DE1498278B2 - Ultraschallpruefgeraet fuer die fluessigkeitsstandanzeige - Google Patents

Description

Basisfläche gehalten ist, und daß der Schallübertrager so bemessen ist, daß seine Basisfläche am Erregerteil eine unterscheidbare Reflexion erzeugt.

Die einstückige Ausbildung des Prüfkopfes ermöglicht seinen Einsatz in Verbindung mit beliebigen Formen von Tanks oder Behältern. Der Prüfkopf kann durch ein Loch in der Seitenwand des Tanks oder durch das Dach hindurch leicht in den Tank eingesetzt werden oder fest an der Tankwand befestigt sein.

Für die Funktionsüberwachung des Gerätes ist es wichtig, daß an der Stirnfläche des Prüfkopfes in jedem Fall ein Reflexionssignal erzeugt wird, das sich innerhalb des Schallübertragers fortpflanzt, und zwar unabhängig davon, ob der Prüfkopf bereits in die Flüssigkeit eintaucht oder nicht. Wichtig ist ferner, daß das an der Stirnfläche reflektierte Signal am Erregerteil, der gleichzeitig als Sender und Empfänger dient, auswertbar ist und tatsächlich auch ausgewertet wird. Tritt ein Fehler in der elektrischen Signalschaltung oder ein mechanischer Fehler am Prüfkopf auf, so wird er in jedem Fall erkannt, weil die von der Basisfläche erzeugte Reflexion ausbleibt. Diese Reflexion hat also neben anderen Funktionen die wichtige Aufgabe, die Betriebsfähigkeit des Gerätes zu überprüfen.

Das Ultraschallprüfgerät kann beispielsweise in einem Steuergerät für strömende Flüssigkeiten eingesetzt werden, das den Strömungsbeginn einer Flüssigkeit oder das Ende dieser Strömung zu einem Wasserfahrzeug steuert, wobei die Einschaltung und die Abschaltung vorgenommen werden müssen, wenn der Flüssigkeitsstand im Fahrzeug einen vorbestimmten Wert erreicht. Ein solches Prüfgerät kann auch in einem Uberwachungssystem für strömende Flüssigkeiten benutzt werden, wenn das Abreißen einer kontinuierlichen Strömung festgestellt werden soll.

Vorzugsweise erweitert sich der metallische Schallübertrager vom Erregerteil aus konisch und besitzt an seinem entgegengesetzten Ende senkrecht zur Konusachse eine ebene freie Basisfläche. Bei Verwendung eines konischen Prüfkopfes wird die Erzeugung von nachlaufenden störenden Impulsen, deren Entstehung auf eine teilweise Umwandlung der Ultraschallenergie in Transversalwellen zurückzuführen ist, weitgehend unterbunden.

Der Prüfkopf besteht zweckmäßigerweise aus Aluminium.

Bei einer besonders günstigen Ausführungsform der Erfindung ist die Signalschaltung derart ausgebildet, daß die von der Reflektorplatte kommende Reflexion ausgewertet wird, während bei Ausbleiben der von der Basisfläche kommenden Reflexion eine Fehlfunktion angezeigt wird.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

F i g. 1 zeigt den konstruktiven Aufbau des Prüfkopfes, und

Fig.2 und 3 zeigen grafische Darstellungen des Impulsverlaufes.

Der metallische Prüfkopf 1 nach F i g. 1 besteht vorzugsweise aus Aluminium und umfaßt einen zylindrischen Teil 2 und einen sich daran anschließenden konischen Teil 3, dessen Durchmesser sich bis zu einer kreisscheibenförmigen Basisplatte 5 erweitert. Innerhalb des zylindrischen Teiles 2 ist ein piezoelektrischer Quarz 4 angeordnet, der als elektroakustischer Schallwandler Ströme in Schallwellen umwandelt und umgekehrt. In vorgegebenem Abstand gegenüber der Basisfläche 5 ist eine Reflektorplatte 6 angeordnet. Zwischen der Basisfläche 5 und der Reflektorplatte 6 befindet sich ein freier Zwischenraum, der sich beim Eintauchen des Prüfkopfes 1 in Flüssigkeit mit der Flüssigkeit füllt.

Im Betrieb wird der Prüfkopf in eine Kammer od. dgl. eingesetzt, die mit einer Flüssigkeit, z. B.

