Serviceline
Serviceline Industrielle Sensoren
Tel.: +43 2236 33441 14
Fax: +43 2236 31682
Serviceline Explosionsschutz
Tel.: +43 2236 33441
Fax: +43 2236 31682

Praxiswissen Ultraschallsensoren (Teil 3): Verschiedene Betriebsarten erklärt

Ultraschallsensoren können in verschiedenen Betriebsarten genutzt werden, um die höchste Messgenauigkeit zu erreichen. Pepperl+Fuchs gibt Einblicke in diverse Konfigurationen...
Ultraschallsensoren können in verschiedenen Betriebsarten genutzt werden, um die höchste Messgenauigkeit zu erreichen. Pepperl+Fuchs gibt Einblicke in diverse Konfigurationen...

Ultraschallsensoren von Pepperl+Fuchs ermitteln die Entfernung zum Objekt über das Echo-Laufzeitverfahren. Dabei kann die gemessene Entfernung unterschiedlich ausgewertet und ausgegeben werden. Die Entfernung zum Objekt wird in einen Analogwert gewandelt und am Analogausgang (z.B. 0…10 V, 4…20 mA) vom Ultraschallsensor ausgegeben. Die Objektentfernung kann jedoch auch direkt als Digitalwert über eine spezielle Schnittstelle wie IO-Link an eine Steuerung übermittelt werden.

Bei Ultraschallsensoren mit Schaltausgang ändert sich der Zustand am Ausgang (PNP, NPN), wenn ein Objekt im eingestellten Schaltbereich erkannt wird. Dabei wird auch, je nach Reaktion auf das Objekt, zwischen Schließer und Öffner-Funktion unterschieden.

Durch entsprechenden Aufbau und Konfiguration lassen sich bei Ultraschallsensoren mit Schaltausgang verschiedene Betriebsarten erreichen, die wir Ihnen im Folgenden näher erklären.

Reflexionstaster


Füllstandsmessung in einem Tank unter Zuhilfenahme eines Ultraschallsensors als Reflexionstaster

Die häufigste Betriebsart von Ultraschallsensoren ist der Einsatz als Reflexionstaster. Der Ultraschallwandler wird als Sender und Empfänger verwendet und befindet sich meist zusammen mit der Auswerteelektronik in einem gemeinsamen Gehäuse.

Der Reflexionstaster benötigt eine Reflexion (Echo) der ausgesandten Schallwellen vom Objekt zurück zum Ultraschallsensor. Sobald sich ein Objekt im Schaltbereich des Sensors befindet, bewirkt das Echo dieses Gegenstands den Schaltvorgang.

Merkmale:

  • Einfache Installation, nur ein Sensorkopf
  • Vorder- und Hintergrundausblendung möglich (Fensterbetrieb)
  • Objekt dient als Reflektor, Ausrichtung ist zu beachten
  • Schaltfrequenz ist geringer als bei der Betriebsart Einwegschranke

Reflexionsschranke


Verlässliche Erfassung eines schräg stehenden Objekts auf einem Transportband durch den als Reflexionsschranke betriebenen Ultraschallsensor

Bei der Betriebsart Reflexionsschranke wird der Ultraschallwandler ebenfalls als Sender und Empfänger verwendet. Im Unterschied zum Reflexionstaster wird das Ultraschallsignal jedoch ständig von einem fest installierten Reflektor – dem Referenzreflektor – reflektiert. Als Reflektor kann eine ausgerichtete Platte, z.B. aus Metall oder Kunststoff, dienen. Ein vorhandener Hintergrund (z.B. Wand, Förderband, Fußboden) ist ebenfalls verwendbar. Solange sich kein Objekt zwischen Ultraschallsensor und Referenzreflektor befindet, empfängt der Sensor ein ständiges Echo vom Reflektor. Die zu erkennenden Objekte werden zwischen Ultraschallsensor und Reflektor geführt. Dabei sind grundsätzlich folgende drei Situationen möglich, die zu einem Schaltvorgang führen.

  1. Ein kleines Objekt befindet sich vor dem Referenzreflektor und wird vom Ultraschallsensor erfasst. Dies bedeutet, dass der Ultraschallsensor ein zusätzliches Echo vom Referenzreflektor empfängt.
  2. Ein großes Objekt wird erfasst, befindet sich vor dem Referenzreflektor und verdeckt diesen komplett. Dies bedeutet, dass der Ultraschallsensor nur das Echo des großen Objektes empfängt, nicht jedoch das des Referenzreflektors.
  3. Ein großes z.B. schräg stehendes Objekt vor dem Referenzreflektor wird nicht erfasst, aber verdeckt diesen. Dies bedeutet, dass der Ultraschallsensor weder von Objekt noch vom Referenzreflektor ein Echo empfängt.

Alle drei Situationen führen zu einem Schaltvorgang am Ausgang des Ultraschallsensors. Eine solche Reflexionsschranke empfiehlt sich vor allem zur zuverlässigen Erkennung schallschluckender Objekte. Sie eignet sich aber auch bei Objekten, die keine zuverlässig nutzbare Oberfläche bieten, wie z.B. schräg stehenden Flächen. Auch das Problem einer Blindzone wird in dieser Betriebsart umgangen.

Merkmale:

  • Einfache Installation: Nur ein Sensorkopf
  • Zuverlässige Erkennung problematischer Objekte (schallschluckend, schräge Fläche)
  • Referenzobjekt/Hintergrund dient als fester Reflektor, Objekt wird dazwischen geführt
  • Schaltfrequenz geringer als bei der Einwegschranke

Einwegschranke


Die Flaschenzählung erfordert eine sehr hohe Schaltfrequenz. Ultraschallsensoren, die als Einwegschranke betrieben werden, bieten hier eine geeignete Lösung

Bei der Ultraschall-Einwegschranke werden zwei Ultraschallwandler eingesetzt. Ein Wandler arbeitet als Sender, der andere als Empfänger. Beide Wandler sind in zwei getrennten Gehäusen untergebracht, beim Empfänger befindet sich die Auswerteelektronik mit den Ausgängen. Die Ultraschallsensoren werden gegenüberliegend auf einer Achse montiert. Sobald ein Objekt die Schallkeule unterbricht, wird der Schaltausgang des Ultraschallsensors aktiviert. Für unterschiedliche Abstände von Sender und Empfänger bzw. unterschiedliche Objektgrößen lässt sich die Empfindlichkeit des Empfängers meist einstellen (Teach-In, Potentiometer).

Diese Betriebsart ist besonders unempfindlich gegenüber externen Störungen. Außerdem verdoppelt sich die Reichweite und es wird eine zuverlässige Erkennung von Objekten bei deutlich größeren Sensorabständen möglich. Da kein ständiges Umschalten zwischen Sende- und Empfangsbetrieb nötig ist, ergibt sich ein deutlich schnelleres Ansprechverhalten (Schaltfrequenz).

Merkmale:

  • Montage und Verkabelung von zwei Sensorköpfen notwendig
  • Hohe Reichte und folglich großer Abstand zwischen Sender und Empfänger möglich
  • Zuverlässige Erkennung problematischer Objekte (schallschluckend, schräge Fläche)
  • Sehr hohe Schaltfrequenz, definiertes Ansprechverhalten

Jetzt erhältlich: Der Technology Guide Ultraschallsensoren