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Echos geben Auskunft

Ultraschallsensoren: Funktionsprinzip, Anwendungen, Zukunftsperspektiven
Echos geben Auskunft

Es stimmt nicht mehr, dass Ultraschallsensoren groß sind und auf Fremdgeräusche und -licht allergisch reagieren. Deshalb sind die Geräte heute aus vielen Applikationen nicht mehr wegzudenken. Sie detektieren farblich wechselnde, transparente oder hochglänzende Objekte auch in rauer Umgebung in unterschiedlichsten Branchen.

Galten Ultraschallsensoren vor Jahren noch als vergleichsweise voluminös und störanfällig durch Fremdgeräusche, hat sich dies mittlerweile grundlegend geändert: Heutige Geräte präsentieren sich als zuverlässige Automatisierungskomponenten, die in vielen Anwendungen nicht mehr wegzudenken sind.

Prinzip der Ultraschallsensorik
Das Prinzip der Ultraschallsensoren ist die Laufzeitmessung: Ultraschallpakete, sogenannte Bursts von 50 bis 100 µs Dauer, werden vom Sensor ausgesandt, von einem Objekt reflektiert und wieder vom Sensor empfangen. Die integrierte Elektronik erzeugt ein entsprechendes Ausgangssignal, welches direkt vom Sensor als Digital- oder Analoginformation zur Verfügung gestellt wird.
Herzstück jedes Sensors ist der Transducer, der sowohl als Sender als auch als Empfänger arbeitet. Die Schallträgerfrequenzen sind jeweils auf Sensorgröße und den Erfassungsbereich angepasst und liegen zwischen 120 und 400 kHz – also weit außerhalb des menschlichen Hörvermögens. Im Betriebszustand wechselt der Transducer ständig zwischen Senden und Empfangen und ermöglicht so das Prinzip der Schalllaufzeitmessung.
Im Vergleich mit optischen Sensoren gibt es viele Anwendungen, in denen Objekte sicher erkannt werden. So ist beispielsweise die Detektion farblich wechselnder, transparenter oder hochglänzender Objekte absolut unkritisch. Auch das Thema Fremdlichtempfindlichkeit durch Sonneneinstrahlung, Leuchtstoffröhren oder andere Lichtquellen ist bedeutungslos. Besonders in rauer Umgebung wird die Leistungsfähigkeit von Ultraschallsensoren deutlich, da diese äußerst schmutzunempfindlich sind und die Prozesssicherheit nicht durch Staub, Rauch, Nebel oder ähnlichem beeinträchtigt wird.
Füllstände von flüssigen und zähflüssigen Medien, Granulat und anderer Schüttgüter werden zuverlässig überwacht.
Variantenreich für jede Applikation
Eine breite Palette von Varianten bietet die Möglichkeit zur Bestimmung des geeigneten Sensors zur Applikationslösung: Es gibt neben Reflextastern auch Zwei-Punkt-Taster (zwei separate Schaltausgänge in einem Sensor), Reflexschranken (mit feststehendem Reflektor) und Einwegschranken (Sender und Empfänger in getrennten Gehäusen).
Zudem stehen die Sensoren mit analogem Ausgangssignal zur Verfügung. Bei diesen Versionen wird proportional zum Objektabstand ein Ausgangssignal von 0 bis 10 V oder 4 bis 20 mA direkt vom Sensor zur Verfügung gestellt, ohne das eine zusätzliche Folgeelektronik erforderlich ist.
Multiplex- und Synchronisationsvarianten runden die Palette ab. Diese Ausführungen bieten sich an, wenn mehrere Sensoren zusammen in unmittelbarer Nähe eingesetzt werden sollen und gegenseitige Beeinflussung verhindert werden muss.
Baumer Electric hat alle Sensoren der neuesten Generation mit dem Teach-in-Modus ausgestattet. Diese Eintasten-Einstellroutine erlaubt eine einfache, schnelle Anpassung verschiedener Parameter an die jeweilige Applikation. Bei Reflextastern ist das die Einstellung der gewünschten Reichweite und bewirkt außerdem eine farbunabhängige Hintergrundausblendung. Bei den Analogsensoren wird neben dem Einstellen von Anfangs- und Endwert des Messbereichs auch die Wirkrichtung des Signals (steigend oder fallend) bestimmt. Weitere Funktionen wie Rücksetzung in Werkseinstellung, Teach-in-Verriegelung oder die externe Teachmöglichkeit über die Steuerung bieten hohe Flexibilität.
Vielfältige Einsatzmöglichkeiten
Ultraschallsensoren lassen sich in verschiedensten Automatisierungsprozessen einsetzen. Stetig wird die Liste der Applikationen länger, in der die Sensoren erfolgreich einsetzt werden. Einige Beispiele sind:
  • Positionsbestimmung bei Fertigungsprozessen
  • Füllstandserkennung oder -Messung in Tanks und Überlaufsystemen bis hin zur Dosierung in Kleinstbehälter und Reagenzgläser durch enge Flaschenhälse und Steigröhrchen
  • Stellplatzabfrage in Parkhäusern
  • Durchhangkontrolle und Coilabfrage bei Auf- und Abwickelvorgängen, beispielsweise Papier- und Kunststofffolien
  • Anwesenheitskontrolle beim Leiterplattenhandling und der Platinenbestückung
  • Objekterkennung im Verpackungsmaschinenbau.
Ebenso vielfältig wie die Applikationen sind auch die Branchen, in denen Ultraschallsensoren ihre Leistungsfähigkeit unter Beweis stellen: Glas- oder chemische Industrie, im Handlingsbereich und im graphischen, Textil- oder Verpackungsmaschinenbau.
Zukunfts- perspektiven
Auch künftig wird die Nachfrage an Ultraschallsensoren weiter steigen, wobei größere Leistungsfähigkeit in immer kleineren Gehäusen gefordert wird. Bauer Electric hat bereits früh erste Schritte in diese Richtung gelenkt und einen analogen Ultraschallsensor im M12- und 20-mm-Gehäuse (Quaderbauform) am Markt platziert.
Die geschaffene Kompetenz der Miniaturisierung von Sensoren will man weiter stärken und das erarbeitete Know-how für kommende Generationen nutzen. Die immer kleiner werdenden Bauelemente, Chip-Size- (CSP) und Micro-Leadframe-Package (MLF) -Gehäuse sind ebenso gefordert wie die Verwendung eines speziell entwickelten Coustom-Asic, in dem wichtige Schaltungselemente integriert sind und somit wertvoller Bauraum eingespart wird.
In Zeiten Hundertprozent-Prozesssicherheit und steigender Qualitätsstandards finden Ultraschallsensoren immer häufiger Anwendung in Kombination oder anstelle ihrer optischen Kollegen. Die Philosophie des „einheitlichen Gehäusekonzepts“ (verschiedene Sensortechnologien in einer Gehäuseform) unterstützt diesen Trend und erhöht mit dem Haltersystem „Sensofix“ die Flexibiliät in der Applikation.
Halle 9, Stand A32
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