DE2542639A1 - Gas and flow detector - uses ultrasonic beam which is passed through medium, and has recorder to register frequency changes - Google Patents

Gas and flow detector - uses ultrasonic beam which is passed through medium, and has recorder to register frequency changes

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DE2542639A1 DE19752542639 DE2542639A DE2542639A1 DE 2542639 A1 DE2542639 A1 DE 2542639A1 DE 19752542639 DE19752542639 DE 19752542639 DE 2542639 A DE2542639 A DE 2542639A DE 2542639 A1 DE2542639 A1 DE 2542639A1
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Abstract

The detector has an ultrasonic transducer (1) with piezoelectric ceramic oscillating element (11) with a quarter wavelength layer (10). It is mounted at a distance from a reflector (2), and is connected to an electronix excitation circuit with a tapping for collection of the ultrasonic transducer frequency changes. The quarter wavelength layer has a characteristic impedance for sound between that of the oscillating element ceramic material and of the medium. The ultrasonic converter has an operating frequency of about 200kHz, the distance between it and the reflector being between 15 nd 25mm. The electronic circuit includes a low pass filter.

Description

Gas- und Strömungsdetektor Gas and flow detector

Die Erfindung betrifft einen Gas- und Strömungsdetektor der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art. The invention relates to a gas and flow detector in the preamble of claim 1 mentioned Art.

In unserer älteren Anmeldung P 2 443 744.3 ist bereits ein Ultraschall-Bewegungsdetektor beschrieben, bei dem ein einziges Gerät sowohl als Ultraschallsender als auch als Ultraschallempfänger dient. Bei dieser Anordnung wird ein Ultraschallsignal ausgesendet und von einem bewegten Objekt reflektiert-. Die von dem bewegten Objekt reflektierten Schallanteile treffen am Empfänger mit einer veränderten Frequenz ein, wobei diese Frequenzänderung der Bewegungsgeschwindigkeit des reflektierenden Objektes proportional ist, dieser Effekt wird Dopplerverschiebung genannt. Die reflektierten Schallanteile addieren sich am Ort des Ultraschallsenders zu dessen Anregungsamplitude, damit wird die Anregungsschwingung des Ultraschall senders mit der vom bewegten Objekt reflektierten Schwingung amplitudenmoduliert. Die dadurch entstehenden Amplitudenschwankungen können ausgewertet werden, wenn man am Ultraschallsender Ströme und Spannungen abgreift, die der Amplitude des Ultraschallwandlers proportiong sind. Der Abgriff eines Signals ist an solchen Schaltüngsteilen des Ultraschallsenders möglich, durch die Ströme fließen, die vom Strom durch den Ultraschallwandler linear oder nicht linear abhängen. In our earlier application P 2 443 744.3 there is already an ultrasonic motion detector described, in which a single device both as an ultrasonic transmitter and as Ultrasonic receiver is used. With this arrangement, an ultrasonic signal is emitted and reflected by a moving object. Those reflected from the moving object Sound components arrive at the receiver with a changed frequency, whereby this Frequency change proportional to the speed of movement of the reflecting object is, this effect is called Doppler shift. The reflected sound components add up to its excitation amplitude at the location of the ultrasonic transmitter, thus the excitation oscillation of the ultrasonic transmitter corresponds to that of the moving object amplitude-modulated reflected oscillation. The resulting fluctuations in amplitude can be evaluated if currents and voltages are tapped from the ultrasonic transmitter, which are proportional to the amplitude of the ultrasonic transducer. Picking up a signal is possible on such switching parts of the ultrasonic transmitter through the currents that are linear or non-linear depending on the current through the ultrasonic transducer.

