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Die gegen Umwelteinflüsse robuste Arbeitsweise hat in den letzten Jahren neue Anwendungsfelder für Ultraschallsensoren eröffnet.

Der Projektauftrag

Das Unternehmen Moba Mobile Automation ist Marktführer bei OEM-Komponenten für Straßenbaumaschinen und benötigt eine bewährte Sensortechnik für die Füllstandmessung und für Referenzierung von Flächen. Mit Einzelsensoren für die Füllstandsmessung soll zum Beispiel der Materialauftrag gesteuert werden. Mehrfachsensoren hingegen sollen zum Abtasten von Referenzflächen, Referenzseil oder Bordstein dienen und die Maschine bei der Abtragung beziehungsweise dem Aufbringen der Asphaltschicht steuern. Die Sensoren werden dazu eng in die Ablaufsteuerung der Maschinenregelung eingebunden. Eine weitere Problematik sind die engen Einbauverhältnisse für Füllstandsmessung in der Materialzuführung und dass der heiße Asphalt die Umgebungsluft über 100 °C zusätzlich aufheizt. Zudem sollten die Sensoren vor einem Verkleben geschützt sein, falls beim Befüllen der Straßenbaumaschinen heißer Asphalt die verbauten Sensoren verschmutzt.

Die Projektdurchführung

Moderne Ultraschallsensoren liefern heute auch in widriger Umgebung stabile Abstandssignale unabhängig von den Eigenschaften des reflektierenden Objektes. Gerade diese Eigenschaften heben diese Sensoren von anderen Sensorprinzipien ab und bieten sich für Applikationen an Straßenbaumaschinen an.

Moba setzt nun Ultraschallwandler von Pepperl+Fuchs ein, die speziell für hohe Temperaturen entwickelt wurden. Eine glatte Oberfläche verhindert ein Verkleben des Sensors falls beim Befüllen heißer Asphalt austritt. Die Sensorelektronik liefert das Abstandssignal an die vom Anwender eigens entwickelte Reglerelektronik. Der Sensor gibt dann das adäquate Ausgangssignal an das entsprechende Ventil zur Mengenregulierung des Materials am Fertiger. Durch das berührungslose Arbeitsprinzip entfallen mechanische Paddel. Verschleiß ist kein Thema und die Reinigung beschränkt sich auf das Abreiben des Sensorkopfes mit einem Lappen. Die wesentlich anspruchsvollere Aufgabe erfüllt der sogenannte Sonic-Ski, einen Art Schallvorhang. Mehrere Ultraschallsensoren von Pepperl+Fuchs bilden diesen Vorhang, welcher den Abstand zu einem gespannten Referenzseil, einer Bordsteinkante oder zum Boden misst und an die Steuerung im Straßenfertiger weitergibt. Hier muss der Abstand millimetergenau ermittelt werden. Temperaturunterschiede und Wind dürfen das Messergebnis nicht verfälschen. Durch einen Trick lässt sich dies auf einfache Art und Weise erreichen. Die Temperatur wird indirekt ebenfalls mithilfe von Ultraschall ermittelt. Quer zur Ausbreitungsrichtung des Schallvorhangs wird eine feste Referenzstrecke mittels Ultraschall vermessen. Temperaturänderungen verändern den gemessenen Wert für die Referenzstrecke. Diese Änderung kann direkt zur Laufzeitkompensation des Temperatureinflusses auf die Messwerte aus dem Schallvorhang verrechnet werden. Lokal begrenzte Temperatureinflüsse durch Schlierenbildung über dem heißen Asphalt können so ohne Zeitverzögerung ausgeglichen werden.

Eine trickreiche Auswertung der verschiedenen Ultraschallköpfe ermöglicht es, ein dünnes, als Referenz gespanntes Seil, mit hoher Präzision abzutasten beziehungsweise Schwankungen bei flächiger Abtastung zu eliminieren. Bei der Seilabtastung wird das Sensorelement mit kürzestem Abstand zum Seil zur Ermittlung der korrekten Abstandsinformation herangezogen. Bei einer Abtastbreite von 25 cm ergibt sich eine Abstandsgenauigkeit von
±2 mm.

Bei der flächigen Abtastung einer Referenzfläche, beim Anschluss an eine bestehende Asphaltdecke, werden aus den fünf Abstandsinformationen diejenigen mit der größten Abweichung aussortiert. Die verbliebenen Signale werden zur Bildung eines Mittelwerts herangezogen. Somit ist sichergestellt, dass Hindernisse und Ungenauigkeiten ausgeschlossen oder minimiert werden. Um diese sehr speziellen Anforderungen zu erfüllen ist eine enge Verzahnung des Ultraschallsensors mit der auf die jeweilige Applikation abgestimmten Steuerung nötig. Um die Varianz der Sensorkomponenten gering zu halten, wurde ein neuer Sensortyp entwickelt. Die Auswertung der Ultraschallsignale beschränkt sich nicht auf eine reine Laufzeitmessung, es werden an einer seriellen Schnittstelle die Daten mehrer Echos zur Verfügung gestellt. Neben der Laufzeit steht auch die Echogüte zur Verfügung. Über die bidirektionale Schnittstelle kann der Sensor an seine speziellen Aufgaben angepasst werden.

Arbeitet der Sensor alleine um zum Beispiel den Füllstand in der Materialsteuerung zu überwachen und zu steuern, ist die Unterdrückung von störenden Kanten die Herausforderung. Im Sonic Ski spielen sechs Ultraschallmodule zusammen, um ein dünnes Referenzseil abzutasten oder die Maschine auf das Niveau der Anschlussfläche auszuregeln. Fünf Sensoren arbeiten im Parallelbetrieb, um die Umgebung abzutasten. Ein Wandler sendet das Ultraschallsignal aus um danach mit den weiteren vier Sensorköpfen auf Empfang zu gehen. Der sechste Ultraschallsensor arbeitet um 90° versetzt zur Messrichtung auf einen festen Reflektor. Mit diesen gemessenem Wert kann der Temperatureinfluss auf die Abstandsmessung zum Seil oder zum Anschlussniveau kompensiert werden.

Dieses kundenspezifische Sensor-Modul kann auch zur Lösung der vielfältigen Applikationen eingesetzt werden. Dieses kann zusammen mit einem Ultraschallwandler als Standalone-Lösung im Sende-Empfangsbetrieb arbeiten oder in Kombination mit weiteren Modulen im synchronisierten Betrieb als Sender oder Empfänger eingesetzt werden. Diese verschiedenen Arbeitsmodi werden im Regelfall bei der Montage des Systems festgelegt und können aber bei Bedarf auch im laufenden Betrieb umgeschaltet werden. Die im Sensormodul anfallenden Messwerte werden über eine bidirektionale, schnelle, serielle Schnittstelle an die Maschinensteuerung übergeben. Über diese Schnittstelle kann auch die Parametrierung des Sensor-Moduls und damit die Anpassung an die spezielle Aufgabe vorgenommen werden.

Das Projektfazit

Ultraschall kann vielfältige Aufgaben erfüllen. Neben den klassischen Anforderungen an Näherungsschalter mit einer großen Bandbreite an Reichweiten und Bauformen lösen Ultraschallsensoren auch Aufgaben, bei denen sie auf den ersten Blick nicht vermutet werden. Gerade bei Anwendungen in widriger Umgebung wie an Baumaschinen kann die Ultraschalltechnik ihre gegen Umwelteinflüsse robuste Arbeitsweise ideal einbringen.