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Sende-Empfangsanordnung für Schall- oder Ultraschallwellen
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für die Abstandsmessung nach dem Echolotprinzip Die Erfindung bezieht
sich auf eine Sende-Empfangsanordnung für Schall- oder Ultraschallwellen fUr die
Abstandsmessung nach dem Echolotprinzip, insbesondere für die Füllstandsmessung
in Behältern, für Messungen auf Lagerplätzen usw.
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mit mindestens zwei elektroakustischen Schall- oder Ultraschallwandlern,
von denen mindestens der eine Wandler ein Sendewandler zur Aussendung von Schall-
oder Ultraschallwellen und mindestens ein anderer Wandler ein Empfangswandler für
den Empfang der reflektierten Schall- oder Ultraschallwellen ist. Der einfacheren
Erklärung der Erfindung wegen soll im folgenden nur von zwei Schall-oder Ultraschallwandlern,
nämlich einem Sende- und einem Empfängerwandler die Rede sein.
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Es sind Sende-Empfangsanordnungen bekannt, die einen Wandler enthalten,
der abwechselnd als Sendewandler und als Empfangswandler betrieben wird. Die Verwendung
eines einzigen Wandlers bringt den Nachteil, daß hier eine Blindzeit ffir die Messung
notwendig ist, weil der Wandler erst dann reflektierte Signale empfangen kann, wenn
das Nachschwingen nach dem Ende des Sendeimpulses abgeklungen ist.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile sind auch Sende-Empfangsanordnungen
dieser Art bekannt geworden, die mit einem Sendewandler und einem Empfangswandler
arbeiten, wobei diese oft mechanisch eine Einheit bilden.
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Bei anderen Sende-Empfangsanordnungen wiederum sind die beiden Wandler
nebeneinander montiert. Bei einem Teil der bisher bekannten Meßvorrichtungen dieser
Art sind die Wandler so angebracht, daß der eine Wandler die Schallwellen direkt
in der Meßrichtung abstrahlt und der andere Wandler direkt in der entgegengesetzten
Richtung reflektierte Wellen empfängt. Diese Anordnung ergibt einen geringen Wirkungsgrad,
weil die Richtwirkung der Wandler gering ist und daher nur ein geringer Teil der
vom Sendewandler ausgesendeten Schall- oder Ultraschallenergie zum Empfangswandler
zurUckkehrt. Der Empfangswandler muß deshalb entsprechend empfindlich ausgelegt
werden, wodurch die Gefahr vergrößert wird, daß er einen Teil der vom Sendewandler
ausgesendeten Energie direkt empfängt. Damit diese direkt empfangene Energie unwirksam
gemacht wird, darf der Empfangswandler erst nach Verstreichen einer Sicherheitszeit
nach dem Ende des Sendeimpulses empfangsbereit gemacht werden; dadurch entsteht
eine Blind zeit bei der Messung, die
zur Folge hat, daß Abstände
unter einem gewissen Mindestwert nicht mehr gemessen werden können. Bei der Messung
des Füllstandes in einem Behälter bedeutet dies, daß die Wandler in einem bestimmten
Mindestabstand von der maximalen Füllstandshöhe montiert werden müssen. Eine bekannte
Lösung hierfUr besteht darin, daß man die Wandler mit Hilfe eines Verlängerungsrohres
oberhalb der Behälterdecke montiert. Diese Maßnahme erhöht nicht nur die Kosten
und den Raumbedarf, sondern bringt auch eine ganze Reihe von Problemen beim Übergang
der Schallimpulse von einem speziellen Verlängerungsrohr in den Behälterraum mit
sich.
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Darüber hinaus ist eine dritte Art von Meßvorrichtungen bekannt geworden,
nach der die Schall- oder Ultraschallwandler im Brennpunkt eines Vollparaboloids
parallel zu dessen Grundfläche angebracht sind. Hier werden die Schallwellen in
Richtung zur Reflexionsfläche des Paraboloids abgestrahlt und dort in Richtung auf
das zu messende Füllgut reflektiert. Nach der Reflexion an dessen Oberfläche erreicht
ein Teil der reflektierten Wellen wieder den Paraboloid, wird an dessen Reflexionsfläche
umgelenkt und erreicht so wieder den Wandler. Bei dieser Vorrichtung ist eine Trennung
in Sender- und Empfängerwandler zur Verkürzung oder Aufhebung der Blindzeit nicht
möglich, da ständige Rückkopplungen des Sendeimpulses einen Empfang der reflektierten
Wellen unmöglich machen. Dies bedeutet, daß auch solche Vorrichtungen in einem Mindestabstand
von dem zu messenden Füllgut angebracht werden müssen.
