Ultrasonic sensors in road and tunnel construction

During the construction of major highway and railway projects, particularly in tunnel construction, huge quantities of excavation occur. When the mining takes years, it is worth to use giant conveyor belt systems. Such installations may be several kilometers long and have a capacity of more than 1000 tons/hour. These belts are of course fully automated. This creates the risk that the excavation blocks the hopper at the transfer points from one band to another.

For permanent monitoring of the transfer stations robust ultrasonic sensors are used. They look down into the hopper and report if the level exceeds a certain value. The plant will then be slowed or stopped accordingly. Suitable ultrasonic sensors from Waycon Positionsmesstechnik are those of the UN series. The outstanding feature of the UN series is its high acoustic power combined with small sensor size. This is achieved with new optimized SONARANGE transducers, working at high electrical voltages. Thus also small, moving and poorly reflecting objects can be safely detected. Moreover the sensors work also under high contamination. With a length of <40mm the UN sensors are the most compact ultrasonic sensors for such high measuring ranges.

Langzeitversuche mit Ultraschallsensoren

Ultraschallsensoren werden dank ihres vorteilhaften physikalischen Prinzips häufig dann eingesetzt, wenn zum Beispiel optische Sensoren wegen starker Verschmutzung oder rauem Umfeld nicht mehr zuverlässig funktionieren. Umso mehr ist darauf zu achten, dass die Sensoren auch von der Elektronik und Mechanik her auf Robustheit und lange Lebensdauer ausgelegt sind.
Die Geräte sind ununterbrochen eingeschaltet und  werden periodisch ausgemessen. Mittlerweile sind bei einigen Sensoren 65’000 Stunden aufgelaufen, und sie messen noch wie am ersten Tag. Neben den Elektronikkomponenten ist der Schallwandler das heikelste Teil. Er stellt eine akustische Membrane dar, die ca. 30mal pro Sekunde elektromechanisch angeregt wird. Die Amplitude im Zentrum wurde als ein paar wenige Mikrometer gemessen und die Sendedauer für einen Puls beträgt ca. 0.1 Millisekunden. Bei einer typischen Ultraschallfrequenz von 200kHz ergibt sich damit eine während dem Langzeitversuch aufgelaufende Anzahl Membranschwingungen von etwa 10¹¹. Das sind 100 Milliarden Schwingungen. Die Membrane, von der man nicht wahrnimmt, dass sie sich bewegt, hat sich in der Zeit gut 200km hin und 200km zurück bewegt.
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Ultrasonic sensors are often used thanks to their advantageous physical principle when, for example, optical sensors do not work properly due to heavy dirt or rough environment. All the more it is important that the sensors electronics and mechanics are tuned for ruggedness and long service life.
The devices are permanently turned on and they are checked periodically. Meanwhile, some of the sensors have accumulated 65’000 hours, and they measure the same as on the first day. Besides the electronic components, the ultrasonic transducer is the most critical part. It represents an acoustic diaphragm which is electromechanically excited approx. 30 times per second. The amplitude in the center was measured as a few micrometers. And the transmission duration of one pulse is about 0.1 milliseconds. Thus with a typical ultrasonic frequency of 200kHz the accumulated number of membrane oscillations during the whole endurance test is around 10¹¹. That’s 100 billion oscillations. The membrane, of which one does not perceive that it is moving, has passed 200km forth and to 200km back in this time.

Ultraschallsensoren im Einsatz beim Abpacken von Schnittblumen

Die Einsatzmöglichkeiten von Ultraschallsensoren sind sehr vielseitig

Schnittblumen, die in grossen Mengen international ausgeliefert werden, müssen frisch, rationell, aber trotzdem sehr sanft verarbeitet und verpackt werden. In einer vorliegenden Blumen-Verpackungsmaschine wird erkannt, wann wieder ein Blumenstrauss in der Wanne zum Umpacken bereit liegt. Ein Ultraschallsensor der Serie UFA schaut von oben auf die Blumen herab und gibt ein "da / nicht da" Signal aus. Der Ultraschallsensor wurde gewählt, weil nur er in der Lage ist, die sehr unterschiedlichen Formen, Farben und Oberflächen der Blumen zuverlässig zu detektieren.

Warum Ultraschall?

- unabhängig von Material, Oberfläche, Farbe, Grösse

- arbeitet bei Staub, Schmutz, Nebel, Licht

- tastet transparente und glänzende Objekte ab

- weite Messbereiche von wenigen mm bis 5m

Herausragende Merkmale der UFA Serie sind die kleine, sowie die Version mit um 90° abgewinkeltem Schallwandler für besonders enge Einbauverhältnisse. Die Sensoren sind sowohl als reine Nährungsschalter als auch als Distanzsensoren mit Analogausgängen in V oder mA erhältlich. Geeignete Anwendungen sind die Objekterkennung sowie Distanz- oder Füllstandsmessung. Dank der neuen Schallwandler-Dichtung sind die UFA Sensoren gegen viele Umwelteinflüsse sehr robust. Insbesondere sind sie im Gegensatz zu vielen anderen Ultraschallsensoren ölbeständig.

