Die Einsatzbereiche für die Ultraschall-Messung sind vielfältig. Beispiele dafür sind Messungen von flüssigen oder festen Produkten in Silos oder anderen Behältern zur Vermeidung einer Überfüllung oder zur Überprüfung des aktuellen Stillstands. Ein weiterer Einsatzbereich ist die Nutzung von Ultraschallmessungen zum Zählen bewegter Objekte. So lassen sich mittels Ultraschall beispielsweise Flaschen in einer Abfüllmaschine zählen. Im Kraftfahrzeug kommen Ultraschallmessungen beim Einparken zum Einsatz. Der Entfernungssensor kann die Distanz zwischen dem Fahrzeug und einem Hindernis (anderes Fahrzeug, Wand, etc.) messen. Dies sind nur einige wenige Beispiele, in denen Ultraschallmessungen aktuell zum Einsatz kommen – es gibt noch viele weitere Einsatzgebiete, in denen sich diese Technik implementieren lässt.

Funktionsprinzip der Messung

Bild 1: Bei der Ultraschall-Messung wird die Laufzeit des Signals zwischen dem Aussenden und dem Empfang gemessen und daraus der Objektabstrand r berechnet.

Bild 1: Bei der Ultraschall-Messung wird die Laufzeit des Signals zwischen dem Aussenden und dem Empfang gemessen und daraus der Objektabstrand r berechnet. Microchip

Das wesentliche Funktionsprinzip beim Ultraschall ist dabei die Messung der Entfernung oder des Bereichs vom Ultraschall-Sensor zu einem anderen Objekt. Bei einer Ultraschall-Messung wird die Laufzeit zwischen dem Aussenden des Signals und den Empfang des von einem bestimmten Objekt reflektierten Signals gemessen. Dies ist die Zeit, die die gesendete Welle und die reflektierte Welle zum Durchlaufen der Entfernung r benötigen (Bild 1). Aus dieser Zeit lässt sich die Entfernung r berechnen, weil die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschall-Signals durch die Luft bekannt ist (Schallgeschwindigkeit).

Auch wenn diese Berechnung recht einfach erscheint, hängt die Ausbreitung des Ultraschall-Signals noch von vielen anderen Faktoren ab. Ein wichtiges Element, das sich auf die Schallgeschwindigkeit auswirkt, ist die Temperatur der Luft, durch die sich der Schall ausbreitet. Zu weiteren Faktoren zählen Feuchtigkeit, Luftdruck, Luftströmungen (nur starke Winde) und die Art des gasförmigen Mediums. Die meisten Ultraschall-Messsensoren sind für den Einsatz in für Menschen geeigneter Atemluft ausgelegt (etwa 21 % Sauerstoff, 78 % Stickstoff und 1 % andere Spurengase). Bei solchen für normale Luft konzipierten Sensoren ist eine korrekte Funktion beim Einsatz in anderen Gasen nicht garantiert, weil sich die Schallgeschwindigkeit je nach dem durchlaufenen Medium ändert. Die am häufigsten verwendeten Frequenzen liegen im Bereich von 40 kHz, also oberhalb des hörbaren Frequenzbereichs von 20 Hz bis 20 kHz.

 

Was 8-Bit-MCUs bei der Implementierung von Ultraschall-Messungen leisten, zeigt der Beitrag auf der nächsten Seite.

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