Ultraschallsensoren mit kurzen Blindzonen und großen Messbereichen reduzieren Variantenvielfalt im Erfassungsbereich bis zu 300 Zentimetern

Wer Objekte in der Halbdistanz bis zu 300 Zentimetern mit Ultraschallsensoren erfassen wollte, musste bislang zahlreiche Varianten vorhalten, da jede nur einen eingeschränkten Messbereich abdecken konnte. Eine im vergangenen Jahr vorgestellte Ultraschallsensor-Familie soll das Problem lösen: Drei über Pin 5 teachbare Ausstattungslinien mit kurzen Blindzonen und großem Messbereich decken den gesamten Bedarf ab, egal ob analoge oder Schaltausgänge gefragt sind.

Wer Objekte in unmittelbarer Nähe erfassen will, dem stehen zahlreiche Sensoren mit kurzen Reichweiten im Zentimeterbereich, vor allem mit induktivem und kapazitivem Messprinzip, zur Verfügung. Weiter entfernte Objekte hingegen lassen sich mit optischen oder Radarsensoren detektieren. Für die Objekterfassung in der Halbdistanz bis zu 300 Zentimetern sind Ultraschallsensoren oft die bessere Wahl. Diese können allerdings aufgrund großer Blindzonen und begrenzter Reichweiten oft nur einen eingeschränkten Messbereich bedienen, was für denjenigen Nachteile mit sich bringt, der im Halbdistanzspektrum verschiedene Reichweiten abdecken will. Um dies realisieren zu können, muss der Anwender unterschiedliche Varianten bereithalten. Ein weiteres Einsatzfeld für Ultraschallsensoren ist das Erfassen hochglänzender Materialien wie Glas, Flüssigkeiten oder Granulat. Hier ist das Ultraschallprinzip den optischen Sensoren überlegen, da es gegenüber Reflexionen unempfindlich ist.

Ausbreitung des Schalls elementar für die Genauigkeit
Schall ist eine mechanische Welle, die sich in Festkörpern, Gasen oder Flüssigkeiten ausbreitet. Wie schnell dies geschieht, bestimmt die Zusammensetzung der Parameter Druck, Temperatur und Umgebungsmedium (Luft). Da Ultraschallsensoren die Laufzeit ihres Signals messen, ist die Genauigkeit des Ergebnisses von der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls abhängig. Damit nehmen Faktoren Einfluss, die bei anderen Technologien unberücksichtigt bleiben können. Der Luftdruck und die Zusammensetzung der Umgebungsluft unter offenem Himmel sind in der Regel ausreichend konstant, die Temperatur hingegen schwankt. Daher müssen Ultraschallsensoren die Laufzeitdifferenz bei unterschiedlichen Temperaturen mittels einer integrierten oder externen Temperaturmessung kompensieren.
Eine weitere Besonderheit resultiert aus dem Messprinzip: Alle Ultraschallsensoren haben direkt vor dem Schallwandler eine mehr oder weniger große Blindzone. Die Größe hängt von der Frequenz ab, mit der jeder Sensor zwischen Senden und Empfangen wechselt. Ist ein Objekt zu nah am Sensor, sendet er noch, während das zu empfangende Signal schon vom Objekt reflektiert wird. Das Objekt ist folglich zu nah, um es zu erkennen. Das heißt, kommt die Antwort zu schnell, überhört der Sensor das reflektierte Signal, weil er selbst noch spricht. Sensoren mit hohen Reichweiten arbeiten mit niedrigen Frequenzen und haben dementsprechend große Blindzonen. Ziel der Hersteller ist es, die Blindzonen möglichst klein zu halten, um mit einem Sensor ein breites Einsatzspektrum abzudecken.
Diesem Ziel ist Turck mit seiner neuen Ultraschallsensor-Familie RU-U einen Schritt näher gekommen. Bei der Entwicklung der neuen Sensortechnologie haben die Spezialisten ihre langjährige Erfahrung mit Ultraschallsensoren eingebracht und ihr Augenmerk darauf gerichtet, Schwächen bisheriger Modelle so weit wie möglich zu reduzieren. Die Sensoren sind daher robust, arbeiten mit größeren Messbereichen und kürzeren Blindzonen als die bisherigen Modelle. Zusätzlich bietet die neue Ultraschallsensor-Familie variable und einfach zu bedienende Geräte mit Features wie Easy-Teach-Funktion und IO-Link.

Kurze Blindzone, große Messbereiche
Durch die kurzen Blindzonen können auch Objekte detektiert werden, die nah am Sensor liegen. So hat beispielsweise die M18-Version mit 40 Zentimetern Reichweite eine Blindzone von 2,5 Zentimeter, was die Flexibilität in vielen Montagepositionen erhöht. Die Einbautiefen – etwa bei Füllstand-Anwendungen – sind geringer, da keine so große Blindzone mehr freigehalten werden muss. Zusätzlich hat Turck durch die kürzeren Blindzonen die Programmvielfalt reduzieren können. Die neu entwickelten Schallwandler liefern über die gesamte Sensorreihe hinweg große Messbereiche: in der M18-Ausführung bis zu 130 Zentimeter, in der M30-Version bis zu 300 Zentimeter. Besonderer Pluspunkt der neuen Ultraschallsensoren ist ihre Abwärtskompatibilität, das heißt, jeder Sensor der auslaufenden Reihe lässt sich unmittelbar durch ein Modell aus der neuen RU-U-Serie ersetzen. Auch das Zubehör kann weiter genutzt werden.

