Fachartikel: Detektion mit Ultraschall

Ultraschallsensoren erfassen berührungslos und verschleißfrei eine Vielzahl an Objekten mit unterschiedlichen Eigenschaften. Nach welchen Funktionsprinzipien arbeiten solche Lösungen und welche Vorteile, aber auch Herausforderungen, ergeben sich hieraus in der Praxis?
Ultraschallsensoren sind vielseitig einsetzbar, denn weder Form, Farbe noch Transparenz eines Materials oder Objektes beeinflussen das Schallverhalten und somit die Funktionsweise.
Ultraschallsensoren sind vielseitig einsetzbar, denn weder Form, Farbe noch Transparenz eines Materials oder Objektes beeinflussen das Schallverhalten und somit die Funktionsweise.Bild: IPF Electronic GmbH

Was haben die Geschwister Curie und die Titanic gemeinsam? Sie vereint das Thema Ultraschall. Ende des 19. Jahrhunderts erzeugten die Geschwister Curie erstmals Ultraschall mithilfe des Piezo-Effekts in Kristallen. Die Titanic-Katastrophe hingegen führte zu ersten konkreten Lösungen im Bereich Ultraschall. Weil zur damaligen Zeit die Gefahr von Eisbergen auf See nicht rechtzeitig erkannt werden konnte, erfanden unabhängig voneinander der englische Mathematiker Lewis Richardson und der deutsche Physiker Alexander Behm Anfang des 20. Jahrhunderts mit dem Sonar und Echolot auf Ultraschall basierende Systeme zur Abstandsmessung im Wasser.

Alternative zu optischen Sensoren

Ultraschallsensoren eignen sich unabhängig vom jeweiligen Funktionsprinzip generell für Umgebungsbedingungen mit hoher Staub- bzw. Schmutzbelastung, sofern sich solche Ablagerungen im Bereich der Sensorflächen in Grenzen halten. Zumeist sind sie daher optischen Sensoren in solchen Einsatzbereichen überlegen. Auch Form, Farbe oder Transparenz eines Materials bzw. Objektes üben keinen Einfluss auf das Schallverhalten und somit die Funktionsweise von Ultraschallsensoren aus.

Links zwei Ultraschalltaster als Gewindegeräte, die in einem Temperaturbereich von -25°C bis +70°C einsetzbar sind (Schaltabstände von 200mm bis 6m), rechts eine Ultraschallreflexschranke für einen Einsatztemperaturbereich zwischen -10°C und +60°C. Die aktiven Flächen bestehen bei allen Sensoren aus Kunststoff.
Links zwei Ultraschalltaster als Gewindegeräte, die in einem Temperaturbereich von -25°C bis +70°C einsetzbar sind (Schaltabstände von 200mm bis 6m), rechts eine Ultraschallreflexschranke für einen Einsatztemperaturbereich zwischen -10°C und +60°C. Die aktiven Flächen bestehen bei allen Sensoren aus Kunststoff.Bild: IPF Electronic GmbH

Schallabsorbierende Materialien können indes die Reichweite der Sensoren verringern. Überdies sind bei der Montage Einbaulagen zu vermeiden, die zu übermäßigen Ablagerungen von Schmutz oder Nässe auf der Sensorfläche, dem sogenannten Schallwandler, führen. Gemäß ihrer Funktionsweise lassen sich Ultraschallsensoren einteilen in Ultraschalltaster, -reflexschranken, -schranken und -gabeln.

Aufgepasst bei Konvektionswärme

Ultraschalltaster senden zyklisch einen kurzen, hochfrequenten Schallimpuls aus, der sich mit einer Geschwindigkeit von 343m/s bei +20°C Umgebungstemperatur in der Luft fortpflanzt. Trifft der Impuls auf ein Objekt, wird er reflektiert und gelangt als Echo zurück zum Geräteempfänger. Der im Sensor integrierte Schallwandler übernimmt hierbei die Funktion des Senders und Empfängers. Aus der Zeit, die der Schallimpuls vom Aussenden bis zum Empfangen des Echos benötigt, lässt sich die Entfernung eines Objektes zum Taster bestimmen (Laufzeitmessung).

Ultraschalltaster lassen sich universell anwenden (v.l.): Füllstandüberwachung, Schlaufenregelung (z. B. zur Steuerung der Materialspannung 
von Folien oder Metallbändern), Erfassen durchsichtiger Glasbehälter, Durchmessererfassung von Coils, Vollständigkeitskontrolle von Objekten in Gebinden, Anwesenheitskontrolle (z. B. in der Verpackungsindustrie), Personenerkennung.
Ultraschalltaster lassen sich universell anwenden (v.l.): Füllstandüberwachung, Schlaufenregelung (z. B. zur Steuerung der Materialspannung von Folien oder Metallbändern), Erfassen durchsichtiger Glasbehälter, Durchmessererfassung von Coils, Vollständigkeitskontrolle von Objekten in Gebinden, Anwesenheitskontrolle (z. B. in der Verpackungsindustrie), Personenerkennung.Bild: IPF Electronic GmbH

Ultraschalltaster sind vielseitig einsetzbar, wobei jedoch äußere Faktoren deren Funktionsweise beeinflussen können. So sind Abfragen auf heißen Objekten (flüssig oder fest) nur bedingt oder gar nicht möglich, da die Geschwindigkeit, mit der sich der Schall ausbreitet, von der Lufttemperatur abhängt. Auch der Einsatz nahe Druckluftdüsen ist nicht unkritisch, da die starke Luftbewegung vor den Düsen das Schaltsignal quasi „wegblasen“ kann. Sind Objekte mit ebenen oder gewölbten Oberflächen zu detektieren, muss deren Lage in Bezug auf den Ultraschalltaster gewährleisten, dass das reflektierte Schallsignal den Sensor wieder erreicht.

Lösungen für undefinierte Objektlagen

Ultraschallreflexschranken arbeiten mit einem beliebigen, schallreflektierenden Gegenstand (z.B. Maschinenteil, Führungsschiene eines Transportbandes) als Referenzfläche, die sich als ortsgebundener Reflektor in Sensorreichweite befinden muss. Gelangt ein Objekt zwischen Sensor und Reflektor, ändert sich die Laufzeit des Schalls in Bezug auf das zuvor definierte Schallsignal. Der Schaltausgang des Sensors wechselt daraufhin sein Signal.

Schlechte Schallreflexionssignale von ungünstig positionierten Bauteilen bzw. Objektgeometrien (l.) oder eine nachteilige Winkellage bei Objekten (r.) beeinflussen nicht die Funktionsweise von Ultraschallreflexschranken.
Schlechte Schallreflexionssignale von ungünstig positionierten Bauteilen bzw. Objektgeometrien (l.) oder eine nachteilige Winkellage bei Objekten (r.) beeinflussen nicht die Funktionsweise von Ultraschallreflexschranken.Bild: IPF Electronic GmbH

Solche Lösungen eignen sich beispielsweise für alle Anwendungen, in denen nicht genau bekannt ist, an welcher Stelle ein Gegenstand in den Erfassungsbereich der Reflexschranke gelangt. Außerdem bietet das Funktionsprinzip der Ultraschallreflexschranken in Applikationen Vorteile, in denen zylindrische Objekte mit stark differierender Winkellage zu erfassen sind. Steht indes keine Referenzfläche für den Sensor zur Verfügung, empfiehlt sich der Einsatz von Ultraschallschranken.

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