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.