Definition Was ist ein Ultraschallsensor?

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Ultraschallsensoren detektieren berührungslos alle Objekte, Materialien und auch Flüssigkeiten, die in der Lage sind, Ultraschallwellen in hinreichendem Maße zu reflektieren. Wie funktionieren Ultraschallsensoren, wie können sie eingeteilt werden und wo lassen sie sich einsetzen?

Was haben die Geschwister Curie und die Titanic gemein? Beide vereint das Thema Ultraschall: Ende des 19. Jahrhunderts erzeugten die Geschwister Curie erstmals Ultraschall mit Hilfe des Piezo-Effekts in Kristallen; der Untergang der Titanic führte zu ersten konkreten Lösungen im Bereich Ultraschall. Da es zum Zeitpunkt der Katastrophe keine Technologie gab, mit der man die Gefahr von Eisbergen auf See rechtzeitig erkennen konnte, erfanden unabhängig voneinander der englische Mathematiker Lewis Richardson und der deutsche Physiker Alexander Behm Anfang des 20. Jahrhunderts mit dem Sonar und Echolot auf Ultraschall basierende Systeme zur Abstandsmessung im Wasser.

Was ist Ultraschall?

Als Ultraschall wird Schall mit Frequenzen oberhalb des hörbaren Frequenzbereichs des Menschen bezeichnet. Für das menschliche Gehör ist Ultraschall, der Frequenzen ab 20 kHz bis 1 GHz umfasst, somit nicht wahrnehmbar. Schall oberhalb von 1 GHz wird als Hyperschall bezeichnet, während Schall unterhalb der menschlichen Hörgrenze (<16 Hz) als Infraschall bekannt ist.

Da Ultraschallwellen ein Medium, Luft (Gase), Flüssigkeiten oder Festkörper zur Ausbreitung benötigen, sind sie mechanische Wellen und keine elektromagnetischen Wellen, denn diese können sich im Gegensatz zu Ultraschall auch in einem Vakuum ausbreiten.

Ultraschall wird je nach Beschaffenheit eines Objektes an diesem reflektiert, in ihm absorbiert, gestreut oder tritt durch ein Hindernis hindurch (Transmission). Wie bei anderen Wellen können zudem Brechungen, Beugungen und Interferenzen auftreten.

Wie wird Ultraschall erzeugt?

Eine Möglichkeit zur Erzeugung von Ultraschall ist der Einsatz sogenannter Piezoelemente: Mithilfe eines elektrischen Feldes werden in piezoelektrischen Materialien Ladungsträger verschoben, wodurch es zu einer makroskopischen Längenänderung kommt (inverser Piezoeffekt). Ist die angelegte Spannung eine Wechselspannung, dann werden die Partikel z. B. in einem Medium wie Luft in Schwingung versetzt, durch die Druckschwankungen entstehen. Die Verdünnung der Partikel führt zu einem niedrigeren Druck, während deren Verdichtung zu erhöhtem Druck führen. Die Wellenlänge des Schalls beschreibt den Abstand zwischen zwei Verdünnungs- bzw. Verdichtungsbereichen. Die hierdurch erzeugten Schallwellen breiten sich im umgebenden Medium aus, wobei die Geschwindigkeit des Schalls in Abhängigkeit zur Dichte und den elastischen Eigenschaften des Mediums variiert.

Grundsätzlich wird unterschieden zwischen:

• Longitudinalwellen: Bei Longitudinalwellen erfolgt die Schwingung in der Ebene ihrer Ausbreitung, sodass sie sich in Flüssigkeiten und Gasen oder auch Festkörpern ausbreiten können. Transversalwellen: Bei Transversalwellen erfolgt die Schwingung hingegen senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung, was nur in Festkörpern möglich ist.

Beide Wellenmodi können durch Reflexion oder Brechung an Grenzflächen zu dichteren Materialien in den jeweils anderen Modus umgewandelt werden.

Schweißen

Unbeschichtetes Papier mit Ultraschall verschweißen

Wie funktioniert ein Ultraschallsensor?

