30.03.2021

Ultraschalldetektion in Industrieanwendungen

Schallgeschwindigkeit

Groß, komplex, kostspielig. Ultraschallsensoren hatten lange einen schweren Stand am Markt und mussten mit zahlreichen Vorbehalten kämpfen. Doch längst hat sich das Meinungsbild gedreht und die Sensoren sind in der Industrie angekommen. Über vergangene Schwächen, neue Stärken und ihre zukünftige Rolle in der Industrie.


Ultraschallsensoren nutzen das Verfahren der Laufzeitmessung. Das bedeutet: Der Sensor gibt einen hochfrequenten Schallimpuls aus, der wiederum von einem Objekt - dem Detektionsziel - reflektiert und als Echo zurückgeworfen wird. Auf Grundlage der entsprechenden Schalllaufzeit, also der Zeitspanne zwischen Senden und Empfangen des Ultraschalls, wird schließlich der Abstand zum Zielobjekt berechnet. Anders als optische Sensoren, etwa Laser-Abstandssensoren, messen Ultraschallsensoren dabei nicht auf einen Punkt, sondern auf eine Fläche. Gerade mit Blick auf komplexe Konturen und Objekte wie Gitter- und Netzstrukturen oder die Oberflächen von Schüttgütern, ein wertvoller Aspekt. Ultraschallsensoren verwenden Schall anstelle von Licht. Daher spielt die Beschaffenheit des Zielobjekts - Material, Farbe, Struktur, Form - keine Rolle. Egal ob der Gegenstand nun transparent, spiegelnd oder gläsern ist, metallisch oder hölzern, fest, flüssig oder pulverförmig, in all diesen Fällen ermöglichen Ultraschallsensoren eine sichere und berührungslose Detektion. Diese Vielfältigkeit ist es auch, die sie von anderen Technologien unterscheidet. Wo beispielsweise induktive Sensoren nur Metallobjekte erfassen können und optische Sensoren ihre liebe Mühe mit transparenten, hochglänzenden, flüssigen oder schwarzen Objekten haben, erkennen Ultraschallsensoren nahezu jeden Gegenstand. Einzig schalldämpfende Stoffe wie Watte oder Filz bereiten Ultraschallsensoren zwangsläufig Probleme. Neben ihrer Vielseitigkeit ist es aber auch die hohe Schmutztoleranz, die Ultraschallsensoren einen Vorteil gegenüber anderen Detektionstechnologien verschafft und selbst einen Einsatz in rauen Industrieumgebungen ermöglicht. Und auch hier ist es der Schall, der hört, nicht sieht, der den Unterschied macht. Denn weder Staub, Nebel noch Rauch beeinträchtigen die Funktionsfähigkeit von Ultraschallsensoren. Selbst in feuchten Umgebungen arbeiten die Sensoren zuverlässig und präzise. Zum Vergleich: Bei optischen Sensoren können die genannten Umwelteinflüsse zu fehlerhaften Messergebnissen führen. Schließlich besteht bei Feuchte, Nebel- oder Staubbildung immer auch die Gefahr, dass der Lichtstrahl absorbiert oder gebrochen wird.

