DE102004020895B4

DE102004020895B4 - Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums

Info

Publication number: DE102004020895B4
Application number: DE102004020895A
Authority: DE
Inventors: Roland Grozinger; Klaus Ruf
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2012-05-24
Anticipated expiration: 2024-04-29
Also published as: DE102004020895A1; WO2005106390A3; WO2005106390A2

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums, mit einem Piezowandler (1) mit mindestens einem ersten (2) und einem zweiten Segment (3), wobei die Segmente (2, 3) unterschiedliche Polarisation aufweisen, wobei der Piezowandler (1) Ultraschallsignale erzeugt bzw. empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes (6) und ein zweites elektrisches Potential (7) vorgesehen sind, wobei die beiden Potentiale (6, 7) unterschiedlich sind, dass eine Schalteranordnung mit Schaltern (S1, S2, S3, S4) vorgesehen ist, die mit dem ersten (6) und dem zweiten Potential (7) und dem Piezowandler (1) verbunden ist, dass die Schalteiten (S2), einen dritten (S3) und einen vierten Schalter (S4) aufweist, dass der erste Schalter (S1) und der zweite Schalter (S2) mit dem ersten Segment (2) des Piezowandlers (1) verbunden sind, dass der dritte Schalter (S3) und der vierte Schalter (S4) mit dem zweiten Segment...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums, mit einem Piezowandler mit mindestens einem ersten und einem zweiten Segment, wobei die Segmente unterschiedliche Polarisation aufweisen, wobei der Piezowandler Ultraschallsignale erzeugt bzw. empfängt. Aus der Laufzeit der abgestrahlten und empfangenen Ultraschallsignale wird beispielsweise der Füllstand berechnet.
Der Füllstand eines Mediums in einem Tank lässt sich z. B. messen, indem von einem Sensor Ultraschall-Impulse ausgesandt und nach der Reflexion an der Oberfläche des Mediums wieder vom Sensor erfasst werden. Die benötigte Laufzeit ist ein Maß für den zurückgelegten Weg im leeren Tankteil. Dieser Wert wird von der gesamten Tankhöhe abgezogen und man erhält daraus den Füllstand. Entsprechende Messgeräte/Sensoren werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung „Prosonic” hergestellt und vertrieben. Für die Erzeugung der Ultraschall-Impulse wird ein Piezowandler – also ein piezoelektrisches Element mit mindestens zwei einander im Wesentlichen gegenüberliegender Seiten oder Segmenten, die unterschiedlich polarisiert sind – mit einer Wechselspannung zu Schwingungen angeregt. Die Wechselspannung ergibt sich z. B. über die Ansteuerung der Primärwicklungen eines Übertragers mit einer Gleichspannung. Problematisch an dieser Ausgestaltung ist, dass hierfür meist ein schwerer, großvolumiger und für die erforderliche Impulsleistung dimensionierte Übertrager erforderlich ist.
Ein Schall- oder Ultraschallsensor mit einem Wandlerelement, welches zwei unterschiedlich polarisierte piezoelektrische Segmente aufweist, ist beispielsweise in der Patentschrift DE 19620133 C2 beschrieben.
Aus der Patentschrift DE 954134 B ist eine Schalteinrichtung zur Erzeugung von Stromstößen zur Impulserregung eines Schallsenders mit einem Magnetostriktionsschwinger bekannt. Zur Erzeugung des Sendeimpulses wird ein Stoßkondensator durch einen Wechselschalter umgepolt, sodass sich dessen Aufladespannung und die Spannung eines Speicherkondensators addieren.
Daher besteht die Aufgabe der Erfindung darin, den Piezowandler eines Messgeräts mit einem möglichst einfachen Aufbau anzusteuern, der vor allem keinen Übertrager benötigt.
Die Erfindung löst die Aufgabe in einer ersten Variante durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Die Idee der ersten Variante ist also, dass zwei unterschiedliche elektrische Potentiale vorgesehen sind. Die Potentiale können sich hinsichtlich ihres Betrages oder ihres Vorzeichens voneinander unterscheiden. Durch die Schalteranordnung werden diese Potentiale abwechselnd mit den Segmenten – z. B. die Plus- und Minus-Seite – des Piezowandlers verbunden. Da die Potentiale unterschiedlich sind, liegt also am Piezowandler jeweils eine Potentialdifferenz an. Durch das Umschalten der Schalteranordnung liegt diese Potentialdifferenz jeweils in unterschiedlicher Richtung an, wodurch sich eine Wechselspannung für den Piezowandler ergibt. Dadurch kontrahiert und expandiert der Piezowandler alternierend. Diese Lösungsvariante benötigt also nur zwei unterschiedliche Potentiale und ein Übertrager ist nicht erforderlich.
