Sensortechnologien wie optische oder induktive Sensoren stoßen bei den Produktionsbedingungen der Papier-, Druck- und Verpackungsindustrie schnell an ihre Grenzen, bringt doch die Umgebung staubige Luft und Farbnebel ebenso mit sich wie Papierstaub und andere Verschmutzungen. Hier bieten sich Ultraschallsensoren an, die ihre Messaufgaben unabhängig von den Umgebungsbedingungen ausführen. Selbst dünne Ablagerungen auf der Sensormembran beeinträchtigen die Sensorfunktion nicht. Zudem sind Ultraschallsensoren in der Lage, Objekte aus (fast) allen Materialien und in jeder Farbe unabhängig von der optischen Reflektivität berührungslos zu erkennen – auch glasklare Materialien, hauchdünne Folien oder metallisierte Oberflächen. Ihre Aufgaben reichen von der Füllstandsmessung in Farbwerken über die Bahnrisskontrolle und die Klebestellen-Erkennung sowie die Bahnlaufregelung transparenter Folien bis hin zur Doppelbogen- und Einzelbogen-Erkennung an Druckmaschinen.

Standard-Messprinzip eines Ultraschallsensors ist die Echo-Laufzeitmessung: Der Sensor strahlt zyklisch einen hochfrequenten Schallimpuls aus, der sich mit Schallgeschwindigkeit durch die Luft fortpflanzt. Trifft er auf ein Objekt, wird er reflektiert, das Echo gelangt zurück zum Sensor. Aus der Zeitspanne zwischen dem Aussenden des Schalls und dem Empfang des Echos errechnet der Ultraschallsensor die Entfernung zum Objekt.

Ein weiteres Messprinzip, mit dem sich spezielle Messaufgaben wie etwa die Ultraschall-Doppelbogenkontrollen für Bogendruckmaschinen lösen lassen, ist die sogenannte Amplitudenauswertung. Hier liegen Ultraschallsender und -empfänger einander 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 lässt sich auf die Materialsituation schließen. Die Auswerte-Elektronik setzt diese Information in ein entsprechendes Ausgangssignal um.

Die Bahnkante detektieren

Die Bahnkantensensoren bks+3 und bks+6 bieten einen Arbeitsbereich von 12 mm beziehungsweise 40 mm bei einer Gabelweite von nur 30 mm respektive 60 mm.

© Microsonic

Eine Herausforderung für Ultraschallsensoren ist ihre Nutzung als Bahnkantensensor. Sie erfassen die Kante bahnförmiger Materialien, die von einer Rolle abgewickelt und durch die ver­arbeitende Maschine geführt werden. Die Lage der Kante ist nötig, um den Bahnlauf nachzuregeln, so dass die Materialbahn immer sauber "in der Spur" bleibt. Insbesondere bei Materia­lien aus hochtransparenten Folien, lichtempfindlichen Materialien, Papier und anderen Schall-undurchlässigen Materialien wie Wellpappe, Textilien oder Gummi spielen Ultraschall-Bahnkantensensoren ihre physikalischen Vorteile aus, da Materialien mit wechselnder Farbe und Transparenz keinen Einfluss auf die Messung haben.

Der Bahnkantensensor 'bks+' von Microsonic für die Bahnregelung an Papier-, Druck- und Verpackungsmaschinen ist als Gabelsensor konzipiert und arbeitet als Einwegschranke. Im unteren Schenkel des Gabelsensors sitzt ein Sender, der kontinuierlich Ul­traschall abstrahlt und vom Empfangswandler im oberen Gabelschenkel ­detektiert wird. Ein in die Gabel eintauchendes Bahnmaterial deckt die Schallstrecke zwischen Sender und Empfänger mehr oder weniger ab und dämpft so das Empfangssignal. Die interne Elektronik wertet die Intensität des Empfangssignal aus und gibt ein vom Abdeckungsgrad abhängiges – zur Bahnkante proportionales – Analogsignal aus.