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Ferner besteht bei allen bekannten Anordnungen dieser Art das Problem,
daß sich in einer staubigen oder feuchten Atmosphäre Staub oder Kondenswasser an
den Funktionsteilen der Wandler ablagert, besonders dann, wenn die Abstrahloberflächen
der Wandler in waagrechter Lage angebracht sind; die Wandler müssen daher in bestimmten
Zeitabständen gereinigt werden, z.B. mit Hilfe einer Reinigungsdiise, die an eine
Luftleitung angeschlossen ist.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Sende-Empfangsanordnung
der eingangs angegebenen Art mit zwei oder mehreren Wandlern, die einfach und billig
herzustellen ist, einen guten Wirkungsgrad hat, zur Messung sehr kleiner Abstände
geeignet ist und bei der die Wandler gegen Staub- und Kondenswasserablagerungen
und andere Verschmutzungen weitgehend unempfindlich sind.
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Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß für Jeden
Wandler ein Reflektor vorgesehen ist, der die Form eines Halbparaboloids hat und
mit einer in der axialen Schnittebene liegenden ebenen Wand versehen ist, dual3
Jeder Wandler eine von einem Piezokristall erregte metallische Membran aufweist,
deren Mittelpunkt im Brennpunkt des Halbparaboloids an der ebenen Wand eingebaut
ist, und daß die Reflektoren mit parallelen Achsen nebeneinander montiert sind.
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Bei der Anordnung nach der Erfindung ergeben die beiden Reflektoren
eine Bündelung der vom Sendewandler ausgesendeten Schall- oder Ultraschallwellen
und eine Fokussierung der reflektierten Schall- oder Ultralschallwellen auf den
Empfangswandler, wodurch der Wirkungsgrad
beträchtlich erhöht wird.
Ferner sind die beiden Wandler durch die Verwendung der Reflektoren und ihre Einbauweise
sehr gut voneinander entkoppelt, wodurch die bei Meßeinrichtungen dieser Art so
gefürchteten Rückkopplungen verhindert werden und die Messung praktisch ohne Blindzeit
durchgeführt werden kann, so daß auch sehr kleine Abstände gemessen werden können.
Die Anordnung kann daher ohne Verlängerungsrohr direkt an der Behälterdecke montiert
werden. Da die Wandlermembranen vertikal eingebaut sind, ist die Gefahr der Ablagerung
von Staub und Kondenswasser weitgehend verringert. Die ganze Anordnung besteht aus
wenigen Teilen, die einfach und billig hergestellt und montiert werden können. Insbesondere
können die Reflektoren infolge ihrer geometrisch einfachen Form billig aus Kunststoff
oder Metall hergestellt werden, z.B. durch Spritzguß.
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Da ferner alle funktionswichtigen Teile, insbesondere die unter elektrischer
Spannung stehenden Teile, durch einfache Maßnahmen leicht von der Atmosphäre zu
trennen sind, eignet sich die Sende-Empfangsanordnung nach der Erfindung auch für
die Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung von AusfUhrungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 die Sende-Empfangsanordnung nach der Erfindung von unten gesehen, Fig. 2
eine seitliche Schnittansicht der Sende-Empfangsanordnung nach der Erfindung,
Fig.
3 eine vergrößerte Schnittansicht des den Wandler tragenden Teils eines Reflektors,
Fig. 4 eine schematische Seitenansicht einer anderen AusfUhrungsform der Sende-Empfangsanordnung
nach der Erfindung mit zwei Reflektoren, Fig. 5 eine schematische Unteransicht der
Anordnung von Fig. 4 und Fig. 6 eine schematische Unteransicht einer Sende-Empfangsanordnung
nach der Erfindung mit vier Reflektoren.
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Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Sende-Empfangsanordnung für Schall-
oder Ultraschallwellen enthält zwei Reflektoren 1 und 2, die an einem Flansch 3
befestigt sind. In diesem sind die Schraubenlöcher 4 angebracht, durch die er z.B.
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in einer Öffnung an der Oberseite eines Behälters montiert werden
kann, in welchem der Füllstand mit Hilfe der Sende-Empfangsanordnung mittels Schall-
oder Ultraschallwellen nach dem Echolotprinzip gemessen werden soll.
