Ultraschallsensoren – Funktionsweise und Einsatzbereiche

In unterschiedlichsten Anwendungsgebieten messen und detektieren Ultraschallsensoren auf farbige, glänzende oder transparente Oberflächen, was insbesondere für optische Sensoren als anspruchsvoll gilt. Auch widrige Umgebungsbedingungen wie Staub, Schmutz oder Nebel beeinflussen das Messergebnis kaum. Der breite Erfassungsbereich ermöglicht zudem die Überwachung eines großen Felds mit nur einem Sensor – und das bei Messbereichen von 13 mm bis 8 m.

Die (Schall-)Laufzeitmessung

Der Sensor sendet einen Schallimpuls aus, der von dem zu detektierenden Objekt reflektiert wird. Die Zeit, die der Impuls vom Sensor zum Objekt und wieder zurück benötigt, wird gemessen, ausgewertet und wie folgt in die Distanz umgerechnet.

Distanz = Schallgeschwindigkeit x gesamte Schalllaufzeit (t2) / 2

Generell gilt bei Ultraschallsensoren: Je weniger Schall das zu messende Objekt absorbiert, desto höher die mögliche Reichweite. Die Betriebsreichweite gibt an, bis zu welcher Entfernung auf übliche Objekte mit ausreichender Funktionsreserve gemessen werden kann. Unter idealen Bedingungen kann der Sensor sogar bis zu seiner Grenzreichweite eingesetzt werden. Schaltfelder dienen zur idealen Bewertung der Applikationsfähigkeit. Die in diesen Schaltfeldern abgebildete dunkelblaue Fläche zeigt exemplarisch den Arbeitsbereich des Sensors bei der Detektion eines Rundstabs. Die hellblaue Fläche veranschaulicht den maximalen Erfassungsbereich (Grenzreichweite), der unter Idealbedingungen auf gut zu erkennende Objekte, hier exemplarisch eine ausgerichtete Platte, zu erreichen ist. Dieser Bereich zwischen dem Sensor und dem Messobjekt sollte frei gehalten werden, um die unbeabsichtigte Detektion von Objekten in der Umgebung zu vermeiden. Die Detektierbarkeit und der Erfassungsbereich eines Objekts sind abhängig von dessen Reflexionseigenschaften, Größe und Ausrichtung. Je nach Applikation kann der Sensor auch sehr kleine Objekte erkennen, z. B. Metalldraht.

Ultraschallsensoren können in unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt werden. Beispielsweise bei der Durchmesserkontrolle einer Materialrolle zur Auf- und Abwickelsteuerung verschiedenster Materialien wird mittels Prozessüberwachung, die die Zuverlässigkeit der Anlage erhöht. Im nächsten Prozesschritt kann die Materialnachführung angepasst werden, indem die Durchhangtiefe des Materials überwacht wird, wodurch ebenfalls die Prozessqualität erhöht wird. In der Prozess- und Qualitätskontrolle können Ultraschallsensoren dabei helfen, nicht korrekt oder unvollständig produzierte Waren sowie unerwünschte Ausrichtungen zu erkennen. Dies reduziert die Stillstandszeit der Anlage und sichert höchste Produktivität. Mithilfe von Mutliplexing mehrerer Sensoren wird es möglich, die Dimensionen von beispielsweise Paketen auf einem Förderband zu bestimmen. Eine Bereichsüberwachung kann mithilfe von Synchronisation mehrerer Ultraschallsensoren realisiert werden.

Messung von Doppellagen und Klebestellen

Die Kontrolle von Doppellagen und Klebestellen per Ultraschalltechnologie ist das Spezialgebiet des UD18. 

Er erfasst präzise, ob zwischen seinem Sender und Empfänger ein, zwei oder kein Materialbogen vorhanden ist. Seine ganze Stärke zeigt der UD18 bei der Doppellagenkontrolle von Papier, Karton, glänzendem Metall und transparentem Kunststoff. 

Der Sender schickt Ultraschallwellen in Richtung des Empfängers. Befindet sich zwischen Sender und Empfänger kein Material, kommen die Ultraschallwellen in voller Stärke beim Empfänger an. Befinden sich ein oder zwei Materiallagen zwischen Sender und Empfänger, werden die Ultraschallwellen entsprechend abgeschwächt. der Empfänger wertet den jeweiligen Ultraschallimpuls direkt aus und setzt die entsprechenden Ausgangssignale.

Sollte der Platz für den Einbau des Sensors sehr gering ausfallen, kann der Einsatz eines Umlenkblechs sinnvoll sein. Dieses Umlenkblech wird optimalerweise in der Blindzone des Sensors montiert. Weiters können durch die Schallumlenkung nach unten, aggressive chemische Ausgasungen vom Sensorkopf ferngehalten werden und seine Lebensdauer wird erhöht. Wenn die Schallumlenkung nach oben erfolgt, lassen sich Ablagerungen auf dem Sensorkopf vermeiden, z.B. in verschmutzter, öliger oder feuchter Umgebung. Dies trägt zu einer optimalen Messung und Detektion bei. Um den Messbereich mithilfe von mehreren Ultraschallsensoren zu vergrößern gibt es die Möglichkeit zur Synchronisierung oder dem Multiplexing der Sensoren.  Bei der Betriebsart Synchronisation senden alle angeschlossenen Sensoren den Schallimpuls gleichzeitig und Empfangen diesen auch gleichzeitig. Dies führt zu einem größeren Messbereich und ermöglicht die Detektion von Objekten an einer beliebigen Stelle innerhalb des Messbereichs.

Multiplexing mehrerer Sensoren

Eine weitere Möglichkeit ist das Multiplexing mehrerer Sensoren. Hierbei Senden und Empfangen  die Sensoren in Reihe geschalten. Erst wenn Sensor 1 gesendet und Empfangen hat, sendet und empfängt Sensor 2 usw. In dieser Betriebsart wird eine gegenseitige Beeinflussung der Sensoren vollständig vermieden, die Gesamtansprechzeit wird jedoch verringert.

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