DE10326159A1 - Container fluid level and properties sensor uses type 1-3 composite piezoelectric ultrasonic transducers with integrated processing circuit on conducting membrane curved to match wall - Google Patents

Container fluid level and properties sensor uses type 1-3 composite piezoelectric ultrasonic transducers with integrated processing circuit on conducting membrane curved to match wall Download PDF

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Abstract

A container fluid level and properties sensor uses piezoelectric ultrasonic transducers (1) comprising a type 1-3 composite interdigital transducer (2, 3) including integrated processing circuit on a conducting foil membrane curved to match the container wall and mounted at the set level.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter, beziehungsweise der Überwachung von vorbestimmten Füllständen von Rohrleitungen sowie der Ermittlung der Transmissionseigenschaften einer Flüssigkeit wie zum Beispiel des Schlammgehaltes. Derartige Vorrichtungen werden zur Behälterüberwachung, zur Prozesskontrolle allgemein, aber auch als Luftblasendetektor in der Medizintechnik und in Abwasserbehandlungsanlagen benötigt.The The invention relates to a device for detection and / or monitoring the level of one liquid in a container, or monitoring of predetermined levels of Pipelines and the determination of the transmission properties a liquid such as the sludge content. Such devices are for container monitoring, for process control in general, but also as an air bubble detector in medical technology and in wastewater treatment plants.

Es sind bereits Vorrichtungen bekannt, die mit einem Ultraschallwandler, der auf der Behälterwand montiert ist und der ein piezoelektrisches Element enthält, das bei der Erregung durch einen Impuls mit einer vorgegebenen Länge und Amplitude einen Ultraschall-Sendeimpuls erzeugt, der über eine Membran auf die Behälterwand und damit auf die zu detektierende Flüssigkeit übertragen wird, und das Ultraschallschwingungen, die von der Membran auf den Ultraschallwandler übertragen werden, in elektrische Empfangssignale wandelt. Gleichzeitig werden aber auch über das Wandlergehäuse Ultraschallschwingungen auf die Behälterwand mit übertragen und in Empfangssignale vom piezoelektrischen Element umgewandelt. Ebenfalls führen Reflexionen von Schweißnähten oder Armaturen, die mit der Behälterwand verbunden sind, zu störenden Empfangsignalen.It Devices are already known which are equipped with an ultrasound transducer, the one on the container wall is mounted and which contains a piezoelectric element which when excited by a pulse of a given length and Amplitude an ultrasound transmission pulse generated that over a membrane on the container wall and thus transferred to the liquid to be detected, and the ultrasonic vibrations, which are transmitted from the membrane to the ultrasonic transducer, in electrical Converts received signals. At the same time, however, converter housing Transmit ultrasonic vibrations to the container wall and converted into received signals from the piezoelectric element. Likewise to lead Reflections from welds or Faucets with the tank wall are connected to disruptive Receive signals.

Damit eine Anordnung dieser Art zum Überwachen eines Füllstandes problemlos funktioniert, ist es wesentlich, dass eine gute akustische Kopplung zwischen dem piezoelektrischen Element und der zu überwachenden Flüssigkeit besteht.In order to an arrangement of this kind for monitoring a level works fine, it is essential that good acoustic Coupling between the piezoelectric element and the one to be monitored liquid consists.

Zwischen der Membran und der Flüssigkeit darf kein großer akustischer Sprung vorhanden sein. Luft oder Gaspolster dürfen nicht vor der Membran verbleiben.Between the membrane and the liquid not a big one there is an acoustic jump. Air or gas cushions are not allowed remain in front of the membrane.

Andere Vorrichtungen zur Überwachung eines Flüssigkeitsfüllstandes besitzen Schwingelemente, die von einem piezoelektrischem Element zu einer kontinuierlichen Schwingung angeregt werden dessen Frequenz und/oder Amplitude für die Erkennung des Füllstandzustandes ausgewertet werden.Other Monitoring devices a liquid level have vibrating elements made by a piezoelectric element its frequency is excited to a continuous oscillation and / or amplitude for the detection of the fill level be evaluated.

Werden Piezoelektrische Elemente von außen an Behälterwände montiert, sind besondere Vorkehrungen zu treffen um die Funktion zu gewährleisten.Become Piezoelectric elements mounted on the outside of the container walls are special Take precautions to ensure the function.

So wird in der DE 195 38 680 beschrieben wie das piezoelektrische Element mit einer Montagehülse an der Behälterwand befestigt wird und der Kontakt zur Behälterwand mit einem wärmehärtbaren Klebstoff mit der Behälterwand verbunden wird.So in the DE 195 38 680 described how the piezoelectric element is attached to the container wall with a mounting sleeve and the contact to the container wall is connected to the container wall with a thermosetting adhesive.