Bei selbsterregten Ultraschallsendern, die im wesentlichen aus einem Verstärker und einem Ultraschallwandler bestehen, wobei dem Verstärker zur Schwingungsanregung des Schallwandlers- ein der Wandleramplitude proportionales Eingangssignal (Rückkopplungssignal) zugeführt wird, welches dem Wandler in richtiger Phasenlage zur weiteren Unterstützung seiner Schwingung hinzugeführt wird, ist gerade dieses Rückkopplungssignal mit der Dopplerfrequenz moduliert, so daß hier ein Ausgangssignal abgegriffen werden kann. In the case of self-excited ultrasonic transmitters, which essentially consist of a There are amplifiers and an ultrasonic transducer, the amplifier being used to excite vibrations of the transducer - an input signal proportional to the transducer amplitude (feedback signal) is fed, which the converter in the correct phase position for further support added to its vibration is just this feedback signal modulated with the Doppler frequency, so that an output signal can be tapped here can.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben, mit der zeitlich variable Inhomogenitäten in einem Medium registriert werden können.The object of the invention is to provide a device with which temporally variable inhomogeneities can be registered in a medium.

Diese Aufgabe wird durch einen Detektor der eingangs genannten Art gelöst, welcher erfindungsgemäß entsprechend dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 ausgebildet ist.This task is performed by a detector of the type mentioned at the beginning solved, which according to the invention according to the characterizing part of claim 1 is formed.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren erläutert.The invention is explained below with reference to the figures.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist gemäß Figur 1 ein Ultraschallwandler 1 vorgesehen, der als Schallsender und als Schallempfänger dient. Dieser Ultraschallwandler ist in einem Abstand zu einem Reflektor 2 angeordnet. Damit bildet sich im Medium zwischen dem Ultraschallwandler und dem Reflektor beim Betrieb eine stehende Welle, die auf den Ultraschallwandler zurückwirkt.In the device according to the invention, according to FIG. 1, there is an ultrasonic transducer 1 is provided, which serves as a sound transmitter and as a sound receiver. This ultrasonic transducer is arranged at a distance from a reflector 2. This forms in the medium a standing wave between the ultrasonic transducer and the reflector during operation, which acts back on the ultrasonic transducer.

Befindet sich nun zwischen dem Reflektor und dem Ultraschallwandler eine Inhomogenität im Schallausbreitungsmedium, z.B.Is now located between the reflector and the ultrasonic transducer an inhomogeneity in the sound propagation medium, e.g.

eine Turbulenz, so treten am Ultraschallwandler gegenüber dem stationären Zustand Amplitudenschwankungen und Phasenschwankungen auf. Diese Amplituden- und Phasenschwankungen können, wie eingangs bereits beschrieben, innerhalb der Anregeschaltung für den Ultraschaliwandler an der Rückkopplung abgegriffen werden.a turbulence occurs at the ultrasonic transducer versus the stationary one State of amplitude fluctuations and phase fluctuations. This amplitude and As already described at the beginning, phase fluctuations can occur within the excitation circuit for the ultrasonic transducer can be tapped at the feedback.

Aus Gründen der Empfindlichkeit besitzt der Ultraschallwandler eine /4-Schicht 10, die auf der Schallabstrahlfläche eines Schwingkörpers 11, der aus piezoelektrischer Keramik besteht, angeordnet ist. Ein derartiger Ultraschallwandler mit /4-Schicht ist in unserer älteren Anmeldung P 2 537 778.2 (=VPA 75 P 7130) beschrieben.For reasons of sensitivity, the ultrasonic transducer has one / 4 layer 10, which is on the sound radiation surface of an oscillating body 11, which is made of piezoelectric ceramic is arranged. Such an ultrasonic transducer with a / 4 layer is described in our earlier application P 2 537 778.2 (= VPA 75 P 7130).

Diese >/4-Schicht muß einen Schallwellenwiderstand haben, dessen Wert zwischen dem Wert des Schallwellenwiderstandes der Keramik und dem Wert des Schallwellenwiderstandes des Mediums zwischen dem Ultraschallwandler und dem Reflektor liegt.This> / 4-layer must have an acoustic wave resistance, its value between the value of the acoustic wave resistance of the ceramic and the value of the acoustic wave resistance of the medium lies between the ultrasonic transducer and the reflector.

Die >/4-Schicht soll einen Schallwellenwiderstand haben, für dessen Größenordnung gilt: #s Cs = (#K cK #M cM)1/2 .The> / 4-layer should have an acoustic wave resistance, for its The following order of magnitude applies: #s Cs = (#K cK #M cM) 1/2.

