Ultraschallsensoren aus der Serie 30 GM von Pepperl + Fuchs steuern die Ausleger von Landmaschinen in die passende Höhe.
Füllstandmessung im Container, Positionierung einer Palette, Höhenregulierung einer Feldspritze – drei unterschiedliche Aufgaben die eines gemeinsam haben: Ultraschallsensoren liefern der Automatisierungtechnik die notwendige Abstandsinformation.
Gerade im Outdoorbereich können Ultraschallsensoren ihre Vorteile ausspielen. Unabhängig von Farbe und Oberflächeneigenschaft kann ein Objekt millimetergenau erfasst werden. Verschmutzung wirkt sich nicht nachteilig auf das Messergebniss aus. Die Sensoroberfläche reinigt sich darüber hinaus durch hochfrequente Vibration von Benetzung durch Flüssigkeiten oder Staubablagerungen.
Der Ultraschallsensor 30GM70 überwacht kontinuierlich die Höhe des Füllgutes. Bild: Pepperl + Fuchs
Unebenes Gelände sowie wechselnde Pflanzenhöhen fordern Mensch und Maschine, wenn es um die Bewirtschaftung von Ackerflächen geht. Höhe und Position des Auslegers von Pflanzenspritzen oder Erntemaschinen müssen deshalb flexibel anpassbar sein, damit die Pflanzen nicht beschädigt werden. Pflanzenspritzen werden üblicherweise eingesetzt, Flüssigdünger, Pestizide und andere Flüssigkeiten während des Wachstums auf Erntepflanzen zu verteilen. Da Pflanzen während ihres Wachstums naturbedingt unterschiedlich hoch sind, oder auch weil Pflanzenspritzen bei verschiedenen Gewächsen eingesetzt werden, wird die Auslegerhöhe des Sprühgeräts mittels Ultraschallsensoren genau angepasst. Damit wird sichergestellt, dass die richtige Menge der verteilten Flüssigkeit auf die Pflanzen aufgebracht wird. Schutzart IP67 verbunden mit der robusten berührungslos arbeitenden Ultraschalltechnik sind Vorteile, die bei dieser Applikation zum Tragen kommen. Die Serie 30 GM lässt sich einfach am Gestänge der Ausleger montieren. Werden aggressive Flüssigkeiten verwendet, ist auch eine Version mit Schutzfolie verfügbar.
Der Wandler arbeitet als Mikrofon
Das Messprinzip ist schnell erklärt: Ein Ultraschallwandler, im Wesentlichen der Verbund einer Piezokeramik, die die mechanische Schwingung erzeugt, und einer akustischen Anpassschicht, wird im Sendebetrieb auf der Resonanzfrequenz durch ein Burstpaket oder einen Einzelpuls angeregt. Anschließend wechselt der Sensor in den Empfangsmodus, der Wandler arbeitet jetzt als Mikrofon. Das empfangene Signal, wenige mV klein, wird verstärkt, die Laufzeit des Echos in einem Microcontroller in die Entfernung umgerechnet.
Der Ultraschallsensor der Baureihe Varikont L2 erkennt die Position der aufgeladenen Palette. Bild: Pepperl + Fuchs
Während der Aussendung des Burstsignals und dem Nachschwingen des Wandlers kann systembedingt kein Echo empfangen werden. Im dazu gehörenden Entfernungsbereich, der sogenannten Blindzone, können keine Objekte detektiert werden. Durch Optimierung des Aufbaus, der Geometrie und Auswahl der verwendeten Werkstoffe des Wandlers, der Verstärkertechnologie und ausgeklügelter digitaler Signalverarbeitung kann diese systembedingte Blindzone auf ein Minimum reduziert werden.
Container passgenau befüllen
Bei der Reinigung von Abwasser entstehen tagtäglich Unmengen an Klärschlamm. Dieses Abfallprodukt wird weiterverarbeitet oder fachgerecht entsorgt. Dazu wird die Masse in Transportbehälter abgefüllt. Dieser Vorgang wird mit Ultraschallsensoren überwacht, eine Überfüllung der Container vermieden. Die Füllhöhe wird vom Ultraschallsensor gemessen und mittels Analogwert an die Steuerung übergeben.
Beim Erreichen der maximalen Füllhöhe wird zusätzlich per Schaltsignal der Stopp der Materialförderung veranlasst. Im Bereich der Füllstandsmessung kommen überwiegend Sensoren mit großen Reichweiten zum Einsatz.
