Ultrazvukové senzory sa objavili v priemysle pred viac ako tridsiatimi rokmi a odvtedy sa stali spoľahlivým a univerzálnym nástrojom v automatizácii. Ich použitie je bežné, obzvlášť pri detekcii na dopravných pásoch, ale ich potenciál siaha oveľa ďalej.
Ultrazvuk možno špecifikovať ako vlny akustických signálov, ktoré sa nachádzajú vo frekvenčnom pásme nad hranicou ľudského sluchu, pričom horná hranica ultrazvuku v súčasnosti dosahuje 1 GHz. Zvuk, vrátane ultrazvuku, vzniká vibráciami hmoty, ktorá prenáša impulz do prostredia. Tento prenos sa deje zhusťovaním a riedením vzduchu, čo nazývame rýchlosť šírenia zvuku. Častice sa pritom nepohybujú, len vibrujú okolo svojich rovnovážnych polôh. Základným predpokladom šírenia zvuku hmotou je jeho elasticita, ktorá umožňuje vznik zvukovej vlny.
Ako fungujú ultrazvukové senzory?
Ultrazvukové senzory a šírenie ultrazvukových vĺn umožňujú signálu dostať sa do detektora. Je však dôležité si uvedomiť, že vlna sa môže odrážať aj od iných objektov, čo môže v praxi spôsobiť chybné čítanie. Preto sa časová odozva meria ultrazvukovými senzormi, teda časom od odoslania signálu do jeho návratu. Keď sa signál vráti v kratšom čase, predpokladáme, že objekt dosiahol rozsah senzora. Meranie tohto času je však komplikovanejšie ako napríklad pri indukčných senzoroch, čo si vyžaduje zložitejšiu štruktúru senzorov.
Výhody ultrazvukových senzorov
Ultrazvukové senzory pracujú spoľahlivo vo všetkých podmienkach a ich hlavnou výhodou je odolnosť proti nečistotám, vrátane hustého a silného prachu. Okrem toho ultrazvukové vlny pôsobia ako takzvané samočistiace senzory, čo je pre tento typ senzorov špecifické. Výhodou je aj ich použitie v kvapalinách.
Ďalšou významnou výhodou je univerzálnosť pri snímaní objektov. Nemajú prakticky žiadne obmedzenie, môžu snímať kovové aj sklenené predmety, plasty alebo drevo. Je však pravda, že čím vyššia je frekvencia, tým silnejšie je tlmenie vyžarovaného signálu, čo znižuje efektívnu signálnu plochu.
Senzory môžu vykazovať určité rozdiely v šírení vlny v závislosti od montáže generátora ultrazvukového signálu v senzorovej skrinke. V prevažnej väčšine prípadov sa vyžaduje, aby bol vyžarovaný signál rozptýlený čo najužšie, najmä v situáciách s obmedzeným priestorom na inštaláciu.
Obmedzenia a výzvy pri používaní ultrazvukových senzorov
Napriek rozsiahlym výhodám existujú aj určité obmedzenia v praktickom použití. Ultrazvukové senzory môžu vykazovať nižšiu presnosť, najmä pri detekcii malých objektov. Ak detegovaný objekt odráža len časť prenášaného signálu, vlny nemusia byť dostatočne silné na spustenie piezoelektrického signálu, pretože ostatné vlny sú potláčané vo vzduchu. Platí, že čím menší je objekt detekcie, tým nižší je rozsah detekcie daný senzorom. To vytvára takzvanú "mŕtvu zónu", ktorá potláča objekty, ktoré senzor nerozpozná.
Tento problém sa dá riešiť použitím oddeleného piezoelektrického senzora na generovanie ultrazvuku a jeho príjem. Senzory navrhnuté pre špecifickú oblasť zvyčajne nemajú mŕtvu zónu, čo znamená, že nemajú znížený pracovný priestor.
Na indikáciu má vplyv aj teplota, ktorá ovplyvňuje rýchlosť šírenia ultrazvukových vĺn. Hlavnou nevýhodou je meranie iba bodovej teploty, takže nie je známy teplotný gradient v oblasti snímania. Vlhkosť a tlak tiež vplývajú na detekciu objektu, aj keď zistiteľnejšie ako vplyv teploty.
Nastavenie a aplikácia senzorov
Mnohí výrobcovia ponúkajú možnosť nastavenia oblasti detekcie, teda minimálnej a maximálnej vzdialenosti, v ktorej sa predpokladá detekovaný objekt. V praxi to funguje tak, že si nastavíme, či budeme programovať maximálnu a minimálnu vzdialenosť objektov od senzora, alebo si zadefinujeme konkrétnu oblasť. Táto obmedzená oblasť sa potom uloží do pamäte a používa sa počas prevádzky senzora.