Ultraschalltechnologie in der Praxis

Mit diesen Eigenschaften ist Ultraschallsensorik wie geschaffen für Anwendungen mit hoher Schmutzbelastung, für die Füllstands- und Abstandsmessung sowie die Detektion transparenter, spiegelnder oder flüssiger Objekte. Häufig werden sie daher in der Getränke- und Lebensmittelindustrie eingesetzt, um PET-Flaschen oder durchsichtige Kunststoffbehälter zu erfassen. Typische Anwendungsfelder sind aber auch die Kollisionserkennung, die Höhenmessung sowie die An- und Abwesenheitsprüfung. Selbst Zählvorgänge können mit Ultraschallsensoren zuverlässig realisiert werden, wenngleich optische Sensoren hier im Vorteil sind. Schließlich ist Lichtgeschwindigkeit deutlich höher als Schallgeschwindigkeit. Zwar kommen Ultraschallsensoren auf eine Frequenz von 10 bis 100Hz, können also bis zu 100 Messungen die Sekunde durchführen. Optische Sensoren hingegen erreichen Frequenzen von bis zu 10kHz und damit Taktzeiten von 10.000 Messungen die Sekunde. Die konkreten Vorzüge und Besonderheiten der Ultraschalltechnologie lassen sich anschaulich und gebündelt am Beispiel der Füllstandsmessung in Silos oder Tanks illustrieren. Ein großer Vorteil ist zunächst die farb- und oberflächenunabhängige Objekterfassung. Daher macht es keinen Unterschied, ob Brauchwasser in einer Kläranlage überwacht werden soll, Schotter in einem Kieswerk oder Getreide in einem Speicher. Ein weiterer Pluspunkt auf der Checkliste ist die hohe Schmutztoleranz der Ultraschallsensorik. Ihr ist es zu verdanken, dass die Sensoren problemlos im Außenbereich eingesetzt werden können und Staub oder Nebel - in Kies- oder Wasserwerken allgegenwärtig - keinen Einfluss auf das Messergebnis haben. Auch die Reichweite der Ultraschalltechnologie kommt hier zur Geltung, insbesondere bei hohen Silos. Schließlich kommen Ultraschallsensoren auf eine Reichweite von bis zu acht Metern, bei optischen Systemen ist meist bei drei bis vier Metern Schluss. Zu guter Letzt ist auch die Bereichsmessung, also der große Erfassungsbereich ein Pluspunkt. Wo üblicherweise mehrere optische Sensoren erforderlich wären, kann z.B. der Wasserstand in einem Tank mühelos mit einem einzigen Ultraschallsensor bestimmt werden. Da optische Sensoren exakt auf einen Punkt messen, besteht überdies die Gefahr, dass der Lichtstrahl genau zwischen einzelne Steine oder Kiesel trifft und ein falscher Abstand gemessen wird.

Ultraschall und Fabrik der Zukunft

Die Schwächen vergangener Tage haben Ultraschallsensoren hinter sich gelassen. So haben Temperaturschwankungen beispielsweise keinen Einfluss mehr auf die Detektion und werden automatisch ausgeglichen. Und wo die Geräte einst sperrig und groß waren, sind moderne Ultraschallsensoren so kompakt und montagefreundlich wie jeder optische Sensor auch. Ultraschallsensoren haben allerdings nicht nur Schwächen hinter sich gelassen, sondern auch neue Stärken entwickelt. Telemecanique Sensors hat beispielsweise Ultraschallsensoren mit einem Erfassungswinkel von +/-35° entwickelt. Dank dieser Weiterentwicklung können sowohl gekrümmte als auch gewölbte und unebene Oberflächen sicher erkannt werden. Selbst kleinste Objekte mit einer Breite von einem mm lassen sich mit den neuen Ultraschallsensoren präzise erfassen. Damit wird die Ultraschalltechnologie auch für anspruchsvolle Anwendungen interessant, wie die Überwachung von Gepäckförderbändern oder die Detektion sehr dünner Materialien. Von den jüngsten Fortschritten in der Ultraschallsensorik profitieren auch Industrie-4.0-Umgebungen. So lassen sich per Software sämtliche Parameter wie Betriebsart, Fensterbereich, Hysterese oder Echooptionen unkompliziert einstellen und an die eigenen Bedürfnisse anpassen. So können beispielsweise die ersten Schallwellen ausgeblendet, das Verhalten bei Echoverlust eingestellt oder die Leistung des Schalls reduziert werden. Die Daten und Werte lassen sich aber auch über einen längeren Zeitraum aufzeichnen und können zu einem späteren Zeitpunkt zu Diagnosezwecken herangezogen werden.

Fazit

Die Ultraschallsensorik hat sich über die Jahre hinweg zu einer ausgereiften und praxisbewährten Technologie entwickelt. Die Sensoren werden für ihre Zuverlässigkeit, Vielseitigkeit und Präzision geschätzt und sind in so manchen Anwendungsbereichen anderen Detektionstechnologien überlegen. Fortschritte im Design, in der Funktionalität und in der Intelligenz erlauben den Einsatz von Ultraschallsensoren in bislang schwierigen Applikationsfeldern und machen sie zu einem vielversprechenden Baustein in der Industrie 4.0.

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