CH634919A5 - Nach dem echoprinzip arbeitender ultraschall-fuellstandgrenzmelder. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen nach dem Echoprinzip vorhandenen Störpegel kein Schaltsignal erzeugt wird. Die Einarbeitenden Ultrschall-Füllstandgrenzmelder mit wenigstens ei- ,50 Stellung muss andrerseits so erfolgen, dass bei vollem Behälter nem am Behälter auf der Höhe des zu erfassenden Füllstands das schwächste vorkommende Nutzecho noch mit Sicherheit zur angeordneten Ultraschallwandler zur Aussendung von Ultra- Abgabe eines Schaltsignals führt, da andernfalls gleichfalls ein schallimpulsen und/oder zum Empfang der von der gegenüber- falscher Füllstand vorgetäuscht würde. Diese Einstellung muss liegenden Behälterwand reflektierten Echoimpulse, einem an jeweils am Einbauort vorgenommen werden, was sorgfältige den Ultraschallwandler angeschlossenen Verstärker für die 55 Messungen durch eine geschulte Person erfordert. Wenn sich elektrischen Ausgangssignale des Ultraschallwandlers und mit jedoch nach einiger Zeit infolge geänderter Betriebsbedingun-einer an den Ausgang des Verstärkers angeschlossenen Schwel- gen der Störpegel und/oder die Echoamplitude ändert, ist der lenwertschaltung, die ein Ausgangssignal abgibt, wenn das Aus- vorgenommene Abgleich nicht mehr richtig, was zu einer Fehlgangssignal des Verstärkers einen vorgegebenen Schwellenwert funktion des Füllstandgrenzmelders führen kann.

übersteigt. 60 Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Ultraschall-

Bei Ultraschall-Füllstandgrenzmeldern dieser Art sendet Füllstandgrenzmelders der angegebenen Art, bei welchem ohne der Ultraschallwandler, der durch elektrische Hochfrequenzim- schwierigen Abgleich und unter wechselnden Betriebsbedin-

pulse periodisch erregt wird, Ultraschallimpulse in horizontaler gungen Fehlfunktionen infolge von Störsignalen oder einer

Richtung aus. Wenn sich auf der Höhe des Ultraschallwandlers Nichterfassung von Nutzechoimpulsen weitgehend vermieden ein Medium befindet, das für die Übertragung der Ultraschall- 65 sind.

wellen geeignet ist, laufen diese zu der gegenüberliegenden Be- Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch einen hälterwand, wo sie reflektiert werden, so dass ein Echoimpuls vom Ausgang des Verstärkers zu einem Verstärkungssteuerein-

zurückläuft, der von dem für die Sendung verwendeten Ultra- gang zurückgeführten Verstärkungsregelkreis, der das Aus-

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gangssignal des Verstärkers auf einem einstellbaren konstanten Sendeimpulse werden vom Ultraschallwandler 1 (oder auch von

Sollwert zu halten sucht, und durch eine Steueranordnung, die dem getrennten Sendewandler la) in Ultraschallimpulse der den Regelkreis während der für die Aussendung des Ultra- gleichen Frequenz umgewandelt und horizontal in den Behälter schall-Sendeimpulses und während der für den Empfang des abgestrahlt.

Echoimpulses in jeder Sendeperiode vorgesehenen Zeit blok- s In den Pausen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sen-

kiert. deimpulsen kann der Ultraschallwandler 1 Echoimpuise emp-Bei dem nach der Erfindung ausgebildeten Ultraschall-Füll- fangen. Er wandelt die Echoimpulse in elektrische Impulse um,

stand-Grenzmelder wird das Störsignal am Ausgang des Ver- die dem Eingang des Verstärkers 3 zugeführt werden, dessen stärkers auf einem durch den Sollwert vorgegebenen Wert kon- Verstärkung durch Anlegen eines Steuersignals an einen Ver-

stant gehalten ; durch die Blockierung des Verstärkungsregel- io stärkungssteuereingang 3a einstellbar ist. Das Ausgangssignal kreises wird gewährleistet, dass die Verstärkungsregelung aus- des Verstärkers 3 wird dem einen Eingang 5a einer Schwellen-

schliesslich auf Grund des Störsignalpegels erfolgt und dass die wertschaltung 5 zugeführt, an deren zweiten Eingang 5b eine

