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Warum beginnt eine Einparkhilfe am Pkw zu piepsen, wenn sich ein Hindernis nähert? Möglich machen das Ultraschall-Sensoren, die im Übrigen nicht nur bei Einparkhilfen zum Einsatz kommen. Auch im industriellen Bereich und in der ambitionierten Heimelektronik erfüllen diese nützlichen Helfer viele Funktionen. Unser Ratgeber verrät Ihnen Wissenswertes über diesen Bereich der Sensorik.

Wissenswertes zu Ultraschall-Näherungsschalter

Was ist ein Ultraschall-Näherungsschalter?

Näherungsschalter ist ein Sensor, der auf die Annäherung (oder zunehmende Entfernung) eines Gegenstandes von einem zu überwachenden Objekt reagiert. Das Auslösen des Schaltvorganges erfolgt durch elektrische Impulse am Ausgang des Näherungsschalters auf unterschiedlichen technischen Wegen. Einfachste Näherungsschalter arbeiten mit mechanischen Lösungen: Dazu gehören zum Beispiel Endschalter.

Bei Sensoren auf der Basis von Ultraschall wird zur Messung eines Abstands ein Frequenzbereich von 40 bis 850 Kilohertz genutzt. Mit steigender Frequenz sinkt die Reichweite. Sie beträgt je nach Typ des Näherungsschalters wenige Zentimeter bis zu 10 Meter.

Das Prinzip der Distanzmessung beruht auf der Nutzung reflektierter Schallwellen. Mit ihnen lässt sich feststellen, wie weit ein Gegenstand von der (Ultra-)Schallquelle entfernt ist. Mit der entsprechenden Auswerte-Elektronik wird dann ab und/oder bis zu einer bestimmten Entfernung zwischen Ultraschall-Sensor und Gegenstand ein Schaltimpuls abgegeben, quasi als „Reaktion“ auf die Distanzmessung.

Mit der Schallgeschwindigkeit von zirka 343 Meter pro Sekunde (in trockener Luft bei 20 Grad Celsius) kann aus der halbierten Zeit des Wiedereintreffens eines ausgesendeten Signals die Entfernung zwischen Ultraschallsensor und Gegenstand berechnet werden.

Ultraschall-Näherungsschalter können für eine große Bandbreite an industriellen Anwendungen eingesetzt werden. Die Ausbreitung des Schalls funktioniert – abgesehen von wenigen Ausnahmen – in so gut wie jeder Umgebung. Die zu überwachenden Gegenstände können fest, flüssig, körnig oder pulverförmig sein. Ihre Oberflächenbeschaffenheit spielt eine untergeordnete Rolle. Die Sensorfläche reinigt sich durch Vibration selbst und ist nicht nur deshalb relativ unempfindlich gegen Verschmutzung. Ultraschallsensoren bestechen durch geringe mechanische Abmessungen. Zudem sind sie störfest gegen Geräusche einer Industrieanlage.

Im Gegensatz zu induktiven Näherungsschaltern wird kein elektrisch oder magnetisch aktives Element benötigt, um einen Gegenstand zu erkennen. Kapazitive Näherungsschalter nutzen, ähnlich einem variablen Kondensator, die Änderung der elektrischen Kapazität zwischen zwei Ladungsträgern – auch das entfällt im Ultraschallbereich.

Wie ist ein Ultraschall-Näherungsschalter aufgebaut?

In dem Gehäuse eines Ultraschall-Näherungsschalters sind der Sender und der Empfänger gemeinsam verbaut. Mit verschiedenen konstruktiven Besonderheiten wird ein Sensor-Bereich geschaffen, in dem der Ultraschallsensor reagiert: der Erfassungsbereich (Sd), repräsentiert durch die Schallkeule. Diese ist ungefähr mit dem Abstrahlverhalten eines Lautsprechers zu vergleichen. Der Bereich kann bei einigen Sensor-Modellen mit einem Potentiometer eingestellt werden. Neuere Sensoren dieser Bauart verfügen über das sogenannte Teach-in, mit dem der Näherungsschalter in die Anwendungsumgebung eingelernt wird. Zur Darstellung von Betriebs- und Programmierzuständen befinden sich LEDs an den Sensoren, meist an der Anschlussseite.

