Ratgeber
Was Fledermäuse seit vielen Millionen Jahren nutzen, hilft auch der Industrie: Objektortung durch Ultraschallwellen. Mit speziellen Sensoren, die abwechselnd Ultraschallsignale aussenden und deren Echos empfangen, lassen sich die Abstände zu festen, flüssigen, körnigen oder pulverförmigen Materialien millimetergenau feststellen. In unserem Ratgeber erfahren Sie, wie diese für die Prozessautomation wichtigen Helfer funktionieren.
Ultraschall ist eine mechanische Schallwelle mit einem an ein Medium gebundenem Wechsel zwischen Über- und Unterdruck. Diese Wellenform wird auch als Longitudinalwelle bezeichnet.
Im Gegensatz zu normalen akustischen Ereignissen sind Ultraschallfrequenzen höher als die für das menschliche Ohr hörbare Durchschnittsfrequenz. Wie jede andere Art von Wellen unterliegt auch der Ultraschall Reflexions-, Brechungs- und Beugungsprozessen. Er lässt sich ebenfalls durch Parameter wie Frequenz, Wellenlänge, Ausbreitungsgeschwindigkeit, Intensität und Dämpfung beschreiben.
Definiert wird Ultraschall als periodische Schwingung oberhalb von 20 Kilohertz. Seine Ausbreitungsgeschwindigkeit in trockener Luft von 20 Grad Celsius beträgt rund 343 Meter pro Sekunde.
In industriellen Anwendungen sind in der Regel Sensoren mit Frequenzen von 40 bis 850 Kilohertz im Einsatz. Für medizinische Zwecke, zum Beispiel in der Sonographie, gibt es Schallköpfe für mehr als 12 Megahertz.
Ultraschallsensoren ermöglichen einerseits eine berührungslose Objekterkennung und andererseits eine berührungslose Abstandsmessung. In beiden Fällen erfolgt zunächst das Aussenden eines Ultraschallimpulses mit anschließender Auswertung des vom Objekt reflektierten Echos. Bei der reinen Näherungserkennung eines Objekts dient der Ultraschallsensor lediglich als Näherungsschalter. Bewegt sich ein Objekt innerhalb des voreingestellten Bereichs, wird es anhand des Echos erkannt und löst im Sensor den Schaltvorgang aus. Der Erkennungspunkt ist unabhängig von der Größe, dem Material oder dem Reflexionsvermögen des Ziels.
Bei der Entfernungsmessung wird dagegen ermittelt, ob und wie schnell sich ein Objekt auf den Sensor zu und von ihm weg bewegt. Die Detektion erfolgt durch das Messen der Zeitintervalle zwischen gesendeten und reflektierten Ultraschallimpulsen. Die Abstandsänderung wird kontinuierlich berechnet und ausgegeben.
Ultraschallsensoren lassen sich zum Beispiel in Fertigungsprozessen zur automatisierten Prozesssteuerung einsetzen und sind für zahlreiche Unternehmen ein unverzichtbares Werkzeug zur Maximierung der Effizienz durch präzise Messung und Steuerung.
Grundsätzlich benötigt ein Ultraschall-Näherungsschalter zwei Komponenten: einen Sender und einen Empfänger. Der Sender arbeitet wie ein Lautsprecher, der Empfänger wie ein Mikrofon. In vielen Standardkonfigurationen werden diese Teile so nah wie möglich nebeneinander platziert. Befindet sich der Empfänger in der Nähe des Senders, verläuft der Schall in einer geraderen Linie vom Sender zum erfassten Objekt und zurück zum Empfänger.
In industriellen Bereichen überwiegen allerdings Sensoren, in denen die Sende- und Empfangsfunktion von einem einzigen Bauteil übernommen wird und die deshalb sehr präzise arbeiten. Dieser Wandler verfügt über eine Membran, die beim Senden von einem elektronisch gesteuerten Piezokristall für wenige Millisekunden in Ultraschallschwingungen versetzt wird. Danach lauscht der Sensor sozusagen auf das Echo. Eintreffende Reflexionen versetzen die Membran in Schwingungen, die im Piezokristall ein elektrisches Signal erzeugen. Dieses Signal wird direkt zum Schalten verwendet oder dient als Grundlage für das Messen der Entfernung zwischen Objekt und Sensor.
