Detektieren, messen, kommunizieren Ultraschallsensor mit IO-Link für unterschiedlichste Anwendungen

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Pepperl + Fuchs AG

FAULHABER SA

Der Ultraschallsensor UB*-F42 von Pepperl+Fuchs ist als Allrounder konzipiert. Er kann ebenso Objekte zuverlässig erkennen wie einen Füllstand präzise messen. Dank der integrierten IO-Link-Schnittstelle kann das Gerät neben den eigentlichen Messwerten weitere differenzierte Prozess- und Zustandsdaten übermitteln, die sich für optimierte Steuerung und gezielte vorausschauende Wartung nutzen lassen. Die Palette der Einsatzmöglichkeiten reicht von der Schüttgutüberwachung in staubigen Umgebungen über die Fahrzeugerkennung bis zur Verbrauchsmessung bei Rollenmaterial in Produktionsmaschinen.

Die Physik des Ultraschalls weist eine Reihe von prinzipiellen Stärken auf, die ihm wesentliche Vorteile gegenüber anderen Messverfahren verschaffen. Der Ultraschallsensor beruht auf einem Ultraschallwandler, in dem ein piezokeramisches Element mittels einer Membran kurze Schallimpulse generiert. Zugleich erfasst der Wandler auch das Echo dieser Impulse und nutzt es als Messgrundlage: Der Abstandswert zum Zielobjekt wird von der integrierten Elektronik aus der Zeitdifferenz zwischen Sende- und Echoimpuls berechnet.

Anders als etwa optische Signale lassen sich Schallwellen von Material, Farbe und Oberflächenbeschaffenheit des Zielobjekts nicht beeinträchtigen. Elektrische Felder und magnetische Induktionseffekte beeinflussen die Messung ebenso wenig wie Dampf, Niederschlag, Staub und Anhaftungen. Der Sensor selbst ist ebenfalls gegen praktisch jede Art der Verschmutzung immun.

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Einen weiteren Vorteil bietet die Ausbreitungscharakteristik der Schallwellen. Der ursprüngliche Impuls entspricht der Kreisform der Membran, doch der Durchmesser wird während der Ausbreitung kontinuierlich grösser. Es entsteht eine sogenannte Schallkeule, die den Zielbereich nicht punktuell, sondern flächig 'abtastet'.

So ist auch bei unregelmässigen Oberflächen, Aussparungen und durchbrochenen Konturen des Zielobjekts eine zuverlässige Detektion gewährleistet. Zudem erfolgt die Messung berührungslos und verschleissfrei; feste Objekte werden ebenso erfasst wie Flüssigkeitsspiegel und amorphe Massen.

Sensoren für das IIoT

Die neuen Ultraschallsensoren der Serie UB*-F42 verbinden die bewährten Stärken des Messprinzips mit der Option der Kommunikation per IO-Link. Die integrierte Schnittstelle ermöglicht eine sehr einfache Inbetriebnahme sowie Parametrierung der Geräte und eröffnet darüber hinaus den Zugriff auf sämtliche Sensorparameter sowie differenzierte Diagnose- und Prozessdaten. Über IO-Link können neben den eigentlichen Messwerten zahlreiche weitere Parameter wie Betriebsstunden, Temperatur oder Gerätestatus abgerufen werden. Zugleich wird die durchgängige Kommunikation zwischen dem Feldgerät und allen übergeordneten Ebenen möglich. Zusammen mit der umfassenden Datenvielfalt, die zur Verfügung steht, ist das die Grundlage für die Einbindung der Sensoren in das IIoT und Industrie-4.0-Umgebungen.

Die Hardware der Serie UB*-F42 wurde ebenfalls für den industriellen Einsatz in rauen Umgebungen optimiert. Das Gerätekonzept hat sich bereits bei den gleichnamigen Produkten der Vorgängerserie sowie der konzeptionell identischen K0-Serie über viele Jahre und in zahlreichen unterschiedlichen Anwendungen bewährt. Bei der Entwicklung der neuen Generation wurden an wesentlichen Punkten Verbesserungen implementiert. Eine davon ist das Ersetzen der Kunststoffstecker durch metallene Anschlüsse, um die mechanische Stabilität zu steigern. Mit IP67 weist das Gehäuse jetzt eine höhere Schutzart auf und gewährleistet hohe Dichtheit gegen Staub und Feuchtigkeit. Unverändert blieben dagegen die Abmessungen und Installationsvorrichtungen; zudem gibt es für den Austausch der konzeptidentischen K0-Geräte passende Adapterplatten. Die breite Auswahl aus zahlreichen verschiedenen Ausgangsvarianten bietet Optionen für alle gängigen Konstellationen. Ausserdem weist die Serie eine grosse Reichweitenspanne auf – mit den Messbereichen 500 mm, 2000 mm, 4000 mm und 6000 mm.

