DE102007027816A1

DE102007027816A1 - Device for determining and monitoring filling level of filling goods in container by measuring time intervals of ultra or acoustic signals, has measuring transducer and sensor unit, where sensor unit has electromechanical transducer

Info

Publication number: DE102007027816A1
Application number: DE102007027816A
Authority: DE
Inventors: Manfred Eckert; Rolf Dr. Deserno; Roland Grozinger
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2007-06-13
Filing date: 2007-06-13
Publication date: 2008-12-18

Abstract

The device (1) has a measuring transducer (2) and a sensor unit (4), where the sensor unit has an electromechanical transducer (3a) that generates ultra or acoustic signals as transmit signal (ST) by mechanical oscillations. The transducer receives ultra or acoustic signal as transmit signal and transmits the transmit signal in the beam direction. A damping circuit is provided for damping the decaying behavior of the oscillation produced by the electromechanical transducer. A switch unit is provided for temporary or partial connection of the damping circuit to electromechanical transducer. An independent claim is also included for a method for damping the decay behavior of the oscillation of the electromechanical transducer of the device.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung und Überwachung des Füllstands eines Füllguts in einem Behälter mittels einer Laufzeitmessung von Ultra-/Schallsignalen, die zumindest aus einem Messumformer und einer Sensoreinheit aufgebaut ist, sowie ein Verfahren zur Bedämpfung des Abklingverhaltens der Schwingung eines elektromechanischen Wandlers einer Vorrichtung zur Ermittlung und Überwachung des Füllstands eines Füllguts in einem Behälter.The The invention relates to a device for detection and monitoring the level of a product in a container by means of a transit time measurement of ultrasound / sound signals, at least is constructed from a transmitter and a sensor unit, as well a method for damping the decay of the vibration an electromechanical transducer of a device for detection and monitoring the level of a product in a container.

Derartige Vorrichtungen zur Ermittlung und Überwachung des Füllstands in einem Behälter oder in einem offenen Gerinne werden häufig in vielen Industriezweigen, z. B. in der Lebensmittelindustrie, der Wasser- und Abwasserbranche und in der Chemie, eingesetzt. Von der Anmelderin werden beispielsweise Messgeräte unter dem Namen Prosonic produziert und vertrieben, welche nach der Laufzeit-Messmethode arbeiten und dazu dienen, den Füllstand eines Füllguts in einem Behälter zu bestimmen und/oder zu überwachen. Bei einer Laufzeitmessung werden Ultra-/Schallsignale in den Prozessraum bzw. das Behälterinnere ausgesendet; und die an der Oberfläche des Füllguts im Behälter reflektierten Echowellen werden von einem Sende-/Empfangselement empfangen. Aus der Zeitdifferenz zwischen dem Aussenden der Ultra-/Schallsignale und dem Empfang der Echosignale lässt sich der Abstand des Messgerätes zu der Füllgutoberfläche ermitteln. Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung des Füllstandes über die Laufzeit von Ultraschallsignalen sowie auch von anderen Messsignalen, wie z. B. Radar nutzen die physikalische Gesetzmäßigkeit aus, wonach die Laufstrecke gleich dem Produkt aus der Laufzeit und der Ausbreitungsgeschwindigkeit ist. Unter Berücksichtigung der Geometrie des Behälterinnern und/oder des Behälters wird dann der Füllstand des Füllguts als relative oder absolute Größe ermittelt.such Devices for detecting and monitoring the level in a container or in an open channel common in many industries, eg. In the food industry, the water and wastewater industry and in chemistry. From the applicant will be, for example, measuring instruments under the Prosonic produced and distributed the name according to the transit time measurement method work and serve the level of a product in a container to determine and / or monitor. With a transit time measurement, ultrasonic signals are transmitted to the process room or the container interior sent out; and those on the surface of the product in the container reflected echo waves are received by a transmission / reception element. From the time difference between the transmission of the ultrasound / sound signals and the reception The echo signals can be the distance of the meter to determine the product surface. devices and method for determining the level over the duration of ultrasound signals as well as other measurement signals, such as B. radar use the physical law off, after which the running distance equals the product of the term and the propagation speed is. Considering the geometry of the container interior and / or the container Then, the level of the filling material as relative or absolute size determined.

Die Erzeugung der Schallwellen bzw. Ultraschallwellen und das Ermitteln der reflektierten Echowellen nach einer abstandsabhängigen Laufzeit können durch separate Sendeelemente und Empfangselemente oder durch gemeinsame Sende-/Empfangselemente erfolgen. In der Praxis kommt meist nur ein einzelnes Sende-/Empfangselement – ein so genannter Ultraschall-Transceiver – der ein Sendesignal erzeugt und zeitlich versetzt ein Reflexionssignal bzw. Echosignal empfängt, zum Einsatz. Den Ultraschall-Transceiver bildet beispielsweise ein Verbundschwingsystem, das aus der Literatur als Langevin-Schwinger bekannt ist. In der DE 29 06 704 A1 ist beispielsweise der Aufbau und die Funktionsweise eines solchen Schwingers beschrieben, der auch als Tonpilz-Resonator bezeichnet wird. Das Kernstück eines Tonpilz-Resonators ist ein piezoelektrisches Element, das mittels einer Befestigungsschraube zwischen einem Abstrahlelement und einem Gegenelement eingespannt wird und mit diesem zusammen das Verbundschwingsystem bildet.The generation of the sound waves or ultrasonic waves and the determination of the reflected echo waves after a distance-dependent transit time can be effected by separate transmitting elements and receiving elements or by common transmitting / receiving elements. In practice, usually only a single transmitting / receiving element - a so-called ultrasonic transceiver - which generates a transmission signal and temporally staggered receives a reflection signal or echo signal is used. The ultrasonic transceiver, for example, forms a composite vibrating system, which is known from the literature as a Langevin oscillator. In the DE 29 06 704 A1 For example, the structure and operation of such a vibrator is described, which is also referred to as a clay mushroom resonator. The core of a clay mushroom resonator is a piezoelectric element, which is clamped by means of a fastening screw between a radiating element and a counter element and forms together with this the composite vibration system.

