Fortschrittliche Anwendungsstrategien für Ultraschallsensoren in der industriellen Automatisierung

• Mechanismus: Wird in Durchstrahlungskonfigurationen verwendet (separater Sender und Empfänger). Der Sensor misst nicht die Entfernung, sondern den Energieverlust.
• Physik: Wenn ein Objekt (oder eine zweite Materialbahn) den Pfad blockiert, sinkt die Signalamplitude. Dies ermöglicht die Erkennung interner struktureller Veränderungen (z. B. Luftspalten in Doppelplatten) oder linearer Kantenmaskierung, völlig unabhängig von der Farbe oder dem Reflexionsvermögen der Oberfläche.

• Mechanismus: Der Sensor sendet einen Impuls aus und berechnet die Entfernung (d ) auf der Grundlage der Rückkehrzeit (t ) und der Schallgeschwindigkeit (c ).
• Physik: Setzt voraus, dass das Ziel über eine ausreichende Akustische Impedanzfehlanpassung mit der Luft, um die Energie zurück zur Quelle zu reflektieren. Dies ist der Standardmodus für die Entfernungs- und Anwesenheitserkennung.

• Mechanismus: Ein ausgeklügelter Einsatz von Auswertung der Signalamplitude.
• Physik: Verschiedene Materialien absorbieren Schallenergie in unterschiedlichem Maße. Eine harte Oberfläche (Stahl) reflektiert ~99% an Energie, eine poröse Oberfläche (Schaumstoff, Wolle) absorbiert Energie. Durch die Analyse der Stärke des Schalls - und nicht nur des Zeitpunkts - können die Sensoren zwischen verschiedenen Materialien unterscheiden (z. B. bestätigen, dass sich eine weiche Schaumstoffeinlage in einer harten Kunststoffschale befindet), selbst wenn sie sich in genau demselben Abstand befinden.

Eine erfolgreiche Integration setzt voraus, dass die inhärenten Grenzen der piezoelektrischen Wandler beachtet werden:

• Die blinde Zone (Dead Band):
  Der Wandler fungiert sowohl als Lautsprecher als auch als Mikrofon. Nach dem Aussenden eines energiereichen Impulses schwingt das Keramikelement einige Millisekunden lang mechanisch (“klingelt”). Während dieser Klingelzeit, ist der Sensor “taub” für zurückkommende Echos.
  • Technik-Regel: Mechanische Konstruktionen muss die Montage von Abstandshaltern, um sicherzustellen, dass das Ziel niemals in diesen Bereich (normalerweise 0-100 mm) eindringt. Wenn ein Ziel die Blindzone durchbricht, wird die Ausgabe unbestimmt und unzuverlässig.
• Strahlengeometrie (Der Schallkegel):
  Der Schall breitet sich in einem volumetrischen Kegel (typischerweise 6° bis 12°) aus, nicht in einer laserartigen Linie.
  • Technik-Regel: Der Erfassungsbereich ist volumetrisch. Alle Maschinenschienen, Halterungen oder Tankwände, die in diesen Kegel hineinragen, erzeugen Falsche Echos. Installationen erfordern eine Berechnung des freien Weges auf der Grundlage des Abstrahlwinkels und der Zielentfernung.

• Photoelektrische Sensoren sehen durch klare Objekte hindurch.
• Schwarzer Gummi oder Kunststoff absorbiert das Licht und verhindert so das für optische Sensoren mit Streulicht erforderliche Rücksignal.

• Impedanz-Detektion: Die Sensor erkennt den massiven Unterschied in Akustische Impedanz (Z) between Air (Z_Luft ≈ 400) and the Solid Object (Z_solide > 10⁶). Unabhängig davon, ob das Objekt aus klarem Glas oder schwarzem Gummi besteht, prallt die Schallwelle effektiv an der Begrenzung ab.
• Retro-reflektierend Konfiguration: Bei unregelmäßigen Formen (z. B. gewölbten Shampooflaschen), die den Schall vom Empfänger wegstreuen könnten, ist ein Retroreflektierender Modus wird empfohlen.
  • Einrichten: Dem Sensor wird beigebracht, einen festen Hintergrund (z. B. eine Metallschiene) zu erkennen.
  • Logik: Jedes Objekt, das sich zwischen dem Sensor und der Schiene befindet, unterbricht das Signal oder verändert die Lichtlaufzeit. Dies ermöglicht eine binäre, ausfallsichere Erkennung unabhängig vom Winkel oder der Form des Objekts.