Dabeibezeichnet # die Dichte eines Stoffes, c die Schallgeschwindigkeit in einem Stoff, s die #/4-Schicht, K die Keramik, M das Medium zwischen Wandler und Reflektor. Allgemein ist das Produkt #c der Schallwellenwiderstand eines Stoffes.# Denotes the density of a substance, c the speed of sound in a substance, s the # / 4-layer, K the ceramic, M the medium between transducers and reflector. In general, the product #c is the acoustic wave resistance of a substance.

Durch eine derartige >/4-Schicht wird erreicht, daß der Ultraschall nahezu reflexionsfrei von der Keramik in das Schallausbreitungsmedium übertritt bzw. umgekehrt, außerdem wird erreicht, daß praktisch nur von der beschichteten Fläche Schall abgestrahlt wird.Such a> / 4-layer achieves that the ultrasound passes from the ceramic into the sound propagation medium almost without reflection or vice versa, it is also achieved that practically only from the coated Surface sound is radiated.

Um eine noch weiter erhöhte Empfindlichkeit des Detektors zu erreichen, ist es vorteilhaft, den Schallwandler bei hoher Frequenz, z.B. 200 kHz, zu betreiben. Bei dieser hohen Betriebsfrequenz hat außerdem der Ultraschallwandler vorteilhafterweise sehr kleine Abmessungen.To achieve an even higher sensitivity of the detector, it is advantageous to operate the transducer at a high frequency, e.g. 200 kHz. At this high operating frequency, the ultrasonic transducer also advantageously has very small dimensions.

Die Empfindlichkeit des Detektors ist auch von dem Abstand des Schallwandlers zum Reflektor abhängig. Bei sehr kleinen hbständen, etwa unter 5 mm, nimmt die Empfindlichkeit stark ab, dies ist wahrscheinlich dadurch zu erklären, daß Inhomogenitäten eine untere Größe selten unterschreiten.The sensitivity of the detector is also dependent on the distance from the transducer depends on the reflector. At very small distances, for example less than 5 mm, the sensitivity decreases strongly, this is probably to be explained by the fact that inhomogeneities a seldom fall below the lower size.

Bei einem großen Abstand zwischen Ultraschallwandler und Reflek-tor wird die Empfindlichkeit insbesondere, wenn das Scha]lausbreitl?ngsmedium ein Gas ist, wiederum dadurch gering, daß eine dicke Gasschicht zwischen Wandler und Reflektor dämpfend wirkt, außerdem wirkt sich die Strahldivergenz des erzeugten Ultraschallstrahls aus, außerdem ist zu berUcksichtigen, daß sich viele Inhomogenitäten in ihrer Wirkung kompensieren können.With a large distance between the ultrasonic transducer and reflector the sensitivity becomes particularly high when the sound propagating medium is a gas is, in turn, small in that there is a thick layer of gas between the transducer and reflector has a damping effect, and the beam divergence of the generated ultrasonic beam also has an effect out, moreover, it must be taken into account that there are many inhomogeneities in can compensate for their effect.

Ein Abstand zwischen Ultraschallwandler und Reflektor von ca.A distance between the ultrasonic transducer and reflector of approx.

20 mm hat sich als optimal herausgestellt, in diesem Fall werden geringe Abmessungen mit hoher Empfindlichkeit verbunden.20 mm has proven to be optimal, in this case it will be small Dimensions associated with high sensitivity.

Bei einer Versuchsdurchführung hat sich gezeigt, daß eine derar-tige Anordnung bereits auf Luftströmungen, die durch leichtes Blasen aus ca. 50 cm Entfernung hervorgerufen werden, anspricht, Die Figur 2 zeigt ein Beispiel für eine Schaltung eines Ultraschallsender /Empfänger, wie sie bei dem erfindungsgemäßen Gas-und Strömungsdetektor benutzt werden kann.When carrying out a test it has been shown that such a Arrangement already based on air currents caused by light blowing from a distance of approx. 50 cm caused, responds, Figure 2 shows an example of a circuit an ultrasonic transmitter / receiver, as used in the gas and flow detector according to the invention can be used.

