form, Farbe und Oberflächenbeschaffenheit erfasst werden. Es spielt dabei keine Rolle, ob die Stoffe fest, flüssig oder pulverförmig sind – einzig ihre Oberfläche muss in der Lage sein, die ausgesendeten Schallwellen des Sensor zu reflektieren. Mit Ausnahme stark schalldämpfender Stoffe (beispielsweise Watte) ist eine präzise Erfassung problemlos möglich.

Reflexionstaster, -schranke und Einwegschranke

Beim Reflexionstaster wird der Ultraschallwandler als Sender und Empfänger verwendet und befindet sich meist zusammen mit der Auswerteelektronik in einem gemeinsamen Gehäuse. Der Reflexionstaster benötigt eine Reflexion (Echo) der ausgesandten Schallwellen vom Objekt zurück zum Ultraschallsensor. Sobald sich ein Objekt im Schaltbereich des Sensors befindet, wird der Abstand zum Objekt bestimmt beziehungsweise ein Schaltvorgang ausgelöst.

Bei der Reflexionsschranke wird der Ultraschallwandler ebenfalls als Sender und Empfänger verwendet. Im Unterschied zum Reflexionstaster wird das Ultraschallsignal jedoch ständig von einem fest installierten Reflektor – dem Referenzreflektor – reflektiert. Beispielsweise kann eine Platte aus Metall oder Kunststoff oder ein Hintergrund (zum Beispiel Wand, Förderband, Fußboden) als Reflektor dienen. Beim Betrieb als Reflexionsschranke werden Objekte zwischen Ultraschallsensor und Reflektor in jeglicher Orientierung (also auch beispielsweise schräg stehende Objekte, die den Schall wegreflektieren) erkannt.

Bei der Ultraschall-Einwegschranke werden zwei Ultraschallwandler eingesetzt, bei dem ein Wandler als Sender, der andere als Empfänger arbeitet. Dabei befindet sich die Auswerteelektronik mit den Schaltausgängen im Empfänger. Für einen optimalen Einsatz werden die Ultraschallsensoren exakt gegenüberliegend auf eine Achse montiert. Sobald ein Objekt die Schallstrecke unterbricht, ändert der Schaltausgang des Ultraschallsensors seinen Zustand. Für unterschiedliche Abstände von Sender und Empfänger beziehungsweise unterschiedliche Objektgrößen lässt sich die Empfindlichkeit des Empfängers per Teach-In oder Potentiometer in der Regel einstellen.

Anwendungsbereiche Taster und Schranken

Der Reflexionstaster ist besonders geeignet für den Anwendungsbereich der Füllstandsmessung, da sich Füllstände in einem Tank oder Silo üblicherweise verhältnismäßig langsam ändern. Die Schaltfrequenz beziehungsweise der nötige Ansprechverzug ist somit deutlich geringer ist als bei der Objektdetektion in der Betriebsart „Einwegschranke“ - wo es oft auf Schnelligkeit ankommt. Reflexionsschranken können hervorragend bei Objekten, die keine zuverlässig schallreflektierende Oberfläche bieten, wie etwa schräg stehenden oder schallabsorbierenden Flächen eingesetzt werden. Auch das Problem einer Blindzone wird in dieser Betriebsart umgangen.

Eine Zählung von vorbeifahrenden Flaschen erfordert beispielsweise eine sehr hohe Schaltfrequenz. Ultraschallsensoren, die als Einwegschranke betrieben werden, bieten hierfür eine geeignete Lösung. Außerdem verdoppelt sich die Reichweite und es wird eine zuverlässige Erkennung von Objekten bei deutlich größeren Sensorabständen möglich. Da kein ständiges Umschalten zwischen Sende- und Empfangsbetrieb nötig ist, ergibt sich ein deutlich schnelleres Ansprechverhalten, also eine deutlich höhere Schaltfrequenz.

Radius der Schallkeule eintreten

Die zu erkennenden Objekte können von jeder beliebigen Seite in die Schallkeule einfahren. Die zu erwartenden Schaltpunkte lassen sich anhand der in den Datenblättern angegebenen Reichweiten und Ansprechkurven ermitteln. Zu beachten ist, dass die im Datenblatt gezeigte Ansprechkurve für Raumtemperatur gilt und sich in ihrem Durchmesser über Temperatur verändert. Die damit einhergehenden Abweichungen im Ansprechverhalten des Sensors sind bei einem radialen Eintritt des Objekts in die Schallkeule gegebenenfalls zu berücksichtigen.

Weitere Informationen über Ultraschallsensoren erhalten Sie unter blog.pepperl-fuchs.de

Bildergalerie

  • Verlässliche Erfassung eines schräg stehenden Objekts auf einem Transportband durch den als Reflexionsschranke betriebenen Ultraschallsensor.

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