Eigenschaften von Ultraschall bei Messungen im industriellen Umfeld

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Grundlagen
Ultraschall gleicht dem uns vertrauten Schall, nur liegt seine Schwingungsfrequenz (mehr als 20 kHz) höher, so daß er von uns nur über Sensoren wahrgenommen werden kann. Physikalisch gehorcht er den gleichen Gesetzen wie elektromagnetische Schwingungen, verhält sich also wie Licht, nur daß seine Ausbreitungsgeschwindigkeit 1 Million mal langsamer ist. Diese kleine Schallgeschwindigkeit erlaubt es, Schall- Laufzeiteffekte mit relativ einfachen elektronischem Aufwand direkt zu messen.
In einer Mikrosekunde legt der Schall 0.33 mm zurück. Sendet man einen Ultraschallimpuls aus, der an einer Wand wie von einem Spiegel reflektiert wird, und mißt die Zeit, bis der Echoimpuls wieder empfangen wird, so kann daraus der Abstand zur Wand ermittelt werden. Unsere Geräte messen die Zeit mit einer Auflösung, die einer 0.01 mm großen Abstandsänderung entspricht.
Durch die kleine Schallgeschwindigkeit treten bei Ultraschall Beugungs- und Interferenzeffekte schon bei größeren Dimensionen auf und führen zu Abweichungen von den Gesetzen der geometrischen Optik.
Ultraschall von 100 kHz hat eine Wellenlänge von 3.3 mm. Unsere Ultraschallerzeuger haben z.B. einen Durchmesser von etwa 9 Wellenlängen, so daß der Ultraschall nicht nur senkrecht nach vorne, sondern durch Beugung in einen Kegel mit einem Öffnungswinkel von ca. 13 Grad ausgestrahlt wird.
Beugungseffekte begrenzen auch die Möglichkeit, Ultraschall auf einen Fleck kleiner als die halbe Wellenlänge ( das ist bei 100Khz ungefähr 2 mm) zu fokussieren.
Reflektoren mit Durchmessern kleiner als die Wellenlänge reflektieren aufgrund der Streuung noch weniger, als es ihrer Fläche nach entspricht. Von Staub, Körner, Tröpfchen werden von Ultraschallwellen daher praktisch nicht reflektiert eine vorteilhafte Eigenschaft bei Abstandsmessungen
 
 
 

Erzeugung von Ultraschall
Luft hat eine sehr kleine Masse und eine große Kompressibilität. Hohe Schallamplituden und hohe Empfangsempfindlichkeiten lassen sich daher nur durch Sensoren mit massearmen Aufbau erzeugen. Die hier verwendeten Sensoren verwenden eine dünne metallisierte Kunststofffolie, die durch elektrostatische Anziehung angeregt wird. Einfallende Ultraschallwellen deformieren die Folie, verändern dadurch die Kapazität des Sensors und erzeugen so elektrische Signale. Damit der Sensor massenarm bleibt, müssen Spritzwasser und Ölabscheidungen durch Umlenkspiegel, Vorsatzrohre oder Ventilatoren von der Sensormembran ferngehalten werden. Die Sensoren haben eine aktive Fläche mit c.a. 30 nm (50 mm) Durchmesser. Ihr Schallfeld, und damit der Meßfleck bei Ultraschallmessungen, hat nahe am Sensor einen Durchmesser von c.a. .20 mm (33 mm) und vergrößert sich dann mit dem Divergenzwinkel, der durch Beugung entsteht. Bei kleineren Strukturen oder kleinen Gegenständen läßt sich das Schallfeld durch Reflektionsparaboloide auf kleinere Durchmesser fokussieren.
 
 
 
 
 
 


 

Umgebung
Die Schallgeschwindigkeit in Luft ist abhängig von verschiedenen Parametern, wobei die Abhängigkeit von der Temperatur mit 2% pro 10 Grad Temperaturänderung am stärksten ist.
Bei längeren Luftstrecken ist die Extrapolation auf die Gesamtmeßstrecke problematisch. Es empfiehlt sich hier, dann einen weiter entfernten Referenzreflektor, etwa die Auflage für die Meßobjekte, zu verwenden (wird von unserer Auswertesoftware unterstützt). Bei den Dickenmeßgeräten wird der Abstand der beiden Sensoren, dann, wenn kein Meßobjekt dazwischen ist, als Referenzabstand genommen. Eine periodische Referenzstreckenmessung (Nullungsmessung) ergibt hier langzeitstabile Kalibrierungen.
Für genaue Messungen empfiehlt es sich, mit Ventilatoren eine Homogenisierung der Übertragungsstrecke zu erreichen.
Der Durchmesser von Staub oder Staubablagerungen in der Übertragungstrecke ist in der Regel kleiner als die Wellenlänge des Ultraschalls. Da dadurch die Höhe ihrer Reflektionsechos stark unterdrückt ist, wird die Messung nicht beeinflußt.
Störung durch andere Ultraschallquellen spielen auch bei industrieller Umgebung aufgrund der Datenauswertung keine Rolle.
 
