DE2744823B2 - Sende-Empfangsanordnung für Schalloder Ultraschallwellen für die Abstandsmessung nach dem Echolotprinzip - Google Patents

Description

bids parallel zu dessen Grundfläche angebracht sind. Hier werden die Schallweilen in Richtung zur R ,-flexionsfläche 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 Empfängerwandier zur Verkürzung oder Aufhebung der Blindzeit nicht i'i 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. ι ^r>

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 Reinigungsdüse, die an eine Luftleitung angeschlossen ist

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer a Sende-Empfangsanordnung der eingangs angegebenen Art mit zwei oder mehr Wandlern, die einfach und billig herzustellen ist, einen guten Wirkungsgrad hai. zur Messung sehr kleiner Abstände geeignet ist und bei der die Wandler gegen Staub- und Kondenswasserablage- i<> rungen und andere Verschmutzungen weilgehend unempfindlich sind.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß für jeden Wandler ein Reflektor vorgesehen ist, der die Form eines Halbparaboloids hat und mit J5 einer in der axialen Schnittebene liegenden ebenen Wand versehen ist, daß jeder Wandler im Brennpunkt des Halbparaboloids an der ebenen Wand eingebaut ist, und daß die Reflektoren mit parallelen Achsen nebeneinander montiert sind. ·>"

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 Ultraschallwellen 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 wer- w den 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 a.i 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 au? wenigen Teilen, die einfach und billig hergestellt und montiert werden können. Insbesondere können die Reflektoren so infolge ihrer geometrisch einfachen Form billig aus Kunststoff oder Metall hergestellt werden, z. B. durch Spritzguß.

Da ferner alle funktionswichtigen Teile, insbesondere die unter elektrischer Spannung stehenden Teile, durch μ einfache Maßnahmen leicht von der Atmosphäre zu trennen sind, eignet sich die Sende-Empfangsanordnung nach der Erfindung auch für die Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 die Sende-Empfangsanordnung nach der Erfindung von unten gesehen,

F i g. 2 eine seitliche Schnittansicht der Sende-Empfangsanordnung nach der Erfindung,

Fig.3 eine vergrößerte Schnittansicht des den Wandler tragenden Teils eines Reflektors,

F i g. 4 eine schematische Seitenansicht einer anderen Ausführungsform der Sende-Empfangsanordnung nach der Erfindung mit zwei Reflektoren,

Fig.5 eine schematische Unteransicht der Anordnung von F i g. 4 und

F i g. 6 eine schematische Unteransicht einer Sende-Empfangsanordnung nach der Erfindung mit vier Reflektoren.

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. 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.

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 F i g. 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 8. 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.

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

In Fig. 3 ist die Ausbildung des Wandlers 9 und sein Einbau in die Wand 7 des Reflektors 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.

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 Vorderfläche der Membran 11 im wesentlichen in einer Ebene mit der Innenfläche der Wand 7 liegt. Die Teile werden in der öffnung 16 durch eine Haltescheibe 18 gehalten, die mittels Schrauben 19 und Distanzröhrchen 20 an der Rückseite der Wand 7 angeschraubt ist.

An der Rückseite der Wand 7 ist rings um die Öfinung 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 ii und den sie umgebenden Profilgummiring 17 und andererseits durch den Abschlußdeckel 22 und den Dichtungsring 23 slaub- und flüssigkeitsdicht gegenüber dem Innern des Behälters abgedichtet.

Die Anschlußleiter 25 für das Piezokristallsystem 12 sind durch eine öffnung 26 in der Wand 21, durch eine Mittelöffnung 27 in der Haltescheibe 18 und durch eine Mittelöffnung 28 in der Halteplatte 14 hindurchgeführt.

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 gewünschten 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 Reflektorfläche 5 in Form eines achsparallelen Bündels S vertikal nach unten abgesirahlt. 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 Sirecke 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.

Die beschriebene Anordnung hat einen sehr einfa-

^r, chen 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 wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrads gegenüber Schallsendern und Schallempfängern, welche die Schallwellen direkt abstrahlen bzw. auffangen. Gegenüber den bisher benutzten vollparabolischen Reflektoren bewirken die beiden Wände 7 und 8 eine vollständige Entkopplung des Sendewandlers vom

i) Empfangswandler, so daß die Empfängermembran 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.

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 Fi g. 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.

F i g. 6 zeigt eine Ausführungsform mit vier Reflektoren 41, 42, 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 F i g. 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 90° verdreht zu beiden Seitender Reflektoren41,42angeordnet.

