Sensoren Ultraschallsensoren haben große Anwendungsbreite

Ultraschallsensoren haben sich aufgrund ihrer Eigenschaften längst in vielen Industrien und Anwendungen einen sicheren Platz erobert. Anhand von Applikationsbeschreibungen soll das Einsatzspektrum moderner Ultraschallsensoren demonstriert werden. Sie werden unter anderem in der Medizin- und Drucktechnik, in der Landwirtschaft und sogar im Bauwesen erfolgreich eingesetzt.

Anbieter zum Thema

AGTOS Gesellschaft für technische Oberflächensysteme mbH GmbH

trivid GmbH

FORCAM ENISCO GmbH

Das Prinzip der Ortung mittels Schalllaufzeitmessung, einer Technik, worauf der größte Teil der Ultraschallsensoren basiert, hat sich draußen in der Natur bereits seit Urzeiten bewährt. Fledermäuse bedienen sich zum Beispiel dieser Methode, wenn sie in der Dunkelheit erfolgreich Jagd auf Insekten machen. Zielsicher orten die nachtaktiven Tiere im Flug ihre Beute, indem sie Schreie im Ultraschallbereich ausstoßen und mit ihrem hoch entwickelten Gehörsinn die von Fliegen und Mücken zurückgeworfenen Echos registrieren, auswerten und dann blitzschnell und zielgenau zuschlagen.

Der Transducer ist das Herz des Ultraschallsensors

Beim vom Menschen geschaffenen Ultraschallsensor übernimmt der sogenannte Transducer die Funktion von Maul (Schallsender) und Ohr (Schallempfänger) der Fledermaus. Die im Ultraschallbereich schwingende Piezomembran des Transducers koppelt Schallpakete, sogenannte Bursts, in die Luft ein, welche die Energie übernimmt und weiterleitet. Der kurzen Sendesequenz folgt jeweils eine Empfangsperiode, während derer auf Echos gelauscht wird. Im Betrieb wechselt der Transducer also dauernd zwischen Senden und Empfangen hin und her.

Treffen die ausgesandten Schallpakete auf ein Objekt, werden sie daran reflektiert und ein kleiner Teil der Ursprungsenergie wird zurück zum Sensor geworfen. Die Zeit, die zwischen dem Aussenden des Schallpakets und dem Empfang dieser Echos verstreicht, wird gemessen und vom Mikroprozessor des Sensors entweder in einen distanzproportionalen Spannungs- oder Stromwert umgerechnet oder aber als digitales Schaltsignal ausgegeben.

Die Oberflächenbeschaffenheit oder Farbe der zu erkennenden Objekte spielen bei dieser Messmethode eine untergeordnete Rolle. Solange ein Echo der ausgesandten Schallenergie in genügend großer Amplitude zurück auf den Empfänger trifft, ist es grundsätzlich möglich, die Distanz zum reflektierenden Körper zu messen. Und die Tatsache, dass Ultraschallsensoren zudem gegenüber jeglichen Verschmutzungen wie Staub, Rauch, Dunst und Fussel sehr tolerant sind, macht sie äußerst interessant für eine Vielzahl von Automatisierungsaufgaben.

Aufgrund genannter Eigenschaften werden Ultraschallsensoren oft für Füllstandsmessungen herangezogen. Die Spannweite der Anwendungen reicht dabei von der Pharmazeutik, über die Lebensmittel- und Druckindustrie bis hin zu Abwasserkläranlagen und Kieswerken. Erfasst werden können Flüssigkeiten, Cremes und Pasten sowie auch Schüttgüter wie Getreide, Sand, Kies und Ähnliches. Je nach Baugröße der Sensoren erstrecken sich die Erfassungsbereiche von wenigen Zentimetern bis hin zu einigen Metern.

Ultraschallsensor überwacht Füllstand von Druckfarbe

Eine typische Füllstandsanwendung zeigt das Bild 1. Dort überwacht ein Ultraschallsensor der Serie UNDK 30 das Niveau von Farbe tiefer Viskosität auf einer Mehrfarbendruckmaschine. Eine besondere Herausforderung stellt dabei das Ausblenden der Blasen dar, welche während des Betriebes sporadisch an der Oberfläche der pastenähnlichen, zähflüssigen Masse entstehen. Mittels einer an die speziellen Bedürfnisse des Kunden angepassten Auswertungssoftware sowie weiterer Modifikationen am Gerät ließ sich auch dieses Problem lösen.

Was das Foto anschaulich zeigt, sind die Farbspritzer auf dem Gehäuse und vor allem auch auf dem Transducer des Sensors. Ein photoelektrischer Sensor mit ähnlich verschmutzten Linsen wäre unter diesen Bedingungen schon längst blind und müsste gereinigt werden. Der eingesetzte Ultraschallsensor toleriert Farbfilm und Tropfen weitestgehend, was die Zuverlässigkeit der Anwendung deutlich erhöht.

