-
Die
Erfindung betrifft Füllstandsbestimmungseinrichtungen
und -verfahren nach dem jeweiligen Oberbegriff von Anspruch 1 bzw.
11. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Ultraschallsensor zur
diskreten Füllstandsbestimmung
und das entsprechende Füllstandsbestimmungsverfahren.
Mit solchen Anordnungen und Verfahren kann das Vorhandensein/Nichtvorhandensein
einer Flüssigkeit insbesondere
auf einem vorbestimmten Füllstand beispielsweise
in einem Rohr durch die Rohrwandung hindurch ermittelt werden.
-
Die
diesbezüglich
aus der Praxis bekannte Technik wird nachfolgend unter Bezugnahme
auf die Prinzipskizze der 1 erläutert.
-
Ein
Ultraschallimpuls wird von einem Schall- oder Ultraschallsender
und -wandler 1, der nachfolgend auch vereinfacht als Schallwandler
oder Ultraschallwandler 1 bezeichnet wird und Bestandteil
von Füllstandsbestimmungseinrichtungen 12 ist,
wie z.B. einer Piezokeramik, ausgesandt, wie in der 1 schematisch verdeutlicht ist. Dieser
Impuls wird auf eine Rohrwandung 2 eines Rohres 3 übertragen
und durchquert diese gemäß dem Pfeil
A. Danach breitet sich der Impuls bei Vorhandensein einer Flüssigkeit oder
allgemein eines Fluides 5 im Inneren 4 des Rohres 3 in
der Höhe
des Ultraschallwandlers 1 durch die Flüssigkeit 5 aus, wie
durch den Pfeil B symbolisiert ist. Ist der Ultraschallimpuls am
bezüglich
des Ultraschallwandlers 1 gegenüberliegenden Teil der Rohrwandung 2 angelangt,
so wird er dort reflektiert. Nachdem der Impuls die Flüssigkeit 5 nach der
Reflexion entsprechend dem Pfeil C nochmals durchquert hat, wird
er nach dem Durchgang gemäß dem Pfeil
D wiederum durch den Teil der Rohrwandung 2, an dem der
Ultraschallwandler 1 angeordnet ist, als Rückwandecho
wieder am Ultraschallwandler 1 empfangen und in ein elektrisches
Signal gewandelt.
-
Ist
keine Flüssigkeit 5 auf
der Höhe
des Ultraschallwandlers 1 im Rohr 3 vorhanden,
kann der Schall das Rohr 3 nicht durchqueren und es kann folglich
auch kein Rückwandecho
empfangen werden. Somit ist das Vorhandensein/Nichtvorhandensein
eines Echos eine Aussage über
das Vorhandensein/Nichtvorhandensein von Flüssigkeit oder allgemein Fluid 5 in
der durch die Lage des Ultraschallwandlers 1 vorbestimmten
Höhe im
Rohr 3.
-
Problematisch
bei solchen aus der Praxis bekannten Füllstandsbestimmungseinrichtungen
und -verfahren unter Anwendung eines Ultraschallsensors ist, dass
sich Schallwellen in der Wandung eines hinsichtlich des Füllstandes
mit einem Fluid zu überprüfenden Rohrs
als Störwellen
ausbreiten, wie nachfolgend unter Bezugnahme auf die Prinzipskizze der 2 näher erläutert wird.
-
Wenn
ein Ultraschallimpuls nach seiner Aussendung von dem Ultraschallwandler 1 auf
die Rohrwandung 2 trifft, geht die Schallwelle nicht vollständig in
eine eventuell vorhandene Flüssigkeit 5 über, sondern
sie breitet sich auch weiter in der Rohrwandung 2 aus.