Der elektromechanische Wandler, wie z. B. ein Piezoelement, wird in der Nähe einer seiner mechanischen Resonanzfrequenzen betrieben. Dadurch kann die Resonanzüberhöhung genutzt werden, um die Sendeamplitude zu vergrößern und die Empfindlichkeit beim Empfang zu erhöhen.Of the electromechanical transducers, such as. B. a piezoelectric element is in operated near one of its mechanical resonance frequencies. Thus, the resonance cant can be used to increase the transmit amplitude and the sensitivity to increase upon receipt.

Nachteil des Betriebes im Resonanzbereich ist allerdings, dass die Schwingung des Sendeelements nach Aussenden der Ultra-/Schallsignale erst nach einiger Zeit abgeklungen ist. Während dieser Zeit ist der Sensor als Empfangselement blockiert, weil das Ausschwingen etwaige schwache Empfangssignale überdeckt. Entsprechend können Reflektoren nicht erkannt werden, die zu nahe am Sensor sind und deren Echo-Signale daher schon innerhalb dieser blockierten Zeitspanne zum Sensor zurückkommen. Man spricht daher auch von der 'Blockdistanz' des Ultraschallsensors.disadvantage of the operation in the resonance range, however, is that the vibration of the transmitting element after transmitting the ultrasound / sound signals only after has subsided for some time. During this time is the sensor blocked as a receiving element, because the decaying any weak Receiving signals covered. Correspondingly Reflectors are not detected that are too close to the sensor and their echo signals therefore already within this blocked period come back to the sensor. One speaks therefore of the 'Block distance' of the ultrasonic sensor.

Die Abklingzeit und/oder die Blockdistanz lassen sich durch mechanische Dämpfung des Verbundschwingsystems verkürzen. Diese mechanische Dämpfung wird beispielsweise durch einen Dämpfungsverguss, der einige Teile des Verbundschwingsystems umgibt, erreicht. Je stärker die mechanische Dämpfung durch diesen Dämpfungsverguss ist, umso schneller schwingt das Verbundschwingsystem aus. Dies ist besonders bei Füllstandsmessgeräten mit einem kleinen Messbereich sehr wichtig, da sich hier die Größe der Blockdistanz stärker auswirkt. Eine große mechanische Dämpfung bewirkt aber nicht nur ein schnelles Ausschwingen des Verbundschwingsystems, es reduziert auch die Messempfindlichkeit.The Cooldown and / or the block distance can be controlled by mechanical Shorten the damping of the composite vibration system. This mechanical damping is for example by a Damping casting, which some parts of the composite vibration system surrounds, reaches. The stronger the mechanical damping by This damping is, the faster it vibrates Composite vibration system off. This is especially true for level gauges with a small measuring range very important, since here the size the block distance has more effect. A big but mechanical damping does not just cause a fast Swinging the composite vibration system, it also reduces the sensitivity.

In der DE 101 36 628 B4 und der DE 195 48 161 C1 werden Verfahren beschrieben, das Abklingverhalten eines elektromechanisches Schwingsystem durch eine aktive Dämpfung mittels Beaufschlagung eines entsprechenden Bedämpfungssignals, z. B. einem gegenphasigen Signal, auf das abklingende Schwingungssignal zu beeinflussen.In the DE 101 36 628 B4 and the DE 195 48 161 C1 methods are described, the decay of an electromechanical vibration system by an active damping by applying a corresponding damping signal, z. B. an antiphase signal to influence the decaying vibration signal.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein mit Ultra-/Schallsignalen arbeitendes Füllstandsmessgerät anzugeben, das die oben genannten Nachteile nicht aufweist und das insbesondere eine hohe Messempfindlichkeit und eine geringe Blockdistanz aufweist.The object of the invention is to provide a working with ultra- / sound signals level gauge, which does not have the above-mentioned disadvantages and in particular a high measurement sensitivity and has a small blocking distance.

Diese Aufgabe der Erfindung wird durch die im Anspruch 1 angeführten Vorrichtungsmerkmale und/oder durch die im Anspruch 8 angeführten Verfahrensmerkmale gelöst.These The object of the invention is characterized by the recited in claim 1 Device features and / or by the recited in claim 8 Process features solved.

Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben.advantageous Further developments of the invention are in the subclaims 2 to 7 indicated.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit den zugehörigen Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. In den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind zur besseren Übersicht und zur Vereinfachung die Elemente, die sich in ihrem Aufbau und/oder in ihrer Funktion entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen versehen.Further Details, features and advantages of the subject matter of the invention result from the following description with the associated Drawings in which preferred embodiments of the Invention are shown. Embodiments illustrated in the figures The invention are for clarity and simplicity the elements that are in their construction and / or in their function correspond, provided with the same reference numerals.

