DE3038268A1 - Ultrasonic measurement transducer e.g. for liquid level measurement - has U=shaped ultrasonic conductor joining crystals to measurement section - Google Patents
Ultrasonic measurement transducer e.g. for liquid level measurement - has U=shaped ultrasonic conductor joining crystals to measurement sectionInfo
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Abstract
Description
' Meßwertgeber für Ultraschall-Meßgeräte '' Transmitter for ultrasonic measuring devices
Die Erfindung betrifft Meßwertgeber für Ultraschall-MeßgerSte, und zwar insbesondere Ultraschall-Meßgeräte, wie sie bei Flüssigkeiten zur Erfassung mannigiacher Größen bzw. The invention relates to transducers for ultrasonic measuring devices, and in particular ultrasonic measuring devices, such as those used for recording liquids different sizes resp.
Werte, beispielsweise zur Anzeige des Flüssigkeitsstandes In einem Behälter, als Niveauschalter bzw. -wSchter, zur Strömungsanzeige oder -messung in einer Leitung und dergleichen benutzt werden. Hierbei ist unter der Bezeichnung Meßwertgeber bzw. Meßwertaufnehmer eine Einrichtung derartiger Geräte zu verstehen, die als Sensor bzw. Detektor den interessierenden Wert erfaßt und entsprechend dem erfaßten Wert eine Anzeige- oder Steuervorrichtung beeinflußt. Die Erfindung betrifft vor allem solche Ultraschall-Meßgeräte der genannten Art, die einen Ultraschall-Sender bzw. -geber und einen Ultraschall-Empfänger besitzen, die eine Meßstrecke bilden, die von dem ausgesandten Ultraschall zu durchlaufen ist, der beim Durchlaufen dieser Strecke eine der zu erfassenden Meßgröße proportionale Beeinflussung erfährt und dessen Änderungen erfaßt und zur Anzeige bzw. Steuerung nachgeschalteter Einrichtungen ausgenutzt werden.Values, for example to display the liquid level in one Container, as a level switch or level switch, for flow display or measurement in a line and the like can be used. Here is under the designation To understand transducers or transducers to set up such devices, which as a sensor or detector detects the value of interest and according to the recorded value affects a display or control device. the The invention relates in particular to such ultrasonic measuring devices of the type mentioned, which have an ultrasonic transmitter or transmitter and an ultrasonic receiver that form a measuring section through which the emitted ultrasound must traverse, the one proportional to the measured variable to be detected when passing through this distance Influencing experiences and its changes recorded and for display or control downstream facilities are exploited.
Bei den bekannten Ultraschall-Meßgeräten der genannten Art treten mannigfache Mängel und Schwierigkeiten auf, die zu einem großen Teil dadurch bedingt sind, daß es - wenn überhaupt - nur schwer möglich ist, eine unter allen Bedingungen zuverlSs3ige Ankopplung des Ultratschall-Kristalls zu-erzielen. Die Systeme sind temperaturempfindlich, und es zeigt sich ein Übersprechen im Nahbereich. In the known ultrasonic measuring devices of the type mentioned occur manifold shortcomings and difficulties, which to a large extent caused by it are that it is difficult - if at all - to do one under all conditions to achieve reliable coupling of the ultrasound crystal. The systems are temperature-sensitive, and there is crosstalk in the close range.