Dieser Schallanteil gelangt auf unterschiedlichen Wegen, die durch
Reflexion und Streuung bestimmt sind, wieder am Ultraschallwandler 1 an,
wie durch die Pfeile E (nur vier Pfeile E sind exemplarisch mit
dem Bezugszeichen "E" versehen, um die Übersichtlichkeit
nicht zu beeinträchtigen)
in der 2 veranschaulicht
ist. Vom Ultraschallwandler 1 wird auch dieser zu ihm zurückkommende
Anteil des Impulses in elektrische Signale umgewandelt, die nun ein
Störsignal
darstellen, das sich dem eigentlichen Nutzsignal, d.h. dem ggf.
vorhandenen Echo überlagert.
Aufgrund dieser Tatsache wird der Messeffekt stark beeinträchtigt.
-
Die
vorliegende Erfindung hat das Ziel, Füllstandsbestimmungseinrichtungen
und -verfahren so zu verbessern, dass Störeinflüsse zumindest minimiert werden.
-
Dieses
Ziel wird mit Füllstandsbestimmungseinrichtungen
nach dem Anspruch 1 sowie Füllstandsbestimmungsverfahren
nach dem Anspruch 11 erreicht.
-
Die
Erfindung schafft somit Füllstandsbestimmungseinrichtungen,
mit einem Signalgeber und -empfänger
zum Kontakt mit einem Behältnis,
wobei ein Dämpfungsmedium
zum Dämpfen
von Störsignalanteilen
enthalten ist.
-
Dabei
ist es bevorzugt, wenn der Signalgeber und -empfänger mit Ultraschall arbeitet
und/oder ein Ultraschallsender und -wandler ist.
-
Vorzugsweise
werden die Füllstandsbestimmungseinrichtungen
bei Rohren als Behältnisse
eingesetzt.
-
Weiter
ist es bevorzugt, dass das Dämpfungsmedium
ein Kunststoff mit oder ohne Füllstoffen ist.
Dabei kann ferner vorgesehen sein, dass der Kunststoff zumindest
vor seiner Anordnung an einem Behältnis formbar und dann aushärtbar oder
nicht aushärtbar
ist.
-
Ferner
kann mit Vorzug vorgesehen sein, dass für die Impedanz (Zdämpfendes
Medium) des dämpfenden
Mediums (6) und die Impedanz (Zzu dämpfender
Körper) des
Materials des Behältnisses
(3) gilt. Zdämpfendes
Medium ≅ Zzu dämpfender
Körper
-
Es
kann ferner insbesondere eine Schelle oder Schellenkonstruktion
zum Positionieren des Signalgebers und -empfängers in Kontakt mit dem Behältnis vorgesehen
sein. Eine bevorzugte Weiterbildung davon besteht darin, dass die
Schelle oder Schellenkonstruktion zumindest teilweise so aus dem
Dämpfungsmedium
besteht oder das Dämpfungsmedium
so hält,
dass das Dämpfungsmedium beim
Positionieren der Füllstandsbestimmungseinrichtungen
an dem Behältnis
mit letzterem in direkten Kontakt kommt. Alternativ oder zusätzlich kann
die Schelle oder Schellenkonstruktion ein- oder mehrteilig ausgebildet
sein.
-
Das
obige Ziel der Erfindung wird ferner erreicht mit einem Füllstandsbestimmungsverfahren, wobei
ein Messsignal von einem Signalgeber und -empfänger über eine Wandung eines Behälters in dessen
Inneres abgegeben und ein Reflexionssignal dieses Messsignals von
dem Signalgeber und -empfänger
aufgefangen wird, und wobei Störsignalanteile des
Messsignals innerhalb der Wandung des Behälters aus der Wandung ausgekoppelt
und gedämpft werden.
-
Auch
verfahrensmäßig ist
es bevorzugt, wenn der Signalgeber und -empfänger mit Ultraschall arbeitet.
-
Vorzugsweise
ist ferner vorgesehen, dass Störsignalanteile
des Messsignals innerhalb der Wandung des Behälters aus der Wandung ausgekoppelt
werden in ein und gedämpft
werden in einem Dämpfungsmedium.