Einfache Inbetriebnahme, flexible Installation

Auch im Hinblick auf die Bedienbarkeit wurden die Geräte der neuen Generation weiterentwickelt. Die direkte Nutzung des neuen Lerneingangs ersetzt das Teach-in mit Drucktasten. Parametrierung und Betrieb sind so auch ohne IO-Link möglich. Als einzige Geräteserie dieser Bauart auf dem Markt kombiniert UB*-F42 die IO-Link-Schnittstelle mit zwei Push-Pull-Ausgängen. Damit lassen sich die Werte von zwei Schaltausgängen an die Steuerung übermitteln. Bei einer Füllstand-Anwendung können das zum Beispiel die Signale für 'leer' und 'voll' sein. Auf diese Weise wird an Verkabelung und Integrationsaufwand gespart, da ein einzelner Sensor zwei Aufgaben erledigen kann. Zwei Gerätetypen der UB*-F42-Serie stehen neben der üblichen Bauform auch in der sogenannten Sidelooker-Version zur Verfügung. Der Name verweist darauf, dass der Wandler im Gehäuse um 90 ° gedreht eingebaut ist, mit der Öffnung für die Schallmembran in der schmalen Seite. Diese Anordnung vereinfacht die Integration des Sensors in beengten Verhältnissen. Der Platzbedarf für die Messanwendung wird zusätzlich durch die besonders kurze Blindzone reduziert, mit der sich im Marktvergleich alle Geräte der Serie auszeichnen.Ausserdem lässt sich der Durchmesser der Schallkeule stufenlos an die Anwendung anpassen und so die flächige Ausdehnung des Erfassungsbereichs variieren: Ein grosser Durchmesser ermöglicht sowohl die Abtastung grosser Oberflächen als auch die zuverlässige Erfassung von Objekten, die in diesem Bereich an unterschiedlichen Stellen erscheinen können. Ein kleiner Durchmesser minimiert die Möglichkeit störender Echoeffekte, beispielsweise wenn das Gerät den Füllstand in einem engen Silo oder einer Umgebung mit ausragenden Komponenten an den Innenwänden erfassen soll.

Dank einer Synchronisationsfunktion können mehrere Ultraschallsensoren der Serie UB*-F42 in unmittelbarer Nähe zueinander betrieben werden. Um die gegenseitige Beeinflussung der Signale zu vermeiden, stehen drei Synchronisationsmodi zur Verfügung, die passend zur Anwendung gewählt werden können. Bis zu zehn Sensoren lassen sich durch den Synchronisationseingang am Gerät verbinden. Die Synchronisation erfolgt automatisch und ohne Parametrierung.

Vielfältige Anwendung

Füllstand: Die Geräte erkennen den Füllstand bei Feststoffen ebenso gut wie bei Flüssigkeiten. Sie können in Tanks, Silos und Baustofflagerstellen verwendet werden. Die Robustheit des Ultraschallsignals erlaubt einen universellen Einsatz, da weder Dämpfe noch Staub die Messung beeinflussen. Ein Flüssigkeitsspiegel wird im Erfassungsbereich ebenso zuverlässig erkannt wie eine kegelförmige Oberfläche von Schüttgut. Bei letzterer kann aus dem Signal des flächigen Erfassungsbereichs ein valider Mittelwert gebildet werden. Das robuste Gehäuse mit hoher Schutzart und die Wetterunabhängigkeit des Messprinzips gewährleisten auch bei offenen Lagerstellen und unter rauen Bedingungen eine dauerhaft zuverlässige Funktion.

Durchfahrtkontrolle: Ein UB*-F42-Sensor kann an einer Tordurchfahrt die Ein- und Ausfahrt von Fahrzeugen erfassen. Die Detektion ist völlig unabhängig von den Konturen des Fahrzeugs, seiner Farbe oder spiegelnde Oberflächen. Raue Umgebungsbedingungen, Staub und Schmutz werden toleriert. Mit entsprechender Parametrierung lassen sich z. B. Fahrzeuge und Menschen im Erfassungsbereich unterscheiden.

Produktion, Materialkontrolle, Intralogistik: Wo Rollenmaterial (z.B. Papier, Folien, Blech) verarbeitet wird, kann der Ultraschallsensor durch Messung des Abstands zur Rolle den Verbrauch kontrollieren und bei Erreichen eines definierten Grenzwerts den Nachschubvorgang auslösen. Im Bereich der Produktions- und Intralogistik lässt sich der Sensor für zahlreiche weitere Kontroll- und Messaufgaben verwenden. So kann man mit nur einem Gerätetyp eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen abdecken und die Lagerhaltung optimieren.

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