Ultraschallsensoren
Ultraschallsensoren detektieren Objekte unterschiedlichen Materials und Füllstände von Flüssigkeiten und Schüttgütern berührungslos und mit großer Reichweite. Auch transparente, stark reflektierende und kontrastreiche Objekte sind kein Problem. Dabei funktioniert der Sensor nach dem Prinzip der Laufzeitmessung von Ultraschallwellen und ist unempfindlich gegen Verschmutzung. Hier weiterlesen
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Was ist ein Ultraschallsensor?
Ultraschallsensoren detektieren Objekte und Flüssigkeiten mithilfe von Ultraschallwellen und errechnen den Abstand zum Objekt nach dem Prinzip der Laufzeitmessung. Dort wo optische Sensoren an Ihre Grenzen stoßen, ist das Ultraschall-Sensorprinzip der Problemlöser. Transparente, stark reflektierende und kontrastreiche Objekte erfassen die Sensoren mit dem Ultraschall-Prinzip zuverlässig. Ein weiterer Vorteil kann in bestimmten Anwendungen der weite Erfassungsbereich dank der breiten Schallkeule sein. Ultraschallsensoren von autosen gibt es als Ultraschallsensoren und Ultraschalltaster. Der Unterschied besteht in der Ausgangsfunktion.Insgesamt sind Ultraschallsensoren vielseitige und weit verbreitete Sensoren, die in verschiedenen Industrien und Anwendungen eingesetzt werden. Ihre Fähigkeit, Entfernungen berührungslos zu messen und Hindernisse zu erfassen, macht sie zu einer beliebten Wahl für die Automatisierung, Robotik, Füllstandsmessung und andere Anwendungen, bei denen eine präzise und zuverlässige Objekterfassung erforderlich ist.
Funktionsweise von Ultraschallsensoren
Die Funktionsweise eines Ultraschallsensors basiert auf dem Prinzip der Echolokation, ähnlich wie bei Fledermäusen oder Delfinen. Ultraschalltaster erkennen Objekte und Füllstände berührungslos, indem sie mit einer schwingenden Keramik einen kurzen, hochfrequenten Ultraschallimpuls erzeugen und zyklisch ausstrahlen. Der Impuls setzt sich mit Schallgeschwindigkeit in der Luft fort. Trifft der Schallimpuls auf ein Objekt, wird er von diesem reflektiert und das Echo wird vom Sensor aufgenommen. Die Entfernung zwischen Sensor und Objekt wird nach dem Prinzip der Laufzeitmessung aus der Zeitspanne zwischen Aussenden des Signals und Empfang des Echos vom Sensor errechnet. Durch die Entfernungsmessung mit der Laufzeitmessung statt mit Intensitätsmessung verfügen Ultraschallsensoren über eine sehr gute Hintergrundausblendung.
Ultraschalltaster können mit diesem Messprinzip Objekte aus fast allen Materialien, die Schall reflektieren, und mit allen Beschaffenheiten, wie Glas, Holz, Metall, Kunststoff, Flüssigkeiten und sogar dünne Folien erfassen. Schwierige Arbeitsumgebungen, wie beispielsweise Staub, Dampf, Schmutz oder Farbnebel, beeinflussen Ultraschallsensoren nicht.
Ultraschalltaster können mit diesem Messprinzip Objekte aus fast allen Materialien, die Schall reflektieren, und mit allen Beschaffenheiten, wie Glas, Holz, Metall, Kunststoff, Flüssigkeiten und sogar dünne Folien erfassen. Schwierige Arbeitsumgebungen, wie beispielsweise Staub, Dampf, Schmutz oder Farbnebel, beeinflussen Ultraschallsensoren nicht.
L = Abstand, wobei T die Zeit zwischen Senden und Empfangen und C die Schallgeschwindigkeit ist.
Ultraschallsensoren Reichweite
Ultraschalltaster arbeiten exakt bei großer Reichweite. Die Reichweite von Ultraschallsensoren kann je nach Modell und Anwendung variieren. Typischerweise reichen die Reichweiten von einigen Zentimetern bis zu mehreren Metern. Unsere Geräte verfügen über Reichweiten von 40 bis 8000 mm.Ultraschallsensoren Genauigkeit
Ultraschallsensoren sind eine zuverlässige und günstige Alternative zu optischen ToF (time of flight) Abstandssensoren. Sie haben den klaren Vorteil, dass das Messprinzip unabhängig von Farbe und Glanz des Objekts ist. Bei Ultraschallsensoren spielen eher die Umgebungsbedingungen eine Rolle (z.B. Luftdichte, Feuchtigkeit, Umgebungstemperatur, sehr hohes Staubaufkommen) oder schallabsorbierende Eigenschaften des Objekts (z.B. Wolle). Für die meisten Anwendungen arbeitet Ultraschall zuverlässig und hat eine ausreichende Genauigkeit. Ultraschallsensoren von autosen haben eine Temperaturkompensation, um Temperaturschwankungen, die klassischerweise im Tag/ Nacht Wechsel auftreten, auszublenden.Anwendungen für Ultraschallsensoren
Ultraschalltaster finden in einer Vielzahl von Anwendungen und Einsatzgebieten Verwendung. Sie werden häufig in industriellen Prozessen eingesetzt, um Abstände, Positionen und Hindernisse zu überwachen. Ein gängiger Anwendungsbereich ist die Füllstandsmessung, bei der Ultraschallsensoren eingesetzt werden, um den Füllstand von Flüssigkeiten oder Schüttgut in Behältern zu bestimmen.Ultraschallsensoren werden beispielsweise angewendet bei der Arbeit mit:
- Glas
- (Transparenten) Flüssigkeiten
- Folien
- Abrisskontrolle
- Qualitätskontrolle
- Leerbehälterkontrolle
- Füllstandsmessung
- Positionskontrolle
- Füllgrad in Teilezuführung
- Anwesenheitsdetektion
- Überwachung von Ladungsträgern
- Und allgemein auch bei Objekten in festem, flüssigem, körnigem oder pulverförmigem Zustand, die transparent, semitransparent oder optisch schwer erfassbar sind
Füllstandsmessung
Qualitätskontrolle
Umlenkfläche
Überwachung von Ladungsträgern
Volumenstrom
Ultraschallsensoren für Füllstandsmessung
Die Füllstandsmessung mit Ultraschall gehört zu den kontinuierlichen Messmethoden. Der Sensor wird oben im Behälter montiert und sendet Ultraschallimpulse aus, der von der Oberfläche des Mediums reflektiert werden. Aus der Laufzeit vom Aussenden des Impulses bis zum Aufnehmen des Echos berechnet das Gerät die Entfernung zur Oberfläche. Damit kann die Füllhöhe berechnet werden.