Es zeigen:It demonstrate:

1 ein erfindungsgemäßes mit Ultraschall arbeitendes Füllstandsmessgerät, 1 an inventive ultrasonic level gauge,

2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensoreinheit des Füllstandsmessgeräts mit einem Widerstand als Bedämpfungsschaltkreis und der Schalteinheit, 2 An embodiment of the sensor unit according to the invention of the level gauge with a resistor as a damping circuit and the switching unit,

3 eine Darstellung eines Ausführungsbeispieles der Elektronikeinheit, und 3 a representation of an embodiment of the electronic unit, and

4 Signaldiagramme der Elektronikeinheit aus 3. 4 Signal diagrams of the electronics unit 3 ,

In 1 wird eine Vorrichtung 1 zur Ermittlung des Füllstandes f eines Füllguts 6 in einem Behälter 8 nach einer Laufzeitmessmethode von Ultra-/Schallsignalen S gezeigt. Die Vorrichtung bzw. das Füllstandsmessgerät 1 ist beispielsweise über einen Flansch an einem Stutzen bzw. Prozessanschluss am Behälter 8 befestigt, so dass sich die Sensoreinheit 4 bzw. der Ultraschall-Transciever, im Prozessraum 7 befindet während sich der Messumformer 2 mit der Sende-/Empfangseinheit, mit der Regel-/Auswerteeinheit und mit der Feldbuseinheit, die alle hier nicht explizit gezeigt sind, außerhalb des Prozessraums 7 befindet.In 1 becomes a device 1 for determining the filling level f of a product 6 in a container 8th according to a transit time measurement method of ultrasound / sound signals S shown. The device or the level gauge 1 is for example via a flange on a connection or process connection to the container 8th attached, so that the sensor unit 4 or the ultrasonic transciever, in the process room 7 is located while the transmitter 2 with the transmitting / receiving unit, with the control / evaluation unit and with the fieldbus unit, all of which are not explicitly shown here, outside the process space 7 located.

Im Allgemeinen wird in den folgenden Ausführungen primär nur der Messaufbau der Sensoreinheit 4 als ein kombiniertes Sende-/Empfangselement bzw. als Ultraschall-Transceiver zum Senden und Empfangen von Ultra-/Schallsignalen S näher betrachtet, da bei einer getrennte Ausführungsform der Sensoreinheit 4 als ein Sendeelement und ein Empfangselement das Abklingverhalten des elektromechanischen Wandlers 3a nur einen geringfügigen Einfluss auf das Messverhalten hat. Der Antrieb des Ultraschall-Transceivers ist in der Regel als ein elektromechanisches Wandlerelement 3a, das beispielsweise nach einem elektrostatischen, elektromagnetischen oder insbesondere nach einem piezoelektrischen Prinzip betrieben wird. Da als elektromechanischer Wandler 3a zum Erzeugen und Messen von Ultraschallsignalen das piezoelektrische Wandlerprinzip gegenüber den anderen Prinzipien einige Vorteile bietet, hat sich dieses piezoelektrische Wandlerprinzip als ein allgemeiner Standard durchgesetzt. Es sind jedoch alle bekannten Prinzipien von elektromechanischen Wandler 3a, wie z. B. elektrostatische Wandler, magnetisch-induktive Wandler, magnetostriktiver Wandler, und Wandler aus einer Formgedächtnislegierung, als Antriebsmechanismen in den folgenden erfindungsgemäßen Ausführungen anwendbar.In general, in the following explanations, primarily only the measurement setup of the sensor unit 4 as a combined transmitting / receiving element or as an ultrasonic transceiver for transmitting and receiving ultra / sound signals S considered closer because in a separate embodiment of the sensor unit 4 as a transmitting element and a receiving element, the decay behavior of the electromechanical transducer 3a has only a minor influence on the measurement behavior. The drive of the ultrasonic transceiver is usually as an electromechanical transducer element 3a , which is operated for example by an electrostatic, electromagnetic or in particular by a piezoelectric principle. As an electromechanical converter 3a For generating and measuring ultrasonic signals, the piezoelectric transducer principle offers some advantages over the other principles, this piezoelectric transducer principle has become established as a general standard. However, they are all known principles of electromechanical transducers 3a , such as As electrostatic transducers, magnetic-inductive transducers, magnetostrictive transducers, and shape memory alloy, as drive mechanisms in the following embodiments of the invention applicable.

