DE102005012041A1

DE102005012041A1 - Ultraschallsende- und -empfangsvorrichtung für einen Ölpeilstab

Info

Publication number: DE102005012041A1
Application number: DE200510012041
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Voss
Original assignee: Werner Turck GmbH and Co KG
Current assignee: Werner Turck GmbH and Co KG
Priority date: 2005-03-16
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2025-03-17
Also published as: DE102005012041B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallsende- und -empfangsvorrichtung (12) mit einer Trägerplatte (11) und einem darauf befestigten Piezoelement (24), welches auf jeder seiner beiden Breitseiten eine Elektrode (25, 26) besitzt, wobei eine der Trägerplatte (11) zugewandte Elektrode (25) elektrisch leitend und mechanisch fest mit einer Kontaktzone (15) einer auf der Oberfläche der Trägerplatte (11) angeordneten Leiterbahn (16) verbunden ist. Zur Montageerleichterung ist vorgesehen, dass die der Trägerplatte (11) zugewandte Elektrode (25) ringsum vom Rand der Breitseite des Piezoelementes (24) beabstandet ist und ein mit der der Trägerplatte (11) abgewandten Elektrode (26) elektrisch leitend verbundener Kontaktabschnitt (28) auf einem Teilbereich des freien Randes der der Trägerplatte (11) zugewandten Breitseite des Piezoelementes (24) liegt, wobei die der Trägerplatte (11) zugewandte Elektrode (25) mit einer Kontaktzone (15) der Leiterbahn (16) und der Kontaktabschnitt (28) mit einer die Kontaktzone (15) konzentrisch umgebenden ringförmigen Kontaktzone (20) elektrisch leitend verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallsende- und -empfangsvorrichtung mit einer Trägerplatte und einem darauf befestigten Piezoelement, welches auf jeder seiner beiden Breitseiten eine Elektrode besitzt, wobei eine der Trägerplatte zugewandte Elektrode elektrisch leitend und mechanisch fest mit einer Kontaktzunge einer auf der Oberfläche der Trägerplatte angeordneten Leiterbahn verbunden ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Ultraschallfüllstandsensor, aufweisend eine an ihren beiden Enden mit je einer Öffnung versehenen langgestreckten Messkammer, in welcher eine Flüssigkeit den gleichen Füllstand aufweist, wie außerhalb der Messkammer und eine dem einen Ende der Messkammer zugeordnete Ultraschallsende- und Empfangsvorrichtung.

Einen derartigen Ultraschallfüllstandsensor mit einer Ultraschallsende- und -empfangsvorrichtung beschreibt die nicht vorveröffentlichte 10360107.4-52. Dort wie hier besteht der Ultraschallfüllstandsensor im Wesentlichen aus einem langgestreckten Peilstab mit einem endseitig angeordneten Stopfen. Der Stopfen ist fest mit dem Peilstab verbunden und weist an seinem oberen Ende eine Auswerteanzeigeeinrichtung auf. An der stirnseitigen Auswerteanzeigeeinrichtung kann man den Füllstand ablesen. Der Peilstab besteht aus zwei Schalen, die miteinander verklebt oder verschweißt werden. Dieser bildet eine langgestreckte Messkammer und einen langgestreckten Kabelkanal aus. Diese sind räumlich voneinander getrennt. Die Messkammer bildet eine obere Öffnung und eine untere Öffnung aus, durch die die zu messende Flüssigkeit in die Messkammer eindringen kann. Unterhalb der Messkammer ist eine Ultraschallsende- und -empfangseinrichtung angeordnet. Oberhalb der unteren Öffnung befindet sich ein Kalibrierreflektor. Der Abstand zwischen dem Kalibrierreflek tor und der Ultraschallsende- und -empfangseinrichtung ist geringer als der minimal zu bemessende Flüssigkeitspegel.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschallsende- und -empfangsvorrichtung für einen Ultraschallfüllstandsensor fertigungstechnisch zu verbessern.

Gelöst wird die Aufgabe sowohl von jedem einzelnen Anspruch allein als auch von jedweder Kombination jedes Anspruches mit jedem beliebigen anderen Anspruch.

Der Anspruch 1 sieht zunächst und im Wesentlichen vor, dass die der Trägerplatte zugewandte Elektrode ringsum vom Rand der Breitseite des Piezoelementes beabstandet ist und ein mit der der Trägerplatte abgewandten Elektrode elektrisch leitend verbundener Kontaktabschnitt auf einem Teilbereich des freien Randes der der Trägerplatte zugewandten Breitseite des Piezoelementes liegt, wobei die der Trägerplatte zugewandte Elektrode mit einer zentralen Kontaktzone der Leiterbahn und der Kontaktabschnitt mit einer die zentrale Kontaktzone als Zentrum umgebenden ringförmigen Kontaktzone elektrisch leitend verbunden ist.

