DE3721213C2 - Füllstandsmeßgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Füllstandsmeßgerät, das mit einem Ultraschallwandler ausgestattet ist, mit dem Schallimpulse abgegeben und Echosignale aufgenommen werden, wobei dann aus der Laufzeit der zu überwachende Füllstand ermittelt wird. Die Qualität solcher Messungen hängt von der Prägnanz der Echosignale und diese wiederum zu einem wesentlichen Teil von der Ausgangs­ leistung des Ultraschallwandler-Systems ab. Um bei vorgegebener Größe des Schallwandler-Systems eine maximale Schalleistung zu produzieren, ist es deshalb erforderlich, die Erregerfrequenz, die auch die Meß­ frequenz ist, der Eigenresonanz des Wandlers anzupassen. Diese Eigenresonanzfrequenz hängt allerdings auch von äußeren Einflüssen ab, wie z. B. der Temperatur oder irgendwelchem Material, das zufällig am Wandler anhaf­ tet. Ein Betrieb des Füllstandmeßgerätes, der lediglich ungefähr auf den Bereich einer ursprünglich für den Ultraschallwandler ermittelten Eigenresonanzfrequenz festgelegt ist, liefert demnach keine optimalen Ergeb­ nisse.

Nach der Offenlegungsschrift GB 20 34 470 A wird ein sogenannter "impact oscillator", also eine Vorrichtung, die einzelne Anre­ gungsimpulse erzeugt und die derart gesteuert ist, daß die An­ regungsimpulse stets phasenrichtig zur Aufrechterhaltung der Schwingungen eintreffen, beschrieben. Bei der dort beschriebenen Vorrichtung handelt es sich aber nicht um ein Füllstandsmeß­ gerät, das den Füllstand aufgrund der Laufzeit von Schallimpul­ sen bestimmt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, hier eine Verbesserung zu schaffen, die in ihrer Wirkung über eine einfache Nachführung der Wandlererregung anhand eines ursprünglich im Labor ermittelten Temperaturganges hinausgeht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist in einem Füllstandmeßgerät gemäß der Erfindung eine zusätzliche Schaltung vorgesehen, die die Eigenresonanzfrequenz des Ultra­ schallwandlers im Anschluß an das Ende jedes Schall­ impulses mißt und aufgrund der gemessenen Frequenz die Erregerfrequenz des Wandlers korrigiert. Die Erfindung ermöglicht, die verschiedensten Einflüsse zu berück­ sichtigen; neben einer an sich im voraus ermittelbaren thermischen Abhängigkeit auch ein etwaiges Langzeit­ driften der Apparatur, durch Fertigungstoleranzen verursachte Einflüsse und irgendwelche nichtthermischen Effekte. Die Ausschwingzeit, eine bei Füllstands­ meßgeräten an sich störende Erscheinung von Ultraschall­ wandlern, wird hier für die Messung der Eigenresonanz­ frequenz und eine auf dieser Messung basierende Nach­ justierung der Erregung genutzt. Bei jedem neuen Meßvorgang wird deshalb mit der jeweils günstigsten Frequenz gearbeitet.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale von Ausführungsbeispielen der Erfin­ dung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und anhand der Zeichnung.

Es zeigen

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Füllstandsmeßgerätes,

Fig. 2 ein Blockdiagramm der Meßschaltung für die Eigenresonanzfrequenz und

Fig. 3 ein die Meßschaltung nach Fig. 2 aufgliederndes Blockdiagramm.

In einem mit Ultraschallsignalen arbeitenden Füllstand­ meßgerät, Fig. 1, ist ein Ultraschallwandler 10 vorgesehen, der von einer Schallimpulselektronik 12 über eine Treiberstufe 14 erregt wird. Die Form der von der Schallimpulselektronik 12 an die Treiberstufe 14 (A) und von dieser an den Ultraschallwandler 10 abgegebene Schwingung (B) sowie die vom Wandler abgestrahlten Impulse (B) sind über den entsprechenden Verbindungen vereinfacht dargestellt, wobei auch der mit Ausschwing­ zeit bezeichnete Abschnitt (P) erkennbar ist. Der Ultraschallwandler 10 ist außerdem mit einer Empfänger­ elektronik 16, die die von dem Ultraschallwandler 10 aufgrund der ausgesendeten Schallimpulse (B) aufgenom­ menen Echosignale auswertet, und mit einer zusätzlichen Meßschaltung 18 verbunden, die während der Ausschwing­ phase P die Eigenresonanzfrequenz des Ultraschallwand­ lers 10 mißt und aufgrund der Messung die Sendeimpuls­ elektronik 12 steuert.

