Nahezu alle Materialien, die den Schall reflektieren, werden von Ultraschallsensoren detektiert – unabhängig von ihrer Farbe oder optischen Reflektivität. Selbst glasklare Materialien, dünne Folien oder metallisierte Oberflächen stellen kein Problem dar, so dass beispielsweise Füllstandsmessungen in Farbwannen, eine Stapelhöhenerfassung oder die Bestimmung des Wickeldurchmessers transparenter oder hochreflektiver Bahnmaterialien mit Näherungsschaltern auf Ultraschallbasis zuverlässig lösbar sind – in staubiger Luft ebenso sicher wie bei Farbnebel. Auch dünne Ablagerungen auf der Sensormembran zum Beispiel durch Papierstaub beeinträchtigen die Sensorfunktion nicht.

Grundsätzlich gibt es zwei Messprinzipien: Als Standard-Messprinzip gilt die Echo-Laufzeitmessung, wie sie bei Ultraschall-Näherungsschaltern beziehungsweise Ultraschall-Abstandssensoren genutzt wird. Hierbei strahlt der Ultraschallsensor zyklisch einen kurzen, hochfrequenten Schallimpuls aus, der sich mit Schallgeschwindigkeit in der Luft fortpflanzt. Trifft er auf ein Objekt, wird er dort reflektiert und gelangt als Echo zurück zum Sensor. Aus der Zeitspanne zwischen dem Aussenden des Schallimpulses und dem Empfang des Echosignals berechnet der Ultraschallsensor die Entfernung zum Objekt.

Als Messprinzip für Spezialanwendungen bietet sich die Amplitudenauswertung an: Sie wird sowohl bei Ultraschall-Doppelbogenkontrollen für Bogendruck­maschinen als auch bei Etiketten- und Spleißsensoren sowie bei Ultraschall-Bahnkantensensoren verwendet. Bei diesem Funktionsprinzip liegen sich Ultraschall-Sender und -Empfänger gegenüber; der Sensor arbeitet im sogenannten Schrankenbetrieb. Dabei strahlt der Sender einen Schallimpuls aus, den die Auswerte-Elektronik am Empfänger analysiert. Anhand des empfangenen Signalpegels kann auf die Materialsitua­tion geschlossen werden. Die Auswerte-Elektronik setzt diese Information in ein entsprechendes Ausgangssignal um. Wofür sich die Amplitudenauswertung im Detail einsetzen lässt, erläutern die folgenden Beispiele.

Amplitudenauswertung bei der Ultraschall-Doppelbogenkontrolle

Die Aufgabe der Ultraschall-Doppel­bogenkontrolle ist es, zwei oder mehr übereinander liegende Bögen oder Blätter zu erkennen – beispielsweise an einer Bogendruckmaschine. Diese Sensorik kann die Zustände 'Einzelbogen', 'Doppelbogen' und 'Fehlbogen' anzeigen und so Störungen des Druck- oder Verpackungsprozesses verhindern helfen. Die aktuelle Generation der Ultraschall-Doppelbogenkontrollen 'dbk+4' von microsonic lässt sich darüber hinaus in der Wafer-Erkennung einsetzen. Im Gegensatz zum Vorgängermodell können nun drei voreingestellte Arbeitsbereiche über drei Steuereingänge angewählt und im laufenden Betrieb gewechselt werden. Dabei deckt 'Standard' das breiteste Spektrum an Materialien und Grammaturen zur einfachen Doppelbogenüberwachung ab, 'dünn' kommt speziell bei sehr dünnen Papieren oder Fo­lien zum Einsatz und der Arbeitsmode 'dick' steht für die Abtastung dicker Kunststofffolien oder Leiterplatten zur Verfügung. Eine LED signalisiert, ob der Anwender den richtigen Arbeitsbereich vorgewählt hat.

Immer dann, wenn zwei Materialien vollflächig verklebt sind – etwa zwei Wafer durch einen Wasserfilm oder zwei Bleche durch einen Ölfilm –, sowie bei durch elektrostatische Aufladung anei­nander haftenden Papieren und Folien kommt der Teach-in-Modus des Sensors ins Spiel: Über die Steuereingänge kann ein Einzelbogen eingelernt und hierdurch bereits auf geringfügige Abweichungen reagiert werden. Somit erkennt die neue Ultraschall-Doppelbogenkontrolle auch die verklebten Materialien verlässlich als Doppelbogen. Optional lassen sich die Messwerte der Sensoren mit Hilfe der LinkControl-Software von microsonic auf dem Bildschirm visualisieren. Dies hilft dem Anwender, schnell festzustellen, ob er die richtigen Einstellungen für seine Anwendung gewählt hat.