Die Schalteranordnung weist mindestens einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Schalter auf, wobei der erste und der dritte Schalter im geschlossenen Zustand den Piezowandler mit dem ersten Potential verbinden, wobei der zweite und der vierte Schalter im geschlossenen Zustand den Piezowandler mit dem zweiten Potential verbinden, und wobei die Ansteuerlogik den ersten und den vierten Schalter bzw. den zweiten und den dritten Schalter jeweils gleichzeitig schließt bzw. öffnet. Jeweils zwei Schalter stellen abwechselnd jeweils den Kontakt zu einem der beiden Potentiale her. Für die Ansteuerung werden dann jeweils ein Schalter für das erste Potential und ein Schalter für das zweite Potential gleichzeitig geschaltet.
Eine Ausgestaltung der ersten erfindungsgemäßen Variante sieht vor, dass es sich bei dem ersten elektrischen Potential um einen aufgeladenen Kondensator oder um eine Gleichspannungsquelle handelt. Der Kondensator ist vorzugsweise über eine Spannungsquelle auf eine Spannung U1 aufgeladen. Ein solcher Kondensator ist auch deshalb vorteilhaft, weil er die Impulsleistung speichern kann. Solche Kondensatoren werden zu diesem Zweck meist auch bei einer Endstufe zur Ansteuerung eines Piezowandlers nach dem Stand der Technik verwendet. Ist ein Kondensator auf eine Spannung U1 aufgeladen oder ist eine Gleichspannungsquelle mit einer Spannung U1 gegeben, so ergibt sich effektiv für den Piezowandler die Ansteuerung durch eine Wechselspannung, deren Amplitude der Spannung U1 entspricht. Die Spannungsquelle zur Aufladung des Kondensators weist vorteilhafterweise eine höhere Spannung auf, so dass die Kapazität des Kondensators wesentlich kleiner gewählt werden kann, da die Spannung bekanntermaßen quadratisch eingeht. Die Ansteuerung muss dabei so ausgelegt sein, dass die Schalter eine hohe Spannung gegen ein hohes Potential schalten können.
Die Erfindung löst die Aufgabe mit einer zweiten Variante gemäß Anspruch 3 dadurch, dass ein erstes, ein zweites und ein drittes elektrisches Potential vorgesehen sind, dass das erste Potential größer als das zweite Potential ist, dass das dritte Potential kleiner als das zweite Potential ist, dass das erste Segment des Piezowandlers mit dem zweiten Potential verbunden ist, dass mindestens eine Schalteranordnung mit Schaltern vorgesehen ist, die mit dem ersten und dem dritten Potential und dem zweiten Segment des Piezowandler verbunden ist, dass mindestens eine Ansteuerlogik vorgesehen ist, die die Schalteranordnung steuert, und dass das zweite Segment des Piezowandlers über die Schalteranordnung periodisch abwechselnd mit dem ersten und dem dritten Potential verbunden ist. In dieser zweiten Variante ergibt sich die Wechselspannung am Piezowandler also dadurch, dass ein Segment mit einem Potential verbunden ist und dass das zweite Segment alternierend mit einem höheren und einem niedrigeren Potential verbunden wird. Somit hatte die Potentialdifferenz abwechselnd eine andere Richtung und eine Wechselspannung ergibt sich.
Eine Ausgestaltung der zweiten Variante sieht vor, dass es sich bei dem ersten und dem dritten elektrischen Potential jeweils um einen aufgeladenen Kondensator oder um eine Gleichspannungsquelle handelt. Dies ist eine entsprechende Ausgestaltung wie bei der ersten Variante. Es kann auch eine Kombination aus Kondensator und Spannungsquelle vorgesehen sein.
Eine Ausgestaltung, die sich auf die erste und die zweite Variante bezieht, sieht vor, dass es sich bei dem zweiten elektrischen Potential um ein Massepotential handelt. Dies ist eine sehr einfache Ausgestaltung und lässt sich beispielsweise durch eine Verbindung mit dem geerdeten Gehäuse der Messvorrichtung realisieren.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen jäher erläutert. Es zeigt:
1: ein schematisches Schaltbild zur Ansteuerung eines Piezowandlers gemäß dem Stand der Technik;
2: ein schematisches Schaltbild der ersten erfindungsgemäßen Variante; und
3: ein schematisches Schaltbild der zweiten erfindungsgemäßen Variante.