Sendeimpulse und empfangenen Nutzechos nicht in die Rege- den Schwellenwert bestimmende Spannung angelegt werden lung eingehen. Legt man den Sollwert geringfügig unter den für kann. Die Schwellenwertschaltung 5 hat ferner einen Steuerein-

die Nutzechoerfassung angewendeten Schwellenwert, so ist si- 15 gang 5c, der mit einem Ausgang der Steueranordnung 4 verbun-

chergestellt, dass einerseits keine Störsignale als Nutzechos be- den ist. Durch Anlegen eines Sperrsignals an den Steuereingang wertet werden und dass andererseits auch schwache Nutzechos 5c kann die Schwellenwertschaltung 5 blockiert werden,

mit Sicherheit erfasst werden, sofern sie den Störpegel geringfü- Die Schwellenwertschaltung 5 ist so ausgebildet, dass sie am gig überschreiten. Dieser optimale Betriebszustand stellt sich Ausgang ein Gleichspannungssignal abgibt, wenn während der beim Einbau des Geräts automatisch ein und wird auch bei 211 Freigabezeit, in der sie nicht durch ein am Steuereingang 5c

Änderungen des Störpegels automatisch aufrechterhalten. anliegendes Sperrsignal blockiert ist, am Eingang 5a ein Signal

Vorzugsweise gibt die Steueranordnung den Verstärkungs- erscheint, das die am Eingang 5b anliegende Schwellenspan-

regelkreis in jeder Sendeperiode zwischen dem für die Aussen- nung übersteigt. Dieses Gleichspannungssignal kann zur Anzei-

dung des Sendeimpulses vorgesehenen Zeitintervall und dem ge oder zur Auslösung von Schaltvorgängen dienen, beispiels-

für den Empfang des Echoimpulses vorgesehenen Zeitintervall 25 weise durch Erregung eines an den Ausgang der Schwellenwertfrei. Durch diese Massnahme wird erreicht, dass der unmittelbar Schaltung 5 angeschlossenen Relais 6.

vor der Echoerfassung bestehende Störpegel für die Verstär- Der Ausgang des Verstärkers 3 ist ferner mit dem Eingang kungsregelung massgeblich ist. 7a eines Schwellenwertkomparators 7 verbunden, der einen Eine bevorzugte Ausführungsform des Ultraschall-Füll- weiteren Eingang 7b hat, an dem eine den Schwellenwert be-standgrenzmelders nach der Erfindung besteht darin, dass der 30 stimmende Spannung angelegt ist. Ein Steuereingang 7c des Verstärkungsregelkreis einen mit dem Ausgang des Verstärkers Schwellenwertkomparators 7 ist mit der Steueranordnung 4 ververbundenen einstellbaren Schwellenwertkomparator enthält, bunden ; durch Anlegen eines Sperrsignals an den Steuereinder ein Ausgangssignal abgibt, wenn das Ausgangssignal des gang 7 c kann der Schwellenwertkomparator 7 b lockiert Verstärkers einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, so- werden.

wie eine auf das Ausgangssignal des Schwellenwertkomparators 35 Der Schwellenwertkomparator 7 ist so ausgebildet, dass er ansprechende monostabile Kippschaltung und einen an den am Ausgang ein Signal abgibt, wenn während seiner Freigabe-

Ausgang der monostabilen Kippschaltung angeschlossenen In- zeit, in der er nicht durch ein an den Steuereingang 7c angeleg-

tegrator, dessen Ausgang auf ein Verstärkungsstellglied ein- tes Sperrsignal blockiert ist, am Eingang 7a ein Signal erscheint,

wirkt. das die am Eingang 7b anliegende Schwellenwertspannung

Weitere Ausführungen und Vorteile der Erfindung ergeben 40 übersteigt. An den Ausgang des Schwellenwertkomparators 7 sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels ist eine monostabile Kippschaltung 8 angeschlossen, die durch an Hand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen: das Ausgangssignal des Schwellenwertkomparators 7 ausgelöst