Tief ins Fass beim Füllstand mit dem Ultraschall-Abstandssensor UFA1503

Seit diesem Sommer hat die WayCon Positionsmesstechnik den Ultraschall-Sensor UFA neu im Programm. Herausragende Merkmale der UFA Serie sind die kleine M18 Bauform sowie die ‚R’-Version mit um 90° abgewinkeltem Schallwandler für besonders enge Einbauverhältnisse. Die Sensoren sind als Distanzsensoren mit Analogausgängen in V oder mA erhältlich. Diese UFA1503 Sensoren haben einen erweiterten Messbereich bis 1500mm .Geeignete Anwendungen sind die Objekterkennung sowie Distanz- oder Füllstandsmessung. Dank der neuen Schallwandler-Dichtung sind die UFA Sensoren gegen viele Umwelteinflüsse sehr robust. Insbesondere sind sie im Gegensatz zu vielen anderen Ultraschallsensoren ölbeständig.

UBA-A Ultraschall-Gabelschranken für Kantendetektion mit Teach-In Funktion

Mit der neuen Teach-In Funktion kann der Sensor optimal an den aktuell herrschenden Luftzustand angepasst werden. Zudem können auch schalldurchlässige Materialien wie Textilien gemessen werden. Mit dem Teach-In kann sowohl der Signalausgang bei ganz geschlossener, als auch bei voll offener Schranke definiert werden. Zusätzlich kann das Ausgangssignal mittels Teach-In auch invertiert werden. Die neuen Sensoren

können sowohl über die Tastatur als auch über den Stecker eingelernt werden. 3 LED’s zeigen die gemessene Position in 5 Schritten grob an.

Die neuen grösseren Gabelweiten sind vor allem dann interessant, wenn die Materialbahn vertikal stark flattert, oder wenn sie nicht immer auf der selben Höhe verläuft.

• Teach-In (einlernen) des offenen und bedeckten Zustandes >> Anpassung an den aktuellen Luftzustand (Meereshöhe und Luftfeuchtigkeit)
• Teach-In mittels Tastatur oder extern über das Kabel
• Teach-In für invertierten Ausgang (0...10V oder 10...0V)
• Erlaubt auch die Kantensteuerung von akustischen transparentem Material
• robuster M12 Stecker, 3 LEDs zur Anzeige der aktuellen Kantenposition sowie des teach-In Prozesses
• total 4 Versionen mit 4 verscheidenen Gabelweiten und 2 Messbreiten

Anwendungen für Ultraschallsensoren

Niveauüberwachung:

• Niveaumessung in Behältern und bei Prozessen
• Pegelmessung an Abwasserkanälen
• Rückstaukontrolle an Transportbänden
• Abstandsüberwachung an Mähdreschern, Rübenerntern etc.
• Überwachung des Flüssigkeitsspiegels

Regelung:

• Bandzugs- bzw. Durchhangregelung
• Rückmeldung der Stellung von Schiebern und Ventilen
• Messung des Rollendurchmessers an Wickelvorrichtungen
• Abtastung beim Kunststoffblasen
• Abtastung von Zufuhrmaterial

Zählen / Erfassen:

• Zutrittskontrolle an Drehtüren, Schaltern etc.
• Abtastung von glasklaren Objekten, Folien, Glasscheiben und Flaschen
• Zählen und Erfassen von Objekten mit schwieriger Oberfläche
• Erfassung von Fehlbelegungen auf Transportbänden

Ultraschallsensoren arbeiten berührungslos und sind durch ihre Schutzklasse IP67 und Gehäuseausführung unempfindlich gegen Wasser, Schmutz, Staub und Chemikalien. Sehr kleine Körper können noch zuverlässig detektiert werden.

Ultraschall Bandsensor für Band oder Folienregelung

NEU ULTRASCHALL NEU
Der UBA ist eine Ultraschall-Schranke mit getrenntem Sender und Empfänger. Im Vergleich zu herkömmlichen Schranken arbeitet er nicht mit einem einfachen Ja/Nein Signal, sondern er erfasst den Abdeckungsgrad des Ultraschallempfängers als lineares, analoges Ausgangssignal. Bei voller Abdeckung gibt er 0V aus und bei offener Schranke 10V. Mit seinem grossen Messbereich ist er das perfekte Werkzeug für Bahnlaufregelung in schmutziger und staubiger Umgebung und mit transparentem Bahnmaterial. Dieser neue Sensor kann in der Verpackungsindustrie für Bahnlaufregelung eingesetzt werden. Es werden sich aber auch viele neue Anwendungen im Bereich Kantendetektion verschiedenster Materialien eröffnen.