In Weiterbildung davon kann das Dämpfungsmedium ein Kunststoff
mit oder ohne Füllstoffen
sein. Alternativ oder zusätzlich
kann vorgesehen sein, dass das Dämpfungsmedium
an die Wandung des Behältnisses
außen
in Kontakt angeformt wird, wobei das Dämpfungsmedium nach seinem Anformen
in Kontakt außen
an der Wandung des Behältnisses
ausgehärtet
oder nicht ausgehärtet wird.
-
Eine
weitere vorzugsweise Ausgestaltung besteht darin, dass für die Impedanz
(Zdämpfendes
Medium) des dämpfenden
Mediums und die Impedanz (Zzu dämpfender
Körper)
des Materials des Behältnisses
gilt Zdämpfendes Medium ≅ Zzu dämpfender
Körper Es
ist ferner bevorzugt, dass das Dämpfungsmedium mittels
einer Schelle oder Schellenkonstruktion in Kontakt mit dem Behältnis positioniert
wird.
-
Weitere
bevorzugte und/oder vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
sich aus den Kombinationen der abhängigen Ansprüche sowie den
gesamten vorliegenden Anmeldungsunterlagen.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend in ihrem generellen Umfang sowie anhand
von Ausführungsbeispielen
auch unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, in der zeigen
-
1 eine
schematische Prinzipskizze zur Verdeutlichung des grundlegenden
Messprinzips zur Füllstandsbestimmung,
-
2 eine
schematische Prinzipskizze zur Verdeutlichung eines speziellen Effektes
bei dem grundlegenden Messprinzip zur Füllstandsbestimmung,
-
3 eine
schematische Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels
einer Füllstandsbestimmungseinrichtung,
-
4 eine
schematische Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels
einer Füllstandsbestimmungseinrichtung,
und
-
5 eine
schematische Querschnittsansicht eines dritten Ausführungsbeispiels
einer Füllstandsbestimmungseinrichtung.
-
Anhand
der nachfolgend beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungs-
und Anwendungsbeispiele wird die Erfindung lediglich exemplarisch
näher erläutert, d.h.
sie ist nicht auf diese Ausführungs-
und Anwendungsbeispiele oder auf die Merkmalskombinationen innerhalb
dieser Ausführungs-
und Anwendungsbeispiele beschränkt.
Verfahrens- und Vorrichtungsmerkmale ergeben sich jeweils analog
auch aus Vorrichtungs- bzw.
Verfahrensbeschreibungen.
-
Einzelne
Merkmale, die im Zusammenhang mit konkreten Ausführungsbeispielen angeben und/oder
dargestellt sind, sind nicht auf diese Ausführungsbeispiele oder die Kombination
mit den übrigen
Merkmalen dieser Ausführungsbeispiele
beschränkt,
sondern können
im Rahmen des technisch Möglichen,
mit jeglichen anderen Varianten, auch wenn sie in den vorliegenden
Unterlagen nicht gesondert behandelt sind, kombiniert werden.
-
Gleiche
Bezugszeichen in den einzelnen Figuren und Abbildungen der Zeichnung
bezeichnen gleiche oder ähnliche
oder gleich oder ähnlich
wirkende Komponenten. Anhand der Darstellungen in der Zeichnung
werden auch solche Merkmale deutlich, die nicht mit Bezugszeichen
versehen sind, unabhängig
davon, ob solche Merkmale nachfolgend beschrieben sind oder nicht.
Andererseits sind auch Merkmale, die in der vorliegenden Beschreibung
enthalten, aber nicht in der Zeichnung sichtbar oder dargestellt
sind, ohne weiteres für
einen Fachmann verständlich.
-
Hinsichtlich
des erfindungsgemäßen Messprinzips
und des diesbezüglichen
Aufbaus in ihren wesentlichen Zügen
wird auf die Darstellung unter Bezugnahme auf die und Einbeziehung
der 1 und 2 in der Einleitung dieser Beschreibung
verwiesen.
-
Nachfolgend
werden unter Bezugnahme auf die 3, 4 und 5 drei
Ausführungsbeispiele
von Füllstandsbestimmungseinrichtungen 12 und damit
realisierten Füllstandsbestimmungsverfahren näher und
dennoch nur exemplarisch erläutert.
