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Messen mit Ultraschall

Fledermäuse sind die bekanntesten Tiere, die das Ultraschall-Prinzip für die Orientierung einsetzen. Sie stoßen dabei hochfrequente Laute aus und verwerten die von Gegenständen reflektierten Echos um die Lage und Entfernung der Gegenstände zu erkennen.

Dieses Verfahren läßt sich auch in der industriellen Messtechnik einsetzen. Die von PIL entwickelten Sensoren basieren auf der Laufzeitmessung des Ultraschalls in Luft und dienen der automatisierten Positions- und Abstandsbestimmung von Objekten.

Mit anderen Verfahren arbeitende Näherungsschalter, Sensoren und Lichtschranken sind zwar in der Lage, Gegenstände in festen Entfernungsbereichen zu erkennen, ihre Funktion hängt aber stark von der Oberflächenbeschaffenheit der Zielobjekte ab. Sie können im allgemeinen keine Informationen über die genaue Position oder die Änderung der Position eines Objektes liefern.

Die Ultraschall-Abstandssensoren von PIL wurden entwickelt, um diese begrenzten Einsatzmöglichkeiten zu überwinden. Auch weitergehende Anforderungen in der Abstandsmessung können abgedeckt werden.

Produktserien

Mit den Produktserien P42, P44 und P47entwickelte PIL ein umfangreiches Programm von berührungslosen Abstandssensoren, jeweils optimiert für die verschiedensten Anwendungen. Das eingesetzte Know-how spiegelt sich in mehreren Patenten auf maßgebende Techniken bei Ultraschallsensoren. PIL-Ultraschallsensoren zeichnen sich deshalb besonders aus durch:

  • hohe Auflösung
  • optimale Präzision
  • große Sensierweite
  • geringe Mindestabstände
  • große Reichweite
  • hohe Schutzart bis IP68


Die Sensoren gewährleisten durch hohe Trägerfrequenzen sowie modernste Signalverarbeitung einen störungsfreien und genauen Betrieb. Zur Weitergabe an einen Prozessrechner dienen analoge, digitale oder schaltende Norm-Ausgänge oder RS232- und RS485-Schnittstellen. Über Synchronisations-Einrichtungen können mehrere Sensoren gleichzeitig eingesetzt werden, wodurch die Abtastung von Strukturen mit Sensor Arrays ermöglicht wird.

Serie P41

Produktserie P41 mit Teach-in Taster und analogem oder 2 schaltenden Ausgängen.

Serie P42

Produktserie P42 besteht aus ein- und zweiteiligen Sensoren. Sie können durch Programmierung der Parameter über genormte Schnittstellen an unterschiedliche Aufgaben angepaßt werden.

Serie P43

Teach-In über Kabel analog oder mit 2 schaltenden Ausgängen und Sensoren mit kurzem Messabstand.

Serie P44

Produktserie P44 mit Teach-In Taster und analogem oder 2 schaltenden Ausgängen.

Serie P47

Basis Serie mit fester analoger Kennlinie oder einem Schaltausgang.

Serie P48

Sehr kleine, schnell schaltende Schranken.

Serie P49

Kostengünstige Sensoren für den preissensiblen Markt mit hohen Stückzahlen.

Serie P53

Voll gekapselte Edelstahlgehäuse für den Einsatz in rauen Umgebungsbedingungen.

Funktionsweise

Die Sensoren arbeiten mit einem Ultraschallwandler zum Senden und Empfangen. In einem bestimmten Takt werden speziell kodierte Ultraschallsignale gesendet. Nach der Reflexion am zu messenden Zielobjekt werden die Signale vom Sensor empfangen und dekodiert. Die ermittelte Signallaufzeit wird temperaturkompensiert und in eine Abstandsinformation umgewandelt.

