Rekordverdächtig klein

Sensoren - Nur vier Gramm wiegen die weltweit leichtesten Ultraschallsensoren. Sie zählen, positionieren und messen - eine der vielen Varianten der Baureihe passt immer.

02. August 2007

Ultraschallwellen breiten sich in Festkörpern, Flüssigkeiten und gasförmigen Medien aus. Als optimales Transportmedium für die Schallausbreitung in Sensoren bietet sich Luft an. Genauso wie bei den für das menschliche Ohr hörbaren Schallwellen werden auch die Schallwellen von Sensoren, die mit Ultraschall arbeiten, an festen und flüssigen Körpern reflektiert. Die Frequenz liegt im Bereich von 250 bis 400 kHz und somit weit über dem für den Menschen hörbaren Frequenzband.

Ultraschallsensoren von Baumer aus der Schweiz übertragen die Schallenergie über Schallwandler mit Piezokeramik und entsprechender Anpassschicht. Durch einen speziellen Aufbau mit optimiertem Montageprozess erreicht der Schallwandler in der neuen Baureihe Sonus einen maximalen Schaltabstand bei minimalem Blindbereich. Durch eine sehr schmale Schallkeule fast ohne Nebenkeulen schaut der Sensor in Gefäßöffnungen hinein, die im Durchmesser weit kleiner als 10 Millimeter sind.

Die Ultraschalltechnologie in Sensoren zu nutzen, ist heute schon Stand der Technik. Baumer bietet bereits seit langer Zeit Ultraschallsensoren an, es war aber eine große Herausforderung für das Unternehmen, Ultraschalltechnologie kompromisslos in Kleinstgehäuse zu integrieren, die bisher nur optischen Sensoren vorbehalten waren. Erst die Erfahrungen mit bestehenden Ultraschallsensoren und sehr kleinen optischen Sensoren machten miniaturisierte Modelle wie den Sonus möglich. Der Sensor ist nur 10 x 14 x 27 mm groß, wiegt weniger als vier Gramm und weist einen Messbereich von 10 bis 200 Millimeter bei einer Auflösung unter 0,3 Millimeter auf.

Für alle Normen gerüstet

Die industrietaugliche Sensorfamilie erfüllt alle üblichen Anforderungen. Dazu gehören neben der Integration von kompletten Schaltkreisen in ein ASIC (Application Specific Integrated Circuitry) die Verwendung eines Mikroprozessors, der Einsatz einer speziellen Leiterplattentechnologie mit den kleinsten verfügbaren Bauteilen und die Entwicklung von spezifischen Fertigungsprozessen, welche eine zuverlässige und wirtschaftliche Herstellung gewährleisten. Auch wenn sie sehr klein sind, erfüllen die Sonus-Sensoren die in Industrieanlagen geforderten Spezifikationen voll und ganz.

Die Füllstandsmessung in Kleinstbehältern war bisher kleinen optischen oder sogar faseroptischen Sensoren vorenthalten. Sonus kann in diesem Segment in Zukunft auch Messungen unabhängig der Medienfarbe und -transparenz durchführen. Die schmale Schallkeule verhindert die gegenseitige Beeinflussung der Sensoren. Besteht die Gefahr aufgrund der Installationsbedingungen dennoch, kann sie mit passendem Zubehör noch weiter reduziert werden. Per Synchronisation oder Multiplexmodus lassen sich gegenseitige Störungen bei beengten Einbaugegebenheiten noch weiter reduzieren. Mit den neuen, kleinen Geräten wird es erstmals möglich sein, Ultraschallsensoren, Gehäuse an Gehäuse aufgereiht, in Reagenzgläser oder Mikrotitterplatten blicken zu lassen.

Wo schnelle Bewegungen oder Mobilität erforderlich sind, spielen Gewichtseinsparungen von wenigen Gramm oft eine entscheidende Rolle. Beispiele sind der Auftrag von Lacken und Klebstoffen in der Elektronik- und Printproduktion oder Analysegeräte und Pipetierautomaten in der Pharma- und Medizinindustrie. Da Abmessung und Gewicht kein Hinderungsgrund mehr sind, lassen sich die Sensoren direkt auf beweglichen Baugruppen wie filigranen Roboterarmen einsetzen. Damit lernt der Roboter das Sehen. Der messende Sonus übermittelt der Steuerung bereits vor dem Greifen die Information der Baugruppenhöhe, der Prozess läuft so sehr viel effizienter ab.