Piezoelektrische Elemente mit planaren Schwingern liegen nicht vollflächig auf der Behälterwand auf. Sie koppeln weniger gut an die Behälterwand und damit an das Medium an. Ohne Zwischenschicht oder Membran können diese piezoelektrischen Elemente leicht zerstört werden.piezoelectric Elements with planar transducers do not lie on the entire surface the container wall on. They couple less well to the container wall and thus to the medium on. Without an intermediate layer or membrane, these can be piezoelectric Elements easily destroyed become.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs angegebenen Art so auszubilden, dass eine gute akustische Kopplung zwischen dem piezoelektrischen Element und dem zu überwachenden Medium über die Membran besteht und gleichzeitig alle Nachteile bekannter Anordnungen vermeidet.The The invention has for its object an arrangement of the beginning the specified type so that there is a good acoustic coupling between the piezoelectric element and the medium to be monitored via the There is membrane and all the disadvantages of known arrangements avoids.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das piezoelektrische Element mit seiner gesamten aktiven Fläche an der Behälterwand vollflächig anliegt. Mit einem piezoelektrischen 1-3 Komposit kann das piezoelektrische Element nahezu an jeder Behälterform vollflächig anliegen. Wird die Polymermatrix entsprechend dünn gewählt, können auch Rohre mit geringem Durchmesser umschlossen werden.To The invention solves this problem in that the piezoelectric Element lies with its entire active surface on the container wall. With a piezoelectric 1-3 composite, the piezoelectric Element on almost every container shape entire area issue. If the polymer matrix is chosen to be correspondingly thin, tubes with a small diameter can also be used Diameter are enclosed.

Mit dem 1-3 Komposit können auch nichtmetallische schalltransparente Behälter belegt werden, deren Wände nicht als Schwingelement wirken. Durch die auf der Behälterwand eng anliegenden 1-3 Komposite werden genügend Schallwellen in die Flüssigkeit eingekoppelt, um deren Anwesenheit festzustellen oder deren Eigenschaften zu überwachen.With the 1-3 composite can non-metallic sound-transparent containers are also used, the walls of which are not act as a vibrating element. Due to the 1-3 composites that are tightly fitting on the container wall will be enough Sound waves in the liquid coupled to determine their presence or their properties to monitor.

Die gegenüberliegende Behälterwand wird mit einem schallreflektierenden Material belegt.The opposing container wall is covered with a sound-reflecting material.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:Further Features and advantages of the invention will appear from the following Description of an embodiment based on the drawings. The drawings show:

1 zeigt eine erste Möglichkeit des Aufbaues der Vorrichtung. Die Vorrichtung enthält als aktives Bauteil ein piezoelektrisches Element 1 aus einem 1-3 Komposit. Das mit zwei metallisieren Elektroden 2, 3 versehene 1-3 Komposit ist vorteilhaft mit einer Durchkontaktierung einer Elektrode versehen. Diese Ausführung als Interdigitalelektrode ermöglicht ein problemloses Montieren des piezoelektrischen Elementes 1 an den Behälter 4. Bei einem Kunststoffbehälter wird gegenüber dem piezoelektrischen Element ein Reflektor aus Metall angeordnet. Die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung wird auch durch einen metallisierten Reflektor, zum Beispiel durch Aufdampfen von Aluminium auf Kunststoff erreicht. Die rückwärtige Seite des piezokeramischen Elementes 1 kann mit einer bekannten Dämpfungsmasse bedeckt werden. Zum erfindungsgemäßen Aufbau der Anordnung mit einem 1-3 Komposit ist dies jedoch nicht zwingend notwendig. 1 shows a first way of building the device. The device contains a piezoelectric element as an active component 1 from a 1-3 composite. That with two metallized electrodes 2 . 3 1-3 composite is advantageously provided with a plated-through hole of an electrode. This design as an interdigital electrode enables the piezoelectric element to be mounted without problems 1 to the container 4 , In the case of a plastic container, a reflector made of metal is arranged opposite the piezoelectric element. The functionality of the device is also achieved by a metallized reflector, for example by vapor deposition of aluminum on plastic. The rear side of the piezoceramic element 1 can be with a known damping mass be covered. However, this is not absolutely necessary for the construction of the arrangement according to the invention with a 1-3 composite.

2 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung besitzt einpiezoelektrisches Element 7 aus einem 1-3 Komposit der den Behälter 4 so umschließt, das die gesendeten Ultraschallimpulse ohne Wandreflexion empfangen werden können. Damit kann bei schallweichen Behälterwänden ein separater Reflektor eingespart werden. 2 shows a further embodiment of the device has a piezoelectric element 7 from a 1-3 composite of the container 4 so encloses that the transmitted ultrasound pulses can be received without wall reflection. This means that a separate reflector can be saved for soundproof container walls.

Wird der Piezowandler in einer federnden oder in einer den Behälter leicht anpassbaren Halterung befestigt, können auch Schläuche oder Kunststoffrohre überwacht werden.Becomes the piezo transducer in a springy or in a the container easily adjustable bracket attached, can also use hoses or Plastic pipes monitored become.

3 zeigt wie die Signalerzeugung und Signalauswertung mit einer elektronischen Schaltung 6 auf kürzestem Weg mit dem piezoelektrischen Element 1 verbunden ist. Vorteilhafter Weise wird die elektronische Schaltung direkt auf der Rückseite des piezoelektrischen Elements 1 montiert. 3 shows how the signal generation and signal evaluation with an electronic circuit 6 by the shortest route with the piezoelectric element 1 connected is. The electronic circuit is advantageously directly on the back of the piezoelectric element 1 assembled.