Großer Vorteil der Ultraschall-Technologie: Sie benötigt kein aktives elektrisches oder magnetisches Element wie bei kapazitiven Sensoren oder induktiven Näherungssensoren. Das macht Ultraschall-Näherungssensoren erheblich unempfindlicher gegenüber rauen Umgebungen.
Um die Entfernung zwischen dem Sensor und dem Objekt zu berechnen, misst der Sensor die Zeit, die zwischen der Aussendung des Schalls durch den Sender und seinem Kontakt mit dem Empfänger vergeht. Die Entfernung ist dabei die Hälfte der Laufzeit multipliziert mit der Schallgeschwindigkeit von etwa 343 Meter pro Sekunden. Beträgt die Laufzeit beispielsweise 0,025 Sekunden, wurde das Objekt in einem Abstand von etwa 4,28 Meter detektiert.
Die Schallwellen, die den Sender verlassen, ähneln in ihrer Form eher dem Licht, das eine Taschenlampe verlässt, als einem Laser, so dass die Streuung und der Abstrahlwinkel berücksichtigt werden müssen. Je weiter sich die Schallwellen vom Sender entfernen, desto größer wird der Erfassungsbereich in vertikaler und horizontaler Richtung. Dieser sich ändernde Bereich ist der Grund, warum Ultraschallsensoren ihre Erfassungsspezifikation entweder in Strahlbreite oder Strahlwinkel statt in einem Standardbereich angeben.
Ein Nebeneffekt des Abstrahlwinkels ist die Reichweite des Geräts. Im Allgemeinen führt ein enger Abstrahlwinkel zu einem größeren Erfassungsbereich, da die Energie des Ultraschallimpulses stärker fokussiert ist und weiter reichen kann, bevor sie auf ein unbrauchbares Niveau abfällt. Umgekehrt verteilt ein breiterer Strahl die Energie in einem größeren Bogen, wodurch sich der erwartete Erfassungsbereich verringert.
Die Wahl der idealen Strahlbreite hängt in hohem Maße von der Anwendung ab, wobei breite Strahlen besser geeignet sind, größere Bereiche abzudecken und eine allgemeine Erkennung zu ermöglichen, während schmalere Strahlen durch die Begrenzung des Erfassungsbereichs falsch positive Ergebnisse vermeiden.
Wie bei jeder Technologie sind auch Ultraschallsensoren in bestimmten Situationen oder Anwendungen besser geeignet als in anderen. Das sind einige ihrer Stärken:
Ultraschallsensoren reagieren unbeeinflusst von der Farbe der zu erfassenden Objekte.
Hierzu gehören ebenfalls durchsichtige oder transparente Objekte wie Wasser beziehungsweise Glas.
Die meisten Ultraschallsensoren können eine Entfernung von wenigen Zentimetern bis zu etwa fünf Metern erfassen. Vielfach besitzen diese Sensoren Teach-in-Funktionen, mit denen sie sich auf individuelle Gegebenheiten trainieren lassen.
Ultraschallsensoren sind unempfindlich gegenüber elektrischen und akustischen Störungen.
Insbesondere dann, wenn sie mit Modulen mit kodierten Chips ausgestattet sind.
Moderne Ultraschall-Näherungssensoren geben analoge oder digitale Werte aus.
Weiter lassen sie sich durch Schließerfunktionen und Öffnerfunktionen wie ein Relais verwenden.
Obwohl es sich um eine vielseitige Technologie handelt, sind bei Ultraschallsensoren einige Einschränkungen zu beachten:
Die Schallgeschwindigkeit hängt von der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit ab.
Daher können die Umgebungsbedingungen die Genauigkeit der Messungen verändern.
Obwohl die Erfassung dreidimensional funktioniert, erkennt ein Ultraschallsensor nur, dass sich etwas in einer bestimmten Entfernung vom Detektor befindet. Er kann weder anzeigen, wo sich das Objekt im Erfassungsbereich befindet, noch Merkmale wie Form oder Farbe erkennen.
Wie alle Sensoren sind auch Industrie-Ultraschall Näherungssensoren empfindlich gegenüber Verunreinigungen.
Dadurch kann es vorkommen, dass sie unregelmäßig oder gar nicht funktionieren.
Ultraschall Näherungssensoren sind vom Schall abhängig.
Dieser hängt wiederum von einem bestimmten Medium ab, wodurch Ultraschallsensoren nicht im Vakuum funktionieren.
Wichtig: Ultraschall-Näherungssensoren dürfen in keinem Fall zum Personenschutz, beispielsweise an Produktionsanlagen, verwendet werden.