Der Erfindung liegt in erster Linie die Aufgabe zu Grunde, diese Mängel der bekannten Ultraschall-Meßgeräte zu beheben und Geräte zu schaffen, bei denen eine sichere, temperaturunempfindliche Ankopplung der Ultraschall-Kristalle erzielt und ein Übersprechen im Nahbereich weitgehend vermieden ist. Diese Aufgabe ist gemaß der Erfindung durch einen Meßwertgeber für Ultraschall-Meßgeräte mit einem Ultraschall-Sender bzw. -geber und einem Ultraschall-Empfänger zur Bildung einer Meßstrecke dadurch zu lösen, daß Ultraschall-Sender und Ultraschall-Empfänger in einem Abstand von der Meßstrecke angeordnet und an Ultraschall-Leiter angeschlossen sind, die ihrerseits die Meßstrecke definieren. Durch die räumliche Trennung von Ultraschall-Geber und -Empfänger von der Meßstrecke, die unmittelbar den Einflüssen des zu erfassenden Mediums ausgesetzt ist, ist eine weitz,ehende Unabhängigkeit von Einflüssen im Meßbereich und damit auch eine weitgehende Unempfindlichkeit gegenüber Temperatureinflüssen erzielbar. Darüber hinaus sind auch die Probleme im Nahbereich der Meßstrecke, insbesondere ein unmittelbares Übersprechen vom Geber auf den Empfnger, leichter beherrscinbar, In konstruktiver Hinsicht läßt die Erfindungmannigfache Ausführungsmöglichkeiten zu. Als besonders zweckmßig hat sich eine Ausbildung eines Fleßwertgebers bzw. -aufner£-rs gezeigt, bei der der Ultraschall-Sender einerseits und der Ultraschall-Empfänger andererseits an den Enden eines Ultraschall-Leiters befestigt sind, der zur Bildung einer estrecke in zwei Ultraschall-Leiter-Abschnitte unterteilt ist, deren Enden sich im Abstand gegenüberstehen. Ein solcher Ultraschall-Leiter ist zweckmäßigerweise in vielen Fällen mit einem Schutzmantel versehen, der den Ultraschall-Letter in geringem Abstand umgibt und im wesentlichen nur die Meßstrecke frei läßt. Auf diese Weise lEPot sich eine unerwünschte Dämpfung der Ultraschall-Schwingungen im Ultraschall-Leiter bei der Zufuhrung zur Meßstrecke weitgehend verhindern, wenn beiapielsweise der Ultraschall-Leiter in das Meßmedium eintaucht. Der Ultraschall-Leiter kann bevorzugt etwa U-förmig ausgebildet sein, wobei die Meßstrecke etwa im Scheitelpunkt des U liegen kann. The invention is primarily based on the object of this To remedy shortcomings of the known ultrasonic measuring devices and to create devices at which a safe, temperature-insensitive coupling of the ultrasonic crystals achieved and crosstalk in the near range is largely avoided. This task is according to the invention by a transducer for ultrasonic measuring devices with a Ultrasonic transmitter or transmitter and an ultrasonic receiver for education one To solve the measuring section that ultrasonic transmitter and ultrasonic receiver in arranged at a distance from the measuring section and connected to ultrasonic conductors are, which in turn define the measuring section. Due to the spatial separation of Ultrasonic transmitter and receiver from the measuring section, which directly affects the influences of the medium to be recorded is exposed to a wide range of independence of influences in the measuring range and thus also an extensive insensitivity to it Temperature influences achievable. In addition, there are also the problems at close range the measuring section, in particular direct crosstalk from the transmitter to the receiver, Easier to control, In terms of construction, the invention leaves manifold Execution options too. It has proven to be particularly expedient to design one Fleßwertgebers or -aufner £ -rs shown in which the ultrasonic transmitter on the one hand and the ultrasonic receiver, on the other hand, at the ends of an ultrasonic conductor are attached to the formation of a stretch in two ultrasonic conductor sections is divided, the ends of which face each other at a distance. Such an ultrasonic guide is expediently provided in many cases with a protective jacket that the Ultrasound letter surrounds at a small distance and essentially only the measuring section releases. In this way, lEPot turns out to be an undesirable one damping the ultrasonic vibrations in the ultrasonic conductor when it is fed to the measuring section largely prevent if, for example, the ultrasonic conductor enters the medium to be measured immersed. The ultrasonic conductor can preferably be approximately U-shaped, whereby the measuring section can lie approximately at the apex of the U.