Den Wickeldurchmesser erfassen

Auch für die Erfassung des Wickeldurchmessers von Papier- oder Kunststofffolienrollen an Druck-, Verpackungs- oder Etikettiermaschinen bieten sich Ultraschallsensoren an. Hier sendet der Sensor einen Schallimpuls in Richtung der Rollen und erfasst das Echo des reflektierenden Materials. Anhand dessen berechnet der Sensor den Abstand zur Rolle. Während der Produktion wird die Papier- oder Kunststofffolienrolle abgewickelt, so dass sich ihr Durchmesser verringert. Um dennoch eine gleichmäßige Spannung auf der Papier- oder Kunststofffolienbahn zu halten, justiert die Steuerung anhand des analogen Signals des Sensors die Bahnspannung.

Ein Beispiel für einen solchen Sensor ist der Ultraschallsensor 'mic+', der mit fünf Tastweiten einen Messbereich von 30 mm bis 8 m abdeckt. Sein Digitaldisplay gibt Messwerte direkt aus und vereinfacht die Einstellung des Sensors: Mit Hilfe der Digitalanzeige lassen sich Fenstergrenzen oder steigende/fallende Analogkennlinie numerisch voreinstellen, ohne dass sich die abzutastende Rolle im Erfassungsbereich befinden muss. So ist es möglich, den Sensor außerhalb der eigentlichen Anwendung einzustellen und anschließend am Einsatzort zu montieren.

Einzel-, Doppel- und Fehl­bogen erkennen

Bei der Ultraschall-Doppelbogenkon­trolle geht es darum, keinen, einen, zwei oder mehr übereinanderliegende Materialbogen in Bogendruckmaschinen, Falzmaschinen oder Papierverarbeitungsmaschinen zu erkennen. Dazu ­sendet ein hochfrequenter Ultraschallsender von der unteren Seite gegen den abzutastenden Materialbogen. Das ­ausgesandte Signal regt den Materialbogen zu Schwingungen an, die ihrerseits die Ausbreitung einer sehr kleinen Schallwelle auf der anderen Bogenseite bewirken. Bei einem übereinander­ ­liegenden Bogen (Doppelbogen) ist das Signal noch stärker abgeschwächt, so dass die Ultraschall-Doppelbogenkontrolle die Zustände 'Einzelbogen', 'Doppelbogen' und 'Fehlbogen' zuverlässig anzeigen kann und so Störungen des Druck- oder Verpackungsprozesses ­verhindert.

Bei den Ultraschall-Doppelbogenkontrollen 'dbk+4' und 'dbks+5' lassen sich über drei Steuereingänge drei voreingestellte Arbeitsbereiche anwählen und im laufenden Betrieb wechseln: 'Standard' deckt das breiteste Spektrum an Materialien und Grammaturen von 20 g/m2 bis 1200 g/m2 zur einfachen Doppelbogenüberwachung ab. 'Dünn' wird speziell bei sehr dünnen Papieren wie Bibeldruckpapier mit Flächengewichten unter 20 g/m2 verwendet, und für die Abtastung von Kartonagen oder Feinstwellpappen steht der Arbeitsmodus 'Dick' zur Verfügung. Eine LED signalisiert, ob der Anwender den richtigen Arbeitsbereich vorgewählt hat.

Etiketten und Spleißstellen

In der Verpackungsindustrie wird Wert auf innovative Materialwahl und auffälliges Design gelegt. Im Produktionsprozess an der Tagesordnung sind wechselnde Materialien und Farben der Produkt-Etiketten – zum Beispiel transparente, schwarze oder metallisierte ­Folien, aber auch Veredelungsmöglichkeiten durch Hochglanz- oder Softtouch-Lacke. Ultraschall-Ettiketten- und Spleißsensoren ermöglichen deren Detektion sogar bei hohen Transportgeschwindigkeiten.

Die Ultraschallsensoren 'esp-4' und 'esf-1' arbeiten nach dem gleichen Funktionsprinzip wie die Doppelbogenkontrollen: Das Trägermaterial liefert einen anderen Signalpegel als ein Etikett oder auch ein Spleiß. Diesen Signalunterschied wertet der Sensor aus. Mittels eines separaten Teach-in kann der Sensor sogar sehr geringe Unterschiede zwischen Trägermaterial und Etikett beziehungsweise Bahnmaterial und Spleiß erfassen. Ebenso lässt sich ein Spleiß, der sich unzugänglich in der Rolle befindet, durch Teach-in auf das Bahnmaterial sicher erkennen.

Autorin:
Melanie Harke ist Leiterin Marketing bei Microsonic in Dortmund.