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Artikel und Hintergründe zum Thema

Ultraschallsensoren von ifm

Andreas Mühlbauer,

Abstand in staubiger Umgebung sicher messen

Ultraschallsensoren senden und empfangen Schallwellen, in einem für das menschliche Gehör nahezu nicht wahrnehmbaren Bereich.

Mit einem Ultraschallsensor lässt sich auch sehr präzise der Durchmesser einer Rolle mit Etiketten erfassen. Ultraschallsensoren mit verschiedenen Reichweiten, die alle mit einer IO-Link-Schnittstelle ausgestattet sind. © ifm electronic

Das zu erfassende Objekt reflektiert die Schallwellen, und per Laufzeitmessung wird die Distanzinformation ermittelt. Anders als bei optischen Sensoren spielen Farbe, Transparenz oder Glanzgrad des Objektes keine Rolle.

Fledermäuse machen es vor – sie senden Ultraschallwellen aus und orientieren sich über das von Gegenständen in ihrer Umgebung zurückgeworfene Echo. Das zugrunde liegende Prinzip ist die Laufzeitmessung. Aus der Zeit, die zwischen Senden des Signals und Empfang des Echos vergeht, kann unter Berücksichtigung der Schallgeschwindigkeit die Entfernung berechnet werden. Ultraschallsensoren haben dieses Prinzip der Natur abgeschaut und kommen zur Abstandsmessung in verschiedensten Anwendungen zum Einsatz.

Funktionsprinzip von Ultraschallsensoren

Als Ultraschall bezeichnet man Schallwellen, die oberhalb des vom Menschen hörbaren Frequenzspektrums liegen – also etwa ab 20 kHz. Für Ultraschallsensoren werden in der Regel Frequenzen von 40 bis 300 kHz verwendet. Zentrale Komponente eines Ultraschallsensors ist der Schallwandler, der aus einem Piezokristall besteht. Durch Anlegen einer Spannung wird dieser in Schwingung versetzt und sendet dadurch eine Schallwelle aus. Um die Distanz zum Objekt zu messen, schaltet ein Impulszeitgeber die Spannung ab und versetzt den Schallwandler in den Empfangsmodus. Der reflektierte Schall erzeugt im Schallwandler wiederum eine Schwingung, die der Piezokristall in ein elektrisches Signal umwandelt. Die Elektronik misst die Zeit, die seit dem Aussenden des Signals vergangen ist, und bestimmt daraus die Distanz.

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Aufgrund des Messprinzips haben Ultraschallsensoren eine Blindzone – das bedeutet, dass sie sehr kurze Abstände nicht erfassen können. Ultraschallsensoren können in zwei Betriebsarten arbeiten. Bei Tastern reflektiert das zu erfassende Objekt die Schallwellen direkt zurück in den Sensor. Dies funktioniert aber nur, wenn das Objekt annähernd gerade zum Sensor ausgerichtet ist, weil anderenfalls die Schallwellen von dem Objekt abgelenkt werden. Wenn die Schallwellen abgelenkt werden, Schranken eingesetzt werden. Dazu wird ein Reflektor in einem geeigneten Abstand zum Sensor angebracht, der die Schallwellen reflektiert. Der Sensor detektiert dann, wenn diese Reflektion durch ein Objekt im Messbereich unterbrochen wird.

Die im Schallwandler erzeugten Schallwellen breiten sich gleichmäßig in Form einer Schallkeule aus. Wenn die Schallwellen an seitliche Wände treffen, kann es zu unerwünschten Reflektionen und damit verbundenen Fehlmessungen führen. Dies kann beispielsweise bei einer typischen Anwendung – der Füllstandsmessung in einem Tank oder Silo – auftreten. Um solche Fehlmessungen zu vermeiden, lassen sich Ultraschallsensoren mit einer so genannten Soundtube versehen, die die Schallkeule verschmälert.

Für jede Anwendung der passende Sensor

Das komplette Produktportfolio von ifm umfasst zahlreiche Varianten der Ultraschallsensoren mit verschiedenen Reichweiten, die alle mit einer IO-Link-Schnittstelle ausgestattet sind. © ifm electronic

ifm bietet ein umfangreiches Portfolio an Ultraschallsensoren in verschiedenen Bauformen an. Erhältlich sind Rund- und Cube-Bauformen im Kunststoff- oder im besonders robusten V4A-Gehäuse. Die sehr kompakten M18-Sensoren haben eine kleine Blindzone und Tastweiten bis zu 2,2 m, wie sie sonst nur von Sensoren in deutlich größerer Bauform erreicht werden. Bei den größeren Ultraschallsensoren der Bauform M30 sind Reichweiten bis zu 8 m möglich. Die Einstellung der Sensoren erfolgt entweder per Teach-Taste direkt am Gerät oder per Parametrierung über die IO-Link-Schnittstelle.

Bei den M30-Sensoren lässt sich die Schallkeule sehr einfach per Parametrierung ändern. Alle Ultraschallsensoren sind standardmäßig mit einer IO-Link-Schnittstelle ausgestattet. Diese bietet unter anderem Vorteile durch die digitale Signalübertragung, bei der nicht nur die Anwesenheit, sondern auch die gemessene Entfernung zu einem Objekt ausgegeben werden kann. Auch beim Austausch eines Sensors erleichtert IO-Link die Arbeit: Die Parametrierung des alten Sensors kann direkt auf den neuen Sensor übertragen werden. Die Produktionsunterbrechung ist dadurch deutlich kürzer. 

Auch für schwierige Umgebungsbedingungen

Ein Vorteil der Abstandsmessung mit Ultraschallsensoren liegt vor allem darin, dass das Messergebnis nicht durch die Materialeigenschaften beeinträchtigt wird. Auch glänzende, farbige oder strukturierte Oberflächen beeinflussen die Messung nicht. Sogar transparente Objekte lassen sich sicher erfassen, bei denen optische Sensoren häufig an ihre Grenzen stoßen. Kunststoffteile wie Blisterverpackungen, die für viele Produkte zum Einsatz kommen, werden in einer Verpackungslinie mit Transportbändern zu der Verpackungsmaschine transportiert. Mit Ultraschallsensoren lassen sich diese transparenten Teile sehr einfach detektieren.

Eine andere Herausforderung für optische Sensoren meistern Ultraschallsensoren ebenfalls problemlos – eine staubige Umgebung. Am Schallwandler haftet in der Regel kein Staub an, da dieser durch die Schwingungen im Betrieb entfernt wird. Und auch Staub auf der Oberfläche des Objekts stört die Schallreflektion nicht. Eine typische Anwendung, bei der es zu viel Staubentwicklung kommt, ist eine Maschine in einem Sägewerk, die Holzplatten aufstapelt. Um hier die Höhe des Stapels zu erfassen, kommen Ultraschallsensoren zum Einsatz, bei denen die Funktion durch die Staubbelastung nicht beeinträchtigt wird.

Ultraschallsensoren eignen sich auch für die Erkennung von Objekten, bei denen andere Technologien an ihre Grenzen stoßen – beispielsweise Gitterboxen. © ifm electronic

Ultraschallsensoren können deutlich mehr als nur die klassische Füllstandsmessung in Tanks oder Silos. Gerade in schwierigen Umgebungen mit hoher Staubbelastung oder bei der Erfassung von transparenten Objekten spielt dieses Funktionsprinzip seine Stärken aus. Die IO-Link-Schnittstelle, die bei allen neuen Sensoren von ifm zum Standard gehört, ermöglicht die einfache Einbindung der Ultraschallsensoren in intelligente Industrie-4.0-Anwendungen.

Stephan Heide

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