Es sind aber auch entsprechend der Lösung vor Anwendungsproblemen andere Anordnungen möglich So kann z. B. die Meßvorrichtung aus drei Reflektorer bestehen, wovon einer als Sender und zwei als Empfänger in Tätigkeit sind. Auch die Anordnung nach F i g. 6 läßt sich entsprechend dem Anwendungsfall se einrichten, daß ein Wandler als Sender und drei Wandler als Empfänger zur Messung benutzt werden können.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche;

1. Sende-Empfangsanordnung für Schall- oder Ultraschallwellen für die Abstandsmessung nach dem Echolotprinzip, insbesondere für die Füllstandsmessung in Behältern und für Messungen auf Lagerplätzen, mit mindestens zwei eleklroakustischen Schall- oder Ultraschallwandlern, von denen jeder Wandler eine von einem Piezokristallsystem erregte metallische Membran aufweist, wobei mindestens ein Wandler ein Sendewandler zur Aussendung von Schall- oder Ultraschallwellen und mindestens ein anderer Wandler ein Empfangswandler für den Empfang der reflektierten Schalloder Ultraschallwellen ist, dadurch gekennzeichne t, daß für jeden Wandler (9,10,35,36,61, 62, 63, 64) ein Reflektor (1, 2, 31 32, 41, 42, 43, 44) vorgesehen ist, der die Form eines Haibparaboloids hat und mit einer in der axialen Schnittebene liegenden ebenen Wand (7, 8, 33, 34, 51, 52, 53, 54) versehen ist, daß jeder Wandler im Brennpunkt des Haibparaboloids an der ebenen Wand (9,10,35,36, 61,62,63,64) eingebaut ist, und daß die Reflektoren (1, 2, 31, 32, 41, 42, 43, 44) mit parallelen Achsen nebeneinander montiert sind.

2. Sende-Empfangsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wandler (9, 10; 35, 36; 61, 62, 63, 64) an der ebenen Wand des zugehörigen Reflektors (1,2; 31,32; 41,42,43,44) so eingebaut ist, daß das Piezokristallsystem (12) gegen die Atmosphäre isoliert ist.

3. Sende-Empfangsanordnung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Membran (11) des Wandlers (9) in einer Öffnung (16) der Wand (7) derart dicht montiert ist, daß sie in einer Ebene mit der Wand (7) liegt, und daß an der dem Reflektor (1) abgewandten Seite der Wand (7) ein den Wandler (9) dicht umschließendes Gehäuse (21, 22) angebracht ist (F i g. 3).

4. Sende-Empfangsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Reflektoren (1,2) derart montiert sind, daß ihre die Wandler (9, 10) tragenden ebenen Wände (7, 8) einander zugewandt sind und parallel nebeneinanderliegen (F ig. 1,2).

5. Sende-Empfangsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Reflektoren (31, 32; 41, 42) derart montiert sind, daß ihre die Wandler (35, 36; 61, 62) tragenden ebenen Wände (33, 34; 51, 52) einander abgewandt sind (F ig. 4,5,6).

6. Sende-Empfangsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß weitere halbparaboloidförmige Reflektoren (43, 44), von denen jeder eine ebene Wand (53, 54) mit einem im Brennpunkt montierten Wandler (63, 64) aufweist, neben den beiden ersten Reflektoren (41, 42) derart montiert sind, daß ihre ebenen Wände (53, 54) einander abgewandt sind (Fig. 6).

7. Sende-Empfangsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Reflektor (1,2; 31,32; 51,52,53,54) aus Metall besteht.

8. Sende-Empfangsanordnung nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Reflektor (1, 2; 31, 32; 51, 52, 53, 54) aus Kunststoff besteht.

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Sende-Empfajigsanordnung für Schall- oder Ultraschallwellen für die Abstandsmessung anch dem EchoJotprinzip, insbesondere für die Füllstandsmessung in Behältern und für Messungen auf Lagerplätzen, mit mindestens zwei elektroakustischer] Schall- oder Ultraschallwandlera von denen jeder Wandler eine von einem Piezokristallsystem erregte metallische Membran aufweist, wobei mindestens ein 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.

Ultraschallwandler, die eine von einem Piezokristallsystem erregte metallische Membran aufweisen, sind in der DE-AS 11 00 355 beschrieben.

Aus der »Siemens-Zeitschrift« 42 (1968), Heft 1, Seiten 18 bis 22, sind Sende-Empfangsanordnungen für die Füllstandsmessung bekannt, die einen Ultraschallwandler enthalten, der abwechselnd als Sendewandler und als Empfangswandler betrieben wird. Der verwendete Ultraschallwandler arbeitet nach dem Magnetostriktionsprinzip. Die Verwendung eines einzigen Wandlers bringt den Nachteil, daß eine Blindzeit für die Messung notwendig ist, weil der Wandler erst dann reflektierte Signale empfangen kann, wenn das Nachschwingen nach dem Ende des Sendeimpulses abgeklungen ist.

Dieser Nachteil wird bei den Sende-Empfangsanordnungen der eingangs angegebenen Art vermieden, die mit einem Sendewandler und einem Empfangswandler arbeiten, wobei diese oft mechanisch eine Einheit bilden.

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 Sendewandier ausgesendeten Schall- oder Ultraschallenergie zum Empfangswandler zurückkehrt. 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 wieder eine Blindzeit 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 hierfür 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.

Darüber hinaus ist eine dritte Art von Meßvorrichtungen bekannt geworden, nach der die Schall- oder Ultraschallwandler im Brennpunkt eines Vollparabo-