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Akustisches Prüfgerät, insbesondere Ultraschallprüfgerät zur Feststellung
des Vorhandenseins von Flüssigkeiten oder eines Flüssigkeitsniveaus.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein akustisches Prüfgerät, insbesondere
ein Ultraschallprüfgerät zur Feststellung des Vorhandenseins von Flüssigkeiten oder
eines Flüssigkeitsniveaus, wobei der metallische Prüfkopf, wie Ultraschallprüfkopf,
mit einem piezoelektrischen Stirnteil versehen ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein akustisches Flüssigkeitsprüfgerät
zu schaffen, welches beispielsweise in ein Überwachungssystem für fließende Flüssigkeiten
eingesetzt werden kann, welches den Strömungsbeginn einer Flüssigkeit oder das Ende
dieser Strömung zu einem Fahrzeug, wie einem Wasserfahrzeug, veranlaßt bzw. diese
Zeitpunkte bestimmt, wenn das Flüssigkeitsniveau im Fahrzeug einen vorbestimmten
Wert erreicht; ein solches Prüfgerät kann auch in einem Überwachungssystem
für
strömende Flüssigkeiten benutzt werden, wenn es darauf ankommt, den kontinuierlichen
Fluß einer Flüssigkeit zu überwachen.
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Erfindungsgemäß wird ein akustisches Prüfgerät, insbesondere ein Ultraschallprüfgerät
zur Feststellung des Vorhandenseins von Flüssigkeiten oder eines Flüssigkeitsniveaus,
wobei der metallische Prüfkopf, wie Ultraschallprüfkopf, mit einem piezoelektrischen
Stirnteil versehen ist, vorgeschlagen, wobei der Prüfkopf ferner einen Grundkörper
und eine hierzu in Abstand angeordnete Reflexionsplatte und ferner eine elektrische
Schaltung mit einem Schaltkreis aufweist, die auf vom Grundkörper sowie von der
Reflexionsplatte reflektierte akustische Signale, wie Ultraschallsignale, anspricht
und nach Empfang des letzteren Signals ein weiteres Signal auslöst.
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Vorzugsweise hat der Prüfkopf eine konische Gestalt zwischen der Stirnfläche
und dem Grundkörper. Erfindungsgemäß ist festgestellt worden, daß die Verwendung
eines konischen Prüfkopfes das Auftreten von nachlaufenden bzw. Störimpulsen, das
auf eine teilweise Umwandlung der Ultraschallenergie in Transversalwellen zurückgeht,
herabsetzt.
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Vorzugsweise wird der Prüfkopf aus metallischem Aluminium hergestellt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der piezoelektrische
Werkstoff Quarz, Bariumtitanat, Bleizirkonat, Rochelle-Salz und AmoniumdShydrogenphosphat
enthalten bzw. hieraus bestehen.
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Vorzugsweise arbeitet der elektrische Schaltkreis nach dem Selbstwarnprinzip
und ist geeignet ausgebildet, um bei der Ermittlung einer Unregelmäßigkeit ein Signal
abzugeben. Diese
Unregelmäßigkeit kann durch das Vorhandensein eines
unerwarteten Signals, durch die Abwesenheit eines erwarteten Signals oder der Laufzeitverschiebung
eines erwarteten Signals gegeben sein.
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Der Erfindungsgegenstand wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen
erläutert, die schematische Ausführungsbeispiele darstellen.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Schaltung in der Blockdarstellung für das Flüssigkeitsprüfgerät
gemäß der Erfindung.
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Fig. 2 und 3 grafische Darstellungen des Impulsverlaufes.
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Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß ein Aluminiumprüfkopf 1 einen konis.
sen Teil 2 und eine, einen Abstand zum konischen Teil aufweisende Reflektorplatte
3 besitzt. Der Stirnteil des Prüfkopfes enthält das piezoelektrische Material, nämlich
Bleizirkonat (nicht dargestellt).
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Im Betrieb wird der Prüfkopf in eine Kammer o.dgl. eingesetzt, die
mit einer Flüssigkeit, z. B. Benzin o.dgl., gefüllt wird. Ein Folgeimpulse aussendender
Generator, der beispielsweise mit 200 Hertz arbeitet, erregt einen Sender, der das
piezoelektrische Material in Schwingungen versetzt, so daß dieser periodisch Ultraschallsignale
aussendet. Echos dieser Signale werden von der Basis des Prüfkopfes zur piezoelektrischen
Stirnfläche reflektiert. Wenn das Niveau der Flüssigkeit in der Kammer nicht die
gewünschte Höhe erreicht hat, d.h. wenn der Raum zwischen der Basis des konischen
Teiles 2 des Prüfkopfes und der Reflektorplatte 3 nicht mit Flüssigkeit gefüllt
ist, werden die Ultraschallsignale nicht zur Reflektorplatte übertragen und die
vom Prüfkopf abgegebenen Signale haben den in Fig. 2 dårgestellten Verlauf, Hat
aber das Flüssigkeitsniveau die gewünschte Höhe erreicht,
d.h. ist
der Abstandsraum zwischen der Basis des konischen Teiles 2 des Prüfkopfes und der
Reflektorplatte 3 mit ihr angefüllt, werden die Signale zur Reflektorplatte übertragen,
und die vom Prüfkopf abgegebenen, zur Erfassung gelangenden Signale haben die aus
Fig. 3 ersichtliche Gestalt bzw. den entsprechenden Verlauf.