Erhöhte Prozesssicherheit
Da Ultraschallsensoren vor allem in rauen Umgebungen eingesetzt werden, müssen sie mit unterschiedlichen Umgebungseinflüssen wie etwa Staub, Wasser, Temperaturwechsel oder Vibrationen zurechtkommen. Die verbesserte Prozesssicherheit der neuen RU-U-Serie resultiert zum einen aus der robusten Gehäuseausführung in Metall: Gewindehülse und Steckergewinde bestehen jetzt aus einem Stück. Dies eliminiert eine potenzielle Schwachstelle, die in rauen Umgebungen und bei tiefen Temperaturen zu Beschädigungen führen könnte. Bei allen neuen Modellen ist das Außengewinde zudem über die gesamte Sensorlänge ausgeführt, sodass Kunden die Einbaulage innerhalb des Montagehalters flexibel anpassen können.
Zum anderen trägt die glatte, frontbündige Schallwandler-Membran zu höherer Prozesssicherheit bei, da sich hier kein Schmutz ablagert, der zu Fehlsignalen führen kann. Die mechanische Bewegung der Membran schüttelt im Idealfall sogar Ablagerungen wieder ab und reinigt sich so von selbst. Partikelablagerungen, die bei höherer Luftfeuchte entstehen, lassen sich ebenfalls restlos durch einfaches Abwischen beseitigen, ohne dass Reste im Übergangsbereich zwischen Wandlerschicht und Wandlerring bestehen bleiben.
Die Flexibilität bei der Montage setzt sich im Bedienkonzept fort, da alle Sensoren einen Teach-In über Pin 5 ermöglichen. Je nach Modell teachen Anwender die Sensoren über Drucktaster direkt am Sensor, mit einem Teach-Adapter oder per Teach-Leitung. Über die Teach-Funktion lassen sich individuelle Schalt- oder Messbereichsgrenzen einstellen. Die Tasten haben einen deutlichen Druckpunkt und sind im Gehäuse des Sensors versenkt, sodass der Anwender sie nicht unbeabsichtigt betätigen kann. Gerade bei der M18-Serie ist nun auch die einfache Festlegung der Schalt- beziehungsweise Messbereichsanfänge ohne eine externe Software möglich. Alternative Konzepte arbeiten mit Potenziometern, deren Dreheinstellung aber oft unsicher und unpräzise ist.

Volle Flexibilität mit High-End-Version
Erweiterte Parametrierungs- und Kommunikationsmöglichkeiten bieten die High-End-Versionen der neuen Ultraschallsensor-Familie, die mit einer IO-Link-Schnittstelle ausgestattet sind. Über die weit verbreitete, kostenlos verfügbare Parametrierungs-Software Pactware können zahlreiche Parameter der Sensoren passgenau auf die Anforderung jeder Applikation abgestimmt werden. Zum Beispiel lassen sich die Ultraschallsensoren als reine Sender oder Empfänger einstellen, um etwa mit zwei Ultraschallsensoren eine Ultraschalleinwegschranke zu installieren.
Weitere Einstellmöglichkeiten sind beispielsweise eine Zeitsperre, die Temperaturkompensation des internen oder eines externen Temperatursensors, das analoge Ausgangssignal als steigende oder fallende Kennlinie oder als weiterer Schaltausgang. Sollten statt des Schalt- und Analogausgangs zwei unabhängige Schaltausgänge benötigt werden, können diese auf PNP- oder NPN-Schaltausgangstyp und Öffner- oder Schließer-Funktion eingestellt werden. Sind mehrere Geräte in derselben Umgebung installiert, vermeidet der Anwender durch Synchronisation der Sensoren, dass sich diese gegenseitig stören. Eine Alternative dazu ist der Multiplexbetrieb, bei dem die einzelnen Geräte nacheinander arbeiten. Neben den Parametriermöglichkeiten eröffnet IO-Link auch einen Kommunikationsweg zwischen Sensor und Master. So lässt sich auch der aktuelle Prozesswert jederzeit direkt auslesen, falls kein Schalt- oder Analogsignal benötigt wird.

Drei Ausstattungslinien
Mit drei Ausstattungslinien adressiert Turck die unterschiedlichen Anforderungen seiner Kunden: Die Kompaktreihe zielt auf den Markt einfacher Ultraschallsensoren in M18-Bauform mit einem Schaltausgang ab. Da die Ausgangscharakteristik – Reflexionstaster oder Reflexschranke sowohl mit Schließer- als auch mit Öffner-Schaltausgang – variabel ist, reichen zwei Versionen aus, um die bisherige Typenvielfalt abzulösen: eine Version mit 40 Zentimetern und eine mit 100 Zentimetern Reichweite. Die Einstellung erfolgt über eine Teach-Leitung beziehungsweise einen Teach-Adapter.
Als Standard-Varianten bezeichnet Turck die Sensoren mit Doppelschaltausgang. Schaltpunkte, Schaltbereichsgrenzen und Ausgangsfunktionen lassen sich entweder per Teach-Leitung/-Adapter einstellen oder mittels Teach-Tasten am Gerät. Das Schaltfenster kann beliebig innerhalb des Erfassungsbereichs liegen. Dabei wird nur Schaltausgang 1 eingestellt, Schaltausgang 2 ist standardmäßig über den gesamten Erfassungsbereich voreingestellt und dient in der Betriebsart Reflexschranke als Öffnerfunktion. Die Standard-Varianten sind in der Bauform M18 als 40- und 130-Zentimeter-Sensoren verfügbar, in der Bauform M30 zusätzlich als 300-Zentimeter-Version.
Für anspruchsvolle Applikationen hat Turck High-End-Varianten im Programm, die mit den genannten Parametrierungs-Optionen per IO-Link die volle Flexibilität bieten. Die High-End-Versionen sind in M18-Bauform mit 40 und 130 Zentimetern Reichweite verfügbar, als M30-Version mit 130 und 300 Zentimetern.