 


 

Einfluß des Ultraschallfeldes des Sensors
Je weiter der Reflektor entfernt ist, desto größer wird durch die Beugung der Wellen der Ultraschallmeßfleck. Da der Schallempfängerdurchmesser aber gleich bleibt, wird das Empfangsecho mit wachsender Entfernung schwächer. Ultraschallabstandsmessungen sind daher in der Reichweite begrenzt. Je höher die Ultraschallfrequenz ist, desto besser ist die Direktivität. Dem entgegengesetzt nehmen aber die Absorptionsverluste mit wachsender Frequenz noch mehr zu, so daß man für große Reichweiten sogar niedrigere Frequenzen wählen muß. 
Den Effekt, daß niedrige Frequenzen eine schlechtere Direktivität haben, kompensiert man durch einen größeren Sensordurchmesser. Es läßt sich daher folgendes für Standardanwendungen empfehlen: Für große Abstände nimmt man Sensoren mit großem Durchmesser und niedriger Frequenz, für kleine Enfernungen Sensoren mit kleinem Durchmesser und hoher Frequenz.
Ein Reflektor, der kleiner als der Ultraschallmeßfleck ist oder der stark absorbierend wirkt, reflektiert einen entsprechend kleineren Echoimpuls und schränkt so die Reichweite ein.
Die Wahl der richtigen Sensorparameter kann aber noch von weiteren Bedingungen abhängen und sollte daher sorgfältig überlegt sein.
 
 
 

 


 

Oberflächeneffekte
Der Übergang Luft zu einem luftundurchlässigen Stoff ist immer mit einem so großen Impedanzsprung verbunden, daß praktisch kein Ultraschall in das Meßobjekt eindringt. Jede Oberfläche, auch die von Flüssigkeiten, wirkt daher wie ein Spiegel und ist damit ein vollkommener Reflektor. Die Farbe der Oberflächen spielt keine Rolle.
 

Ultraschallmeßgeräte können auch kleine Gegenstände erfassen und auswerten. Dies ist aber anders, falls zwei Reflektoren vorhanden sind, etwa ein Haar auf einer Fläche oder ein durchlässiges Vlies auf einer Platte. Das Haar oder das Vlies reflektieren Echos, die wesentlich kleiner sind als die Echos der Unterlagen, so daß in die Abstandsmessung nur die Echos der Unterlagen eingehen. (Durch gezielte Auswertungsänderungen ist dieser Effekt aufhebbar). Bei glatten Oberflächen werden Staubteilchen, Körner, Ränder oder herausstehende Haare auf der Oberfläche unterdrückt und in der Mittelwertbildung über den Tastfleck des Ultraschallsensors nicht berücksichtigt. Risse, kleine Löcher, Lücken werden ebenfalls nicht nachgewiesen.

Befinden sich in der Meßstrecke Staub oder Späne aus dem Produktionsprozess oder sind auf der Oberfläche der Platte Staub, Splitter oder kleine Risse, so bleibt die Messung davon unbeeinflußt, solange der Durchmesser kleiner als die Wellenlänge ist. Trifft eine Welle auf ein Objekt, das größer als die Wellenlänge ist, so wird sie reflektiert wie von einem optischen Spiegel und hinter dem Objekt bildet sich ein Schatten. Bei einem Objekt kleiner als die Wellenlänge wird der Ultraschall diffus reflektiert, sodaß das empfangene Echo sehr klein wird und die Welle das Objekt nahezu unbeeinflußt passiert. Dieses physikalische Phänomen ist uns aus dem Alltag durch den blauen Himmel vertraut. Auch hier durchläuft das langwellige Licht, d.h. die roten und gelben Farbanteile des Sonnenlichts, die Atmosphäre ungestört, während das blaue und kurzwellige Licht gestreut und damit für uns sichtbar wird.

Falls heiße oder warme Oberflächen gemessen werden sollen, ist durch Ventilatoren für einen so starken Luftaustausch zu sorgen, daß keine Luftschichtungen oder Schlieren entstehen. Bei entsprechender Vorsorge entstehen dann keine Meßprobleme.
 
 
 


 

Vibrationen bei Dickenmessungen
Wird der Abstand zu vibrierenden Flächen gemessen, so wird der gemessene Abstand aufgrund der mittleren Vibrationsamplitude in der Regel zu klein ausfallen. Soll die Dicke von vibrierenden Platten gemessen werden, so muß der Abstand zu beiden Seiten gleichzeitig gemessen werden, wie es bei dem Gerät OP-US 2 erfolgt. Hier spielen Vibrationen keine Rolle, da hier die Dicke direkt gemessen wird.

