Ultraschallsensoren mögen Transparenz

Ultraschallsensoren mögen Transparenz
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Ultraschallsensoren bei der Folienverarbeitung
25.06.2014 | Ultraschallsensoren werden in der Industrie zur Distanzmessung, als Näherungsschalter oder als Schranken eingesetzt. Im folgenden wird gezeigt, wie insbesondere transparente Teile und Folien besonders gut mit dieser Technik harmonieren.

Ihre Vorteile gegenüber optischen, induktiven und kapazitiven Sensoren spielen die Ultraschallsensoren durch folgende Eigenschaften aus:

  • Messen 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, weshalb diese 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 Sensoren werden meistens in Maschinen oder Anlagen eingebaut.
 
Eines der interessantesten Anwendungsgebiete ist das Detektieren von durchsichtigen Teilen. Das können zum Beispiel Kunststoff- oder Glasbehälter sein. Vor allem Kunststofffolien, wie sie in der Verpackungsindustrie häufig zum Einsatz kommen, sind mit Ultraschallsensoren perfekt zu erfassen. Das kann bei der Herstellung der Folie, dem Bedrucken oder dem eigentlichen Verpacken notwendig werden. Die bedruckten Folien werden häufig als sogenannte Schrumpffolien auf Konsumgüter wie zum Beispiel Kosmetikflaschen oder Bier-Sixpacks aufgebracht. Neben Ultraschall bliebe nur der traditionelle optische Sensor. Dieser kommt aber an seine Grenzen, vor allem, wenn die Folien noch bedruckt sind. Dann wechseln sich transparente, teiltransparente, verschiedenfarbige und völlig undurchsichtige Gebiete in hohem Tempo ständig ab. Licht durchdringt grundsätzlich transparentes Material. Ultraschall hingegen wird zum grössten Teil reflektiert. Die Erfassungsreserve ist deshalb bei Ultraschallsensoren um ein Vielfaches höher.

Kantenerfassung

Kantenerfassung
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Ultraschall-Etikettensensor

Die Folienverarbeitung erfolgt meist mit hoher Geschwindigkeit. Sensoren dienen dazu, dass die Folienbahn nicht davonläuft. Die sogenannte Bahnlaufregelung ist mit Ultraschall-Kantensensoren ausgerüstet. Im Bild ist die Folie am Rand transparent und innerhalb dann schwarz bedruckt. Ein optischer Sensor hätte grösste Mühe, die eigentliche Folienkante von der Druckkante zu unterscheiden. Der Ultraschallsensor schafft das problemlos.
Es kommen dabei messende Gabelsensoren zum Einsatz, mit denen die Kantenposition auf bis zu 0.1mm genau erfasst werden kann oder auch rein binäre Sensoren, die entweder Folie vorhanden oder nicht vorhanden melden. Letztere sind eine kostengünstigere und sehr schnell abtastende Variante.
Im Vorteil sind die Ultraschallsensoren nicht nur bei transparenten Materialien sondern auch in schmutziger und staubiger Umgebung. Ultraschall ist da wesentlich weniger heikel als Licht und es durchdringt auch erstaunlich dicke Schmutzschichten. Deshalb sind diese Kantensensoren bei der Papier- und Tissuepapier-Herstellung sehr beliebt.
 
Ultraschall-Einwegschranke
 
Analog zu den bekannten Lichtschranken gibt es auch Ultraschall-Schranken, bei denen Sender und Empfänger mechanisch getrennt sind. Das bietet sich an, wenn der Abstand grösser als nur ein paar Zentimeter sein soll. Mit solchen Schranken kann man zum Beispiel auch Löcher in der Folie detektieren, da der Schall durch kleinste öffnungen sehr gut geleitet wird. Ein Aufdruck oder unregelmässige Foliendicke stört den Ultraschallsensor in keiner Weise. Auch zum Detektieren eines Folienrisses eignen sich Ultraschall-Schranken oder -Näherungsschalter bestens. Beim Erfassen oder Zählen von transparenten Gebinden wie beispielsweise Flaschen sind Ultraschall-Einwegschranken ideal, da zwischen den Flaschen nur ein minimaler Abstand sein muss.
 
Distanz messende Ultraschallsensoren
 
Mit den klassischen Distanzsensoren auf Ultraschall-Basis kann man mit dem Echolaufzeit-Verfahren Abstände von wenigen Millimetern bis zu mehreren Metern auf <0.5%FS genau messen. Die Miniaturausführung ist mit der Fokussiereinrichtung FocusBEAM ausgerüstet, mit deren Hilfe man in kleinste öffnungen und Spalte hineinsehen kann.
Eine typische Anwendung bei der Verarbeitung von Bandware ist die sogenannte Durchhangregelung. Dabei wird bewusst eine durchhängende Schlaufe generiert und deren vertikale Position mit einem Ultraschallsensor gemessen. Die Ab- bzw. Aufwickelmotoren werden dann mit dieser Information so geregelt, dass der Durchhang immer gleich bleibt und so die Folie weder zerreisst noch zu stark durchhängt.
Mit hochempfindlichen Ultraschallsensoren lassen sich bei hoher Geschwindigkeit auch stark flatternde Schlaufen aus dünnster Folie zuverlässig erkennen.
 
Etikettensensoren
 
Die ebenfalls neuen Ultraschallgabelsensoren arbeiten nach dem Prinzip der Durchschallung von dünnem Material. Der Empfänger misst, wieviel Schall vom Sender noch ankommt. Die interessanteste Anwendung dieses Sensors ist die genaue Positionserfassung von Etiketten auf dem Trägermaterial beim automatischen Etikettieren. Dadurch wird gewährleistet, dass die Etikette dann auch am richtigen Ort plaziert wird. Der Vorgang erfolgt bei hoher Geschwindigkeit und die Spalte zwischen den Etiketten sind kurz. Die Ultraschalltechnik ist den optischen oder kapazitiven Sensoren weit überlegen, wenn es um transparentes Etikettenmaterial geht. Neben der Etikettenerfassung eignet sich der Sensor zum Beispiel auch für Kanten- oder Schweissstellendetektion oder zum Erfassen von kleinsten Löchern oder Perforationen.

Chopfab Bier

Die auf dem Bild dargestellte Schrumpffolie für Sixpacks wird von der innovativen Lokalbrauerei Doppelleu in Winterthur verwendet. Deren Chopfab-Bier hat sich innert kürzester Zeit als eines der trendigsten Biere der Schweiz etabliert (www.doppelleu.ch). Genauso im Trend sind innovative Ultraschallsensoren in der Verpackungstechnik, wenn es um transparente Materialien geht.


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