DE19510731C2 - Ultraschall-Strecke in schmalen Kanälen von Gehäusen - Google Patents

Ultraschall-Strecke in schmalen Kanälen von Gehäusen

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschall-Strecke in schmalen Kanälen von Gehäusen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In der EP 0 443 141 B1 ist eine Ultraschall-Strecke für Dunstabzugshauben beschrieben. Zur Erkennung von Dampf und Kochwrasen in schmalen Kanälen von Dunstabzugshauben wird diese Ultraschall-Strecke eingesetzt.
Die WO 92/03724 A1 offenbart einen Gasanalysator mit einer Ultraschall-Strecke in einem Kanal, welche aus einem auch als Empfänger dienenden Sender und einem Reflektor besteht. Das zu analysierende Gas wird über entsprechende Rohre zu- und abgeleitet.
In der DE 36 33 556 A1 ist eine Materialprüfungsvorrichtung beschrieben, bei welcher ein in Wasser befindlicher Festkörper mit Ultraschall durchstrahlt wird. Auf dem Empfänger, der sich auf der dem Sender gegenüberliegenden Seite des zu prüfenden Werkstoffes befindet, ist eine pyramidenförmige Blende mit kleiner Durchlaßöffnung angebracht.
Bei einer Ultraschall-Strecke mit kurzer Schallwellenlänge in schmalen Kanälen von Gehäusen treten je nach Kurzwelligkeit des Ultraschalls und je nach der Geometrie der Kanal-Anordnung Interferenzen auf, sofern der Öffnungswinkel der Ultraschall- Senderkeule nicht hinreichend schmal ausgeprägt ist. Diese werden durch Störstrahlen hervorgerufen, die aus Reflexionen der Schallkeule an den Kanalwänden resultieren. Der Effekt tritt auf, wenn die den Kanal begrenzenden, ultraschallreflektierenden Umrandungen, bzw. Kanalwände die Ultraschall-Strecke hinreichend stark einengen, oder die Ultraschallwellenlänge hinreichend klein ist, sodaß der Gangzeitunterschied der reflektierten Strahlen zu den am Reflektor direkt auftreffenden Strahlen ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge Lambda/2 betragen kann. Dies soll im weiteren die Definition des Begriffes "Ultraschall-Strecke in schmalen Kanälen" sein. Die Störstrahlen bewirken im ungünstigen Fall eine Minderung der empfangsseitigen Signalspannung des Sensors, bis hin zur völligen Auslöschung des Signals, insbesondere dann, wenn Sensor und Reflektor Winkelabweichungen zur Hauptachse der Ultraschallstrecke aufweisen, aufgrund von Fertigungstoleranzen, wie sie im Bereich der Hausgeräteindustrie üblich sind, oder der Sensor eine schief abstrahlende Schallkeule besitzt, wegen inhomogener Materialbeschaffenheiten im Sensor, bedingt durch dessen Fertigungsprozess.
Zur Vermeidung solcher Auslöschungen müssen, je nach Ausführung der Geometrie des Kanals, Korrekturmaßnahmen getroffen werden, wie eine Justage von Sensor und Reflektor in X- und Y-Richtung. Dabei muß die Justage um so genauer sein, je kleiner die Wellenlänge des Ultraschallsignals ist. So kann beispielsweise bei einer Ultraschallfrequenz von 200 kHz und einer ungünstig vorgegebenen Geometrie des Kanals bereits eine Winkelabweichung von 1° aus der für ein maximales Empfangssignal justierten Position zu einer völligen Auslöschung des Signals führen. Darüber hinaus müssen im Falle einer relativ unsteifen, die Kanalgeometrie beeinflussenden Konstruktion, wie es beispielsweise bei Dunstabzugshauben der Fall sein kann, Maßnahmen zur Stabilisierung der Geometrie und somit der Gewährleistung der Justage getroffen werden, beispielsweise durch Verstrebung der Konstruktion. Dies sind für Anwendungen im Bereich der Hausgeräte-Industrie Maßnahmen, die aufgrund der hohen Fertigungskosten nicht tragbar sind.
Daher besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine konstruktive Maßnahme vorzuschlagen, bei der auf eine aufwendige Justage komplett verzichtet werden kann, unter Tolerierung der im Hausgeräte-Bereich auftretenden Maßabweichungen, welche sicherstellt, daß keine Störstrahlen die empfangsseitige Signalspannung störend beeinflussen, unabhängig von der Ultraschallfrequenz und welche außerdem gewährleistet, daß ein möglichst großer Anteil des Sendesignals empfangsseitig gemäß der Funktionseigenschaft der Sensorik, wie beispielsweise in EP 0 443 141 beschrieben und von der Hausgeräte-Industrie angewendet, zur Wirkung kommt.