Vibrationen allgemein
Vibrierende Flächen strahlen Ultraschallwellen ab. Bei einer Dickenmessung erfolgt in diesem Falle eine Störung der Messung. In der Regel sind die Amplituden dieser Ultraschallwellen sehr viel kleiner als die zur Messung verwendeten Impulse und werden über über diverse Entstörungsalgorithmen aus der Meßwertgewinnung ferngehalten.
Es gibt jedoch auch Anwendungen, in denen man diese durch Vibration erzeugten Ultraschallwellen zum Nachweis, etwa von Leckstellen ausgenutzt werden. In diesem Falle benötigt man Ultraschallmikrofone um diese Schallwellen aufzuspüren. Die logische Datenverarbeitung für diese Anwendungen unterscheidet sich von der Auswertung einer Abstandsmessung..
 


 

Oberflächenneigung, geneigte Meßobjekte
Bei der Dickenmessung mit Hilfe einer Schieblehre kennt man den Effekt: man mißt einen zu großen Wert, falls die Schieblehre nicht genau senkrecht auf dem Objekt anliegt. Der richtige Wert ist die minimal erreichbare Dicke.
Eine Dickenmessung, mit stationärem Aufbau des Dickenmeßsystems, wird im industriellen Bereich, wo Führungstoleranzen immer vorhanden sind, prinzipiell Abweichungen haben. In unserem Ultraschallsystem ermitteln wir aus der Form der reflektierten Echos, wie stark der Reflektor geneigt ist, und korrigieren damit den beschriebenen Neigungseffekt.

Die Neigungskorrektur ist aber auf kleine Einflüsse beschränkt und verbessert das Meßergebnis. Eine von vorneherein gute Führung bringt aber immer noch bessere Meßergebnisse. Eine geneigte Oberfläche reflektiert immer kleinere Echos als eine senkrecht ausgerichtete. Effekte dieser Art werden durch die eingebaute Amplitudenreglung bis zu gewissen Grenzen kompensiert. Werden die Einflüsse durch die Neigung zu groß so lassen sich durch andere Sensorparameter oder durch den Einsatz von Fokussierparaboloiden oft Abhilfe und verbesserte Meßbedingungen erzielen.
 


 

Meßgenauigkeit
Von den vielen Meßmethoden zur berührungslosen Abstandsmessung ist die Messung mit Ultraschall das einzige Verfahren, bei dem der Abstand direkt ermittelt werden kann. Alle anderen Methoden beruhen auf indirekten Verfahren, bei denen der Abstand mit Methoden der Triangulation ermittelt wird. Wir kennen die Abstandsermittlung in unserem täglichen Leben beim 3-dimensionalen Sehen. Daß die Genauigkeit der Abstandsermittlung bei großen Entfernungen nachläßt, ist normalerweise nicht so wichtig.

Bei technischen Meßprozessen kann es aber zu Problemen kommen, da in der Regel der Abstand zu einem Objekt auf einer Auflage bestimmt wird. Dann ist ein kleines Meßobjekt weiter vom Meßsensor entfernt als ein großes Objekt, soll aber oft genauer vermessen werden. Ultraschallmessungen haben aufgrund der direkten Meßmethode die gleiche Genauigkeit über den gesamten Meßbereich, sind daher vorteilhaft bei genauen Messungen und bieten zudem große Meßbereiche.

Die erzielbare Meßgenauigkeit ist in der Regel abhängig von der Stabiltät der Meßstrecke in der Luft. Je nach technischem Aufwand und Eigenschaften des Meßobjektes erzielen wir Genauigkeiten im Bereich von 0.1% bis 0.01% der Meßstrecke bei kleinen Abständen. Bei 100 mm Abstand der Sensoren sind Genauigkeiten bis 0.01 mm erreichbar. Eine wesentliche Eigenschaft unserer Geräte, die letzlich zu dieser hohen Genauigkeit und Stabilität führt, besteht darin, daß es mit ihnen möglich ist das zeitliche Verhalten des Meßprozesses an den Rythmus des Fertigungsprozesses anzupassen. Neben der Sensorik und der Elektronik bestimmen die Auswertealgorithmen der Meßdaten im Endeffekt die erzielbare Qualität der Meßanlage.
 
 
 


 

Zusammenfassung:
Ultraschall hat sich als robuste und kostengünstige berührungslose Abstandsmeßmethode erwiesen. Die Voraussetzung dafür sind aber kontrollierte und überlegte Meßbedingungen. Wir können Sie hierin beraten und Ihnen eine Gesamtkonzeptlösung bieten.

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