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Ultraschallmessung

Wie Piezoelemente Ultraschallsensoren in Schwung bringen

| Autor / Redakteur: Dominik Nehse, Ellen-Christine Reiff / Dr. Jörg Kempf

Piezoelemente für Ultraschallsensoren bieten in der Automatisierung sowie der Prozess- und Verfahrenstechnik viele Möglichkeiten.
Piezoelemente für Ultraschallsensoren bieten in der Automatisierung sowie der Prozess- und Verfahrenstechnik viele Möglichkeiten. (Bild: PI)

Die Piezotechnologie wird heute in vielen alltäglichen Produkten angewendet, z.B. in Feuerzeugen, Lautsprechern und Signalgebern. In der Prozesstechnik bringt sie Ultraschallsensoren in Schwung. Erfahren Sie mehr über die Welt des Piezoeffekts.

Ultraschallsensoren bieten in der Automatisierung sowie der Prozess- und Verfahrenstechnik viele Möglichkeiten. Das Einsatzspektrum des berührungslosen und robusten Messverfahrens reicht von Abstandsbestimmung und Objekterkennung über Füllstands- und Durchflussmessungen bis hin zu hochauflösenden Materialprüfungen.

Dabei sind stets die Wandler die wichtigsten Komponenten in einem Ultraschallsensor. Sie wandeln entweder als Sender elektrische Signale in Ultraschall oder als Empfänger die von einem Objekt reflektierten Schallwellen in elektrische Signale um. Piezokeramische Elemente sind das „Herz“ der Wandler. Sie müssen nicht nur die geforderte Leistung und Qualität bieten, sondern sich auch gut integrieren lassen.

Der Piezoeffekt

Piezoelektrische Materialien erzeugen bei Krafteinwirkung eine elektrische Spannung (direkter Piezoeffekt) und verändern unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes ihre Abmessungen (inverser Piezoeffekt). Sie wandeln mechanische in elektrische Energie um und umgekehrt, man spricht deshalb auch von Transducern. Während sich der inverse Piezoeffekt auch für aktorische Anwendungen nutzen lässt, bieten sich der direkte Piezoeffekt oder die Kombination beider Effekte für die Realisierung von Sensoren an.

Der Piezoeffekt beruht dabei ausschließlich auf Verschiebungen innerhalb des Kristallgitters des piezoelektrischen Elements. Er ist daher keiner mechanischen Reibung und keinem Verschleiß im klassischen Sinne unterworfen und hochsensibel. Bereits kleinste Deformationen erzeugen unmittelbar eine messbare Ladungsverschiebung, und umgekehrt bewirkt eine kleine elektrische Spannung bei einem Aktor eine sofortige Auslenkung.

Laufzeitmessung oder Dopplerprinzip

Das Erzeugen und Detektieren von Ultraschall ist damit eine klassische Piezo-Anwendung, denn beim Anlegen einer Wechselspannung beginnt das Piezoelement zu schwingen. Ein typischer Anwendungsfall ist die Messung von Füllständen. Der Piezowandler ist außerhalb des zu detektierenden Mediums platziert und arbeitet über den inversen Piezoeffekt als Sender und mit dem direkten als Empfänger. Der Füllstandsdetektor sendet einen Ultraschallimpuls aus, der vom Füllmedium reflektiert wird. Die benötigte Laufzeit ist ein Maß für den zurückgelegten Weg im leeren Behälterteil. Damit sind berührungslose Messungen möglich, bei denen über eine Abstandsmessung der Füllstand von Flüssigkeiten aber auch von Feststoffen, z.B. in Silos, gemessen werden kann. Die Auflösung bzw. Genauigkeit hängen davon ab, wie gut der Ultraschallimpuls von der jeweiligen Oberfläche reflektiert wird.

Die Durchflussmessung basiert auf der Laufzeitdifferenz bei wechselseitigem Senden und Empfangen von Ultraschallimpulsen in und gegen die Strömungsrichtung. Dabei werden zwei Piezowandler, die sowohl als Sender als auch als Empfänger arbeiten, in einer Schallstrecke schräg zur Strömungsrichtung angeordnet.

Auch mit nur einem Wandler kann man den Durchfluss messen. Dann wird nach dem Prinzip des Doppler-Effekts die Phasen- bzw. Frequenzverschiebung der von den in der Flüssigkeit vorhandenen Partikeln gestreuten bzw. reflektierten Ultraschallwellen ausgewertet. Die Frequenzverschiebung zwischen abgestrahlter und empfangener, reflektierter Wellenfront ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit. Auf ähnliche Weise lassen sich viele andere Aufgabenstellungen effizient lösen, z.B. Objekterkennungen oder hochauflösende Materialprüfungen.

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