Zu ihren beliebtesten Attraktionen in Vergnügungsparks zählen noch immer Wildwasserbahnen. Um Unfälle während des Herabrauschens im kühlen Nass auszuschließen, darf sich in den kritischen Bereichen des künstlichen Wasserlaufs immer nur ein Boot befinden. Ultraschallsensoren stellen hier eine strikte Zufahrtskontrolle sicher.

Bei schienengeführten Bahnbetrieben werden meist induktive Sensoren verwendet, um den Ablauf zu steuern. Die Schiene garantiert einen eng definierten Fahrweg, der Sensor und das zu detektierende Element befinden sich zum Zeitpunkt des Schaltens immer in einem genau bestimmten Abstand zueinander, bei minimalen Abweichungen. Auch die Fahrtrichtung ist eindeutig, es gibt kein Schwanken oder Pendeln.
Diese Voraussetzungen sind bei freischwimmenden Booten naturgemäß nicht gegeben. Sie bewegen sich auf der Wasseroberfläche zwar in eine vorgegebene Richtung, doch ohne eindeutig definierte Bahn. Richtung und Geschwindigkeit können innerhalb einer gewissen Bandbreite stark schwanken – erst recht wenn sich auf der Anlage runde Bootskörper im Kreis drehen, beim Anstoßen an Hindernisse abrupt die Richtung ändern und sich gegen die eigentliche Hauptrichtung bewegen.
Ein Objekt dieser Art lässt sich also nur mit Sensoren zuverlässig erfassen, die sich von solchen Gegebenheiten nicht beeinflussen lassen. Bei der Wildwasserbahn kommt zudem das Problem von Nässe und Wasserspritzern hinzu. Da solche Bahnen in der Regel unter freiem Himmel betrieben werden, sind zudem alle Anlagenteile dem Wetter ausgesetzt und müssen beträchtliche Temperaturschwankungen und UV-Einstrahlung tolerieren können.

Multitalent Ultraschall

Ultraschallsensoren verfügen über zahlreiche bauartbedingte Stärken, die sie für diese Anwendung prädestinieren. Schallwellen können praktisch alle Objekte erfassen, unabhängig von Form, Farbe, Konturen oder Material. Zudem wird ihre Ausbreitung durch beispielsweise Dämpfe, Niederschläge oder Staub kaum beeinflusst. Und Ultraschallsensoren sind – wiederum bauartbedingt – gegen anhaftende Spritzer, Beläge oder Verschmutzung gleichsam immun: Die schallerzeugende Membran vibriert ständig und verhindert so jede nennenswerte Anhaftung an der objektzugewandten Seite des Sensors. Dieser lässt sich auch nicht von spiegelnden Oberflächen oder Nebel irritieren.
Die Boote auf der Wildwasserbahn sind je nach Besucherandrang mehr oder weniger voll besetzt; die Größe der Bootsfahrer kann zwischen kleinem Kind und Erwachsenem wechseln. Somit hat jedes Boot beim Durchfahren des Schaltbereichs eine andere Kontur und gegebenenfalls einen unterschiedlichen Tiefgang. Hier erweist sich eine weitere messprinzipbedingte Eigenschaft als hilfreich: Der Messbereich wird mit zunehmendem Abstand zum Objekt größer.
Der Abstrahl- und Empfangsbereich der Ultraschallwellen hat die Form einer Keule und trifft immer flächig auf das Ziel. Diese Schallkeule erfasst nicht einen einzelnen Punkt, sondern einen mehr oder weniger großen Bereich. So lassen sich unregelmäßige Oberflächen zuverlässig detektieren. Das stellt zudem sicher, dass das Objekt nur einmal erkannt wird und es nicht zu einem Hin- und Herschalten des Ausgangs kommt, wie es bei Sensoren mit punktuellen Messprinzipien in dieser Anwendung wahrscheinlich wäre. Der Durchmesser der Schallkeule am Messort ist variabel und lässt sich an die Anwendung anpassen.

