Ultraschallsensoren erfassen über Schallwellen berührungslos und verschleißfrei zahlreiche Objekte mit unterschiedlichen Eigenschaften – egal, ob transparent, undurchsichtig, metallisch, nicht-metallisch, fest, körnig, pulverförmig oder flüssig. Welcher Sensor wann und für was eingesetzt wird und wo Einschränkungen liegen, lesen Sie in folgendem Beitrag.

Ganz gleich, nach welchem Funktionsprinzip Ultraschallsensoren arbeiten, sie eignen sich generell für Umgebungsbedingungen mit hoher Staubentwicklung beziehungsweise Schmutzbelastung, sofern Ablagerungen im Bereich der Sensorflächen den Schall nicht dämpfen. In der Regel sind sie daher optischen Sensoren in solchen Einsatzbereichen überlegen. Auch die Form oder Farbe eines Materials respektive Objektes haben keinen Einfluss auf das Schallverhalten und somit die Funktionsweise von Ultraschallsensoren. Allerdings können schallabsorbierende Materialien wie Watte oder weiche Schaumstoffe die Betriebsweite der Sensoren reduzieren. Zudem sind bei der Gerätemontage Einbaulagen zu vermeiden, die zu übermäßigen Schmutzablagerungen oder starker Nässe auf der Sensorfläche beziehungsweise dem sogenannten Schallwandler führen. Gemäß ihrer Funktionsweise lassen sich Ultraschallsensoren in die Kategorien Ultraschalltaster, Ultraschallreflexschranken, Ultraschallschranken und Ultraschallgabeln einteilen.

Vielseitig mit kleinen Einschränkungen

Ultraschalltaster senden zyklisch einen kurzen, hochfrequenten Schallimpuls aus, der sich mit Schallgeschwindigkeit (343 m/s bei +20° C Lufttemperatur) in der Luft fortpflanzt. Trifft dieser Impuls auf ein Objekt, wird er reflektiert und gelangt als Echo zurück zum Empfänger des Gerätes. Ein im Sensor integrierter Schallwandler übernimmt hierbei gleichzeitig die Funktion des Senders und Empfängers. Aus der Zeit, die der Schallimpuls vom Aussenden bis zum Empfangen des Echos benötigt, kann die Entfernung eines Objektes zum Taster bestimmt werden. Dieses Prinzip wird Laufzeitmessung genannt.
Der Schallwandler verursacht allerdings auch eine Blind- oder Totzone, innerhalb der kein Objekt erfasst werden kann. Der Grund: Während der Wandler als Sender fungiert, ist er nicht in der Lage, ein Echosignal zu empfangen. Sehr nahe, gewissermaßen im Empfangsschatten des Sensors befindliche Objekte lassen sich daher nicht erfassen. Aufgrund der hohen Signaldichte unmittelbar vor dem Gerät sind außerdem Mehrfachreflexionen zwischen Sensor und Objekt möglich. Daher ist innerhalb der Totzone keine reproduzierbare Funktion des Gerätes gewährleistet. Durch Umlenkspiegel beziehungsweise Reflektoren lässt sich die Totzone jedoch in eine Raumachse zwischen Sensor und Umlenkspiegel verlegen, wodurch nach dem Reflektor reproduzierbare Signale im Nahbereich ermöglicht werden. Beim Einsatz mehrere Ultraschalltaster in unmittelbarer Nähe zueinander lässt sich ein gegenseitiges Übersprechen der Geräte durch deren Synchronisation (alle Sensoren senden gleichzeitig) verhindern.

Heiße Objekte nur bedingt messbar

Ultraschalltaster sind vielseitig einsetzbar, allerdings können äußere Faktoren deren Funktionsweise beeinflussen. So sind beispielsweise Abfragen mit solchen tastenden Systemen auf heißen Objekten (z. B. heiße Flüssigkeiten oder feste Materialien) nur bedingt oder gar nicht möglich, da die Geschwindigkeit, mit der sich der Schall ausbreitet, von der Lufttemperatur abhängt. In der Konvektion über warme beziehungsweise heiße Teile können somit keine reproduzierbaren Ergebnisse erzielt werden. Ein weiteres Beispiel ist der Einsatz von Druckluftdüsen in der Nähe des Sensors, deren starker Luftstrom das Schallsignal mitunter ablenkt.  