Die Schaltung besteht im wesentlichen aus einem sich selbst erregenden Verstärker, der den Ultraschallwandler S antreibt. Dabei ist die Stärke der Rückkopplung am Potentiometer R1 einstellbar.The circuit consists essentially of a self-energizing Amplifier that drives the ultrasonic transducer S. Here is the strength of the feedback adjustable on potentiometer R1.

An diesem Verstärker wird die Modulationsfrequenz durch einen RC-Tiefpaß R2C1 ausgefiltert und an eine nachfolgende Schwellwertschaltung weitergegeben. Diese Schwellwertschaltung ist im dargestellten Beispiel ein monostabiler Multivibrator (Monoflop), welcher ab einer vorzugebenden Amplitude der Modulationsfrequenz eine Leuchtdiode (LED) einschaltet. Nach Ablauf einer durch den Kondensator c2 bestimmten Zeitspanne wird die- Leuchtdiode wieder ausgeschaltet.The modulation frequency at this amplifier is determined by an RC low-pass filter R2C1 is filtered out and passed on to a subsequent threshold value circuit. These In the example shown, the threshold value circuit is a monostable multivibrator (Monoflop), which from a specified amplitude of the modulation frequency a Light-emitting diode (LED) switches on. After a determined by the capacitor c2 The LED is switched off again for a period of time.

Die übrigen Einzelheiten und die Bemessungen der Elemente sind aus der Figur 2 ablesbar.The other details and the dimensions of the elements are off the figure 2 readable.

Vorteilhafterweise kann ein erfindungsgemäßer Detektor beispielsweise als Winddetektor eingesetzt werden, z.B. für ein automatisches Schließen von Fenstern bei Wind.Advantageously, a detector according to the invention can, for example can be used as a wind detector, e.g. for the automatic closing of windows with wind.

Eine andere vorteilhafte Möglichkeit der Verwendung besteht darin, mit dem Detektor die Laminarität von Gasströmungen zu überprUfen.Another advantageous way of using it is to check the laminarity of gas flows with the detector.

Eine andere Verwendungsmöglichkeit des Detektors besteht in der Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten. Dazu kann, wie an sich bereits aus der Druckschrift R.J. Campbell, Control Engineering, July (1973), S. 57 bekannt ist, innerhalb der Strömungsbahn ein künstliches Hindernis angeordnet sein, z.B.Another possible use of the detector is that Measurement the flow velocity of liquids. This can be done, as in and of itself the publication R.J. Campbell, Control Engineering, July (1973), p. 57 an artificial obstacle may be placed within the flow path, e.g.

ein Draht. Dadurch werden Turbulenzen in der Strömung erzeugt.a wire. This creates turbulence in the flow.

Die Schwingungsfrequenz dieser Turbulenzen und Wirbel ist eng mit der Strömungsgeschwindigkeit korrelliert. Durchlaufen diese Turbulenzen den Bereich zwischen Ultraschallwandler und Reflektor, so-wird die Amplitude des Ultraschallwandlers mit der Frequenz der Turbulenzen moduliert.The oscillation frequency of these turbulences and eddies is closely related correlated to the flow velocity. This turbulence traverses the area between the ultrasonic transducer and the reflector, so-becomes the amplitude of the ultrasonic transducer modulated with the frequency of the turbulence.

