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Ultraschallsensoren – vom Exoten zum Standardprodukt

Seit etwa 30 Jahren gibt es industrietaugliche Ultraschallsensoren für die Fertigungsautomatisierung. Waren die ursprünglich großen und teuren Geräte am Anfang nur in speziellen Einsatzgebieten zu finden, trifft man sie heute in nahezu allen Bereichen der Automatisierung an. Während der Evolution der Sensoren wurden sie deutlich kompakter, leistungsfähiger und preiswerter – und diese Entwicklung ist noch lange nicht abgeschlossen. Sie werden sich weiterhin neue Anwendungen erschließen.


Sensorische Aufgabe

Ein Sensor ist ein technisches Bauteil, das bestimmte physikalische oder chemische Eigenschaften qualitativ oder quantitativ erfassen kann. In der Automatisierungstechnik werden die Signale von Sensoren zur Erfassung des Zustandes einer Maschine oder Anlage verwendet und dienen somit als Eingangsgrößen für die Steuerung. Man unterscheidet Sensoren primär nach ihrem physikalischen Wirkprinzip. Induktive Sensoren reagieren auf Änderungen eines elektromagnetischen Feldes, optoelektronische Sensoren hingegen auf Änderungen von Lichtwellen. Ultraschallsensoren arbeiten mit akustischen Wellen in einem Übertragungsmedium (Gas, Flüssigkeit, Festkörper). In der Fabrikautomatisierung kommen vor allem Ultraschallsensoren zum Einsatz, die Schalllaufzeiten oder -amplituden in Luft messen. Bei der weit verbreiteten Laufzeitmessung sendet der Sensor ein Ultraschall-Impulspaket aus und misst die Zeit bis zum Eintreffen eines Echos (Bild 1). Dazu wird in der Regel ein einziger Ultraschallwandler als Sender und Empfänger verwendet. Die Distanz vom Sensor zum echoerzeugenden Objekt berechnet sich dann zu . (c: Schallgeschwindigkeit, t: gemessene Laufzeit). Daneben gibt es auch Sensoren, die als Sender und Empfänger getrennte Wandler enthalten, entweder im gleichen Gehäuse oder separat. So lassen sich neben Tastern auch Einwegschranken realisieren.



Bild 1: Bei der Laufzeitmessung sendet der Sensor ein Ultraschall-Impulspaket aus und misst die Zeit bis zum Eintreffen des Echos. Daraus wird die Entfernung zum Objekt berechnet.

Ultraschallwandler

Herzstück eines Ultraschallsensors ist sein Wandler. Heute werden überwiegend robuste Festkörperwandler verwendet, die im Wesentlichen aus dem Verbund einer Piezokeramik zur Erzeugung einer mechanischen Schwingung und einer akustischen Anpassschicht bestehen. Diese Anpassschicht ist notwendig, um die stark unterschiedlichen akustischen Impedanzen von Piezokeramik und Luft zu adaptieren. Um eine optimale Kopplung zu erreichen, muss die akustische Impedanz der Anpassschicht sein. (mit ZK: akustische Impedanz Piezokeramik, ZL: akustische Impedanz Luft, Z = ρ * cM mit ρ: Dichte des Mediums, cM: Schallgeschwindigkeit des Mediums). Ohne eine solche Maßnahme würde nur ein kleiner Bruchteil der akustischen Energie in die Luft eingekoppelt (beim Senden) bzw. ausgekoppelt (im Empfangsbetrieb), was zu sehr stark reduzierten Reichweiten führen würde. Neben einer optimalen akustischen Anpassung sind auch eine hohe mechanische Stabilität, gute chemische Resistenz, ein großer Temperaturbereich, gute akustische Entkopplung vom Sensorgehäuse und nicht zuletzt ein niedriger Preis wichtig. Dieses Know-how, sowohl der theoretischen physikalischen Durchdringung als auch der praktischen Fertigungstechnik, ist ein wesentlicher Erfolgsfaktor der Sensoren von Pepperl+Fuchs. Die neueste Entwicklung ist ein mit einer Edelstahlmembran abgedeckter Wandler, mit dem absolut dichte entfernungsmessende Ultraschallsensoren realisiert werden.


Funktionsweise

Der beschriebene Ultraschallwandler wird im Sendebetrieb auf seiner Resonanzfrequenz durch ein Burstpaket oder einen Einzelimpuls elektrisch mit Spannungen von bis zu mehreren hundert Volt angeregt. Anschließend wechselt der Sensor in den Empfangsmodus, wobei der Wandler nun als Mikrofon arbeitet. Das Empfangssignal in der Größenordnung von einigen Millivolt wird verstärkt, demoduliert und einem Schwellwertdetektor zugeführt. Aus der Laufzeit des Schallimpulses wird dann der Objektabstand errechnet. Aufgrund der Tatsache, dass für Sender und Empfänger der gleiche Wandler verwendet wird, ergibt sich ein Blindbereich unmittelbar vor dem Sensor, in dem keine Detektion möglich ist. Durch verschiedene Maßnahmen in der Hard- und Software lassen sich dieser Blindbereich sowie die Empfindlichkeit gegenüber Störgeräuschen drastisch reduzieren.