Die Erfindung löst die Aufgabe entsprechend den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß wird nur, ein bestimmter Raumwinkelbereich des Sendersignals sowie des reflektierten Signals als Wirksignal verwendet. Randstrahlen, die außerhalb dieses Wirkungsbereiches sind, werden derart abgelenkt, daß diese nicht mehr interferierend mit dem Wirksignal in Erscheinung treten können. Dabei kann der Wirkbereich durch eine spezifische geometrische Anordnung derart angepaßt werden, daß unterschiedliche Kanalgeometrien um die Ultraschallstrecke möglich sind, einschließlich der Berücksichtigung tolerierbarer Winkel- und Formabweichungen, wie sie beispielsweise im Hausgerätesektor üblich sind.
Die Eingrenzung des Raumwinkelbereiches erfolgt erfindungsgemäß durch die Einführung einer Ultraschall-Öffnungsblende in die Ultraschall-Strecke. Durch ein ideales Verhältnis deren Öffnungsdurchmessers zur Positionierung in der Ultraschall- Strecke kann ein optimaler Wirkbereich erzielt werden. Die geometrische Beschaffenheit der Ultraschall-Öffnungsblende kann so gewählt werden, daß Störstrahlen außerhalb des Wirksignal-Bereiches nicht mehr signalbeeinflussend in Erscheinung treten können, praktisch eliminiert werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand des Beispiels einer Ultraschallsensorik zur Erkennung von Dampf und Kochwrasen in Dunstabzugshauben gemäß EP 0 443 141 B1 nachfolgend be­ schrieben:
Es zeigt:
Fig. 1 eine Ultraschallstrecke in einem schmalen Kanal eines Gehäuses
Fig. 2 eine Ultraschall-Öffnungsblende
Fig. 3 eine geometrische Anordnung nach dem Prinzip der Elementarwelle
Fig. 4 eine geometrische Anordnung nach dem Prinzip der Wellenfront
Fig. 5 eine Öffnungsblende nach den Fig. 1, 2 in fertigungstechnisch an­ wendbaren geometrischen Anordnungen, wobei die Fig. 5 aus den Fig. 3 und 4 gebildet ist.
Nach Fig. 1 ist in einem Gehäuse 1 bzw. Kanal 20 mit, geringer Bauhöhe eine Ultraschall-Strecke 2 mit einer Ultraschall-Öffnungsblende 13 eingebaut. Mit dieser Anordnung lassen sich Luftdichteänderungen und Dampfbildung erfassen, wie in EP 0 443 141 B1 beschrieben. Die Dämpfe können gemäß den Pfeilen 4, 5 durch entsprechende, nicht gezeichnete Gehäuseöffnungen durch die Strecke 2 geführt werden.
Die Strecke 2 besteht aus einem Ultraschall-Sensor 10, der als Sender und Empfänger im Burst-Betrieb arbeitet. Der Sensor 10 ist mit einer Wand 6 verbunden und legt damit die Hauptachse 12 der in Fig. 3, 5 gezeichneten, im Sendebetrieb emittierten schmalbandigen Schallkeule 11 fest. Das ausgesandte Ultraschall-Signal wird von der gegenüberliegenden Reflektor-Wand 7 in Richtung des Sensors 10 reflektiert.
Die Ultraschall-Öffnungsblende 13, bestehend aus einem festen Material mit glatter. Oberfläche, liegt koaxial in der Hauptachse 12 und ist über einen Halter 9 bei 14 an der Wand 8 befestigt. Distanz und Öffnungsdurchmesser lassen sich über einen bestimmten geometrischen Zusammenhang der Anordnung ermitteln. Üblicherweise ist die Ultraschall-Öffnungsblende 13 in der Mitte zwischen Sensor 10 und der gegenüberliegenden Reflektor-Wand 7 angeordnet; der Durchlaßquerschnitt 15 nach Fig. 2 der Ultraschall-Öffnungsblende 13 entspricht bei dieser Distanz üblicherweise in etwa der schallabstrahlenden Fläche des Sensors 10.
Die Blende 13 weist zwei zur Hauptachse 12 geneigte, schallreflektierende Flanken 16, 17 auf. Die Flankenwinkel 18, 19 der Ultraschall-Öffnungsblende 13 zur Hauptachse 12 sind ungleich einem Winkelbereich von 40° bis 50° und betragen vorzugsweise 55°.
Der Raumwinkelbereich der vom Sensor 10 emittierten Schallkeule 11 wird in der Ultraschallstrecke 2 durch die Ultraschall-Öffnungsblende 13 auf einen bestimmten Wirkbereich maskiert. Es wird sichergestellt, daß der ausmaskierte Winkelbereich der Schallkeule mit dem Wirkbereich nicht mehr interferieren kann.
