DE2744823C3 - Sende-Empfangsanordnung fur Schalloder Ultraschallwellen fur die Abstandsmessung nach dem Echolotprinzip - Google Patents
Sende-Empfangsanordnung fur Schalloder Ultraschallwellen fur die Abstandsmessung nach dem EcholotprinzipInfo
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Description
loids 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 Füllgui reflektiert. Nach der Reflexion an dessen Oberfläche erreicht ein
Teil der reflektierten Wellen wieder den Paraboloid, wird an dessen Refiexionsfläche umgelenkt und erreicht
so wieder den Wandler. Bei dieser Vorrichtung ist eine Trennung in Sender- und Empfängerwandler zur
Verkürzung oder Aufhebung der Blindzeit nicht |0
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.
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, /.. B. mit Hilfe einer Reinigungsdüse, die an eine
Luftleitung angeschlossen ist.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer -5 Sendc-Empfangsanordnung der eingangs angegebenen
Art mit zwei oder mehr Wandlern, die einfach und billig herzustellen ist. einen guten Wirkungsgrad hat, zur
Messung sehr kleiner Abslände geeignet ist und bei der die Wandler gegen Staub- und Kondenswasserablag·:- >0
rangen und andere Verschmutzungen weitgehend unempfindlich sind.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß für jeden Wandler ein Reflektor vorgesehen
ist, der die Form eines llalbparaboloids hat und mit )r>
einer in der axialen Schniltebene liegenden ebenen Wand versehen ist, daß jeder Wandler im Brennpunkt
des 1 lalbparaboloids an der ebenen Wand eingebaut ist.
und daß die Reflektoren mit parallelen Achsen nebeneinander montiert sind. 4U
Hei der Anordnung nach der Erfindung ergeben die beiden Reflektoren eine Bündelung der vom Sendewandler
ausgesendeten Schall- oder Ultraschallwellen Lind eine Fokussierung der reflektierten Schall- oder
Ultraschallwellen auf den Empfangswandler, wodurch *5
der Wirkungsgrad beträchtlich erhöhl 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 Wandlermembinnen
vertikal eingebaut sind, ist die Gefahr der Ablagerung von Staub und Kondenswasser weilgehend
verringert. Die ganze Anordnung besteht aus wenigen Teilen, die einfach und billig hergestellt und montiert
werden können. Insbesondere >..'^'cn die Reflektoren b0
infolge ihrer geometrisch einfachen Form billig aus Kunststoff oder Metali hergestellt werden, ζ. B. durch
Spritzguß.
Da ferner alle funklionswichtigen Teile, insbesondere
die unter elektrischer Spannung stehenden Teile, durch bl>
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,
Fig. 2 eine seilliche 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 Fig. 4 und
Fig.6 eine schematische Unteransichi einer Sende-Empfangsanordnung
nach der Erfindung mit vier Reflektoren.
Die in Fig. I und 2 dargestellte Sende-Fmpfangsanordnung
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 tier
Füllstand mit Hilfe der Scndc-Empfangsanordnung mittels Schall- oder Ultraschallwellen nach dem
Echolotprinzip gemessen weiden 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 llalbparaboloids, d.h. eine Fläche, die durch Drehung
einer Parabel um ihre Achse entstunden 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 enthalt, liegt auch der Brennpunkt cl-s
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 F i g. 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 Il ist an einem Haltering 13
befestigt, der auf der entgegengesetzten Seile mit einer Halteplatte 14 verbunden ist. Der von der Membran 11,
dem Haltering 13 und der Halteplatte 14 umschlossene Raum 15. in dem das Piezokrislallsyslcm 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 Ö'fnung 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 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 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
Milielöffnung 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 Ultraschalisender 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 Piezokristallsysiem 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 5 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 Füllgutoberflächc der Füllsland ermitteln. Durch elck
tronische Auswertung ist beispielsweise eine kontinuierliche Füllstandsanzeige möglich.