Des Weiteren sieht der Anspruch 9 im Wesentlichen vor, dass die Ultraschallsende- und -empfangsvorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.

Bevorzugt wird die Trägerplatte der Ultraschallsende- und empfangsvorrichtung aus Keramik hergestellt. Die zentrale Kontaktzone und die ringförmige Kontaktzone sind jeweils mit Abschnitten der Leiterbahn elektrisch leitend mit Verbindungsstellen verbunden. An den Verbindungsstellen können Kabel oder dergleichen angelötet werden. Teilweise sind Leiterbahnabschnitte mit einer Isolationsschicht überdeckt. Zumindest an einer Stelle kreuzen sich elektrisch isolierte Leiterbahnabschnitte. Auf der Trägerplatte kann ein Thermowiderstand angeordnet sein. Zwischen den Elektroden des Piezoelementes und den Kontaktzonen der Leiterbahn wird mit Hilfe eines Leitklebers eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt. An einer der der Trägerplatte abgewandten Seite der Elektrode ist ein elastischer Körper angeordnet. Der elastische Körper besteht insbesondere aus Gummi.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 einen Ultraschallfüllstandsensor, der teilweise aufgebrochen dargestellt ist,
2 eine Ausschnittsvergrößerung gemäß II aus 1,
3 eine Ansicht gemäß der Schnittlinie III-III aus 2,
4 eine perspektivische Ansicht in Blickrichtung auf die Unterseite des Piezoelementes und dem darunter angeordneten elastischen Körper,
5 eine perspektivische Explosionsdarstellung der Ultraschallsende- und -empfangsvorrichtung und
6 eine perspektivische Ansicht der Ultraschallsende- und -empfangsvorrichtung im zusammengebauten Zustand.
Im Wesentlichen ist der in 1 dargestellte Ultraschallfüllstandsensor 1 wie in der zuvor erwähnten, nicht vorveröffentlichten Schrift der 10360107.4-52 aufgebaut. Der Ultraschallfüllstandsensor 1 ist Teil eines langgestreckten Peilstabes 2 mit endseitig angeordneten Stopfen 3. An dem oberen Ende des Stopfens 3 ist eine Auswerteanzeigeeinrichtung 4 angeordnet. Diese weist stirnseitig ein hier nicht dargestelltes Anzeigeeinrichtung (Display) auf, an dem man den Füllstand der zu messenden Flüssigkeit ablesen kann.
Der Peilstab 2 ist aus zwei Schalen gebildet, die miteinander verklebt oder verschweißt sind. Im aufgebrochenen Abschnitt der 1 ist gut zu sehen, dass der Peilstab 2 eine langgestreckte Messkammer 5 und einen langgestreckten Kabelkanal 6 ausbildet. Die Messkammer 5 und der Kabelkanal 6 werden durch eine Trennwand 7 voneinander räumlich getrennt.
Die Messkammer 5 weist eine zylindrische Grundkontur auf. Oberhalb der Messkammer 5 bildet der Peilstab 2 eine obere Öffnung 8 aus. Dem unteren Ende der Messkammer 5 ist ebenfalls eine untere Öffnung 9 zugeordnet. Durch die Öffnungen 8, 9 kann die zu messende Flüssigkeit in die Messkammer 5 gelangen. Oberhalb der unteren Öffnung 9 ist ein Kalibrierreflektor 10 angeordnet. Der Kalibrierreflektor 10 ist so weit über der unteren Öffnung 9 angeordnet, dass er immer noch unterhalb des niedrigsten zu messenden Füllstandes sich befindet. Das untere Ende der Messkammer 5 wird von einer Trägerplatte 11 verschlossen.
Die Trägerplatte 11 wird bevorzugt aus Keramik hergestellt und bspw. mit Kleber 14 mit dem Peilstab 2 verbunden. Sie dichtet die Messkammer 5 nach unten hin ab. Auf die Trägerplatte 11 ist die Ultraschallsende- und -empfangsvorrichtung 12 befestigt. Sie liegt auf der der Messkammer 5 abgewandten Seite der Trägerplatte 11. In dem Kabelkanal 6 verlaufen die Kabel 13, die die Auswerteanzeigeeinrichtung 4 und die Ultraschallsende- und -empfangsvorrichtung 12 miteinander verbinden.
Auf der Trägerplatte 11 ist eine kreisrunde Kontaktzone 15 angeordnet. Diese Kontaktzone 15 ist Teil einer Leiterbahn 16, die an ihrem Ende eine Verbindungsstelle 17 ausbildet. Die Leiterbahn 16 mündet seitlich in die zentrale Kontaktzone 15. Über einem Abschnitt der Leiterbahn 16 ist ein Bereich einer Isolationsschicht 18 angeordnet. Die Isolationsschicht 18 bildet eine kreisrunde Öffnung 19 aus. Die kreisrunde Öffnung 19 ist so in der Isolationsschicht 18 eingearbeitet, dass die Kontaktzone 15 zentral darin angeordnet ist. Die Isolationsschicht 8 erstreckt sich bis zur Verbindungsstelle 17 der Leiterbahn 16. Die Leiterbahn 16 wird nur teilweise von der Isolationsschicht überdeckt. Um die zentrale Kontaktzone 15 herum und auf der Isolationsschicht 18 ist eine ringförmige Kontaktzone 20 angeordnet. Diese ist ebenfalls mit