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Praxiswissen Ultraschallsensoren (Teil 2): Einflussfaktoren auf die Schallkeule

Schallkeule eines Ultraschallsensors
Mit der Software ULTRA-PROG-IR können störende Gegenstände auch durch eine gezielte Programmierungvon „Blindbereichen“ ausgeblendet werden, ohne die Schallkeule zu modifizieren

Für die effiziente Objekterkennung durch einen Ultraschallsensor ist die richtige Einstellung der Schallkeule von zentraler Bedeutung. Das Erkennungsverhalten dieser Schallkeule wird auch als Ansprechkurve bezeichnet. Aus dieser Kurve lässt sich ablesen, in welchem Bereich die sichere Erkennung eines bestimmten Objekts möglich ist.

Die Ansprechkurve ist hauptsächlich von den Reflexionseigenschaften des zu detektierenden Objekts abhängig. Objekte mit großer Oberfläche und optimaler Ausrichtung (große Schallkeule) erkennt der Ultraschallsensor besser als kleine, runde oder schlecht reflektierende Objekte (kleine Schallkeule). Pepperl+Fuchs berücksichtigt diese für die Anwender wichtige Eigenart und gibt in Datenblättern Schallkeulendiagramme für verschiedene Objekte an, z. B. Normplatte im Format 100 x 100 mm oder Rundstab mit 25 mm Durchmesser. Zur gezielten Abstimmung des Ultraschallsensors auf das zu erkennende Objekt ist die Breite der Schallkeule bei vielen Modellen einstellbar.

Form und Oberfläche

Die weitgehende Unempfindlichkeit gegenüber unterschiedlichen Materialien und Oberflächen ist einer der Hauptgründe für den Einsatz von Ultraschallsensoren. Ebensowenig lassen sie sich von der Farbe zu detektierender Objekte beeinträchtigen. Fest, flüssig, pulverförmig, rau, glatt, hoch glänzende, transparent, beschmutzt oder nass – ein leistungsstarker Ultraschallsensor liefert in all diesen Szenarien präzise Ergebnisse.

Die ideale Reflektion entsteht in einem Anwendungsszenario, in dem sich eine ebene und glatte Oberfläche im rechten Winkel zur Sensorachse befindet. Beträgt der Winkel zur Oberfläche des Objekts nicht 90°, besteht die Gefahr, dass der Schall wegreflektiert wird und das Objekt nicht mehr zu erfassen ist. Ausgeprägt raue oder unebene Oberflächen lassen auch größere Winkelabweichungen zu. Die Amplitude des reflektierten Ultraschallsignals muss ausreichend hoch sein, um eine zuverlässige Laufzeitmessung vornehmen zu können. Ebenso führen hohe Staubentwicklung und Luftfeuchtigkeit zur Reduzierung der Schallenergie und können die maximale Reichweite des Ultraschallsensors verringern.


Temperatur und Luftfeuchtigkeit

Relative Luftfeuchte und Temperatur der Umgebungsluft beeinflussen ebenfalls die Reichweite des Ultraschallsignals. Die dabei wirksamen physikalischen Zusammenhänge sind komplex. Vereinfacht ausgedrückt, nimmt die Reichweite eines Ultraschallsensors sowohl mit steigender Temperatur als auch mit steigender Luftfeuchte ab. Allerdings verläuft diese Abnahme nicht linear, sondern unterscheidet sich von Sensor zu Sensor.


Staub, Regen und Schnee

Hohe Staubentwicklung, Regen oder Schnee führen zur Reduzierung der Schallenergie und können die Schallkeule verringern bzw. die maximale Reichweite des Ultraschallsensors verringern. Leichte Staub- und Schmutzablagerungen auf der Wandleroberfläche beeinflussen die Laufzeitmessung nicht. Die Ablagerung von Wasser, Schnee und Eis ist durch entsprechende Montage zu verhindern.


Modifikation der Schallkeule mittels Software

Ultraschallsensoren mit einstellbarer Schallkeule erlauben eine gezielte Veränderung der Sensor-Empfindlichkeit und somit der Schallkeule. Durch Programmierung oder Teach-In lässt sich der Erfassungsbereich optimal an das zu erkennende Objekt anpassen. Die Programmierung von Pepperl+Fuchs-Ultraschallsensoren erfolgt mit Hilfe der Software-Tools ULTRA 3000, SONPROG, PACTware (IO-Link) oder ULTRA-PROG-IR.

Damit kann zum einen die gesamte Empfindlichkeit des Ultraschallsensors reduziert werden, d.h., die Schallkeule wird in ihrer Länge (axiale Schallkeulenmodifikation) und in ihrer Breite (laterale Schallkeulenmodifikation) reduziert. Es ist aber auch möglich, durch entsprechende Parameter die laterale und axiale Schallkeulenbreite unabhängig voneinander anzupassen. Durch die axiale Schallkeulenmodifikation verringert sich hauptsächlich die Länge der Schallkeule, durch die laterale Schallkeulenmodifikation verringert sich die Breite. Durch Verkleinern der Schallkeule lassen sich also störende Gegenstände oder Anbauten an Maschinen oder in Behältern ausblenden.


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