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Ultraschallsensorik Technologiestudie für einen Bahnkantensensor

| Redakteur: Jan Vollmuth

Ob ein Ultraschall-Sensor die Lösung für eine Aufgabe ist, bedarf einer systematischen Analyse. Als Spezialist für Ultraschall-Sensorik analysiert Microsonic Aufgabenstellungen sowie technische Möglichkeiten und zeigt konkrete Lösungswege auf. Ein Beispiel: die Technologiestudie des Bahnkantensensors BKS+8/37/FIU.

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Der Bahnkantensensor BKS+8/37/FIU mit extra breitem Messbereich entstand im Rahmen einer Techmnologiestudie.
Der Bahnkantensensor BKS+8/37/FIU mit extra breitem Messbereich entstand im Rahmen einer Techmnologiestudie.
(Bild: Microsonic)

Mit Einführung der neuen Generation an Bahnkantensensoren von Microsonic mit einem Messbereich von bis zu 35 mm im Jahr 2011 sah sich das Unternehmen immer wieder mit Kundenanfragen nach noch deutlich größeren Messbereichen konfrontiert. Die in den Bahnkantensensoren BKS+3 und BKS+6 eingesetzte Technologie ließ sich aber nicht ohne weiteres zu größeren Messbereichen skalieren. Diese Kundenwünsche waren derart vielfältig, dass microsonic sich einschloss, eine Basisentwicklung für einen Bahnkantensensor mit variablen Messbereich zu starten.

Kaskadierbare Wandlermodule

Das Ergebnis nach zwei Jahren Entwicklungsarbeit sind kaskadierbare Wandlermodule, mit denen sich flexibel unterschiedliche Messbereiche realisieren lassen. Der auf der Hannover Messe 2014 vorgestellte Bahnkantensensor BKS+8/37/FIU hat beispielsweise einen Arbeitsbereich von 320 mm und besteht aus einer Kaskadierung von 8 Modulen. Johannes Schulte, Geschäftsführer von microsonic, freut sich persönlich über den großen Zuspruch auf der Messe: „Das ist mal ein Sensor mit Format im wahrsten Sinne des Wortes. Die positive Resonanz während der Messe hat uns überzeugt, die Technologiestudie weiter voranzutreiben. Von der Machbarkeitsstudie bis zum marktreifen Produkt liegt noch ein gutes Stück Arbeit vor uns. Als nächsten Schritt werden wir jetzt Funktionsmuster aufbauen und in den Praxistest schicken.“

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Aufgrund der kaskadierbaren Wandlermodule sind weitere kundenspezifische Lösungen denkbar. Auch die Gabelweite von 80 mm lässt sich individuell konfigurieren und ist daher optimal für den Anlagen- und Maschinenbau ausgelegt. Auf der Hannover Messe hat microsonic die Gelegenheit ergriffen und in Kundengesprächen Impulse für weitere Applikationen mit dem geplanten Bahnkantensensor herausgefiltert sowie Produktspezifikationen verfeinert.

Schwingungen abgeben und wieder einkoppeln

Luft-Ultraschallwandler sind meistens rotationssymmetrisch aufgebaut und haben ebenfalls eine rotationssymmetrische Abstrahlcharakteristik. Die kreisrunden Schwingelemente bestehen aus einer Piezoscheibe aus PZT (Blei-Zirkonat-Titanat), auf die eine so genannte Lambda/4 Anpassschicht geklebt wird. Diese spezielle Anpassschicht hat die Aufgabe, die mechanischen Schwingungen der Piezoscheibe mit geringen Verlusten in die Luft einzukoppeln und umgekehrt eine Schallwelle, die sich in der Luft ausbreitet, wieder in die Piezoscheibe einzukoppeln.

Für einen Bahnkantensensor ist allerdings ein asymmetrisches Schallfeld wünschenswert, welches in der einen Richtung möglichst breit und in der anderen Richtung entsprechend schmal ausgebildet ist. Um ein derartiges Schallfeld zu erzeugen, setzt microsonic rechteckförmige Piezoplatten im Ultraschallwandler ein. Gegenüber runden Piezoscheiben haben rechteckförmige Piezos auf den ersten Blick ein sehr ungünstiges Schwingverhalten. Rechteckförmige Piezoplatten neigen dazu, auf unterschiedlichen Frequenzmoden zu schwingen und keine ausgeprägte Hauptresonanz zu haben. microsonic ist es nun mit Hilfe der Methode der finiten Elemente gelungen, eine Geometrie zu finden, bei der zum einen die Nebenschwingungsmoden deutlich unterdrückt werden und zum anderen die Hauptschwingungsmode in eine Richtung eine ausgedehnte Abstrahlcharakteristik zeigt.

Aneinanderreihen ist die Lösung

Aber auch derartige Geometrien lassen sich nicht beliebig breit bauen. Erschwerend kommt hinzu, dass sich rechteckförmige Piezoplatten nicht in jeder Länge fertigen lassen. Die Lösung ist das Aneinanderreihen mehrerer Wandlerelemente. Die Herausforderung hierbei ist den Übergang zwischen den einzelnen Elementen so zu gestalten, dass im Schallfeld keine Unstetigkeiten entstehen. Durch die gewählte Geometrie ist dies gelungen. Das Ergebnis kann sich sehen lassen: Kaskadierbare Wandlermodule mit ausgedehnter Abstrahlcharakteristik in nur eine Richtung.

Bahnkantensensoren haben die Aufgabe, die Kante von bahnförmigen Materialien, die von einer Rolle abgewickelt und durch die verarbeitende Maschine geführt werden, zu erfassen. Die Lage der Kante wird benötigt, um den Bahnlauf nachzuregeln, so dass die Materialbahn immer sauber „in der Spur bleibt“.

Üblicherweise als Gabelsensor konzipiert

Üblicherweise sind Bahnkantensensoren als Gabelsensoren konzipiert. Im unteren Schenkel der Gabel sitzt ein Sender, der kontinuierlich Ultraschall abstrahlt. In dem oberen Schenkel befindet sich ein Empfangswandler, der das abgestrahlte Schallsignal empfängt und seine Intensität auswertet. Ein Bahnmaterial, welches in die Gabel eingeführt wird, deckt die Schallstrecke zwischen Sender und Empfänger weniger oder mehr ab. In Abhängigkeit des Abdeckungsgrades variiert die Intensität des Empfangssignals. Diese Änderung wird als Analogsignal 4-20 mA ausgegeben.

Ihre physikalischen Vorteile spielen Ultraschall-Bahnkantensensoren bei Bahnmaterialien aus hochtransparenten Folien, lichtempfindliche Materialien, Papier und anderen schallundurchlässigen Materialien wie beispielsweise Wellpappe, Textilien oder Gummi aus. Materialien mit wechselnder Transparenz und Farbe haben keinen Einfluss auf die Messung. Werden die robusten Sensoren zudem in staubiger und schmutziger Umgebung eingesetzt, sind sie optischen Lösungen deutlich überlegen.

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