Während optische Sensoren über separate Sender und Empfänger verfügen, nutzen Ultraschallsensoren bzw. Ultraschalltaster dasselbe Element, auch als Schallwandler bezeichnet, zum Senden und Empfangen von Ultraschallwellen. Ultraschallsensoren arbeiten nach dem sogenannten Echo-Laufzeitverfahren bzw. nach dem Prinzip der Laufzeitmessung.

Die Sensoren integrieren hierzu einen Schallwandler, der zyklisch einen kurzen, hochfrequenten Schallimpuls aussendet, der sich mit einer Geschwindigkeit von 343 m/s bei 20 °C Lufttemperatur in der Luft ausbreitet. Trifft der Schallimpuls auf ein Objekt bzw. eine Oberfläche, wird er dort reflektiert und gelangt als Echo zurück zum Gerätempfänger. Da wie gesagt, der Schallwandler gleichzeitig als Sender und Empfänger fungiert, schaltet er nach dem Aussenden des Ultraschalls auf Empfang. Aus der Zeit, die der Schallimpuls vom Aussenden bis zum Empfangen des Echos benötigt, lässt sich die Entfernung eines Objektes bzw. dessen Abstand bestimmen.

Die Formel zur Abstandsmessung lautet hierbei: L = ½ x T x C
(L = Abstand, T = die Zeit zwischen Senden und Empfangen, C = Schallgeschwindigkeit)
Der Wert muss mit ½ multipliziert werden, weil T die Zeit definiert, die die Schallwellen vom Sensor zum Objekt und zurück zum Gerät benötigen.

Warum haben Ultraschallsensoren eine Blindzone?

Da, wie oben beschrieben, der Schallwandler gewissermaßen eine Doppelfunktion erfüllt, kann er keine Signale empfangen, während er als Sender arbeitet. Daher haben insbesondere Ultraschalltaster eine sogenannte Blind- oder Totzone, die sich in einem Bereich unmittelbar vor dem Gerät befindet. Sehr nahe Objekte, die sich quasi im Empfangsschatten des Sensors befinden, lassen sich daher zumeist nicht erfassen. Allerdings kann es aufgrund der sehr hohen Signaldichte vor dem Gerät auch zu Mehrfachreflexionen des Schalls zwischen Sensor und Objekt kommen, was unter Umständen doch zu einem Schaltsignal im Nahbereich führt. Aus diesen Gründen sind innerhalb der Blind- oder Totzone somit weder validierbare Messungen noch zuverlässige Objekterfassungen möglich.

Eine Option besteht jedoch darin, durch den Einsatz von Umlenkspiegeln bzw. Reflektoren diese Zone in die Raumachse zwischen Sensor und Umlenkspiegel zu verlegen, wodurch nach dem Reflektor reproduzierbare Signale im Nahbereich ermöglicht werden. Werden mehrere Ultraschalltaster in unmittelbarer Nähe zueinander eingesetzt, kann ein gegenseitiges Übersprechen der Geräte durch deren Synchronisation verhindert werden, d. h. alle Geräte senden zur gleichen Zeit bzw. im selben Augenblick.

Wie werden Ultraschallsensoren eingeteilt?

Ultraschallsensoren lassen sich gemäß ihrer Funktionsweise bzw. ihres gerätespezifischen Aufbaus in folgende Kategorien einteilen:

• Ultraschalltaster – Die Arbeitsweise von Ultraschalltastern wurde bereits oben im Zusammenhang mit der Erklärung zur allgemeinen Funktionsweise von Ultraschallsensoren näher beschrieben. Kennzeichnend für diese Geräte ist, dass sie einen Schallwandler besitzen, der gleichzeitig die Funktion des Senders und Empfängers übernimmt.
  Bei Ultraschalltastern wird zwischen Lösungen mit Analogausgang oder Schaltausgang unterschieden. Geräte mit analogem Ausgang geben ein Strom- bzw. Spannungssignal aus, das proportional zur gemessenen Laufzeit ist. Bei Ultraschallsensoren mit Schaltausgang wird z. B. über ein Potentiometer oder durch eine Teach-In-Prozedur eine Schaltschwelle festgelegt.

