DE19520516A1 - Ultraschall-Materialpegelmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die örtliche Pegelmessung von Material im Raum zwischen Ultraschallwandlern und insbesondere auf eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Testen und Bestätigen der Integrität des Meßsystems.

Es gibt eine Anzahl von kommerziell erhältlichen Geräten zur Anzeige, wann Material, insbesondere flüssiges Material, einen Pegelstand erreicht hat, um einen Zwischenraum oder Schlitz zwischen zwei piezoelektrischen Ultraschallwandlern aufzufüllen. Ein Wandler wird zur Übertragung von Energie durch den Materialraum zum anderen Wandler betrieben. Wenn Luft den Materialraum füllt, wird die Ultraschallenergie abgeschwächt, bevor sie den anderen Wandler erreicht, und zwar wegen der relativ schlechten Schalleitfähigkeit von Luft. Wenn andererseits der Raum mit Flüssigkeit gefüllt ist, erreicht die Ultraschallenergie den zweiten Wandler und wird mittels geeigneter Elektronik nachgewiesen, um anzuzeigen, daß das Material das Niveau der Wandler erreicht hat. Weil das Fehlen von festgestellter Energie am Empfangswandler von einem Fehler des Meßgeräts stammen kann, was einen Fehler entweder des Wandlers oder der Verbindung zwischen den beiden Wandlern und ihrem zugeordneten Fenster bedeuten kann, ist es wünschenswert, eine Einrichtung zum Testen der Systemintegrität und der Betriebsfähigkeit vorzusehen.

Eine generelle Zielsetzung der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Geräts der beschriebenen Art zur Bestimmung des Materialpegels, welche eine Einrichtung zum automatischen Selbsttesten des gesamten Geräts umfaßt, einschließlich der Sende- und Empfangswandler und der Verbindung an den zugeordneten Fenstern. Eine speziellere Zielsetzung der vorliegenden Erfindung liegt in der Schaffung eines Geräts der beschriebenen Art, das ökonomisch zu fertigen ist, automatisch die Selbsttestfunktion während des Betriebs ohne Intervention der Bedienungsperson ausführt, das eine Anzeige des Systemfehlers an die Bedienungsperson liefert und das eine Möglichkeit der selektiven Testung des Systembetriebs unabhängig vom tatsächlichen Materialpegel und unabhängig von dem Wandlerzustand bietet. Eine weitere Zielsetzung der vorliegenden Erfindung liegt in der Schaffung eines Geräts der beschriebenen Art, das sich selbst kalibriert, in dem Sinne, daß Änderungen der Temperatur, der Materialcharakteristiken und der Art des Umschlusses oder Materials automatisch sowohl in der Meßbetriebs- als auch der Selbsttestbetriebsart eingestellt werden, ohne daß die Bedienungsperson intervenieren oder eine Einstellung vornehmen muß.

Die gestellte Aufgabe wird aufgrund der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst und durch die weiteren Merkmale der Unteransprüche ausgebildet und weiterentwickelt.

Bei einem Gerät gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden elektrische Signale an den Sendekristall zur Ausstrahlung von Ultraschallenergie bei unterschiedlich hohen und niedrigen Frequenzen im Materialraum zu dem Empfangskristall angelegt. Die elektronische Schaltung spricht auf die empfangene Energie am Empfangswandler an, und zwar bei hoher Frequenz, um die Anwesenheit von Material in dem Raum zwischen den Wandlern anzuzeigen und bei niedriger Frequenz, um den Betriebszustand der Vorrichtung anzuzeigen. Bei hoher Frequenz wird die Energie in den Materialspalt ausgestrahlt, und die Energie beim Empfangskristall zeigt so die Anwesenheit von Material in dem Spalt an. Bei niedriger Frequenz wird die Gesamtstruktur des Geräts in Resonanz versetzt, und die Energie beim Empfangskristall zeigt das richtige Funktionieren des Systems an.