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Die beiden Reflektoren 1 und 2 sind völlig gleich aufgebaut und symmetrisch
zueinander angeordnet. Der Reflektor 1 hat eine Reflektorfläche 5 in Form eines
Halbparaboloids, d.h. eine Fläche, die durch Drehung einer Parabel um ihre Achse
entstanden und dann entlang einer die Achse enthaltenen Ebene abgeschnitten ist.
In der Schnittebene, die in Fig. 2 senkrecht zur Zeichenebene steht, ist eine ebene
Wand 7 angebracht. In gleicher Weise hat der Reflektor 2 eine Reflektorfläche 6
in Form eines Halbparaboloids und eine in der Schnittebene angebrachte ebene Wand
S. Die
beiden Reflektoren sind am Flansch 3 so montiert, daß die
ebenen Wände 7 und 8 einander zugewandt sind und in geringem Abstand parallel zueinander
liegen.
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Da die Wand 7 in einer Ebene liegt, welche die Achse des Paraboloids
enthält, liegt auch der Brennpunkt des Paraboloids in der Ebene der Wand 7. An der
Stelle des Brennpunktes ist in der Wand 8 ein elektroakustischer Wandler 9 befestigt,
dessen Mittelpunkt mit dem Brennpunkt des Paraboloids zusammenfällt. In gleicher
Weise ist an der ebenen Wand 8 des Reflektors 2 im Brennpunkt der Reflektorfläche
6 ein elektroakustischer Wandler 10 eingebaut. Die beiden Wandler 9 und 10 haben
im wesentlichen den gleichen Aufbau und sind in gleicher Weise eingebaut.
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In Fig. 3 ist die Ausbildung des Wandlers 9 und sein Einbau in die
Wand 7 des Reflektore 1 in näheren Einzelheiten dargestellt. Der Wandler 9 besteht
aus einer dünnen metallischen Membran 11, auf die ein scheibenförmiges Piezokristallsystem
12 aufgeklebt ist. Der Rand der Membran 11 ist an einem Haltering 13 befestigt,
der auf der entgegengesetzten Seite mit einer Halteplatte 14 verbunden ist. Der
von der Membran 11, dem Haltering 13 und der Halteplatte 14 umschlossene Raum 15,
in dem das Piezokristallsystem 12 liegt, ist bei einem als Sender verwendeten Wandler
mit Gummi ausgegossen, der dämpfend wirkt, damit das Piezokristallsystem durch den
kurzen, aber starken Erregerimpuls nicht beschädigt wird.
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In der Wand 7 ist eine Öffnung 16 angebracht, in welcher die von der
Membran 11, dem Haltering 13 und der Halteplatte 14 gebildete Baugruppe mittels
eines Profilgummirings 17 derart angeordnet ist, daß die freie Vorderfläohe der
Membran 11 im wesentlichen in einer Ebene mit der Innenfläche der Wand 7 liegt.
Die Teile werden in der Öffnung 16 durch eine Halteccheibe 18 gehalten, die mittels
Sohrauben 19 und Distanzröhrchen 20 an der Rückseite der Wand 7 angeschraubt ist.
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An der Rückseite der Wand 7 ist rings um die Öffnung 16 eine Wand
21 angeformt, welche die zuvor beschriebene Wandleranordnung umschließt. Auf dieser
Wand ist ein Abschlußdeckel 22 unter Einfügung eines Dichtungsrings 23 mittels Schrauben
24 befestigt. Der die Wandleranordnung enthaltende Raum ist somit einerseits durch
die Membran 11 und den sie umgebenden Profilgummiring 17 und andererseits durch
den Abschlußdeckel 22 und den Dichtungsring 23 Staub und fltissigkeitsdicht gegenüber
dem Innern des Behälters abgedichtet.
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Die Anschlußleiter 25 für das Piezokristallsystem 12 sind durch eine
Öffnung 26 in der Wand 21, durch eine Mitteloeffnung 27 in der Haltescheibe 18 und
durch eine Mittelöffnung 28 in der Halteplatte 14 hindurchgeführt.
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Zur Durchführung einer Abstandsmessung mit der beschriebenen Sende-Empfangsanordnung,
z.B. zur Messung des Abstandes der Oberfläche eines im Behälter unterhalb der Sende-Empfangsanordnung
befindlichen Füllguts, wird der elektroakustische Wandler 9 als Schall- oder Ultraschallsender
und der elektroakustische Wandler 10 als Schall-oder Ultraschallempfänger verwendet.
