DE2726375C2

DE2726375C2 - Einrichtung zur Messung des Abstandes zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Objekten, insbesondere zur Messung der Füllhöhe eines Bunkers mittels Ultraschall

Info

Publication number: DE2726375C2
Application number: DE19772726375
Authority: DE
Inventors: Lueder Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Heidemann; Valentin Dipl.-Phys. 8000 Muenchen Magori; Burkhard 8000 Muenchen Schroeter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-06-10
Filing date: 1977-06-10
Publication date: 1979-08-09
Also published as: DE2726375B1; JPS546581A

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung des Abstandes zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Objekten, insbesondere zur Messung der Füllhöhe eines Bunkers, mittels eines Ultraschallecholotgerätes, dessen als Sender und Empfänger dienender Ultraschallwandler aus einer Scheibe aus piezokeramischem Material und einer auf dieser befestigten Platte besteht, deren Dicke gleich einem Viertel der von der Scheibe erzeugten Wellenlänge ist

Ultraschallecholotgeräte arbeiten üblicherweise mit einem Schallwandler, der sowohl zum Aussenden des Ultraschallimpulses als auch zum Empfang des Echos ausgenutzt wird. Der Schallwandler ist jedoch vom Zeitpunkt der Aussendung des Schallimpulses bis zum Abklingen der Senderschwingung taub. Durch die Abklingzeit ist eine Mindestmeßentfernung festgelegt, die der ausgesendete und der reflektierte Schallimpuls durchlaufen müssen, bevor der Schallwandler ein Echo empfangen kann.

Für den Einsatz in Echolotgeräten sind Ultraschallwandler bekannt, die aus einer Scheibe aus einem Material mit niedrigem akustischem Wellenwiderstand, beispielsweise Schaumstoff, und einem auf die Scheibe aufgeklebten, scheiben- oder zylinderförmigen piezokeramischen Körper mit hohem akustischem Wellenwiderstand bestehen (DE-OS 25 37 788 und 25 41 492).

Die betriebsmäßig von dem Keramikkörper erzeugte Schwingung mit der Wellenlänge λ regt die entsprechend bemessene Scheibe zu Resonanzschwingungen der Wellenlänge λ/4 an. Optimale Verhältnisse ergeben sich, wenn eine Resonanzschwingung der Scheibe w> zumindest angenähert einer Resonanzschwingung des Keramikkörpers entspricht Dabei kann die Dickenresonanz oder die Radialresonanz des Keramikkörpers ausgenutzt werden. Die auf dem niedrigen Wellenwiderstand der Scheibe beruhende gute Schallabstrahlung des Schallwandlers ergibt eine Verkürzung der Abklingzeit

In der DE-OS 23 10 582 ist ein piezoelektrischer Wandler beschrieben, dessen schallerzeugende Platte mit zwei oder mehr verschiedenen Frequenzen schwingen kann, jedoch handelt es sich hier nicht um harmonische Schwingungen, da die von der Platte erzeugten Frequenzen durch eine Biegeschwingungen ausführende piezokeramische Scheibe angeregt werden. Die Resonanzfrequenzen der rechteckig ausgeführten Platte sind im wesentlichen durch die Länge der beiden Hauptachsen der Platte bestimmt

Ausgehend von einem Ultraschallwandler der eingangs erwähnten Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Echolotgerät mit einem Schallwandler zu schaffen, der die Messung sowohl großer als auch möglichst geringer Abstände ermöglicht

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die piezokeramische Scheibe derart bemessen ist, daß ihre Radialresonanzfrequenz der Grundfrequenz der Platte und ihre Dickenresonanzfrequenz der η-ten harmonischen Oberschwingung der Platte wenigstens angenähert entsprechen.

Die Oberschwingungen der Platte stehen somit in einem harmonischen Verhältnis zur Grundschwingung, so daß der Wandler auf zwei zueinander harmonische Frequenzen optimierbar ist Dabei sind die beiden Frequenzen in vorteilhafter Weise gleichzeitig durch eine nicht sinusförmige Schwingung, insbesondere eine Rechteckschwingung anregbar, wobei die erste harmonische der Rechteckschwingung der Radialfrequenz der piezokeramischen Scheibe entspricht Durch die beiden gleichzeitig verfügbaren Frequenzen ergibt sich im Vergleich zu einem mit einer Frequenz arbeitenden Schallwandler ein erheblich größerer Meßbereich des Echolotgerätes.

Mit der niedrigen Frequenz der beiden zueinander harmonischen Schallfrequenzen läßt sich eine große Reichweite des Echolotgerätes und mit der hohen Frequenz die Messung eines kleinen Minimalabstandes in Verbindung mit einer hohen Auflösung im Nahbereich erzielen. Mit einem für eine Schallfrequenz von 30 kHz bemessenen Schallwandler, der beispielsweise im Simultanbetrieb mit der Grundfrequenz und der fünften Oberschwingung arbeitet, ergibt sich eine maximale Meßentfernung von mehr als 40 m und eine Mindestmeßentfernung von weniger als 16 cm und somit eine weitere Verkürzung der Mindestmeßentfernung im Vergleich zu einem nur mit der Grundfrequenz betriebenen Ultraschallwandler. Ein Echolotgerät mit einem in der vorgeschlagenen Weise betriebenen Schallwandler eignet sich beispielsweise sowohl für die Überwachung des Sicherheitsabstandes von Kranen als auch für die Messung der Füllhöhe von Bunkern oder der Beleghöhe von Förderbändern.

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Messung des Abstandes zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Objekten, insbesondere zur Messung der Füllhöhe eines Bunkers, mittels eines Ültraschallecholotgerätes, dessen als Sender und Empfänger dienender Ultraschallwandler aus einer Scheibe aus piezokeramif-chem Material und einer auf dieser befestigten Platte besteht, deren Dicke gleich einem Viertel der von der Scheibe erzeugten Wellenlänge ist, dadurch gekennzeichnet, daß die piezokeramische Scheibe derart bemessen ist, daß ihre Radialresonanzfrequenz der Grundfrequenz der Platte und ihre Dickenresonanzfrequenz der n-ten harmonischen Oberschwingung der Platte wenigstens angenähert entsprechen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Frequenzen gleichzeitig durch eine nicht sinusförmige Schwingung, insbesondere eine Rechteckschwingung, anregbar sind, wobei die 1. Harmonische der Rechteckschwingung der Radialresonanzfrequenz der piezokeramischen Scheibe entspricht.

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