1 zeigt den Aufbau einer sog. Endstufe zur Ansteuerung eines Piezowandlers, Die Primärwicklungen N1 und N2 des Übertragers 30 – hier ein Transformator – werden über die Schalter S1 und S2 abwechselnd gegensinnig für die Dauer der Erregung an die Gleichspannungsquelle 25 mit der Spannung U1 geschaltet. Auf diese Art entsteht in der Sekundärwicklung, N3 des Übertragers 30 unter der Voraussetzung, dass N1 = N2 ist, eine Wechselspannung mit der Amplitude U1·ü mit dem Übersetzungsverhältnis ü = N3/N1. Der Kondensator 10 dient der Speicherung der Impulsleistung. Vorteillg an diesem Stand der Technik ist zunächst die einfache Schaltungsanordnung. Beide Schalter S1 und S2 schalten relativ kleine Spannungen gegen Masse, so dass auch die Ansteuerung durch die Ansteuerlogik 20 sehr einfach ist. Weiterhin ist eine galvanische Trennung der Ausgangsspannung – Seite des Piezowandlers 1 – von der Eingangsspannung gegeben. Auch kann die Ausgangsspannung über das Übersetzungsverhältnis ü an die Spannungsquelle 25 angepasst werden. Der große Nachteil ist jedoch, dass ein schwerer, großvolumiger und auf die Impulsleistung dimensionierter Überfrager 30 notwendig ist. Dies gilt besonders für niedrige Anregungsfrequenzen des Piezowandlers 1.
In der 2 ist die erste erfindungsgemäße Variante dargestellt, im gezeigten Fall sind alle vier Schaler S1, S2, S3 und S4 der Schalteranordnung geöffnet. Solche Schalter lassen sich beispielsweise durch entsprechende Transistoren realisieren. Im Betrieb sind die Schalter paarweise geschlossen bzw. geöffnet. Die Schalter S1 und S4 werden gleichzeitig und abwechselnd zu S2 und S3 durch die Ansteuerlogik 20 für die Dauer der Erregung geschlossen. Bei der Ansteuerlogik 20 handelt es sich beispielsweise um einen Mikroprozessor oder um eine entsprechend ausgestaltete diskrete digitale Elektronik. Durch die abwechselnde Verbindung des Piezowandlers 1 – bzw. der Segmente mit negativer und positiver Polarisation – mit dem Kondensator 10 – also des erste elektrische Potential 6 – und dem Messepotential 15 – also das zweite Potential 7 – entsteht am Piezowandler 1 eine Wechselspannung, deren Amplitude der Spannung U1 des Kondensators 10 bzw. der Gleichspannungsquelle 25 entspricht Der Kondensator 10 dient auch hier der Speicherung der Impulsleistung. Der große Vorteil ist, dass kein Übertrager benötigt wird, somit kann diese Endstufe kleiner dimensioniert werden.
Weiterhin kann durch eine höhere Spannung U1 der Spannungsquelle 25 die Kapazität des Kondensators 10 wesentlich kleiner ausfallen, weil die Spannung quadratisch eingeht. Die Schalter S1 und S3 schalten jeweils eine hohe Spannung gegen ein hohes Potential. Dementsprechend sind die Schalter S1 und S3 und ist die Ansteuerung durch die Ansteuerlogik 20 auszugestalten.
In der 3 ist die zweite erfindungsgemäße Variante dargestellt. Hier werden die Schalter S1 und S2 abwechselnd für die Dauer der Erregung geschlossen bzw. geöffnet. Das erste Segment 2 des Piezowandlers 1 ist mit dem Messepotential 15 – das zweite Potential 6 also – verbunden. Das dritte Potential ist realisiert durch die Kondensatoren 10, die von den Spannungsquellen 25 auf die Spannungen U1 und U2 aufgeladen sind. Dabei gilt, dass U1 > 0 > U2, da das zweite Potential 6 Masse ist. Durch die Verbindung mit dem ersten 5 und dem dritten Potential 7 entsteht am Piezowandler 1 eine Wechselspannung, deren Amplitude gleich U1 ist, in dem Fall, dass |U1| = |U2| ist. Die Kondensatoren 10 dienen wieder der Speicherung der Impulsleistung.