In der bevorzugten Ausführungsform wird der Sendekristall mit einem Überstreichfrequenz-Oszillator zum kontinuierlichen Überstreichen des Bereichs zwischen hohen und niedrigen Ultraschallfrequenzen gekoppelt. Diese Technik hat den Vorteil, daß sie nicht nur automatisch und kontinuierlich die Systemintegrität bei niedrigen Frequenzen zwischen den jeweiligen Hochfrequenzmeßzyklen überprüft, sondern sich auch an eine breite Vielfalt von unterschiedlichen Meßzuständen, Flüssigkeitstemperaturen und Dichten, Luftblasen und dergleichen anpaßt, die sonst die Meßzuverlässigkeit beeinträchtigen, wenn speziell festgelegte Meß- und Testfrequenzen verwendet werden würden. Dies bedeutet, daß sich die Resonanzfrequenz des Geräts mit dem Einschluß und der Sondengeometrie ändern kann, ferner der Umschluß- und Sondenzusammensetzung, der Geometrie und Zusammensetzung des Gefäßes, an dem der Einschluß und die Sonde montiert sind, als auch in der Anwesenheit oder Abwesenheit von Material im dem Gefäß. In gleicher Art kann sich die optimale Meßfrequenz mit der Materialzusammensetzung und Temperatur, der Anwesenheit von Luftblasen usw. ändern, wie zuvor diskutiert. Durch kontinuierliches Überstreichen nach vorwärts und rückwärts zwischen hohen und niedrigen Frequenzbereichen während des Betriebs paßt man sich solchen Änderungen in Richtung auf optimale Selbsttest- und Meßfrequenzen automatisch an. Die Elektronik kann deshalb in Verbindung mit einer Anzahl von Sonden, Umschlußgeometrien und Zusammensetzungen verwendet werden, und das gesamte System kann in Verbindung mit einer großen Vielfalt von Gefäßen und Materialien verwendet werden, ohne Auslegungsänderung oder -einstellung. Wenn das Gerät in einer speziellen Anwendung installiert ist, können ferner jegliche Änderungen infolge Schwankungen der Betriebsbedingungen effektiv ignoriert werden.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die im Materialraum eingestrahlte Energie kontinuierlich und abwechselnd zwischen hohen und niedrigen Frequenzen hin- und herwandert, wird die am Kristall des Empfangswandlers empfangene Energie in ein gepulstes Signal mit einer Impulsbreite umgewandelt, die sich als Funktion der Zeit ändert, während die Ultraschallenergie am Empfangswandler empfangen wird. Wenn nur Luft zwischen den Wandlern vorhanden ist, ist die Impulsbreite relativ kurz, was die Dauer der Resonanz im Niederfrequenzbereich widerspiegelt. Wenn Material zwischen den Wandlern vorhanden ist, ist das gepulste Signal von längerer Dauer, während ein Systemfehler sich als Signal von der Impulsdauer Null ergibt. Die Zeitdauer des gepulsten Signals wird deshalb mit einem ersten Schwellwert zur Anzeige des Systemausfalls verglichen, wenn die Impulsdauer unterhalb dieses Schwellwertes liegt, und mit einem zweiten höheren Schwellwert zur Anzeige der Anwesenheit von Material zwischen den Wandlern, wenn die Impulsdauer von entsprechend größerer Dauer ist. Die Trennung dieser Schwellwerte ergibt eine Anpassung an eine Vielzahl von unterschiedlichen Materialien und Meßbedingungen, wie zuvor beschrieben. Das Gerät der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt auch eine Möglichkeit des selektiven Testbetriebs des Geräts unabhängig von den Wandlern und der Anwesenheit oder Abwesenheit von Material im Raum zwischen den Wandlern. Speziell sind ein Paar von Schalterelementen in Serie zwischen den Wandlern geschaltet. Das erste Schalterelement ist normalerweise offen und schließt in Abhängigkeit von der Wahl einer Testbetriebsart. Die erste Schaltervorrichtung kann einen Reed-Schalter umfassen, der auf die Plazierung eines Magneten außerhalb und benachbart zur Vorrichtung anspricht, oder einen photooptischen Schalter, der bei Fernwahl der Testbetriebsart anspricht. Das zweite Schalterelement, welches Prüfkabel umfassen kann, die zum Zeitpunkt der Herstellung oder Installation des Geräts programmiert worden sind, umfaßt einen leitenden Zustand zur Anlage von Energie von dem ersten Schalter, wenn dieser geschlossen ist, an den zweiten Kristall und simuliert dabei die Anwesenheit von Material zwischen den Wandlerkristallen unabhängig von dem tatsächlichen Materialpegel. Im zweiten Zustand des zweiten Schalterelements wird Energie von dem ersten Kristall durch das erste Schalterelement nach Erde geleitet, wodurch ein Systemfehler simuliert wird.

Die Erfindung mit zusätzlichen Zielrichtungen, Merkmalen und Vorteilen ist am besten aus der nachfolgenden Beschreibung, den angefügten Ansprüchen und der Zeichnung zu verstehen. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Teil eines Flüssigpegel- Feststellsystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Einzelheit im Schnitt bei vergrößertem Maßstab der Spitze der in Fig. 1 dargestellten Meßsonde,

Fig. 3 ein funktionelles Blockdiagramm des Flüssigkeitspegel-Meßgeräts nach Fig. 1 und 2 und

Fig. 4A bis 4C zusammengenommen eine elektrische Schaltung der Elektronik des Geräts, die funktionell in Fig. 3 dargestellt ist.

