Ultraschallsensoren

Ultraschall ist Schall mit einer Frequenz oberhalb des menschlichen Hörbereichs, also über etwa 20 kHz. Technische Ultraschallsensoren arbeiten meist im Bereich von rund 40 kHz bis einige hundert Kilohertz. Wir hören davon nichts, der Sensor aber nutzt diesen Schall, um berührungslos einen Abstand zu messen oder festzustellen, ob ein Objekt da ist.

Der große Vorteil gegenüber optischen Sensoren: Der Schall interessiert sich nicht dafür, welche Farbe ein Objekt hat, ob es glänzt oder durchsichtig ist. Eine Glasflasche, eine schwarze Gummiplatte und ein blanker Metallblock werfen alle ein brauchbares Echo zurück. Optische Sensoren erkennen Objekte über reflektiertes Licht und können bei transparenten, sehr dunklen oder spiegelnden Oberflächen Schwierigkeiten bekommen – das ist aber ein eigenes Thema. Induktive Näherungsschalter wiederum sprechen nur auf Metall an. Der Ultraschallsensor schließt hier eine Lücke: Er erkennt nahezu jedes feste oder flüssige Material.

Was ihn weniger geeignet macht: weiche, schallschluckende Stoffe wie Schaumstoff oder Watte und Situationen, in denen es auf Millimeter und schnelle Reaktion ankommt. Aber dazu später mehr.

Das Herzstück ist ein Schallwandler – ein Bauteil, das elektrische Signale in Schall umwandelt und umgekehrt. Bei vielen Sensoren übernimmt dieselbe Membran beide Aufgaben: Sie sendet zuerst einen kurzen Schallimpuls aus und schaltet dann auf Empfang um, um das Echo aufzunehmen.

Der Ablauf:

1. Der Sensor sendet einen kurzen Ultraschallimpuls aus.
2. Der Schall breitet sich in der Luft aus, trifft auf ein Objekt und wird zurückgeworfen.
3. Der Sensor empfängt das Echo und misst die Zeit, die zwischen Senden und Empfangen vergangen ist.

Diese Zeit nennt man Laufzeit. Entscheidend ist: Der Schall legt den Weg zum Objekt und wieder zurück zurück – also die doppelte Strecke. Deshalb steckt im Abstand der Faktor ½.

Die Schallgeschwindigkeit in Luft beträgt bei 20 °C etwa 343 m/s. Das ist der Wert, mit dem man üblicherweise rechnet, solange keine genauere Temperaturangabe vorliegt.

Ein Zahlengefühl: Bei einem Abstand von 1 m muss der Schall 2 m zurücklegen. Bei 343 m/s dauert das rund 5,8 Millisekunden. Pro Meter Abstand kommt also knapp 6 ms Laufzeit dazu – das ist langsam genug, um es elektronisch sauber zu messen, und der Grund, warum Ultraschallsensoren bei sehr schnellen Vorgängen an Grenzen stoßen.

Die Formel aus Kapitel 2 steht und fällt mit der Schallgeschwindigkeit c. Und die ist keine feste Zahl – sie hängt vor allem von der Lufttemperatur ab. Je wärmer die Luft, desto schneller breitet sich der Schall aus.

Bei 0 °C ergibt das rund 331 m/s, bei 20 °C die bekannten 343 m/s, bei 40 °C bereits etwa 355 m/s. Über einen realistischen Temperaturbereich in einer Werkshalle schwankt die Schallgeschwindigkeit also um mehrere Prozent. Und weil der Abstand direkt proportional zu c ist, schlägt dieser Fehler eins zu eins auf das Messergebnis durch: Rechnet der Sensor stur mit 343 m/s, während die Halle auf 5 °C abgekühlt ist, misst er systematisch zu lang.

Genau deshalb haben Industrie-Ultraschallsensoren fast immer eine Temperaturkompensation eingebaut. Ein interner Temperaturfühler misst die Umgebungstemperatur und der Sensor korrigiert die Schallgeschwindigkeit laufend. Die Grenzen dieser Kompensation sollte man trotzdem kennen: Der Fühler sits im Sensorgehäuse und misst die Temperatur dort – nicht entlang der gesamten Messstrecke. Bei einem starken Temperaturgefälle, etwa wenn der Sensor an einer warmen Maschine montiert ist, der Schall aber durch kalte Hallenluft läuft, kann die Kompensation den realen Mittelwert verfehlen. Auch schnelle Temperatursprünge holt der Fühler nur verzögert ein.

Neben der Temperatur spielt auch das Medium eine Rolle. Luftströmungen, etwa ein kräftiger Lüfter oder Zugluft am Hallentor, können den Schall ablenken oder das Echo stören. In Bereichen mit starkem Dampf oder dichten Aerosolen wird der Schall zusätzlich gedämpft.

Und schließlich die Oberfläche des Objekts. Eine glatte, ebene Fläche, die senkrecht zum Sensor steht, wirft das Echo direkt zurück – der Idealfall. Steht die Fläche schräg, wird der Schall seitlich weggespiegelt und kommt unter Umständen nicht mehr beim Sensor an. Faustregel: Je stärker die Schrägstellung, desto unsicherer das Echo. Schallschluckende Oberflächen schwächen das Echo ohnehin.