Da die Schallgeschwindigkeit in Luft mit (mit c0: Schallgeschwindigkeit bei 0 °C (331,5 m/s), T: Temperatur in Kelvin, T0: absolute Temperatur bei 0 °C (273,15 K) stark temperaturabhängig ist, ergibt sich bei einem Betriebstemperaturbereich von 100 K eine Änderung von ca. 18 %. Um diese Störgröße wirksam zu unterdrücken, erfasst der Sensor die Temperatur und nimmt eine entsprechende Kompensation vor. Damit lassen sich Messgenauigkeiten von besser als 2 % vom Endwert über den gesamten Temperaturbereich erzielen.

Die verwendeten Ultraschall-Frequenzen liegen im Bereich von 40 kHz bis knapp 1 MHz, wobei aufgrund der stark ansteigenden Dämpfung bei hohen Frequenzen nur geringe Reichweiten möglich sind. Die Erfassungsbereiche der Sensoren liegen zwischen 100 mm und 10 m. Wegen der um den Faktor 1000 geringeren Ausbreitungsgeschwindigkeit von Luftschall, verglichen mit Licht, sind Ultraschallsensoren, insbesondere bei hohen Messabständen, relativ langsam. Bei 10 m Objektentfernung beträgt die Schallaufzeit rund 60 ms. Für viele Anwendungen ist das aber absolut ausreichend.

Neben der erwähnten Schlüsselfunktion der Ultraschallwandler bilden das Hardware-Design und vor allem die Signalverarbeitung im sensoreigenen Mikrocontroller die entscheidenden Leistungsmerkmale. Wurden ursprünglich einfache 8-Bit-Controller verwendet, die nur die elementarsten Funktionen realisieren konnten, kommen heute leistungsfähige 32-Bit-Controller zum Einsatz, die komplexe Algorithmen in Echtzeit abbilden können – und das bei wesentlich geringerem Platzbedarf und reduzierten Kosten. Beispiele sind die einstellbare Schallkeulenbreite und die Möglichkeit, durch die Messung der Echoamplituden (zusätzlich zu den Laufzeiten) auch unter erschwerten Bedingungen einwandfreie Messergebnisse zu produzieren. Die Möglichkeiten, die sich darüber hinaus ergeben, sind noch lange nicht ausgeschöpft.


Eigenschaften und Anwendungsvorteile

Ultraschallsensoren sind – verglichen mit optoelektronischen Sensoren – sehr viel resistenter gegenüber Verschmutzungen und Feuchtigkeit. Kleine Beschädigungen der Wandleroberfläche sind wegen deren integrierendem Charakter unkritisch. Farbe bzw. Transparenz der zu detektierenden Objekte spielen naturgemäß keine Rolle. In ihrer Robustheit sind Ultraschallsensoren durchaus vergleichbar mit induktiven Sensoren – bei über 100-facher Reichweite. Auch bei den Bauformen gibt es weitgehende Parallelen. Zylindrische Ultraschallsensoren bis herunter zur Baugröße M12 und quaderförmige Ausführungen in typischen Näherungsschalter- oder Lichtschranken-Gehäusen sind heute Standard. Darüber hinaus gibt es Ausführungen, die an spezielle Anwendungen angepasst sind, z.B. zur Messung von Füllständen.

Weit verbreitet sind Sensoren mit binären Schaltausgängen oder analoger 4-20mA-Schnittstelle. Es gibt aber auch Typen zum Betrieb an 253 V AC mit Relaisausgang. Die meisten Sensoren sind teachbar oder können über ein Interface parametriert und damit an die jeweilige Applikation angepasst werden. In jüngster Vergangenheit wird auch der neue Industriestandard IO-Link implementiert.



Bild 2: Übersicht Ultraschallsensoren

Anwendungen

Anwendungen für Ultraschallsensoren findet man in nahezu jeder Branche, die automatisierte Abläufe hat: In der Druckindustrie zur Füllstandmessung in Farbbehältern oder zur Anwesenheitskontrolle, bei mobilen Arbeitsmaschinen und landwirtschaftlichen Geräten zur Abstands-, Positions- und Füllstandsmessung, in der Fördertechnik, in der Verpackungstechnik, in der Montage- und Handhabungstechnik. Zunehmende Bedeutung gewinnen auch Ultraschall- Doppelbogensensoren, die in Druckmaschinen, Scannern, Geldautomaten und ähnlichen Geräten verwendet werden, um den Einzug mehrerer Bögen zu verhindern. Sie messen keine Laufzeiten sondern die Amplitudendämpfung durch die Objekte. Diese Technologie wurde in der atp edition 5/2010 ausführlich erörtert.


Bild 3: Anwendung für Ultraschallsensoren finden sich in vielen Branchen, z. B. in der Druckindustrie, bei mobilen Arbeitsmaschinen, in der Fördertechnik, in der Verpackungstechnik oder in der Montage- und Handhabungstechnik.

Fazit

Ultraschallsensoren bieten heute in zahlreichen Anwendungsbereichen attraktive Alternativen zu anderen Sensortypen, insbesondere dort, wo diese an ihre physikalischen Grenzen stoßen, bzw. ermöglichen erst die Realisierung einer Automatisierung. Durch die in der letzten Zeit enorm vorangetriebene Miniaturisierung können sie in nahezu jede Maschine integriert werden. Aufgrund der rasant gestiegenen Leistung der verwendeten Mikrocontroller lassen sich mit immer komplexeren Algorithmen auch diffizile Applikationen realisieren, die vor wenigen Jahren noch undenkbar waren. Die Implementierung von IO-Link als intelligente Parametrier- und Prozessschnittstelle wird das Handling der Sensoren und ihre Integration in die Maschinensteuerung weiter vereinfachen.

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