Fig. 1 illustriert ein System zur Anzeige des Pegels von flüssigem Material in einem Umschließungsgefäß 12 gemäß einer zur Zeit bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, welches ein Gehäuse 14 umfaßt, das eine Basis und einen Deckel umfaßt, die Gehäuseabschnitte 16, 18 bilden, die sich gegenüberstehen und becherförmig ausgebildet sind. Ein hohler Hals 20 steht integral von der Basis 16 vor und weist ein unteres Ende auf, an dem ein Montageverbinder 22 angeschraubt ist. Das von der Basis entfernte Ende des Verbinders 22 ist zur Schraubaufnahme in eine hohle Stopfbuchse 24 ausgebildet, die an der Wand des Gefäßes 12 befestigt ist. Eine hohle Sonde 26 erstreckt sich von der Basis 16 durch die Stopfbuchse 24, und ein Schlitz oder Spalt 28 ist in der Sonde 26 ausgebildet. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist ein erster piezoelektrischer Kristallwandler 30 innerhalb der Sonde 26 an ein Fenster 32 gebondet, das die eine Seite des Spalts 28 bildet, während ein zweiter piezoelektrischer Kristallwandler 34 an dem gegenüberliegenden Fenster 36 gebondet ist, welches den Spalt 28 begrenzt. Die Kristalle 30, 34 sind durch Epoxiharz 38 bedeckt und über Leitungen 40, 42 mit der Meßelektronik innerhalb des Gehäuses 14 verbunden.

Soweit beschrieben, ist das System 10 konventionell ausgebildet. Der Schlitz 28 kann sich entweder vertikal oder horizontal erstrecken und füllt sich mit Flüssigkeit, wenn das Flüssigkeitsmaterial im Kessel 12 bis zum Niveau des Schlitzes ansteigt. Einer der Kristallwandler 30 wird entweder kontinuierlich oder periodisch erregt, um Ultraschallenergie in den Schlitz 28 abzugeben. Wenn der Schlitz mit Luft gefüllt ist, wird die Energie wegen der relativ schlechten Übertragungscharakteristik der Luft gedämpft, und es wird wenig oder keine Energie an dem zweiten Kristallwandler 34 empfangen. Wenn andererseits Flüssigkeit den Spalt 28 ausfüllt, wird die Ultraschallenergie leicht zu dem Kristall 34 geleitet, der dazu dient, zusammen mit der im Gehäuse 14 liegenden Elektronik anzuzeigen, daß das Material das Niveau des Spaltes erreicht hat. Eine solche Anzeige kann einen Alarm auslösen, ein Ventil öffnen oder eine Pumpe starten, je nach der Option des Nutzers. Die Sonde 26 kann relativ lang sein, wie in Fig. 1 dargestellt, um den Spalt oder Schlitz 28 benachbart dem Boden eines Gefäßes 12 anordnen zu können, wenn das System für Niedrigpegel-Flüssigkeitsfeststellung ausgelegt wird. Die Sonde 26 kann auch relativ kurz sein, um die Stellung des Spaltes 28 bei einem oberen Pegel des Gefäßes anzuordnen, wenn ein hoher Pegel festgestellt werden soll. Alternativ können eine oder mehrere Sonden und Gehäuse entlang einer Seitenwand des Gefäßes 12 angeordnet werden, um hohen Pegel, niedrigen Pegel oder einen Zwischenpegel festzustellen.

Fig. 3 stellt ein Funktionsblockdiagramm der Elektronik 46 innerhalb des Gehäuses 14 gemäß einer zur Zeit bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dar. Der Sendekristall 30 wird durch einen Transistor 48 erregt, der wiederum von einem Überstreichfrequenz-Oszillator 50 betrieben wird, der einen Dreieckwelle-Generator 52 umfaßt, welcher mit dem Steuereingang eines spannungsgesteuerten Oszillators 54 in Verbindung steht. Der Empfangskristall 34 ist über einen Signalverstärker 56 mit einem Impulsbreitengenerator 58 verbunden, der ein gepulstes Signal mit einer Zeitdauer erzeugt, die als Funktion des Bruchteils der gesamten Zykluszeit des Überstreichfrequenz-Oszillators 50 variiert, während welcher Zeit Energie beim Kristall 34 empfangen wird.