Ultraschallsensoren sind hinsichtlich Farbe und Transparenz unabhängig von Objekten und resistent gegenüber Staub, Verschmutzungen und Vibrationen. Ein weiterer wesentlicher Vorteil bei Industrieanwendungen ist die Unabhängigkeit von störenden Lichtquellen und Reflexionen, welche bei anderen Technologien zu Fehlfunktionen führen können. Außerdem eignen sich Sonus-Sensoren für Zähl-, Positionier- und Messaufgaben in den Bereichen Handling, Robotik, Laborgerätebau, für Abfüllanlagen jeglicher Art und die Halbleiter- und Verpackungsindustrie.

Varianten für viele Anwendungen

Das Spektrum für Ultraschallsensoren in kleinsten Bauräumen ist bereits jetzt sehr breit und wächst laufend an: Die Sonus-Familie umfasst programmierbare Näherungssensoren mit PNP- oder NPN-Ausgängen und Öffner-Schließer-Funktion für Anwesenheitskontrollen oder Objektzählungen. Weiterhin gibt es programmierbare Sensoren mit analogen Ausgängen zur Messung von Distanzen und Wegen. Schallabsorbierende Materialien wie offenporige Schaumstoffe oder grobfaserige Textilien erkennen Näherungssensoren nur bedingt. In diesem Fall hilft die Ultraschall-Reflexionsschranke weiter. Sie wird auf eine ebene Hintergrundfläche ausgerichtet, welche als Referenz im Sensor gespeichert wird. Jegliche Objekte, egal ob schallabsorbierend, optisch spiegelnd oder transparent, führen zur Unterbrechung der Schallausbreitung und somit zur Aktivierung des Schaltausgangs, wenn sie zwischen Sensor und Referenzfläche durchgeführt werden.

Kontinuierliche Füllstandsüberwachungen gehören zu den häufigsten Aufgaben für Ultraschallsensoren. Dazu dienen die Distanz messenden Sensoren der Sonus-Baureihe. Der lineare Signalausgang repräsentiert exakt die Distanz zwischen der aktiven Sensorfläche und der Oberfläche des Mediums. Bei einer Auflösung von weniger als 0,3 Millimeter messen sie selbst kleinste Volumenänderungen zuverlässig.

Programmierung und Zubehör

Der Anwender kann die Messbereiche bei allen Sensoren über eine Teach-in-Taste im Gehäuse oder über einen externen Teach-in-Eingang an die individuellen Bedingungen anpassen. Letzterer ist als separater Pin oder separate Litze verfügbar und lässt sich direkt über die Steuerung der Applikation programmieren. Das gilt bei schaltenden Sensoren erstmalig auch für die Öffner-Schließer-Funktion. Bei allen Neuerungen hält Baumer aber an einer einfachen und benutzerfreundlichen Programmierstruktur fest. Darum baut die Bedienung aller Sensoren, egal ob optisch, induktiv oder Ultraschall, auf demselben Grundgerüst auf.

Der fortschreitenden Integrationsdichte in Maschinen und Anlagen kommt die Sonus-Familie mit ihren äußerst kompakten Gehäusen und einem umfangreichen Programm an Montagezubehör entgegen. Außerdem gibt es eine platzsparende Kabelversion. Der Biegeradius des hochflexiblen Kabels erlaubt den Einbau des Sensors in Nischen, die kaum größer sind als das Gehäuse selbst. Zudem lässt sich das Kabel in beliebiger Richtung wegführen.

Mit der Steckerversion ist der Anschluss an vorverlegte Kabel und Kabelbäume leicht zu bewältigen. Sie ist platzsparend und einfach im Einbau. Die Befestigung des Sensors mit nur einer Schraube verkürzt die Montagezeiten. Durch einen am Gehäuse angespritzten Zapfen ist die Sicherung gegen Verdrehung trotzdem gewährleistet.

Christoph Kluser, Baumer Electric/mk

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2007