Das Ultraschallprinzip erlaubt die kontaktfreie Detektion von allen Materialien, die Schall reflektieren. Auf diese Weise erfassen Ultraschallsensoren feste, flüssige, pulverförmige, hochglänzende oder transparente Materialien. Sie sind für den vielseitigen Einsatz auch unter extremen Umgebungsbedingungen in der Automatisierung ausgelegt, dazu gehören auch die Maschinen und Anlagen der Lebensmittelindustrie. Für das Lösen einer Applikation mit Ultraschall sind Kriterien wie bspw. der Messbereich, der Montageraum respektive Bauform, die gegenseitige Beeinflussung, die Betriebsart und die Umgebungsbedingungen heranzuziehen.

Bei Schallimpulsen jenseits von 16 kHz, d. h. höher als vom Menschen wahrnehmbare Frequenzen, spricht man von Ultraschall. In der Fertigungsautomatisierung haben Sensoren, die Ultraschall nutzen, vor gut drei Jahrzehnten Einzug gehalten. Kompakt und leistungsstark eignen sich speziell Ultraschallsensoren optimal, um auf engstem Raum Objekte zu erkennen, automatisierte Fertigungsprozesse zu überwachen und Qualitätsanforderungen durchgehend sicherzustellen. Wo andere Sensorprinzipien an ihre Grenzen stoßen, kommen Ultraschallsensoren zum Einsatz. Optische Sensoren erkennen ausschließlich lichtreflektierende und lichtundurchlässige Objekte. Induktive Sensoren detektieren nur ferromagnetische Metallteile. Hingegen können Ultraschallsensoren alle Arten von Objekten detektieren, die den Schall unabhängig von Form und Farbe reflektieren. Und das tun nahezu alle Materialien wie Flüssigkeiten, Glas und hauchdünne Folien, aber auch grobe Körner, Späne, kristalline Substanzen, Pulver, feiner Sand, Hölzer, Metalle sowie Kunststoffe. Weiße Objekte auf weißem Hintergrund, Schwarzes auf Schwarz, störendes Fremdlicht oder glänzende Oberflächen – keine Herausforderung für Ultraschallsensoren.

Einflussgrößen auf Ultraschall  Die Schallgeschwindigkeit ist temperaturabhängig. Bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C beträgt die Schallgeschwindigkeit 343,5 m/s oder 1.244 km/h. Die Schallgeschwindigkeit ändert sich mit 0,17 % pro Grad Celsius. Um diesen Einfluss zu kompensieren, haben die meisten Ultraschallsensoren von Microsonic eine interne Temperaturmessstelle. Diese Temperaturmessstelle sitzt im Sensor immer direkt hinter dem Ultraschallwandler, um möglichst präzise die Lufttemperatur im Bereich der Messstrecke zu erfassen. Geringe Luftströmungen beeinflussen die Messgenauigkeit nicht. Staub und Nebel können das Schallsignal dämpfen und unter Umständen die maximale Reichweite eines Ultraschallsensors verringern. In den meisten Fällen ist eine Messung jedoch immer noch möglich. Auch dünne Schmutz- oder Staubablagerungen auf der Sensormembran beeinträchtigen die Sensorfunktion nicht. Ultraschallsensoren sind gegenüber optischen Sensoren deutlich unempfindlicher bei derartigen Umwelteinflüssen aber auch in Reinigungsprozessen. Lediglich bei konstanten, heißen Umgebungstemperaturen oder Objekttemperaturen von über 85 °C erreicht das Ultraschallprinzip seine natürliche Leistungsgrenze.

Auswahlkriterien Ultraschallsensor Entscheidend bei der Auswahl eines Ultraschallsensors ist sein Messbereich und der damit verbundene dreidimensionale Erfassungsbereich – seine Tastweite. Die kleinste zuverlässige Tastweite wird durch die Blindzone eines Sensors bestimmt. Innerhalb der Blindzone dürfen sich keine Objekte oder Störreflektoren befinden. Die Grenztastweite gibt die maximale Reichweite an, bis zu welcher Entfernung der Ultraschallsensor messen kann. Je nach Sensortyp liegt sein Messbereich zwischen 20 mm und 8 m.  Neben dem Erfassungsbereich sind für die Sensorauswahl der vorhandene Montageraum und die Umgebungsanforderungen ausschlaggebend. Je nach Anforderungsprofil sind die Ultraschallsensoren in verschiedenen Bauformen oder mit geschützter Membran erhältlich; für beengte Einbauverhältnisse Sensoren in kleinen zylindrischen Gehäusen mit Winkelkopf für eine axiale Schallführung; für Anwendungen im Freien robuste Sensoren im M30-Gehäuse oder auch als membran-geschützte Sensorvariante. Die stetig steigenden hygienischen Anforderungen in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie erfordern ferner Sensoren im Hygienic Design, die intensiven Reinigungs- und Desinfektionsprozessen standhalten.

