Mit Ultraschall hoch hinaus

SNT Sensortechnik AG ist ein Familienunternehmen, welches sich auf Ultraschallsensoren für die industrielle Automation spezialisiert hat. Die Tiefe der Unternehmensleistung ist dabei für ein kleines Unternehmen erstaunlich gross. Sie beginnt bei der Entwicklung der Sensoren und geht über die Produktion bis zum Verkauf. Um flexibel auf den Markt und die Technologie reagieren zu können, wird in allen Bereichen mit Partnern zusammengearbeitet.

Anwendungen

Ultraschallsensoren werden in der Industrie zur Distanzmessung und als Näherungsschalter eingesetzt. Ihre Vorteile gegenüber optischen, induktiven und kapazitiven Sensoren spielen sie durch folgende Eigenschaften aus:

• Messung 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 praktisch nur Ultraschallsensoren. Man spricht auch davon, dass Ultraschallsensoren vor allem dann eingesetzt werden, wenn alle anderen Methoden versagt haben. Daraus sind unzählige Anwendungen in den Hauptgebieten Niveauüberwachung, Regelung, Zählen und Erfassen sowie Geometrieerfassung entstanden. Die Messbereiche liegen je nach Bauart zwischen wenigen Millimetern und mehreren Metern. Die Sensoren werden meistens in Maschinen oder Anlagen eingebaut.

Die Säntis Schwebebahn

Die erste Luftseilbahn von der Schwägalp auf den Säntis wurde 1933 bis 1935 erstellt. Zuvor waren mehrere Projekte, den Säntis von Wasserauen oder Unterwasser aus mit einer Zahnradbahn zu erschliessen, gescheitert. 1960 wurden die Kabinen der Seilbahn durch grössere Kabinen ersetzt. Zwischen 1968 und 1976 wurde die Seilbahn auf den Säntis komplett neu gebaut. Im Jahr 2000 wurden neue Seilbahnkabinen angeschafft. Die Luftseilbahn Schwägalp–Säntis gehört zu den bestfrequentierten Bergbahnen der Schweiz. Sie hat eine Länge von 2307 m und überwindet einen Höhenunterschied von 1123 m.

Säntis Bergstation im Winter		Ultraschallsensor UPK auf der Kabinenunterseite

Im Winter treten bei starken Winden im Bereich der Zwischenstütze und vor allem vor der Einfahrt zur Bergstation zum Teil sehr grosse Schneeverwehungen auf. Diese können lokal über 5m hoch sein. Bei Schnee und Nebel passierte es deshalb manchmal, dass die neue Kabine den Schnee streifte. Aus der Kabine heraus ist die Distanzschätzung bei widrigen Wetterverhältnissen unmöglich. Hier besann man sich der oben erwähnten Vorteile von UItraschallsensoren. Auf der dem Berg zugewandten Seite der Kabine wurde unten ein Sensor der UPK Baureihe montiert, der permanent den Bodenabstand misst. Er hat eine Reichweite von 6m. Dank seiner hohen Empfindlichkeit detektiert er auch Schnee, an sich ein denkbar schlechter Reflektor für Schallwellen. Der Bodenabstand in Centimetern wird in der Kabine auf einem Digitaldisplay angezeigt. Nach Aussage von Herr Bommeli, dem Maschinisten bei der Säntis-Schwebebahn, kann damit bei kritischer Schneehöhe die Bahn rechtzeitig verlangsamt und gegebenenfalls angehalten werden.

Die Ansprechempfindlichkeit beschreibt, wie kleine (zum Beispiel in cm2) oder wie schlecht reflektierende (zum Beispiel Schaumgummi oder eben Schnee) Objekte in einem bestimmten Abstand noch zuverlässig erkannt werden. Sie ist ein wesentliches Qualitätsmerkmal von Ultraschallsensoren. Da der Schall in der Luft extrem stark gedämpft wird, kommt vom gesendeten Signal nur ein kleinster Bruchteil zum Empfänger zurück. SNT Sensortechnik AG entwickelt und baut die Schallwandler im eigenen Betrieb und hat grosse Erfahrung in Geräten mit besonders hoher Ansprechempfindlichkeit. Die empfindlichsten können Signale erkennen, welche über 100'000 mal kleiner sind als das gesendete Signal. Auf diese Weise werden Objekte von 1mm Grösse im Abstand von bis über 2m sicher erkannt. Das ergibt bei grösseren Objekten eine höhere Schaltreserve, womit die Zuverlässigkeit der Objekterkennung besser ist als bei entsprechenden Sensoren mit geringerer Ansprechempfindlichkeit.