Die beschriebene Anordnung hat einen sehr einfachen und robusten Aufbau. Die beiden Reflcktorer
können durch ihre geometrische einfache Form billig aus Kunststoff oder Metall hergestellt werden. Die
Verwendung eines parabolischen Reflektors ergib! zusätzlich eine wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrads
gegenüber Schallsendern und Schnllcmpfängern, welche die Schallwellen direkt abstrahlen bzw
auffangen. Gegenüber den bisher benutzten vollparabolischen Reflektoren bewirken die beiden Wände 7 und £
eine vollständige Entkopplung des Sendewandlers voir Empfangswandler. so daß die Empfängermembrar
durch den Sendeimpuls nicht direkt beeinflußt wird. Der Empfänger ist daher 3 ms nach der Aussendung eines
Impulses empfangsbereit, was zu einer sehr kurzer Blindzeit des Meßsystems führt und die Messung sein
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 elektroakustischer Wandlern 35 bzw. 36 den gleichen Aufbau wie nach der
Anordnung von F i 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 Seiten der Reflektoren 41,42 angeordnet.
Es sind aber auch entsprechend der Lösung von Anwendungsproblemcn andere Anordnungen möglich
So kann z. B. die Meßvorrichtung aus drei Reflcktorer bestehen, wovon einer als Sender und zwei als
Empfänger in Tätigkeit sind. Auch die Anordnung nach Fig. 6 läßt sich entsprechend dem Anwendungsfall so
einrichten, daß ein Wandler als Sender und drei Wandler als Empfänger zur Messung benutzt werden
können.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
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 elektroakustischen
Schall- oder Ultraschailwandlern, 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 gekennzeichnet, daß für jeden Wandler (9,10,35,36,61,
62, 63, 64} ein Reflektor (1, 2, Jl, 32, 41, 42, 43, 44) vorgesehen ist, der die Form eines Halbparaboloids
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 Halbparaboloids 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-Enipfangsanordnung nach Anspruch I.
dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wandler (9, 10; 35, 36; 61, 62, 6.3, 64) an der ebenen Wand des
zugehörigen Reflektors (I, 2; 31, 32; 41,42,43,44) so
eingebaut ist, daß das Piezokristallsystem (12) gegen die Atmosphäre isoliert ist.
3. Sendc-Empfangsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, da« 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 tier dem
Reflektor (1) abgewandten Seile der Wand (7) ein den Wandler (9) dicht umschließendes Gehäuse (21,
22) ,ingebracht ist (I- i g. 3).
4. Scnde-Empfangsanordnung nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
zwei Reflektoren (1,2) derart montiert sind, daß ihre die Wandler (9, 10) !ragenden ebenen Wunde (7, 8)
einander zugewandt sind und parallel nebeneinanderliegen (F i g. 1,2).
5. Scndc-Empfangsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis J, 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. Scnde-Empfangsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß weitere halbparaboloidförmigc
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 (5.3, 54) einander abgewandt sind (F i g. b).
7. Scnde-Empfangsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
jeder Refleklor(l, 2; 31,32; 51, 52, 53, 54) aus Metali 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.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Sende-Enipfangsanordnung für Schall- oder Ultraschallwellen für die
Abstandsmessung anch dem Echoiotprinzip, insbesondere für die Füllstandsmessung in Behältern und für
Messungen auf Lagerplätzen, mit mindestens zwei elektroakustischen 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 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 »Siemrns-Zeitschrift« 42 (1968), Heft 1.
Seiten 18 bis 22, sind Sende-Empfangsanordnungcn für die Füllstandsmessung bekannt, die einen Ultraschallwandler
enthalten, der abwechselnd als Scndewandler 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 Sendcimpulses abgeklungen ist.
Dieser Nachteil wird bei den Sende-Empfangsanordniingcn
der eingangs angegebenen Art vermieden, die mit einem Sendcwandler und einem Enipfangswandler
arbeiten, wobei diese oft mechanisch eine Einheit bilden.