Ultraschallsensoren für vielseitige Anwendungen Microsonic gilt weltweit als Spezialist der Ultraschall-Sensorik in der industriellen Automatisierungstechnik und Landwirtschaft. Seit Gründung 1990 und mit heute nahezu 150 Mitarbeitern arbeitet Microsonic daran, dass immer wieder neue Ultraschallsensoren in der Ruhrmetropole Dortmund entwickelt und gefertigt werden. So unterschiedlich die Applikationen sind, so vielfältig ist auch die Sensorbandbreite von Microsonic.  Die Produktpalette umfasst abstandsmessende Allroundtalente in M30-Bauform mit Digitaldisplay wie den Mic+; oder im zylindrischen M18-Gehäuse den Lpc+. Chemiebeständig ausgeführt sind die Pico+TF und Pms Ultraschallsensoren – in rostfreiem Edelstahl oder aus chemieresistentem Kunststoff PVDF und mit PTFE-Folie beschichtetem Ultraschallwandler. Ist kein passender Sensor im Programm, werden zusammen mit dem Kunden maßgeschneiderte Sensorlösungen für dessen Anforderungen entwickelt. Zu den vielseitigen Einsatzgebieten der kompakten Ultraschallsensoren zählen u. a.:

• Stauüberwachung von Flaschen in Abfüllanlagen, 
• Anwesenheitskontrollen in 
• hygienischen Prozessen, 
• Füllstandskontrolle in Tanks, 
• Detektion von Verpackungen,
• Feuchtmittelüberwachung an Druckmaschinen,
• Zählen von kleinen Objekten auf dem Förderband,
• Bogenerkennung an papierverarbeitenden Maschinen,
• Durchhangkontrolle von Bahnmaterial,
• Volumenstromsteuerung bei Schüttgütern,
• Durchmessererfassung an kleinen Coils.

IO-Link mit Smart Sensor Profil Bestens ausgestattet sind die Lpc+ Ultraschallsensoren in der M18-Gehäusebauform. Die vier Tastweiten decken einen weiten Messbereich von 20 mm bis 1,3 m ab. Der Anwender kann nun zwischen der Variante mit zwei Push-Pull-Schaltausgängen oder der mit einem Push-Pull-Schaltausgang und einem Analogausgang 0 – 10 V oder 4 – 20 mA mit IO-Link Schnittstelle wählen. Mit einer Betriebstemperatur von -25 °C bis 70 °C sind die Erkennungstalente in der Fertigungsautomatisierung und Landtechnik vielseitig einsetzbar. Die Lpc+ Sensoren können dank der IO-Link Schnittstelle V 1.1 einfach und verlässlich von der Maschinensteuerung auch im laufenden Betrieb parametrisiert werden. Eine Vor-Ort-Einstellung ist nicht erforderlich, jedoch mit dem LinkControl-Adapter möglich. Die IO-Link Sensoren übermitteln neben Prozesswerten auch Identifikations-, Status- und Diagnosewerte und unterstützen das Smart Sensor Profil. Die Vorzüge des Smart Sensor Profil zahlen sich bei dem Einsatz unterschiedlicher IO-Link Devices (Sensoren, Aktoren) in einer Applikation aus. In der IODD-Beschreibungsdatei, vereinheitlicht das Smart Sensor Profil Funktionen herstellerübergreifend, vereinfacht die Handhabung und senkt somit den Integrationsaufwand.