-
Bei
dem ersten Ausführungsbeispiel
gemäß der 3 enthalten
die Füllstandsbestimmungseinrichtungen 12 einen
Ultraschallsender und -wandler 1 als eine Ausführungsvariante
allgemein eines Signalgebers und -empfängers, eine Schelle 7 sowie eine
Dämpfungsmasse
oder ein dämpfendes
Medium 6, die/das in direk tem Kontakt mit einem Rohr 3 und
von der Schelle 7 umgeben ist, in/an die der Ultraschallsender
und -wandler 1 ein- bzw. angebaut ist. In dem Rohr 3 kann
ein Fluid, wie beispielsweise eine Flüssigkeit, sein, deren Füllstand
am Montageort der Füllstandsbestimmungseinrichtungen 12 mit letzteren
zu bestimmen ist, womit insbesondere ermittelt werden kann, ob sich
am Montageort der Füllstandsbestimmungseinrichtungen 12 Fluid
befindet oder nicht, oder anders ausgedrückt, ob der Fluidstand in dem
Rohr 3 jedenfalls den Montageort der Füllstandsbestimmungseinrichtungen 12 erreicht.
-
Der
Vollständigkeit
halber wird hinsichtlich des Rohrs 3 noch darauf hingewiesen,
dass es sich dabei nur um ein Beispiel eines Behälters oder Behältnisses
handelt, bei dem die Füllstandsbestimmungseinrichtungen 12 und
damit realisierten Füllstandsbestimmungsverfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung zum Einsatz kommen können.
Auch wenn Rohre oder ähnliche
Leitungen bevorzugte Behältnisse
zur Anwendung der vorliegenden Erfindung sind, so können auch
andere Behältnisse
und insbesondere Formen, wie beispielsweise Tanks, Bottiche und ähnliches
unter Anwendung der erfindungsgemäßen Füllstandsbestimmungseinrichtungen 12 und damit
realisierten Füllstandsbestimmungsverfahren hinsichtlich
einer Füllstandsbestimmung
und/oder -überwachung
ausgestattet werden.
-
Lediglich
beispielhaft wird als Kunststoffmasse oder Dämpfungsmasse oder allgemein
als Dämpfungsmaterial
oder dämpfendes
Medium 6 ein Zweikomponenten-Epoxydharz angegeben, womit
bereits in Versuchen sehr gute Ergebnisse erhalten wurden. Beispielsweise
wurde gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
entsprechend der Darstellung in der 3 bei einer
Schellenkonstruktion 7, die gegenüber dem Rohrdurchmesser größer gestaltet
ist, der entstehende Zwischenraum mit Epoxydharz gefüllt. So
wird der Kunststoffmantel dem Rohrdurchmesser exakt angepasst. Diese
Ausführung
ist insbesondere vorteilhaft hinsichtlich Flexibilität der Montage
und Bedämpfung
des Störsignals.
-
Es
ist nicht zwingend erforderlich, dass das dämpfende Medium 6 das
Rohr 3 innerhalb der Schelle oder Schellenkonstruktion 7 vollständig umgibt.
Insbesondere kann die Dicke des dämpfenden Mediums 6 in
der Radialrichtung des Rohrs 3 an der konkreten Monatestelle
des Ultraschallsenders und -wandlers 1 an oder in der Schelle 7 und/oder
an der dieser konkreten Montagestelle des Ultraschallsenders und
-wandlers 1 an oder in der Schelle 7 diametral
gegenüberliegenden
Stelle geringer als in den übrigen
Umfangsbereichen des Rohrs 3 sein (diese Stellen sind beispielsweise
durch die Orte der Pfeilspitzen der Pfeile A, B, C und D in der 1 zu
entnehmen). Damit kann das Einkoppeln bzw. Reflektieren von Ultraschall
in das bzw. an dem Rohr 3 erleichtert werden, indem an
diesen Stellen dann keine Verluste an Ultraschall durch Auskoppeln über das dämpfende
Medium 6 erfolgen oder solche Verluste insbesondere vernachlässigbar
gering gehalten werden können.