ίο Benzin od. dgl., gefüllt wird. Ein Folgeimpulse aussendender Generator, der beispielsweise mit 200Hz arbeitet, erregt einen Sender, der das piezoelektrische Material in Schwingungen versetzt, so daß dieser periodisch Ultraschallsignale aussendet. Echos dieser Signale werden von der Basisfläche 5 des Prüfkopfes 1 zum piezoelektrischen Wandler 4 an der Stirnseite des konischen Teiles 3 reflektiert. Wenn das Niveau der Flüssigkeit in der Kammer nicht die gewünschte Höhe erreicht hat, d.h. wenn der Raum zwischen der Basisfläche 5 des Prüfkopfes 1 und der Reflektorplatte 6 nicht mit Flüssigkeit gefüllt ist, werden die Ultraschallsignale nicht zur Reflektorplatte übertragen, und die vom Prüfkopf abgegebenen Signale haben den in F i g. 2 dargestellten Verlauf. Hat aber das Flüssigkeitsniveau die gewünschte Höhe erreicht, d. h. ist der Abstandsraum zwischen der Basisfläche des konischen Teiles 3 des Prüfkopfes und der Reflektorplatte 6 mit ihr angefüllt, werden die Signale zur Reflektorplatte übertragen, und die vom Prüfkopf abgegebenen, zur Erfassung gelangenden Signale haben die aus F i g. 3 ersichtliche Gestalt bzw. den entsprechenden Verlauf.

Aus F i g. 2 ist ersichtlich, daß zunächst das vom piezoelektrischen Werkstoff (Bleizirkonat) emittierte Eingangssignal erscheint. 60 Mikrosekunden später wird das von der Basisfläche 5 reflektierte Signal registriert. Nach weiteren 60 Mikrosekunden wird ein reflektiertes, abgeschwächtes Signal registriert usw.
Aus Fig.3 ist jedoch ersichtlich, daß auch hier zunächst das Eingangssignal des piezoelektrischen Wandlers registriert wird. 60 Mikrosekunden später wird das reflektierte Echo von der Basisfläche 5 registriert. Nach einigen weiteren Mikrosekunden, deren Dauer von der Beschaffenheit und der Temperatur der Flüssigkeit abhängt, wird ein reflektiertes Signal (Echo) von der Reflektorplatte durch den piezoelektrischen Wandler empfangen und dann registriert. Einige weitere Mikrosekunden nach Erfassung dieses Signals wird eine abgeschwächte Reflexion dieses Echos registriert.

Die an piezoelektrischen Wandler angeschlossene Sende- und Empfangseinrichtung sowie die Auswerteschaltung für die Impulssignale sind von ihrem konstruktiven und schaltungstechnischen Aufbau für die Erfindung nicht von Bedeutung. Ihre Wirkungsweise ist jedoch wichtig. Die Auswertung wird so vorgenommen, daß in bestimmten Zeitabständen nach Auftreten eines Sendesignals Torschaltungen geöffnet werden, die die Echoimpulse durchlassen.

Das Auftreten der von der Basisfläche 5 kommenden Echoimpulse wird registriert. Unterbleiben sie, so wird eine Störmeldung gegeben. Außerdem wird geprüft, ob ein Echo von der Reflektorplatte 6 vorhanden ist. Dieses Echo wird in der schon geschilderten Weise ausgewertet, indem angezeigt wird, daß der Flüssigkeitsstand die Höhe des Prüfkopfes erreicht hat.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2 eher Brechung an den Außenwänden zickzackförmig Patentansprüche: fort, Der Empfänger kann mit dem Sender gekoppelt sein, so daß das am gegenüberliegenden stirnseitigen

1. Ultraschallprüfgerät für die Flüssigkeits- Ende des Körpers reflektierte und zickzackförmig standanzeige, mit einem einen piezoelektrischen 5 zurückgeworfene Signal ausgewertet wird, der Emp-Wandler zur Erzeugung und zum Empfang von fänger kann aber auch am gegenüberliegenden Ende Ultraschallwellen enthaltenden Prüfkopf, welcher des Körpers angeordnet sein, so daß das Ultraschallsowohl an einen Impulserzeuger als auch an eine signal den Körper nur einmal durchläuft. In jedem die zeitliche Auswertung von Sende- und Emp- Fall wird die an den Außenwänden des Körpers bei fangssignalen vornehmende elektronische Signal- io den mehrfachen Reflexionen hervorgerufene Dämpschaltung angeschlossen ist, dadurch ge- fung ermittelt, die an denjenigen Reflexionsstellen, kennzeichnet, daß der Prüfkopf (1) als in* die in die Flüssigkeit eintauchen, größer ist als an tegrale einstückige Baueinheit ausgebildet ist, bei den über der Flüssigkeit liegenden Reflexionsstellen. der der sich an den den piezoelektrischen Wand- Das am Empfänger auftretende Signal besitzt also ler enthaltenden Erregerteil (2) anschließende 15 eine Amplitude, die um so geringer ist, je mehr Re-Schallübertrager (3) eine zur Berührung mit der flexionssteilen unterhalb des Flüssigkeitsstandes lie-Flüssigkeit frei liegende Basisfläche (5) besitzt, gen. Diese Art der Auswertung ist verhältnismäßig daß eine Reflektorplatte (6) in festem Abstand ungenau, weil es sich um eine Amplitudenauswervon der Basisfläche (5) gehalten ist, und daß der tung handelt. Sie eignet sich daher nur für eine Grob-Schallübertrager so bemessen ist, daß seine Basis- 20 anzeige. Außerdem wird ein Körper mit großen fläche (5) am Erregerteil (2) eine unterscheidbare Längenabmessungen und verhältnismäßig großer Reflexion erzeugt. Breite als Meßsonde benötigt.