Interessant für undefinierte Objektlagen

Mit einem beliebigen, schallreflektierenden Gegenstand (zumeist einem Maschinenteil oder einer Führungsschiene an einem Transportband) arbeiten Ultraschallreflexschranken als Referenzfläche, die als ortsunveränderlicher Reflektor dient und sich innerhalb der Sensorreichweite befinden muss. Das Schallsignal des Sensors wird auf den Abstand zum Reflektor eingestellt. Sobald ein Objekt zwischen Sensor und Reflektor gelangt, ändert sich die Laufzeit des Schalls in Bezug auf das zuvor definierte Schallsignal. Der Schaltausgang des Sensors wechselt daraufhin sein Signal.
Da Ultraschallreflexschranken keine Totzone haben, können zu detektierende Objekte auch in sehr kurzer Distanz deren Erfassungsbereich passieren. Solche Sensoren empfehlen sich daher auch für alle Anwendungen, in denen nicht genau bekannt ist, an welcher Stelle ein Gegenstand in den Erfassungsbereich der Reflexschranke gelangt. Zudem bietet das Funktionsprinzip von Ultraschallreflexschranken in Einsatzfeldern Vorteile, in denen zylindrische Objekte mit stark differierender Winkellage zu erfassen sind. Steht indes keine Referenzfläche für den Sensor zur Verfügung, bietet sich der Einsatz von Ultraschallschranken an.

Für schnell laufende Prozesse

Als Einweg-Schrankensystem bestehen Ultraschallschranken aus einem Sender und Empfänger. Unterbricht ein Objekt den Weg des Schalls zwischen diesen beiden Elementen, wechselt der Schaltausgang im Empfänger sein Signal. Aufgrund ihrer hohen Schaltfrequenz von 150 Hz werden Ultraschallschranken bevorzugt in Applikationen mit schnell laufenden Prozessen genutzt, also wenn Objekte den Erfassungsbereich des Ultraschallsystems mit hoher Geschwindigkeit passieren. Einer der häufigsten Einsatzbereiche für diese Sensoren findet sich daher in der Getränkeindustrie, um transparente Glas- oder PET-Flaschen zu erfassen.
Darüber hinaus sind solche Systeme zur Detektion von sehr dünnen Materialien wie zum Beispiel Folien geeignet. Hierbei ist aber darauf zu achten, dass das Material im Erfassungsbereich des Sensors gespannt ist. Andernfalls versetzt das Schallsignal das zu detektierende Objekt in Schwingungen, die dann quasi das auf einer Materialseite empfangene Signal auf der anderen Seite wieder abgibt. Das kann bei Einwegsystemen, aber auch bei Ultraschallgabeln und Systemvarianten mit Reflektoren mitunter zu Problemen bei der Objekterfassung führen.
Im Vergleich zu Ultraschallreflexschranken ist die Montage von Einweg-Schranksystemen etwas aufwendiger, da Sender und Empfänger eine separate Energieversorgung benötigen und zudem zueinander ausgerichtet werden müssen. Eine Aufgabe, die indes bei Ultraschallgabeln als Sonderbauform von Einweg-Schrankensystemen entfällt.
Sonderbauform deshalb, weil Ultraschallgabeln Sender und Empfänger in einer kompakten Einheit integrieren. Ihre Funktionsweise unterscheidet sich nicht wesentlich von Ultraschallschranken, mit dem Vorteil, dass Sender und Empfänger nicht zueinander ausgerichtet werden müssen. Obwohl solche Systeme aufgrund der Gabelweiten den potenziell möglichen Erfassungsbereich einschränken, sind sie generell für alle Applikationen geeignet, in denen auch Ultraschallschranken einsetzbar sind.
Da Ultraschallgabeln ebenfalls über eine hohe Schaltfrequenz von 150 Hz verfügen und eine Ansprechzeit von nur 1ms haben, ergeben sich für diese Geräte wie bei Ultraschallschranken gleichsam vielfältige Einsatzgebiete in der Getränkeindustrie, etwa zur Erfassung transparenter Flaschen. Die Ultraschallgabeln werden hierbei so positioniert, dass der Flaschenhals durch den Erfassungsbereich von Sender und Empfänger läuft. Lassen sich derartige Geräte aus mechanischen Gründen, zum Beispiel eine zu geringe Öffnungsweite der Gabeln, in einer Anwendung nicht einsetzen, empfehlen sich wiederum Ultraschallschranken.
Ultraschallgabeln bieten indes auch eine Alternative zu optischen Gabellichtschranken, sollten sich zum Beispiel beim Einsatz der optischen Systeme nach einer gewissen Produktionszeit die Materialeigenschaften ändern und Teile oder Objekte transparenter werden. In solchen Fällen können optische Gabellichtschranken sehr einfach und problemlos durch eine Ultraschalllösung ersetzt werden. Aus diesem Grunde hat ipf electronic ganz bewusst die Bauformen ihrer Ultraschallgabeln an optische Gabellichtschranken angelehnt.