Serviceline
Serviceline Industriële Sensoren
Serviceline Explosiebeveiliging

Buitengewone ultrasone sensoren vandaag de dag standaard producten

Industriële ultrasone sensoren voor product automation bestaan al zo'n 30 jaar. Deze grote, dure apparaten werden in het begin enkel ingezet in zeer specifieke toepassingsgebieden. Vandaag de dag vindt men ze echter in bijna alle domeinen van de factory automation. Ultrasone sensoren zijn in de loop der jaren sterk geëvolueerd en zijn nu aanzienlijk compacter, krachtiger en goedkoper – en dit ontwikkelingsproces is nog niet ten einde. Tal van nieuwe toepassingsmogelijkheden liggen ongetwijfeld nog in het verschiet.


Sensorische taken

Een sensor is een technische component die specifieke fysieke of chemische eigenschappen in kwalitatieve of kwantitatieve termen kan registreren. Wat automatiseringstechnologie betreft, maken sensoren gebruik van signalen om de staat van een machine of installatie te verifiëren. Deze signalen fungeren ook als inputvariabelen voor de besturingseenheid. Sensoren worden allereerst gekenmerkt door hun fysieke werkingsprincipes. Inductieve sensoren reageren op veranderingen in een elektromagnetisch veld, terwijl foto-elektrische sensoren op veranderingen in lichtgolven reageren. Ultrasone sensoren functioneren in specifieke media (gas, vloeistof, vaste stof) met behulp van akoestische golven. Ultrasone sensoren in factory automation-toepassingen worden vooral gebruikt om de looptijd of amplitude van sonische geluidsimpulsen in de lucht te meten. Bij de courante geluidslooptijdmeting zendt de sensor ultrasone geluidsimpulsen uit en meet men hoelang het duurt vooraleer de teruggekaatste echo wordt opgevangen (Figuur 1). Meestal wordt hiervoor een enkele ultrasone omvormer gebruikt die zowel als zender en ontvanger fungeert. De afstand tussen de sensor en het voorwerp dat de echo genereert, wordt vervolgens berekend aan de hand van de formule . (c = geluidssnelheid, t = gemeten looptijd). Daarnaast bestaan er ook zender- en ontvangersensoren die voorzien zijn van individuele omvormers, ofwel in dezelfde behuizing ofwel uitwendig ermee verbonden, om de integratie van zowel standaard sensoren als cilindrische, ultrasone zender-ontvangersystemen toe te laten.



Fig. 1: Bij geluidslooptijdmeting zendt de sensor ultrasone geluidsimpulsen uit en meet men hoelang het duurt vooraleer de teruggekaatste echo wordt opgevangen. Op die manier wordt de afstand tot het object berekend.

Ultrasone signaalomvormers

Het belangrijkste onderdeel van een ultrasone sensor is de omvormer. Vandaag de dag worden in de meeste toepassingen duurzame materialen gebruikt die hoofdzakelijk bestaan uit een combinatie van piëzo-elektrische keramiek - voor het genereren van een mechanische vibratie of trilling - en een geschikte akoestische aanpassingslaag. Een aanpassingslaag is vereist om de zeer verschillende akoestische impedantie van piëzo-elektrische keramiek en lucht met elkaar te verenigen. Om de beste verbinding te garanderen, moet de akoestische impedantie van de aanpassingslaag zijn (waarbij ZK = akoestische impedantie van de piëzo-elektrische keramiek, ZL = akoestische impedantie van lucht, Z = ρ * cM en waarbij ρ = densiteit van het medium en cM = geluidssnelheid van het medium). Zonder dergelijke maatregelen zou slechts een klein percentage van de akoestische energie in de lucht worden vrijgelaten (tijdens verzending) of geregistreerd (in ontvangermodus), wat het meetbereik drastisch zou verkleinen. Naast het verzekeren van een maximale aanpassing aan de akoestische condities zijn ook een uitstekende stabiliteit, een hoge weerstand tegen chemicaliën, een breed temperatuursbereik, een goede akoestische isolatie van de sensorbehuizing en - ten slotte - een lage kostprijs van het allergrootste belang. Onze expertise op het gebied van theoretische fysieke penetratie en praktische productiemethoden is slechts één belangrijke factor die bijdraagt tot het succes van de Pepperl+Fuchs sensoren. De meest recente ontwikkeling is een omvormer beschermd door een roestvrijstalen membraan dat de productie van volledig hermetisch gesloten ultrasone sensoren voor afstandsmeting mogelijk maakt.


Werking

Een geluidsbundel of een enkele geluidsimpuls bereikt de vereiste resonantiefrequentie in zendermodus door voltages van tot en met enkele honderden volts toe te passen om de beschreven ultrasone omvormer te stimuleren. De sensor schakelt daarna om naar ontvangermodus, waarbij de omvormer fungeert als microfoon. Het ontvangstsignaal met een omvang van enkele millivolts wordt versterkt, gedemoduleerd en doorgestuurd naar een drempeldetector. De afstand tot het object wordt vervolgens berekend op basis van de duur van de geluidsimpuls. Het feit dat dezelfde omvormer wordt gebruikt voor zenders en ontvangers betekent dat er direct voor de sensor een blinde zone ontstaat waar detectie onmogelijk is. Verschillende hardware- en softwaremaatregelen kunnen worden getroffen om de omvang van deze blinde zone aanzienlijk te verkleinen en de immuniteit voor storingen te vergroten.

