Ölbeständige Ultraschallsensoren

Ölbeständige Ultraschallsensoren
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Ultraschallsensoren von SNT Sensortechnik AG
24.04.2012 | Dank dem Einsatz neuer, optimierter Werkstoffe in den Schallwandlern sind die Ultraschallsensoren von SNT Sensortechnik AG noch beständiger gegen Umwelteinflüsse geworden. Im Besonderen konnte eine hervorragende Resistenz gegen Öle erreicht werden.

Ultraschallsensoren werden in der Industrie zur Distanzmessung, als Näherungsschalter oder als Schranken 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.

Ultraschall-Taster arbeiten nach dem Prinzip der Laufzeitmessung des Schalls. Die Laufzeit in Luft – hin und zurück – beträgt pro Meter cirka 6ms. Die neuen innovativen Ultraschall-Gabelschranken arbeiten hingegen mit der Auswertung der Schallamplitude.
 

Sensoren

Industrielle Ultraschallsensoren sind in unterschiedlichen Bauformen und für verschiedene Distanzen verfügbar. Die kleinsten Typen arbeiten bei hohen Frequenzen und erreichen Detektionsweiten von 20...200mm. Sie können durch kleine öffnungen hindurch Füllstände erfassen. Die mittleren Baureihen sind für Bereiche von 500...1500mm ausgelegt. Aber auch die grössten Typen gelten als die kompaktesten am Markt und messen bis über 5m weit. Damit können zum Beispiel auch Personen, Fahrzeuge oder Tiere detektiert werden. Dank der hohen Empfindlichkeit ist das Erfassen von bewegten Objekten erleichtert. Die beschriebenen Ultraschall-Taster sind sowohl als reine Näherungsschalter mit Schaltausgang als auch als messende Sensoren mit Analogausgang in V oder mA erhältlich.

Neben den Tastern bietet SNT Sensortechnik AG auch Ultraschall-Schranken an. Das Prinzip mit getrenntem Sender und Empfänger ist von den Lichtschranken seit langem bekannt. Die beiden Hauptvorteile von Ultraschallschranken gegenüber optischen Sensoren sind:
  • viel geringere Verschmutzungs-Empfindlichkeit
  • problemlose Erkennung von transparenten oder teiltransparenten Objekten (zum Beispiel Verpackungsfolien)

Bei den neuen sogenannten Ultraschall-Gabelschranken sind Sender und Empfänger in einem U-förmigen Gehäuse untergebracht.


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FEM Darstellung eines Ultraschallwandlers
Der Schallwandler

Bei allen Auswerteprinzipien wird der Ultraschall mittels eines sogenannten Schallwandlers erzeugt. Dieser hat die Aufgabe, eine von der Sensorelektronik erzeugte elektrische Schwingung in eine Oberflächenschwingung der Sensormembrane mit grösstmöglicher Amplitude und möglichst „idealer“ Schwingform umzuwandeln. Man spricht hier auch von Impedanzanpassung. Je grösser die Amplitude, desto „lauter“ ist der Ultraschall und desto „besser“ der Sensor. Besser bedeutet hier, dass der Sensor auch kleinste und bewegte Teile in grosser Entfernung erkennen kann.

Der Sensor sendet pulsförmig cirka 50 bis 100x pro Sekunde. Bei Tastern wechselt er zwischen Sende- und Empfangsmodus hin und her. Im Empfangsmodus arbeitet derselbe Schallwandler dann als Mikrofon. Das empfangene Signal wird stark verstärkt und der Auswerteelektronik zugeführt. Da im realen Betrieb sehr viele atmosphärische und elektrische Störeinflüsse vorhanden sein können, wird das Signal gefiltert und auf Plausibilität geprüft. Bei Näherungsschaltern bzw. Distanzsensoren wird schliesslich der Zeitverzug zwischen Senden und Empfang gemessen, und bei Schranken-Sensoren wird die Signalamplitude ausgewertet. Am Ausgang steht dann je nach Bedarf ein analoges (0...10V oder 4...20mA), ein binäres (PNP/NPN) oder ein digitales (Bus) Signal zur Verfügung.

Die Hauptkomponenten eines Ultraschallwandlers sind:
  • Gehäuse
  • Elektromechanisches Element (normalerweise eine piezoelektrische Scheibe)
  • Akustische Anpassschicht, welche den Schall nach aussen abstrahlt
  • Elastische Dichtung zwischen Anpassscheibe und Gehäuse


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Ölbeständige Ultraschallwandler
Materialwahl

Die Schallwandler werden bei SNT Sensortechnik AG im Hause entwickelt und gefertigt, inklusive die anspruchsvolle Anpassschicht. Bei dieser handelt es sich um eine Scheibe, welche für die Funktion in Luft eine möglichst tiefe akustische Impedanz aufweisen soll. Folglich sollte sie elastisch und leicht sein. Balsaholz oder Kork wären dafür theoretisch ideale Werkstoffe. Da man aber von Anwenderseite her die Anforderung nach einem mechanisch und chemisch robusten Sensor hat, wären solche Membranen gänzlich unerwünscht. Als bester Kompromiss zwischen akustisch idealem Material und mechanisch akzeptablen Eigenschaften haben sich deshalb spezielle Verbund-Werkstoffe auf Basis von Mehrkomponenten-Kunststoffen durchgesetzt. Deren Dichte ist cirka 15x tiefer als die von Stahl.

Ein Ultraschallwandler ist nichts anderes als ein Lautsprecher bzw. Mikrophon für hochfrequente Schallwellen. Wie bei jedem Audiolautsprecher soll sich die Membrane frei bewegen können. Bei Ultraschallsensoren sind das einige wenige Mikrometer. Deshalb braucht es eine möglichst elastische Lagerung aber auch eine gute Dichtung zwischen der Anpassschicht und dem Gehäuse. Wiederum ein scheinbarer Widerspruch.

Verschiedene Hersteller verwenden unterschiedliche Dichtungsmaterialien wie Silikon, PU-Schaum oder Gummi. SNT Sensortechnik AG setzt neu auf FPM-Dichtungen (Viton®). Das ist ein Fluorelastomer mit höchster thermischer und chemischer Beständigkeit. Im Gegensatz zu anderen Elastomeren hält es Kohlenwasserstoffen wie z. B. ölen und Treibstoffen auch bei höheren Temperaturen stand, ohne aufzuquellen oder sich aufzulösen. Auch gegen Säuren und Laugen ist es sehr beständig. Und trotzdem ist es bei entsprechender Formgebung elastisch.
 

Fazit

Dank der neuen Dichtung sind die Ultraschallsensoren von SNT Sensortechnik AG nun noch resistenter gegen Chemikalien, insbesondere gegen öle – und das ohne Einbusse bei der bisher schon hohen Detektionsempfindlichkeit.

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