Ultraschallsensoren Ultraschall – Das Sensorprinzip für alle Applikationen

Ultraschallsensoren sind durch ihr robustes und dennoch präzises Messverfahren für vielfältige Einsatzfälle prädestiniert. Einfache Parametrierung, wenn es die Applikation erfordert, verknüpft mit Messbereichen von wenigen Zentimetern bis zu zehn Metern heben sie vom Feld der Problemlöser zum Sensor für alle Einsatzfälle.

Anbieter zum Thema

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

SIKO GmbH

Hans Turck GmbH & Co. KG

Pepperl+Fuchs SE

Als Einparkhilfe im Automobil sind sie allgemein bekannt. Jedoch in der Fabrikautomation sind Ultraschallsensoren bisher eine oft unterschätzte Technologie zur berührungslosen Objekterfassung.

Dabei liegt der Vorteil der Ultraschallsensorik klar auf der Hand: Unabhängig von Farbe und Oberflächeneigenschaften kann ein Objekt millimetergenau erfasst werden. Verschmutzung wirkt sich nicht nachteilig auf das Messergebnis aus. Die Sensoroberfläche reinigt sich zudem durch hochfrequente Vibration von Benetzung durch Flüssigkeiten bzw. Staubablagerungen.

Vorteile erklären sich aus dem Messprinzip

Diese Vorteile lassen sich einfach mit dem Messprinzip erklären: Zyklisch werden kurze, für den Menschen nicht hörbare, Ultraschallimpulse ausgesandt und die Laufzeit des reflektierten Echos ausgewertet. Die zum Objektabstand proportionale Laufzeit wird mikroprozessorgesteuert präzise bestimmt. Die Stärke des reflektierten Signals ist für die Messung nicht relevant. Trotz dieser evidenten Vorteile gab es bislang Vorbehalte, welche den Einsatz erschwerten: aufwendige Inbetriebnahme und die physikalisch bedingte Blindzone.

Pepperl+Fuchs hat diesen Hürden Rechnung getragen und drei neue Reihen von Ultraschallsensoren entwickelt:

Ultraschallsensor im Miniaturgehäuse

Handlingsmaschinen werden in der Regel sehr kompakt aufgebaut. Für die Sensorik steht folgerichtig daher nur wenig Platz zur Verfügung. Die Baureihe UB…F77 ist für diese Anwendungsfälle bestens gerüstet. Im dicht verschweißten Kunststoffgehäuse (das etwa so groß ist wie zwei Stück Würfelzucker) sind auf engsten Raum die komplette Sende- und Empfangselektronik, der Ultraschallwandler, die Signalanzeigen und der Steckeranschluss untergebracht.

Durch Optimierung der Wandler konnte die Blindzone reduziert werden ohne die maximale Reichweite im gleichen Maß zu verringern. Eine Blindzone von nur 10 mm, in denen der Sensor keine exakte Entfernung des zu erfassenden Gegenstandes ermitteln kann, ist kein Problem.

Die bei Ultraschallsensoren typische Schallkeule stellt im Gegensatz zur Linie eines Lasersensors in vielen Applikationen einen Vorteil dar. Durch den leicht flächigen Abtastfleck spielt die Ausrichtung des Objektes bzw. Kanten keine Rolle. Störende Geräusche, hervorgerufen durch zum Beispiel austretende Pressluft, werden von ausgeklügelten Algorithmen der Sensor-Firmware zusammen mit der selektiven Empfangselektronik wirkungsvoll unterdrückt.

Einfache Parametrierung eines Ultraschallsensors

Bei der Baureihe UC…30GM70 lässt sich über das Potentiometer der Schaltabstand sehr einfach und intuitiv einstellen, auch ohne Anwesenheit des Objektes. Darüber hinaus kann eine sehr schnelle, bidirektionale Infrarot-Schnittstelle zur Kommunikation mit dem Sensor verwendet werden. Die elektrische Verkabelung zum Sensor wird hierbei nicht unterbrochen, ebenso wenig wird die eigentliche Messaufgabe des Sensors gestört.

Zur Kommunikation wird ein kleiner Infrarot Tranceiver mit USB-Kabel auf den M12-Stecker aufgeschnappt. Der Kunststoff im Bereich des Steckanschlusses ist für Infrarotlicht durchlässig. Auf dem angeschlossenen Notebook lässt sich die Einbausituation visualisieren.

Mehrere Echos können z.B. mit Entfernung und Empfangsamplitude angezeigt werden, um so den Sensor optimal auszurichten. Über den gleichen Weg ist der Sensor auch parametrierbar: etwa Anpassung der Schallkeule, Ausblenden von störenden Objekten, Setzen der Schaltpunkte mit zugehöriger Hysterese, Anpassung der Analogkennlinie, um nur ein paar Parameter exemplarisch zu nennen.

Durch die hohe Übertragungsgeschwindigkeit an der Infrarot-Schnittstelle konnte ein Echtzeit-Linienschreiber in der Parametriersoftware realisiert werden. Dieser zeigt den zeitlichen Verlauf einer Abstandsänderung mit der Möglichkeit den Ablauf in einem Datenfile auf der Festplatte aufzuzeichnen.

Ultraschallsensor einfach in die Steuerung integrieren

Eine Anpassung von Grundparametern ohne externes Tool ist bei der Baureihe UC…30GM-IO möglich. Es lässt sich der Schaltabstand millimetergenau mit einem Tastendruck einstellen. In einem weiteren Schritt kann die Schallkeule in drei Stufen an die Applikation angepasst werden, sowie die Funktion des Schaltausgangs von Öffner auf Schließer und umgekehrt parametriert werden.

Über die IO-Link Schnittstelle, die Parametriersoftware PACTware sowie den gerätespezifischen DTM ist der Sensor ganz gezielt an die jeweilige Applikation angepassbar. Neben der Möglichkeit den Sensor bei Bedarf zu parametrieren, lässt er sich via IO-Link sehr komfortabel mittels IODD in eine Steuerung einbinden.

Die Ausgangsdaten des Sensors, binäre Aussage über die Position des erfassten Objektes oder analoge Abstandsinformation liegen sofort in der Steuerung vor. Wird der Sensor im Fehlerfall getauscht können die eingestellten Parameter problemlos in den neuen Sensor aus der Steuerung geladen werden, ebenso kann bei Chargenwechsel in der Produktion zwischen Parametersätzen um geschalten werden. Diese Möglichkeit der Kommunikation eröffnet neue Möglichkeiten der Einbindung des Ultraschallsensors in die Steuerung der Maschine.

Hannover Messe: Halle 9, Stand F28

* Franz-Josef Heimerl, Leiter Produktmanagement Ultraschallsensoren, Geschäftsbereich Fabrikautomation, Pepperl+ Fuchs

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