Czujniki ultradźwiękowe – uniwersalność działania, zalety oraz ograniczenia

Wstęp

Czujniki ultradźwiękowe odgrywają kluczową rolę w nowoczesnych systemach automatyki przemysłowej, oferując precyzyjne i niezawodne rozwiązania w zakresie detekcji i pomiaru odległości. Ich wszechstronność sprawia, że znajdują zastosowanie w różnorodnych aplikacjach, od kontroli poziomu cieczy po wykrywanie obiektów o nieregularnych kształtach. Poniżej przedstawiamy szczegółowe omówienie zasady działania, zalet, ograniczeń, typów oraz zastosowań czujników ultradźwiękowych w kontekście przemysłowym.​

Zasada działania czujników ultradźwiękowych

Czujniki ultradźwiękowe wykorzystują fale dźwiękowe o częstotliwościach powyżej zakresu słyszalności ludzkiego ucha, zazwyczaj w przedziale od 40 Hz do 400 kHz. Działają na zasadzie emisji krótkich impulsów dźwiękowych przez nadajnik, które po odbiciu od obiektu są odbierane przez odbiornik. Mierząc czas pomiędzy wysłaniem a odebraniem sygnału, możliwe jest precyzyjne obliczenie odległości do obiektu. Ta metoda, analogiczna do echolokacji stosowanej przez nietoperze, pozwala na dokładne monitorowanie położenia przedmiotów w przestrzeni.

Zalety czujników ultradźwiękowych

Czujniki ultradźwiękowe oferują szereg korzyści w porównaniu z innymi technologiami detekcji:

• Niezależność od właściwości optycznych obiektu: Kolor, przezroczystość czy powierzchnia obiektu nie wpływają na dokładność pomiaru. Dzięki temu możliwe jest wykrywanie obiektów błyszczących, przezroczystych czy o nieregularnych kształtach.
• Wysoka precyzja pomiaru: Czujniki te charakteryzują się błędem pomiarowym nieprzekraczającym 1%, co czyni je odpowiednimi do zastosowań wymagających dużej dokładności.
• Odporność na warunki środowiskowe: Drgania przetwornika elektroakustycznego redukują zaleganie zanieczyszczeń, co pozwala na niezawodne działanie nawet w trudnych warunkach przemysłowych.

Elastyczność w zakresie detekcji: Możliwość wykrywania obiektów w szerokim zakresie odległości, od kilku centymetrów do nawet 20 metrów, w zależności od konstrukcji czujnika. 

Ograniczenia czujników ultradźwiękowych

Pomimo licznych zalet, czujniki ultradźwiękowe mają również pewne ograniczenia:

• Wpływ warunków atmosferycznych: Zmiany temperatury i wilgotności mogą wpływać na prędkość dźwięku, co z kolei oddziałuje na dokładność pomiarów. W takich przypadkach konieczna może być kompensacja temperaturowa.
• Brak informacji o charakterystyce obiektu: Czujniki te dostarczają informacji o obecności i odległości obiektu, ale nie pozwalają na określenie jego kształtu, koloru czy struktury powierzchni.
• Wrażliwość na ekstremalne warunki: Ekstremalne temperatury, wysoka wilgotność czy obecność agresywnych chemikaliów mogą negatywnie wpływać na działanie czujników ultradźwiękowych.

Typy i rodzaje czujników ultradźwiękowych

W zależności od konstrukcji i zastosowania, czujniki ultradźwiękowe dzielą się na:​

• Czujniki z oddzielnym nadajnikiem i odbiornikiem: Pozwalają na większą elastyczność w projektowaniu systemów detekcji, ale wymagają precyzyjnego ustawienia obu komponentów.
• Zintegrowane nadajniko-odbiorniki: Łączą nadajnik i odbiornik w jednej obudowie, co upraszcza instalację i zwiększa kompaktowość systemu, ale może ograniczać możliwości dostosowania do specyficznych aplikacji.