Das Ausgangssignal des Impulsbreitengenerators 58 ist mit einem Impulsbreitendetektor 60 verbunden. Ein erster Schwellwertdetektor 62 ist mit dem Impulsbreitendetektor 60 zur Anzeige von Flüssigkeit in dem Spalt 28 verbunden, wenn die Ausgangsimpulsbreite oberhalb eines ersten Schwellwertes ansteigt. Ein zweiter Schwellwertdetektor 64 ist mit dem Detektor 60 zur Anzeige des Ausfalls der Abtastapparatur verbunden, wenn die Impulsbreite unterhalb eines zweiten Schwellwertes absinkt. Die Schaltungen 62, 64 sind mit entsprechenden Ausgangsschaltungen 66, 68 verbunden, um jeweils die Anwesenheit von Flüssigkeit oder den Ausfall des Sensors anzuzeigen.

Fig. 4A bis 4C sollen entlang der Linien A-B in Fig. 4A und 4B sowie der Linien B-C in Fig. 4B und 4C miteinander verbunden werden, um zusammen ein elektrisches Schemadiagramm der in Fig. 3 als Funktionsblock dargestellten Schaltung zu bilden. Der Dreieckwellengenerator 52 (Fig. 3 und 4A) ist von konventioneller Ausbildung und liefert ein kontinuierliches Dreieckwellensignal an den Steuereingang des spannungsgesteuerten Oszillators 54, das im wesentlichen linear bei einer Gesamtperiode von ungefähr einer Sekunde alternativ ansteigt und abfällt. Der spannungsgesteuerte Oszillator 54 weist einen Kondensator 70 und einen Widerstand 72 auf, die den Bereich der Frequenzen bestimmen, der von dem Oszillator 54 durchfahren wird, wenn der Steuereingang kontinuierlich ansteigt oder abfällt. Der Oszillator 54 durchfährt vorzugsweise den Bereich von ungefähr 100 kHz zu ungefähr 2 MHz während eines Halbzyklus des Steuereingangs vom Dreieckwellengenerator 52 und dann von ungefähr 2 MHz zurück zu ungefähr 100 kHz während des anderen Halbzyklus des Steuereingangs. Die bevorzugte Zykluszeit von ungefähr einer Sekunde ist nicht kritisch. Der bevorzugte Frequenzbereich von ungefähr 100 kHz zu ungefähr 2 MHz ist nicht kritisch, obzwar die untere Frequenzgrenze gut unterhalb der typischen Abschneidfrequenz wegen guter Übertragung durch die Flüssigkeit und unterhalb der typischen Resonanzfrequenz der gesamten Anordnung bleiben sollte, während die Hochfrequenzgrenze gut oberhalb der Abschneidfrequenz für gute Übertragung durch die Flüssigkeit liegen sollte. Es wurde festgestellt, daß eine Frequenz von 500 kHz eine typische Abschneidfrequenz in einer typischen Flüssigkeit darstellt, obwohl dies in weiten Grenzen in Abhängigkeit von der Flüssigkeitszusammensetzung, der Temperatur, der Dichte, dem Druck von Luftblasen usw. schwankt. So lange sich der höhere Frequenzbereich gut oberhalb der maximal erwarteten Frequenz der Übertragung durch das Material unter allen erwarteten Betriebsbedingungen erstreckt und der untere Frequenzbereich sich gut unterhalb der minimalen erwarteten Resonanzfrequenz der Anordnung in einem Gefäß unter allen erwarteten Betriebsbedingungen erstreckt, ist es völlig unnötig, die tatsächliche Übertragungsfrequenz oder Resonanzfrequenz zu kennen.

Der Ausgang des Oszillators 54 ist mit der Basis des Antriebstransistors 48 (Fig. 3 und 4B) verbunden, der wiederum mit dem Sendekristall 30 in Verbindung steht. Die ungeerdete oder Signal-Seite des Sendekristalls 30 steht mit der ungeerdeten oder Signal-Seite des Empfangskristalls 34 durch einen normalerweise offenen Reed-Schalter 74 und eine Schaltervorrichtung oder ein Element 76 in Verbindung, die in Serie mit dem Reed-Schalter 74 liegt. Das Schalterelement 76 in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt einen Rangierblock, der einen Satz von Prüfklemmen LS zur Verbindung mit der Signalseite des Kristalls 34 und einen zweiten Satz von Prüfklemmen FS zur Verbindung mit Erde aufweist. Eines der beiden Prüfklemmenpaare LS, FS wird zur Zeit der Herstellung oder Installation zum Programmieren des Testmodus des Betriebs geschaltet, wie beschrieben werden wird. Ein photooptischer Koppler 82 liegt parallel zum Reed-Schalter 74 und empfängt ein Steuereingangssignal von einem Klemmenblock 84. Die zweite Klemme des Klemmenblocks ist mit einer Prüfblockschaltervorrichtung 86 verbunden, welche Prüfklemmen A und B aufweist, ebenfalls zum Programmieren des Testmodus des Betriebs, wie noch beschrieben wird. Die Prüfblockschalterelemente 76, 84 können alternativ zweipolige Dipschalter, einzelpolige Zweiwegemikroumschalter usw. umfassen.