Fig. 1 das Blockschaltbild eines Ultraschall-Füllstandgrenz- wird. Der von der monostabilen Kippschaltung 8 erzeugte Im-

schalters mit einem Melder nach der Erfindung und puls wird einem Integrator 9 zugeführt, dessen Ausgang mit

Fig. 2 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise des 45 einem die Verstärkung des Verstärkers 3 bestimmenden Stell-

Ultraschall- FiilktanHgrpnysrhaltc.rs nach Fig. 1. glied 10 verbunden ist. Das Stellglied 10 kann beispielsweise ein

Der in Fig. 1 dargestellte Ultraschall-Grenzschalter enthält Feldeffekttransistor sein, dessen Steuerelektrode mit dem Inte-

einen Ultraschallwandler 1, der an dem Behälter, dessen Füll- grator 9 verbunden ist.

stand überwacht werden soll, auf der Höhe des zu überwachen- Die zeitliche Steuerung der verschiedenen Bestandteile der den Grenzfüllstands angebracht ist. Der Ultraschallwandler 1 ist50 Anordnung von Fig. 1 durch die Steueranordnung 4 ist aus den so ausgebildet, dass er sowohl als Sendewandler für die Aussen- Zeitdiagrammen von Fig. 2 erkennbar. Das Diagramm A zeigt dung von Ultraschallimpulsen als auch als Empfangswandler für die Sendeimpulse S, die im Abstand der Sendeperiode T vom den Empfang von Ultraschall-Echoimpulsen arbeiten kann. Der Ultraschallwandler 1 ausgesendet werden. Diese Sendeimpulse

Ultraschallwandler 1 ist einerseits mit dem Ausgang eines Sen- S sind nach einer Zeitdauer tj abgeklungen. Wenn ein die Aus-

deimpulsgenerators 2 und andererseits mit dem Eingang eines 55 breitung der Ultraschallwellen erlaubendes Medium im Behäl-

Verstärkers 3 verbunden. Wahlweise wäre es auch möglich, an ter vorhanden ist, kommt nach einer Echolaufzeit tE, die vom den Ausgang des Sendeimpulsgenerators 2 einen getrennten Durchmesser des Behälters und von der Schallgeschwindigkeit

Sendewandler la anzuschliessen, wie in Fig. 1 gestrichelt ange- im Medium abhängt, am Ultraschallwandler 1 ein Echoimpuls E

deutet ist ; in diesem Fall würde der Ultraschallwandler 1 nur als an, der von der gegenüberliegenden Behälterwand reflektiert

Empfangswandler dienen, und die Verbindung zwischen dem 60 worden ist.

Ultraschallwandler 1 und dem Sendeimpulsgenerator 2 würde Das Diagramm B zeigt das von der Steueranordnung 4 an entfallen. den Steuereingang 5c der Schwellenwertschaltung 5 angelegte

Der Betrieb des Ultraschall-Grenzschalters wird durch eine Sperrsignal. Da für einen gegebenen Anwendungsfall der Zeit-

Steueranordnung 4 gesteuert, die insbesondere die periodische punkt, in dem ein Echoimpuls E auftreten kann, nur verhältnis-

Abgabe von kurzen hochfrequenten Sendeimpulsen durch den 65 mässig geringfügig schwankt und genau bestimmbar ist, wird die

Sendeimpulsgenerator 2 auslöst. Die Frequenz der Sendeimpul- Schwellenwertschaltung 5 nur während einer verhältnismässig se liegt beispielsweise über 1 MHz. kurzen Torzeit t3 geöffnet, die erst nach Ablauf einer Zeitspan-

Die vom Sendeimpulsgenerator 2 abgegebenen elektrischen ne t2 nach dem Ende des Sendezeit-Intervalls tj beginnt. Die

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Schwellenwertschaltung 5 wertet also nur Echosignale aus, die während der Torzeit t3 empfangen werden. Wenn in diesem Zeitintervall ein Echoimpuls E erscheint, der den am Eingang 5b eingestellten Schwellenwert übersteigt, gibt die Schwellenwertschaltung 5 am Ausgang ein Gleichspannungssignal ab, das anzeigt, dass der Füllstand im Behälter über dem durch die Anbringung des Ultraschallwandlers 1 bestimmten Niveau liegt. Wenn in der Torzeit t3 am Eingang der Schwellenwertschaltung 5a kein den Schwellenwert übersteigendes Signal erscheint, wird dies als Anzeichen dafür gewertet, dass der Füllstand unter dem Niveau des Ultraschallwandlers 1 liegt.