Bei anderen Sende-Empfangsanordnungeii wiederum
sind die beiden Wandler nebeneinander montiert. Bei einem Teil der bisher bekannten MeUvorrichtungen
dieser Art sind die Wandler so angebracht, daß der eine
Wandler die Schallwellen direkt in der Meßiichtung abstrahlt und der andere Wandler direkt in der
entgegengesetzten Richtung reflektierte Wellen eiiipfängt.
Diese Anordnung ergibt einen geringen Wirkungsgrad, weil die Richiwirkung der Wandler gering
ist und daher nur ein geringer Teil der vom Sendewandlcr ausgesendeten Schall- oder Ultraschallenergie
zum Kmpfangswandler zurückkehrt. Der Empfangswandler muß deshalb entsprechend empfindlich
ausgelegt werden, wodurch die Gefahr vergrößert wird, daß er einen Teil der vom Sendewandlcr
ausgesendeten Energie direkt empfängt. Damit diese direkt empfangene Energie unwirksam gemacht wird,
darf der Empfangswandler erst nach Verstreichen einer Sicherheilszeit nach dem Ende des Sendcimpulses
empfangsbereit gemacht werden; dadurch entsteht wieder eine Blindzeit bei der Messung, die zur Folge hat.
daß Abstände unter einem gewissen Mindestwerl nicht mehr gemessen werden können. Bei der Messung des
Füllstandes in einem Behälter bedeutet dies, daß die
Wandler in einem bestimmten Mindcsiabstand von der
maximalen Füllstandshöhe montiert werden müssen. Eine bekannte Lösung hierfür besteht darin, daß man
die Wandler mit Hilfe eines Vcrlängcrungsrohres 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 Schallimpulsc von einem speziellen
Verlängerungsrohr in den Bchiilterraum mit sieh.
Darüber hinaus ist eine dritte Art von Meßvorrichtungen bekannt geworden, nach der die Schall- oder
Ultraschallwandler im Brennr>unkt eines Vollnarabo-
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19772744823 DE2744823C3 (de) | 1977-10-05 | 1977-10-05 | Sende-Empfangsanordnung fur Schalloder Ultraschallwellen fur die Abstandsmessung nach dem Echolotprinzip |
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DE19772744823 DE2744823C3 (de) | 1977-10-05 | 1977-10-05 | Sende-Empfangsanordnung fur Schalloder Ultraschallwellen fur die Abstandsmessung nach dem Echolotprinzip |
Publications (3)
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DE2744823A1 DE2744823A1 (de) | 1979-04-12 |
DE2744823B2 DE2744823B2 (de) | 1979-10-04 |
DE2744823C3 true DE2744823C3 (de) | 1980-06-12 |
Family
ID=6020729
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19772744823 Expired DE2744823C3 (de) | 1977-10-05 | 1977-10-05 | Sende-Empfangsanordnung fur Schalloder Ultraschallwellen fur die Abstandsmessung nach dem Echolotprinzip |
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Families Citing this family (8)
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FR2565094B1 (fr) * | 1984-06-01 | 1988-07-15 | Synthelabo | Sonde d'echographie a miroir oscillant de focalisation |
IL76344A0 (en) * | 1985-09-09 | 1986-01-31 | Moshe Ein Gal | Apparatus for the disintegration of body calculi |
DE3905099C1 (de) * | 1989-02-20 | 1990-08-09 | Schoeller Transportautomation Gmbh, 5120 Herzogenrath, De | |
DE4435156C2 (de) * | 1994-09-30 | 2002-06-27 | Microsonic Ges Fuer Mikroelekt | Ultraschallsensor |
DE10322083B4 (de) * | 2003-05-15 | 2014-06-05 | Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg | Ultraschall-Meßgerät |
ITMO20090219A1 (it) * | 2009-09-01 | 2011-03-02 | Imal Srl | Dispositivo ad ultrasuoni ad elevata efficienza. |
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- 1977-10-05 DE DE19772744823 patent/DE2744823C3/de not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
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DE2744823B2 (de) | 1979-10-04 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OAP | Request for examination filed | ||
OD | Request for examination | ||
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
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