Die Gehäuse der Ultraschall-Näherungsschalter sind robuste Konstruktionen, die sich leicht in industrielle oder Außenumgebungen einbauen lassen. Dazu besitzen sie vielfach Gewindegehäuse zum Verschrauben/Fixieren. Ebenso robust sind die elektrischen Anschlüsse. Für anspruchsvolle und raue Umgebungen sichern die Hersteller von Ultraschall-Näherungsschalter Schutzarten zu. Mit Oberflächenvergütungen können Ultraschall-Näherungsschalter auch die gängigen Hygienevorschriften in der Lebensmittelindustrie erfüllen.

Bei der Anwendung als Ultraschall-Schranken können Sender und Empfänger räumlich voneinander getrennt sein, um auf das Eintreten eines Gegenstandes in den Ultraschall-Strahl zu reagieren.

Wie funktioniert ein Ultraschall-Näherungsschalter?

Der Schallwandler im Sensorkopf sendet eine Anzahl Schallwellen aus. Die Bündelung der Schallwellen erledigt ein entsprechend dimensionierter Metallring. Bei vielen Ultraschall-Sensoren kann die Schallkeule gezielt auf das zu erkennende Objekt hin geformt werden. Die Schallwellen werden vom zu erfassenden Objekt reflektiert. Unmittelbar nach dem Aussenden der Impulsfolge wird der Ultraschallsensor sofort auf Empfang geschaltet – innerhalb von Millisekunden-Bruchteilen. Eine Elektronik ermittelt die Zeit zwischen Absenden und Wiedereintreffen der Schallimpulse. Am Ausgang des Sensors wird ein Schaltimpuls bereitgestellt, mit dem Vorgänge in der kontrollierten Umgebung ausgelöst werden. Die Schallgeschwindigkeit schwankt mit der Umgebungstemperatur, was durch Temperaturkompensation ausgeglichen wird.

Am Ausgang eines Ultraschall-Näherungssensors stehen Schaltsignale als Öffner und Schließer unterschiedlicher Art zur Verfügung:

  • als Analogwert entsprechend der Entfernung, repräsentiert durch einen Spannungs- oder Stromwert
  • als Digitalwert, der eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ansprechen kann
  • als Vergleich mit internen Schaltgrenzen, die einen Schaltvorgang auslösen. Hier wird zwischen Lastschaltung gegen positive (PNP) oder negative Betriebsspannungen (NPN) unterschieden.

Wo kommen Ultraschallsensoren zum Einsatz?

Als typische der vielen Anwendungsbereiche seien stellvertretend genannt:

  • Distanzerfassung, zum Beispiel bei Kfz-Einparkhilfen
  • Stapelhöhenmessung unter anderem bei Papierstapeln an Druckmaschinen, Flaschenfüllung an Abfüllautomaten
  • Erfassen und/oder Zählen von schnell aufeinander folgenden Objekten auf einem Fördergerät in Form eines Ultraschall Tasters
  • Kontrolle eines konstanten Materialflusses wie Folienabrisskontrolle in der Verpackungstechnik
  • Überwachung von Füllständen in Tanks oder Silos, Tresterbehälter in Kaffeemaschinen

Unser Praxistipp

Eine komfortable Einstellung eines Ultraschallsensors per Teach-in-Funktion ist mit einem Programmiertool möglich. Eine Software gestattet die visuelle Darstellung der Objektentfernung und Einstellung der Schaltgrenzen sowie anderer Sensorparameter.

    

Was ist bei der Verwendung zu beachten?

Ultraschall-Näherungsschalter dürfen nicht zum Schutz von Personen an Anlagen jedweder Art benutzt werden. Die Sensor-Montage sollte so erfolgen, dass sich keine Materialien auf dem eigentlichen Wandler des Ultraschallsensors absetzen können. Wassertropfen und starke Verkrustungen auf dem Schallwandler können die Funktion beeinträchtigen. Halten Sie die spezifischen Mindestabstände zwischen den Ultraschallsensoren ein, um deren gegenseitige Beeinflussung zu verhindern.

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