Der Meßwertgeber gemäß der Erfindung kann als in das Meßmedium eintauchbare Baueinheit ausgebildet sein. Hierbei können die Ultraschall-Leiter-Abschnitte mit den daran befestigten Ultraschall-Kristallen auf einem gemeinsamen Träger vorzugsweise in gewissem Umfang verstellbar angeordnet und durch eine jiemeinzame Oeffnung, in einen Behälter oder eine Rohrleitung einführbar sein. Die Verstellbarkeit ermöglicht eine Justierbarkeit. Man kann aber auch die beiden Ultraschall-Leiter-Abschnitte durch gesonderte Ö-ffnungen einzeln einführbar ausbilden, um sie beispielsweise bei Rohrleitungen von gegenüberliegenden Seiten in das Rohr einführen zu können. The transducer according to the invention can be immersed in the medium to be measured Be formed unit. Here, the ultrasonic conductor sections can with the attached ultrasonic crystals on a common carrier preferably to a certain extent adjustable and arranged through a jiemeinzame opening in a container or a pipeline can be inserted. The adjustability enables an adjustability. But you can also use the two ultrasonic conductor sections Form them individually insertable through separate openings, for example to be able to insert pipes into the pipe from opposite sides in the case of pipelines.
Hierbei sollten Halterungen für die Ultraschall-Leiter-Abschnitte vorgesehen sein, die eine genaue Dimensionierung und Justierung der Meßstrecke zulassen. Als Halterungen sind hierbei mit Vorteil sogenannte lötlose Rohrverschraubungen nach Ermeto verwendbar.This should include brackets for the ultrasonic conductor sections be provided that allow precise dimensioning and adjustment of the measuring section. So-called solderless pipe screw connections are advantageously used as holders Usable according to Ermeto.
In vielen Anwendungsfällen des erfindungsgemßen Meßwertgebers wird das Meßmedium selbst durch Eintritt in die Meßstrecke die zu erfassenden änderungen des Ultraschall-Meßwertes hervorbringen, wie beispielsweise bei Niveauschaltern, Durchflußwächtern und dergleichen. Man kann den erfindungsgemäßen Meßwertgeber aber beispielsweise auch zum Aufbau von Durchfluß- oder Strömungsmessern verwenden, wenn man ihm ein von der Seite mehr oder weniger weit in die Meßstrecke einführbares Element, das beispielsweise den über die Meßstrecke fließenden Ultraschall dämpft oder reflektiert, zuordnet und dieses Element durch ein vom Durchfluß bzw. von der Strömung beaufschlagtes Element, wie beispielsweise den Schwebekörper eines Schwebekörperdurchflußmessers oder die Prallplatte eines Praliplattenströmungsmessers, steuert. In many applications of the transmitter according to the invention the measuring medium itself by entering the Measuring distance to be recorded bring about changes in the ultrasonic measured value, such as with level switches, Flow monitors and the like. But you can use the transducer according to the invention For example, use it to set up flow meters or flow meters, if one can be introduced from the side more or less far into the measuring section Element that dampens, for example, the ultrasound flowing over the measuring section or reflects, assigns and this element by one of the flow or of the Element subjected to flow, such as the float of a float flow meter or the flapper of a flapper plate flow meter.