Kritische Bereiche absichern

Zu den kritischen Bereichen von Wildwasserbahnen zählt unter anderem die sogenannte Absturzzone. Sie befindet sich unmittelbar vor einer Wasser-Rutschbahn, auf der die Boote bei großem Gefälle stark beschleunigen. Diese mündet meist in einer Landezone, die dem Abbremsen und Umlenken zum weiteren Bahnverlauf dient. Dort dürfen keinesfalls Boote aufeinanderprallen. Bevor ein Boot in die Absturzzone gelangt, müssen also diese selbst, die Rutschbahn und die Landezone frei sein. Ähnliches gilt für den Anfang und das Ende von Strecken mit sehr starker Strömung, großem Höhenunterschied und vielen künstlichen Hindernissen, die echtes Wildwasser simulieren.
Die Absturz- oder Zufahrtzone ist in der Regel eher schmal, das Boot wird in einer relativ deutlich definierten Bahn geführt. Hier lassen sich die Sensoren nah an der Bahn montieren. In der Regel genügt eine Reichweite von einem Meter, um die Boote zu erfassen, wie sie etwa ein Gerät des Typs UB1000-18GM75 von Pepperl+Fuchs bietet. Die Landezone nach der Gefällestrecke muss dagegen relativ groß sein, damit die Boote vom Widerstand des Wassers wirksam abgebremst werden können. Hier kann der Abstand zwischen dem Sensor am Ufer und dem ankommenden Boot mehrere Meter betragen, zumal die Boote beim Auftreffen einen Wasserschwall auslösen, der wahrscheinlich in den Messbereich des Sensors hineinreicht.
An dieser Stelle kommen Ultraschallsensoren mit einer Reichweite von zwei, vier oder sechs Meter in Frage, zum Beispiel Geräte aus der Serie L2 oder 30GM. Die größere Reichweite überbrückt den in der Regel größeren Abstand zwischen Sensor und Objekt. Durch diesen Abstand haben Wasserschwall und größere Mengen Spritzwasser auch keinen irritierenden Einfluss auf die Erfassung. Um die Detektion zusätzlich abzusichern, bieten die genannten Sensoren die Möglichkeit, bei der Parametrierung einen Ansprechverzug einzufügen. Damit wird ein nur kurz auftretender Wasserschwall ausgeblendet, während das länger im Messbereich verweilende Boot eindeutig erkannt wird.
Um auch bei der Ausfahrt des Bootes aus einem Bereich sicher detektieren zu können, kann wiederum ein Abfallverzug vorgesehen werden. Hier würde ein pendelndes oder schwankendes Boot, das sich an der Messbereichsgrenze hin und her bewegt, durchweg als noch anwesend detektiert. Erst wenn es eine bestimmte Anzahl von Sekunden nicht mehr dort auftaucht, wird das Signal für „ausgefahren“ gegeben.
Aus Sicherheitsgründen müssen die Kontrollsensoren bei Bahnbetrieben oft redundant ausgeführt sein. Um auszuschließen, dass systemische Fehler die Redundanz kompromittieren, ist es ratsam, für die doppelte Belegung der kritischen Stellen Sensoren unterschiedlicher Baureihen zu verwenden. Als Spezialist in diesem Bereich bietet Pepperl+Fuchs eine breite Palette von Geräten an, die dafür in Frage kommen. Der sogenannte Multiplexbetrieb verhindert, dass sich die Sensoren dabei in ihrem Betrieb gegenseitig beeinflussen. Es genügt, die automatische Synchronisation der Geräte zu aktivieren. Das geschieht mittels des Zusammenschlusses der Synchronisationsanschlüsse der betroffenen Geräte. Diese sorgen anschließend selbstständig dafür, dass im Verbund abwechselnd immer nur ein Gerät sendet.