Strategie applicative avanzate per i sensori a ultrasuoni nell'automazione industriale

• Meccanismo: Utilizzato nelle configurazioni a sbarramento (emettitore e ricevitore separati). Il sensore non misura la distanza, ma la perdita di energia.
• Fisica: Quando un oggetto (o un secondo foglio di materiale) blocca il percorso, l'ampiezza del segnale diminuisce. Ciò consente di rilevare cambiamenti strutturali interni (come le intercapedini d'aria nelle lastre doppie) o il mascheramento lineare dei bordi, in modo del tutto indipendente dal colore o dalla riflettività della superficie.

• Meccanismo: Il sensore emette un impulso e calcola la distanza (d ) in base al tempo di ritorno (t ) e la velocità del suono (c ).
• Fisica: Si basa sul fatto che l'obiettivo abbia una sufficiente Disadattamento dell'impedenza acustica con l'aria per riflettere l'energia verso la sorgente. Questa è la modalità standard per il rilevamento di distanza e di presenza.

• Meccanismo: Un uso sofisticato di Valutazione dell'ampiezza del segnale.
• Fisica: Materiali diversi assorbono l'energia sonora a velocità diverse. Una superficie dura (acciaio) riflette ~99% di energia, una superficie porosa (schiuma, lana) assorbe energia. Analizzando la forza dell'eco, e non solo il suo tempo, i sensori possono distinguere tra i materiali (ad esempio, confermando la presenza di un inserto in schiuma morbida all'interno di un guscio in plastica dura) anche se si trovano alla stessa distanza.

Il successo dell'integrazione richiede il rispetto dei limiti intrinseci dei trasduttori piezoelettrici:

• La zona cieca (Dead Band):
  Il trasduttore funge sia da altoparlante che da microfono. Dopo aver emesso un impulso ad alta energia, l'elemento ceramico vibra meccanicamente (“suona”) per alcuni millisecondi. Durante questo Tempo di suoneria, Il sensore è “sordo” agli echi di ritorno.
  • Regola ingegneristica: Progetti meccanici mosto includono il montaggio di supporti per garantire che il bersaglio non entri mai in questa zona (in genere da 0 a 100 mm). Se un bersaglio oltrepassa la zona cieca, l'uscita diventa indeterminata e inaffidabile.
• Geometria del fascio (il cono sonoro):
  Il suono si propaga in un cono volumetrico (tipicamente da 6° a 12°), non in una linea simile a un laser.
  • Regola ingegneristica: L'area di rilevamento è volumetrica. Tutte le guide della macchina, le staffe o le pareti del serbatoio che sporgono all'interno di questo cono generano un'emissione di gas. Falsi echi. Le installazioni richiedono un calcolo del percorso libero basato sull'angolo del fascio e sulla distanza del bersaglio.

• I sensori fotoelettrici guardano attraverso gli oggetti trasparenti.
• La gomma o la plastica nera assorbono la luce, impedendo il segnale di ritorno richiesto dai sensori ottici a tasteggio.

• Rilevamento dell'impedenza: Il sensore rileva l'enorme differenza di Impedenza acustica (Z) between Air (Z_aria ≈ 400) and the Solid Object (Z_solido > 10⁶). Che l'oggetto sia di vetro trasparente o di gomma nera, l'onda sonora rimbalza efficacemente sul confine.
• Configurazione catarifrangente: Per le forme irregolari (ad esempio, flaconi di shampoo curvi) che potrebbero disperdere il suono lontano dal ricevitore, una Modalità retroriflettente è consigliato.
  • Impostazione: Il sensore viene istruito per riconoscere uno sfondo fisso (ad esempio, una guida metallica).
  • Logica: Qualsiasi oggetto che passa tra il sensore e la guida interrompe il segnale o modifica il tempo di volo. In questo modo si ottiene un rilevamento binario e a prova di errore, indipendentemente dall'angolo o dalla forma dell'oggetto.

• La regola dei 90°: Il sensore devono essere rigorosamente allineati perpendicolare (90°) rispetto all'asse del rullo. Una deviazione di soli 3° su un rullo di pellicola liscio farà deviare l'impulso sonoro completamente lontano dal ricevitore, con conseguente perdita del segnale.
• Integrazione analogica: L'utilizzo di sensori con uscita analogica 0-10V o 4-20mA consente al PLC di calcolare l'inerzia del rullo (I = m·r²) in modo continuo. Ciò consente la regolazione dinamica del PID, evitando strappi del nastro in caso di accelerazione o decelerazione rapida.