Die Dickenreduzierung des dämpfenden
Mediums 6 an diesen Stellen kann bis auf Null gehen, und
diese Stellen können
durch Bereiche mit einer flächigen
Ausdehnung gebildet sein, d.h. müssen
nicht punkt- oder linienförmig
sein. Beispielhaft wird hier auf die konkrete Darstellung der Querschnitte
von Rohr 3 und Schelle 7 in der Darstellung des ersten
Ausführungsbeispiels
der Füllstandsbestimmungseinrichtungen 12 in
der 3 verwiesen, woraus sich hauptsächliche
mit dem dämpfenden
Medium 6 gefüllte
Zwischenräume
ergeben, die seitlich der Abstrahlrichtung des Ultraschallsenders
und -wandlers 1 sowie der Ausbreitungsrichtung von ihm erfassten
Rückstrahlung
(vergleiche 1, Pfeile A, B, C und D) liegen.
Diese Formgebungen der genannten Zwischenräume und der diese bildenden Komponenten
Rohr 3 und Schelle 7 ist jedoch nur exemplarisch
und kann auch anders gestaltet sein. Dabei besteht ein weiteres
mit Vorzug anzuwendendes Kriterium für diese Formgebung in Ausgestaltungen, die
einen sicheren unverrutschbaren, unverkantbaren und/oder unverdrehbaren
Halt der Füllstandsbestimmungseinrichtungen 12 an
dem Behälter,
wie z.B. dem Rohr 3, gewährleisten, wie für einen
Fachmann auch ohne weiteres der Darstellung des Ausführungsbeispiels
in der 3 zu entnehmen ist.
-
Um
den Messeffekt zu verbessern, ist es bei den Füllstandsbestimmungseinrichtungen 12 erfindungsgemäß vorgesehen,
die Schallwellen, die sich in der Rohrwandung 2 des Rohrs 3 als
Störsignale ausbreiten,
zu minimieren. Dies erfolgt im Rahmen der Erfindung vorrichtungs-
und verfahrensmäßig durch
die Auskopplung beispielsweise des Ultraschalls zunächst in
ein dämpfendes
Medium 6, bevor er ins Innere 4 des Rohres 3 gelangt,
wie in der Darstellung des in der 4 gezeigten
zweiten Ausführungsbeispiels
verdeutlicht ist.
-
Die
Impedanz (Zdämpfendes
Medium) des dämpfenden
Mediums 6 sollte möglichst
dicht an der Impedanz (Zzu dämpfender Körper) des zu dämpfenden
Körpers, wie
im vorliegenden Fall des Materials des Rohrs 3, liegen.
Idealerweise tritt der Zustand Zzu
dämpfender
Körper =
Zdämpfendes
Medium oder zumindest eine Näherung davon ein. Dies ist vorteilhaft,
um einen möglichst
großen
Anteil des Ultraschalls aus der Rohrwandung 2 in das Dämpfungsmaterial 6 auszukoppeln,
wie insbesondere durch die Pfeile E und F in der 4 veranschaulicht ist.
Damit dieser Schallanteil sicher absorbiert wird, ist eine gute
akustische Absorption des verwendeten Dämpfungsmaterials 6 besonders
vorteilhaft.
-
Der
oben genannten Anforderung an die akustische Impedanz des dämpfenden
Mediums 6 kann mit Füllstoffen 8 darin
Rechnung getragen werden, für
die selbst vorzugsweise eine höhere
Dichte und Schallgeschwindigkeit als für das zu füllende Material 9 gilt,
d.h. das Medium 6 setzt sich zusammen aus dem zu füllenden
Material oder Trägermaterial 9 und
den Füllstoffen 8.
