Für alle Fälle

Sensorik

Ultraschallsensoren – Druck- und Verpackungsmaschinen stellen hohe Ansprüche an die eingesetzte Sensorik. Die Ultraschalltechnik ermöglicht dabei in vielen Fällen die optimale Lösung.

18. August 2015

Zu den Branchen mit den komplexesten Anforderungen an die Sensorik gehören die Papier-, Druck- und Verpackungsindustrie. Die geforderten Aufgaben reichen hier von der Bahnlaufregelung von transparenten oder hochglänzenden Folien über die Etiketten- und Spleißerkennung an Materialien mit stark wechselnder Transparenz oder unterschiedlichen Farben bis zur Doppel- und Einzelbogenerkennung bei Druckmaschinen. Dazu kommen häufig erschwerte Produktionsbedingungen durch Stäube oder Farbnebel, die sich auf den Sensoren ablagern können. Vor allem optische oder induktive Sensoren sind diesen harten Produktionsbedingungen deshalb häufig nicht gewachsen.

Relativ einfach lösen lassen sich diese Mess- und Detektionsaufgaben jedoch mit Hilfe von Ultraschallsensoren, wie sie der Dortmunder Spezialist Microsonic anbietet: Diese robusten Komponenten messen unabhängig von den Umgebungsbedingungen in staubiger Luft ebenso zuverlässig wie durch Farbnebel hindurch. Auch Ablagerungen auf der Sensormembran, etwa durch Papierstaub, sowie Verschmutzungen beeinträchtigen ihre Funktion nicht. Zugleich erkennen sie präzise und berührungslos Objekte aus nahezu allen Materialien und in jeder Farbe unabhängig von der optischen Reflektivität. Selbst glasklare Materialien, hauchdünne Folien oder metallisierte Oberflächen erkennen Ultraschallsensoren ohne Probleme. Das Anwendungsspektrum reicht so von der Füllstandsmessung in Farbwannen über die Bahnrisskontrolle und die Klebestellenerkennung bis zur Bestimmung des Wickeldurchmessers von transparenten oder lichtempfindlichen Bahnmaterialien.

Vorbild Fledermaus

Das Standard-Messprinzip eines Ultraschallsensors ist die Echo-Laufzeitmessung, wie sie in der Natur auch die Fledermäuse einsetzen. Der Sensor strahlt dabei zyklisch einen hochfrequenten Schallimpuls aus, der sich mit Schallgeschwindigkeit durch die Luft fortpflanzt. Wenn er auf ein Objekt trifft, wird er reflektiert, und das Echo gelangt zurück zum Sensor. Aus der Zeitspanne zwischen dem Aussenden des Schalls und dem Empfang des Echos errechnet der Sensor die Entfernung zum Objekt.

Ein interessantes Einsatzgebiet dieses Messprinzips ist zum Beispiel die Erfassung des aktuellen Durchmessers von rotierenden Papier- oder Kunststoffrollen während der Produktion, um eine gleichmäßige Spannung der Papier- oder Folienbahn zu erhalten. Microsonic bietet hierzu die Sensoren der Baureihe mic+, die Tastweiten von 30 Millimeter bis acht Meter abdecken. Eine Digitalanzeige ermöglicht die numerische Voreinstellung eines Messfensters oder einer Analogkennlinie, ohne dass sich die abzutastende Rolle im Erfassungsbereich befinden muss. Mit Hilfe eines Adapters lassen sich die Sensoren zudem über einen PC umfangreich parametrisieren.

Spezielle Messaufgaben lassen sich mit Ultraschallsensoren zudem durch die sogenannte Amplitudenauswertung lösen. Bei diesem Funktionsprinzip liegen Ultraschallsender und empfänger einander gegenüber, vergleichbar einer Lichtschranke. Dabei strahlt der Sender kontinuierlich Ultraschall aus, dessen Pegel am Empfänger analysiert wird und Rückschlüsse auf die Materialsituation ermöglicht.