Im einzelnen enthält gemäß Fig. 2 die Meßschaltung 18 eine eigentliche Meßvorrichtung 20, die zwar je nach Ausführungsform entweder ein Frequenzzähler oder ein Periodendauermesser sein kann. Eine Torsteuerung 22 sorgt für die zeitlich abgestimmte Messung und Weiter­ gabe des Meßwertes an einen Mikroprozessor 24, dessen Ausgang das Steuersignal für die daran angeschlossene Sendeimpulselektronik 12 abgibt.

Die Fig. 3 zeigt eine weitere Aufgliederung der Meßvor­ richtung 20, wobei diese Darstellung verschiedene Ausführungsformen zusammenfaßt. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Meßvorrichtung 20 im wesentlichen aus einem Phasenvergleicher 26, einem Tiefpaßfilter 28 und einem spannungsgesteuerten Oszil­ lator (VCO) 30, die zusammen eine PLL-Schaltung bilden, in der die für die Steuerung der Sendeimpulselektronik 12 zu benutzende VCO-Frequenz durch Phasen- bzw. Frequenzvergleich während der Ausschwingzeit des Ultraschallwandlers festgestellt wird. Der Oszillator (VCO) 30 ist hier der Generator für die Frequenz der Sendeimpulspakete.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich durch Anordnung eines Teilers 32 zwischen dem Ausgang des Oszillator (VCO) 30 und dem Phasenvergleicher 26, wobei der Teiler 32 dafür sorgt, daß die VCO-Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Ausschwingfrequenz ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform arbeitet mit einer Sample/Hold-Einrichtung für die Steuerspannung des Oszillators (VCO) 30. Eine Hold-Einrichtung 31 ist schematisch in der Verbindung zwischen Tiefpaßfilter 28 und dem Oszillator (VCO) 30 dargestellt; sie wird von einer Sample-Einrichtung 34 gesteuert. Die Schaltung arbeitet so, daß während des Ausschwingens P die VCO- Spannung in geschlossener PLL-Schleife ermittelt wird (Sample). In der übrigen Zeit wird die Steuerspannung analog gespeichert (Hold).

Claims (7)

1. Füllstandsmeßgerät mit einem Ultraschallwandler, der an einem Schallimpulsgenerator angeschlossen ist, Schallimpulse abgibt und Echosignale aufnimmt, wobei aus der Laufzeit der zu überwachende Füllstand ermittelt wird und wobei der Schallim­ pulsgenerator im Bereich der Eigenresonanzfrequenz des Ultra­ schallwandlers arbeitet und mit einer zusätzlichen Schaltung (18), die die Eigenresonanzfrequenz des Ultraschallwandlers (10) während der Ausschwingphase (P) im Anschluß an das Ende eines Schallimpulses (B) mißt und aufgrund der gemessenen Frequenz die Erregerfrequenz des Ultraschallwandlers (10) für den nächsten Schallimpuls korrigiert.

2. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang der zusätzlichen Schal­ tung (18) ein die Frequenz des Ultraschallwandlers (10) ermit­ telnder Frequenzzähler ist.

3. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang der zusätzlichen Schal­ tung (18) ein die Frequenz des Ultraschallwandlers ermittelnder Periodenmesser ist.

4. Füllstandsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Schaltung (18) über einen die Korrektur ermittelnden Mikroprozessor (24) an den Schallimpulsgenerator (12) angeschlossen ist.

5. Füllstandsmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen VCO-Oszillator (30), der als Genera­ tor für die Frequenz der Schallimpulspakete in einer PLL-Schal­ tung liegt, in der die VCO-Frequenz durch Phasen- bzw. Frequenz­ vergleich während der Ausschwingzeit (P) des Ultraschallwandlers (10) eingestellt wird.

6. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die VCO-Frequenz als ein ganzzahli­ ges Vielfaches der Ausschwingfrequenz des Ultraschallwandlers (10) eingestellt wird.

7. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Sample/Hold-Einrichtung (31, 34) für die VCO-Steuerspannung.