• Ultraschallreflexschranken – Sie benötigen eine Referenzfläche (einen beliebigen schallreflektierenden Gegenstand, zumeist ein Maschine nteil), die als ortsunveränderlicher Reflektor dient und sich innerhalb der Reichweite des Sensors befinden muss. Der Sensor wird auf den Abstand zu diesem Reflektor eingestellt . Sobald sich ein Objekt zwischen Sensor und Reflektor befindet, ändert sich die Laufzeit des Schalls in Bezug auf das zuvor für die Referenzfläche definierte Schallsignal. Der Schaltausgang des Sensors wechselt daraufhin sein Signal.
  Ultraschallreflexschranken haben im Gegensatz zu Ultraschalltastern keine Totzone. Daher können zu detektierende Objekte auch sehr nahe den Erfassungsbereich des Sensors passieren.

• Ultraschallschranken – Als Einwegsysteme bestehen Ultraschallschranken aus einem Sender und einem Empfänger, die aufeinander ausgerichtet sind. Wird der Schallweg zwischen Sender und Empfänger durch ein Objekt unterbrochen, wechselt der Schaltausgang im Empfänger sein Signal.

• Ultraschallgabeln – Überall dort, wo Ultraschallschranken einsetzbar sind, finden sich auch Anwendungsbereiche für Ultraschallgabeln. Sender und Empfänger von Ultraschallgabeln müssen jedoch nicht, wie bei Ultraschallschranken, zueinander ausgerichtet werden. Ultraschallgabeln sind zumeist sehr kompakt gebaut, wobei sich deren Bauformen zumeist an optischen Gabellichtschranken anlehnt.

Definition

Was ist eigentlich ein Zylindersensor

Was ist bei der Montage von Ultraschallsensoren zu beachten?

Ultraschallsensoren können in jeder beliebigen Lage montiert werden, sofern die Einbauposition zu keinen Ablagerungen (z. B. Staub, Wassertropfen, etc.) auf der schallaktiven Fläche führt. Bei Bedarf kann, wie bereits beschrieben, die Ultraschallkeule durch Umlenkspiegel umgelenkt werden, was jedoch die maximale Reichweite eines Gerätes reduziert. Werden z. B. mehrere Ultraschalltaster nebeneinander eingebaut, ist ein Mindestabstand zwischen den Geräten zu berücksichtigen, damit sie sich nicht aufgrund der Ultraschallwellen gegenseitig stören. Dies gilt etwa auch bei einem gegenüberliegenden Einbau, damit es ebenfalls durch die hochfrequenten Schallimpulse nicht zu Fehlschaltungen kommt.

Darüber hinaus sind die Objekt- und Umwelteinflüsse beim Einsatz von Ultraschallsensoren zu berücksichtigen:

• Bei Objekten mit konvexen, also zylindrischen oder kugelförmigen Oberflächen hat jedes Flächenelement einen anderen Winkel zur Achse der Schallkeule. Der reflektierte Schall kann hierdurch divergieren und den Anteil der zum Empfänger reflektierten Schallenergie verringern. Je kleiner ein Zylinder oder eine Kugel, desto geringer ist die maximal zu erzielende Reichweite eines Sensors.

• Rauigkeiten und grobe Oberflächenstrukturen haben ebenfalls Einfluss auf die Abtasteigenschaften von Ultraschallsensoren. So können z. B. grobkörnige Schüttgüter den Ultraschall nur diffus reflektieren und somit möglicherweise die Medienoberfläche nicht zuverlässig detektiert werden.

• Auch schallabsorbierende Materialien wie z. B. Watte, Schaumstoffe, grobe Gewebe oder Filz können die Funktionsweise von Ultraschallsensoren einschränken und somit die Detektion erheblich erschweren.

• Die Abfrage von heißen Objekten (fest oder flüssig) ist mit Ultraschallsensoren bzw. Ultraschalltastern nur bedingt oder gar nicht möglich, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls maßgeblich von der Lufttemperatur abhängt. Heiße Messobjekte verursachen in ihrer unmittelbaren Umgebung Konvektionswärme, die die Luft verwirbelt und zu ständig wechselnden Ergebnissen bei der Laufzeitmessung des Schalls führen können.