• Il contesto: Impedisce l'alimentazione simultanea di due fogli (metallo, carta, wafer) in una pressa, che potrebbe danneggiare gli utensili.
• Perché il capacitivo fallisce: I sensori capacitivi si basano su costanti dielettriche. Se l'umidità della carta cambia o la lega metallica varia, richiedono una ricalibrazione costante.
• La fisica degli ultrasuoni:
  • Foglio singolo: L'onda sonora colpisce la lastra, induce una vibrazione e la trasmette al ricevitore.
  • Foglio doppio: Uno strato microscopico di aria è sempre intrappolato tra due fogli sovrapposti.
  • Il meccanismo: La sottile intercapedine d'aria tra due lastre crea una massiccia Disadattamento dell'impedenza acustica. Questo fenomeno fisico fa sì che quasi 100% dell'energia ultrasonica si rifletta o si dissipi, impedendo la trasmissione al ricevitore. Un'ampiezza del segnale prossima allo zero funge da innesco deterministico per l'identificazione di un guasto a doppio foglio.
  • Risultato: Il ricevitore vede un segnale prossimo allo zero. Questo rilevamento è puramente meccanico e funziona indipendentemente dal colore, dalla stampa o dal magnetismo del foglio.

• Il contesto: Allineamento di film trasparenti o tessuti a maglia aperta durante l'avvolgimento.
• La fisica lineare: Un sensore a forcella a ultrasuoni misura la percentuale di ostruzione.
  • Se il nastro copre 50% del fascio acustico, il segnale di uscita si riduce esattamente di 50%.
  • Vantaggio della rete: A differenza dei sensori ottici che “saltano” quando vedono attraverso i fori di una maglia, l'ampio raggio sonoro integra la massa media del materiale, fornendo un segnale di controllo stabile e lineare per la posizione del bordo.

Nell'industria chimica, i serbatoi di stoccaggio contengono spesso acidi forti, alcali o altri liquidi altamente corrosivi. Le tecnologie tradizionali di misurazione del livello devono affrontare gravi limitazioni:

• Rischi da contatto: I dispositivi a contatto (come i trasmettitori di pressione sommersi, i galleggianti o le sonde di capacità) devono toccare fisicamente il liquido per funzionare.
• Costi elevati dei materiali: Per resistere alla corrosione, i sensori di contatto richiedono spesso costose leghe esotiche (ad esempio, Hastelloy, Tantalio) o rivestimenti speciali. Anche con questi materiali, l'immersione a lungo termine porta spesso al degrado del sensore, alla deriva o alla perdita di tenuta.

• Funzionamento senza contatto:
  • Il sensore è montato nella parte superiore del serbatoio e utilizza il traferro come mezzo di trasmissione per misurare la distanza dalla superficie del liquido.
  • Benefici: Questo design a “contatto zero” assicura che il corpo del sensore rimanga fisicamente isolato dal liquido corrosivo, eliminando completamente il rischio di erosione chimica sui componenti sensibili.
• Durata del materiale contro i vapori:
  • I moderni trasduttori industriali a ultrasuoni sono tipicamente incapsulati in PVDF (Fluoruro di polivinilidene).
  • Benefici: Anche in serbatoi pieni di vapori o fumi corrosivi, il PVDF offre un'eccezionale resistenza chimica, garantendo la stabilità e la durata del sensore in atmosfere acide o alcaline.
• Manutenzione e sicurezza:
  • Poiché il sensore non è inserito nel liquido, l'installazione e la manutenzione non richiedono lo svuotamento del serbatoio. In questo modo si riducono notevolmente i tempi di inattività e si minimizza l'esposizione del personale a sostanze chimiche pericolose.

I robot mobili necessitano di sistemi di sicurezza ridondanti. LiDAR è eccellente per la mappatura, ma ha dei punti ciechi.

• Punti deboli del LiDAR: Vetro trasparente (trasmissione), specchi (deflessione), oggetti neri (assorbimento) e recinzioni a rete (il raggio passa attraverso le fessure).

• Schermo volumetrico e conformità alla sicurezza: L'ampio cono sonoro rileva la “massa solida” delle recinzioni in rete e delle pareti in vetro che i laser stretti non riescono a individuare. Questa strategia di rilevamento è in linea con Norme ISO 3691-4 per i robot mobili industriali, fornendo un livello di ridondanza certificato per la sicurezza del personale indipendente dal sistema di navigazione primario.
• Mitigazione della diafonia: Quando si monta una serie di sensori su un paraurti, l'interferenza acustica è un rischio importante.
  • Protocollo: Collegare i pin di sincronizzazione (Sync) di tutti sensori nell'array. Questo li costringe a sparare e ad ascoltare simultaneamente, trattando di fatto l'array come un'unica “pelle sonar” e impedendo al sensore A di captare l'eco del sensore B.

Poiché la velocità del suono varia con la temperatura (aumentando di ≈ 0,6 m/s per ogni aumento di 1°C), un semplice spostamento di 10°C della temperatura ambiente può causare un errore di misura di 1,7% se non compensato.