einer Leiterbahn 16' verbunden. Am Ende der Leiterbahn 16' ist auch eine Verbindungsstelle 17 ausgebildet. Die Leiterbahn 16' wird nicht von der Isolationsschicht 18 überdeckt. Des Weiteren ist die Leiterbahn 16' der ringförmigen Kontaktzone 20 mit einer weiteren Leiterbahn 21 verbunden, die ebenfalls nicht von der Isolationsschicht 18 überdeckt wird. Die Leiterbahnen 16,16' und 21 verlaufen parallel zueinander. Mit der Leiterbahn 21 ist ein Thermowiderstand 22 verbunden. Der Thermowiderstand 22 ist mit seinem anderen Kontakt mit einer Verbindungsstelle 17 verbunden. Die Verbindungsstellen 17 weisen jeweils eine Bohrung 23 auf, die durch die Trägerplatte 11 hindurchgeht. Durch diese Bohrungen 23 können, wie in 2 dargestellt, die Kabel 13 hindurchgesteckt und mit den Verbindungsstellen 17 bspw. verlötet werden.
Die ringförmige Kontaktzone 20 kreuzt sich mit der Leiterbahn 16, die von der zentralen Kontaktzone 15 ausgeht. Da sich zwischen der Leiterbahn 16 und der ringförmigen Kontaktzone 20 die Isolationsschicht 18 befindet, sind diese nicht elektrisch leitend miteinander verbunden.
Ein Piezoelement 24 der Ultraschallsende- und -empfangsvorrichtung 12 weist die Form einer kreiszylinderförmigen Scheibe auf. Wie in 4 zu sehen ist, bildet das Piezoelement 24 eine mittig angeordnete annähernd kreisrunde Elektrode 25 aus. Die Elektrode 25 ist auf der Seite des Piezoelementes 24 angeordnet, die der Trägerplatte 11 zugewandt ist. Diese ist ringsum zum Rande der Breitseite des Piezoelementes 24 beabstandet.
An der Seite, die der Trägerplatte 11 abgewandt ist, bildet das Piezoelement 24 eine weitere Elektrode 26 aus. Die Elektrode 26 erstreckt sich über die gesamte Oberfläche der anderen Seite des Piezoelementes 24 und ist damit der Stirnfläche formangepasst. Seitlich bildet die Elektrode 26 eine Zunge 27 aus, die sich um das Piezoelement 24 herum erstreckt, so dass ein Kontaktabschnitt 28 sich auf derselben Seite befindet, auf der auch die Elektrode 25 angeordnet ist. Die beiden Elektroden 25, 26 stehen nicht in Kontakt zueinander.
Zur Montage wird auf die Elektrode 25 und den Kontaktabschnitt 28 der Elektrode 26 wird Leitkleber 29 aufgetragen.
Wie in 4 zu sehen ist, wird unterhalb der Elektrode 26 ein elastischer Körper 30 angeordnet. Dieser besteht bspw. aus Gummi. Der Grundriss des elastischen Körpers 30 ähnelt der Form des Piezoelementes 24. Der elastische Körper 30 und das Piezoelement 24 werden miteinander verklebt und bilden dann eine Einheit.
Diese komplette Einheit kann, wie in 5 verdeutlicht wird, auf die Trägerplatte 11 mit der zentralen Kontaktzone 15 und der ringförmigen Kontaktzone 20 mit dem Leitkleber aufgeklebt werden. Da der Leitkleber 29 sich bereits schon auf der Elektrode 25 und dem Kontaktabschnitt 28 des Piezoelementes 24 befindet, kann die komplette Einheit in einer beliebigen Drehstellung auf die Kontaktzonen 15, 20 aufgeklebt werden. Dadurch ist eine automatisierte Fertigung der Ultraschallsende- und -empfangsvorrichtung 12 möglich. Es muss nicht mehr darauf geachtet werden, dass die Kontakte 25, 26 des Piezoelemen tes 24 genau mit den Kontakten 15, 20 der Trägerplatte 11 übereinstimmen. Das Piezoelement 24 muss nur zentrisch zu der zentralen Kontaktzone 15 und der ringförmigen Kontaktzone 20 ausgerichtet werden. Nachdem die Ultraschallsende- und -empfangsvorrichtung 12 auf die Trägerplatte 11 geklebt worden ist, kann die Trägerplatte 11 mit der Ultraschallsende- und -empfangsvorrichtung 12 an dem Peilstab 2 mit Kleber 14 fixiert werden. Anschließend wird in den Hohlraum um die Ultraschallsende- und -empfangsvorrichtung 12 eine Vergussmasse 31 gespritzt. Durch diese ist sichergestellt, dass die Flüssigkeit aus der Messkammer 5 nicht in den Bereich des Kabelkanals 6 und der Ultraschallsende- und -empfangsvorrichtung 12 strömt. Die Vergussmasse 31 umgibt komplett die Ultraschallsende- und -empfangsvorrichtung 12.
Die Wirkungsweise des Ultraschallfüllstandsensors 1 mit der eingebauten Ultraschallsende- und -empfangsvorrichtung 12 ist im Wesentlichen die gleiche wie in der nicht veröffentlichten Schrift der 10360107.4-52. Jedoch wird hier durch den elastischen Körper 30 auftretende Echosignale gedämpft, die das Messergebnis verfälschen könnten. Der Offenbarungsgehalt der DE 10360107 wird deshalb vollinhaltlich mit in diese Anmeldung einbezogen.
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen.

