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I sensori a ultrasuoni sono diventati un prodotto standard

I sensori a ultrasuoni, destinati al mondo dell'automazione industriale, sono presenti sul mercato da circa 30 anni. In origine, erano costosi e di grandi dimensioni e venivano distribuiti solo a particolari settori d'impiego; oggi, invece, si sono evoluti diventando più compatti, potenti ed economici, dei dispositivi versatili ed affidabili in numerose applicazioni.


I "compiti" dei sensori

Un sensore è un componente tecnico in grado di registrare specifiche proprietà fisiche o chimiche in termini qualitativi o quantitativi. Nella tecnologia dell'automazione, i sensori utilizzano segnali per rilevare lo stato di una macchina o di un impianto e tali segnali fungono anche da variabili di ingresso per l'unità di elaborazione. I sensori si distinguono essenzialmente in base ai relativi principi di funzionamento fisici. I sensori induttivi reagiscono ai cambiamenti di un campo elettromagnetico, mentre i sensori fotoelettrici reagiscono ai cambiamenti delle radiazioni luminose. I sensori a ultrasuoni funzionano mediante l'emissione di onde acustiche che si propagano tramite una soluzione emittente (gas, fluido, materiale solido). I sensori a ultrasuoni si utilizzano principalmente nell'automazione di fabbrica per misurare il tempo di funzionamento o l'ampiezza degli impulsi degli ultrasuoni nell'aria. Quando si utilizza la ben nota procedura di misurazione del tempo di volo, il sensore emette un pacchetto di impulsi a ultrasuoni e misura il tempo trascorso fino al momento in cui viene ricevuta un'eco (Figura 1). In questi casi viene in genere utilizzato un singolo convertitore a ultrasuoni che svolge la funzione di trasmettitore e ricevitore. La distanza dal sensore all'oggetto che genera l'eco viene quindi calcolata attraverso la formula . (c: velocità degli ultrasuoni, t: tempo di funzionamento misurato). Esistono inoltre anche sensori trasmettitori e ricevitori contenenti singoli convertitori situati in un medesimo alloggiamento oppure collegati separatamente per consentire l'integrazione sia di sensori standard sia di sensori a sbarramento.



Fig. 1: Attraverso la misurazione del tempo di volo, il sensore emette degli impulsi a ultrasuoni misurando il tempo di ricezione dell'eco; tale procedura viene utilizzata per calcolare la distanza dall'oggetto.

Convertitori a ultrasuoni

Il componente principale di un sensore a ultrasuoni è il convertitore. Oggi, nella maggior parte delle applicazioni, si utilizzano convertitori compatti composti da una combinazione di piezoceramica, per la generazione di una vibrazione meccanica, e uno strato acustico abbinato, necessario per adattare le impedenze acustiche estremamente diverse che la piezoceramica e l'aria presentano. Per ottenere il miglior giunto possibile, l'impedenza acustica dello strato di abbinamento deve essere . (dove ZK: impedenza acustica della piezoceramica, ZL: impedenza acustica dell'aria, Z = ρ * cM e ρ: densità del mezzo, cM: velocità ultrasonica del mezzo). Senza tali misurazioni, verrebbe rilasciata nell'aria (durante la trasmissione) o rilevata (in modalità ricevitore), solo una piccola parte dell'energia acustica riducendo sensibilmente le distanze di rilevamento. Oltre a garantire l'adattamento ottimale alle condizioni acustiche, vi sono altri aspetti estremamente importanti che caratterizzano i sensori a ultrasuoni: l'elevato grado di stabilità meccanica, l'alta resistenza agli agenti chimici, l'ampio intervallo di temperatura, il buon isolamento acustico dalla custodia del sensore e, non da ultimo, il prezzo accessibile. La pluriennale esperienza nel settore della sensoristica e le svariate metodologie di applicazioni, rappresentano uno dei principali elementi che contribuiscono al successo dei prodotti Pepperl+Fuchs. Lo sviluppo più recente in questo campo è un convertitore coperto da una membrana in acciaio inossidabile che rende possibile la produzione di sensori a ultrasuoni sigillati ermeticamente per la misurazione delle distanze.


Funzione

Un pacchetto di segnali o un singolo impulso ottengono la frequenza di risonanza richiesta in modalità trasmettitore tramite l'applicazione di tensioni fino a diverse centinaia di volt, al fine di stimolare elettricamente il convertitore a ultrasuoni descritto. Il sensore passa dunque alla modalità ricevitore, in cui il convertitore svolge la funzione di microfono. Il segnale del ricevitore, della grandezza di alcuni millivolt, viene amplificato, demodulato e trasmesso a un rilevatore di soglia. La distanza dall'oggetto viene quindi calcolata sulla base della durata dell'impulso a ultrasuoni. Il fatto che si utilizzi lo stesso convertitore per trasmettitori e ricevitori significa che, immediatamente di fronte al sensore, esiste un punto cieco in cui il rilevamento è impossibile. Intervenendo su hardware e software, è possibile ridurre in misura rilevante le dimensioni di questo punto cieco e aumentare l'immunità alle interferenze.