Füllstandssensor – bestens geschützt Aufgrund ihrer kompakten Gehäuseabmessung sind Pico+TF Sensoren ideal für die Abstandsmessung in beengten Einbauverhältnissen ausgelegt. Der Ultraschallwandler ist mit einer Folie aus PTFE geschützt. Die äußere Hülse aus PVDF mit einem Außengewinde von M22 x 1,5 dichtet den Ultraschallwandler gegen das Sensorgehäuse ab. Ein typisches Einsatzgebiet für diese neuartigen Ultraschallsensoren ist die Füllstandsmessung auf aggressive Lacke und Tinten, wie sie z. B. im Digitaldruckbereich eingesetzt werden. Die Pico+TF Ultraschallsensoren erlauben Entfernungsmessungen von 20  mm bis 1,3 m. Sie sind sowohl mit Analog- als auch mit Schaltausgang und mit IO-Link Schnittstelle V 1.1 erhältlich. Die Varianten mit Analogausgang sind mit 0 – 10 V Spannungsausgang und 4-20 mA Stromausgang verfügbar. Die Pico+TF Sensoren sind mit dem Microsonic Teach-in ausgestattet, so dass sie einfach parametrisiert werden können.

Ultraschallsensor – im Hygienic Design Um sichere Erzeugnisse zu gewährleisten, stellen die Pharma- und Lebensmittelindustrie stetig steigende hygienische Anforderungen an die in der Produktion eingesetzten Maschinen und ihre Komponenten. Mit den Pms Ultraschallsensoren hat Microsonic eine Sensorfamilie gemäß der EHEDG-Richtlinien und aus FDA-konformen Materialien entwickelt, die den höchsten hygienischen Anforderungen gerecht wird. Die Pms Ultraschallsensoren arbeiten von 20 mm bis 1,3 m. Die Sensoren sind mit einem Push-Pull-Schaltausgang und IO-Link in der Version 1.1 sowie mit Analogausgang 0 – 10 V und 4-20 mA verfügbar.  Die ungewöhnliche Form des Edelstahlgehäuses aus 1.4404 sticht sofort ins Auge. Der Pms wurde ohne Spalten und Schmutzkanten kons­truiert und eignet sich optimal auch für eine intensive Reinigung und Desinfektion. Ganz gleich, ob der Sensor bei einer Füllstandsmessung von oben nach unten oder beim Erfassen von Objekten horizontal messen muss, in keiner Einbaulage hat eine Gehäusefläche eine waagerechte Ausrichtung. So ist in jeder Montagesituation sichergestellt, dass Reinigungsflüssigkeiten immer vollständig ablaufen können. Der PTFE-gekapselter Ultraschallwandler schützt die Sensormembran vor chemisch-aggressiven Reinigungsmitteln und ist Ecolab zertifiziert.

Etikettensensor – kommunikativ mit IO-Link  Das Funktionsprinzip für Ultraschall-Etikettensensoren ist die Amplitudenauswertung. Hier liegen sich Ultraschallsender und -empfänger gegenüber; das Bahnmaterial wird zwischen Sender und Empfänger durchgeführt. Dabei strahlt der Sender kontinuierlich Schallimpulse aus, die das Bahnmaterial durchdringen und dabei bedämpft werden. Die abgeschwächten Signale werden vom Empfänger empfangen und von der Auswerteelektronik analysiert. Anhand der empfangenen Signalpegel lässt sich auf die Materialsituation schließen. Das Trägermaterial liefert einen anderen Signalpegel als ein Bahnmaterial mit Etikett oder auch ein Spleiß. Diesen Signalunterschied wertet der Etikettensensor aus. Selbst wenn der Unterschied zwischen Trägermaterial und Etikett bzw. Bahnmaterial und Spleiß sehr gering ist, kann der Sensor diesen zuverlässig unterscheiden.  Die neuen Etikettensensoren Esf-1 sind mit einem pnp-Schaltausgang und einem Push-Pull-Schaltausgang mit IO-Link-Schnittstelle V 1.1 ausgestattet. Die IO-Link Sensoren unterstützen das Smart Sensor Profil. Über die IO-Link-Schnittstelle lässt sich der Sensor direkt an der Steuerung einstellen, ohne dass man den Sensor vor Ort bedienen muss. Der Etikettensensor gibt nach Abschluss des Teach-In-Prozesses eine zuverlässige Rückmeldung an diese. Ferner lässt sich in der IO-Link Steuerung das verwendete Etikettenmaterial in einer Rezeptverwaltung ablegen. Ein Neuabgleich der Materialien ist so im Verpackungsprozess nicht mehr notwendig.