Im Messumformer 2 wird von der Sende-/Empfangseinheit ein Anregungssignal SA erzeugt, das in dem elektromagnetischen Wandler 3a ein Sendesignal ST bewirkt. Der elektromagnetische Wandler 3a strahlt dieses Sendesignal ST in Abstrahlrichtung in den Prozessraum 7 ab. Das an der Oberfläche 5 des Füllguts 6 reflektierte Reflexionssignal SR wird von der Sensoreinheit 4 wieder als Messsignal SM empfangen und in der Sende-/Empfangseinheit im Messumformer 2 signaltechnisch weiterverarbeitet. Unter der Bezeichnung Ultra-/Schallsignale S sind die Sendesignale ST und die Reflexionssignale SR unter einem Begriff zusammen gefasst. Die Regel-/Auswerteeinheit hat die Aufgabe, das als Messsignal SM empfangene, reflektierte Echo der Sendesignale ST auszuwerten, indem das Messsignal SM durch eine Signalverarbeitung und spezielle Signalauswertungsalgorithmen weiter verarbeitet wird, und daraus die Laufzeit der Ultra-/Schallsignale S bestimmt wird. Aus der Laufzeit der Ultra-/Schallsignale S lässt sich beispielsweise mit Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultra-/Schallsignale S im Prozessraum 7 die Distanz d und somit bei Kenntnis der Höhe h eines Behälters 8 der Füllstand f eines Füllguts 6 bestimmen.In the transmitter 2 is generated by the transmitting / receiving unit, an excitation signal SA, in the electromagnetic transducer 3a a transmission signal ST causes. The electromagnetic transducer 3a this transmission signal ST radiates in the emission direction into the process space 7 from. The on the surface 5 of the contents 6 Reflected reflection signal SR is from the sensor unit 4 received again as a measurement signal SM and in the transmitter / receiver unit in the transmitter 2 signal processing further processed. Under the name of ultrasound / sound signals S, the transmission signals ST and the reflection signals SR are combined under one term. The control / evaluation unit has the task of evaluating the reflected echo of the transmission signal ST received as the measurement signal SM by further processing the measurement signal SM by signal processing and special signal evaluation algorithms, and from this the transit time of the ultrasound signals S is determined. From the duration of the ultrasound / sound signals S can be, for example, with knowledge of the propagation speed of the ultrasound / sound signals S in the process room 7 the distance d and thus with knowledge of the height h of a container 8th the level f of a product 6 determine.

Über die Energieversorgungsleitung 9 wird die Vorrichtung 1 mit der benötigten Energie versorgt. Die Regel-/Auswerteeinheit kommuniziert über eine Feldbuseinheit und den Feldbus 10 mit einer entfernten Kontrolleinheit und/oder mit weiteren Vorrichtungen, z. B. Feldgeräten, die hier nicht explizit gezeigt sind. Eine zusätzliche Energieversorgungsleitung 9 zur Energieversorgung der Vorrichtung 1 entfällt, wenn es sich bei der Vorrichtung 1 um ein so genanntes Zweileiter-Messgerät handelt, dessen Kommunikation und Energieversorgung ausschließlich und gleichzeitig über den Feldbus 10 oder eine Zweidrahtleitung stattfindet. Die Datenübertragung bzw. Kommunikation kann über den Feldbus 10 nach beispielsweise dem CAN-, HART-, PROFIBUS DP-, PROFIBUS FMS-, PROFIBUS PA-, oder FOUNDATION FIELDBUS- Standard erfolgen. Oft ist der Sensor 4 räumlich getrennt vom Messumformer 2 in einer Prozessanlage aufgebaut, so dass diese über einen Verbindungsleitung 18 kommunizieren, steuern und den Energiehaushalt regeln.About the power supply line 9 becomes the device 1 supplied with the required energy. The control / evaluation unit communicates via a fieldbus unit and the fieldbus 10 with a distant con control unit and / or with other devices, eg. As field devices that are not explicitly shown here. An additional power supply line 9 for powering the device 1 does not apply if it is in the device 1 is a so-called two-wire measuring device whose communication and power supply exclusively and simultaneously via the fieldbus 10 or a two-wire line takes place. The data transmission or communication can be done via the fieldbus 10 according to, for example, the CAN, HART, PROFIBUS DP, PROFIBUS FMS, PROFIBUS PA, or FOUNDATION FIELDBUS standard. Often the sensor 4 spatially separated from the transmitter 2 built in a process plant, so that these over a connecting line 18 communicate, control and regulate the energy balance.

Es gibt verschiedenen Möglichkeiten das Abklingverhalten des elektromechanischen Wandlers 3a zu beeinflussen. In 2 wird ein vereinfacht dargestelltes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensoreinheit 4 des Füllstandsmessgeräts 1 mit einem Dämpfungswiderstand R10 als Bedämpfungsschaltkreis 11 und einer Schalteinheit 12, zur zeitweisen Zuschaltung des Bedämpfungsschaltkreises 11 zu dem elektromechanischen Wandler 3a dargestellt. Der Dämpfungswiderstand R10 weist beispielsweise einen Wert von 30 Ohm auf, kann aber je nach verwendetem elektromechanischem Wandler 3a auch in anderen Widerstandsbereichen liegen.There are different ways the decay of the electromechanical transducer 3a to influence. In 2 is a simplified illustrated embodiment of the sensor unit according to the invention 4 of the level gauge 1 with a damping resistor R10 as a damping circuit 11 and a switching unit 12 , for temporary connection of the damping circuit 11 to the electromechanical transducer 3a shown. The damping resistor R10 has, for example, a value of 30 ohms, but may vary depending on the electromechanical transducer used 3a also lie in other resistance ranges.