• Die 90°-Regel: Die Sensor müssen genau ausgerichtet sein Senkrecht (90°) zur Rollenachse. Eine Abweichung von nur 3° bei einer glatten Folienrolle führt dazu, dass der Schallimpuls vollständig vom Empfänger abgelenkt wird, was zu einem Signalverlust führt.
• Analoge Integration: Die Verwendung von Sensoren mit 0-10V oder 4-20mA Analogausgang ermöglicht der SPS die Berechnung der Rollenträgheit (I = m·r²) kontinuierlich. Dies ermöglicht eine dynamische PID-Abstimmung und verhindert Bahnrisse bei schneller Beschleunigung oder Abbremsung.

• Der Kontext: Verhindert, dass zwei Bleche (Metall, Papier, Wafer) gleichzeitig in eine Presse eingezogen werden, wodurch die Werkzeuge beschädigt werden könnten.
• Warum kapazitiv versagt: Kapazitive Sensoren sind auf dielektrische Konstanten angewiesen. Wenn sich die Papierfeuchtigkeit ändert oder die Metalllegierung variiert, müssen sie ständig neu kalibriert werden.
• Die Ultraschallphysik:
  • Einzelblatt: Die Schallwelle trifft auf die Platte, löst Schwingungen aus und überträgt sich auf den Empfänger.
  • Doppelbogen: Eine mikroskopisch kleine Luftschicht ist immer zwischen zwei sich überlappenden Blättern eingeschlossen.
  • Der Mechanismus: Der dünne Luftspalt zwischen zwei Platten erzeugt einen massiven Akustische Impedanzfehlanpassung. Dieses physikalische Phänomen führt dazu, dass fast 100% der Ultraschallenergie reflektiert oder zerstreut wird, wodurch die Übertragung zum Empfänger verhindert wird. Eine Signalamplitude nahe Null dient als deterministischer Auslöser für die Erkennung eines Doppelbogenfehlers.
  • Ergebnis: Der Empfänger sieht ein Signal nahe Null. Diese Erkennung ist rein mechanisch und funktioniert unabhängig von der Farbe, dem Druck oder dem Magnetismus des Blattes.

• Der Kontext: Ausrichten von transparenten Folien oder offenmaschigen Geweben beim Aufwickeln.
• Die Lineare Physik: Ein Ultraschall-Gabelsensor misst den Prozentsatz der Verstopfung.
  • Wenn die Bahn 50% des Schallstrahls abdeckt, fällt das Ausgangssignal um genau 50% ab.
  • Mesh-Vorteil: Im Gegensatz zu optischen Sensoren, die beim Blick durch Löcher in einem Netz “zittern”, integriert der breite Schallstrahl die durchschnittliche Masse des Materials und liefert ein stabiles, lineares Steuersignal für die Kantenposition.

In der chemischen Industrie enthalten die Lagertanks oft starke Säuren, Laugen oder andere hochkorrosive Flüssigkeiten. Herkömmliche Technologien zur Füllstandsmessung stoßen hier an ihre Grenzen:

• Kontakt-Risiken: Kontaktbasierte Geräte (wie z. B. Tauchdrucktransmitter, Schwimmerschalter oder Kapazitätssonden) müssen die Flüssigkeit berühren, um zu funktionieren.
• Hohe Materialkosten: Um korrosionsbeständig zu sein, benötigen Kontaktsensoren oft teure exotische Legierungen (z. B. Hastelloy, Tantal) oder spezielle Beschichtungen. Selbst bei diesen Materialien führt langfristiges Eintauchen oft zu einer Verschlechterung des Sensors, zu Drift oder Dichtungsleckagen.