-
Mit
noch mehr Flexibilität
wartet das zweite Ausführungsbeispiel
gemäß der 4 auf,
wenn statt der beim ersten Ausführungsbeispiel
gemäß der 3 vorgesehenen
Schellenkonstruktion 7 beim zweiten Ausführungsbeispiel
gemäß der 4 eine Kunststoffmasse 10 als
dämpfendes
Medium 6 insbesondere mit entsprechenden oder geeigneten
Füllstoffen 8 innerhalb
eines Trägermaterials 9 vorgesehen
ist. Dies bedeutet, dass bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß der 4 in
Abwandlung zum ersten Ausführungsbeispiel
gemäß der 3 keine
Schelle 7 vorhanden ist, sondern dass nur die dämpfende
Kunststoffmasse 10 zum Einsatz kommt. Da diese dämpfende
Kunststoffmasse 10 oder allgemein das Dämpfungs- oder dämpfende
Medium 6 jedoch zumindest Teile des Behältnisses oder beispielsweise
Rohrs 3 schellenähnlich
umgibt, wird in den vorliegenden Unterlagen die Begrifflichkeit "Schellenkonstruktion" so verstanden, dass
darunter auch bloßes
Dämpfungs-
oder dämpfendes
Medium 6 ohne darum herum noch eine gesonderte Schelle 7 verstanden
werden soll. Insofern ist im Rahmen der vorliegenden Unterlagen
also eine Schellenkonstruktion einfach eine zumindest teilweise
um ein Behältnis
herumgehende Materialformung, die jedoch selbsttätig an dem Behältnis halten
kann.
-
Weiterhin
mit Vorzug ist die Kunststoffmasse 10 im Ausgangszustand
knetbar, um sich so mechanisch möglichst
exakt ans das Rohr 3 anzupassen. Diese Kunststoffmasse 10 enthält bevorzugt
solche Füllstoffe 8,
welche die akustische Impedanz des dämpfenden Mediums 6 möglichst
gut an die akustische Impedanz des Rohrmaterials annähern. So
wird möglichst
ein großer
Schallanteil, der als Störsignal vorhanden
ist, in die Kunststoffmasse 10 ausgekoppelt. Weiterhin
besitzt die Kunststoffmasse 10 vorzugsweise eine entsprechend
gute akustischer Absorption, so dass der ausgekoppelte Ultraschall
in ihr absorbiert wird. Ein weiterer Vorteil dieser Masse ist, dass
sie gleichzeitig als Koppelmittel genutzt werden kann, das den Ultraschall
zwischen Rohr 3 und Ultraschallsender und -wandler 1 überträgt. Eine
knetbare Kunststoffmasse 10 kann insbesondere, muss aber nicht,
aushärtbar
sein.
-
Bei
dem zweiten Ausführungsbeispiel
gemäß der 4 besteht
die Schelle 7, wie vorstehend schon erläutert wurde, selbst aus dem
Dämpfungsmaterial 6.
Statt eine knetbare Kunststoff masse 10 – ungeachtet der Möglichkeit,
ob sie aushärtbar
ist oder nicht – kann
die Schelle oder Schellenkonstruktion 7 aus einer Kunststoffmasse 10 vorgefertigt und/oder
vorgeformt sein, so dass sie beispielsweise einstückig mit
integriertem Ultraschallsender und -wandler 1 vorliegt
und dann so auf einen Behälter, wie
beispielsweise das Rohr 3, aufgesteckt werden kann.
-
Auch
wenn vorstehend Kriterien im Zusammenhang mit dem zweiten Ausführungsbeispiel
angegeben sind, gelten sie mit Vorzug auch für die anderen Ausführungsbeispiele
und allgemein für
jegliche Ausgestaltung der Erfindung.
-
Für die Realisierung
dieser Aufgabenstellung kann in weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
eine exakt an das Rohr 3 angepasste zweiteilige Schelle 7 vorzugsweise
aus einem Kunststoff oder einer Kunststoffmasse 10 mit
entsprechender akustischer Absorption Anwendung finden, wie bei dem
dritten Ausführungsbeispiel
gemäß der 5 vorgesehen
ist. Einzelheiten bei diesem dritten Ausführungsbeispiel gemäß der 5 sind
den Ausführungen
und Darstellungen der ersten und zweiten Ausführungsbeispielen gemäß den 3 und 4 zu
entnehmen und werden zur Vermeidung von Wiederholungen hier nicht
nochmals beschrieben.