Die Signalseite des Wandlers 34 ist auch mit dem Verstärker 56 (Fig. 3 und 4C) von im großen und ganzen konventioneller Ausbildung verbunden, der mit dem Impulsbreitengenerator 58 in Verbindung steht. Der Generator 58 umfaßt ein Filter, welches ein gepulstes Gleichstromsignal an einem Kondensator 90 bei der Frequenz des Oszillators 50 (Fig. 3 und 4A) und mit einer Impulsbreite erzeugt, die als Funktion der Zeit in der Periode des Oszillators 50 variiert, in welcher die Energie durch den Materialspalt des Empfangskristalls übertragen wird. Dies bedeutet, daß die Spannung am Kondensator 90 hoch ist, wenn Energie durch den Materialspalt zum Empfangskristall übertragen wird, und niedrig ist, wenn keine Energie an dem Empfangskristall empfangen wird. Die gesamte Zykluszeit ist gleich der Zykluszeit des Überstreichfrequenz-Oszillators 50, und zwar eine Sekunde in der bevorzugten Ausführungsform. Die Prozentzahl der gesamten Zykluszeit, während welcher die Spannung am Kondensator 90 hoch ist, hängt davon ab, ob die Wandlerkristalle richtig arbeiten und ob Material zugegen ist, wie beschrieben wird. Dieses gepulste Gleichstromsignal wird dem Impulsbreitendetektor 60 (Fig. 3 und 4A) zugeführt.

Beim Detektor 60 wird das gepulste Signal durch einen Verstärker 92 zu einem Transistorschalter 94 geschickt, der die Gleichstromladung an einem Kondensator 96 steuert. Wenn das gepulste Ausgangssignal des Impulsbreitengenerators 58 (Fig. 3 und 4C) niedrig ist, wird deshalb der Transistor 94 abgeschaltet, und der Kondensator 96 wird über den Widerstand 98 geladen. Wenn andererseits das gepulste Ausgangssignal des Generators 58 hoch ist, was den Empfang von Ultraschallenergie an dem Empfangskristall anzeigt, wird der Kondensator 96 über den Transistorschalter 94 entladen. Daher schwankt das mittlere Gleichstrompotential am Kondensator 96 als umgekehrte Funktion der Zeit während des jeweiligen Zyklus des Überstreich-Oszillators, in welchem die Energie an dem Empfangskristall empfangen wird. Wenn keine Flüssigkeit im Spalt oder Raum zwischen den Kristallen zugegen ist, wird Energie zwischen den Kristallwandlern nur während der Niederfrequenzteile des Zyklus des Überstreichoszillators übertragen, in welcher die Anordnung in Resonanz steht, und die Schaltungskomponenten werden so ausgewählt, daß das Potential am Kondensator 96 in einem mittleren Bereichspegel in dieser Situation ist. Wenn Flüssigkeit zwischen den Kristallen zugegen ist, wird Energie zwischen dem gesamten Zyklus oder virtuell dem gesamten Zyklus des Überstreich- Oszillators übertragen, so daß die Dauer der Impulse des Generators 58 relativ lang ist und das Potential am Kondensator 96 (Fig. 4A) relativ niedrig ist. Wenn andererseits keine Energie zwischen den Kristallen infolge eines Ausfalls oder dergleichen übertragen wird, ist das Potential am Kondensator 96 auf einem hohen Pegel.