Die 5 Vorteile der Ultraschall-Gabelschranken

1.	Die WayCon Schallwandler sind gross im Durchmesser.
	Resultat: grosse Messbreite bei guter Linearität und Auflösung.
2.	Das neue Material der Ultraschallwandler weist einen E-Modul auf, der bis zu weit höheren Temperaturen als bisher konstant ist.
	Resultat: Hohe Temperaturstabilität.
3.	Die Signale werden auf Grund von berechneten Werten und mittels Temperatursensor kompensiert.
	Resultat: Genauer Betrieb bis 60°C.
4.	Jeder Sensor wird individuell abgestimmt.
	Resultat: Die Sensoren sind reproduzierbar gleich, und der Einfluss von Luftfeuchte und –druck ist stark reduziert.
5.	Software und Schallwandler sind so ausgelegt, dass Mehrfachechos eine untergeordnete Rolle spielen.
	Resultat: Sehr kleiner Höhenschlageinfluss und hohe Messgeschwindigkeit.

Was ist Ultraschall

Ultraschall sind mechanische Schwingungen. Die Frequenz liegt oberhalb der Hörgrenze des menschlichen Ohrs( größer 20 Khz)

Ultraschall kann nur über ein Medium enstehen, die Aggregatzustände können fest, flüssig oder gasförmig sein

Die Ultraschallwandler der WayCon GmbH arbeiten nur in gasförmigen Medien. Sie messen die Laufzeit des Ultraschalls vom Sensor zum Messobjekt Flüssigkeit (z.B. Füllstandsmessung im Tank) und zurück.

Andere Ultraschallanwendungen sind z.B. Werkstoffprüfung (Rissprüfung) in feste Medien oder Unterwasser-Ortung in flüssige Medien.

Ultraschallsensoren mit hoher Leistungsdichte

Hohe Leistungsdichte

Die UN Serie zeichnet sich durch ihre sehr hohe Schallleistung bei kleinstem Bauvolumen aus. Dies wird unter anderem durch neue optimierte SONARANGE Schallwandler, die mit hohen elektrischen Spannungen arbeiten, erreicht. Dadurch können auch kleine, bewegte und schlecht reflektierende Objekte zuverlässig erkannt werden, und die Sensoren arbeiten auch bei starker Verschmutzung. Die UN-Serie ist mit Ultraschallserie für diese Messbereiche.

Ultraschallsensoren für Messbereiche 150mm und 500mm nur Schaltausgang

Modellauswahl
Die beiden UX micro Versionen unterscheiden sich vor allem durch ihre unterschiedlich geformten Erfassungsbereiche. Ebenso
sind die Schaltgeschwindigkeiten verschieden.
UX micro 150 …
Sehr schmale Erfassungskeule. Geeignet um in enge Öffnungen hineinzutasten. Sehr schnelle Ansprechzeit ton. Zum schnellen
Teile zählen/erkennen und Füllstand prüfen bis 170mm. Nur Schaltausgang. Axiale Hysterese mit Potentiometer einstellbar von
ca. 5…50 mm je nach Schaltabstand. Mit Hilfe der Hysterese lässt sich zum Beispiel auch eine Min./Max. Niveauüberwachung
realisieren.
UX micro 500 …
Universeller Näherungsschalter mit schneller Ansprechzeit ton und langsamerer Ausschaltverzögerung toff. Die Ausschaltverzögerung
lässt sich zudem mittels Potentiometer zwischen 0.4…8 s einstellen. Erfassungskeule mit Ø ~90mm. Nur Schaltausgang.

Erfassungskeule von Ultraschallsensoren

Der Detektionsbereich des Ultraschallsensors ist keulenförmig. Die Keulenform ist abhängig vom Zielobjekt bzw. dessen Schall-Reflexionseigenschaften. Kleinere oder schlechter reflektierende Objekte ergeben eine kleinere Keule (schmäler und kürzer), und grössere bzw. nicht senkrecht zur Mittelachse liegende Objekte können die Keule ausweiten. Die genaue Keulenform kann erst am Objekt selbst ermittelt werden. Es ist darauf zu achten, das keinerlei störende Objekte zwischen dem Sensor und dem Zielobjekt innerhalb der Keule sind. Sonst erfasst der Sensor das Störobjekt anstelle des gewünschten Zielobjektes. Nebenstehend sind die typischen Keulenformen für die UX micro Sensoren aufgezeichnet. Der Unterschied zwischen der ausgezogenen und der gestrichelten Linie repräsentiert die Streubreite verschiedener Objekte. Die Grösse der Schallkeule ist zudem von der Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit abhängig. Je kälter und trockener, desto grösser ist
die Schallkeule. In deren Umgebung sowie gegenüber eines Sensors darf sich kein anderer Ultraschallsensor des selben Typs befinden, der mit der selben Frequenz sendet. Das ist nur zulässig wenn die Option Synchronisation verwendet
wird (Y-Version).