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Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß'zunächst das vom piezoelektrischen
Werkstoff emittierte Eingangssignal erscheint.
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60 Mikro sekunden später wird das von der Basis des Prüfkopfes reflektierte
Signal registriert. Nach weiteren 60 Mikrosekunden wird ein reflektiertes, abgeschwächtes
Signal registriert usw.
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Aus Fig. 3 ist jedoch ersichtlich, daß auch hier zunächst das Eingangssignal
des piezoelektrischen Werkstoffs registriert wird. 60 Mikrosekunden später wird
das reflektierte Echo von der Basis des Prüfkopfes registriert. Nach einigen weiteren
Mikro sekunden, deren Dauer von der Beschaffenheit und der Temperatur der Flüssigkeit
abhängt, wird ein reflektiertes Signal (Echo) von der Reflektorplatte durch den
piezoelektrischen Stirnteil erfaßt und dann registriert. Einige weitere Mikrosekunden
nach Erfassung dieses Signals wird eine abgeschwächte Reflexion dieses Echos registriert.
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Die von der piezoelektrischen Schicht ausgehenden Signale werden in
einem auf 5 Megahertz abgestimmten Verstärker verstärkt, von dem Echosignale der
Konusbasis und Reflektorplatte einem linearen Stromkreis zugeleitet werden, in welchem
die Impulse ihre ursprünglichen relativen Amplituden beibehalten, und ferner zu
einem nicht linearen Kreis, dessen alle Ausgangsimpulse die gleiche Amplitude haben.
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Von dem nicht linearen Stromkreis werden die Impulse in einen ersten
Strom-torkreis, den'91üssigkeitsstromtor"
eingespeist. Von dem linearen
Kreis werden die Impulse in einen zweiten Stromtorkreis eingespeist, dem sogenannten"Metallstromtor.
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Um eine zuverlässige Arbeitsweise sicherzustellen, prüft das Instrument
ständig und automatisch seine Arbeitsweise selbst. In abgekürzter Darstellung erfolgt
dies derart, daß die
erregten Signale durch den Stromkreis kontinuierlich überwacht werden, bevor sie
in den Warnstromkreis gelangen. Wird ein Signal nicht erfaßt oder falsch erfaßt,
z.B. deshalb, weil es nicht auftritt oder zur falschen Zeit auftritt, wird der Alarmstromkreis
eingeschaltet und das Warnsignal abgegeben.
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Künstlich erzeugte"Flüssigkeitsimpulse werden im Impulsgenerator für
die Flüssigkeitsprüfung durch Einspeisung von einem Zweistufengenerator B selbst,
der seinerseits durch einen zweiten Zweistufengenerator A gespeist wird, erregt.
Unter Flüssigkeitsimpulsen" sollen Signale verstanden werden, die in Bezug auf Amplitude
und Laufzeit denjenigen entsprechen, die von der Reflektorplatte des Prüfkopfes
erhalten würden. Der Impulsfolgegenerator versorgt den Zwe@stufengenerator A, der
zwei Ausgänge A1 und A2 hat. Impulse der Phase A1 des Zweistufengenerators A entsprechen
den Folgefrequenzen 1, 3, 5, 7, 9 usw., diejenigen der Phase A entsprechen den Folgefrequenzimpulsen
0, 2, 4, 6, 8 usw. Jeder Ausgang arbeitet deshalb mit 100 Hertz.
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Ein zweiter Zweistufengenerator B erhält Signale der Phase A1 und
unterteilt ferner die Folgefrequenzimpulse 1,3,5,7,9 usw. in eine Unterphase B1,
die den Impulsen 1, 5, 9 usw. entspricht, und in eine Unterphase B2, die den Impulsen
3, 7, 11 usw. entspricht. Jeder Ausgang vom Zweistufengenerator B hat deshalb die
Frequenz 50 Hertz.
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Die Ausgangsleistung von B1 und B2 veranlaßt den Impulsgenerator für
die Flüssigkeitsprüfung Signale abzugeben, die der frühesten und spätesten Ankunftszeit
der von der Reflekktorplatte herrührenden echten Signale, gemessen auf der Laufzeitachse,
entsprechen. Außer den echten Signalen sind deshalb auch künstliche Signale vorhanden.