Wie im Diagramm C dargestellt ist, kann die Torzeit t3' auch bis zum Aussenden des nächsten Sendeimpulses S vergrössert werden. Dies ist möglich, da Mehrfach-Echos die Funktion des Füllstandgrenzschalters nicht beeinträchtigen.

Das Diagramm D zeigt das an den Steuereingang 7c des Schwellenwertkomparators 7 angelegte Sperrsignal. Wie zu erkennen ist, wird der Schwellenwertkomparator 7 nur während einer Zeitspanne t4 freigegeben, die in dem Zeitintervall t2 zwischen dem Ende des Sendeimpulses und dem Beginn der für die Auswertung des Echosignals vorgesehenen Torzeit t3 bzw. t3' liegt oder, wie dargestellt ist, gleich dem Zeitintervall t2 ist. In diesem Zeitintervall können am Ausgang des Verstärkers 3 keine Echosignale erscheinen; dies wird zur Anfragung des Störsignalpegels ausgenutzt.

Wenn der Spitzenwert des während des Zeitintervalls t4 am Ausgang des Verstärkers 3 erscheinenden Störsignals den am Eingang 7b des Schwellenwertkomparators 7 anliegenden Schwellenwert übersteigt, gibt der Schwellenwertkomparator 7 am Ausgang ein Signal ab, das die nachgeschaltete monostabile Kippschaltung 8 triggert. Der daraufhin von der monostabilen Kippschaltung 8 abgegebene Impuls wird im Integrator 9 integriert. Die integrierte Spannung steuert das Stellglied 10 derart an, dass die Verstärkung herabgesetzt wird. Infolge der durch den Integrator 9 bedingten Zeitkonstante des Regelkreises bleibt die kleinere Verstärkung bis zur nächsten Sendeperiode wirksam.

Wenn in der nächsten Sendeperiode das Störsignal am Ausgang des Verstärkers 3 erneut den Schwellenwert des Schwellenwertkomparators 7 übersteigt, wird die monostabile Kippschaltung 8 erneut ausgelöst, so dass der Integrator 9 einen weiteren Impuls integriert; die integrierte Spannung steigt dadurch erneut an, und die Verstärkung wird weiterhin verringert.

Wenn dagegen infolge der Herabsetzung der Verstärkung bei der nächsten Abfragung des Störsignalpegels während der

Zeit t4 in der folgenden Sendeperiode der Spitzenwert des Störsignals unter dem eingestellten Sollwert bleibt, wird die monostabile Kippschaltung 8 nicht ausgelöst, so dass die vom Integrator 9 integrierte Spannung abnimmt. Dadurch wird die Verstär-s kung über das Stellglied 10 vergrössert. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch, so dass die Verstärkung um einen durch den Sollwert und den Störsignalpegel bedingten Mittelwert pendelt. Die Schaltungsbestandteile 7,8,9,10 wirken somit als Regelkreis, der die während der Zeitspanne t4 erscheinenden io Spitzenwerte des Ausgangssignals des Verstärkers 3 auf einem konstanten Wert zu halten sucht. Die Abweichungen von dem Mittelwert können durch eine entsprechende Wahl der Integrationszeitkonstante klein gehalten werden.

Wenn sich der Störsignalpegel ändert, stellt sich von selbst 15 ein neuer Mittelwert der Verstärkung ein, bei dem das Störsignal am Ausgang des Verstärkers 3 wieder den gleichen konstanten Spitzenwert hat.

