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Ultraschallwandler
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Die Erfindung betrifft Ultraschallwandler, mit einem Zylinder, welcher
eine Flüssigkeitsmenge und einen Kolben enthält, der relativ zu dem Zylinder linear
bewegbar ist, mit einem Ultraschalltransmitter und einem Ultraschallempfänger, welche
in dem Zylinder angeordnet sind und'zwischen sich einen ersten Weg für Ultraschallstrahlung
durch die im Zylinder enthaltene Flüssigkeit, im wesentlichen parallel zu der Richtung
der Relativbewegung von Kolben und Zylinder, bilden.
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Die Erfindung dient zur Anzeige linearer Verschiebungen zwischen relativ
zueinander beweglichen Teilen.
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Bei der Anwendung sind entweder der Kolben oder der Zylinder fixiert,
während das andere Teil bezüglich
dem fixierten Teil linear bewegbar
ist. Die Ultraschallstrahlung, welche von dem Transmitter oder Sender zu dem Empfänger
gelangt, wandert im wesentlichen parallel zur Richtung der Relativbewegung zwischen
dem Kolben und dem Zylinder, und die Zeit von der Sendung des Signals bis zum Empfang
desselben entspricht dem Abstand von Transmitter und Empfänger. Wenn Transmitter
und Empfänger auf dem Kolben bzw. auf dem Zylinder oder umgekehrt angeordnet sind,
gibt die Wanderzeit des Signals von dem Transmitter zu dem Empfänger eine Anzeige
für den Abstand der Teile des Kolbens und des Zylinders an, welche den Transmitter
bzw. den Empfänger in Richtung der Relativbewegung zueinander tragen.
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Alternativ können der Empfänger und der Transmitter auf dem einen
oder dem anderen Teil, nämlich auf dem Kolben oder dem Zylinder befestigt sein,
wobei eine Reflektoreinrichtung auf dem anderen Teil befestigt ist, welcher weder
Sender noch Empfänger trägt. Falls der Empfänger und der Transmitter in gleichem
Abstand von der Reflektoreinrichtung angeordnet sind, gibt die Zeitverzögerung zwischen
der Abgabe des Signals des Transmitters und dem des Empfängers den doppelten Abstand
von Empfänger und Transmitter von der Reflektoreinrichtung an.
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Das Ausgangs zeichen des Empfängers ändert sich mit änderungen des
Kompressionsmoduls und der Dichte der Flüssigkeit in dem Zylinder, und dementsprechend
können Fehler bei der Bestimmung des Abstands zwischen Kolben und Zylinder auftrcten.
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Um diese Fehlertueiie zu kompensieren, werden gemäß der Erfindung
Ultraschalleinrichtungen so verwendet, daß Ultraschallstrahlung längs einem zweiten
Weg durch die
Flüssigkeit hindurchtritt, wobei der zweite Weg oder
ein Teil desselben eine konstante Länge aufweisen.
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Irgendwelche Änderungen des Kompressionsmoduls und der Dichte der
Flüssigkeit, welche das Ausgangssignal des Empfängers, der Ultraschallstrahlung
längs dem ersten Weg empfängt, beeinflussen, beeinflussen auch das Ausgangszeichen
des Empfängers, welcher die längs dem zweiten Weg hindurchgetretene Ultraschallstrahlung
empfängt, und da wenigstens ein Teil des zweiten Weges eine konstante Länge aufweist'
können diese auftretenden Fehler zur Kompensation der Fehler verwendet werden, welche
bei der Messung der Länge des ersten Weges auftreten.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung werden ein einziger Ultraschallsender
und zwei Ultraschallempfänger verwendet. Die Empfänger sind in Richtung der Relativbewegung
zwischen Kolben und Zylinder in gleichem Abstand voneinander angeordnet, und infolgedessen
empfangen beide Empfänger Signale von dem selben Sender, wobei der Zeitunterschied
der elektrischen Ausgangssignale von den beiden Empfängern einen Wert für den konstanten
Abstand zwischen den beiden Empfängern darstellt.
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Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird Ultraschallstrahlung
längs des ersten Weges von dem Sender zu einem Empfänger geschickt, und ein zweiter
Sender und ein zweiter Empfänger sind in einem festen Abstand voneinander innerhalb
des Zylinders angeordnet, so daß das Ausgangszeichen von dem zweiten Empfänger einen
Weg konstanter Länge durch die Flüssigkeit in dem Zylinder darstellt.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus
den
Ansprüchen in Verbindung mit der Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele und der
Zeichnung hervor; in letzterer zeigen: Fig. 1, 2 und 3 schematische Schnittansichten
von alternativen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wandlers, und Fig. 4 ein
Blockdiagramm einer dem Wandler zugeordneten Schaltung.