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Da die künstlichen Signale nachfolgend durch die gleichen Stromtorkreise
als auch die von der Reflektorplatte herrührenden Signale geschickt werden, würde
jede Abweichung in der Laufzeit des Flüssigkeitstorimpulses einer Nichtregistrierung
des einen oder des anderen der künstlichen Signale gleich kommen, was die Einschaltung
des Warnkreises veranlaßt.
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Die vom Flüssigkeitsprüfgenerator erzeugten Impulse sind im Vergleich
zu den von der piezoelektrischen Schicht erfaßten Signale intensiv und werden aus
diesem Grunde einem Abschwächer zugeführt, mit Hilfe dessen ihre Amplitude auf das
gleiche Maß verringert wird, bevor sie dem Verstärker zugeführt werden.
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Die von der Phase A1 herrührenden Signale erregen an einem verzögernd
arbeitenden Impulsgenerator einen Torimpuls, der laufzeitlich mit der Reflexion
von der Basis des Konus übereinstimmt. Diese werden einem Eingang des Metallstromtors
zugeführt, wobei die andere Eingangsleistung vom linearen Kreis abgenommen wird.
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Vom Metallstromtor herrührenden Signale durchsetzen ein selbsttätig
arbeitendes LeistungsUberwachungssystem, das die dem Verstärker zugeführte Spannung
überwacht, um sicherzustellen, daß diese empfindlich genug zur Erfassung der reflektierten
Signale ist.
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Gleichfalls werden die Impulse vom Metallstromtor einem dritten Torkreis
zugeführt, der nachfolgend als Warntor bzeichnet wird.
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Durch die Folgefrequenzsignale des Generators wird von einem zweiten
verzögernd arbeitenden Impulsgenerator ein Torimpuls abgegeben, der diejenige Zeitdauer
erfaßt, innerhalb welcher Signale von der Reflektorplatte ankommen könnten, in Abhängigkeit
von unterschiedlichen Flüssigkeiten und Temperaturänderungen . Diese Impulse werden
in den einen Eingang des Flüssigkeitsstromtors eingespeist, wobei die Eingangsleistung
für den anderen Eingang vom nicht linearen Stromkreis abgenommen wird.
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Signale vom Flüssigkeitsstromtor und einem vierten Torkreis zugeleitet,
der nachfolgend als Überfließtor bezeichnet wird.
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Uber das Warntor kann ein Alarmkreis erregt werden, der ein Anzeigesignal
o. dgl. abgibt, was dann bedeutet, daß das System nicht ordnungsgemäß arbeitet,
was somit vor Beschädigung o. dgl. des Gerätes erfolgt.
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Der Warnkreis wird in Tätigkeit gesetzt, wenn ein oder mehrere Signale
von der Basis des Konus nicht vorliegen bzw. die künstlichen Signale (Vergleichssignale)
nicht vorliegen. JederAusfall oder jede fehlerhafte Arbeitsweise irgendeiner der
Stromkreise, die die echten Signale oder die Vergleichssignale registrieren oder
erregen, rührt somit zur Betätigung des Warnkreises.
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Die richtige Arbeitsweise des Warnsystems kann durch vorsätzliche
Entfernung einer oder mehrerer Signale durch Schaltungsmaßnahmen o. dgl. überprüft
werden.
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Durch das Uberfließtor kann ein Überfließwarnzeichen erregt werden,
wodurch die Überwachungsvorrichtung für die strömende Flüssigkeit betätigt und das
Strömen der Flüssigkeit veranlaßt wird bzw. das Sperren der Flüssigkeitsbewegung.
Es kann so ausgebildet, daß es die Strömung der Flüssigkeit, wenn erwünscht, wieder
erneuert. Der Warnkreis
ist mit dem Überfließwarnkreis durch eine
Kopplungseinrichtung verbunden, die so arbeitet, daß beim Austri*iern des Warnkreises
der Überfließwarnkreis selbsttätig mitgetri Sert wird, daß aber beim Tri Sern des
Uberfließalarmkreises der Warnkreis nicht mitgetriggert wird.
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Jeder auf Alarm" eingeschaltete Warnkreis behält diese Lage bis zur
manuellen Rückführung bei. Jede zwischenzeitlich auftretende Fehlanzeige wird deshalb
durch den Warnkreis beibehalten, auch wenn dieser Fehler später verschwindet.
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Die Anordnung ist so getroffen, daß jeder Torkreis nur erwartete,
zu erwarteten Zeiten auftretende Signale durchläßt. Jede Abweichung von diesem Schema,
sei es, daß sie auf fehlerhafte Arbeitsweise des Gerätes oder auf zusätzliche von
der Reflektorplatte ausgehende Echos zurückgeht, wird sofort erfaßt und angezeigt.
Wenn einmal eine Abweichung in einem an sich beliebigem Teil des Gerätestromkreises
angezeigt ist, wird es schnell zum Warnkreis oder Überfließwarnkreis geleitet, Je
nach dem zu welchem sie gehört und es werden dann die geeigneten Schritte unternommen.