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Ultraschallsensoren - Messprinzip

Ultraschallsensoren als Abstandssensoren sind in der Lage, Objekte berührungslos zu erkennen und ihre Entfernung zum Sensor zu messen. Die Abstandserfassung von Waycon  Ultraschallsensoren arbeiten nach dem Prinzip der Laufzeitmessung von hochfrequenten Schallimpulsen.  Der Ultraschallsensor strahlt zyklisch einen kurzen, hochfrequenten Schallimpuls aus. Dieser pflanzt sich mit Schallgeschwindigkeit in der Luft fort. Trifft der Ultraschallimpuls auf einen Gegenstand, wird er reflektiert. Das so entstehende Echo wird vom Sensor wieder aufgenommen und aus der Zeitspanne zwischen dem Senden und dem Empfangen des Schallimpulses, wird der Abstand zum Objekt berechnet. Ultraschall Sensoren für die Abstandsmessung sind in der Lage, Objekte aus unterschiedlichen Materialien zu erfassen wie Metall, Holz oder Kunststoff. Nur schalldämpfende Stoffe, wie z.B. Watte oder glatte schräg stehende Flächen können schlecht vom Ultraschallsensor erfasst werden.

 

Messprinzip Ultraschall

Betrieb Ultraschallsensoren

Einbau
Die Ultraschall-Sensoren dürfen in jeder beliebigen Lage eingebaut werden, sofern Ablagerungen auf der schallaktiven Fläche vermieden werden. Durch Schall-Umlenkwinkel lässt sich die Ultraschall-Keule auch umlenken, jedoch zu Lasten der maximalen Reichweite. Bei nicht sachgerechtem Einbau können sich Ultraschall-Wegaufnehmer gegenseitig beeinflussen und Fehlschaltungen hervorrufen. Um diese auszuschließen, müssen Mindestabstände für die Abstandsmessung eingehalten werden.

Gegenüberliegender Einbau
Damit es zu keinen Fehlschaltungen der optischen Sensoren kommt, muss ein Mindestabstand gewährleistet sein.

Umlenkungen
Eine Umlenkung des Sensors ist generell bei harten ebenen Flächen möglich. Mehrfaches Umlenken sollte vermieden werden, da ansonsten die Reichweite der Sensoren eingeschränkt werden kann.

Der Öffnungswinkel der Schallkeulen beträgt ca. 8°. Er entspricht in etwa der 3-dB-Grenze des maximalen Erfassungsabstandes. Auch außerhalb dieses Winkels können Objekte mit entsprechender Größe, Form und Oberflächenbeschaffenheit aber noch erkannt werden. Die folgende Abbildung zeigt den Erfassungsbereich einer ebenen Norm-Messplatte (A) 100×100 mm senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Ultraschalls, sowie den Erfassungsbereich eines Rundstabs (B) mit einem Durchmesser von 25 mm. Innerhalb dieser Bereiche ist die Erfassung der angegebenen Objekte gewährleistet.

Objekteinflüsse

Bei konvexen (zylindrischen und kugelförmigen) Oberflächen hat jedes Flächenelement einen anderen Winkel zur Keulenachse. Die reflektierte Keule divergiert dadurch und der Anteil der zum Empfänger reflektierten Schallenergie verkleinert sich entsprechend. Die maximale Reichweite nimmt mit kleiner werdendem Zylinder (Kugel) ab.

Rauigkeit und Oberflächenstrukturen des zu erfassenden Objektes bestimmen zusätzlich die Abtasteigenschaften von Ultraschall-Sensoren. Oberflächenstrukturen, die größer als die Ultraschall-Wellenlänge sind, sowie grobkörnige Schüttgüter reflektieren Ultraschall diffus und werden unter Umständen von Ultraschall-Sensoren nicht optimal erkannt.

Hartes Material reflektiert bei Ultraschall-Anwendungen nahezu die gesamte Impulsenergie, so dass es sich sehr gut mit Ultraschall detektieren lässt.

Weiches Material hingegen absorbiert fast die gesamte Impulsenergie. Es wird daher schlecht mit Ultraschall erkannt. Zu diesen Materialien zählen z. B. Filz, Watte, grobe Gewebe, Schaumstoffe …

Dünnwandige Folien verhalten sich wie weiche Materialien. Um Ultraschall einsetzen zu können, sollte die Folienstärke deshalb mindestens 0,01 mm betragen.

Flüssigkeiten sind mit Ultraschall Abstandssensoren in der Regel gut erfassbar. Die Keulenachse darf jedoch nur eine max. Abweichung von 3° senkrecht zum Flüssigkeitsspiegel haben (keine starken Wellen).

Heiße Messobjekte mit hohen Temperaturen verursachen eine Wärmekonvektion der sie umgebenden Luft. Dadurch kann unter Umständen die Schallkeule senkrecht zu ihrer Achse so stark ausgelenkt werden, dass das Echo geschwächt oder gar nicht mehr empfangen werden kann.

Umwelteinflüsse

Ultraschall-Sensoren sind zur Abstandserfassung in atmosphärischer Luft konzipiert. Umwelteinflüsse wie Feuchte, Staub und Rauch beeinträchtigen ihre Messgenauigkeit nicht. Der Betrieb in Gasen, z. B. Kohlenmonoxyd, hingegen kann Messfehler bewirken, weil die spezifische Schallgeschwindigkeit abweicht und der Ultraschall gedämpft wird. Auch Flüssigkeiten, die Lösungsmittel ausdampfen, können die Sensorfunktion beeinträchtigen.

Starke Luftbewegungen und Turbulenzen führen zu Instabilitäten in der Messung, können aber unter üblichen Bedingungen in Produktionsstätten außer Acht gelassen werden. Denn Strömungsgeschwindigkeiten bis zu einigen m/s werden problemlos verkraftet, so dass auch Anwendungen im Freien nichts entgegensteht.

Niederschläge wie Regen oder Schnee in normaler Dichte führen zu keiner Funktionsbeeinträchtigung des Ultraschall-Abstands-Sensors und seines Ausgangssignals. Die Wandleroberfläche sollte jedoch für die sichere Abstandserfassung nicht benetzt werden.

 
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