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Ultraschallsensorik Füllstände dank IO-Link flexibel messen

| Autor/ Redakteur: Tobias Schwinghammer / Sariana Kunze

Egal, ob in der Flasche oder im Rütteltopf. Füllstände müssen zuverlässig gemessen werden – auch in rauen Umgebungen. Hierfür spezialisierte Ultraschallsensoren lassen sich dank IO-Link mit Funktionen erweitern und flexibel in bestehende Maschinenabläufe integrieren sowie an diverse Materialien und Störobjekte anpassen.

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Mit einer Synchronisationsfunktion der Ultraschallsensoren ist es möglich, mehrere Sensoren in unmittelbarer Nähe zueinander störungsfrei zu betreiben.
Mit einer Synchronisationsfunktion der Ultraschallsensoren ist es möglich, mehrere Sensoren in unmittelbarer Nähe zueinander störungsfrei zu betreiben.
(Bild: Baumer)

Überall dort, wo Füllstände von flüssigen Medien oder Schüttgütern in Tanks oder Kisten gemessen werden sollen, kommen Ultraschallsensoren zum Einsatz – häufig in der Verpackungsindustrie, dem Anlagen- sowie dem Maschinenbau. Doch nicht jeder Sensor erfüllt die hohen Anforderungen. Wenn sich ein Sensor nur umständlich einstellen lässt oder nicht auf unterschiedliche Medien und Prozesse angepasst werden kann, dann eignet er sich nicht. Zudem ist neben der zuverlässigen Erfassung des Objekts eine wesentliche Anforderung die mechanische und chemische Robustheit des Sensors: Wo mit aggressiven Chemikalien gearbeitet wird, muss ein Sensor über mehrere Jahre diesen Belastungen standhalten.

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Widerstandsfähiges Sensorelement hält Chemikalien stand

Für diese Anforderungen hat der Sensorikhersteller Baumer den Ultraschallsensoren UR18 (M18-Rundgehäuse) designt. Wo das Sensorelement herkömmlicher Ultraschallsensoren bei erhöhten mechanischen wie chemikalischen Einflüssen Schaden nimmt, weist die Ultraschallserie UR18 ein widerstandsfähiges Sensorelement auf. Das Element ist hermetisch abgedichtet und hält den meisten organischen und anorganischen Chemikalien, wie aggressiven Reinigungsmitteln stand. Zudem hält die Serie höchste mechanische Belastungen aus. Der Sensor erfüllt die Schutzart IP69K, dessen Testbedingungen erfordern, dass selbst heiße Flüssigkeiten mit einen Druck von 40 bar nicht ins Sensorgehäuse eindringen oder das Sensorelement beschädigen können. Die Sensoren verfügen zudem über eine Reichweite bis zu 1 m bei einem Blindbereich von 70 mm, was laut Baumer im Markt für die 18-mm-Klasse ein guter Wert ist und dem Anwender Freiheit bei der Positionierung gibt. Darüber hinaus sind die Sensoren flexibel, etwa bei der Einstellung der Schallkeule.

Füllstand mit einstellbarer Schallkeule messen

Beispielsweise ist eine enge Schallkeule notwendig, wenn man einen Füllstand durch eine schmale Öffnung messen möchte, wie durch einen Flaschenhals. Handelt es sich dagegen um Schüttgut, wie z. B. Schrauben in einem Rütteltopf, kann eine schmale Schallkeule zu Fehlern führen, weil die Schrauben aufgrund ihrer Form den Schall in viele Richtungen streuen und somit nicht genug Schall reflektieren. In diesem Fall ist eine breite Schallkeule besser, da bei einem breiten Öffnungswinkel auch die stärker abgelenkten Reflexionen erfasst werden können. Die Schallkeule der Ultraschallsensoren von Baumer lässt sich flexibel einstellen: schmal, mittel und breit.

Ultraschallsensor mit zuschaltbaren Filtern

Eine glatte Flüssigkeitsoberfläche, die sich nur sehr langsam hebt oder senkt , gehört zu den Standard-Messaufgaben eines Ultraschallsensors. Schwieriger wird es, wenn sich auf der Oberfläche Wellen kräuseln, wenn der Tank wankt oder wenn der Füllstand leicht variiert, etwa durch Druckschwankungen in Pumpen und Leitungen. Einfache Sensoren können diese Schwankungen missinterpretieren. Die UR18-Sensoren enthalten Filter, die ein Anwender nach Bedarf zuschalten und konfigurieren kann. Der Mittelwert-Filter berechnet den Durchschnitt der Messwerte über eine einstellbare Zahl von Messzyklen, das gleicht die Schwankungen des Flüssigkeitsspiegels aus und liefert ein stabiles Messsignal. Der Unterbrechungs-Filter setzt den Messvorgang für eine definierte Zeitspanne aus, damit in dieser Messlücke ein rotierender Rührer in einem Tank nicht mit erfasst wird. In Anlagen, wo mehrere Ultraschallsensoren nah nebeneinander montiert sind, kann es zu gegenseitigen Beeinflussungen kommen. Die Ultraschallsensoren von Baumer verfügen über eine Synchronisations- wie auch über eine Multiplex-Funktion, durch die verhindert werden kann, dass ein Sensor Signale aufschnappt, die eigentlich für seinen Nachbar bestimmt sind.

Buchtipp

Das Buch Industriesensorik beschreibt die Entwicklung und die praktische Anwendung der wichtigsten Sensoren. Durch anwendungsbezogene Fehleranalysen von Messsystemen, Sensoren und Sensorsystemen, jeweils ergänzt durch viele detaillierte, vollständig durchgerechnete Anwendungsbeispiele, eignet sich das Buch nicht nur für Studenten, sondern auch für Ingenieure und Techniker verschiedener Fachrichtungen.

Mit IO-Link schnell und einfach konfiguriert

Die Konfiguration der Filter und der Schallkeulen erfolgt über IO-Link. Dieser Schnittstellenstandard setzt sich in der Sensorik immer mehr durch. Die dadurch verfügbaren Sensorfunktionen wie beispielsweise die Filterfunktionen ermöglichen dem Anwender eine auf seine Anwendung zugeschnittene Parametrierung des Sensors. Die Dual Channel IO-Link-Schnittstelle ermöglicht sowohl eine einfache Parametrierung aus der Steuerung wie auch die Übertragung von zyklischen und azyklischen Daten an die Steuerung.

Steht ein Sensor-Wechsel an, ermöglichen Parameter-Server-Funktionen einen schnellen Sen- soraustausch sowie die Vervielfältigung von Parameterdaten, das verkürzt die Stillstandzeiten der Anlage. Über qTeach, verschleißfreies Teach-Verfahren von Baumer, kann ein Techniker die Einstellungen auch direkt am Sensor vornehmen. Alle Sensoren der UR18-Familie sind mit IO-Link ausgestattet. Die Ultraschallsensoren sind erhältlich als Näherungsschalter (1- oder 2-Punkt), Reflexionsschranke, Einwegschranke oder als distanzmessende Variante. Sensoren mit gleichen Funktionen wie die der UR18-Familie gibt es auch in einem quaderförmigen Kunststoffgehäuse, diese führt Baumer unter der Bezeichnung U500.

* *Tobias Schwinghammer, Produktmanager für Ultraschallsensoren, Baumer

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