Ultraschallsensoren sind die Alleskönner unter den Sensoren und eignen sich für fast alle Detektionsaufgaben im industriellen Umfeld. Die zu erfassenden Objekte können fest, flüssig, körnig oder pulverförmig sein. Sie detektieren zuverlässig farblich wechselnde, transparente oder hochglänzende Objekte. Und besonders in rauer Umgebung wird die Leistungsfähigkeit von Ultraschallsensoren deutlich, da diese äusserst schmutztolerant sind und die Prozesssicherheit nicht durch Staub, Rauch, Nebel oder Ähnlichem beeinträchtigt wird.
Sensorprinzipien
Ultraschallsensoren basieren auf der gemessenen Laufzeit des Ultraschallsignals. Sie senden hochfrequente Schallwellen aus, die an einem Objekt reflektiert werden.
Ultraschall-Näherungsschalter
Funktionsweise
Im Ultraschall-Näherungsschalter gelangt ein spezieller Schallwandler zum Einsatz, der ein wahlweises Senden und Empfangen der Schallwellen zulässt. Der Wandler sendet eine bestimmte Anzahl Schallwellen aus, die vom zu erfassenden Objekt reflektiert werden. Nach dem Aussenden der Pulse wird der Ultraschallsensor auf Empfangsbetrieb umgeschaltet. Die Zeit bis zum Eintreffen eines möglichen Echos ist proportional zum Abstand des Objektes zum Näherungsschalter.
Digital-Ausgang
Eine Objekterkennung ist nur innerhalb des Messbereiches möglich. Der jeweilige Schaltabstand kann vom Anwender mit einem Potentiometer eingestellt oder mit dem Teach-in eingelernt werden. Wird ein Objekt innerhalb des eingestellten Abstandes erkannt, ändert sich der Schaltzustand des Sensors. Über die Erfassung eines Objektes informiert eine eingebaute LED.
Objekterkennung
Schallwellen werden an verschiedenen Oberflächen gut reflektiert. Die zu erfassenden Objekte können fest, flüssig, körnig oder pulverförmig sein. Durchsichtige und andere optisch schwer erfassbare Objekte werden mit Ultraschallsensoren eindeutig erkannt.
Normobjekt
Alle Angaben beziehen sich auf ein quadratisches, ebenes Objekt mit folgenden Kantenlängen:
- 15 x 15 mm bei einem Sde bis 250 mm
- 30 x 30 mm bei einem Sde bis 1000 mm
- 100 x 100 mm bei einem Sde > 1000 mm
Das Normobjekt steht senkrecht zur Bezugsachse des Sensors.
Grösse
Um eine sichere Objekterkennung zu gewährleisten, muss das reflektierte Signal genügend gross sein. Die Stärke des reflektierten Signals ist auch von der Grösse des Objektes abhängig. Beim definierten Normobjekt kann der Erfassungsbereich Sd voll ausgenutzt werden.
Oberfläche
Schallabsorbierende Objekte und Medien mit rauen oder porösen Oberflächen reflektieren den Schall diffus und reduzieren damit den Messbereich der Ultraschallsensoren. Der Erfassungsbereich Sd kann voll ausgenutzt werden, wenn die maximale Rauigkeit der Objektoberfläche 0,2 mm nicht übersteigt.
- Schaumgummi
- Baumwolle / Wolle / Stoffe / Filz
- Sehr poröse Materialien
Typische Schallkeulen
Die auf den Datenseiten aufgeführten Schallkeulen zeigen den effektiven Erfassungsbereich der Ultraschallsensoren auf. Die Schallkeulen verdeutlichen zudem den Einfluss der Nebenkeulen, welche den Öffnungswinkel der Sensoren im Nahbereich vergrössern. Aufgrund von Schallabsorption und -diffusion in der Luft werden die Schallkeulen bei grösseren Distanzen kleiner.
Die Schallkeulen sind jeweils typisch für eine ganze Sensorfamilie. So gilt das Profil 100 - 1000 mm zum Beispiel für alle Typen mit diesem Erfassungsbereich; analog wie digital.
