Übung 2: Sensoren. IT für Intralogistiksysteme Vorlesung: Florian Grißmer. zu Kapitel 1.2: Sensoren

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1 Vorlesung: IT für Intralogistiksysteme 2014 Übung 2: Sensoren zu Kapitel 1.2: Sensoren Florian Grißmer

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4 Berührungslose Näherungsschalter Berührungsloser Näherungsschalter Mit Feldbeeinflussung Mit Energieübertragung induktiv kapazitiv magnetisch optisch akustisch pneumatisch funktechnisch kerntechnisch

5 Inhalt 1. Einführung 1.1 Aufbau eines Sensors 2. Sensoren mit Feldbeeinflussung 2.1 induktive Näherungsschalter 2.2 kapazitive Näherungsschalter 3. Sensoren mit Energieübertragung 3.1 Lichtsensoren 3.2 Ultraschallsensoren 4 Ausgangsbeschaltung 5 Fazit

6 1. Einführung Wieso Sensoren? Voraussetzung als Informationsgeber bei Automatisierten Abläufen. Beispiele für Sensoren Strömungssensoren Temperatursensoren Drucksensoren Positionssensoren

7 1.1 Aufbau eines Sensors Hilfsenergie Meßwert- Aufnehmer Umformer Elementarsensor Signalaufbereitung (z.b. Filterung) Signalvorverarbeitung (z.b. Kompensation) Signalverarbeitung Eingangssignal Ausgangssignal Parametervorgabe

8 1.2 Einsatzvariablen eines Sensors Verschiedene Einflüsse entscheiden das Einsatzspektrum eines Positionssensors Eigenschaften des Material Elektrisch leitend, Durchsichtig, Größe, Spiegelnd, Schallschluckend... Einsatzumgebung Temperatur, Lichtverhältnisse, Luftverhältnisse, Stabilität... Anordnung Zugang von einer Seite, zwei Seiten, oben, unten... Genauigkeit Binär, Analog, Entfernung, 2-Dimensional, 3-Dimensional...

9 2. Sensoren mit Feldbeeinflussung Schwingkreis Schaltung mit Spule und Kondensator. Amplitude Spannung abhängig von Kondensator und Dielektrikum. Amplitude Stromstärke anhängig von Spule und Kern.

10 2.1.1 Induktive Näherungsschalter - Aufbau Oszillator erzeugt hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld in der Spule Dieses Feld tritt aus der Spule in Form von Feldlinien aus Wenn die austretenden Feldlinien Metall durchsetzen, werden in diesem Metall Wirbelströme induziert, die Amplitude steigt. 1 Spule 2 Feldlinien

11 2.1.1 Induktive Näherungsschalter - Aufbau Einführung eines Ferritkerns Zusätzlich äußerer Metallring Metallgehäuse Fokussierung des Magnetfelds auf den Bereich vor dem Sensor 1 Ferritkern 2 Spule 3 Gehäuse 4 Feldlinien

12 2.1.1 Induktive Näherungsschalter - Aufbau

13 2.1.2 Induktive Näherungsschalter - Schaltvorgang Übersteigt die Stromstärke bestimmtes Maß, dann wird ein Schaltverstärker aktiviert Änderung Zustand z. B. von Aus in Ein Leitendes Material entfernt sich aus Erfassungsbereich Stromstärke sinkt Sensor hat wieder den Zustand Aus.

14 2.1.3 Induktive Näherungsschalter - Kenngrößen Bezeichnung Erklärung Schaltabstand 100% Gerätekenngröße Sn Abstand, bei dem ein sich der aktiven Fläche näherndes Betätigungselement einen Signalwechsel auslöst. Die Angaben beziehen sich auf das Norm-Betätigungsfeld (Stahl St 37, 1 mm Dicke, Kantenlänge = Schalterdurchmesser). Gerätespezifische Größe des Schaltabstandes, bei der Exemplarstreuung und Abweichungen durch Temperatur sowie Spannungsschwankungen nicht berücksichtigt sind.