Pomocou tohto nastavenia môžeme určiť parametre ako hysterézia, teplotná kompenzácia senzora pre vyhodnotenú oblasť alebo výstupný režim senzora. Prevádzkový režim funguje na podobnom princípe ako pri optických senzoroch: prenášaný signál sa odráža od objektu a dostáva sa do prijímača. V opačnom prípade je ultrazvukový signál sledovaný snímaným objektom a prítomnosť objektov je detegovaná porovnaním času návratu signálu s celkovým časom.
Praktické použitie na dopravnom páse
Pri výbere senzora pre automatizovaný dopravný pás na detekciu fliaš je dôležité zvoliť senzor, ktorý funguje nezávisle od farby a kvality snímaného povrchu. Ideálny senzor nie je ovplyvňovaný transparentnými objektmi so silnými odrazmi, nereaguje na vlhkosť, hmlu, prachové častice alebo nečistoty. Mal by mať vysoké rozlíšenie, presnosť a väčšiu vzdialenosť snímania. Senzor môže byť použitý na spínací aj rozpínací kontakt.
Riešením je aplikovať ultrazvukovú jednosmernú bariéru, kde ultrazvukový senzor deteguje prítomnosť objektu (fľaše), dokonca aj keď je špicatý a pri vysokom svetelnom prenose. V potravinárskom priemysle sa najčastejšie používajú jednosmerné alebo reflexné bariéry. Pri umývaní fliaš, napríklad striekajúcou vodou, sa používa ultrazvukový senzor, ktorý je oveľa menej ovplyvňovaný vodou ako optický senzor.
Po správnom výbere senzora je dôležité jeho zavedenie do prevádzky. Najdôležitejšie je zohľadniť, aby vlny vysielané jedným senzorom nezasahovali do ďalších senzorov. Preto je potrebné oddeliť sa od susednej zóny senzora, pričom bezpečná vzdialenosť sa uvádza ako polovica pracovného rozsahu senzora.
Šírenie ultrazvuku v rôznych materiáloch
Ultrazvukové vlny sa šíria v rôznych materiáloch odlišne, pričom ich intenzita klesá so vzdialenosťou. Medzi materiály s najmenším tlmením ultrazvukovej energie patria hliník a niektoré jeho zliatiny, titán a špeciálne tepelne spracované ocele. Naopak, materiály ako sivá liatina, mosadzná liatina a tvrdé plasty majú vyššie koeficienty tlmenia. Cín, olovo, guma a mäkké plasty majú najväčšie hodnoty absorpcie.
Rýchlosť šírenia ultrazvuku v plynoch a kvapalinách závisí od atmosférického tlaku, hustoty plynu, teploty a tlaku plynu. V kvapalinách (okrem vody) rýchlosť šírenia klesá s teplotou, zatiaľ čo vo vode dosahuje maximum pri 74 °C. Pri aplikácii ultrazvuku v obrábaní je často potrebné dosiahnuť vysokú intenzitu ultrazvukovej energie, čo sa dá dosiahnuť fokusáciou a koncentráciou ultrazvukového vlnenia pomocou šošoviek, zrkadiel alebo mechanických transformátorov.
Princíp kavitácie a jej využitie
Kavitácia je jav, ktorý vzniká v kvapalinách pri pôsobení ultrazvuku. Vytvárajú sa drobné dutiny alebo vzduchové bubliny, ktoré pri rýchlom uzatvorení vytvárajú rázovú vlnu s vysokým tlakom. Tento jav má široké využitie v priemysle, napríklad pri homogenizácii kvapalín, disperzií, emulgácii, mokrom mletí alebo extrakcii bioaktívnych zlúčenín. Ultrazvuková kavitácia môže tiež urýchliť chemické reakcie a zlepšiť odplyňovanie kvapalín.
Ultrazvuk v medicíne a priemysle
Ultrazvukové vlny sa úspešne využívajú aj v medicíne na diagnostické účely, kde sa využíva ich odraz od tkanivových rozhraní. V priemysle sa ultrazvuk používa na kontrolu kvality materiálov, nedeštruktívne testovanie, zváranie, obrábanie a čistenie. Možnosť automatizácie a presnosť týchto metód ich robia nenahraditeľnými v mnohých odvetviach.
