Jedem sein Ultraschallsensor

SNT Sensortechnik AG: Ultraschallsensoren eignen sich zum Detektieren von Objekten mit unterschiedlichster Grösse und Oberflächenbeschaffenheit sowie in verschiedensten Distanzen. Der innovative Schweizer Hersteller SNT Sensortechnik AG hat eine neue Sensorfamilie auf den Markt gebracht, die nun anwendungsspezifisch im Baukastensystem ausgebaut wird.

Ultraschallsensoren senden ein gepulstes, hochfrequentes akustisches Signal aus, welches vom Ziel reflektiert wird. Aus der gemessenen Laufzeit lässt sich die Distanz zum Objekt berechnen. Je nach Messdistanz beträgt die Genauigkeit wenige 1/10mm bis wenige mm. In der Luft wird die Schallausbreitung sehr stark gedämpft, weshalb die Reichweite auf einige Meter limitiert ist. Im Wasser zum Beispiel ist die Reichweite sehr viel höher. Wegen der grossen Schalldämpfung in der Luft ist das reflektierte Echosignal extrem klein – bis zu 100‘000x kleiner als das ausgesendete. Die Herausforderung ist also, einerseits mit grosser Schallleistung zu senden und anderseits kleinste Signale aus einem grossen Rauschen zuverlässig herauszufiltern. SNT Sensortechnik AG verwendet dazu hohe Sendespannungen und bei der neuen Baureihe einen aufwändigen Softwarealgorithmus aus der Nachrichtentechnik.

Je nach Ausbreitungsmedium muss der sogenannte Schallwandler entsprechend angepasst sein. Man spricht von der Anpassung an die akustische Impedanz Z des Übertragungsmediums. Schallwandler für Luftanwendungen sollten eine möglichst geringe Dichte und einen tiefen E-Modul haben. Das hat bei industriellen Ultraschallsensoren für die Automatisier-ungstechnik zu Wandlern geführt, welche mit einer sogenannten Anpassschicht zwischen dem schwingungserzeugendem Piezoelement und der Umgebung ausgerüstet sind. Sie besteht aus einem Harz, gefüllt mit Glashohlkugeln. Dadurch ist das Material federleicht und trotzdem robust. SNT Sensortechnik AG entwickelt und baut die Schallwandler im eigenen Betrieb.

Ihre Vorteile gegenüber optischen, induktiven und kapazitiven Sensoren spielen die Ultraschallsensoren durch folgende Eigenschaften aus:

• Messen unabhängig von Material, Oberfläche, Farbe und Grösse des Zielobjekts
• Arbeiten bei Staub, Schmutz, Nebel, Licht
• Tasten transparente und glänzende Objekte ab
• Tasten flächenförmig und nicht nur punktförmig ab

Dadurch können mit Ultraschall so unterschiedliche Materialien wie Metalle, Kunststoffe, Holz, Flüssigkeiten, Granulate, Pulver, Lebensmittel etc. detektiert werden. Ob das Objekt transparent ist, spielt überhaupt keine Rolle. So polyvalent sind hauptsächlich nur Ultraschallsensoren, weshalb diese vor allem dann eingesetzt werden, wenn alle anderen Methoden versagt haben.

Standard

Bereits die Standardversion der neuen Ultraschallsensor-Generation Serie UPR-A ist so versatil, dass mit nur zwei Typen (siehe Tabelle) unterschiedlichste Applikationen bedient werden können. Der Sensor im M18 Gehäuse hat eine grosse maximale Reichweite von 1.5m. Er lässt sich mit nur einem Teach-Eingang programmieren. Speziell ist die Möglichkeit, die Grösse des Detektions-strahls anpassen zu können.