Ein Spannungsteiler 100 (Fig. 4A) liefert eine Bezugsspannung an den Dreieckwellengenerator 52 und liefert die gleiche Bezugsspannung an eine Reihe von Vergleichern 102, 104 (Fig. 4A), 106, 108 (Fig. 4B) innerhalb des Schwellwertdetektors 62 für zunehmende Impulsbreite (Fig. 3, 4A und 4B). Wenn der Spannungspegel am Kondensator 96 des Detektors 60 unterhalb des Bezugspegels abfällt, der durch den Spannungsteiler 100 (Fig. 4A) gesetzt wird, schaltet das Ausgangssignal des Vergleichers 102 auf Hoch, und nach einer durch den Widerstand 110 und den Kondensator 112 (Fig. 4A) bestimmten Zeitverzögerung schaltet auch das Ausgangssignal des Komparators 104 zum Hochspannungszustand. Dieses Ausgangssignal wird an eine einstellbare Zeitverzögerungsschaltung gegeben, die einen Widerstand 114, einen variablen Widerstand 116 und einen Kondensator 118 in Fig. 4B umfaßt, der behilflich ist, das Ausgangssignal der Feststellungsschaltung von vorübergehenden Schwankungen im Materialpegel zu isolieren. Das Ausgangssignal dieser Zeitverzögerungsschaltung wird einem Komparator 106 zugeführt, dessen Ausgangssignal dem Komparator 108 zur Verfügung steht, so daß die Ausgangssignale der Komparatoren 106, 108 im wesentlichen augenblickliche Spiegelbilder zueinander sind.

Wenn das Material sich zwischen den Wandlern befindet, ist daher das Ausgangssignal des Komparators 106 hoch, während das Ausgangssignal des Komparators 108 niedrig ist. Wenn andererseits kein Material zwischen den Kristallwandlern zugegen ist, ist das Ausgangssignal des Komparators 108 hoch und das Ausgangssignal des Komparators 106 niedrig.

Der Schwellwertdetektor 64 für abnehmende Pulsbreite (Fig. 3 und 4B) umfaßt einen Komparator 120, der einen Bezugseingang von dem Spannungsteiler 123 und einem Signaleingang vom Kondensator 96 des Impulsbreitendetektors 60 (Fig. 3 und 4A) empfängt. Das Ausgangssignal des Komparators 120 bereitet den Betrieb eines Transistorschalters 122 vor, der mit einem LED 124 verbunden ist und ein Steuereingangssignal von dem Dreieckwellengenerator 52 (Fig. 4A) empfängt. Wenn die Spannung am Kondensator 96 unterhalb des Bezugspegels abfällt, wie von dem Spannungsteiler 122 errichtet, was einen Verlust des Niederfrequenzsignals am Empfangssignal 34 anzeigt, wird der Betrieb des Transistorschalters 22 vorbereitet, und das LED 124 wird mit der Frequenz von 1 Hz vom Dreieckwellengenerator 52 (Fig. 3 und 4A) gepulst. Ein solches Aufblitzen des LED 124 zeigt einen Ausfall der Kristalle, der Kristallbindungen oder der elektrischen Feststellschaltung an.

Die Ausgangssignale der Vergleicher 106, 108 und 120 (Fig. 4B) werden einem Prüfblock 126 (Fig. 4C) zugeführt, um die Ausgänge 66, 68 (Fig. 3 und 4C) an die Bedürfnisse des Nutzers anzupassen. Der Prüfblock 126 weist zwei Paare von Prüfkontakten LL und HL auf, um Fail-Safe-Operation bei niedrigem Pegel bzw. hohem Pegel zu wählen. Wenn eine Prüfleitung über die Kontakte LL gelegt wird, wird daher der Ausgang 66 von dem Vergleicher 106 (Fig. 4B) betrieben, und im Falle eines Leistungsausfalls unabhängig von dem tatsächlichen Materialpegel wird ein Niedrigpegelzustand angezeigt (kein Material im Spalt 28 vorhanden). Wenn andererseits die Prüfleitung über die Fail-Safe-Kontakte HL für hohen Pegel gelegt wird, wird der Ausgang 66 durch den Komparator 108 betrieben, und im Falle eines Energieausfalls unabhängig von dem tatsächlichen Materialpegel wird ein Zustand mit hohem Pegel (Material innerhalb des Spalts 28) angezeigt. Die Wahl zwischen der Niedrigpegel-Fail-Safe-Operation und der Hochpegel-Fail-Safe-Operation wird typischerweise von dem Nutzer zur Zeit des Einbaus getroffen, wie es übliche Praxis ist. Der Prüfblock 126 kann auch ein Paar Prüfkontakte FR und ein Paar von Prüfkontakten DPDT umfassen, die alternativ ausgewählt werden, um den Ausgang 68 entweder in Abhängigkeit von einem Fehlanzeigeausgang des Komparators 120 (Fig. 4B) zu treiben oder als ein zweipoliger Ausgang eines Umschaltrelais, der bei einigen Anwendern in Abhängigkeit von der Materialpegelanzeige gewünscht wird. Im Falle, daß der Anwender die DPDT-Prüfoption am Block 126 wählt, wird der Ausgang 68 effektiv parallel zum Ausgang 66 in Fig. 3 geschaltet, und der Sensorausfall wird nur durch das LED 124 (Fig. 4B) angezeigt.