• Echter berührungsloser Betrieb:
  • Der Sensor wird am oberen Ende des Tanks montiert und nutzt den Luftspalt als Übertragungsmedium, um den Abstand zur Flüssigkeitsoberfläche zu messen.
  • Nutzen: Diese “Null-Kontakt”-Konstruktion stellt sicher, dass der Sensorkörper physisch von der korrosiven Flüssigkeit isoliert bleibt, wodurch das Risiko chemischer Erosion an empfindlichen Komponenten vollständig ausgeschlossen wird.
• Materialbeständigkeit gegen Dämpfe:
  • Moderne industrielle Ultraschallwandler sind in der Regel in PVDF gekapselt (Polyvinylidenfluorid).
  • Nutzen: Selbst in Tanks, die mit korrosiven Dämpfen oder Rauch gefüllt sind, bietet PVDF eine außergewöhnliche chemische Beständigkeit, die sicherstellt, dass der Sensor in sauren oder alkalischen Umgebungen stabil und langlebig bleibt.
• Wartung und Sicherheit:
  • Da der Sensor nicht in die Flüssigkeit eingetaucht wird, muss der Tank für Installation und Wartung nicht geleert werden. Dies reduziert die Ausfallzeiten erheblich und minimiert die Exposition des Personals gegenüber gefährlichen Chemikalien.

Mobile Roboter brauchen redundante Sicherheitssysteme. LiDAR eignet sich hervorragend für die Kartierung, hat aber blinde Flecken.

• LiDAR-Schwächen: Transparentes Glas (Transmission), Spiegel (Ablenkung), schwarze Objekte (Absorption) und Maschendrahtzäune (Strahl geht durch Lücken).

• Volumetrische Abschirmung und Einhaltung der Sicherheitsvorschriften: Der breite Schallkegel erkennt die “feste Masse” von Maschendrahtzäunen und Glaswänden, die von schmalen Lasern nicht erfasst werden. Diese Erkennungsstrategie steht im Einklang mit ISO 3691-4-Normen für mobile Industrieroboter, das unabhängig vom primären Navigationssystem eine zertifizierte Redundanzschicht für die Personensicherheit bietet.
• Verringerung des Übersprechens: Bei der Montage einer Reihe von Sensoren an einem Stoßfänger sind akustische Störungen ein großes Risiko.
  • Protokoll: Verbinden Sie die Synchronisationspins (Sync) aller Sensoren im Array. Dadurch werden sie gezwungen, gleichzeitig zu feuern und zu horchen, wodurch das Array als eine einzige “Sonarhaut” behandelt wird und verhindert wird, dass Sensor A das Echo von Sensor B auffängt.

Da sich die Schallgeschwindigkeit mit der Temperatur ändert (um ≈ 0,6 m/s pro 1°C Anstieg), kann eine einfache Veränderung der Umgebungstemperatur um 10°C einen Messfehler von 1,7% verursachen, wenn sie nicht kompensiert wird.

• Für allgemeine Umgebungen: Wählen Sie immer Sensoren mit Interne Temperaturkompensation (eingebaute NTC-Thermistoren) zur automatischen Anpassung an die täglichen Schwankungen.
• Für Umgebungen mit Gefälle: In Fällen, in denen die Körpertemperatur des Sensors vom Zielbereich abweicht (z. B. ein Sensor, der an einer kalten Halterung angebracht ist und einen heißen Flüssigkeitstank misst), ist die interne Kompensation nicht ausreichend. Eine Externer Temperaturfühler muss direkt in der Messzone installiert werden, um eine genaue Referenz zu liefern.

In chemischen Tanks oder Lebensmittelverarbeitungsanlagen (siehe Abschnitt III) verändert starker Dampf die Luftdichte und absorbiert akustische Energie, wodurch hochfrequente Signale “verschwinden”, bevor sie zurückkehren.

• Auswahl-Regel: Vermeiden Sie 200-kHz-Standardsensoren in feuchter Umgebung.
• Empfehlung: Geben Sie an. Niederfrequente Sensoren (40-80 kHz). Ihre längeren Wellenlängen bieten eine überragende Durchdringungsleistung durch Dampf und Schaum und gewährleisten eine stabile Echorückgabe auch in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit.

