23.07.2014

Faserkomposites als Alternative

Die luftgekoppelte Ultraschalltechnologie als berührungsfreie Messmethode hat eine lange Tradition im Bereich der Automatisierungstechnik. Sensoren für die Füllstands- und Abstandsmessung, Objekterkennung und Materialcharakterisierung liefern in vielfältigen Anwendungsbereichen zuverlässige Messsignale. Sie bilden die Basis für Systeme der Prozesskontrolle, Qualitätsprüfung und für prozessspezifische Steuer- und Regeltechnik.

Autor: Dr. Ralf Steinhausen


Bild: Forschungszentrum Ultraschall gGmbH

Für luftgekoppelte Anwendungen wird üblicherweise niederfrequenter Ultraschall im Bereich von 20 bis 300kHz verwendet. Es handelt sich dabei um Leistungsschallwandler, da die schlechten Übertragungseigenschaften der Luft durch höhere Schalldrücke am Sender kompensiert werden müssen. Als Sende-element werden meist piezoelektrische Keramikscheiben verwendet, deren Durchmesser die Arbeitsfrequenz des Wandlers bestimmt. Je kleiner der Durchmesser, desto höher ist die Sende- bzw. Empfangsfrequenz des Sensors. So hat ein typischer 50kHz-Schallkopf einen Durchmesser von ca. 5cm, ein 300kHz-Sensor hat jedoch nur noch knapp 8mm Durchmesser und damit eine deutlich geringere Sende- und Empfangsfläche. Anwendungsrelevante Parameter wie Öffnungswinkel und Fokuspunkt hängen ebenfalls stark vom Durchmesser des Sensors ab. Die Frequenzabhängigkeit der Sensorgeometrie ist für anwendungsspezifische Lösungen eine unbefriedigende Einschränkung.

Faserkomposite eröffnen neue Möglichkeiten

Die luftgekoppelte Ultraschalltechnik bildet einen Schwerpunkt der Forschung und Entwicklung am Forschungszentrum Ultraschall gGmbH (FZU). Dabei wird die gesamte Technologiekette in ihrem Zusammenspiel betrachtet. Dies beginnt bei der Entwicklung von Piezomaterialien als Herzstück des Sensors. Mit Hilfe von FEM-Simulation und analytischen Modellen werden Schallwandler konstruiert und ihre Schallfelder vermessen. Die Entwicklung von Leistungselektronik bis zum Prototyp und die Implementierung mathematischer Modelle für moderne Signalauswertealgorithmen gehören ebenfalls zum Leistungsumfang des FZU. Mit einem patentierten Verfahren werden Keramik-Polymer-Komposite auf der Basis von Piezofasern hergestellt. In Ultraschallsensoren weisen diese eine Reihe von Vorteilen gegenüber den oben genannten Vollkeramikscheiben auf: So ist die Resonanzfrequenz des Sensors in erster Linie von der Dicke des Komposits abhängig. Der Sensordurchmesser kann folglich anwendungsspezifisch und unabhängig von der Frequenz dimensioniert werden. Damit geht auch eine deutliche Reduktion radialer Schwingungen einher, die vor allem bei herkömmlichen Wandlern beim Einbau des Sensors in Gehäuse zu Problemen führen können.

Mehrkanalige Wandler ermöglichen Fokussierung

Die mechanische Entkopplung zwischen benachbarten piezoelektrischen Fasern erlaubt es, nun auch im Bereich des niederfrequenten Luftultraschalls strukturierte Elektrodensysteme zu verwenden, wie sie in der Medizintechnik und der Phased-Array-Technik im ZfP-Bereich Stand der Technik sind. So ist durch eine phasenversetzte Anregung von verschiedenen Bereichen der Piezokompositscheibe eine aktive elektronische Fokussierung des Sensors möglich. Die Herstellung von industrietauglichen lötbaren Elektroden mit großer Haftfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit erfolgt mit einer eigenen Bedampfungsanlage in Klein- und Mittelserien auch als Dienstleistung. Insbesondere die Produktion von Schichtelektroden auf Polymer-Keramik-Kompositen und Polymerfolien mit bis zu vier verschiedenen Metallen ist eine Spezialität des Zentrums. Zur Ansteuerung der neuartigen Luftultraschallsensoren auf Kompositbasis wurde in Kooperation mit der Sonotec Ultraschallsensorik und der Hochschule Merseburg eine mehrkanalige Signal- und Verstärkereinheit entwickelt. Bei regelbaren Ausgangsspannungen bis zu 800V können für jeden Kanal einzeln und zeitsynchron programmierbare Sendeimpulse mit einer minimalen Pulsbreite von 150ns ausgegeben werden. Die maximale Ausgangsleistung beträgt dabei bis zu 3kW im Impulsbetrieb.

Produktion von 400kHz-Wandlern gestartet

Sonotec stellt bereits 400kHz-Wandler auf Kompositbasis mit 20mm Wandlerdurchmesser als Einkanal-Variante her. 400kHz-Sensoren mit elektronischer Fokussierung in der 3-Kanal-Variante sind derzeit in der Testphase. Als nächstes Entwicklungsziel ist die Übertragung der Komposittechnologie auf Sensoren mit 300 und 200kHz und damit größeren Reichweiten geplant. Die ersten Prototypen sollen bis Ende des Jahres fertig gestellt werden.

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