-
Gemäß den Varianten
des zweiten Ausführungsbeispiels
nach der 4 und dem dritten Ausführungsbeispiel
nach der 5 müssen die Füllstandsbestimmungseinrichtungen 12 keine
gesonderte Schelle oder Schellenkonstruktion 7 haben.
-
Nachfolgend
werden noch weitere erläuternde
Ausführungen
zur generellen Erfindung und auch zu konkreten Ausgestaltungsmöglichkeiten
angegeben.
-
Die
vorliegende Erfindung nutzt die Eigenschaften des Kunststoffes oder
der Kunststoffmasse 10 als Dämpfungs- bzw. Absorptionsmaterial
zur Verwendung für
die beschriebene Messpro blematik. Bedeutungsvoll sind die hohe akustische
Absorption sowie die akustische Impedanz der Kunststoffmasse. Die
akustische Impedanz des Kunststoffes ist vorzugsweise möglichst
gut an die akustische Impedanz des zu bedämpfenden Körpers, das in häufigen Anwendungsfällen ein
Metallrohr sein dürfte,
angenähert.
-
Wie
schon weiter oben erläutert
wurde, breitet sich ein gewisser Anteil des ausgesandten Ultraschalls
in der Rohrwandung aus. Dieser Anteil würde ohne die vorliegende Erfindung
zu unterschiedlichsten Zeitpunkten wieder am Ultraschallsender und -wandler
als Störsignal
empfangen. Dies ist in der schematischen Darstellung der 1 und 2 verdeutlicht.
-
Die 1 zeigt
den Weg des "Nutz"-Ultraschalls: Vom
Schallwandler 1 abgegeben durchläuft er die Rohrwandung 2 und
das insbesondere flüssige Medium 5 senkrecht,
wird an der Grenzfläche 11 Fluid-Metall
reflektiert und gelangt wieder, zurück zum Schallwandler 1.
Der Schallwandler 1 führt
jedoch nicht nur, wie in der Darstellung der 1 gezeigt
ist, "senkrechte" Schwingungen (Dickenschwingungen) aus,
sondern schwingt auch in der Horizontalen (Radialschwingungen).
Die Radialschwingungen, die auch Störschwingungen oder parasitäre Schwingungen
genannt werden oder darstellen können,
durchlaufen die Rohrwandung 2 und werden als Störechos wieder
aufgenommen. Weiterhin treffen die "senkrechten" Schwingungen des Schallwandlers 1 nur
an der Tangente an der Grenzfläche 11 der
Kontaktstelle Wandler-Rohr senkrecht auf das Rohr 3 auf:
Der Schallanteil, der seitlich von dieser Tangente auf das Rohr 3 trifft,
gelangt nicht exakt senkrecht ins Rohr 3 und breitet sich
demnach auch nicht senkrecht aus.
-
Beide
Schallanteile (nicht senkrechte Dickenschwingungen und Radialschwingungen)
breiten sich in der Rohrwandung 2 aus und werden an allen
denkbaren Grenzflächen 11,
und z.B. auch an Gefügefehlern
oder der Grenze Metall-Luft (bei Unterschreitung des Grenzwinkels
der Totalreflexion), reflektiert und als Störecho empfangen. Ferner hat Metall
eine gute Schallleitfähigkeit,
so dass sich als Störsignal
ausbreitender Schall zu einem hohen Prozentsatz wieder empfangen
wird und sich als Störecho
dem Nutzschall überlagert.
Die schematische Darstellung der 2 verdeutlicht
dies.