Ein Ultraschallsensor sieht nicht überall gleich gut. Drei Begriffe beschreiben seinen Erfassungsbereich.

Die Blindzone ist ein Bereich direkt vor dem Sensor, in dem er nichts erkennen kann. Der Grund liegt in der Physik des Schallwandlers: Nach dem Senden schwingt die Membran noch kurz nach. Solange sie nachschwingt, kann sie kein Echo sauber empfangen. Ein Objekt, das näher als die Blindzone liegt, wirft sein Echo zurück, bevor die Membran empfangsbereit ist – der Sensor übersieht es. Jeder Ultraschallsensor hat deshalb einen Mindestabstand, der nicht unterschritten werden darf. Typisch sind je nach Bauform einige Zentimeter bis einige Dezimeter.

Die Schallkeule beschreibt die Form des ausgesendeten Schallfeldes. Der Schall geht nicht als dünner Strahl nach vorne, sondern breitet sich kegelförmig aus – mit einem bestimmten Öffnungswinkel. Das hat zwei Seiten: Einerseits erfasst der Sensor dadurch auch Objekte, die nicht exakt mittig liegen. Andererseits kann er ungewollt auf Dinge am Rand reagieren – eine Hallenwand, ein Maschinengestell, das Nachbarteil auf dem Förderband. Wer einen Ultraschallsensor einbaut, muss die Schallkeule mitdenken.

Die Reichweite oder Tastweite ist der maximale Abstand, in dem der Sensor noch ein auswertbares Echo bekommt. Sie hängt von der Sendeleistung, der Frequenz und der Reflexionsfähigkeit des Objekts ab. Zwischen Blindzone und maximaler Reichweite liegt der nutzbare Arbeitsbereich.

Beim schaltenden Betrieb spielt zusätzlich die Hysterese eine Rolle: Der Einschaltpunkt und der Ausschaltpunkt liegen bewusst etwas auseinander, damit der Ausgang an der Schaltgrenze nicht ständig flattert.

Ein Ultraschallsensor kann sein Messergebnis auf verschiedene Arten weitergeben. Welche Betriebsart passt, hängt davon ab, ob man nur eine Ja/Nein-Information braucht oder einen gemessenen Wert.

Im schaltenden Betrieb liefert der Sensor ein binäres Signal: Objekt da oder nicht da, Abstand unter- oder überschritten. Man legt einen Schaltpunkt fest; sobald das Objekt diesen Abstand erreicht, schaltet der Ausgang. Eine Variante ist der Fensterbetrieb: Der Ausgang schaltet nur, wenn sich das Objekt innerhalb eines bestimmten Abstandsfensters befindet – also zwischen einem Nah- und einem Fernwert. Das ist nützlich, wenn man eine bestimmte Höhe oder Position kontrollieren will und sowohl zu nah als auch zu weit „nicht in Ordnung“ bedeutet.

Im analogen Betrieb gibt der Sensor den gemessenen Abstand als stufenloses Signal aus. Üblich sind ein Stromsignal von 4 bis 20 mA oder ein Spannungssignal von 0 bis 10 V. Der Abstand wird dabei linear auf den Signalbereich abgebildet – nah entspricht dem einen Ende, fern dem anderen. So kann eine Steuerung den exakten Abstand weiterverarbeiten, etwa für eine Füllstandsanzeige oder eine Regelung.

Beim Einweg-Prinzip (Schranke) sind Sender und Empfänger getrennt und stehen sich gegenüber. Der Empfänger meldet, sobald ein Objekt den Schallweg unterbricht. Das ergibt eine sehr zuverlässige Anwesenheitserkennung über größere Distanzen, sagt aber nichts über den genauen Abstand.

Wie der Sensor angeschlossen wird – Zahl der Leiter, schaltende Logik als PNP oder NPN – ist ein eigenes Thema und wird hier nicht vertieft. Wichtig für die Auswahl ist nur: Schaltender Sensor für Ja/Nein-Aufgaben, analoger Sensor, wenn der konkrete Abstandswert gebraucht wird.

Wo spielt der Ultraschallsensor seine Stärken aus? Überall dort, wo optische Verfahren an Material oder Oberfläche scheitern und es auf Robustheit ankommt.

Typische Einsatzfälle:

• Füllstandmessung in Tanks und Behältern, auch bei Flüssigkeiten, Granulaten und Schüttgut.
• Anwesenheitskontrolle transparenter Objekte, etwa Glas- oder PET-Flaschen, die optische Sensoren in Schwierigkeiten bringen.
• Stapelhöhe und Schlaufenregelung, zum Beispiel die Materialschlaufe zwischen zwei Maschinen in einer Bahn aus Folie oder Papier.
• Abstands- und Positionskontrolle, wo Farbe und Glanz des Objekts wechseln.

Bei der Auswahl gilt grob: Der Messbereich des Sensors muss zur Aufgabe passen – das Objekt darf nie in die Blindzone geraten und muss innerhalb der Reichweite bleiben. Schaltend oder analog richtet sich nach der Aufgabe. Die Schallkeule sollte zum Einbauort passen, damit keine Wände oder Nachbarteile mit erfasst werden. Eine ausführliche Systematik zur Sensorauswahl ist ein eigens Thema.