Zum Einsatz kommt dieses Verfahren beispielsweise zur Kantenkontrolle von bahnförmigen Materialien, die von einer Rolle abgewickelt werden, etwa bei Papier-, Druck- und Verpackungsmaschinen. Bei den gabelförmigen Sensoren der Reihe bks+ von Microsonic deckt dabei das in die Gabel eintauchende Bahnmaterial die Schallstrecke zwischen Sender und Empfänger mehr oder weniger ab und dämpft so das Empfangssignal proportional zur Lage der Bahnkante. Die Bahnkantensensoren eignen sich auf diese Weise für alle schalldämpfenden Materialien wie Folien, Papier, Wellpappe, Textilien oder Gummi. Transparenz, Lichtempfindlichkeit und Farbe des Materials haben dabei keinen Einfluss auf die Messung. Der Arbeitsbereich der Microsonic-Bahnkantensensoren besitzt je nach Modell eine Breite von 12 bzw. 40 Millimeter.

Ein wichtiges Einsatzgebiet für Ultraschallsensoren ist auch die Erkennung von Einzel-, Doppel- und Fehlbögen zum Beispiel in Bogendruckmaschinen. Dazu sendet der Sensor ein extrem hochfrequentes Ultraschallsignal von der unteren Seite gegen den abzutastenden Materialbogen und regt ihn zu Schwingungen mit niedrigerer Frequenz an, die auf der anderen Bogenseite erfasst werden. Wenn mehrere Bögen übereinanderliegen, wird das Signal stärker abgeschwächt. Die Ultraschall-Doppelbogenkontrolle erkennt so zuverlässig die Zustände »Einzelbogen«, »Doppelbogen« und »Fehlbogen« und verhindert so Störungen des Druck- oder Verpackungsprozesses.

Bei den Ultraschall-Doppelbogenkontrollen dbk+4 und dbks+5 von Microsonic lassen sich dabei drei voreingestellte Arbeitsbereiche anwählen und im laufenden Betrieb wechseln. Beim Modell dbk+4 ermöglicht der Modus »Standard« die einfache Doppelbogenüberwachung an Materialien und Grammaturen von 20 bis 1.200 g/m2. Speziell für sehr dünne Papiere mit Flächengewichten unter 20 g/m2 eignet sich der Modus »Dünn«, für die Abtastung von Kartonagen oder Feinstwellpappen steht die Betriebsart »Dick« zur Verfügung. Eine LED signalisiert, ob der Anwender den richtigen Arbeitsbereich vorgewählt hat. Für kritische Anwendungen wie zum Beispiel bei der vollflächigen Verklebung zweier Silizium-Wafer durch einen Wasserfilm, lassen sich zudem Einzelbögen über einen Teach-in-Modus einlernen, sodass der Sensor bereits auf geringfügige Abweichungen reagieren kann.

Nach dem gleichen Funktionsprinzip arbeiten auch die Ultraschallsensoren esp-4 und esf-1 von Microsonic für die Detektion von Etiketten auf Trägermaterial oder von Spleißstellen im Bahnmaterial in der Verpackungsindustrie bei hohen Transportgeschwindigkeiten. Das Trägermaterial liefert dabei einen anderen Signalpegel als ein Etikett oder auch ein Spleiß. Auch ein Spleiß, der sich unzugänglich in der Rolle befindet, kann durch Teach-in auf das Bahnmaterial sicher erkannt werden.bt

Auf einen Blick

- Die Microsonic GmbH mit Sitz in Dortmund ist ein Spezialist für Ultraschall-Sensorik für die stationäre und mobile Automatisierung.

- Wichtige Anwendungsbeispiele sind diee Doppelbogenkontrolle, die ohne Kalibrierung auskommt, Etikettensensoren, die auch kritische Etiketten und Spleiße bei hohen Geschwindigkeiten erkennen können, oder Näherungsschalter mit Schaltfrequenzen bis zu 250 Hertz.

Erschienen in Ausgabe: 06/2015