Aplikacje, w których czujniki ultradźwiękowe się sprawdzają

Czujniki ultradźwiękowe znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach przemysłu:

• Przemysł spożywczy: Niezawodne wykrywanie przezroczystych opakowań, takich jak butelki PET czy blistry.
• Automatyka magazynowa: Monitorowanie poziomu napełnienia pojemników z materiałami sypkimi o nieregularnych kształtach, jak nasiona czy ziemniaki.
• Kontrola jakości: Detekcja obecności etykiet, niezależnie od ich koloru czy przezroczystości.

Aplikacje, w których czujniki ultradźwiękowe mogą mieć problemy

Pomimo swojej wszechstronności, czujniki ultradźwiękowe nie sprawdzają się w każdej aplikacji. Przykłady zastosowań, w których mogą wystąpić trudności, obejmują:

• Otwarte przestrzenie na zewnątrz – w warunkach silnego wiatru, deszczu lub mgły fala ultradźwiękowa może ulec rozproszeniu, co wpływa na dokładność pomiaru.
• Aplikacje wysokotemperaturowe – ze względu na wpływ temperatury na prędkość dźwięku, czujniki wymagają specjalnej kompensacji lub stosowania wersji odpornych na temperaturę.
• Środowiska silnie zapylone lub z intensywnym hałasem akustycznym – obecność innych źródeł dźwięku o podobnej częstotliwości może zakłócać odbiór echa, a pył może tłumić sygnały.
• Wąskie przestrzenie z wieloma przeszkodami – odbicia od wielu powierzchni mogą powodować błędy w odczycie, dlatego czujniki ultradźwiękowe nie zawsze nadają się do aplikacji z wieloma elementami odbijającymi.

Zaawansowane funkcje i możliwości względem innych czujników

Nowoczesne czujniki ultradźwiękowe coraz częściej wyposażane są w zaawansowane funkcje, które rozszerzają ich możliwości i wyróżniają je spośród innych technologii detekcji, takich jak czujniki optyczne czy indukcyjne:

• Dynamiczna kompensacja temperatury – pozwala na automatyczne dostosowanie pomiaru do zmiennych warunków środowiskowych, zwiększając dokładność.
• Programowalny zasięg detekcji i szerokości rozchodzenia się fali dźwiękowej – możliwość definiowania strefy wykrywania za pomocą interfejsów IO-Link lub dedykowanemu oprogramowaniu.
• Zintegrowane filtry zakłóceń – redukcja wpływu zakłóceń z otoczenia, np. hałasu przemysłowego czy wibracji.
• Wielotrybowość i autotuning – czujniki mogą automatycznie dostosować się do rodzaju powierzchni i charakterystyki obiektu.
• Synchronizacja – czujniki często wyposażone są w wejście synchronizujące, które umożliwią komunikację czujników i prace naprzemienną. Dzięki tej funkcji czujniki pracują niejednocześnie, gwarantuje to brak samo zakłócania się w aplikacjach, w których czujniki są montowane w nie wielkich odstępach.

W porównaniu z czujnikami optycznymi, które mogą mieć problemy z przezroczystością lub refleksyjnością powierzchni, czujniki ultradźwiękowe działają niezależnie od koloru i struktury obiektu. W zestawieniu z czujnikami pojemnościowymi lub indukcyjnymi oferują znacznie większy zasięg i uniwersalność w detekcji różnych materiałów.

Tryby pracy czujników ultradźwiękowych

Czujniki ultradźwiękowe mogą działać w kilku trybach, w zależności od aplikacji i konstrukcji urządzenia:

1. Tryb odbicia (ang. diffuse mode) – czujnik emituje fale, które odbijają się od obiektu i wracają do odbiornika. Jest to najczęściej stosowany tryb, wykorzystywany m.in. do pomiaru odległości.
2. Tryb refleksyjny (ang. retro-reflective mode) – czujnik współpracuje z reflektorem (np. płaską powierzchnią) i wykrywa przerwy w sygnale, gdy obiekt znajduje się między czujnikiem a reflektorem.
3. Tryb barierowy (ang. through-beam mode) – osobny nadajnik i odbiornik umieszczone naprzeciw siebie wykrywają przerwanie wiązki przez obiekt.

Czujniki ultradźwiękowe produkcji Pepperl+Fuchs z IO-Link

Ultradźwiękowy czujnik z serii UC-GS-IO-Link to połączenie wszechstronnej funkcjonalności i kompaktowej konstrukcji. Parametryzacja wszystkich funkcji jest możliwa w wygodny sposób poprzez interfejs IO-Link lub IrDa. Dzięki precyzyjnemu tłumieniu zakłóceń oraz możliwości regulacji szerokości wiązki dźwiękowej, czujnik można idealnie dopasować do konkretnej aplikacji. Użytkownik ma również możliwość ręcznej konfiguracji – ustawienia szerokości wiązki i wyjścia dokonuje się bezpośrednio na urządzeniu, za pomocą przycisków programujących. Czujnik umożliwia transmisję danych procesowych i diagnostycznych za pośrednictwem IO-Link, co ułatwia jego integrację z rozwiązaniami Przemysłu 4.0.

Popularne czujniki ultradźwiękowe dla korpusu cylindrycznego wymiar M18

UC500-18GS-2EP-IO-V15 - Czujnik ultradźwiękowy Pepperl+Fuchs, średnica M18, zakres pomiarowy 30-500 mm, wyjście 2 x Push-Pull, IO-Link

UC1000-18GS-2EP-IO-V15 - Czujnik ultradźwiękowy Pepperl+Fuchs, średnica M18, zakres pomiarowy 90-1000 mm, wyjście 2 x Push-Pull, IO-Link

UC1000-18GS-IUEP-IO-V15 - Czujnik ultradźwiękowy Pepperl+Fuchs, średnica M18, zakres pomiarowy 90-1000 mm, wyjścia analogowe 4 - 20 mA / 0 - 10 V + 1 x Push-Pull, IO-Link

Popularne czujniki ultradźwiękowe dla korpusu cylindrycznego wymiar M30

UC2000-30GM-2EP-IO-V15 - Czujnik ultradźwiękowy Pepperl+Fuchs, średnica M18, zakres pomiarowy 100-2000 mm, wyjście 2 x Push-Pull, IO-Link

UC2000-30GM-IUEP-IO-V15 - Czujnik ultradźwiękowy Pepperl+Fuchs, średnica M18, zakres pomiarowy 100-2000 mm, wyjścia analogowe 4 - 20 mA / 0 - 10 V + 1 x Push-Pull, IO-Link

UC4000-30GM-IUEP-IO-V15 - Czujnik ultradźwiękowy Pepperl+Fuchs, średnica M18, zakres pomiarowy 200-4000 mm, wyjścia analogowe 4 - 20 mA / 0 - 10 V + 1 x Push-Pull, IO-Link

UC6000-30GM-2EP-IO-V15 - Czujnik ultradźwiękowy Pepperl+Fuchs, średnica M18, zakres pomiarowy 350-6000 mm, wyjście 2 x Push-Pull, IO-Link

UC6000-30GM-IUEP-IO-V15 - Czujnik ultradźwiękowy Pepperl+Fuchs, średnica M18, zakres pomiarowy 350-6000 mm, wyjścia analogowe 4 - 20 mA / 0 - 10 V + 1 x Push-Pull, IO-Link

Podsumowanie

Czujniki ultradźwiękowe to niezastąpione narzędzie w nowoczesnej automatyce przemysłowej, które oferuje wyjątkową elastyczność, dokładność i niezawodność. Dzięki zdolności do pracy w trudnych warunkach, odporności na wpływ koloru, struktury i przezroczystości obiektów, są chętnie wybierane przez inżynierów projektujących systemy detekcji i kontroli.