2. Ultraschallprüfgerät nach Anspruch 1, da- Durch einen Literaturhinweis in der Zeitschrift durch gekennzeichnet, daß der mechanische »Instruments and Controlsystems«, Bd. 33 (1960), Schallübertrager (3) sich vom Erregerteil (2) aus 25 S. 936, ist ein Ultraschall-Durchflußmengenmesser bekonisch erweitert und an seinem entgegengesetz- kannt, mit dem die Strömungsgeschwindigkeit einer ten Ende senkrecht zur Konusachse eine ebene, in einem Rohr strömenden Flüssigkeit gemessen werfreie Basisfläche (5) hat. den soll. Zu diesem Zweck sind an einander gegen-

3. Ultraschallprüfgerät nach Anspruch 1 überliegenden Wandungsteilen des Rohres ein Senoder2, gekennzeichnet durch einen Prüfkopf aus 30 der und zwei voneinander getrennt angeordnete Aluminium. Empfänger vorgesehen. Der Sender sendet Ultra-

4. Ultraschallprüfgerät nach einem der An- schajlsignale aus, die bei strömender Flüssigkeit in Sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsrichtung abgelenkt werden und dadurch Signalschaltung derart ausgebildet ist, daß die von dem jeweiligen Empfänger registriert werden von der Reflektorplatte (6) kommende Reflexion 35 können. Der Durchflußmesser erfordert separate ausgewertet wird, während bei Ausbleiben der Sende- und Empfangseinrichtungen, die sehr genau von der Basisfläche (5) kommenden Reflexion an dem Rohr positioniert werden müssen. Er nimmt eine Fehlfunktion angezeigt wird. ferner ebenfalls eine Amplitudenauswertung der Ul-

5. Ultraschallprüfgerät nach einem der vorher- traschallimpulse vor, um von der Höhe der Ampligehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die 40 tude auf die Strömungsgeschwindigkeit zu schließen. Verwendung einer elektrischen Schaltung, die Diese Methode ist ungenau, weil sie von zahlreichen Tprschaltungen enthält, die durch Steuersignale Parametern beeinflußt wird.

zu den Zeiten des möglichen Durchgangs aus- In den deutschen Patentschriften 878723 und

wertbarer Reflexionssignale geöffnet werden, 931373 ist eine Vorrichtung zur Abstandsmessung während unregelmäßige Signale oder Störsignale 45 nach der Echo-Methode beschrieben, bei der in als Warnsignale angezeigt werden. einem Behälter in unterschiedlichen Höhen räumlich

gegeneinander versetzte Reflexionsstellen angebracht sind, um bei der Auswertung des an der Flüssigkeits-

oberfläche reflektierten Signals eine Skala oder einen

·. :— 50 Maßstab zu erhalten. Die Sende- und Empfangsvorrichtung befindet sich an der Unterseite des Behälters. Die Anzahl der nach Aussenden eines Impulses auftretenden Echos ist ein Maß für die Höhe des Die Erfindung betrifft ein Ultraschallprüfgerät für Flüssigkeitsspiegels.

die Flüssigkeitsstandanzeige, mit einem einen piezo-? 55 Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ultraschallprüfelektrischen Wandler zur Erzeugung und zum Emp- gerät der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen fang von Ultraschallwellen enthaltenden Prüfkopf, Einsatz von Größe, Art und Bauform des jeweiligen welcher sowohl an einen Impulserzeuger als auch an Behälters unabhängig ist und das Erreichen eines beeine die zeitliche Auswertung von Sende- und Emp- stimmten vorgegebenen Flüssigkeitsstandes mit grofangssignalen vornehmende elektronische Signal- 60 ßer Genauigkeit und hoher Funktionssicherheit anzuschaltung angeschlossen ist. zeigen vermag.

Durch die britische Patentschrift 873 538 ist eine Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch geAnordnung zum Messen des Flüssigkeitsstandes in löst, daß der Prüfkopf als integrale einstückige Baueinem Gefäß bekannt, bei der ein Körper, an dessen einheit ausgebildet ist, bei der der sich an den den einem Ende ein Ultraschallimpuls erzeugt wird, in 65 piezoelektrischen Wandler enthaltenden Erregerteil die Flüssigkeit eintaucht. Das Ultraschallsignal wird anschließende Schallübertrager eine zur Berührung unter schrägem Winkel an dem stirnseitigen Ende mit der Flüssigkeit frei liegende Basisfläche besitzt, des Körpers erzeugt und pflanzt sich unter mehrfa- daß eine Reflektorplatte in festem Abstand von der