Die herkömmliche Einstellmethode - das Drehen eines Potentiometers auf der Rückseite des Sensors mit einem Schraubenzieher - wird überflüssig. Die Integration von IO-Link-Kommunikationsprotokollen verändert den Nutzen des Sensors:

• Dynamische Parametrisierung: In einer flexiblen Produktionslinie kann eine Maschine einen kleinen Karton (Produkt A) und anschließend eine große Kiste (Produkt B) verarbeiten. Über IO-Link kann die SPS die Sensorwerte sofort neu schreiben. “Schaltfenster” Parameter im laufenden Betrieb, wodurch Ausfallzeiten für mechanische Anpassungen vermieden werden.
• Strahlformung: Moderne Sensoren ermöglichen jetzt softwaredefinierte Strahlbreiten. Ein Techniker kann den Strahl verengen, um einen tiefen Tank zu durchdringen, oder ihn erweitern, um ein Drahtgeflecht zu erkennen, und das alles ferngesteuert über die HMI konfigurieren.

Ultraschallsensoren sind in einzigartiger Weise in der Lage, den Zustand der Umwelt selbst zu erkennen, bevor es zu einem Ausfall kommt.

• Die Metrik “Signalstärke”: Intelligente Sensoren melden kontinuierlich die “Echo-Amplitude” oder “Überschussgewinn” Wert.
• Das Szenario: In einem staubigen Zementwerk sammelt sich langsam Staub auf der Sensorfläche an.
  • Der alte Weg: Der Sensor fällt plötzlich aus, wenn der Staub das Signal vollständig blockiert. Die Maschine hält an.
  • Neuer Weg: Die SPS überwacht die Signalspanne. Fällt die Amplitude innerhalb einer Woche von 100% auf 70%, löst das System eine “Wartungsalarm: Sensor 3 reinigen” bevor das Signal verloren geht. Dies ist echte vorausschauende Wartung.

Moderne Sensoren sind mit leistungsfähigeren Onboard-Prozessoren ausgestattet (Edge Computing), um komplexe akustische Umgebungen zu bewältigen.

• Unterdrückung von Interferenzen: Algorithmen können nun die akustische Signatur des Rührwerks im Inneren eines Tanks “lernen”. Der Sensor bildet diese periodische Störung ab und subtrahiert sie vom Signal, so dass er den Flüssigkeitsstand kontinuierlich verfolgen kann, selbst wenn das Rührwerk direkt durch den Schallstrahl läuft.
• Multi-Echo-Analyse: Statt nur auf das erste Echo zu reagieren, können intelligente Sensoren mehrere Rücksignale auswerten, um zwischen einem Regentropfen im Nahbereich (Rauschen) und der tatsächlichen Flüssigkeitsoberfläche (Ziel) weiter unten zu unterscheiden, wodurch Fehlalarme bei Außenanwendungen erheblich reduziert werden.

Mit dem Aufkommen von kollaborativen Robotern (Cobots) und Drohnenlogistik sind Größe und Gewicht entscheidend.

• MEMS-Ultraschall: Die Entwicklung von Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) basierten Ultraschallwandlern ist die Verkleinerung der Grundfläche auf Chipgröße. Dadurch können Arrays mit hoher Dichte in die Fingerspitzen von Robotern für die taktile Erfassung im Nahfeld oder in die Haut von Drohnen für die 360-Grad-Kollisionsvermeidung eingebettet werden, ohne dass das Gewicht herkömmlicher keramischer Wandler darunter leidet.

A2: Sie erleben wahrscheinlich Nebenkeulen-Interferenz. Der Schallkegel trifft auf die Tankwände oder die inneren Schweißnähte.

• Reparieren: Verwenden Sie einen Stilling Well (wie in Szenario 4 beschrieben) oder wechseln Sie zu einem Sensor mit einem engeren Abstrahlwinkel. Versuchen Sie nicht, Wandreflexionen allein mit der Software “herauszufiltern”; zunächst muss die Physik korrigiert werden.

A3: Wenn das Förderband glatt ist oder eine Naht hat, kann es den Schall reflektieren (Spiegelreflexion) oder Geräusche erzeugen.

• Reparieren: Winkeln Sie den Sensor leicht (5° - 10°) von der Senkrechten zur Bandoberfläche ab. Dies stellt sicher, dass das Echo des leeren Bandes abgelenkt wird (Anzeige “unendlich/kein Objekt”), während das höhere Produkt den Schall immer noch zum Sensor zurückreflektiert.