Der Flüssigpegelausgang 66 (Fig. 3 und 4C) umfaßt ein LED 128, welches aufleuchtet, wenn Material innerhalb des Materialspalts zwischen den Wandlern festgestellt wird. Ein Transistorschalter 130 treibt eine Relaisspule 132, die mit einem Satz von Relaisschaltkontakten 134 in Verbindung steht. Der Sensorausfallausgang 68 (Fig. 3 und 4C) umfaßt einen Transistorschalter 136, der eine Relaisspule 138 treibt, die mit einem Satz von Relaisschaltkontakten 140 in Verbindung steht. Die Relaisschalterkontakte 134, 140 sind mit einem Klemmenblock 142 verbunden, der wiederum über ein geeignetes Kabel mit den Alarmvorrichtungen, Ventilen oder Pumpen usw. in Verbindung steht, wie diese vom Anwender ausgewählt werden.

Rückkehrend zur Fig. 4B wird die Testbetriebsart über den Prüfblock 86 und den Prüfblock 76 zur Zeit der Herstellung oder Installation programmiert, wie zuvor angedeutet. Dies bedeutet, daß Rangierleitungen zwischen den Prüfkontakten A und B im Block 86 in Abhängigkeit davon gelegt werden, ob die Schließung des entfernten Testschalters RT zur Schließung eines Schaltkreises über den Koppler 82 (wie gezeigt) erfolgen soll oder eine Spannung an den Koppler angelegt wird. In gleicher Weise wird eine Rangierleitung entweder zwischen den Kontakten LS im Block 76 gelegt, wenn die Schließung des Schalters 74 oder des Schalters/Kopplers 82 die Anwesenheit von Flüssigkeit zwischen den Kristallen 30, 34 simulieren soll, oder über die Prüfkontakte FS, wenn das Schließen des Schalters 74 oder des Schalters/Kopplers 82 einen Systemausfall simulieren soll. Die Prüfung der Schaltung kann dann automatisch eingeleitet werden, und zwar entweder durch Plazierung eines Magnets benachbart dem Gehäuse 14 (Fig. 1), wie im US-Patent 5 084 335 beschrieben, oder durch Fernschließen des entfernten Testschalters RT, wie in dem US- Patent 4 676 100 beschrieben. In jedem Fall wird das Signal von dem Überstreichfrequenz-Oszillator 50, der den Sendekristall 30 erregt, entweder direkt zum Verstärker 56 über den Schalter 74 oder 82 und die Prüfkontakte LS zur Simulierung der Anwesenheit von Flüssigkeit zwischen den Kristallen gesendet, oder über den Schalter 74 oder 92 und die Prüfkontakte FS zur Erde geleitet, um eine Ausfallsituation zu simulieren. Die Anwendung eines Prüfblocks der bei 126 dargestellten Art (Fig. 4C) für den Betrieb mit hohem Pegel, niedrigem Pegel und Doppelpolumschaltung wird auch im US- Patent 5 161 411 erörtert. Die erwähnten Patente stehen der Anmelderin zur Verfügung.