15 2.1.3 Induktive Näherungsschalter - Kenngrößen Bezeichnung Realschaltabstand Sr 90% - 110% Erklärung Schaltabstand, der bei Nennspannung und einer Umgebungstemperatur von + 20 C gemessen wird. Er muss im Bereich von % des Schaltabstandes liegen. Nutzschaltabstand Su 81% - 121% Schaltabstand, den der Näherungsschalter im zulässigen Temperaturbereich (- 25 C bis + 70 C) und im zulässigen Bereich der Versorgungsspannung (80 bis 115 % der Nennspannung) einhalten muss. Der Nutzschaltabstand liegt im Bereich von % des Realschaltabstandes.

16 2.1.3 Induktive Näherungsschalter - Kenngrößen Bezeichnung Gesicherter Schaltabstand Sa 0% - 81% Schalthysterese H Ein Aus Erklärung Schaltabstand, in dem ein sicherer Betrieb des Näherungsschalters im zulässigen Bereich der Versorgungsspannung und der Umgebungstemperatur gewährleistet ist. Er liegt im Bereich von 0-81 % des Bemessungsschaltabstandes. Abstandsdifferenz zwischen Einschaltpunkt und Rückschaltpunkt des Näherungsschalters. Sie wird in Prozent des Nutzschaltabstand angegeben.

17 2.1.4 Statische Ansprechkennlinie Z Rückkippen S h z h x Ansprechen - r +r Schalter X

18 2.1.4 Statische Ansprechkennlinie Steuerelemente 1 t 0 = v / m t 1... Zeiteinheit beim Überfahren der Dämpfungsfahne... Abschwingzeit nach Eintauchen der Dämpfungsfahne 0 Strom t 0 = v/m t t t 2... Anschwingzeit 1 t 1 t 2 t E... Ausgangssignal des induktiven Gebers zur Weiterverbreitung, z. B. in einer SPS 0 Schaltzustand 1 0 t E t t t

19 2.1.4 Induktive Näherungsschalter Werkstoffabhängige Korrekturfaktoren

20 2.1.4 Induktive Näherungsschalter Beispiele

21 2.1.4 Induktive Näherungsschalter Beispiele

22 2.1.5 Induktive Näherungsschalter Fazit Induktive Sensoren nehmen den Abstand meist nur binär auf (sind entweder an oder aus ) Erkennbare Materialien müssen elektrisch leitend sein. Kompakte Bauweise Frequenzen liegt zwischen 20hz und 1Mhz Typische Schaltabstände sind zwischen 0,1 und 6 cm

23 2.2.1 Kapazitive Näherungsschalter Aufbau Kondensator speichert abhängig vom Dielektrikum eine gewisse Menge an Ladung Ein Kondensator in einem Schwingkreis kann Veränderungen am Dielektrikum messen. Veränderungen am Dielektrikum ändern die Amplitude der Schwingung Material mit hoher dielektrischer Leitfähigkeit erhöht die Amplitude 1 Dielektrikum 2 Kondensator

24 2.2.1 Kapazitive Näherungsschalter Aufbau Kondensator wird in Becherform verbaut Kompensationselektrode zur Verminderung störender Einflüsse Misst die dielektrische Leitfähigkeit des Mediums vor dem Sensor 1 Kompensationselektrode 2 Meßelektrode 3 Gegenelektrode 4 Gehäuse 5 Elektrisches Feld

25 2.2.2 Kapazitive Näherungsschalter Schaltvorgang Erzielender Schaltabstand ist abhängig von Größe der aktiven Fläche Dielektrizitätskonstanten des zu erfassenden Mediums Hoher Dielektrizitätskonstante hohe Schaltabstände Sämtliche Metalle Geerdete Objekte erziehlen 20-30% erhöhten Schaltabstand Unabhängig von Leitfähigkeit des Materials Materialstärke

26 2.2.2 Kapazitive Näherungsschalter Schaltvorgang Die Objektfläche (Kantenlänge) beeinflusst die Größe des Schaltabstandes Der Nennschaltabstand des kapazitiven Näherungsschalters ist auf eine Kantenlänge des Objektes, die dem Durchmesser des Näherungsschalters entspricht, bezogen Durch einen Potentiometer in der Rückkopplung des Oszillators kann der Schaltabstand in vorgegebenen Grenzen eingestellt werden

27 2.2.3 Kapazitive Näherungsschalter Beispiele Bahnkantensteuerung / Bandrißmeldung Zählen, Füllmeldung, Verschluß-Erkennung