In einer praktischen Ausführung mit den Abmessungen Kanallänge L = 500 mm, Kanalbreite D = 40 mm, Durchmesser der Piezokeramik DP ~ 10 mm, Durchmesser der Schallfläche DS ~ 20 mm und Durchmesser DB = 26 mm der Öffnungsblende 13 zeigt sich nach Fig. 5, daß eine Abweichung ΔL der Positionierung der Ultraschall-Öffnungsblende 13 von der idealen mittigen Anordnung in, der Ultra­ schall-Strecke 2 von mehr als ±L/b möglich ist, ohne daß die Wirksamkeit der Anordnung verloren geht. Das heißt, die Anordnung der Ultraschall-Öffnungsblende 13 in der Ultraschall-Strecke 2 kann hinsichtlich konstruktiver Gesichtspunkte, wie sie beispielsweise in Geräten der Hausgeräteindustrie erforderlich sind, genügend variabel gestaltet werden. Der Durchmesser DB der Öffnungsblende 13 wurde sinnvollerweise an das obere Ende DBmax des Durchmesserbereiches gelegt um mögliche Positions- Toleranzen zur Hauptachse der Ultraschall-Strecke 2 zu kompensieren, bzw. ein möglichst großes Wirksignal zu erhalten.
Die geometrische Anordnung der Ultraschall-Öffnungsblende 13 in der Ultraschall- Strecke 2, welche eine Optimierung des Wirkbereiches bzw. eine Minimierung der Störstrahl-Interferenzen ermöglicht, läßt sich am besten durch das Huygensche Prinzip der Wellenausbreitung beschreiben. Danach wird jeder von einer Wellenbewegung erfaßte Punkt selbst zum Ausgangspunkt einer neuen Welle, einer Elementarwelle. Die vielen entstehenden Elementarwellen, wie beispielsweise an der Austrittsfläche des Ultraschallsensors entstehen, kommen zur Überlagerung. Als Ergebnis entsteht die der Beobachtung zugängliche gemeinsame Wellenfront aller Elementarwellen.
Für die Ermittlung des idealen Wirkbereiches können in der praktischen Anwendung näherungsweise nun zwei wesentliche Aussagen zugrunde gelegt werden, die Theorie der Elementarwelle für die Ermittlung des maximalen Wirkbereiches, bei dem störende Reflexionen noch eliminiert werden, das heißt zur Ermittlung des maximalen Öffnungsdurchmessers der Ultraschall-Öffnungsblende 13 und die Theorie der gemeinsamen Wellenfront zur Ermittlung des minimalen Wirkbereiches, bei dem durch die Öffnungsblende 13 entstehende Signaldämpfungen noch untergeordnet bleiben, d. h. zur Ermittlung des minimalen Öffnungsdurchmessers der Öffnungs­ blende 13.
1. Ermittlung des maximalen Öffnungsdurchmessers DB der Ultraschall-Öffnungs­ blende 13 zur Eleminierung der Störstrahlen oder Reflexionen gemäß Fig. 3.
Hier muß zunächst ein Mindestdurchmesser DP des Ultraschall-Erregungszentrums der Elementarwelle definiert werden. Dieser ist je nach Sensor unterschiedlich und kann beispielsweise meßtechnisch ermittelt werden. Bei kreisförmigen piezokeramischen Sensoren, deren kreisförmige Schwingkeramik in Ausbreitungs­ richtung der Schallwelle schwingt, kann als guten Näherungswert beispielsweise der Durchmesser der Schwingkeramik angesetzt werden. Dann läßt sich der den maximalen Wirkbereich eingrenzenden Öffnungsdurchmesser DBmax der Ultraschall-Öffnungsblende 13 durch das Verhältnis des Blendenöffnungs- Durchmessers DB, des Durchmessers der Schwingkeramik DP, der Kanalbreite D und des Abstandes X der Blende in der Ultraschall-Strecke mit der Kanallänge L zueinander ermitteln. Der Durchmesser DBmax der Ultraschall-Öffnungsblende 13 kann dann näherungsweise nach folgender Fallunterscheidung errechnet werden:
Formel 1:
Für 0 < X < L/2:
DBmax = DP + (D - DP)X/L
Für L/2 < X < L:
DBmax = DP + (D - DP) (L - X)/L
2. Ermittlung des minimalen Öffnungsdurchmessers der Ultraschall-Öffnungsblende 13 zur Erzielung eines möglichst großen Nutzsignals gemäß Fig. 4