Messmethode
Um die typischen Schallkeulen zu ermitteln, werden quadratische Normobjekte aus Stahl folgender Kantenlängen verwendet:
- 15 x 15 mm bei einem Sde ≤ 250 mm
- 30 x 30 mm bei einem Sde ≤ 1000 mm
- 100 x 100 mm bei einem Sde > 1000 mm
Die Objekte werden rechtwinklig zur Referenzachse des Sensors und in mehreren Abständen seitlich in den Erfassungsbereich eingefahren. Durch anschliessendes Verbinden der dabei gemessenen Schaltpunkte entstehen die typischen Schallkeulen. Die Form der Schallkeule verändert sich bei Verwendung von runden Objekten oder anders abweichender Geometrie.
Ultraschall-Reflexionsschranken
Funktionsweise
Grundsätzlich arbeitet die Reflexionsschranke nach demselben Prinzip wie der Ultraschall-Näherungsschalter. Im Unterschied zu Näherungsschaltern benötigen sie jedoch einen Reflektor, der das Ultraschallsignal reflektiert. Dabei kann jedes schallreflektierende, stationäre Objekt als Reflektor genutzt werden (z. B. auch das Förderband, eine Wand etc.). Sobald ein Objekt die Strecke zwischen Sensor und Reflektor unterbricht, erkennt der Sensor den Reflektor nicht mehr und ändert das Signal am Schaltausgang.
Objekterkennung
Normobjekt/Reflektor
Alle Angaben beziehen sich auf ein quadratisches, ebenes Objekt mit 30 mm Kantenlange (Sde > 1000 mm: 100 mm Kantenlange, Sde ≥ 2500 mm: 300 mm Kantenlange), das senkrecht zur Bezugsachse des Sensors steht. Der Reflektor muss aus gut schallreflektierendem Material von mindestens denselben geometrischen Abmessungen bestehen.
Vorteile
- Problemloses Detektieren von bis zu 100% schallabsorbierenden Materialien
- Sicheres Erkennen auch von schallablenkenden Objekten
- Kein Blindbereich vor dem Sensor bei Objekten die ≥ Normobjekt sind
Ultraschall-Einwegschranken
Funktionsweise
Bei den Ultraschall-Einwegschranken sind Sender und Empfänger in zwei separaten Gehäusen untergebracht. Der Sender gibt dauernd Schallwellen ab, die über die Luft zum Empfänger gelangen. Unterbricht ein Objekt die Schallwellen, so schaltet der Empfänger die Ausgangsstufe durch.
Mit dem im Empfänger eingebauten Potentiometer kann der Anwender die erforderliche Verstärkung des Eingangssignals genau auf die zu erkennenden Objekte abstimmen. Der Ausgangszustand und die empfangene Signalstärke werden mit einer LED angezeigt.
Öffnungswinkel α
Der Öffnungswinkel α definiert die räumliche Ausdehnung der vom Sender der Ultraschall-Schranke abgegebenen kegelförmigen Schallkeule.
Wiederholgenauigkeit
Wegen des engen Öffnungswinkels der Schallkeule des Ultraschall-Senders ist die Wiederholgenauigkeit des Schaltpunktes S1 für zwei unter identischen Bedingungen aufeinanderfolgende Objekte besser als 3 mm.
Hysterese
Die Hysterese definiert die Differenz zwischen Einschaltpunkt S1 und Ausschaltpunkt S2. Durchbricht ein Messobjekt den Schallkegel, ist für ein klares Zurücksetzen des Ausgangssignals ein um ca. 75% höherer Signalpegel notwendig. Dicht aufeinanderfolgende Gegenstände werden so eindeutig erkannt.
Ultraschall Distanzsensoren
Funktionsweise
Bei Distanz messenden Sensoren ist der abgegebene Strom bzw. die abgegebene Spannung proportional zum Abstand des zu erfassenden Objektes. Basierend auf Pulsechoverfahren wird der gemessene Entfernungswert als Spannungswert ausgegeben. Die Steilheit der Ausgangskurve kann je nach Sensor per Potentiometer, Teach-In oder qTeach verändert und optimal an die, für die jeweilige Applikation erforderliche Auflösung, angepasst werden. Bei Anwendungen mit langen Zuleitungen oder grosser Störeinstrahlungen empfiehlt sich die Verwendung des Distanz messenden Ultraschallsensors mit Stromausgang.