28 2.2.3 Kapazitive Näherungsschalter Beispiele Max X Min Niveaukontrolle von Flüssigkeiten

29 2.2.3 Kapazitive Näherungsschalter Beispiele Metall Max Min Glas Kunststoff Niveausteuerung von Schüttgütern, Granulaten Niveaukontrolle von aggressiven Flüssigkeiten

30 2.2.3 Kapazitive Näherungsschalter Beispiele Stapelhöhen-Steuerung von Papier und Kartonagen Zählung, Füllüberwachung

31 2.2.3 Kapazitive Näherungsschalter Beispiele

32 2.2.4 Kapazitive Näherungsschalter Fazit Kapazitive Sensoren können den Abstand in Stufen aufnehmen Erkennbare Materialien müssen nicht elektrisch leitend sein. Kompakte Bauweise Typische Frequenz liegt zwischen 25hz und 1Mhz Typische Schaltabstände sind zwischen 1 und 8 cm

33 3.1.1 Optische Näherungsschalter Übersicht Elektromagnetisches Strahlenspektrum

34 3.1.1 Optische Näherungsschalter Übersicht Atmosphärische Durchlässigkeit

35 3.1.1 Optische Näherungsschalter Übersicht Arten optische Sensoren bildgebend (2-dimensional) Längenmessung (1-dimensional) Lichtschranken Funktionsweise Positionssensor mit Licht im optischen Spektrum Binäre Erkennungsauflösung Mehrere Lichtschranken können über Zeitmessungen auch komplexe Informationen aufnehmen Längenmessung durch Zeitmessung

36 3.1.1 Optische Näherungsschalter Übersicht Aufbau Senderansteuerung Oszillator Oszillator erzeugt gepulstes Licht Lichtsender sendetet gerichteten Lichtstrahl zum Empfänger Empfänger verarbeitet die Eingangsinformation (Filterung, Ausblendung) Ausgang schaltet je nach Logik Lichtstrahl unterbrochen Objekt erfasst Lichtstrahl empfangen kein Objekt erfasst Auch Umkehrung möglich! Lichtsender Lichtempfänger Gleichrichter, Verstärker Ausgangsschaltstufe

37 3.1.1 Optische Näherungsschalter Übersicht Oszillator Aufgabe Erzeugung eines modulierten Lichtsignals Nutzen Erhöhte Signalstärke (Betriebsreichweite) Erhöhte Betriebslebensdauer des Lichtsenders Fremdlicht kann aus Empfangssignal herausgerechnet werden Synchronisation mit Empfänger notwendig

38 3.1.1 Optische Näherungsschalter Übersicht Sender LED (Light Emitting Diode) Am häufigsten eingesetzte Halbleiter Sendet monochromes Licht Infrarot, Rot, Grün, blau Modulation möglich geringer Stromverbrauch und praktisch unbegrenzte Lebensdauer Schock- und Vibrationsbeständig UV-Lampen für fluoreszierende Materialien

39 3.1.1 Optische Näherungsschalter Übersicht Empfänger Wandelt empfangenes Licht in elektrisches Signal Arten Fotoelemente Fototransistoren Fotowiderstände Fotodiode Halbleiterdioden Änderung des Durchlassstroms bei Lichteinfall kurze Ansprechzeit Lichtempfindlich

40 3.1.2 Optische Näherungsschalter Einweglichtschranke Funktionsweise Sender und Empfänger in getrennten Gehäusen Objekt, das Lichtstrahl unterbricht wird erfasst und löst Schaltvorgang aus Anwendungsfälle großen Entfernungen rauhe Umgebungsbedingungen

41 3.1.2 Optische Näherungsschalter Einweglichtschranke Erkennung unabhängig von Farbe Form Reflexionsgrad Nachteile Erhöhter Installationsaufwand Aufwendige Justage Transparente Objekte werden möglicherweise nicht erfasst Für kurze Entfernungen sind Gabellichtschranken geeignet Sender und Empfänger im gleichen Gehäuse gegenüberliegend

42 3.1.2 Optische Näherungsschalter Einweglichtschranke

43 3.1.2 Optische Näherungsschalter Einweglichtschranke Anwesenheitskontrolle auf Förderbändern Erfassung von Kunststoffteilen

44 3.1.2 Optische Näherungsschalter Einweglichtschranke Füllstandskontrolle Durchhangregelung

