Pepperl+Fuchs-Blog

Für die richtige Auswahl eines Sensors muss geklärt werden, welche Faktoren auf die Reichweite und Genauigkeit von Sensoren wirken und mit welchen Mitteln sich fehlerhafte Messungen bereinigen lassen.

1. Welche Faktoren beeinflussen die Reichweite von Ultraschallsensoren?

Die höchste Reichweite wird durch eine ebene Fläche (Normreflektor), die sich exakt im rechten Winkel zur Sensorachse befindet erreicht.

Einfluss auf die Reichweite eines Ultraschallsensors haben die Oberflächenbeschaffenheit und der Anstellwinkel eines Objekts. Die höchste Reichweite wird durch eine ebene Fläche (Normreflektor), die sich exakt im rechten Winkel zur Sensorachse befindet erreicht. Bei sehr kleinen Gegenständen oder Objekten, die den Schall teilweise „wegreflektieren“, verringert sich die Reichweite entsprechend. Bei Objekten mit glatter Oberfläche muss der 90°-Anstellwinkel möglichst genau eingehalten werden. Besitzt das Objekt eine raue Oberflächenstruktur, kann der Winkel entsprechend weiter abweichen. Auch Staub und eine hohe Luftfeuchtigkeit dämpfen die Schallwellen in der Luft ab. Da die Ultraschallsensoren von Pepperl+Fuchs jedoch mit großen Funktionsreserven ausgestattet sind, wirkt sich dieser Umstand kaum auf die Reichweite aus.

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Wie beeinflussen Temperatur, Regen oder andere Außeneinflüsse die Leistungsfähigkeit von Ultraschallsensoren? Lesen Sie im folgenden Blog, wie Ultraschallsensoren von Pepperl+Fuchs mit extremen Bedingungen umgehen.

1. Beeinflussen Temperatur und Luftfeuchtigkeit die Sensorreichweite?

Aus Praxissicht sind beim industriellen Einsatz von Ultraschall-Näherungsschaltern im Arbeitsbereich von -25°C bis +70°C absolute Genauigkeiten von 1-3 % realistisch

Die relative Luftfeuchte und Temperatur der Umgebungsluft können die Reichweite des Ultraschallsignals beeinflussen. Hierbei kann die Reichweite eines Ultraschallsensors sowohl mit steigender Temperatur als auch mit steigender Luftfeuchte abnehmen. Allerdings verläuft diese Abnahme nicht linear, sondern unterscheidet sich von Sensor zu Sensor. Die im Datenblatt genannte Nennreichweite des Sensors wird unter allen Bedingungen erreicht.

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Große Mengen an Papier-, Plastik-, Textil- und Blechrollen bestehen normalerweise aus mehreren Materialschichten. Um bei der Verarbeitung von Rollenmaterial ein aufwändiges Neueinfädeln in die Maschine zu vermeiden, wird das Material einer neuen Rolle an die Bahn der zur Neige gehenden Rolle geklebt. Ultraschallsensoren zur Klebestellenkontrolle erkennen diesen Materialübergang, der für den weiteren Prozess unerwünscht ist. Die Klebestelle kann dadurch vor der weiteren Verarbeitung aus der Bahn herausgeschnitten werden. So sichern die Klebestellensensoren den kontinuierlichen Materialfluss und vermeiden Prozessstillstände.

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1. Was sind die Unterschiede zwischen einem Reflexionstaster, einer Reflexionsschranke und einer Einwegschranke?

Beim Reflexionstaster wird der Ultraschallwandler 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, wird der Abstand zum Objekt bestimmt bzw. ein Schaltvorgang ausgelöst.

Bei der 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. Beispielsweise kann eine Platte aus Metall oder Kunststoff oder ein Hintergrund (z. B. Wand, Förderband, Fußboden) als Reflektor dienen. Beim Betrieb als Reflexionsschranke werden Objekte zwischen Ultraschallsensor und Reflektor in jeglicher Orientierung (also auch z. B. schräg stehende Objekte, die den Schall wegreflektieren) erkannt.

Füllstandsmessung in einem Tank unter Zuhilfenahme eines Ultraschallsensors als Reflexionstaster.

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In der industriellen Anwendung zeichnen sich Ultraschallsensoren neben ihrer Zuverlässigkeit besonders durch ihre enorme Vielseitigkeit aus. Sie lösen auch besonders komplexe Aufgaben beim millimetergenauen Erfassen von Objekten oder Füllständen, weil ihr Messprinzip unter fast allen Umständen zuverlässig funktioniert.

1. Wie funktionieren Ultraschallsensoren?

Ultraschallsensoren sind in der Lage, Objekte berührungslos zu erkennen und ihre Entfernung zum Sensor zu messen. Abhängig vom verwendeten Sensor sind Reichweiten von wenigen Zentimetern bis hin zu 10 Metern möglich. Für die Berechnung von Abständen zwischen Sensor und Objekt wird ein Ultraschallimpuls ausgesendet. Das vom Objekt reflektierte Echo wird vom Sensor wieder empfangen und über den piezoelektrischen Wandler in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses Verfahren wird als Echo-Laufzeitverfahren bezeichnet. Hierbei misst der Sensor den zeitlichen Abstand zwischen dem gesendeten Ultraschallimpuls und dem empfangenen Echo und berechnet über die Schallgeschwindigkeit die Entfernung zum Objekt.

Ultraschallsensoren erfassen eine Vielzahl an Materialien und lassen sich auch von problematischen Oberflächen nicht beeinflussen.

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Beim Einsatz von Ultraschallsensoren kann die Einstellung bzw. die Programmierung ein wesentlicher Teil einer Anwendung sein. Unabhängig vom Einsatzzweck muss der Ultraschallsensor so eingestellt sein, dass er den genauen Anforderungen Ihrer Applikation entspricht. Dadurch lässt sich das volle Potenzial eines Geräts ausschöpfen. Kunden fragen zum Beispiel oft nach der Einstellung des Schaltabstands, der zu berücksichtigenden Blindzone oder den Anpassungsmöglichkeiten hinsichtlich der Analogausgangsgrenzwerte. Bei Fragen wie diesen lautet die Antwort meist: Einstellung bzw. Programmierung. (mehr …)

Die häufigste Betriebsart, in der ein Ultraschallsensor verwendet wird, ist als Reflexionstaster. In dieser Betriebsart ist der Messwandler im gleichen Gehäuse verbaut wie auch die Auswerteelektronik und agiert sowohl als Empfänger als auch als Emitter. Bedingt durch diese Bauform schaltet der Ultraschallsensor konstant zwischen Ãœbertragungs- und Empfangsmodus, während er Echosignale erwartet. (mehr …)