Claims

Ultraschallsende- und -empfangsvorrichtung (12) mit einer Trägerplatte (11) und einem darauf befestigten Piezoelement (24), welches auf jeder seiner beiden Breitseiten eine Elektrode (25, 26) besitzt, wobei eine der Trägerplatte (11) zugewandte Elektrode (25) elektrisch leitend und mechanisch fest mit einer Kontaktzone (15) einer auf der Oberfläche der Trägerplatte (11) angeordneten Leiterbahn (16) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die der Trägerplatte (11) zugewandte Elektrode (25) ringsum vom Rand der Breitseite des Piezoelementes (24) beabstandet ist und ein mit der der Trägerplatte (11) abgewandten Elektrode (26) elektrisch leitend verbundener Kontaktabschnitt (28) auf einem Teilbereich des freien Randes der der Trägerplatte (11) zugewandten Breitseite des Piezoelementes (24) liegt, wobei die der Trägerplatte (11) zugewandte Elektrode (25) mit einer Kontaktzone (15) der Leiterbahn (16) und der Kontaktabschnitt (28) mit einer die Kontaktzone (15) konzentrisch umgebenden ringförmigen Kontaktzone (20) elektrisch leitend verbunden ist.
Ultraschallsende- und -empfangsvorrichtung nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (11) aus Keramik besteht.
Ultraschallsende- und -empfangsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Kontaktzone (15) und die ringförmige Kontaktzone (20) jeweils mit Abschnitten der Leiterbahn (16, 16', 21) elektrisch leitend mit Verbindungsstellen (17) verbunden sind, an denen Kabel (13) oder dergleichen angelötet werden können.
Ultraschallsende- und -empfangsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahn (16) teilweise mit einer Isolationsschicht (18) überdeckt ist.
Ultraschallsende- und -empfangsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch sich zumindest an einer Stelle elektrisch isoliert kreuzende Leiterbahnabschnitte (16, 20).
Ultraschallsende- und -empfangsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch einen auf der Trägerplatte (11) angeordneten Thermowiderstand (22).
Ultraschallsende- und -empfangsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Elektroden (25, 26) des Piezoelementes (24) und den Kontaktzonen (15, 20) der Leiterbahn (16, 16', 21) mittels Leitkleber (29) erfolgt.
Ultraschallsende- und -empfangsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch einen der der Trägerplatte (11) abgewandten Seite der Elektrode (26) zugeordneten elastischen Körper (30), insbesondere aus Gummi.
Ultraschallfüllstandsensor (1), aufweisend eine an ihren beiden Enden mit je einer Öffnung (8, 9) versehene langgestreckte Messkammer (5), in welcher eine Flüssigkeit den gleichen Füllstand aufweist, wie außerhalb der Messkammer (5) und eine dem einen Ende der Messkammer (5) zugeord nete Ultraschallsende- und -empfangsvorrichtung (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallsende- und -empfangsvorrichtung (12) gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.