Zur Einstellung des Schwellenwerts kann der Eingang 5b der Schwellenwertschaltung 5 mit dem Abgriff eines Potentio-20 meters 11 verbunden sein, das an die Klemmen einer Bezugsspannungsquelle 12 angeschlossen ist. Der Eingang 7b des Schwellenwertkomparators 7 ist in entsprechender Weise mit dem Abgriff eines Potentiometers 13 verbunden, das an der gleichen Bezugsspannungsquelle 12 liegt. 25 Das Potentiometer 13 wird so eingestellt, dass unter Berücksichtigung der grössten durch die Regelung bedingten Abweichungen das am Ausgang des Verstärkers 3 während der Freigabezeiten t4 erscheinende Störsignal niemals den mittels des Potentiometers 11 am Eingang 5b der Schwellenwertschal-30 tung 5 eingestellten Schwellenwert erreicht. Dadurch wird mit grosser Wahrscheinlichkeit verhindert, das die Schwellenwertschaltung 5 während ihrer Freigabezeit t3 auf Störsignale anspricht. Da dieser Sicherheitsabstand durch die bewirkte Regelung auch bei Änderungen des Störsignalpegels aufrechterhal-35 ten wird, hat der Verstärker 3 stets die optimale Verstärkung für die Auswertung der Nutzechos unter Berücksichtigung des Störsignalpegels.

Die Erzeugung der den Eingängen 5b und 7b zugeführten Schwellenwertspannungen mit Hilfe von Spannungsteilern, die 40 an die gleiche Bezugsspannungsquelle angeschlossen sind, ergibt den zusätzlichen Vorteil, dass Schwankungen der Bezugsspannung sich in gleicher Weise auf die an der Schwellenwertschaltung 5 und am Schwellenwertkomparator 7 eingestellten Schwellenwertspannungen auswirkt, so dass das Verhältnis die-45 ser Schwellenwertspannungen unverändert bleibt. An die Konstanz der Bezugsspannungsquelle 12 brauchen daher keine hohen Anforderungen gestellt zu werden.

C

2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

634 919 2 PATENTANSPRÜCHE schallwandler oder auch von einem daneben angeordneten eige-

1. Nach dem Echoprinzip arbeitender Ultraschall-Füllstand- nen Empfangswandler empfangen und in ein elektrisches Signal grenzmelder mit wenigstens einem an einem Behälter auf der zurückverwandelt wird. Die Feststellung, ob ein vorgegebener Höhe des zu erfassenden Füllstands angeordneten Ultraschall- Grenzfüllstand über- oder unterschritten ist, beruht darauf, dass wandler zur Aussendung von Ultraschallimpulsen und/oder 5 Ultraschall wellen hoher Frequenz in Luft stark gedämpft wer-zum Empfang der von der gegenüberliegenden Behälterwand den. Wenn sich auf der Höhe des Ultraschallwandlers im Behäl-reflektierten Echoimpulse, einem an den Ultraschallwandler an- ter Luft befindet, wird somit kein Echo direkt von der dem geschlossenen Verstärker für die elektrischen Ausgangssignale Ultraschallwandler gegenüberliegenden Behälterwand empfan-des Ultraschallwandlers und mit einer an den Ausgang des Ver- gen. Wenn sich dagegen auf der Höhe des Ultraschallwandlers stärkers angeschlossenen Schwellenwertschaltung, die ein Aus- îoin dem Behälter ein Füllgut befindet, in dem sich Ultraschallgangssignal abgibt, wenn das Ausgangssignal des Verstärkers wellen dieser hohen Frequenz gut ausbreiten können, was ins-einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, gekennzeichnet besondere bei Flüssigkeiten der Fall ist, wird ein verhältnismäs-durch einen vom Ausgang des Verstärkers zu einem Verstär- sig starkes Echo empfangen. Der Empfang oder Nichtempfang kungssteuereingang zurückgeführten Verstärkungsregelkreis, eines Echoimpulses zeigt also an, ob der Füllstand im Behälter der das Ausgangssignal des Verstärkers auf einem einstellbaren is über oder unter der Höhe liegt, auf welcher der Ultraschallkonstanten Sollwert zu halten sucht, und durch eine Steueran- wandler am Behälter angebracht ist.