Analogausgang

• z.B. für Füllstandmessung
• automatische Umschaltung auf V oder mA Ausgang
• programmierbare Charakteristik
• programmierbare Schallkeule
• Standardsensor mit axialem Schallaustritt
• gewinkelte Version mit radialem Austritt

Schaltausgang

• z.B. für Anwesenheitskontrolle
• programmierbares Detektionsfenster als Schliesser oder Öffner
• programmierbare Schallkeule
• Standardsensor mit axialem Schallaustritt
• gewinkelte Version mit radialem Austritt
• Betrieb als Reflexschranke
  
  • für schwierig zu detektierende Objekte vor einem Hintergrund

Chemikalienbeständig

Die UPR-A CP Sensoren sind speziell für den Einsatz in aggressiver Umgebung konzipiert. Die hohe Beständigkeit entspricht der von PVDF bzw. PTFE. Eine mögliche Anwendung ist die Füllstand-messung von Säuren und Laugen in Behältern bis 1.5m Tiefe. Der Basis-Sensor ist ein Typ UPR-A. Die dem Medium ausgesetzte Vorderseite besteht aus PVDF. Das Herausragende an diesem Sensor ist die Tatsache, dass auch der Ultraschallwandler mit einer speziellen PTFE Folie, welche die Ultraschallwellen durchlässt, vollständig eingeschlossen ist.

Die technischen Daten entsprechen denen der UPR-A Standard-Sensoren.

ATEX

Wenn mit explosionsgefährdeten Stoffen gearbeitet wird, muss der Anlagen-betreiber gemäss ATEX Richtlinie eine Sicherheitsanalyse und die daraus resultierende Zoneneinteilung vornehmen. Entsprechend der definierten Zone muss der er dann einen für die Zone zugelassenen Sensor auswählen.

Unter anderem gibt es die Zonen 2 (Gas) und 22 (Staub). Das sind Bereiche, in denen bei Normalbetrieb eine explosions-fähige Atmosphäre normalerweise nicht oder aber nur kurzzeitig auftritt. Gerade im Zusammenhang mit Staub gibt es viele solche Bereiche in der Industrie.
Für diese Zonen gibt es nun einen UPR-A Ex Sensor. Auch er basiert auf der UPR-A Baureihe und lässt sich genauso programmieren.

Edelstahl

Die meisten Ultraschallsensoren haben ein Gehäuse aus Kunststoff oder vernickeltem Messing. Das ist vor allem eine Kostenfrage. Bei gewissen Anwendungen und Industrien sind die Materialanforderungen aber höher. Sei es wegen Anwendungen im Freien oder aggressiven Reinigungsprozessen oder wegen speziellen Vorschriften zum Beispiel bei:

• Lebensmittelindustrie
• chemischer Apparatebau
• Zellstoffindustrie
• Textilindustrie
• Farbenindustrie
• Pharmazeutische Industrie
• Abwasseraufbereitung
• Salzwasserkontakt

Der neue Edelstahl-Sensor UPR-A V4A hat ein Gehäuse aus diesem höchst-wertigen Edelstahl (1.4571). Frei nach dem Motto: „V2A rostet nicht - V4A rostet gar nicht“.

Der Plan B

Die oben beschriebenen Sensorversionen sind Evolutionen aus dem Standardtyp. Als „B-Variante“ UPR-B wurde nun eine noch kostengünstigere, abgespeckte Version entwickelt. Sie hat dieselbe Präzision wie die teureren Typen, da die komplexe Signalauswertung identisch ist. Hingegen hat der Sensor eine etwas reduzierte Messdistanz und er ist erhältlich als Näherungsschalter mit Schaltausgang. Durch diese Vereinfachung ist der Sensor auch 30mm kürzer geworden, was ihn geradezu zu einem preisgünstigen Miniatursensor macht.

Ein paar typische Anwendungen sind:

• Min./Max. Füllstanddetektion von Flüssigkeiten, Granulaten und Feststoffen
• Überwachung von Füllständen in Abfüllanlagen
• Rückstaukontrolle bei Förderanlagen
• Zählen und erfassen von Objekten
• Erkennung leerer bzw. gefüllter Paletten und Behälter

Der UPR Baukasten: Jedem sein Ultraschallsensor

• UPR-A: Standard
• UPR-A CP: chemiebeständig
• UPR-A Ex: ATEX 2/22
• UPR-A V4A: rostfrei, Volledelstahl
• UPR-B: kurz, low cost