45 3.1.2 Optische Näherungsschalter Einweglichtschranke 862 Synchronisation von Schneidevorgängen Etikettenerfassung

46 3.1.2 Optische Näherungsschalter Einweglichtschranke Demo 1

47 3.1.3 Optische Näherungsschalter Reflexlichtschranke Funktionsweise Sender und Empfänger in einem Gehäuse Ausgesandter Lichtstrahl wird durch einen Reflektor auf den Empfänger zurück reflektiert Unterbrechung des Lichstrahls löst einen Schaltvorgang aus Weit verbreiteter Lichtschrankentyp Anwendung bei beengten Platzverhältnissen mit wenig Anschlussmöglichkeiten

48 3.1.3 Optische Näherungsschalter Reflexlichtschranke Erfassung des Papierendes Zählung von PET-Flaschen

49 3.1.3 Optische Näherungsschalter Reflexlichtschranke

50 3.1.3 Optische Näherungsschalter Reflexlichtschranke

51 3.1.3 Optische Näherungsschalter Reflexlichtschranke Tripelspiegel Funktionsweise Tripelspiegel besteht aus vielen kleinen Prismen in 45 Anordnung die Licht winkelunabhängig zum Sender zurückwerfen, Einfallswinkel darf nicht größer werden wie 45 Spiegel verringern Reichweite einer Lichtschranke immer Spiegelnde Objekte werden u.u. nicht erkannt

52 3.1.3 Optische Näherungsschalter Reflexlichtschranke 1 lichtdurchlässige Schicht 2 Glaskugel 3 Grundschicht (Träger) 4 reflektierende Schicht Reflexfolie Funktionsweise Glaskugeln auf einer reflektierenden Schicht spiegeln Licht Auch erhältlich mit Tripeln (bessere Reflexionseigenschaften) Größerer Einfallwinkel möglich bis ca. 75

53 3.1.3 Optische Näherungsschalter Reflexlichtschranke Demo 2

54 3.1.3 Optische Näherungsschalter Reflexlichtschranke Polarisationsfilter Funktionsweise Polarisiertes Licht wird um 90 gedreht und zurückgeworfen Polarisationsfilter am Empfänger Nur um 90 gedrehtes Licht wird als Signal akzeptiert Erkennen spiegelnder Objekte Reichweitenverringerung der Lichtschranke um bis zu 50%

55 3.1.3 Optische Näherungsschalter Reflexlichtschranke Zählung spiegelnder Objekte Hindernisserfassung bei Torsteuerung

56 3.1.4 Optische Näherungsschalter Reflexlichttaster Funktionsweise Lichtreflexion von zu erfassendem Objekt Sender und Empfänger im gleichen Gehäuse Maximale Tastweite aghängig von Reflexionsgrad, Form, Farbe und Oberflächenbeschaffenheit Angegebene Referenz-Tastweiten beziehen sich z. B. auf Kodak Referenzpapier mit 90% Reflexionsgrad

57 3.1.4 Optische Näherungsschalter Reflexlichttaster Anwendungsfälle allgemeine Objekterfassung Erfassung von Kleinteilen Positionierung Zählaufgaben Ausführungsarten Reflextaster Fixfokus Reflextaster (Kleinteileerfassung) Mit Hintergrundausblendung für Kleinstteile

58 3.1.4 Optische Näherungsschalter Reflexlichttaster Gewindeerkennung Erfassung von Kunststoffteilen

59 3.1.4 Optische Näherungsschalter Reflexlichttaster Positionskontrolle Erkennung fehlender Düsen bei Spraydosen

60 3.1.4 Optische Näherungsschalter Reflexlichttaster Geschwindigkeitsmessung durch Impulszähler 750 Verschluß- und Etikettenkontrolle

61 3.1.4 Optische Näherungsschalter Reflexlichttaster Leiterplattenpositionierung Kastenvollgutüberprüfung

62 3.1.5 Optische Näherungsschalter Druckmarkenleser Spezielle Reflexlichttaster mit präziser Optik und hoher Schaltfrequenz aus Oberfläche wird von einem Lichtstrahl über eine Serie von Linsen beleuchtet Empfangssignal (proportional zu der Intensität des reflektierten Lichts) wird von einem Komparator ausgewertet Überschreitung einstellbarer Schaltschwelle lösst Signal aus Anwendungsfälle Kontrastunterscheidung von Farbmarkierungen Sender Glühlampe Umschaltbare rot/grün- bzw. rot/infrarot-le