Die Sensoreinheit 4 besteht aus eine elektromechanischen Wandler 3a zum Aussenden eines Sendesignals ST und Empfangen eines Empfangssignals SR und einer Elektronikeinheit 17 zur Ansteuerung und Auswertung der Signale des elektromechanischen Wandlers 3a. Die Elektronikeinheit 17 ist auf das notwendigste reduziert dargestellt und umfasst einen Übertrager G, einen Bedämpfungsschaltkreis 11 und eine Schalteinheit 12 zur Zuschaltung des Bedämpfungsschaltkreises 11 in Form einer Parallelschaltung. Der Übertrager G wandelt das Anregungssignal SA als niedrige Wechselspannungssignal, das hier in der Anregungsphase PH1 beispielsweise eine Senderendstufe liefert, in die zum Betrieb der Piezokeramik nötige hohe Spannung, von beispielsweise 2000 V_ss um. Die elektronische Schalteinheit 12 ist mit dem Bedämpfungsschaltkreis 11 auf der Primärseite des Übertragers G angeordnet, um nicht diesen hohen Spannung ausgesetzt zu sein. Zwei komplementär geschaltete CMOS-Schalttransistoren T2, T3, die beispielsweise über einen Tiefpass aus den Widerständen R8, R9 und dem Kondensator C5 angesteuert werden, dienen als Schalteinheit 12. Die Verwendung zweier CMOS-Schalttransistoren T2, T3 wird wegen der Dioden nötig, die durch die interne Verbindung des Trägermaterials (Bulk) mit dem Source – Anschluss der CMOS-Schalttransistoren T2, T3 entstehen. Diese würde sonst unabhängig vom Ansteuersignal SC bei einer Halbwelle des Anregungssignals SA leitend werden und folglich eine elektrisch leitende Verbindung zum Bedämpfungsschaltkreis 11 herstellen.The sensor unit 4 consists of an electromechanical transducer 3a for transmitting a transmission signal ST and receiving a reception signal SR and an electronic unit 17 for controlling and evaluating the signals of the electromechanical transducer 3a , The electronics unit 17 is shown reduced to the essentials and comprises a transformer G, a damping circuit 11 and a switching unit 12 for switching on the damping circuit 11 in the form of a parallel connection. The transformer G converts the excitation signal SA as a low alternating voltage signal, which supplies, for example, a transmitter output stage here in the excitation phase PH1, into the high voltage required for the operation of the piezoceramic, for example of 2000 V _ss . The electronic switching unit 12 is with the damping circuit 11 arranged on the primary side of the transformer G, so as not to be exposed to this high voltage. Two complementary switched CMOS switching transistors T2, T3, which are driven for example via a low-pass from the resistors R8, R9 and the capacitor C5, serve as a switching unit 12 , The use of two CMOS switching transistors T2, T3 is necessary because of the diodes which are formed by the internal connection of the carrier material (bulk) to the source terminal of the CMOS switching transistors T2, T3. This would otherwise be independent of the drive signal SC at a half-wave of the excitation signal SA conductive and thus an electrically conductive connection to the damping circuit 11 produce.

In vielen Messgeräten der Ultraschallmesstechnik werden heute Mikroprozessoren mittels einer dazwischen geschalteten Endstufe zur Erzeugung des Anregungssignals SA und Auswertung der Echosignale verwendet. Durch denselben Mikroprozessor wird beispielsweise auch das Ansteuersignal SC für das Zuschalten den Bedämpfungsschaltkreises 11 erzeugt und bereitgestellt.In many measuring devices of ultrasonic measurement technology, microprocessors are used today by means of an output stage connected in between to generate the excitation signal SA and to evaluate the echo signals. By the same microprocessor, for example, the drive signal SC for the connection of the damping circuit 11 generated and deployed.

Die Signalverläufe des Ansteuersignals SC und das Anregungssignals SA in der Anregungsphase PH1, in der Abklingphase PH2 und in der Empfangsphase PH3 sind in 2 dargestellt. In der Anregungsphase PH1 liegt an der Zuleitung zum Bedämpfungsschaltkreis 11 und zum Übertrager G als fünftes Spannungssignal U5 beispielsweise ein Rechteckwechselspannungssignal als Anregungssignal SA an. In einer folgenden Abklingphase PH2 wird das vierte Spannungssignal U4 in den höheren Spannungspegel geschaltet und das Rechteckwechselspannungssignal als Anregungssignal SA ausgeschaltet, wodurch das Abklingverhalten des elektromechanischen Wandlers 3a durch die Bedämpfung mit beispielsweise einem ohmschen Widerstand R10 verbessert wird. Das Empfangssignal SM wird in der angrenzenden Empfangsphase PH3 gemessen und ermittelt.The signal curves of the drive signal SC and the excitation signal SA in the excitation phase PH1, in the decay phase PH2 and in the receive phase PH3 are in 2 shown. In the excitation phase PH1 is located on the supply line to the damping circuit 11 and to the transformer G as a fifth voltage signal U5, for example, a rectangular alternating voltage signal as an excitation signal SA on. In a subsequent decay phase PH2, the fourth voltage signal U4 is switched to the higher voltage level and the square-wave AC voltage signal is turned off as the excitation signal SA, whereby the decay behavior of the electromechanical transducer 3a is improved by the damping with, for example, an ohmic resistance R10. The received signal SM is measured and determined in the adjacent receiving phase PH3.

Bei Sensoren 4, die abgesetzt vom Messumformer 2 betrieben werden, besteht aber oft das Problem, dass in der Verbindungsleitung 18 keine zusätzliche freie Ader für das Ansteuersignal SC der Schalteinheit 12 zur Verfügung steht. Das Ansteuersignal SC kann also nicht im Messumformer 2, mit z. B. einem Mikroprozessor, erzeugt werden, sondern dies muss direkt in der Sensoreinheit 4 erfolgen. Dabei ergibt sich ein weiteres Problem, dass im Bereich der Sensoreinheit 4 meist keine zusätzliche Betriebsenergie für eine Elektronikeinheit 17 mit einem Mikroprozessor zur Verfügung steht.For sensors 4 that is remote from the transmitter 2 However, there is often the problem that in the interconnector 18 no additional free wire for the drive signal SC of the switching unit 12 is available. The drive signal SC can therefore not in the transmitter 2 , with z. As a microprocessor, but this must be directly in the sensor unit 4 respectively. This results in another problem that in the area of the sensor unit 4 usually no additional operating energy for an electronic unit 17 with a microprocessor available.