Es ist somit feststellbar, daß die Integrität des Materialpegel-Feststellgeräts der Erfindung kontinuierlich und automatisch überprüft wird, indem alternativ Ultraschallenergie bei niedriger Frequenz und hoher Frequenz an den Sendekristall in der Selbsttest- bzw. Meßbetriebsart angelegt wird. Die Übertragungen von Niedrig- und Hochfrequenz-Komponenten für Ausfall- und Meßzwecke werden mit jeweilig unterschiedlichen Schwellwerten verglichen, die von Spannungsteilern 122 bzw. 100 (Fig. 4B bzw. 4A) bestimmt werden, was effektiv für einen Abstand zwischen den beiden Feststellungswerten sorgt, um zweifelhafte Situationen zu vermeiden. Da ferner die Ultraschallenergie kontinuierlich zwischen den niedrigen und hohen Frequenzbereichen hin- und herwandert, ist die Vorrichtung im wesentlichen unempfindlich für Schwankungen der Flüssigkeitsdichte und von Verschmutzungen, der Anwesenheit von Luftblasen, der Schwankungen der Temperatur und der akustischen Leitfähigkeit usw., wie zuvor erörtert.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Anzeige des Materialpegels mit folgenden Merkmalen:
eine Koppeleinrichtung (26, 32, 36) zur betriebsmäßigen Kopplung eines Paars von Ultraschallwandlern (30, 34) mit einem Raum zur Aufnahme des Materials, so daß die zwischen den Wandlern übertragene Energie den Raum durchquert;
eine auf Energie ansprechende Einrichtung (46), welche Energie den Raum zur Anzeige von Material im Raum durchquert,
dadurch gekennzeichnet,
daß diese auf Energie ansprechende Einrichtung (46) folgende Merkmale aufweist:
eine Einrichtung (48, 50) zur Anlage elektrischer Signale an einen der Wandler (30), so daß dieser Wandler in den Raum (28) zum anderen Wandler (34) Ultraschallenergie strahlt, welche kontinuierlich zwischen den Hoch- und Niederfrequenzbereichen hin- und herstreicht;
eine Einrichtung (62, 66) spricht auf die am anderen Wandler im hohen Frequenzbereich empfangene Energie an, um die Anwesenheit von Material im Raum zwischen den Wandlern anzuzeigen;
eine Einrichtung (64, 68) spricht auf die an dem anderen Wandler im Niederfrequenzbereich empfangene Energie an, um den Betriebszustand des Geräts einschließlich der Wandler unabhängig von der Anwesenheit von Material im Raum zwischen den Wandlern anzuzeigen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (56, 58) mit dem anderen Wandler (34) gekoppelt ist, um ein gepulstes Signal mit einer Impulsbreite zu liefern, die als Funktion der Zeit, während welcher Ultraschallenergie am anderen Wandler empfangen wird, sich ändert, wenn das Signal kontinuierlich und abwechselnd zwischen den niedrigen und den hohen Frequenzbereichen hin- und herwandert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anwesenheitsanzeigeeinrichtung (62, 66) eine auf das gepulste Signal ansprechende Einrichtung (62) aufweist, um die Anwesenheit von Material anzuzeigen, wenn die Impulsbreite größer als ein erster Schwellwert ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zustandsanzeigeeinrichtung (64, 68) eine auf das gepulste Signal ansprechende Einrichtung (64) aufweist, um die Betriebsbedingung des Geräts anzuzeigen, wenn die Impulsbreite kleiner als ein zweiter Schwellenwert ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (76 und 74 oder 82) zwischen den Wandlern betriebsmäßig verbunden ist, um den Betrieb des Geräts unabhängig von den Wandlern und der Anwesenheit oder Abwesenheit von Material im Raum zu testen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebstesteinrichtung (76 und 74 oder 82) eine Einrichtung (76) zur selektiven Simulierung entweder der Anwesenheit von Material im Raum zwischen den Wandlern oder den Ausfall des Geräts bei Betrieb der Betriebstesteinrichtung umfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebstesteinrichtung erste und zweite Schaltereinrichtungen (76 und 74 oder 82) umfaßt, die in Serie zwischen den Wandlern geschaltet sind, daß die erste Schaltereinrichtung (74 oder 82) normalerweise offen ist und eine geschlossene Stellung annimmt, um die Testbetriebsart einzuleiten, daß diese zweite Schaltereinrichtung (76) einen leitenden Zustand (LS) zur Anlage von Energie von einem Wandler (30) durch die erste Schaltereinrichtung (74 oder 72) zu dem anderen Wandler (34) aufweist, um die Anwesenheit von Material im Raum zu simulieren, und eine zweite leitende Stellung (FS) besitzt, bei der die Anlage von Energie von dem einen Wandler durch die erste Schaltereinrichtung zu dem anderen Wandler simuliert wird, und zwar unabhängig von der Frequenz zur Simulierung des Ausfalls der Vorrichtung.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beleuchtungseinrichtung (124) und eine auf die Testeinrichtung ansprechende Einrichtung (122) vorgesehen sind, welch letztere die Beleuchtungseinrichtung zündet, wenn die Testeinrichtung einen Betriebsausfall der elektronischen Steuereinrichtung anzeigt.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalanlageeinrichtung einen Überstreichfrequenz-Oszillator umfaßt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzbereich größer als 500 kHz ist und daß der Niederfrequenzbereich niedriger als 500 kHz ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Überstreichfrequenzoszillator einen Frequenzbereich von ungefähr 100 kHz zu ungefähr 2 MHz aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Energie ansprechende Einrichtung, welche an dem anderen Wandler im niedrigen Frequenzbereich empfangen wird, ein LED und eine Einrichtung zur Erregung dieses LED umfaßt, um dieses bei der Überstreichfrequenz des Überstreichfrequenzoszillators ein- und auszuschalten.