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  • Ultraschallsensoren 101: Antworten auf häufig gestellte Fragen

    Ultraschallsensoren zur Füllstandserkennung

    Abbildung: Ultraschallsensoren zur Füllstandserkennung

    Zusammenfassung: Ultraschallsensoren verwenden elektrische Energie und einen Keramikwandler, um mechanische Energie in Form von Schallwellen zu senden und zu empfangen. Schallwellen sind im Wesentlichen Druckwellen, die durch feste, flüssige und gasförmige Stoffe dringen. In der Industrie können sie für die Messung von Entfernungen oder zur Erfassung der An- oder Abwesenheit von Zielen eingesetzt werden. Hier werden einige häufig gestellte Fragen über Ultraschallsensoren beantwortet und Theorie und Fachbegriffe erläutert. 

    F: Was sind Ultraschallsensoren?

    Ultraschallsensoren sind industrielle Steuervorrichtungen, die Schallwellen mit einer Frequenz von über 20.000 Hz (d. h. außerhalb des für den Menschen hörbaren Bereichs) verwenden, um die Entfernung vom Sensor zu einem bestimmten Zielobjekt zu messen und zu berechnen. 

    F: Wie funktionieren Ultraschallsensoren?

    Der Sensor hat einen Keramikwandler, der vibriert, wenn er mit elektrischer Energie beaufschlagt wird. Durch die Vibrationen werden Luftmoleküle komprimiert und wellenförmig vom Sensor gegenüber einem Zielobjekt ausgedehnt. Ein Wandler sendet und empfängt Schallwellen. Der Ultraschallsensor misst die Entfernung, indem er eine Schallwelle sendet und diese dann über einen festgelegten Zeitraum das Echo von der Schallwelle "abhört", die vom Ziel abprallt. Danach sendet der Sensor eine neue Schallwelle aus.  

    F: Wie werden Ultraschallsensoren verwendet?

    Da Ultraschallsensoren für die Erfassung Schall statt Licht verwenden, eignen sie sich gut für Anwendungen, bei denen optoelektronische Sensoren versagen. Ultraschallsensoren sind eine hervorragende Lösung für die Erfassung transparenter Objekte und für die Messung von Flüssigkeitspegeln. Optoelektronische Sensoren hingegen haben wegen der Lichtdurchlässigkeit des Ziels Probleme mit diesen Anwendungen. Farbe und/oder Reflexionsvermögen des Ziels wirken sich nicht auf Ultraschallsensoren aus. Daher können diese zuverlässig in stark glänzenden Umgebungen eingesetzt werden.

    F: Wann ist eher ein Ultraschallsensor zu empfehlen als ein optischer Sensor?

    Ultraschallsensoren bieten Vorteile bei der Erfassung transparenter Objekte, bei der Messung von Flüssigkeitspegeln oder bei der Erfassung stark reflektierender oder metallischer Oberflächen. Ultraschallsensoren funktionieren ebenfalls gut in feuchten Umgebungen, während ein optischer Lichtstrahl durch die Wassertropfen gebrochen werden kann. Allerdings sind Ultraschallsensoren empfindlich für Temperaturschwankungen oder Wind. Bei optischen Sensoren können Sie außerdem eine kleine Punktgröße und eine kurze Ansprechzeit haben. In einigen Fällen können Sie einen sichtbaren Punkt auf ein Ziel richten, was die Sensorausrichtung unterstützt. 

    F: Wie kommen Ultraschallsensoren mit Rauschen und Übersprechen zurecht?

    Akustische Geräusche mit einer Frequenz, für die der Ultraschallsensor empfänglich ist, können den Ausgang des Sensors stören. Hierzu gehören Geräusche mit hoher Frequenz, wie zum Beispiel Trillerpfeifen, das Zischen von Überdruckventilen, Druckluft- oder Hydraulikvorrichtungen. Akustisches Übersprechen kann auch eintreten, wenn sich zwei Ultraschallsensoren derselben Frequenz nah beieinander befinden. Dann gibt es noch Störspannungen, aber diese sind nicht nur für Ultraschallsensoren problematisch.

    F: Welche Umgebungsbedingungen beeinträchtigen einen Ultraschallsensor?

    Temperaturschwankungen beeinträchtigen die Geschwindigkeit der Schallwellen eines Ultraschallsensors. Wenn die Temperatur steigt, bewegen sich die Schallwellen schneller zum Ziel und zurück. Obwohl das Ziel vielleicht nicht verschoben wurde, hat es für den Sensor den Anschein, dass sich das Ziel näher befindet.  Luftströme durch Hydraulikanlagen oder Lüfter können den Weg der Ultraschallwelle ebenfalls ablenken oder stören. Dies könnte dazu führen, dass ein Sensor die korrekte Position eines Ziels nicht erkennt.

    F: Warum muss ich meinen Ultraschallsensor vor dem Gebrauch erst aufwärmen lassen?

    Der Ultraschallsensor sollte erst konfiguriert bzw. betrieben werden, nachdem er sich aufgewärmt hat. Beim ersten Hochfahren eines Sensors wärmen sich die einzelnen Komponenten auf, und der umgebende Raum sowie die Komponenten in der Umgebung werden ebenfalls aufgewärmt. Diese Temperaturschwankung vom Kaltstart zur Betriebstemperatur wird als "Temperaturdrift bei Hochlauf" bezeichnet. Ehe sich alle Komponenten bei der richtigen Betriebstemperatur stabilisiert haben, kann die Genauigkeit Ihrer Messungen beeinträchtigt werden.  

    F: Was ist ein Totbereich?

    Als Totbereich wird der Bereich bezeichnet, der sich direkt vor der Frontseite des Wandlers befindet. In diesem Bereich kann der Sensor keine zuverlässigen Messungen vornehmen. Der Grund hierfür ist ein Phänomen, das als Ringing bezeichnet wird. Ringing ist die fortgesetzte Schwingung des Wandlers nach dem Erregungsimpuls. Die Energie muss abgeführt werden, ehe der Wandler ein Echo abhören kann. Achten Sie darauf, dass sich Ihr Ziel außerhalb des angegebenen Totbereichs Ihres Ultraschallsensors befindet. 

    F: Sind Ultraschallsensoren langsamer als optoelektronische Sensoren?

    Ja. Die Schallgeschwindigkeit ist beträchtlich niedriger als die Lichtgeschwindigkeit. Daher ist ein Ultraschallsensor aufgrund seiner Beschaffenheit langsamer als ein optischer Sensor.

    F: Welche Arten von Zielen sollte ich beim Einsatz eines Ultraschallsensors vermeiden?

    Ein Ultraschallsensor eignet sich am besten für Ziele, die lang und flach sind und eine solide Oberfläche aus Materialien wie Metall, Keramik, Glas oder Holz haben. Das Ziel sollte sich immer lotrecht zum Sensor befinden. Ziele mit weicher oder unregelmäßiger Oberfläche, zum Beispiel Kügelchen, Sägemehl oder Schaumstoff, sollten vermieden werden.

    F: Wie kann man Objekte in zufälligen Positionen am besten mit einem Ultraschallsensor erfassen?

    Programmieren Sie den "Hintergrund" als korrekte Bedingung in Ihren Sensor ein. Wenn Sie die den Ultraschall reflektierende Hintergrundfläche als korrekte Bedingung einprogrammieren, wird jedes Objekt, das zwischen den Sensor und den Hintergrund gelangt, erfasst. Hierdurch wird eine Ausgangsschaltung verursacht.

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