Eine Ausführungsbeispiel einer autarken Elektronikeinheit 17 ist in 3 dargestellt. Falls nur wenig Energie zum Betrieb einer Elektronikeinheit 17 zur Verfügung steht, so kann ein Teil des Anregungssignals SA für die Erzeugung einer Betriebsenergie der Elektronikeinheit 17 benutzt werden. Dieses wird dazu durch die Spannungsversorgung 15 gleichgerichtet und als Betriebsenergie gespeichert.An embodiment of a self-sufficient electronic unit 17 is in 3 shown. If only little energy for the operation of an electronic unit 17 is available, so may a part of the excitation signal SA for the generation of an operating power of the electronic unit 17 to be used. This is due to the power supply 15 rectified and stored as operating energy.

Die Erzeugung der Versorgungsspannung UV durch die Spannungsversorgung 15 erfolgt durch einen Einweggleichrichter, der aus einem sechsten Widerstand R6 und einer fünften Diode D5 besteht, einen Spannungsregler, der beispielsweise aus einem vierten Transistor T4, einem siebten Widerstand R7 und einer Zenerdiode Z besteht und einem Ladekondensator C4. Da die fünfte Diode D5 in Reihe liegt, beeinflusst die Spannungsversorgung 15 das Empfangssignal SM während der Empfangsphase PH3 nicht, da der Signalpegel an der fünften Diode D5 dann schon weit unterhalb ihrer Durchlassspannung liegt. Die in der Steuerungselektronik 16 integrierte Schalteinheit 12, die Spannungsbegrenzungseinheit 14 und die Zeitsteuereinheit 13 werden durch diese von der Spannungsversorgung 15 erzeugte Versorgungsspannung UV versorgt.The generation of the supply voltage UV by the power supply 15 is made by a half-wave rectifier, which consists of a sixth resistor R6 and a fifth diode D5, a voltage regulator, which consists for example of a fourth transistor T4, a seventh resistor R7 and a Zener diode Z and a charging capacitor C4. Since the fifth diode D5 is in series, the power supply is affected 15 the received signal SM during the receiving phase PH3 not because the signal level at the fifth diode D5 then already far below its forward voltage. The in the control electronics 16 integrated switching unit 12 , the voltage limiting unit 14 and the timing unit 13 be through this from the power supply 15 generated supply voltage UV supplied.

Die Schalteinheit 12 umfasst einen ersten, zweiten und dritten Transistor T1, T2, T3, die als Feldeffekt-Transistoren ausgestaltet sind, einen dritten Kondensator C3 einen fünften Widerstand R5 sowie eine als Doppel-Zenerdiode ausgestaltete sechste Diode D6. Diese Schalteinheit 12 besitzt einen anderen Aufbau als in dem Ausführungsbeispiel in 2, jedoch ist die Funktionsweise annähernd vergleichbar.The switching unit 12 comprises a first, second and third transistor T1, T2, T3, which are designed as field-effect transistors, a third capacitor C3, a fifth resistor R5 and designed as a double Zener diode sixth diode D6. This switching unit 12 has a different structure than in the embodiment in 2 , but the operation is almost comparable.

Zunächst wird ein weiterer Teil des Wechselspannungsimpulssignals des Anregungssignals SA hochohmig abgegriffen und über einen Begrenzungsschaltkreis 14 auf TTL-Pegel herunter transformiert. Das spannungsbegrenzte, erste Spannungssignal U1 wird an eine Zeitsteuerungseinheit 13 übertragen. Die Zeitsteuerungseinheit 13 enthält zwei Zeitglieder TR1, TR2 und einen Logikbaustein L. Die Signalverläufe an diesen Schaltungsteilen sind beispielsweise in 4 dargestellt.First, a further part of the AC voltage pulse signal of the excitation signal SA is tapped with high resistance and via a limiting circuit 14 transformed down to TTL level. The voltage-limited, first voltage signal U1 is sent to a timing unit 13 transfer. The timing unit 13 contains two timers TR1, TR2 and a logic device L. The waveforms to these circuit parts are, for example, in 4 shown.

Das erste Zeitglied TR1 mit einem ersten Widerstand R1, einem ersten Kondensator C1 und einer ersten Diode D1 und das zweite Zeitglied TR2 mit einem zweiten Widerstand R2, einem zweiten Kondensator C2 und einer zweiten Diode D2 funktionieren wie folgt: Ab der Anregungsstartzeit t0 werden in der Anregungsphase PH1 durch das aus dem Anregungssignal SA gewonnene spannungsbegrenzte, erste Spannungssignal U1 die Kondensatoren C1, C2 über die Dioden D1, D2 aufgeladen. Ab der Anregungsendzeit t1 sperren in der anschließenden Abklingphase PH2 die Dioden D1, D2; und die aufgeladenen Kondensatoren C1, C2 entladen sich nun langsam über die Widerstände R1, R2. Unterschreitet die Spannung an einem der Kondensatoren C1, C2 schließlich die Schaltschwelle SW1, SW2 des nachfolgenden Logikbausteins L, so wechselt dort der Eingangsspannungszustand von hohem auf niedrigen Spannungspegel.The first timer TR1 having a first resistor R1, a first one Capacitor C1 and a first diode D1 and the second timer TR2 with a second resistor R2, a second capacitor C2 and a second diode D2 function as follows: From the excitation start time t0 are in the excitation phase PH1 by that from the excitation signal SA gained voltage-limited, first voltage signal U1 the capacitors C1, C2 charged via the diodes D1, D2. From the excitation end time t1 lock the diodes in the subsequent decay phase PH2 D1, D2; and the charged capacitors C1, C2 discharge now slowly over the resistors R1, R2. falls below the voltage on one of the capacitors C1, C2 finally the switching threshold SW1, SW2 of the following logic module L, so there the input voltage state changes from high to low Voltage level.