Ultraschall-Füllstandssensoren messen berührungslos Füllstände bis zu 8m bei:
- Flüssigkeiten
- Pastösen Medien
- Pulver
- Schüttgütern
Vorteile von Ultraschallsensoren
- Erkennung fast aller Objekte
- Genaue Arbeitsweise auch bei schwierigen Umweltbedingungen wie Staub und Fremdlicht
- Staub- und schmutzbeständig
- Zuverlässige Erfassung unabhängig von Farbe, Objektglanz und Transparenz des Materials, auch bei komplexen Objektformen (z.B. Gittern, mechanischen Federn etc.)
- Minimale Störreflektionen durch schmale Schallkeulen
- Hohe Reichweite bis zu 8 m
- Schmutz haftet nur schwer an der Membrane, da sie sich durch Aussenden des Ultraschalls stetig bewegt
- Gute Auflösung von 3-4 mm
- Schnelle Ansprechzeit
- Temperaturkompensation
- Hohe Prozesssicherheit
- Schnelle und einfache Installation und Inbetriebnahme
- Sehr gute Hintergrundausblendung
- Zuverlässige Anwesenheitsdetektion
- Darüber hinaus sind Ultraschallsensoren robust, zuverlässig und kostengünstig
Nachteile von Ultraschallsensoren
- Nicht für schalldämpfende Materialien geeignet (z.B. Watte, Schaumstoff, poröse Oberflächen)
- Nicht an schrägen Flächen einsetzbar
- Nicht in sehr engen Behälter einsetzbar (ggf. Zubehör Schallrohr verwenden)
Ultraschallsensoren in der Anwendung: Was muss beachtet werden?
Wenn Sie den richtigen Ultraschallsensor für Ihre Applikation ausgewählt haben, muss er für eine optimale Funktionsweise richtig in Ihrer Anwendung eingebaut werden. Was dabei beachtet werden muss, erfahren Sie kurz und übersichtlich in diesem Abschnitt.Einbau von Ultraschallsensoren
Ultraschallsensoren können in jeder Lage eingebaut werden, sofern folgende Bedingungen erfüllt sind:- Ultraschallsensoren werden senkrecht zum Objekt ausgerichtet
- Ablagerungen auf der schallaktiven Fläche werden vermieden
- Beim Einsatz mehrerer Ultraschallsensoren müssen die Mindestabstände eingehalten werden (siehe Betriebsanleitung), um eine gegenseitige Beeinflussung und Fehlschaltungen zu verhindern
Umlenkungen mit Schall-Umlenkwinkeln
Mithilfe von Schall-Umlenkwinkeln ist das Umlenken der Schallkeule des Sensors möglich. So ist es möglich die Ausrichtung des Sensors bei wenig Platz um 90° zu drehen. Umlenken verringert allerdings die Reichweite der Sensoren und sollte daher vermieden werden.Einflüsse durch Objekteigenschaften
Harte, ebene Materialien und Objekte sind optimal für den Einsatz von Ultraschallsensoren geeignet, du die Schallimpulse sehr gut und sauber reflektiert werden. Bei einigen Objekteigenschaften gibt es allerdings mehr zu beachten, falls man Ultraschallsensoren verwenden möchte.| Objektbesonderheit | Zu beachten |
|---|---|
| Zylindrische und kugelförmige Oberflächen (konvex) | Die maximale Reichweite des Sensors nimmt ab, je kleiner das konvexe Objekt ist, da jedes Flächenelement einen anderen Winkel zur Keulenachse hat und die Reflektion der Schallkeule divergiert. |
| Dünne Folien und weiches Material | Weiche Materialien (z.B. Watte, Schaumstoffe, grobes Gewebe, Folien mit Stärke <0,01mm) absorbieren einen großen Teil der Impulsenergie. Daher lassen sie sich schlechter/ nicht mit Ultraschallsensoren erfassen. |
| Raue Oberflächen | Sehr unebene Oberflächen können die Abtasteigenschaften des Sensors beeinflussen. Strukturen, die größer als die Ultraschall-Wellenlänge sind werden eventuell von Ultraschallsensoren nicht optimal erkannt. |
| Flüssigkeiten | Flüssigkeiten ohne starke Wellen lassen sich problemlos mit Ultraschallsensoren erfassen. |
| Heiße Objekte | Sehr hohe Temperaturen können, durch die Wärmekonvektion in der Luft, die Schallkeule ablenken, sodass das Echo nicht mehr vom Sensor empfangen wird oder geschwächt wird. Beachten Sie die in der Betriebsanleitung angegebene Umgebungstemperatur. |