Bezugszeichenliste

1: Piezowandler
2, 3: Segment des Piezowandlers
6: Erstes elektrisches Potential
7: Zweites elektrisches Potential
8: Drittes elektrisches Potential
10: Kondensator
15: Messepotential
20: Ansteuerlogik
25: Gleichspannungsquelle
30: Übertrager
S1, S2, S3, S4: Schalter

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums, mit einem Piezowandler (1) mit mindestens einem ersten (2) und einem zweiten Segment (3), wobei die Segmente (2, 3) unterschiedliche Polarisation aufweisen, wobei der Piezowandler (1) Ultraschallsignale erzeugt bzw. empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes (6) und ein zweites elektrisches Potential (7) vorgesehen sind, wobei die beiden Potentiale (6, 7) unterschiedlich sind, dass eine Schalteranordnung mit Schaltern (S1, S2, S3, S4) vorgesehen ist, die mit dem ersten (6) und dem zweiten Potential (7) und dem Piezowandler (1) verbunden ist, dass die Schalteranordnung mindestens einen ersten (S1), einen zweiten (S2), einen dritten (S3) und einen vierten Schalter (S4) aufweist, dass der erste Schalter (S1) und der zweite Schalter (S2) mit dem ersten Segment (2) des Piezowandlers (1) verbunden sind, dass der dritte Schalter (S3) und der vierte Schalter (S4) mit dem zweiten Segment (3) des Piezowandlers (1) verbunden sind, dass der erste Schalter (S1) im geschlossenen Zustand das erste Segment (2) des Piezowandlers (1) mit dem ersten Potential (6) verbindet, dass der dritte Schalter (S3) im geschlossenen Zustand das zweite Segment (3) des Piezowandlers (1) mit dem ersten Potential (6) verbindet, dass der zweite Schalter (S2) im geschlossenen Zustand das erste Segment (2) des Piezowandlers (1) mit dem zweiten Potential (7) verbindet und dass der vierte Schalter (S4) im geschlossenen Zustand das zweite Segment (3) des Piezowandlers (1) mit dem zweiten Potential (7) verbindet, dass mindestens eine Ansteuerlogik (20) vorgesehen ist, die die Schalteranordnung steuert, dass die Ansteuerlogik den ersten (S1) und den vierten Schalter (S4) gleichzeitig schließt bzw. öffnet, und dass die Ansteuerlogik den zweiten (S2) und den dritten Schalter (S3) gleichzeitig und abwechselnd zu dem ersten (S1) und dem vierten Schalter (84) schließt bzw. öffnet, sodass das erste Segment (2) und das zweite Segment (3) des Piezowandlers (1) über die Schalteranordnung jeweils periodisch abwechselnd mit dem ersten (6) und mit dem zweiten Potential (7) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten elektrischen Potential (6) um einen aufgeladenen Kondensator (10) oder um eine Gleichspannungsquelle (25) handelt.
Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums, mit einem Piezowandler (1) mit mindestens einem ersten (2) und einem zweiten Segment (3), wobei die Segmente (2, 3) unterschiedliche Polarisation aufweisen, wobei der Piezowandler (1) Ultraschallsignale erzeugt bzw. empfängt dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes (6), ein zweites (7) und ein drittes elektrisches Potential (8) vorgesehen sind, dass das erste Potential (6) größer als das zweite Potential (7) ist, dass das dritte Potential (8) kleiner als das zweite Potential (7) ist, dass das erste Segment (2) des Piezowandlers (1) mit dem zweiten Potential (7) verbunden ist, dass mindestens eine Schalteranordnung mit Schaltern (S1, S2) vorgesehen ist, die mit dem ersten (6) und dem dritten Potential (8) und dem zweiten Segment (3) des Piezowandler (1) verbunden ist, dass mindestens eine Ansteuerlogik (20) vorgesehen ist, die die Schalteranordnung steuert, und dass das zweite Segment (3) des Piezowandlers (1) über die Schalteranordnung periodisch abwechselnd mit dem ersten (6) und dem dritten Potential (8) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten (6) und dem dritten elektrischen Potential (8) jeweils um einen aufgeladenen Kondensator (10) oder um eine Gleichspannungsquelle (25) handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem zweiten elektrischen Potential (7) um ein Massepotential (15) handelt.