Als de geluidssnelheid in lucht met (waarbij c0 = geluidssnelheid bij 0 °C (331,5 m/s), T = temperatuur in graden Kelvin, T0 = absolute temperatuur bij 0 °C (273,15 K) zeer temperatuursgevoelig is, zal een gebruikstemperatuur van 100 Keen verschil van ongeveer 18% opleveren. De sensor meet de temperatuur en compenseert al naargelang het resultaat om de storing op een efficiëntere wijze te onderdrukken. Dit maakt een meetnauwkeurigheid mogelijk van meer dan 0,02in de uiteindelijke waarde over het volledige temperatuurbereik.

De gebruikte ultrasone frequenties strekken zich uit van 40 kHz tot bijna 1 MHz, waarbij wegens de extreme stijging in demping bij hoge frequenties enkel korte reikwijdtes mogelijk zijn. Het detectiebereik van de sensoren strekt zich uit van 100 mm tot 10 m. Ultrasone sensoren zijn redelijk traag, in het bijzonder over lange meetafstanden, gezien de voortplantingssnelheid van door de lucht getransporteerd geluid 1.000.000 keer trager is dan licht. Bij een voorwerp dat op 10 m afstand staat, bedraagt de geluidslooptijd ongeveer 60 ms., wat meer dan voldoende is voor de meeste toepassingen.

Naast de belangrijke rol van de ultrasone omvormers zijn hardwaredesign en vooral de verwerking van de signalen door de microcontroller binnenin de sensor beslissende prestatiekarakteristieken. In plaats van eenvoudige 8-bit controllers te gebruiken die enkel de meest rudimentaire functies aanbieden, worden vandaag de dag krachtige 32-bit controllers geïnstalleerd die in een mum van tijd complexe algoritmes kunnen uitvoeren, minder installatieruimte vergen en kosten doen dalen. Voorbeelden omvatten een flexibele geluidskegelbreedte en de mogelijkheid om ook onder moeilijke omstandigheden perfecte meetresultaten te leveren door echo-amplitudes te meten (naast looptijden). De mogelijkheden strekken zich ver buiten het huidig toepassingsbereik uit en zijn verre van benut.


Kenmerken en toepassingsvoordelen

In vergelijking met foto-elektrische sensoren zijn ultrasone sensoren veel beter bestand tegen vuil en vocht. Minimale schade aan het oppervlak van de omvormer is niet kritiek dankzij de holistische aard van het apparaat. Het spreekt vanzelf dat ook de kleur of transparantiegraad van de gedetecteerde voorwerpen geen rol speelt. De duurzaamheid van ultrasone sensoren is vergelijkbaar met die van inductieve sensoren met het verschil dat het meetbereik 100 keer groter is. Ook het design van deze sensoren vertoont veel overeenkomstigheden. Cilindrische, ultrasone sensoren in M12 formaat en blokvormige modellen in een typische benaderingsschakelaar- of foto-elektrische sensorbehuizing zijn vandaag de dag standaard. Bovendien zijn er nu ook modellen beschikbaar die aan specifieke vereisten zijn aangepast, bijvoorbeeld om vulniveaus te meten.

Sensoren met digitale schakeluitgangen of een analoog 4-20 mA interface zijn alledaags. Er bestaan echter ook sensoren die op253 VAC met relais werken. De meeste sensoren zijn Teach-in of hebben hun parameterinstellingen bepaald via een interface en zijn daardoor aangepast aan de respectievelijke toepassing. Onlangs werd ook de nieuwe, gestandaardiseerde I/O-link geïmplementeerd.



Fig. 2: Overzicht ultrasone sensoren

Toepassingen

Toepassingen voor ultrasone sensoren kunnen in bijna alle geautomatiseerde processen worden teruggevonden: in drukkerijen om de aanwezigheid en het niveau van inkt te controleren, in zware transport- en landbouwvoertuigen om afstanden, posities en vulniveaus te meten, in material handling, in de verpakkingsindustrie, en in montage- en verwerkingstechnologieën. Ultrasone sensoren om dubbele vellen te detecteren in drukpersen, scanners, geldautomaten en gelijkaardige machines winnen aan populariteit gezien zij beletten dat verschillende vellen of biljetten tegelijkertijd worden opgenomen. Zij meten geen doorlooptijden, maar amplitudedemping door de voorwerpen. Deze technologie werd gedetailleerd besproken in atp, editie 5/2010.


Fig. 3: Ultrasone sensoren worden in tal van sectoren gebruikt, o.a. in drukkerijen, bij zware transportvoertuigen, in material handling, in de verpakkingsindustrie of bij de automatisering van montage- en verwerkingsprocessen.

Samenvatting

Moderne ultrasone sensoren vormen een aantrekkelijk alternatief voor andere sensortypes in ontelbare toepassingsgebieden, vooral waar deze sensoren hun fysieke grenzen bereiken of enkel de implementatie van een geautomatiseerd systeem toelaten. De recente sterke trend naar verkleining betekent dat de sensoren in bijna eender welke machine kunnen worden geïntegreerd. De dramatische toename in de prestaties van microcontrollers om complexe algoritmes te verwerken, heeft de implementatie mogelijk gemaakt van uiterst veeleisende toepassingen die enkele jaren geleden nog ondenkbaar zouden zijn geweest. De implementatie van de intelligente I/O-link parameters en procesinterface maken het werken met sensoren en de integratie ervan in het besturingssysteem van de machines zelfs nog eenvoudiger.

Nu beschikbaar: Technology Guide Ultrasonic Sensors