Um Objekte in unmittelbarer Nähe zu erfassen, gibt es vor allem beim induktiven und kapazitiven Messprinzip eine Riesenauswahl an Sensoren mit kurzen Reichweiten im Zentimeter-Bereich. Für weiter entfernte Objekte bieten sich optische oder Radarsensoren an. Und für die Objekt-Erfassung in der Distanz bis 300 cm sind Ultraschallsensoren oft die beste Wahl. Aber: Aufgrund großer Blindzonen und begrenzter Reichweiten können diese oft nur einen eingeschränkten Messbereich bedienen, was zumindest für denjenigen Anwender Nachteile bringt, der im Halbdistanzspektrum verschiedene Reichweiten abdecken will. Um dies realisieren zu können, muss er eine Reihe unterschiedlicher Varianten bereithalten.

Herausforderung Ultraschall

Schall ist eine mechanische Welle, die sich in Festkörpern, Gasen oder Flüssigkeiten ausbreitet. Wie schnell dies geschieht, bestimmt die Zusammensetzung der Parameter Druck, Temperatur und Umgebungsmedium (Luft). Da Ultraschallsensoren die Laufzeit ihres Signals messen, hängt die Genauigkeit des Ergebnisses von der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls ab. Damit haben Faktoren einen Einfluss, die bei anderen Techno­logien unberücksichtigt bleiben können. Der Luftdruck sowie die Zusammensetzung der Umgebungsluft unter offenem Himmel sind in der Regel ausreichend konstant, die Temperatur hingegen schwankt. Daher müssen Ultraschallsensoren die Laufzeit-Differenz bei unterschiedlichen Temperaturen mittels einer integrierten oder externen Temperaturmessung kompensieren.

Eine weitere Besonderheit resultiert aus dem Messprinzip: Alle Ultraschallsensoren haben eine mehr oder weniger große Blindzone direkt vor dem Schallwandler. Die Größe hängt von der Frequenz ab, mit der jeder Sensor zwischen Senden und Empfangen wechselt. Ist ein Objekt zu nah am Sensor, sendet er noch, während das zu empfangende Signal schon vom Objekt reflektiert wird. Das Objekt ist folglich zu nah, um es zu erkennen. Sensoren mit hohen Reichweiten arbeiten mit niedrigen Frequenzen und haben dem-entsprechend große Blindzonen. Ziel der Hersteller ist es, die Blindzonen möglichst klein zu halten, um mit einem Sensor ein breites Einsatzspektrum abzudecken.

Diesem Ziel ist Turck mit der Ultraschallsensor-Familie „RU-U“ näher gekommen: Die robusten Sensoren arbeiten mit größeren Messbereichen und kürzeren Blindzonen als die bisherigen Modelle. Erreicht wird dies durch neu entwickelte Schallwandler, deren Massenverhältnisse ein schnelleres Abklingen der angeregten Wandlerfront ermöglichen. Außerdem unterscheidet der Sensor Fern-und Nahbereich, die zum Gesamterfassungsbereich zusammengerechnet werden.

Blindzone minimiert

Durch die kurzen Blindzonen lassen sich auch Objekte detektieren, die nahe am Sensor liegen: Beispielsweise hat die M18-Version mit 40 cm Reichweite eine Blindzone von 2,5 cm, was die Flexibilität in vielen Montagepositionen erhöht. Außerdem sind die Einbautiefen – etwa bei Füllstand-Anwendungen – geringer, da keine so große Blindzone mehr frei-zuhalten ist. Durch die kürzeren Blind-zonen ließ sich die Programmvielfalt reduzieren. Die Schallwandler liefern über die gesamte Sensorreihe hinweg große Messbereiche – in der M18-Ausführung bis zu 130 cm, in der M30-Version bis zu 300 cm. Dabei lässt sich jeder Sensor der auslaufenden Reihe unmittelbar durch ein Modell aus der RU-U-Serie ersetzen.

Mit kurzen Blindzonen und großen Erfassungsbereichen reduzieren die Sensoren die Variantenvielfalt in der Lagerhaltung.