Der Wandler 9 ist zu diesem Zweck mit einem elektrischen Impulsgeber 29 verbunden,
der
zu dem Piezokristallsystem des Wandlers 9 elektrische Impulse mit der gewUnschten
Frequenz der Schall- oder Ultraschallwellen schickt. Das Piezokristallsystem regt
die Membran zu mechanischen Schwingungen an, die in Form von Schall- oder Ultraschallwellen
zu der Reflektorfläche 5 abgestrahlt werden. Da diese Schall-oder Ultraschallwellen
vom Brennpunkt der parabolischen Reflektorfläche kommen, werden sie von der Reflektor
fläche 5 in Form eines achsparallelen Bündels S vertikal nach unten abgestrahlt.
Die an der Oberfläche des Füllguts reflektierten Schallwellen E werden von der parabolischen
Reflektorfläche 6 aufgefangen und im Brennpunkt des Paraboloids fokussiert, wo sich
der elektroakustische Wandler 10 befindet. Dieser wandelt die empfangenen Schall-
oder Ultraschallwellen in elektrische Schwingungen um, die einem elektronischen
Empfangsgerät 30 zugeführt werden, das infolge des Zeitabstandes zwischen der Sendung
und dem Empfang der Impulse die von den Schallwellen zurückgelegte Strecke und damit
den gesuchten Abstand bestimmt. Bei bekannter Höhe des Behälters läßt sich aus dem
Abstand der Füllgutoberfläche der Füllstand ermitteln. Durch elektronische Auswertung
ist beispielsweise eine kontinuierliche Füllstandsanzeige möglich.
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Die beschriebene Anordnung hat einen sehr einfachen und robusten Aufbau.
Die beiden Reflektoren können durch ihre geometrische einfache Form billig aus Kunststoff
oder Metall hergestellt werden Die Verwendung eines parabolischen Reflektors ergibt
zusätzlich eine wesentiiche Verbesserung des Wirkungsgrads gegenüber Schallsendern
und Schallempfängern, welche die Schallwellen direkt abstrahlen bzw. auffangen.
GegenUber den bisher benutten vollparabolischen Reflektoren bewirken die beiden
Wunde 7 und 8 eine vollst;ndiFe Entkopplung des
Sendewandlers vom
Empfangswandler, so daß die Empfangermembran durch den Sendeimpuls nicht direkt
beeinflußt wird. Der Empfänger ist daher 3 ms nach der Aussendung eines Impulses
empfangsbereit, was zu einer sehr kurzen Blindzeit des Meßsystems führt und die
Messung sehr kleiner Abstände erlaubt.
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In Fig. 4 und 5 ist schematisch eine abgeänderte Ausführungsform dargestellt,
nach welcher zwei Reflektoren 31 und 32 mit ihren ebenen Abschlußwänden 33 bzw.
34 und den daran angebauten elektroakustischen Wandlern 35 bzw. 36 den gleichen
Aufbau wie nach der Anordnung von Fig. 1 und 2 haben; in diesem Fall sind aber die
Reflektoren 31 und 32 umgekehrt eingebaut, so daß die ebenen Wände 33, 34 einander
abgewandt sind. Dies ergibt eine noch bessere gegenseitige Entkopplung zwischen
dem Sendewandler 35 und dem Empfangswandler 36, Jedoch auf Kosten eines etwas größeren
Raumbedarfs.
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Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform mit vier Reflektoren 41, 142, 43,
44, die mit ihren Trennwänden 51, 52, 53, 54 und den elektroakustischen Wandlern
61, 62, 63, 64 wiederum in der gleichen Weise wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen
ausgeführt sind. Zwei Reflektoren 41, 42 sind wie bei der Ausführungsform von Fig.
4 und 5 so eingebaut, daß die die Wandler 61, 62 tragenden ebenen Wände 51, 52 einander
abgewandt sind, und die beiden anderen Reflektoren 43, 44 sind in gleicher Weise,
jedoch um 900 verdreht zu beiden Seiten der Reflektoren 41, 42 angeordnet.
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Es sind aber auch entsprechend der Lösung von Anwendungsproblemen
andere Anordnungen möglich. So kann z.B. die Meßvorrichtung nus drei Reflektoren
bestehen, wovon einer als wender und zwei als Empfänger in Tätigkeit sind. Auch
die Anordnung nach Fig. 6 ist sich entsprechend dem Anwendungsfall so einrichten,
daß ein Wandler als ender und drei Wandler als Empfänger zur Messung benutzt werden
können.