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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.
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Die diesbezüglich aus der Praxis bekannte Technik wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Prinzipskizze der 1 erläutert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Aus der
JP 11183235 (
JP H11183235 A ) ist eine Ultraschall-Füllstandsbestimmungseinrichtung mit einem Sender und Empfänger in kontakt mit einem rohrförmigen Behältnis bekannt. Ferner ist ein Störsignal-Dämpfungsmedium, wie z. B. ein Kunststoff mit oder ohne Füllstoffen enthalten. Dieses Störsignal-Dämpfungsmedium ist bei dieser bekannten Ultraschall-Füllstandsbestimmungseinrichtung beispielsweise an der Behältniswandung außen angeformt.
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Die
US 5 438 868 A offenbart eine Ultraschall-Füllstandsbestimmungseinrichtung, bei der eine Klemme oder ein Spanngurt verwendet wird, um einen Wandler an einem rohrartigen Behälter zu befestigen. Im Fall der Klemme sind zusätzlich an ihrer Innenseite elastomere Greifelemente vorgesehen, die die Befestigung an glatten Oberflächen verbessern.
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Eine Befestigung einer Ultraschalleinrichtung an einem Rohr mittels einer Schelle ist aus der
US 4 454 767 A bekannt.
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Die
US 4 787 240 A offenbart das Auskleiden des Inneren eines Rohrs mit einem absorbierenden Material zur Luftschalldämmung.
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Aus der
DE 43 28 046 A1 ist ein Ultraschall-Füllstandssensor bekannt, bei dem ein Ableiten von Störsignalen durch eine Einkerbung des Rohrs erfolgt.
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Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, Füllstandsbestimmungseinrichtungen und -verfahren so zu verbessern, dass Störeinflüsse auf einfache Weise und zuverlässig zumindest minimiert werden.
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Dieses Ziel wird mit Füllstandsbestimmungseinrichtungen nach sowohl dem Anspruch 1 als auch nach dem Anspruch 2 sowie Füllstandsbestimmungsverfahren nach sowohl dem Anspruch 10 als auch nach dem Anspruch 11 erreicht.
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Die Erfindung schafft somit Füllstandsbestimmungseinrichtungen, mit einem Signalgeber und -empfänger zum Kontakt mit einem Behältnis, wobei ein Dämpfungsmedium zum Dämpfen von Störsignalanteilen enthalten ist, und weiterhin mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 oder alternativ den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 2.
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Dabei ist es bevorzugt, wenn der Signalgeber und -empfänger mit Ultraschall arbeitet und/oder ein Ultraschallsender und -wandler ist.
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Vorzugsweise werden die Füllstandsbestimmungseinrichtungen bei Rohren als Behältnisse eingesetzt.
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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.
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Ferner kann mit Vorzug vorgesehen sein, 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
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Erfindungsgemäß ist jedenfalls eine Schelle oder Schellenkonstruktion zum Positionieren des Signalgebers und -empfängers in Kontakt mit dem Behältnis vorgesehen. Dabei ist ferner vorgesehen 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.
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Die Schelle oder Schellenkonstruktion kann ein- oder mehrteilig ausgebildet sein.
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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, und weiterhin mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 10 oder alternativ den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 11.
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Auch verfahrensmäßig ist es bevorzugt, wenn der Signalgeber und -empfänger mit Ultraschall arbeitet.
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Erfindungsgemäß ist jedenfalls vorgesehen, dass Störsignalanteile des Messsignals innerhalb der Wandung des Behälters aus der Wandung ausgekoppelt werden in ein und gedämpft werden in einem Dämpfungsmedium.
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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.
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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
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Es ist ferner ebenfalls erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Dämpfungsmedium mittels einer Schelle oder Schellenkonstruktion in Kontakt mit dem Behältnis positioniert wird.
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Weitere bevorzugte und/oder vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Kombinationen der abhängigen Ansprüche sowie den gesamten vorliegenden Anmeldungsunterlagen.
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Die Erfindung wird nachfolgend in ihrem generellen Umfang sowie anhand von Ausführungsbeispielen auch unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, in der zeigen
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1 eine schematische Prinzipskizze zur Verdeutlichung des grundlegenden Messprinzips zur Füllstandsbestimmung,
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2 eine schematische Prinzipskizze zur Verdeutlichung eines speziellen Effektes bei dem grundlegenden Messprinzip zur Füllstandsbestimmung,
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3 eine schematische Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Füllstandsbestimmungseinrichtung,
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4 eine schematische Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Füllstandsbestimmungseinrichtung, und
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5 eine schematische Querschnittsansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer Füllstandsbestimmungseinrichtung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 direktem 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß der 4 besteht die Schelle 7, wie vorstehend schon erläutert wurde, selbst aus dem Dämpfungsmaterial 6. Statt eine knetbare Kunststoffmasse 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.
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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.
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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.
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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.
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Nachfolgend werden noch weitere erläuternde Ausführungen zur generellen Erfindung und auch zu konkreten Ausgestaltungsmöglichkeiten angegeben.
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Die vorliegende Erfindung nutzt die Eigenschaften des Kunststoffes oder der Kunststoffmasse 10 als Dämpfungs- bzw. Absorptionsmaterial zur Verwendung für die beschriebene Messproblematik. 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