Ordnung, die den Regelkreis während der für die Aussendung Die Echoamplitude wird unter anderem von dem verwende-

des Ultraschall-Sendeimpulses und während der für den Emp- ten Ultraschallwandler, der Ankopplung des Wandlers an dem fang des Echoimpulses in jeder Sendeperiode vorgesehenen Behälter, dem Werkstoff, aus dem der Behälter gefertigt ist,

Zeit blockiert. 20 dem Behälterdurchmesser und dem Füllgut bestimmt. Die

2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steueranordnung die der gegenüberliegenden Behälterwand reflektierter Echoimpuls Schwellenwertschaltung während der Aussendung des Sendeim- am Ultraschallwandler eintreffen muss. Vorzugsweise wird die puises und während der Freigabezeit des Verstärkungsregel- 30 Empfangsanordnung in jeder Sendeperiode nur während dieses kreises blockiert. Zeitintervalls, das «Torzeit» genannt wird, freigegeben und

2. Ultraschall-Füllstandgrenzmelder nach Anspruch 1, Echolaufzeit wird durch den Behälterdurchmesser und durch dadurch gekennzeichnet, dass die Steueranordnung den Ver- die Schallgeschwindigkeit im Füllgut bestimmt. Die Schallge-stärkungsregelkreis in jeder Sendeperiode zwischen dem für die schwindigkeit im Medium hängt wiederum von verschiedenen Aussendung des Sendeimpulses vorgesehenen Zeitintervall und Faktoren ab, insbesondere von der Art des Füllguts und von dem für den Empfang des Echoimpulses vorgesehenen Zeitin- " dessen Temperatur. Für einen gegebenen Anwendungsfall kann tervall freigibt. ein Zeitintervall bestimmt werden, in welchem unter Berück-

3. Ultraschall-Füllstandgrenzmelder nach Anspruch 1 oder sichtigung aller zu erwartenden Schwankungen ein direkt von

4. Ultraschall-Füllstandgrenzmelder nach einem der An- während der übrigen Zeit blockiert. Damit wird insbesondere sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstär- verhindert, dass die Empfangsanordnung während der Aussenkungsregelkreis einen mit dem Ausgang des Verstärkers ver- dung des Sendeimpulses aktiv ist.

bundenen einstellbaren Schwellenwertkomparator enthält, der 35 Das aufgrund des Echoimpulses vom Ultrschallwandler ab-

ein Ausgangssignal abgibt, wenn das Ausgangssignal des Ver- gegebene und im Verstärker verstärkte elektrische Signal wird,

stärkers einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, sowie sofern es innerhalb der Torzeit erscheint und den vorgegebenen eine auf das Ausgangssignal des Schwellenwertkomparators an- Schwellenwert übersteigt, von der Schwellenwertschaltung in sprechende monostabile Kippschaltung und einen an den Aus- ein Schaltsignal umgewandelt, das zur Anzeige und/oder zur gang der monostabilen Kippschaltung angeschlossenen Integra- 40 Auslösung von Schaltvorgängen verwendet werden kann,

tor, dessen Ausgang auf ein Verstärkungsstellglied einwirkt. Infolge des stets vorhandenen Störpegels im Behälter kann

5. Ultraschall-Füllstandgrenzmelder nach Anspruch 4, es vorkommen, dass der Ultraschallwandler auch dann Aus-dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert des Schwellen- gangssignale abgibt, wenn der Füllstand unter dem festzustel-wertkomparators auf einen Sollwert eingestellt ist, der unter lenden Grenzwert liegt. Wenn solche Störsignale in der Torzeit dem Schwellenwert der Schwellenwertschaltung liegt. 45 auftreten, dürfen sie nicht zur Abgabe eines Schaltsignals führen, weil dadurch ein falscher Füllstand vorgetäuscht würde.

Deshalb wird entweder der Schwellenwert oder die Verstärkung des Verstärkers bei leerem Behälter so eingestellt, dass bei dem