Eine weitere vorteilhafte Verwendungsmöglichkeit des Detektors besteht darin, die Homogenität von Mischungen zu überprüfen: Sind beispielsweise zwei verschiedene, strömende Flüssigkeiteno oder Gase ungleichmäßig miteinander vermischt, d.h. treten örtlich schwankende Mischungsverhältnisse auf, die zu Dichteschwankungen führen, so werden diese Inhomogenitäten vom Detektor registriert.There is a further advantageous use of the detector in checking the homogeneity of mixtures: for example, are two different, flowing liquids or gases are mixed unevenly with one another, i.e. kicking locally fluctuating mixing ratios that lead to density fluctuations, this is how these inhomogeneities are registered by the detector.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde die >/4-Schicht aus einem Lack aus Polystyrol oder Epoxid mit Benzol und Hohlkugeln aus Siliziumdioxid hergestellt. Nach dem Trocknen dieser Mischung ergibt sich ein fester Schaumstoff, aus dem die Schichten hergestellt werden können. Der Schallwellenwiderstand lag bei 2,1 . 104 g/s . cm2.In one embodiment of the invention, the> / 4 layer made of a polystyrene or epoxy lacquer with benzene and hollow spheres of silicon dioxide manufactured. After drying this mixture, a solid foam results, from which the layers can be made. The acoustic wave resistance was at 2.1. 104 g / s. cm2.

Der z.B. zylindrische Schwingkörper hat beispielswe-ise eine Dicke von 7 mm und einen Durchmesser von 9 mm. Die ;X/4-Schicht hat eine Dicke von 2,5 mm.The e.g. cylindrical oscillating body has a thickness, for example of 7 mm and a diameter of 9 mm. The; X / 4 layer has a thickness of 2.5 mm.

4 Patentansprüche 2 Figuren4 claims 2 figures

Claims (4)

P a t e n t a n s p r U c h e Gas-und Strömungsdetektor, bei dem ein Ultraschallstrahl durch ein zu detektierendes Medium geworfen wird, wobei Veränderungen des -Schall strahls registriert werden, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß ein Ultraschallwandler (1) mit einem piezoelektrischen, keramischen Schwingkörper (11) mit einer /4-Schicht (10) vorgesehen ist, der in einem Abstand von einem Reflektor (2) angeordnet ist, und daß der Ultraschallwandler an eine Anregeelektronik angeschlossen ist, an der ein Signalabgriff zum Auskoppeln von Frequenzverschiebungen am Ultraschallwandler vorgesehen ist, und daß die >/4-Schicht einen Schallwellenwiderstand besitzt, dessen Wert zwischen dem Schallwellenwiderstand des Keramikmaterials des Schwingkörpers und dem Schallwellenwiderstand des Mediums liegt. P a t e n t a n s p r u c h e Gas and flow detector in which an ultrasound beam is thrown through a medium to be detected, causing changes of the sound beam can be registered, thereby g e k e n n -z e i c h n e t that an ultrasonic transducer (1) with a piezoelectric, ceramic oscillating body (11) is provided with a / 4-layer (10) at a distance from a reflector (2) is arranged, and that the ultrasonic transducer is connected to excitation electronics is at which a signal tap for decoupling frequency shifts on the ultrasonic transducer is provided, and that the> / 4-layer has an acoustic wave resistance, its value between the acoustic wave resistance of the ceramic material of the vibrating body and the acoustic wave resistance of the medium. 2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß der Ultraschallwandler für eine Betriebsfrequenz von ca. 200 kHZ ausgelegt ist. 2. Detector according to claim 1, characterized in that g e k e n n z e i c h -n e t that the ultrasonic transducer is designed for an operating frequency of approx. 200 kHz is. 3. Detektor nach einem der AnsprUche 1 oder 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß zwischen dem Wandler und dem Reflektor ein Abstand zwischen 15 und 25 mm liegt. 3. Detector according to one of claims 1 or 2, thereby g e -k e n It should be noted that there is a distance between the transducer and the reflector 15 and 25 mm. 4. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Anregeelektronik einen sich selbst erregenden Verstärker besitzt, an den ein Tiefpaß (R2C ) angeschlossen ist, derlmit dem Eingang einer Schwellwertschaltung verbunden ist. 4. Detector according to one of claims 1 to 3, characterized g e -k e n It is not stated that the electronic excitation system is a self-exciting amplifier has, to which a low-pass filter (R2C) is connected, derlmit the input of a Threshold circuit is connected.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE2836380A1 (en) * 1977-08-22 1979-03-01 Tif Instr Inc METHOD AND DEVICE FOR FINDING INHOMOGENITIES IN A FLUID IN A LINE

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