Wo lassen sich Ultraschallsensoren einsetzen?

Ultraschallsensoren erzielen sehr hohe Reichweiten und sind unempfindlich gegenüber Schmutz sowie Staub, soweit sich keine Ablagerungen auf dem Schallwandler bilden. Sie erkennen sowohl transparente Objekte sowie Medien und liefern selbst bei der Detektion komplexerer Objekte und Formen verlässliche Messergebnisse. Ultraschallsensoren eignen sich daher für den Einsatz in der eine Fülle an sehr unterschiedlichen Anwendungen.

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Verfahren und Lösungen zur Füllstandkontrolle

So sind Ultraschalltaster ideal für die Füll- oder Grenzstanderfassung von pastösen, festen oder flüssigen Medien z. B. in großen Behältern oder Silos. Zu den weiteren Einsatzfeldern von Ultraschalltastern gehören etwa die Schlaufenregelung von Metallbändern, etwa zur Steuerung oder Regelung der Materialmenge bzw. Materialspannung an Bandanlagen, die Erfassung von durchsichtigen Objekten wie Glas- oder PET-Flaschen, die Durchmessererfassung von Coils in der Metallverarbeitung sowie in der Kunststoff-, Papier- oder Textilindustrie, die Anwesenheitskontrolle z. B. in der Verpackungsindustrie sowie die Vollständigkeitskontrolle von Objekten in Gebinden.

Ultraschallreflexschranken bieten sich hingegen für Einsatzbereiche an, in denen nicht genau bekannt ist, an welcher Stelle ein Objekt, z. B. Pakete auf einem Transportband, in den Erfassungsbereich des Sensors gelangt. Darüber hinaus bietet das Funktionsprinzip von Ultraschallreflexschranken in Anwendungen Vorteile, in denen zylindrische Objekte mit stark differierender Winkellage zu erfassen sind.

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Der Einsatz von Ultraschallschranken ist in der Regel dann sinnvoll, wenn keine Referenzfläche zur Verfügung steht. Aufgrund ihrer zumeist sehr hohen Schaltfrequenzen sind Ultraschallschranken bevorzugt in Prozessen zu finden, in denen Objekte den Erfassungsbereich des Ultraschallsystems mit hoher Geschwindigkeit passieren, z. B. in der Getränkeindustrie zur Erfassung transparenter Glas- oder PET-Flaschen. Ultraschallschranken eignen sich als Einwegsysteme außerdem zur Detektion von sehr dünnen Materialien, wie etwa transparente Folien. Allerdings ist hierbei auf eine ausreichende Materialspannung zu achten, da ansonsten das Schallsignal die Folie in Schwingungen versetzen und somit zu Problemen bei der Objekterfassung führen kann, weil das auf einer Materialseite auftreffende Signal quasi auf der anderen Seite wieder Richtung Empfänger abgegeben wird.

Ultraschallgabeln empfehlen sich wiederum für alle Anwendungen, in denen auch Ultraschallschranken einsetzbar sind, also zur Erfassung von dünnen Materialien wie Folien oder transparenten Objekten wie Glas. Generell können Ultraschallgabeln eine Alternative zu optischen Gabellichtschranken sein, z. B. in Bereichen, in denen die Materiaeigenschaften der zu detektierenden Teile bzw. Objekte im Laufe der Zeit Veränderungen unterliegen, z. B hinsichtlich ihrer Transparenz.

Anbieter von Ultraschallsensoren

• Autosen

• Balluff

• Baumer

• Contrinex

• Dietz Sensortechnik

• di-soric

• EGE

• Elobau

• Herrmann Ultraschalltechnik

• IMF Electronic

• IPF Electronic

• Keyence

• Leuze

• Microsonic

• Pepperl + Fuchs

• Physik Instrumente

• Sensopart

• Sick

• TDK

• Turck

• WayCon

• Wingold Messtechnik

• Wenglor

Bei dieser Aufzählung handelt es sich um einen Auszug ohne Anspruch auf Vollständigkeit.

Quellen: Waycon; Wikipedia; Keyence; Autosen; Ultraschallmuseum; PI; IPF; Lernprogramme für Veterinärmedizinstudierende

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