Verpackungsmaterialien stellen Sensoren auf die Probe

Ultraschallsensoren bieten sich auch für Anwendungen in der Verpackungs- und Fördertechnik an. Die in diesem Segment häufig angetroffenen hochglänzenden und transparenten Verpackungsmaterialien unterschiedlicher Oberflächenstruktur stellen die Sensorik fast täglich von neuem auf die Probe. Aber nicht nur die abwechselnde Oberflächenbeschaffenheit der Gebinde und Verpackungen, sondern auch ihre wechselnde Farbe, Größe und Form verlangen nach zuverlässigen Lösungen.

Erschwerend kommen vielfach die hohe Luftfeuchtigkeit, wie sie zum Beispiel bei Abfüllanlagen angetroffen wird, sowie der Staub und die Fussel in den Textil, Papier und Holz verarbeitenden Industrien hinzu. Gerade in diesen Umfeldern erweisen sich Ultraschallsensoren immer wieder als tolerante und ideale Problemlöser.

Stellvertretend für besagte Anwendungsbereiche vermittelt Bild 2 einen Ausschnitt aus einem Fördersystem für Kunststoffgebinde. Diese werden von zwei Förderketten, eine der beiden ist am unteren Bildrand sichtbar, von der Seite herangeführt. Ein Ultraschallsensor überwacht an dieser Stelle von unten her den korrekten Fluss der Kunststoffbehälter.

Befestigungswinkel leitet Ultraschallsignal um 90° um

Weil unter dem Förderband für den Einbau des Ultraschallsensors nur wenig Raum zur Verfügung stand, baute der Kunde den Sensor horizontal in die Maschine ein. Mittels eines für diese Applikation konstruierten Befestigungswinkels aus Blech wird das Ultraschallsignal um 90° nach oben umgelenkt. Durch diese Maßnahme konnte nicht nur die Einbautiefe maßgeblich verringert werden, sondern durch die liegende Montage ist auch der Transducer des Sensors weitgehend vor fallenden Gegenständen sowie gegen Verschmutzung geschützt.

Solch ein Winkel ist für die Baugröße 20 als Standardzubehör erhältlich (Bild 2). Damit ist gewährleistet, dass sich die um 45° geneigte Ablenkfläche in optimaler Distanz zur aktiven Fläche befindet. Und auch die Montage des Sensors gestaltet sich durch die zwei von der Seite zugänglichen Befestigungslöcher einfach und bequem.

War es früher die Aufgabe eines Knechtes oder einer Magd, die Kühe zu melken, so übernehmen in der heutigen Milchwirtschaft mehr und mehr Melkroboter diesen Job. Ruhig und gesittet, fast wie an einer Londoner Bushaltestelle, warten die Milchkühe in Reih und Glied, bis sie an die Reihe kommen.

Für das vollautomatische Andocken an die Melkstation zeichnet eine ganze Batterie von elektronischen Datenträgern, induktiven Näherungsschaltern, Laserscannern und Ultraschallsensoren verantwortlich. Kurz vor dem Andocken schließt sich ein Käfig um die Kuh, welcher deren Bewegungsfreiheit stark einschränkt. Trotzdem kann sich diese während des Minuten dauernden Melkprozesses im Gatter ein paar Schritte vorwärts oder rückwärts bewegen.

Damit dabei die Vakuum-Sauger nicht vom Euter weggerissen werden, überwacht ein die Distanz messender Ultraschallsensor dauernd die Position: Dem Tier wird eine unter Federspannung stehende Metallplatte auf den Hintern gedrückt, die jede seiner Bewegungen mitgeht (Bild 3 links). Eine zweite Platte auf der gegenüber liegenden Seite des Melkroboters, über Mechanik mit der ersteren verbunden, vollführt genau die gleichen Auslenkungen wie die erste (Bild 3 oben rechts).

Diese werden mittels eines messenden Ultraschallsensors überwacht, dessen analoge Ausgangssignale der Steuerung zugeführt werden, welche blitzschnell die Position des Melkmoduls unter der Kuh nachführt (Bild 3 unten rechts). Somit ist sichergestellt, dass der vollautomatisch ablaufende Melkvorgang störungsfrei abläuft.

Verschmutzte Umgebung stellt kein Problem dar

In dieser von Staub, Kondenswasser, Schmutz und zeitweise gar Fäkalien geprägten Kuhstallumgebung treten die herausragenden Eigenschaften der Ultraschallsensoren besonders klar zu Tage: Anders als zum Beispiel fotoelektrische Sensoren, deren Linsen leicht durch Staubnebel und Schmutzablagerungen beeinträch-tigt werden können, fühlen sich Ultraschallsensoren auch in einem verschmutzten Umfeld außerordentlich wohl. Hier können sie ihre Überlegenheit im Vergleich zu anderen Techniken voll und ganz ausspielen. MM

Ruedi Zingg ist Produktmanager der Business Unit Proximity der Baumer Electric AG in Frauenfeld (Schweiz); weitere Informationen: Baumer Electric GmbH, 61169 Friedberg, Tel. (0 60 31) 6 00 70, Fax (0 60 31)60 07 70, sales.de@baumerelectric.com

(ID:195712)