Der zylindrische Ultraschallsensor 30 GM70 kommt vor allem bei Füllstandsmessungen zum Einsatz. Bild: Pepperl + Fuchs
Schwere Lasten präzise positionieren
Der weltweite Bedarf an zuverlässiger und präziser Ausrüstung für Materialtransport und entsprechende Logistiklösungen steigt ständig. Im Bereich der Lager- und Fördertechnik kommt es deshalb aufs präzise Positionieren schwerer Lasten und die effektive Steuerung schneller Bewegungen an. Der Transport erfolgt dann mit Gabelstaplern, Fahrzeugkränen oder Hubarbeitsbühnen. Und diese Fördertechnik-Geräte müssen schwere Lasten dann zuverlässig an ihren Bestimmungsort transportieren. Dabei können Ultraschallsensoren zum Beispiel bestimmte Bereiche eines Gabelstaplers überwachen, um ein hohes Maß an Genauigkeit und Betriebssicherheit zu gewährleisten.
So kann etwa an der Hubgabel eines Gabelstapler mithilfe von Ultraschallsensoren festgestellt werden, ob sich eine Palette auf der Gabel befindet, aber auch, wie weit die Gabel bereits unter die Palette eingetaucht ist. Dadurch wird eine gezielte Kontrolle und Sicherung des Förderguts ermöglicht.
Zum Einbau von Ultraschallsensoren in der Hubgabel des Gabelstaplers empfiehlt sich eine kubische Gehäusebauform wie der Varikont L2. Dank dessen hoher Schutzart IP67 können die Gabelstapler auch im Freien eingesetzt werden – die robuste Ultraschalltechnik lässt sich von Regen, Nebel oder starken Temperaturunterschieden nicht beeinflussen. fa/sc
Autor: Franz-Josef Heimerl, Leiter Produktmanagement Ultraschallsensoren bei Pepperl+Fuchs
ke NEXT hakt nach
4 Fragen an Franz-Josef Heimerl, Pepperl + Fuchs
Inwiefern haben Sie den Aufbau und die Geometrie des Wandlers verändert?
Die Materialzusammensetzung der elastischen Einbettung des Komposit aus Piezokeramik und Anpassschicht wurden hinsichtlich Ausschwingverhalten und Echoamplitude optimiert.
Franz-Josef Heimerl ist Leiter Produktmanagement Ultraschallsensoren im Geschäftsbereich Fabrikautomation bei Pepperl + Fuchs. Bild: Pepperl + Fuchs
Wie sehen die Verstärkertechnologie und die digitale Signalverarbeitung konkret aus?
Beim Empfangsverstärker kommt ein rauscharmer Vorverstärker in Kombination mit einem logarithmischen Verstärker zum Einsatz. Die Filterung der winzigen Echo-Signale werden von schmalbandigen Filtern übernommen. Diese sind für jede Ultraschallfrequenz auf ein Optimum zwischen schmaler Filtercharakteristik und schnellen Einschwingen eingestellt. Der in den Ultraschallsensoren eingesetzte Microcontroller wertet die Signale aus und kann somit akustische Fehlsignale oder elektromagnetische Störungen von der Reflexion der erfassten Objekte unterscheiden. Die gemessene Laufzeit der Echosignale wird, je nach Anforderung, als digitales Schaltsignal oder Analogwert ausgegeben.
Wie kommen Ihre Ultraschallsensoren mit Temperaturveränderungen zurecht?
Unsere Ultraschallsensoren arbeiten im Bereich zwischen -25 °C und 70 °C. Der Einfluss der Temperatur auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls wird bei der Berechnung der Objektentfernung berücksichtigt. Dazu wird die Lufttemperatur im Umfeld des Sensors elektronisch gemessen.
Was denken Sie, sind aus Kundensicht Auswahlkriterien bei Ultraschallsensoren?
Nach unserer Erfahrung werden Ultraschallsensoren immer öfter in Applikationen eingesetzt, in denen in der Vergangenheit andere Sensor-Prinzipien zur Anwendung kamen. Das robuste Sensorprinzip spielt dabei eine nicht unerhebliche Rolle. Bei der Auswahl eines Sensors steht die Reichweite neben der Baugröße an erster Stelle. Der Ausgang des Sensors wird letztendlich von den Anforderungen der Steuerung bestimmt. Denn hoher IP-Schutz wird gerade im Outdoor-Bereich gefordert. sc