Taster oder Schranken

Die traditionellen Taster-Ultraschallsensoren arbeiten nach dem Prinzip der Laufzeitmessung des Schalls. Die Laufzeit (hin und zurück) in Luft beträgt pro Meter ca. 6ms. Der Sensor sendet einen kurzen Ultraschall-Burst aus, dieser wird vom Objekt mindestens teilweise reflektiert, und schliesslich wird im Sensor aufgrund der verstrichenen Zeit bis zum Erfassen des Echos die Distanz des Objektes ermittelt. Dieser Vorgang wiederholt sich je nach Sensortyp ca. 20 bis 100 mal pro Sekunde. Der selbe Schallwandler arbeitet hier alternierend als Sender und Empfänger, oder eben als Lautsprecher und Mikrofon. Deshalb sind der Geschwindigkeit Grenzen gesetzt, und Laufzeitsensoren haben aus diesem Grund im Nahbereich eine sogenannte Blindzone, wo keine zuverlässige Distanzmessung möglich ist.

Sender und Empfänger können auch von zwei getrennten Geräten dargestellt werden. Der Empfänger fragt dabei mehrere hundert mal pro Sekunde ab, ob das Signal des Senders zu hören ist, oder ob es durch ein Objekt verdeckt wird. Daraus ergibt sich eine Schranke mit binärem Ausgang. Das Prinzip ist vor allem von Lichtschranken her sehr bekannt. Lichtschranken haben aber den Nachteil, dass eine Verschmutzung der Optik oder der Luft zwischen Sender und Empfänger die Empfindlichkeit stark abschwächen kann. Ultraschall ist da toleranter und durchdringt auch eine schmutzige Umgebung. Anderseits durchdringt der Schall im Gegensatz zum Licht keine transparenten Objekte wie zum Beispiel Glas- oder PET-Flaschen. Deshalb haben Ultraschallschranken ihre Anwendungen vorwiegend beim Detektieren von transparenten Objekten. Sie werden den Laufzeitsensoren vorgezogen, wenn sich die Objekte besonders schnell bewegen, wenn sich die Oberfläche in sehr ungünstigem, d.h. flachem Winkel zum Sensorstrahl befindet oder wenn die Abstände zwischen den Objekten sehr klein sind. Ebenso haben Ultraschallschranken keinen Blindbereich, und sie sind sehr unkritisch bezüglich der präzisen Ausrichtung von Sender und Empfänger.

Eine neue Entwicklung von SNT Sensortechnik AG ist die Ultraschallschranke mit Analogausgang. Sie ist von den Anforderungen an den Schallwandler und die Signalauswertung her am anspruchsvollsten, weil nicht nur ein binäres Ja/Nein-Kriterium oder eine Zeitdauer abgefragt wird, sondern die Schallamplitude, also die Lautstärke gemessen werden muss. Je mehr der Schallstrahl zwischen Sender und Empfänger abgedeckt ist, desto weniger Signalamplitude registriert der Empfänger. Wie bei einer Schranke üblich sind Sender und Empfänger getrennt. Aus anwendungstechnischen Gründen sind beide in einem U-förmigen Gabelgehäuse eingebaut. Die Hauptanwendung dieses innovativen Produktes ist die Kantenerkennung bei der Bahnlaufregelung. Die Position der seitlichen Kante einer schnell laufenden Bahn (z.B. Folien, Papier, Textil etc.) wird auf 1/10mm genau ermittelt, und das Signal wird verwendet, um das Material mit mechanischen Stellgliedern exakt auf der Bahn zu halten. In der Verpackungsindustrie sind solche Sensoren heute Standard. Neu ist der Einsatz von Ultraschallsensoren anstelle von optischen Geräten, da wiederum transparente Folien nur mit Ultraschall erkannt werden. Viele moderne Konsumprodukte werden mit transparenten oder teiltransparenten Schrumpffolien beschriftet oder verpackt.