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Flächenstrahler zur Bahnkantenregelung

​Für die Bahnkantensteuerung in der Produktion von Endlosmaterialien werden aufgrund vieler Vorteile häufig Ultraschallsensoren eingesetzt.
Als Sensorkopf dient häufig ein Wandler der Firma SECO.
Die Sensoren erfassen die Bahnkante submillimetergenau. Regelmechanismen sorgen dafür, dass das Material bündig aufgerollt wird.
Beim Einsatz runder Einzelwandler, wie in Abb. 1 dargestellt, wird gelegentlich der begrenzte Linearitätsbereich des Wandlers als Nachteil angesehen.

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​Abbildung 1: Runder SECO Ultraschallwandler SC125.1

Eine im Idealfall lineare Abschwächung des Empfangssignals bei zunehmender Abdeckung des Wandlers ist aufgrund der runden Wandlergeometrie nicht zu erreichen.

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Graph 1: Empfangssignal in Abhängigkeit der Abdeckung der Abstrahlfläche eines SECO Einzelwandlers SC125.1

​Graph 1 zeigt den relativ kleinen Linearitätsbereich von 3 bis 4 mm eines runden Einzelwandlers SC125.1. In einer Gabelanwendung können somit ca. 28% des Wandlerdurchmessers zur Regelung genutzt werden.

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Abbildung 2: Labormuster eines Polypropylen-Folienwandlers aus Elektret

​Theoretisch sollte ein rechteckiger Folienwandler einen idealen Flächenstrahler darstellen, von dem man sich einen besonders weiten Linearitätsbereich erwarten kann. 
In Zusammenarbeit mit dem Institut für Sensor- und Aktortechnik der Hochschule Coburg - ISAT -  wurde das Auslenkverhalten eines solchen Elektret - Folienwandlers mit einem Laservibrometer untersucht.

Messung der Auslenkamplitude eines Polypropylen-Wandlers mit einem Laservibrometer (pp_folienwandler_messungen_isat.jpg)

Abbildung 3: Auslenkung und Falschfarbenbild des Laservibrometers, gemessen am Institut für Sensor- und Aktortechnik der Hochschule Coburg

​Das Falschfarbenbild in Abbildung 3 zeigt die Abstrahlfläche im Moment der maximalen Amplitude. Da nahezu die gesamte Fläche in der gleichen Farbe kodiert ist und damit die gesamte Abstrahlfläche des Folienwandlers mit gleicher Amplitude schwingt, zeigt der Folienwandler nahezu perfekt das Verhalten eines idealen Flächenstrahlers.

Empfangssignal in Abhängigkeit der Abschattung Polypropylenwandlers (linearitaet_pp-folienwandler_160khz.jpg)

Graph 2: Empfangssignal eines Folienwandlers in Abhängigkeit der Abdeckung der Abstrahlfläche

Graph 2 zeigt das Ergebnis eines Abschattungsversuchs in einer Gabelanwendung. Hierbei wurden wie beim Einzelwandler SC125.1 zwei Polypropylen-Folienwandler im Sender - Empfänger - Betrieb untersucht.
Eine Gabel aus Polypropylen - Folienwandlern zeigt über einen Bereich von 60 mm lineare Signalabschwächung. In einer Gabelanwendung könnten damit über 85% der effektiven Wandlerlänge verwendet werden.
Leider sind Polypropylen - Folienwandler sehr empfindlich und im industriellen Umfeld nur sehr beschränkt einsetzbar.
Ein vergleichbar großer Linearitätsbereich lässt sich auch mit konventionellen Ultraschallwandlern von SECO erreichen, wenn mehrere Wandler als Array angeordnet werden.

Empfangssignal in Abhängigkeit der Abschattung eines SECO Wander Arrays (linearitaet_seco_array_240khz.jpg)

Graph 3: Empfangssignal eines SC125.1 Wandlerarrays in Abhängigkeit der Abdeckung der Abstrahlfläche

Ein solcher Aufbau zeigt ebenfalls einen großen Linearitätsbereich (in diesem Beispiel 100 mm). Auch hier lassen sich über 85% der effektiven Länge für eine Gabelanwendung nutzen.

Empfangssignal in Abhängigkeit der Abschattung unterschiedlicher Wandler (linearitaet_vergleich_verschiedene_wandler.jpg)

Graph 4: Gegenüberstellung der Amplitudenabschwächung in Abhängigkeit der Abschattung unterschiedlicher Wandler in einer normierten Darstellung

Graph 4 fasst die Ergebnisse dieser Untersuchung noch einmal normiert zusammen.
​Die Verwendung der bewährten Technologie bringt neben dem großen Linearitätsbereich eines Arrays weitere Vorteile mit sich.
SECO Wandler sind robust und weisen auch in rauer Umgebung lange Lebensdauern auf.
Das Design eines Wandler-Arrays kann an praktisch alle Einbaugeometrien angepasst werden.
Somit steht ein Verfahren zur Verfügung, einen großen linearen Regelbereich mit bewährter Technik bereit zu stellen.