Zur Ermittlung des minimalen Durchmessers DBmin der Öffnungsblende 13, kann näherungsweise die Theorie der parallelen Wellenfront Anwendung finden, vorwiegend bei Ultraschallsensoriken, die in schmalen Kanälen betrieben werden und bei denen vorzugsweise Sensoren mit schmalem Öffnungswinkel der Schallkeule, beispielsweise von 10° bei einem Leistungsabfall von -3 dB, verwendet werden. Danach bewegt sich die parallele Schallwellenfront in einer Querschnittsfläche, die der Fläche der schallemittierenden Oberfläche DS des Sensors 10 gleichzusetzen ist. Nicht parallele Wellenstrahlen werden zwar reflektorseitig zurückgestrahlt, treffen aber im wesentlichen nicht mehr auf die Empfangsfläche DS des nunmehr als Schallempfänger wirkenden Sensors 10 auf. Es kann für den kleinsten noch effektiven Durchmesser DBmin der Ultraschall- Öffnungsblende 13 der Durchmesser DS der Sende- bzw. Empfangsfläche des Ultraschallsensors näherungsweise angesetzt werden:
Formel 2:
DBmin = DS
3. Zusammenfassung beider Lösungsansätze gemäß Fig. 5
Zur Ermittlung der Bandbreite einer fertigungstechnisch sinnvollen Anordnung für die Positionierung der Ultraschall-Öffnungsblende 13 in der Ultraschall-Strecke 2 und der Auslegung deren Öffnungsdurchmessers DB, müssen beide Lösungsansätze zusammengefaßt werden. Im Sinne einer möglichst kleinen Signaldämpfung ist der Öffnungsdurchmesser DB so groß wie möglich und im Sinne der Eliminierung der Interferenzen so klein wie nötig zu wählen. In Fig. 5 ist der Durchschnitt beider Lösungsansätze in diesem Sinne dargestellt.
Bei vorgegebenem Abstand X errechnet sich gemäß der Formeln 1 und 2 der Öffnungsdurchmesser DB der Öffnungsblende 13; 13.1, 13.2.
Bei X = L/2 ist der Öffnungsdurchmesser DB maximal groß und ermöglicht die größte Echoausbeute. Bei X < L/2 oder X < L/2, also bei einem Abstand ΔL von der mittigen Idealposition ist der Öffnungsdurchmesser DB 1, bzw. DB 2 kleiner mit entsprechend geringerer Echoausbeute.
4. Sonderfälle
Für den Fall, bei dem die Kanalbreite D mit dem Durchmesser DS der schallemitierenden Fläche des Ultraschallsensors 10 zusammenfällt, also D gegen DS geht, erübrigt sich eine Ultraschall-Öffnungsblende 13, da der Kanal 20 dann sozusagen selbst die Funktion der Ultraschall-Öffnungsblende 13 einnimmt und Interferenzen oder Störstrahlen nicht mehr auftreten.

Claims (5)

1. Ultraschall-Strecke in schmalen Kanälen von Gehäusen, bestehend aus einem Ultraschall-Sender mit Sensor und einem Reflektor, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kanal (20) eine Schall-Öffnungsblende (13) angeordnet ist, deren maximaler Öffnungs-Durchmesser DBmax bei einem Abstand X von dem Sender (10), einem Abstand L zwischen Sender (10) und Reflektor (7), einem Durchmesser D des Kanals (20), einem Mindestdurchmesser DP des Ultraschall-Erregungszentrums und einem Durchmesser DS der Sende- /Empfangsfläche des Ultraschallsensors (10) nach folgenden Formeln auszubilden ist:
Für 0 < X < L/2: DBmax = DP + (D - DP)X/L
Für L/2 < X < L: DBmax = DP + (D - DP) (L - X)/L
und deren kleinster Öffnungs-Durchmesser DBmin sich bestimmt durch DBmin = DS
2. Ultraschall-Strecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schall-Öffnungsblende (13) etwa in der halben Distanz zwischen dem Sender bzw. Sensor (10) und dem Reflektor (7) angeordnet ist.
3. Ultraschall-Strecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schall-Öffnungsblende (13) wenigstens eine, zur Hauptachse (12) geneigte schallreflektierende Flanke (16, 17) aufweist.
4. Ultraschall-Strecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flankenwinkel (18, 19) der Schall-Öffnungsblende (13) in Richtung zum Sender (11) ungleich einem Winkelbereich von 40° bis 50° ist.
5. Ultraschall-Strecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Ultraschall-Öffnungsblende (13) vorzugsweise kreisförmig ist, aber auch eine elliptische oder andere Querschnitts-Formen annehmen kann, je nach Geometrie der vom Sensor (10) ausgestrahlten Schallkeule, oder der Querschnitts-Geometrie des Ultraschall-Kanales (20).
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