Durch passende Wahl von entsprechenden Widerständen R1, R2 und Kondensatoren C1, C2 in den Zeitgliedern TR1, TR2 werden die Zeiten eingestellt, nach denen die (festen) Schaltschwellen SW1, SW2 des Logikgatters L unterschritten werden. Das erste Zeitglied TR1 ist so eingestellt, dass das zweite Spannungssignal U2 die erste Schaltschwelle SW1 bei der ersten Schaltschwellenzeit t2 genau dann unterschreitet, wenn der Bedämpfungsschaltkreis 11 bzw. der Dämpfungswiderstand R10 zugeschaltet werden soll. Das zweite Zeitglied TR2 ist so eingestellt, dass nach einer definierten Zeitspanne bei einer zweiten Schaltschwellenzeit t3 das dritte Spannungssignal U3 die zweite Schaltschwelle SW2 unterschreitet, wenn die Sensoreinheit 4 sich in der Empfangsphase PH3 befindet und der Bedämpfungsschaltkreis 11 bzw. der Dämpfungswiderstand R10 wieder abgeschaltet werden soll. Die Zeitsteuereinheit 13 gibt als Ansteuersignal SC ein viertes Spannungssignal U4 aus, mit dem die Schalteinheit 12 angesteuert wird.By suitable choice of corresponding resistors R1, R2 and capacitors C1, C2 in the timers TR1, TR2, the times are set, after which the (fixed) switching thresholds SW1, SW2 of the logic gate L are exceeded. The first timer TR1 is set so that the second voltage signal U2, the first switching threshold SW1 at the first switching threshold time t2 is exactly below when the damping circuit 11 or the damping resistor R10 is to be switched on. The second timer TR2 is set so that after a defined period of time at a second switching threshold time t3, the third voltage signal U3 falls below the second switching threshold SW2 when the sensor unit 4 is in the receiving phase PH3 and the damping circuit 11 or the damping resistor R10 should be switched off again. The time control unit 13 outputs as control signal SC a fourth voltage signal U4, with which the switching unit 12 is controlled.

Die folgende Abbildung und Wahrheitstabelle illustriert den Signalverlauf in 4: U1 U2 U3 U4 Zuschaltung des Bedämpfungsschaltkreises Empfangsphase L L L H aus Anregungsphase H H H H aus Kurz nach der Anregungsphase L H H H aus Nach Entladen von C₁ L L H L ein Nach Entladen von C₂ L L L L aus The following figure and truth table illustrates the waveform in 4 : U1 U2 U3 U4 Connection of the damping circuit reception phase L L L H out excitation phase H H H H out Shortly after the stimulation phase L H H H out After unloading C ₁ L L H L one After unloading C ₂ L L L L out