• Per ambienti generici: Selezionare sempre sensori con Compensazione della temperatura interna (termistori NTC integrati) per regolare automaticamente le fluttuazioni giornaliere.
• Per gli ambienti a gradiente: In scenari in cui la temperatura del corpo del sensore differisce dall'area di destinazione (ad esempio, un sensore montato su una staffa fredda che misura un serbatoio di liquido caldo), la compensazione interna è insufficiente. Una Sonda di temperatura esterna deve essere installato direttamente nella zona di misurazione per fornire un riferimento preciso.

Nei serbatoi chimici o nelle linee di lavorazione degli alimenti (come visto nella Sezione III), il vapore pesante modifica la densità dell'aria e assorbe l'energia acustica, facendo “sparire” i segnali ad alta frequenza prima di ritornare.

• Regola di selezione: Evitare i sensori standard da 200 kHz in condizioni di vapore.
• Raccomandazione: Specificare Sensori a bassa frequenza (40-80 kHz). Le lunghezze d'onda più elevate offrono un potere di penetrazione superiore attraverso il vapore e la schiuma, garantendo un ritorno d'eco stabile anche in ambienti ad alta umidità.

Il metodo di regolazione tradizionale, che consiste nell'utilizzare un cacciavite per ruotare un potenziometro sul retro del sensore, sta diventando obsoleto. L'integrazione dei protocolli di comunicazione IO-Link trasforma l'utilità del sensore:

• Parametrizzazione dinamica: In una linea di produzione flessibile, una macchina potrebbe gestire una piccola scatola (prodotto A) seguita da una grande cassa (prodotto B). Tramite IO-Link, il PLC può riscrivere istantaneamente il valore del sensore. “Finestra di commutazione” parametri al volo, eliminando i tempi di inattività per le regolazioni meccaniche.
• Modellamento del fascio: I sensori avanzati consentono ora di definire via software l'ampiezza del fascio. Un ingegnere può restringere il fascio per penetrare in un serbatoio profondo o allargarlo per rilevare una rete metallica, il tutto configurato in remoto tramite l'HMI.

I sensori a ultrasuoni sono in grado di diagnosticare autonomamente lo stato di salute dell'ambiente prima che si verifichi un guasto.

• La metrica della “forza del segnale”: I sensori intelligenti segnalano continuamente la “Ampiezza dell'eco” o “Guadagno in eccesso” valore.
• Lo scenario: In un cementificio polveroso, la polvere si accumula lentamente sulla superficie del sensore.
  • Vecchio modo: Il sensore si guasta improvvisamente quando la polvere blocca completamente il segnale. La macchina si ferma.
  • Nuova via: Il PLC monitora il margine del segnale. Se l'ampiezza scende da 100% a 70% nell'arco di una settimana, il sistema attiva un'anomalia. “Avviso di manutenzione: pulire il sensore 3” prima che il segnale venga perso. Questa è la vera manutenzione predittiva.

I moderni sensori incorporano processori di bordo più potenti (Edge Computing) per gestire ambienti acustici complessi.

• Soppressione delle interferenze: Gli algoritmi possono ora “imparare” la firma acustica della pala dell'agitatore interno di un serbatoio. Il sensore mappa questa interferenza periodica e la sottrae dal segnale, consentendo di tracciare il livello del liquido in modo continuo anche quando l'agitatore passa direttamente attraverso il fascio sonoro.
• Analisi Multi-Echo: Invece di reagire solo al primo eco, i sensori intelligenti possono valutare più segnali di ritorno per distinguere tra una goccia di pioggia a distanza ravvicinata (rumore) e la superficie liquida effettiva (bersaglio) più in basso, riducendo in modo significativo i falsi allarmi nelle applicazioni all'aperto.

Con l'aumento dei robot collaborativi (Cobot) e della logistica con i droni, le dimensioni e il peso sono fondamentali.

• Ultrasuoni MEMS: Lo sviluppo di Sistemi microelettromeccanici (MEMS) La tecnologia dei trasduttori a ultrasuoni sta riducendo l'ingombro a livello di chip. Ciò consente di incorporare array ad alta densità nei polpastrelli dei robot per il rilevamento tattile “near-field” o nelle pelli dei droni per evitare le collisioni a 360 gradi, senza la penalizzazione del peso dei tradizionali trasduttori in ceramica.

A2: È probabile che si verifichino Interferenza dei lobi laterali. Il cono sonoro colpisce le pareti del serbatoio o le saldature interne.

• Correggere: Utilizzate un pozzo di decantazione (come descritto nello Scenario 4) o passate a un sensore con un angolo di emissione più stretto. Non cercate di “filtrare” le riflessioni delle pareti solo con il software; prima è necessario correggere la fisica.

A3: Se il nastro trasportatore è liscio o presenta una cucitura, potrebbe riflettere il suono (riflessione speculare) o creare rumore.

• Correggere: Angolare il sensore leggermente (5° - 10°) rispetto alla perpendicolare rispetto alla superficie del nastro. In questo modo l'eco del nastro vuoto viene deviato (lettura “Infinito/Nessun oggetto”), mentre il prodotto più alto continua a riflettere il suono verso il sensore.