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Der in Fig. 1 dargestellte Ultraschallwandler umfaßt einen Zylinder
1, welcher an seinem unteren Ende durch eine Stirnwand 2 abgeschlossen ist und eine
Einlaßöffnung 3 aufweist, durch welche hydraulische Flüssigkeit in das Innere des
Zylinders hinein und aus diesem heraus fließen kann. Ein Kolben 4 ist verschiebbar
in dem Zylinder angeordnet, und ein Dichtring 5 verhindert, daß bl an dem Kolben
vorbeifließen kann. Der Raum zwischen dem Kolben und der Stirnwand 2 des Zylinders
ist mit hydraulischem bl oder hydraulischer Flüssigkeit gefüllt.
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Die Stirnseite des Kolbens, welche der Stirnwand 2 des Zylinders benachbart
ist, weist eine zentrale Ausnehmung 6 auf, und eine weitere Ausnehmung 7 führt von
dem zentralen Abschnitt 6 nach innen. Ein Ultraschallsender 8 ist an einem Stopfen
8' befestigt, welcher in der Stirnwand 2 des Zylinders im wesentlichen auf der Längsachse
desselben und des Kolbens eingepaßt ist. Ein erster Ultraschallempfänger 9 ist an
der Basiswand der Ausnehmung 6, und ein zweiter Ultraschallempfänger 10 ist an der
Basiswand der Ausnehmung 7 befestigt. Diese beiden Empfänger sind in einem festen
Abstand dl voneinander angeordnet.
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Im Betrieb wird die Ultraschallstrahlung von dem Sender
8
von beiden Empfängern 9 und 10 empfangen. Das elektrische Ausgangssignal des Empfängers
6 stellt einen Wert für den Abstand d2 zwischen dem Sender 8 und dem Empfänger 9
dar. Das elektrische Ausgangssignal des Empfängers 10 stellt einen Wert für den
Abstand zwischen dem Sender 8 und dem Empfänger 10 dar, und dieser Abstand ist dl
plus d2. Wenn aufgrund des Somlressionsmoduls oder der Dichte oder anderer Faktoren,
welche die akustische Zusammensetzung der hydraulischen Flüssigkeit in den Zylinder
betreffen, in den Ausgangszeichen der Empfänger auftreten, dann beeinflussen diese
Fehler die Ausgangszeichen beider Empfänger, und da der Abstand zwischen den beiden
Empfängern konstant ist, können diese Fehler kompensiert werden.
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In Fig. 2 sieht man einen verschiebbar in dem Zylinder 1 angeordneten
Kolben 4A, welcher an seiner Stirnwand eine zentrale Ausnehmung 12 und außeraxial
eine weitere Ausnehmung 13 aufweist. Ein erster Sender 8 ist auf einem Stopfen 8'
angeordnet, welcher in der Stirnwand 2 des Zylinders eingepaßt ist, und ein erster
Empfänger 14 ist an der Basiswand der Ausnehmung 12 befestigt.
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Der Sender 8 und der Empfänger 14 sind miteinander ausgerichtet, und
der Weg zwischen ihnen ist parallel zur Richtung der Bewegung des Kolbens in dem
Zylinder. An gegenüberliegenden Seitenwänden der Ausnehmung 13 sind ein Ultraschallsender
15 und ein zweiter UltraschalXempfänger 16 in einem konstanten Abstand voneinander
angeordnet. Im Betrieb bilden das elektrische Ausgangszeichen des Empfängers 14
einen Wert für die Position dcs.olbens relativ zu der Stirnwand 2 des Zylinders,
während das elektrische Ausgangszeichen des Empfängers 16 elektrisch modifiziert
wird, so daß es konstant bleibt, da dieser Empfänger 16 sich in einer bestimmten
Abstand
von dem Sender 15 befindet. Dieselben elektrischen Modifikationen modulieren gleichzeitig
das Ausgangszeichen des Empfängers 14 und kompensieren Variationen des Kompressionsmoduls,
der Dichte oder anderer Faktoren, welche die akustischen Eigenschaften der hydraulischen
Flüssigkeit in dem Zylinder beeinflussen.
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Bei allen Ausführungsformen der Erfindung ist es notwendig, daß keinL-'
großen Gasblasen in dem Weg zwischen dem Sender und dem Empfänger vorhanden sind,
und aus diesem Crund ist in Fig. 1 ein Kaial 20 dargestellt, welcher zu einer Cassa@@elleitung
21 in dem liolUen führt. Falls irgendwelche Bläschen in der hydraulischen t'Wssigkeit
enthalten sind, wandern sie durch den Kanal 20 nach oben und sammeln sich in der
Leitung 21. In ähnlicher Weise haben die Ausnehmungen 12 und 13 in der Anordnung
der Fig. 2 jeweils einem. nach obcn. führenden Kanal, welche mit einer Sassamelleitung
23 in den Kolbemkommunizieren.
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In Fig. 3 sieht man in einem Zylinder 1 einen bewegbar angeordneten
Kolben 4B, welcher an seiner Stirnfläche außerhalb seiner Achse eine Ausnehmung
13 aufweist.
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Ein erster Ultraschallsender 8 und ein erster Ultraschallempfänger
24 sind nebeneinander auf einem Stopfen 8 angeordnet, welcher in der Stirnwand 2
des Zylinders eingepaßt ist. Ein Reflektor 25 ist auf dem Kolben 1 befestigt, er
kann auch einen Teil des Kolbens bilden, unci er ist mit dem Sender 8 und dem Empfänger
24 ausgerichtet. An gegenüberliegenden Seitenwänden der Ausnellmung 13 sind ein
zweiter Ultraschallsender 15 und ein zweiter Ultraschallempfänger 16 befestigt.