Die Erfindung läßt mannigfache Ausführungsmöglich'-keiten zu und soll an Hand der Zeichnung näher erläutert werden. In der Zeichnung sind, zum Teil stark schematisiert, einige Ausführungsmöglichkeiten mit den zum Verständnis wesentlichen Teilen dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 einen Meßwertg,eber mit U-förmigem Ultraschall-Leiter als einbaubare Baueinheit, Fig. 2 die Anwendung eines Ultraschall-Meßwertgebers bei einem Schwtebekörper-Durchflufmesser, und zwar a) im Aufriß und b) eine Einzelheit im Schnitt etwa nach der Linie b - b der Fig. 2a, Fig. 3 einen Meßwertgeber gemäß der Erfindung als Niveaumesser bzw. -schalter und Fig. 4 die Anwendung des erfindungsgemiåßen Meßwertgebers bei einem Strömungsmesser bzw: -wächter. The invention permits a wide variety of possible embodiments and should be explained in more detail with reference to the drawing. In the drawing are, in part highly schematic, some implementation options with the essentials for understanding Parts shown, namely Fig. 1 shows a Meßwertg, eber with a U-shaped ultrasonic conductor as a built-in unit, FIG. 2 shows the use of an ultrasonic transducer for a float flow meter, namely a) in elevation and b) a detail in section approximately along the line b - b of Fig. 2a, Fig. 3 a Measuring transducer according to the invention as a level meter or switch and FIG. 4 the Use of the inventive transducer in a flow meter or monitor.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Meßwertgebers für Ultraschall-Meßgeräte kommt ein im wesentlichen U-förmiger Ultraschall-Leiter 11 zur Anwendung, der in zwei Abschnitte 111 und 112 unterteilt-ist, die auf einem gemeinsamen Träger 12 angeordnet sind. Die Enden der Ultraschall-Leiter-Abschnitte ragen über den Träger 12 hinaus und tragen auf ihren Stirnflächen zwei Ultraschall-Kristalle 13 bzw. 14, von denen der eine als Ultraschall-Sender und der andere als Ultraschall-Empfänger dient und an den zugehörigen Generator bzw. einen nachfolgenden Verstärker anschließbar ist. Der Ultraschall-Leiter 11 ist zur Bildung der beiden Ultraschall-Leiter-Abschnitte etwa im Scheitel des U unterteilt. Die Trennflächen 113 und 114 liegen sich im Abstand gegenüber und begrenzen die Meßstrecke 15. Der auf Grund von Totalreflektion an den Leiterwänden nur innerhalb des Ultraschall-Leiters sich ausbreitende Ultraschall tritt an den Trennflächen 113 bzw. 114 scharf gebündelt aus und nach Durchlaufen der Meßstrecke 15 wieder ein. Beide Ultraschall-Leiter-Ab schnitte können jeder für sich mit einem Schutzmantel 17 versehen sein, der den Ultraschall-Leiter-Abschnitt allseitig in einem geringen Abstand umgibt und im wesentlichen nur die Trennflächen 113 bzw. 114 frei läßt, die die Meßstrecke 15 bilden. Ein solcher Schutzmantel, der in der Zeichnung in unterbrochenen Linien dargestellt ist, ist nicht unbedingt erforderlich, empfiehlt sich jedoch in den Fällen, in denen die Ultraschall-Leiter-Abschnitte des Meßwertgebers in das Meßmedium eintauchen, um eine unerwünschte Dämpfung des durch den Ultraschall-Leiter fließenden Ultraschalls zu verhindern. In the embodiment of a transducer shown in FIG an essentially U-shaped ultrasonic conductor is used for ultrasonic measuring devices 11 for application, which is divided into two sections 111 and 112, which on one common carrier 12 are arranged. The ends of the ultrasonic conductor sections protrude beyond the carrier 12 and carry two ultrasonic crystals on their end faces 13 and 14, of which one as an ultrasonic transmitter and the other as an ultrasonic receiver is used and can be connected to the associated generator or a subsequent amplifier is. The ultrasonic conductor 11 is used to form the two ultrasonic conductor sections divided roughly at the apex of the U. The parting surfaces 113 and 114 are at a distance opposite and limit the measuring section 15. The due to total reflection on Ultrasound propagating only within the ultrasonic conductor through the conductor walls emerges sharply bundled at the separating surfaces 113 and 114 and after passing through of the measuring section 15 again. Anyone can do both ultrasonic conductor sections be provided with a protective sheath 17 for the ultrasonic conductor section all-round surrounds at a small distance and substantially only leaves the parting surfaces 113 and 114 free, which form the measuring section 15. Such a Protective sheath, which is shown in the drawing in broken lines, is not strictly necessary, but recommended in cases where the Immerse the ultrasonic conductor sections of the transducer in the medium to be measured an undesirable attenuation of the ultrasound flowing through the ultrasound conductor to prevent.