© Turck

Da Ultraschallsensoren vor allem in rauer Umgebung im Einsatz sind, müssen sie mit Umgebungseinflüssen wie Staub, Wasser, Temperaturwechsel oder Vibrationen zurechtkommen. Diesen Anforderungen begegnet Turck zum einen mit einer Gehäuse-Ausführung in Metall, bei der Gewindehülse und Steckergewinde aus einem Stück bestehen. Dies eliminiert eine potenzielle Schwachstelle, die in rauen Umgebungen und bei tiefen Temperaturen zu Beschädigungen führen könnte. Bei allen Modellen ist das Außengewinde über die gesamte Sensorlänge ausgeführt, so dass Anwender die Einbaulage innerhalb des Montagehalters flexibel anpassen können.

Zum anderen erhöht die glatte, frontbündige Schallwandler-Membran die Prozesssicherheit, insofern als sich hier kein Schmutz ablagert, der zu Fehlsignalen führen kann. Im Gegenteil: Die mechanische Bewegung der Membran schüttelt im Idealfall sogar Ablagerungen wieder ab und reinigt sich so von selbst. Partikel-Ablagerungen, die bei höherer Luftfeuchte entstehen, lassen sich ebenfalls restlos durch einfaches Abwischen beseitigen, ohne dass Reste im Übergangsbereich zwischen Wandlerschicht und Wandlerring bestehen bleiben können.

Einstellung per Teach

Die Sensoren lassen sich über Pin 5 teachen.

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Alle Sensoren ermöglichen einen Teach-in über Pin 5. Je nach Modell teachen Anwender die Sensoren über Drucktaster direkt am Sensor, mit einem Teach-Adapter oder per Teach-Leitung. Über die Teach-Funktion lassen sich individuelle Schalt- oder Messbereichsgrenzen einstellen. Die Tasten mit deutlichem Druckpunkt sind im Gehäuse des Sensors versenkt, so dass Anwender sie nicht unbeabsichtigt betätigen können. Speziell bei der M18-Ausführung lassen sich Schalt- beziehungsweise Messbereichsanfänge ohne eine externe Software festlegen; alternative Konzepte arbeiten mit Potentiometern, deren Dreheinstellung oft unsicher und unpräzise ist.

Parametrierung via Pactware

Die High-End-Versionen der Ultraschallsensoren, die mit einer IO-Link-Schnittstelle ausgestattet sind, bieten erweiterte Parametrierungs- und Kommunikationsmöglichkeiten. Über die Parametrierungssoftware Pactware lassen sich diverse Parameter der Sen­soren genau auf die Anforderung jeder Ap­plikation abstimmen: Beispielsweise sind die Ultraschallsensoren als reine Sender oder Empfänger einstellbar, um etwa mit zwei Ultraschallsensoren eine Ultraschall-Einwegschranke zu installieren. Darüber hinaus sind zum Beispiel eine Zeitsperre, die Temperaturkompensation des internen oder eines externen Temperatursensors sowie das analoge Ausgangssignal als steigende oder fallende Kennlinie oder auch als weiterer Schaltausgang einstellbar.

Werden statt des Schalt- und Analogausgangs zwei unabhängige Schaltausgänge benötigt, lassen sich diese auf PNP- oder NPN-Schaltausgangstyp und Öffner- oder Schließer-Funktion einstellen. Sind mehrere Geräte in derselben Umgebung installiert, vermeidet der Anwender durch eine Synchronisation der Sensoren, dass sie sich gegenseitig stören. Eine Alternative dazu ist der Multiplexbetrieb, bei dem die einzelnen Geräte nacheinander arbeiten.

Neben den Parametriermöglichkeiten ermöglicht IO-Link die Kommunikation zwischen Sensor und Master, so dass sich der aktuelle Prozesswert jederzeit direkt auslesen lässt, falls kein Schalt- oder Analogsignal benötigt wird.

Autor: Markus Bregulla ist Produktmanager Opto- und Ultraschall­sensoren bei Turck in Mülheim.