Die Zeit-Ablaufsteuerung kann beispielsweise auch durch einen Mikroprozessor bzw. Digitalzähler ausgestaltet sein, der bei einer ersten ansteigenden Flanke des Anregungssignals SA gestartet wird. Eine Logikschaltung könnte dann das Ein- und Ausschalten des Bedämpfungsschaltkreises 11 beim Erreichen gewisser Zählerstände steuern. Bezugszeichenliste 1 Vorrichtung, Füllstandmessgerät 2 Messumformer 3a elektromechanischer Wandler 3b elektromechanischer Dämpfungswandler 4 Sensor, Sensoreinheit 5 Oberfläche 6 Medium, Füllgut 7 Prozessraum, Prozess 8 Behälter 9 Versorgungsleitung 10 Kommunikationsleitung 11 Bedämpfungsschaltkreis 12 Schalteinheit 13 Zeitsteuereinheit 14 Spannungsbegrenzungseinheit 15 Spannungsversorgung 16 Steuerungselektronik 17 Elektronikeinheit 18 Verbindungsleitung d Abstand f Füllstand h Behälterhöhe U1 erstes Spannungssignal U2 zweites Spannungssignal U3 drittes Spannungssignal U4 viertes Spannungssignal U5 fünftes Spannungssignal UV Versorgungsspannung t0 Anregungsstartzeit t1 Anregungsendzeit t2 Erste Schaltschwellenzeit t3 Zweite Schaltschwellenzeit SW1 Erste Schaltschwelle SW2 Zweite Schaltschwelle S Ultra-/Schallsignal ST Sendesignal SR Empfangssignal, Reflexionssignal SA Anregungssignal SC Ansteuersignal SM Messsignal PH1 Anregungsphase PH2 Abklingphase PH3 Empfangsphase R1 erster Widerstand R2 zweiter Widerstand R3 dritter Widerstand R4 vierter Widerstand R5 fünfter Widerstand R6 sechster Widerstand R7 siebter Widerstand R8 achter Widerstand R9 neunter Widerstand R10 zehnter Widerstand, Dämpfungswiderstand C1 erster Kondensator C2 zweiter Kondensator C3 dritter Kondensator C4 vierter Kondensator C5 fünfter Kondensator D1 erste Diode D2 zweite Diode D3 dritte Diode D4 vierte Diode D5 fünfte Diode D6 sechste Diode T1 Erster Transistor T2 zweiter Transistor T3 dritter Transistor T4 vierter Transistor T5 fünfter Transistor T6 sechster Transistor TR1 Erstes Zeitglied TR2 Zweites Zeitglied OP Operationsverstärker L Logikbaustein G Übertrager Z Zenerdiode The time sequence control can also be configured for example by a microprocessor or digital counter, which is started on a first rising edge of the excitation signal SA. A logic circuit could then switch the damping circuit on and off 11 control when certain meter readings are reached. LIST OF REFERENCE NUMBERS 1 Device, level gauge 2 transmitters 3a electromechanical transducer 3b electromechanical damping converter 4 Sensor, sensor unit 5 surface 6 Medium, medium 7 Process room, process 8th container 9 supply line 10 communication line 11 Bedämpfungsschaltkreis 12 switching unit 13 Timing unit 14 Voltage limiting unit 15 power supply 16 control electronics 17 electronics unit 18 connecting line d distance f level H container height U1 first voltage signal U2 second voltage signal U3 third voltage signal U4 fourth voltage signal U5 fifth voltage signal UV supply voltage t0 Excitation start time t1 Excitation end time t2 First switching threshold time t3 Second switching threshold time SW1 First switching threshold SW2 Second switching threshold S Ultra / sound signal ST send signal SR Received signal, reflection signal SA excitation signal SC control signal SM measuring signal PH1 excitation phase PH2 decay PH3 reception phase R1 first resistance R2 second resistance R3 third resistance R4 fourth resistance R5 fifth resistance R6 sixth resistance R7 seventh resistance R8 eighth resistance R9 ninth resistance R10 Tenth resistor, damping resistor C1 first capacitor C2 second capacitor C3 third capacitor C4 fourth capacitor C5 fifth capacitor D1 first diode D2 second diode D3 third diode D4 fourth diode D5 fifth diode D6 sixth diode T1 First transistor T2 second transistor T3 third transistor T4 fourth transistor T5 fifth transistor T6 sixth transistor TR1 First timer TR2 Second timer operating room operational amplifiers L logic module G exchangers Z Zener diode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 2906704 A1 [0003]
- DE 10136628 B4 [0007]
- DE 19548161 C1 [0007]

Claims

Contraption ( 1 ) for determining and monitoring the filling level (f) of a product ( 6 ) in a container ( 8th ) by means of a transit time measurement of ultra- / sound signals (S), the at least one transmitter ( 2 ) and a sensor unit ( 4 ), wherein the sensor unit ( 4 ) at least comprises, - an electromechanical transducer ( 3a ) which generates by mechanical vibrations ultra- / sound signals (S) as a transmission signal (ST), which emits this transmission signal (ST) in the emission direction and on a surface ( 5 ) receives reflected ultra- / sound signals (S) as received signals (SR), - at least one damping circuit ( 11 ) for damping the decay behavior of the generated oscillation of the electromechanical transducer ( 3a ), and - at least one switching unit ( 12 ) for the temporary and / or partial connection of the damping circuit ( 11 ) to the electromechanical transducer ( 3a ).

Contraption ( 1 ) according to claim 1, wherein as a damping circuit ( 11 ) an ohmic resistance is provided.

Contraption ( 1 ) according to claim 1, wherein as a damping circuit ( 11 ) At least one resonant circuit is provided.

Contraption ( 1 ) according to claim 1, wherein in the sensor unit ( 4 ) a control electronics ( 16 ) for controlling the switching unit ( 12 ) is integrated.

Contraption ( 1 ) according to claim 4, wherein the control electronics ( 16 ) at least as a time control unit ( 13 ), a voltage limiting unit ( 14 ) and / or a voltage regulation unit ( 15 ) is configured.

Contraption ( 1 ) according to claim 4, wherein as control electronics ( 16 ) for controlling the switching unit ( 12 ) in the sensor unit ( 4 ) A microcontroller is provided.

Contraption ( 1 ) according to claim 1, wherein for controlling the switching unit ( 12 ) a drive line between the sensor unit ( 4 ) and the transmitter ( 2 ) is provided, via the control of the switching unit ( 12 ) by one in the transmitter ( 2 ) is provided microcontroller.

Method for damping the decay behavior of the oscillation of an electromechanical transducer ( 3a ) a device ( 1 ) for determining and monitoring the filling level (f) of a product ( 6 ) in a container ( 8th ) according to a transit time measurement method of ultrasound / sound signals (S), in which - the electromechanical transducer ( 3a ) during an excitation phase (PH1) briefly to oscillations, the transmission signals (ST) of the ultra- / sound signals (S) produce, is excited, - after the excitation phase (PH1) in a subsequent decay phase (PH2) a damping circuit ( 11 ) to the electromechanical transducer ( 3a ) for damping the decay behavior of the generated oscillation of the electromechanical transducer ( 3a ) is temporarily and / or partially applied, - in a receiving phase (PH3) on a surface after the decay phase (PH2) ( 5 ) reflected received signals (SR) of the ultra / sound signals (S) are received as a measurement signal (SM).