Einsatzgebiete

  • Abstandsmessung von bewegten Maschinenteilen und anderen Produkten
  • Erfassung von bewegten Objekten aus allen Materialien, auch Glas
  • Anwesenheitskontrolle von Gegenständen und Menschen
  • Zählen von Objekten unterschiedlicher Form
  • Vollständigkeitskontrolle von Objekten in Gebinden (Flaschen im Kasten)
  • Füllstandsmessung von Schüttgütern und Flüssigkeiten in Behältern und Silos
  • Auf- und Abwicklungssteuerung von Rollen in der Papier-, Folien- und Textilindustrie
  • Durchhangmessung zur Regelung der Materialspannung im mehrstufigen Arbeitsprozess
  • Sortiersteuerung durch Höhenprofilmessung von Packstücken auf Förderbändern
  • Positioniersteuerung durch Messen von Stapelhöhen und Überständen an Beladevorrichtungen
  • Überwachung von Bereichen, die nicht zugänglich sein sollen
  • Kollisionsschutz bei frei beweglichen Fördereinrichtungen

Technologieparameter

Messobjekte
Fast alle Materialien und Gegenstände reflektieren Schall und können somit erfaßt werden. Selbst schalldämmende Stoffe wie Watte oder Schaumgummi lassen sich, mit Einschränkungen in der Reichweite, erfassen. Die Messobjekte können fest, flüssig oder pulverförmig sein. Die Fähigkeit dieser Sensoren, auch durchsichtige Objekte zu erfassen, ist von besonderer Bedeutung.


Maximaler Messabstand
Der maximale Messabstand zum Messobjekt hängt von seiner Reflexionseigenschaft ab. Diese wird durch Größe, Material und Oberflächenstruktur bestimmt. Die Objekte dürfen von beliebiger Form und Farbe sein, solange ein ausreichendes Echo zum Sensor reflektiert wird. Auch sehr kleine Objekte, wie Drähte von 0,2 mm Durchmesser, können erfaßt werden. Vom Ideal abweichende Objekte verringern jedoch die maximale Reichweite und teilweise auch die Stabilität der Messwerte.


Schallkeule
Der Öffnungswinkel der Schallkeule von ~8 Grad gibt die 3 dB-Grenzen an. Im Nahbereich können auch außerhalb dieser Grenzen Objekte erkannt werden. Beim maximalen Abstand muß das Objekt rechtwinklig zur Schallachse liegen.


Messbereich
Der Messbereich ist durch die maximale Reichweite und den minimalen Messabstand definiert.


Messrate
Erst wenn der Echoimpuls den Ultraschallwandler wieder erreicht hat und dieser abgeklungen ist, kann ein neuer Sendeimpuls gesendet werden. Daher haben Ultraschallsensoren mit großen Messabständen kleine Messraten und  Ultraschallsensoren mit kleinen Messabständen große Messraten.


Mindestabstand, Blindzone
Die Ultraschallsensoren verwenden einen Wandler zum Senden und Empfangen des Ultraschallpulses. Da dieser natürlich nicht gleichzeitig senden und empfangen kann, ergibt sich eine Zone vor dem Sonsor, in der die Position eines Objekts nicht bestimmt werden kann.


Reichweite
Der maximale Messabstand ist die Entfernung, in der noch ein ausreichendes Echo vom Wandler empfangen wird.


Umwelteinflüsse
Umwelteinflüsse wie Feuchte, Staub und Rauch beeinträchtigen die Messgenauigkeit nicht. Die Sensoren sind zur Anwendung in atmosphärischer Luft konzipiert. Der Betrieb in anderen Gasen, z.B. Kohlenmonoxyd, kann durch die abweichende spezifische Schallgeschwindigkeit und Dämpfung Messfehler bewirken. Auch Flüssigkeiten, die Lösungsmittel ausdampfen, können den Sensor in seiner Funktionsfähigkeit beeinflussen. Alle PIL Ultraschallsensoren arbeiten mit einer Temperaturkompensation um Änderungen der Schallgeschwindigkeit durch Temperaturschwankungen auszugleichen.Starke Luftbewegungen und Turbulenzen führen zu Instabilität in der Messung. Strömungsgeschwindigkeiten bis zu einigen m/s werden jedoch problemlos verkraftet, so dass auch Anwendungen im Freien nichts entgegensteht.


Einbauhinweise
Die Ultraschallsensoren dürfen in jeder beliebigen Lage eingebaut werden, sofern Ablagerungen auf der schallaktiven Fläche vermieden werden. Die Ultraschallkeule läßt sich durch Reflektoren auch umlenken, jedoch zu Lasten der maximalen Reichweite. Eine Bündelung der Schallkeule ist mit einem fokussierenden Reflektor möglich.