Die Beeinflussung des Ultraschalls auf der Meßstrecke kann auf mannigfache Weise erfolgen. Befindet sich die Meßstrecke in einem Gas, beispielsweise in Luft, tritt eine starke Dämpfung ein und es gelangt - wenn überhaupt - nur ein geringer Teil des Ultraschalls an den Empfänger. Liegt die Meßstrecke in einer Flüssigkeit, die den Ultraschall gut weiterleitet, gelangt im wesentlichen der gesamte Ultraschall an den Empfänger. Aber auch in den Fällen, in denen die eßstrecke in einem gut Ultraschall weiterleitenden Medium liegt, kann durch Einführung eines den Ultraschall dämpfenden oder reflektierenden Elements 16 in den Spalt 15 eine Beeinflussung des an den Empfänger gelangenden Ultraschall-Anteils erzielt werden, die proportional der Eindringtiefe des Elements 16 in den Spalt 15 ist. The influence of the ultrasound on the measuring section can be manifold Way. If the measuring section is in a gas, for example in air, there is strong attenuation and only a small amount - if at all - is achieved Part of the ultrasound to the receiver. If the measuring section lies in a liquid, which transmits the ultrasound well, essentially all of the ultrasound arrives to the recipient. But also in those cases where the eating area in a good ultrasound forwarding medium, can be achieved by introducing an ultrasound dampening or reflective element 16 in the gap 15 influencing the to the receiver The amount of ultrasound that can be achieved is proportional to the depth of penetration of the element 16 in the gap 15 is.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine solche Anwendungsart des NeßTertgebers. Fig. 2a zeigt im Schnitt einen Schwebekörper-Durchflußmesser herkbmmlicher Bauart, bei der in einem Meßrohr 21 ein konischer Schwebekörper 22 angeordnet ist, der durch die durchströmende Flüssigkeit angehoben wird, wobei die Strecke, die sich der Schwebekörper aus der Ausgangsstellung bewegt, ein Maß für die Durchflußmenge ist. Oberhalb des Schwebekörpers 22 ist in die Rohrleitung in diametraler Richtung ein Ultraschall-Leiter 23 eingesetzt, dessen beide Ultraschall-Leiter-Abschnitte 231 und 232 einen Spalt 25 begrenzen, während an den äußeren Enden der Abschnitte 231 und 232 ein Ultraschall-Sender bzw.' ein Ultraschall-Empfänger 24 bzw. 27 angeordnet ist. Es sei angenommen, daß sich in dem Rohr 21 eine Ultraschall gut leitende Flüssigkeit befinde. Sobald diese zum Fließen kommt - in der Zeichnung von unten nach oben - wird der Schwebekörper angehoben Hierbei dringt ein auf seiner Oberseite angeordnetes Element 26 mehr oder weniger stark in die Meßstrecke 25 ein und beeinflußt den die Meßstrecke durchsetzenden Ultraschall in dem einen oder anderen Sinne. Zur Halterung der Abschnitte 231 bzw. 232 können, wie aus Fig. 2b ersichtlich ist, mit Vorteil sogenannte Ermeto-Verschraubungen dienen, die nicht nur eine leichte Ausrichtung der Abschnitte zueinander sondern auch eine bequeme Einstellung und Justierung des Spaltes 25 zulassen. Fig. 2 shows an embodiment for such a type of application of the NeßTertgebers. Fig. 2a shows in section a variable area flow meter conventional design, in which a conical float 22 in a measuring tube 21 is arranged, which is raised by the liquid flowing through, wherein the Distance that the float moves from the starting position, a measure of is the flow rate. Above the float 22 is in the pipeline in diametrical direction, an ultrasonic conductor 23 is used, the two ultrasonic conductor sections 231 and 232 delimit a gap 25, while at the outer ends of the sections 231 and 232 an ultrasonic transmitter or ' an ultrasonic receiver 24 or 27 is arranged is. It is assumed that there is a liquid which conducts ultrasound well in the tube 21 am located. As soon as this begins to flow - in the drawing from bottom to top - If the float is lifted, an on top of it penetrates Element 26 more or less strongly in the measuring section 25 and influences the Ultrasound penetrating the measuring section in one sense or the other. To the bracket the sections 231 and 232 can, as can be seen from FIG. 2b, with advantage So-called Ermeto screw connections are used, which not only allow easy alignment of the sections to each other but also a convenient setting and adjustment of the Allow gap 25.