63 3.1.5 Optische Näherungsschalter Druckmarkenleser In Ausführungen mit manueller oder automatischer Kontrastermittlung Bei beengten Platzverhältnissen ist Erweiterung mit Lichtleitern möglich Anwendungsfälle Qualitäts-, Druck- oder Positionskontrolle Objektsortierung Raportgerechtes Schneiden Industrien Verpackungsindustrie Pharmaindustrie

64 3.1.5 Optische Näherungsschalter Druckmarkenleser

65 3.1.5 Optische Näherungsschalter Druckmarkenleser Demo 3 Demo 4 Demo 5

66 3.1.6 Optische Näherungsschalter Luminiszenztaster Nutzt physikalischen Effekt der PhotoLumineszenz Umwandlung von Licht kurzer Wellenlänge in Licht mit höherer Wellenlänge UV-Licht (360 nm) trifft auf auf fluoreszierende Materialien auf Objekt wird zum Leuchten in sichtbarem Licht ( nm) angeregt Sichtbares Licht wird erfasst. Immun gegenüber hoch reflektierenden Objektoberflächen Typische Anwendungsbeispiele Erkennung und Erfassung von sichtbaren oder unsichtbaren fluoreszierenden Markierungen Kreide, Leim, Tinte, Farbe, Flüssigkeiten und Leuchtstifte

67 3.1.6 Optische Näherungsschalter Luminiszenztaster

68 3.1.6 Optische Näherungsschalter Luminiszenztaster Fahrspurerkennung Klassifizierung von Keramikfliesen

69 3.1.7 Optische Näherungsschalter Fiberoptiken 1 Glasfiber 2 Schutzschlauch als Stahlgewebe 3 Metallgewebe als Hülle 4 Silikonummantelung Bestehend aus Kunststoff- oder Glasfaser Licht wird mittels zwei getrennten Leitern (Sender/Empfänger) zur Abfragestelle bzw. wieder zurück zum Empfänger geleitet Anwendungsfälle beengte Platzverhältnisse hohe Temperatur Vibrationen extreme Umweltbedingungen

70 3.1.7 Optische Näherungsschalter Fiberoptiken Gewindeerkennung Einweglichtschranke Reflextaster

71 3.1.7 Optische Näherungsschalter Fiberoptiken Signalgeber für Bestückungsanlagen Positionskontrolle

72 3.2.1 Akustische Näherungsschalter Übersicht Sender erzeugt Ultraschall-Dauersignal, welches vom Empfänger ausgewertet wird. Unterbrechung oder Dämpfung löst ein Schaltsignal aus Ultraschallwandler sind z. B. verschleißfreie Piezokeramik- Festkörperwandler im Sender und Empfänger Unabhängig von Material, Farbe und Oberfläche des zu erfassenden Objektes auch extremen Umgebungsbedingungen möglich Staub, Feuchtigkeit, Farbnebel Durch Einweg-Prinzip mit getrenntem Sender und Empfänger sind hohe Reaktionsgeschwindigkeiten möglich

73 3.2.2 Akustische Näherungsschalter Einwegschranken Funktionsprinzip Unterbrechung der Schallübertragung zwischen Sender und Empfänger durch das zu erfassende Objekt Sichere Erfassung von transparenten Materialien Folien, Glas usw.

74 3.2.3 Akustische Näherungsschalter Reflexionstaster Funktionsprinzip Laufzeitmessung von Ultraschallimpulsen Ultraschall-Wandler, zum transformieren des Eingangs, bzw. Ausgangssignal in elektrische Signale Kurze Ultraschallimpulse werden erzeugt, die von dem zu erfassenden Objekt reflektiert werden Reflektierten Signale werden ausgewertet und aus Laufzeit der Objektabstand errechnet Liegt Objektabstand im eingestellten Bereich, wird der Schaltausgang eingeschaltet

75 3.2.3 Akustische Näherungsschalter Justage S1 S2 S3 S0 S0 Mindestabstand, aus technischen Gründen keine Objekterfassung möglich S1 & S3 Vorder- bzw Hintergrundausblendung S2 Erfassungsbereich, Objektechos führen zu einem Schaltsignal