... bei Etiketten- und Spleiß-Sensoren

Der Ultraschall-Etikettensensor arbeitet nach dem Prinzip der Amplitudenauswertung und erkennt Etiketten auf Träger- oder Spleißstellen im Bahnmaterial.

© Microsonic

Die Etiketten- und Spleiß-Sensoren 'esf-1' erkennen Etiketten auf einem Trägermaterial oder Spleißstellen im Bahnmaterial. Das Basismaterial liefert einen anderen Signalpegel als das Etikett oder der Spleiß; diesen – teilweise minimalen – Unterschied kann der Sensor auswerten. Bei konstanten Umgebungsbedingungen und homogenen Materia­lien erfasst der esf-1 selbst kleinste Abweichungen vom Standardpegel. So können Unterschiede von lediglich 10 % zwischen Trägermaterial und Etikett beziehungsweise Bahnmaterial und Spleiß erkannt werden. Möglich wird dies durch ein Teach-in, bei dem der Sensor auf das Etikett eingelernt wird. Auch Spleiß, der sich unzugänglich in der Rolle befindet, ist durch ein Teach-in auf das Bahnmaterial sicher detektierbar. Bei Bedarf lassen sich mehrere Etikettensensoren unterei­nander synchronisieren.

... und bei Bahnkantensensoren

Der Ultraschall-Bahnkantensensor bks+ tastet lichtempfindliche, transparente und reflektierende Materialien ab.

© Microsonic

Bahnkantensensoren tasten die Kanten schallundurchlässiger Materialien wie zum Beispiel Folien oder Papier ab und eignen sich daher insbesondere ideal zur Bahnlaufregelung hochtransparenter Folien und lichtempfindlicher Materialien an Papier-, Druck- und Verpackungsmaschinen. Auch Materialien mit wechselnder Transparenz oder Umgebungen mit hoher Papierstaubbelastung stören die Funktion der Ultraschall-Bahnkantensensoren nicht. Die Sensoren von microsonic sind als Gabelsensoren aufgebaut und arbeiten als Einwegschranke. Der im unteren Schenkel der Gabel befindliche Sender sendet zyklisch kurze Schallimpulse aus, die der Empfänger im oberen Gabelschenkel erfasst. Ein in die Gabel eintauchendes Material deckt die Schallstrecke ab und dämpft so das Empfangssignal. Die interne Elektronik wertet das empfangene Signal aus und gibt ein zur Bahnkante proportionales Analogsignal aus, mit dessen Hilfe die Ultraschall-Bahnkantensensoren den Bahnlauf an Papier-, Druck- und Verpackungsmaschinen regeln.

Neu in dieser Kategorie sind Bahnkantensensoren mit quaderförmigem Ultraschallwandler: Die 'bks+'-Bahnkantensensoren liefern einen Arbeitsbereich von 12 mm beziehungsweise 35 mm – damit ist der Arbeitsbereich über 400 % größer als bei bisher eingesetzten Bahnkantensensoren. Bisher ließen sich solche Messbereiche nur aufwendig durch den Einsatz mehrerer Sender und Empfänger erzeugen. Mit einer Gabelweite von 30 mm beim bks+3 beziehungsweise 60 mm beim bks+6 und einer Tiefe von 43 mm respektive 73 mm ist die neue Generation der Ultraschallsensoren kompakt gebaut und bietet eine Messgenauigkeit von 0,1 mm. Der bks+ eignet sich zur Bahnlaufregelung hochtransparenter Folien, lichtempfindlicher Materialien, Materia­lien mit stark wechselnder Transparenz und Papier in Umgebungen mit hoher Papierstaubbelastung. Mit der IO-Link-Schnittstelle wurden die Voraussetzungen für einen lückenlosen Austausch von Prozessdaten und Servicedaten zwischen der Systemsteuerung und dem Bahnkantensensor geschaffen.

Autorin: Vera Hoxha ist Marketingleiterin von Microsonic in Dortmund.