Poiché la velocità degli ultrasuoni nell'aria con (dove c0: velocità degli ultrasuoni a0 °C(331,5 m/s), T: temperatura in gradi Kelvin, T0: temperatura assoluta a0 °C(273,15 K)), dipende in larga misura dalla temperatura, una temperatura d'esercizio di100 Kproduce una variazione dicirca il 18%.Il sensore misura la temperatura ed effettua la necessaria compensazione, al fine di poter sopprimere l'interferenza in modo efficace ed ottenere una maggiore precisione di misurazione0,02del valore finale sull'intero intervallo di temperatura.

Le frequenze ultrasoniche utilizzate sono comprese nell'intervallo da40 kHza quasi1 MHz,pertanto, a causa dell'estremo aumento dell'attenuazione alle alte frequenze, sono possibili solo intervalli ridotti. Gli intervalli di rilevamento dei sensori variano da100 mma10 mI sensori a ultrasuoni sono relativamente lenti, in particolare nella misurazione di distanze elevate, poiché la velocità di propagazione del suono nell'aria è 1000 volte più lenta di quella della luce. A una distanza dell'oggetto di10 mil tempo di trasmissione degli ultrasuoni è di circa60 ms,un valore più che adeguato per numerose applicazioni.

Oltre alla funzione principale svolta dai convertitori a ultrasuoni menzionata in precedenza, anche la configurazione hardware e, soprattutto, l'elaborazione dei segnali da parte del microcontroller che si trova all'interno del sensore, sono caratteristiche decisive per le prestazioni. Anziché installare semplici controllori a 8 bit, che offrono solo funzionalità rudimentali, oggi si preferisce installare, come opzione standard, potenti controllori a 32 bit in grado di riprodurre algoritmi complessi in tempo reale, che richiedono minore spazio di installazione e contribuiscono a ridurre i costi. Tra gli esempi figurano la larghezza regolabile del cono sonoro e la possibilità di ottenere risultati di misurazione perfetti in condizioni difficili durante la misurazione delle ampiezze dell'eco (oltre che dei tempi di trasmissione). Le possibilità di applicazione vanno ben oltre l'ambito attuale e non sono state ancora esplorate completamente.


Applicazioni: caratteristiche e vantaggi

Rispetto ai sensori fotoelettrici, i sensori a ultrasuoni hanno una resistenza maggiore a sporcizia e umidità. Grazie alla natura olistica del dispositivo, i danni lievi alla superficie del convertitore non costituiscono un problema grave; il colore o il grado di trasparenza degli oggetti rilevati non ha alcuna influenza. La durata dei sensori a ultrasuoni è paragonabile a quella dei sensori induttivi, ma con un campo di rilevamento 100 volte superiore. Anche i design presentano notevoli similitudini: sensori a ultrasuoni cilindrici di piccole dimensioni come la serie M12 o a forma di parallelepipedo contenuti in scatole di interruttori di prossimità tradizionali, o sensori fotoelettrici, sono considerati sensori standard. Inoltre, vi sono disponibili versioni di sensori adattati a requisiti di applicazioni particolari, quali ad esempio la misurazione dei livelli di riempimento.

I sensori con uscite di commutazione digitali o un'interfaccia analogica 4-20 mA sono la scelta usuale. Tuttavia, sono disponibili dei sensori per tensioni di253 VCA con uscita relè. La maggior parte dei sensori può essere appresa o parametrizzata attraverso un'interfaccia e quindi adattata alla rispettiva applicazione. Il nuovo standard industriale IO-Link è stato implementato di recente.



Fig. 2: Panoramica dei sensori a ultrasuoni

Applicazioni

I sensori a ultrasuoni sono applicabili in quasi tutti i settori collegati ai processi di automazione: industria della stampa per il monitoraggio del livello di inchiostro nei contenitori, su apparecchiature mobili e macchinari agricoli per la misurazione di distanze, posizioni e livelli di riempimento, nel settore della movimentazione dei materiali, nell' industria dell'imballaggio, e nella tecnologia di assemblaggio. L'impiego di sensori a ultrasuoni per il rilevamento dei fogli doppi utilizzati nei macchinari di stampa, scanner, ATM e macchine simili stanno trovando sempre più spazio, in quanto impediscono l'inserimento di più fogli contemporaneamente. Il funzionamento non si basa sulla misurazione dei tempi di esercizio ma sull'attenuazione dell'ampiezza attraverso gli oggetti. Questa tecnologia è stata discussa nel dettaglio nell'ATP edizione 5/2010.


Fig. 3: I sensori a ultrasuoni vengono utilizzati in molti settori quali: industria della stampa, apparecchiature mobili, movimentazione dei materiali, industria dell'imballaggio o tecnologia di assemblaggio.

Riepilogo

I moderni sensori a ultrasuoni sono un'eccellente alternativa all'impiego di altri sensori in aree di applicazione laddove questi sensori raggiungono i loro limiti fisici e consentono esclusivamente l'implementazione di un sistema automatizzato. La recente tendenza ormai affermata verso la miniaturizzazione implica che i sensori possano essere integrati in quasi tutti i tipi di macchina. Il drastico incremento delle prestazioni dei microcontroller nella generazione di algoritmi complessi ha consentito l'implementazione di applicazioni estremamente impegnative, inconcepibili alcuni anni fa. L'implementazione della parametrizzazione IO-Link intelligente e dell'interfaccia di processo rende ancora più facile la gestione dei sensori e l'integrazione all'interno dei sistemi di controllo delle macchine.

Finalmente disponibile: Guida alla tecnologia dei sensori ad ultrasuoni