In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform, kann diese elektronische Schaltung aus einem oder mehreren integrierten Schaltkreisen bestehen. Auch eine monolithische Schaltung auf einem beliebigen Trägermaterial, wie z.B. Aluminiumoxid ist verwendbar. Bei der Fertigung des piezoelektrischen Elementes können diese mit in das Trägermaterial des 1-3 Komposits eingebettet werden.In a further embodiment, not shown, can be electronic Circuit consist of one or more integrated circuits. Also a monolithic circuit on any substrate, such as. Alumina can be used. When manufacturing the piezoelectric Element can these into the carrier material of the 1-3 composite be embedded.

Claims (13)

Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter, sowie zur Ermittlung der Transmissionseigenschaften einer Flüssigkeit in einem Behälter mit einem Ultraschallwandler, der in der Höhe des festzustellenden oder zu überwachenden Füllstandes an der Behälterwand montiert ist und ein piezokeramisches Element enthält, das bei Erregung mit einem Impuls vorgegebener Länge und Amplitude einen Ultraschall-Sendeimpuls erzeugt, der den dahinter liegenden Raum auf Anwesenheit einer Flüssigkeit überwacht und bei Anwesenheit einer Flüssigkeit dessen Transmissionseigenschaften untersucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran auf der der Behälterwand zugewandten Seite über den gesamten aktiven Bereich eine der Behälterwand anformbare Fläche besitzt und vollflächig an Krümmungen anliegt.Device for determining and / or monitoring the level of a liquid in a container, and for determining the transmission properties of a liquid in a container with an ultrasound transducer, which is mounted on the wall of the container at the level of the level to be determined or monitored and contains a piezoceramic element, which generates an ultrasonic transmission pulse when excited with a pulse of predetermined length and amplitude, which monitors the space behind for the presence of a liquid and examines its transmission properties in the presence of a liquid, characterized in that the membrane on the side facing the container wall over the entire length active area has a surface that can be formed on the container wall and is in full contact with curvatures. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element aus einem piezoelektrischem Komposit des Typs 1-3 besteht.Device according to claim 1, characterized in that the piezoelectric element is made of a piezoelectric composite of type 1-3. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran auf dem 1-3 Komposit aus einer leitfähigen Folie besteht.Device according to claim 1 to 2, characterized in that that the membrane on the 1-3 composite from a conductive film consists. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das 1-3 Komposit mit einer leitfähigen Schicht direkt auf der Rohrleitung aufliegt.Device according to claims 1 to 3, characterized in that that the 1-3 composite with a conductive layer directly on the Pipeline rests. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das 1-3 Komposit mit einer oder mehreren Durchkontaktierungen versehen ist und die elektrischen Anschlüsse sich auf der behälterabgewandten Seite befinden.Device according to claims 1 to 3, characterized in that that the 1-3 composite with one or more vias is provided and the electrical connections are facing away from the container Side. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen 1-3 Komposit und Behälterwand eine oder mehrere flexible Schichten aus elektrisch isolierenden Material und akustischen Koppelmittel ist.Device according to one of the preceding claims, characterized characterized that between 1-3 composite and container wall one or more flexible layers of electrically insulating Material and acoustic coupling means is. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das 1-3 Komposit als Interdigitalwandler ausgebildet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized characterized that the 1-3 composite designed as an interdigital converter is. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezowandler aus 1-3 Komposit den Behälterumfang mindestens mehr als zur Hälfte umschließt.Device according to one of the preceding claims, characterized characterized that the piezoconverter made of 1-3 composite the container circumference at least more than half encloses. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezowandler aus 1-3 Komposit mit einer monolithischen elektronischen Schaltung verbunden ist.Device according to one of the preceding claims, characterized characterized that the piezo transducer from 1-3 composite with a monolithic electronic circuit is connected. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezowandler aus 1-3 Komposit mit mindestens einem integrierten Schaltkreis verbunden ist und zusammen am Behälter befestigt ist.Device according to one of the preceding claims, characterized characterized that the piezo transducer from 1-3 composite with at least an integrated circuit and connected together on the container is. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezowandler aus 1-3 Komposit mit mindestens einem integrierten Schaltkreis verbunden ist, der die Signalerzeugung und Signalauswertung übernimmt und zusammen mit dem Piezowandler am Behälter befestigt ist.Device according to one of the preceding claims, characterized characterized that the piezo transducer from 1-3 composite with at least an integrated circuit is connected to the signal generation and signal evaluation takes over and is attached to the container together with the piezo transducer. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ultraschallreflektor auf ein ultraschallweiches Material aufgedampft ist.Device according to one of the preceding claims, characterized characterized that an ultrasonic reflector on an ultrasonic soft Material has evaporated. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ultraschallreflektor auf ein Behälter aus ultraschalleichen Material trocken oder über ein Koppelmedium auf der gegenüberliegenden Seite des Piezowandlers angeordnet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized characterized by an ultrasonic reflector on a container ultra-lightweight material dry or via a coupling medium on the opposite Side of the piezo transducer is arranged.
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