-
Wird
aber erfindungsgemäß das Rohr 3 mit z.B.
dem Kunststoff 10 oder allgemein dem Medium 6 umhüllt, so
wird ein Teil jedenfalls des Störschalls aus
dem Rohrmaterial in den Kunststoff 10 geleitet, wie auf
der rechten Seite der Abbildung der 4 mit den
Pfeilen E und F verdeutlicht ist. Dies liegt darin begründet, dass
die Differenz der akustischen Impedanzen Metall-Harz wesentlich
niedriger ist als die Differenz der akustischen Impedanzen Metall-Luft. Der
ausgekoppelte Störschall
erfährt
im Kunststoff 10 oder allgemein dem dämpfenden Medium 6 eine hohe
Absorption, d.h. im Kunststoff 10 finden kaum Reflexionen
statt.
-
Vom
im Metall verbliebenen Anteil des störenden Ultraschalls wird beim
nächsten
Auftreffen auf die Grenzschicht Metall-Harz wiederum ein Teil in den
Kunststoff 10 oder allgemein das dämpfende Medium 6 geleitet
und absorbiert. Dieser Vorgang wiederholt sich mehrfach, d.h. bei
jedem Auftreffen eines Impulsanteils auf die besagte Grenzfläche 11. Im
Metall der Rohrwandung 2 wird immer weniger Schall geleitet,
der den Weg bis zum Schallwandler 1 zurücklegen und von diesem als
Störecho
aufgenommen werden kann. Phänomenologisch
betrachtet, werden die Störechos
bedämpft.
Anders ausgedrückt werden
Störsignale
durch die Erfindung minimiert.
-
Die
Erfindung nutzt somit den Effekt oder basiert darauf, dass sich
ein bestimmter Anteil des Störsignals
in Form von Schall in der Rohrwandung 2 durch die Verwendung
von Kunststoff 10 oder allgemein einem Dämpfungsmedium 6 entlang
der Rohrwandung 2 absorbieren lässt. Man kann auch sagen, dass
der Umlaufschall der Rohrwandung entzogen wird.
-
Es
gibt einerseits die Möglichkeit,
eine Kunststoffschelle zu verwenden, die genau auf den Rohrdurchmesser
gearbeitet ist. Andererseits gibt es die Möglichkeit, eine Kunststoffmasse
zu verwenden, die formbar ist. In oben beschriebenen konkreten Anwendungsfällen ist
die Kunststoffmasse knetbar (siehe erstes und Alternativen des zweiten
Ausführungsbeispiels).
Diese Kunststoffmasse muss nicht zwingend aushärten, um die geforderten akustischen
Eigenschaften zu erzielen. Es liegt jedoch insbesondere im Rahmen
der Erfindung und hat unter Umständen
Vorteile, wenn die Kunststoffmasse (10 oder allgemein dämpfendes
Material 6) aushärtet.
Eine besondere Bedeutung kommt jedenfalls dem unmittelbaren mechanischen
Kontakt zwischen dem Rohr 3 und der Dämpfungsmasse 6 oder
dem Kunststoff 10 zu, um den Umlaufschall der Rohrwandung
zu entziehen.
-
Wie
bereits eingehend dargestellt wurde, soll die akustische Impedanz
der Dämpfungs-
oder Kunststoffmasse möglichst
nah an der des Metalls oder allgemein Rohrmaterials liegen. Um so
besser diese Anpassung ist, um so mehr Umlaufschall wird der Rohrwandung
entzogen.
-
Die
Erfindung ist anhand der Ausführungsbeispiele
in der Beschreibung und in den Zeichnungen lediglich exemplarisch
dargestellt und nicht darauf beschränkt, sondern umfasst alle Variationen, Modifikationen,
Substitutionen und Kombinationen, die der Fachmann den vorliegenden
Unterlagen insbesondere im Rahmen der Ansprüche und der allgemeinen Darstellungen
in der Einleitung dieser Beschreibung sowie der Beschreibung der
Ausführungsbeispiele
und deren Darstellungen in der Zeichnung entnehmen und mit seinem
fachmännischen Wissen
sowie dem Stand der Technik kombinieren kann. Insbesondere sind
alle einzelnen Merkmale und Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung und ihrer
Ausführungsbeispiele
kombinierbar.