Diese weisen einen festen Abstand voneinander auf.
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Im betrieb gelangt die von dem Sender 8 ausgesendete Ultraschallstrahlung
durch die hydraulische Flüssigkeit in den Zylinder und wird von der Reflektoreinrichtung
2 zu dem ersten Empfänger 24 reflektiert. Das Ausgangssignal des Empfängers 24 stellt
somit einen Wert dar, welcher dem doppelten Abstand zwischen Sender 8
und
Reflektoreinrichtung 25 entspricht.
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Bei allen Ausführungsformen der Erfindung können die Ultraschallsender
zweckmäßigerweise Piezokristalle verwenden, welche eine natürliche Frequenz von
typischerweise 2 Miiz aufweisen.
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Die Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm einer elektrischen Schaltung, welche
derw Wandler der Fig. 1 zugeordnet ist.
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Das Bezugszeichen 30 stellt einen elektronischen Apparat dar, welcher
mit dem Transmitter 8 verbunden ist, und die Bezugszeichen 31 und 32 bezeichnen
elektronische Zeitnehmer, welche den Empfängern 9 bzw. 10 zugeordnet sind. Die Ausgangszeichen
der dem Sender zugeordneten elektronischen Einrichtung 30 werden beiden Feiteinrichtungen
31 und 32 zugeleitet. Die elektrischen Ausgangszeichen der Transmitterelektronik
30 und der Zcitnchltler 31 und 32 gelangen durch entsprechende separate Modulatoren
34, 35 und 36 hindurch. Die Ausgangssigna( der Modulatoren 35 und 36 werden einem
Intctrator 37 zugeführt, dem auch ein Referenzsignal zugeführt wird, welches dem
konstanten Abstand d1 equivalent ist. Der Unterschied zwischen den Ausgangs zeichen
zwischen den beiden Zeitnehmern, welche den Enpfängern zugeordnet sind, wird mit
dem Referenzsignal in dem Integrator 3 verglichen, und falls es irgendwelche Unterschiede
<TiLt, den diese dazu verwendet, ein Korrektursignal zu erzeugen, welches den
Modulatoren 35 und 36 zugeführt wird. Dieses Korrektursignal kompensiert J;nderungen
der Dichte und des Kompressionsmoduls der hydraulischen Flüssigkeit. Das Ausgangssignal
des Modulators 35 bildet einen Wert für den Abstand d2.
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Wenn elektrische Signale den s@ndern zugeführt werden, werden die
elektronischen Uhren gestartet, während lic-
U 1 Lrasc1iall strahlung
in die hydraulische Flüssigkeit abgegeben wird. Nach ihrer Wanderung längs ihrer
entsprechenden \4Jectc durch die hydraulische Flüssigkeit werden die piezo-elektrischen
Empfänger aktiviert und halten die ihnen zugeordneten Uhren an. Die gemessenen Zeitintervalle
werden dazu verwendet, Signale zu erzeugen, welche die physischen Abstände zwischen
den Sendern und den Empfängern repräsentieren.
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Der Unterschied der Ausgangszeichen der Empfänger, welche Strahlung
empfangen, tendiert zur Abweichung, und diese Abweichung wird dazu verwendet, die
Verstärkung beider Signalprozessoren 35 und 36 zu modifi ierell, welche die Signale
der Empfänger verarbeiten, und diese Modifikation erfolgt in dem Sinne, daß die
Abweichung auf Null reduziert wird. Das bedeutet, daß die Kalibrierung der Wandler
konstant gehalten wird, unabhängig von akustischen änderungen des hydraulischen
Mittels.
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Dit beschriebenen Wandler sind insbesondere bei Walzmühlen anvendbar,wo
sie zwischen den Zapfen lagern, welche eine der Walzen der Mühle tragen, und einem
feststehenden Teil des Walzgehäuses angeordnet sind, so daß der Abstand zwischen
den Zapfenlagern und dem Walzgehäuse durch Veränderung der Menge der hydraulaschen
Flüssiqkeit in dem Zylinder eingestellt werden kann, wobei der Wandler gleichzeitig
yenau den Abstand zwischen den Zapfenlagern und dem feststehenden Teil des Walzgehäuses
anzeigt.
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Die Erfindung ermöglicht darüberhinaus die Kompensation der Dämpfung
des akustischen Signals in der hydraulischen Flüssigkeit. Es ist wünschenswert,
daß die Empfänger 9 und 14 Ultraschallimpulse mit konstanter
Amplitude
empfangen, und wenn der Abstand d2 wächst, wächst auch die Amplitude der von dem
Sender 8 ausgesendeten Impulse. Das Signal, welches den Abstand d2 darstellt, wird
dem Modulator 34 zur Modulation der Leistung des Transmitters 8 zugeführt.
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L e e r s e i t e