76 3.2.3 Akustische Näherungsschalter Justage Tastweite unabhängig von Material, Farbe, Transparenz und Oberfläche des zu erfassenden Objektes Arbeiten auf Ultraschallfrequenz ( khz) Kleiner Öffnungswinkel mit temperaturkompensierter Laufzeitmessung Anfällig bei schallschluckenden Materialien Schaumgummi, Textilien und Filz Kompensation durch Reflektor (ebene Metallplatte) Schaltsignal wird auszulöst durch Unterbrechung des Ultraschallssignals durch zu erfassendes Material

77 3.2.3 Akustische Näherungsschalter Beispiele Behälter Leer/Voll-Kontrolle Füllstandsüberwachung von Flüssigkeiten

78 3.2.3 Akustische Näherungsschalter Beispiele Erfassung von durchsichtigen Objekten Kontrollieren, sortieren durch Höhenüberwachung

79 3.2.3 Akustische Näherungsschalter Beispiele Füllstandsüberwachung von grobkörnigem Schüttgut Stapelhöhenerfassung an Beladevorrichtungen

80 3.2.3 Akustische Näherungsschalter Beispiele

81 3.2.3 Akustische Näherungsschalter Beispiele Demo 6

82 3.2.3 Akustische Näherungsschalter Beispiele Fachbelegungs-Kontrolle in automatischen Hochregallagern Bandspannungskontrolle und Durchmesserüberwachung an Wickelvorrichtungen

83 4.1 Ausgangbeschaltung - Gleichrichter/Verstärker Die Gleichrichter/Verstärker-Stufe wandelt das vom Empfänger kommende Signal in ein Digitalsignal um Dieses Signal wird verstärkt und für die Ansteuerung der Ausgangsschaltstufe genutzt

84 4.2 Ausgangbeschaltung - Ausgang In Relation zur An- oder Abwesenheit eines zu erfassenden Objektes gibt die Schaltstufe die Informationen (EIN/AUS), abhängig vom Status des vorgeschalteten Verstärkers, an den Ausgang weiter Eine Lichtschranke heißt bei nicht empfangenden Signal Dunkelschaltend, bei empfangenen Signal Hellschaltend Dieses Ausgangssignal ermöglicht dem Benutzer beispielsweise den Anschluss an Zähler, Timer, Relais, programmierbare Steuerungen usw.

85 4.2 Ausgangbeschaltung - Ausgang Elektromechanisch Relais-Ausgang: Schalten von hohe Strömen (ca. 3A). Geringe Schaltgeschwindigkeit und Lebensdauer. Solid State Triac-Ausgang: Halbleiter zur Schaltung kleiner Wechselströme (von 100 ma bis 1 A). Hohe Schaltgeschwindigkeiten und lange Lebensdauer. Aber: Hohe Leckströme während des gesperrten Zustandes und Überempfindlichkeit bei Kurzschluss. NPN/PNP-Ausgang: Transistoren mit hoher Schaltfrequenz. Nahezu verschleißfrei und sehr lange Lebensdauer. Meist für direkte digitale Weiterverarbeitung an z.b. SPS. Analog-Ausgang: Direkte Weitergabe des Messwertes über Stromstärke an Empfänger. Werte sind proportional zum Betrag des Reflexions- oder Lumineszenzgrad des detektierten Objektes und lassen entsprechende Rückschlüsse zu.

86 5.1 Fazit - Störfanfälligkeit Sensor Temperatur Feuchtigkeit Staub Lärm Licht Infrarotstr. Elektro- Magnetische Felder (HF) induktiv o kapazitiv - o o optisch (Taster) o + o Ultraschall o Anfälligkeit: - gering o mittel + hoch

87 5.2 Fazit - Entfernungsbereiche Sensor Nutzbarer Entfernungsbereich induktiv kapazitiv optoelektronisch (Taster) Ultraschall 0, mm

88 5.3 Fazit - Materialanfälligkeiten Sensor induktiv kapazitiv Materialien Nichtmetalle Diverse Chemikalien, Papier, Staub optoelektronisch Ultraschall Glas, spiegelnde Materialien schallschluckende Materialien

89 Fragen?