Fig. 3 zeigt die Anwendung des erfindungsgenäßen Meßwertgebers im Rahmen eines Niveauschalters bzw. -wächters zur Überwachung des Füllstandes in einem Behälter 31. Der entsprechend -Fig. 1 ausgebildete Meßwertgeber ist als Baueinheit auf dem als Träger dienenden Deckel 32 für die Behälteröffnung 33 aufgebaut und ragt mit seinen Ultraschall-Leiter-Abschnitten 34 und 35 nach unten in den Behalter 31 hinein. Sobaid die Flüssigkeit im Behälter das in der Zeicnung durch die strichpunktierte Linie 36 angedeutete Niveau erreicht hat, dringt sie in den Spalt 37, der die Meßstrecke bildet, ein, was einen entsprechenden Anstieg der Ultraschall-Leitfähigkeit und eine entsprechende Steigerung des an den Empfänger gelangenden Ultraschalls zur Folge hat, durch die irgend welche Maßnahmen auslösbar sind. Fig. 3 shows the application of the inventive transducer in Frame of a level switch or monitor for monitoring the fill level in one Container 31. The corresponding -Fig. 1 trained transducer is as a unit built on the serving as a carrier cover 32 for the container opening 33 and protrudes with its ultrasonic conductor sections 34 and 35 down into the container 31 into it. Sobaid the liquid in the container that in the drawing by the dash-dotted line Line 36 has reached the indicated level, it penetrates into the gap 37, which is the measuring section forms, a, which is a corresponding increase in the ultrasonic conductivity and a corresponding increase in the ultrasound reaching the receiver Has a consequence by which any measures can be triggered.
In Fig. 4 schließlich ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Meßwertgebers bei einem Stauplatten-Strömungsmesser veranschaulicht. Durch eine ffnung 41 in einer Rohrleitung 42 ist ein entsprechend Fig. 1 ausgebildeter Meßwert geber, der auf eine als Verschlußdeckel für die Öffnung dienende rerplatte 43 aufgebaut ist, in die Rohrleitung einführbar. In der die Rohrleitung im Längsschnitt darstellenden Zeichnung ist nur der eine Abschnitt 44 eines U-förmigoen Ultraschall-Leiters mit der die Meßstrecke begrenzenden Trennfläche 441 erkennbar. Finally, FIG. 4 shows the application of the transducer according to the invention illustrated in a baffle flow meter. Through an opening 41 in a Pipe 42 is a transducer designed according to FIG. 1, the on a rerplatte 43 serving as a cover for the opening is constructed, in the pipeline can be inserted. In the one showing the pipeline in longitudinal section Only one section 44 of a U-shaped ultrasonic conductor is shown in the drawing of the separating surface 441 delimiting the measuring section can be seen.
Auf der Trägerplatte 43 ist darüber hinaus ein Halte arm 45 für eine Stauplatte 46 befestigt, die sich unter dem Einfluß der durch die Rohrleitung 42 fließenden Strömung auf den Ultraschall-Leiter 44 zu verlagern kann. Hierbei dringt eine an dem Haltearm 45 befestigte Steuerfahne 47 in den durch die Trennfläche 441 begrenzten, als Meßstrecke dienenden Spalt zwischen dem Ultraschall-Leiter-Abschnitt 44 und seinem nicht erkennbaren Gegenstück ein, wodurch der die Meßstrecke durchsetzende Ultraschall geändert und eine entsprechende Anzeige oder dergleichen ausgelöst wird.A holding arm 45 is also on the support plate 43 for a baffle 46 is attached, which is under the influence of the pipeline 42 flowing flow can shift to the ultrasonic conductor 44. Here a control flag 47 fastened to the holding arm 45 penetrates into the through the separating surface 441 delimited the gap between the ultrasonic conductor section serving as a measuring section 44 and its unrecognizable counterpart, whereby the one penetrating the measuring section Ultrasound is changed and a corresponding display or the like is triggered.
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |