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Praxiswissen Ultraschallsensoren (Teil 4): Einflüsse auf die Messgenauigkeit

Ultraschallsensoren in kalten Umgebungsbedingungen
Aus Praxissicht sind beim industriellen Einsatz von Ultraschall-Näherungsschaltern im Arbeitsbereich von -25°C bis +70°C absolute Genauigkeiten von 1-3% realistisch

Im Bereich der Ultraschallsensoren bezeichnet der Begriff „Messgenauigkeit“ meist die absolute Genauigkeit des Messwertes am Analogausgang. Aufgrund des Echo-Laufzeitverfahrens ist die Messgenauigkeit eines Ultraschallsensors jedoch nicht nur von internen Toleranzen abhängig, sondern auch von einigen physikalischen Parametern der Luft.

Umgebungseinflüsse auf den Ultraschallsensor

Lufttemperatur
Den größten Einfluss auf die Messgenauigkeit besitzt die Lufttemperatur. Nach der Laufzeitmessung des reflektierten Ultraschallimpulses berechnet der Ultraschallsensor die Entfernung zum Objekt über die Schallgeschwindigkeit. Mit der Lufttemperatur ändert sich jedoch auch die Schallgeschwindigkeit um 0,17% pro Grad Kelvin. Nahezu alle Ultraschallsensoren von Pepperl+Fuchs besitzen einen Temperaturfühler, um diesen Effekt auszugleichen. Dieser misst die Umgebungstemperatur und der Sensor korrigiert die Verfälschung der Messwerte (siehe auch Abschnitt „Temperaturkompensation“).

Luftfeuchte
Bei Raumtemperatur und bei tieferen Temperaturen ist der Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf die Schallgeschwindigkeit vernachlässigbar. Bei höheren Lufttemperaturen nimmt jedoch die Schallgeschwindigkeit mit der Luftfeuchte zu.

Luftdruck
Zwischen Normalnull und 3.000 m Höhe nimmt die Schallgeschwindigkeit um weniger als 1% ab. Auch die atmosphärischen Schwankungen an einem bestimmten Ort sind vernachlässigbar gering und wirken sich kaum messbar auf die Schallgeschwindigkeit aus.

Luftströmungen
Normale Luftströmung (Wind) hat bis zu einer Geschwindigkeit von 7 Bft (50-61,5 km/h) keine Auswirkung auf die Ultraschallmessung, wenn das Objekt die Reflexionseigenschaften eines Normreflektors aufweist. Bei stürmischem Wetter oder Orkan kann es zu einer instabilen Messung mit Signalverlust kommen. In Bezug auf die Änderung der Schallgeschwindigkeit durch ständiges Wechseln der Strömungsrichtungen und der Strömungsgeschwindigkeit der Luft lassen sich keine allgemeingültigen Aussagen treffen. Bekannt ist beispielsweise, dass besonders hochtemperierte Objekte, wie z.B. glühendes Metall, erhebliche Luftturbulenzen verursachen. Der Ultraschall kann zerstreut oder abgelenkt werden, sodass kein auswertbares Echo zustande kommt.

Farbnebel
Farbnebel haben keinen feststellbaren Einfluss auf die Funktion des Ultraschallsensors. Um die Empfindlichkeit des Wandlers nicht zu beeinträchtigen, sollte sich der Farbnebel jedoch nicht auf der aktiven Wandleroberfläche absetzen.

Fremdschall
Fremdschall wird von den systemeigenen Schallechos unterschieden und führt in der Regel nicht zu Fehlfunktionen. Hat die Störquelle die gleiche Frequenz wie der Ultraschallsensor, darf der Pegel des Fremdschalls nicht die des systemeigenen Echos überschreiten. Dies kann z.B. bei der Befüllung eines Silos mit Steingut eintreten.


Temperaturkompensation

Ultraschallsensoren arbeiten nach dem Echo-Laufzeitverfahren. Das heißt, es wird der zeitliche Abstand zwischen dem gesendeten Ultraschallimpuls und dem empfangenen Echo ausgewertet. Über die Schallgeschwindigkeit kann der Ultraschallsensor die Entfernung des Objekts berechnen. Bei der Schallausbreitung in Luft beträgt die Schallgeschwindigkeit kann der Ultraschallsensor die Entfernung des Objektes berechnen.

Bei der Schallausbreitung in Luft beträgt die Schallgeschwindigkeit rund 344 m/s bei Raumtemperatur. Die Schallgeschwindigkeit ist allerdings mit rund 0,17% pro Grad Celsius temperaturabhängig. Damit ändert sich die vom Ultraschallsensor gemessene Laufzeit und die berechnete Entfernung wird verfälscht. Die meisten Ultraschallsensoren von Pepperl+Fuchs haben einen Arbeitsbereich von -25°C bis +70°C. Bei einer Messentfernung von 100 cm würde eine Temperaturänderung gegenüber einer Raumtemperatur von 20°C einen Messfehler von -8,5 cm bei 70°C und +7,65 cm bei -25°C verursachen.

Aus diesem Grund sind die meisten Ultraschallsensoren von Pepperl+Fuchs mit Temperaturfühlern ausgerüstet, deren Messdaten zur Korrektur der Messdistanz verwendet werden. Diese Kompensation wird über den gesamten Arbeitsbereich der Ultraschallsensoren von -25°C bis +70°C durchgeführt und ermöglicht so Messgenauigkeiten von circa +/-1,5%.


Genauigkeit

Als Genauigkeit bzw. absolute Genauigkeit wird der Unterschied zwischen dem vom Ultraschallsensor ausgegebenen Messwert und der tatsächlichen Messdistanz bezeichnet.

Aus Praxissicht sind beim industriellen Einsatz von Ultraschall-Näherungsschaltern im Arbeitsbereich von -25°C bis +70°C absolute Genauigkeiten von 1-3% realistisch. Höhere Genauigkeiten sind bei nahezu konstanten Umgebungsbedingungen erreichbar. Dabei empfiehlt es sich, die Temperaturkompensation auszuschalten (möglich über das Programmier-Tool).

Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines Ultraschall-Referenzsensors. Dabei wird ein zweiter Sensor gleichen Typs parallel zum Messsensor montiert und auf ein feststehendes Objekt ausgerichtet. Bei Änderungen der Umgebungsbedingungen in der Messstrecke ändert sich dabei scheinbar auch die Entfernung des Objekts aufgrund der geänderten Schallgeschwindigkeit. Um diesen Messfehler muss folglich der Messwert des Messsensors z.B. in der Steuerung korrigiert werden.


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