DE4240690A1

DE4240690A1 - Ultraschallwandler

Info

Publication number: DE4240690A1
Application number: DE4240690A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Wagner; Sergej Dr Lopatin
Original assignee: TRIPPE ERICH 4600 DORTMUND DE; TRIPPE SUSANNE 4600 DORTMUND DE; TRIPPE SUSANNE
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1992-03-24
Filing date: 1992-12-03
Publication date: 1993-09-30
Anticipated expiration: 2012-12-04
Also published as: DE4240690C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler zur Einstrahlung von Ultraschallschwingungen eines elektroakustischen Schwingers durch eine Behälterwand hoher Impedanz in einen flüssigkeitsgefüllten Behäl ter.

Die Füllstandmessung in Flüssigkeitsbehältern soll berührungslos erfolgen. Vor allem sollen keine Teile in das Behälterinnere hineinra gen. Dies gilt besonders im Lebensmittelbereich, damit die Reinigung des Innenraums der Behälter nicht erschwert wird. Die Wandung derarti ger Behälter besteht normalerweise aus Metall, insbesondere V2A-Stahl oder aus Glas. Beide Stoffe haben eine hohe Impedanz für Ultraschall.

Ultraschallmessungen durch eine Behälterwand hoher Impedanz sind mit Viertellängenwandlern und schmalbandigen Schwingern kaum möglich, denn die Grenzflächen wirken infolge der hohen Impedanz der Behälter wandung und der niedrigen Impedanz der Flüssigkeit als Spiegel.

Aufgabe der Erfindung ist eine solche Auslegung eines Ultraschallwandlers, daß Messungen durch die Behälterwandung hoher Impedanz möglich sind.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Schwinger eine niedrige Impedanz hat und breitbandig ausgebildet ist und daß die Frequenz des Schwingers an die Dicke der Behälterwand an gepaßt ist.

Die Behälterwand ist die Bodenwand des Behälters, so daß die Übertragungsstrecke von der Bodenwand in die Flüssigkeit trifft.

Die Erfindung unterscheidet sich insofern vom Stand der Technik, als die Breitbandigkeit des Schwingers eine Abstimmung in einem weiten Frequenzbereich zuläßt. Die Behälterwandung hoher Impedanz kann einer seits als starre Platte, die im Ganzen schwingt, oder als Halbwellen längenwandler aufgefaßt werden.

Im einzelnen gelten folgende Bedingung für die Wandlung von dem Schwinger niedriger Impedanz durch die Behälterwandung hoher Impedanz in die Flüssigkeit niedriger Impedanz:
Impedanz der Flüssigkeit 0,7×10⁶ bis 4×10⁶ Pa s/m,
Impedanz der Behälterwand aus Metall oder Glas 14,1×10⁶ bis 50×10⁶ Pa s/m,
Dicke der Behälterwand 0,2 bis 30 mm,
Impedanz des Schwingers 3×10⁶ bis 14×10⁶ Pa s/m,
Dicke des Schwingers 0,5 bis 5 mm,
Frequenzbereich 80 kHz bis 15 Mhz.

Für jede Konfiguration von Dicke und Impedanz gibt es mindestens eine optimale Frequenz.

Eine Zwischenplatte als Abdeckplatte des Schwingers kann dadurch in den Wandlervorgang einbezogen werden, daß auf die Wand eine Zwi schenplatte hoher Impedanz aufgesetzt ist, deren Dicke zusammen mit der Dicke der Behälterwand die Gesamtdicke der Wand ausmacht.

Eine besonders günstige Einstrahlung ergibt sich dadurch, daß die Gesamtdicke der halben Wellenlänge der Ultraschallschwingungen bei der Abstimmfrequenz oder einem Vielfachen der halben Wellenlänge gleich ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Be zugnahme auf die Zeichnungen erläutert, in denen darstellen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Behälters mit einem Ultraschallwandler,

Fig. 2 die Abhängigkeit der Kopplung von der Frequenz,

Fig. 3 die Erregung der Behälterwand für eine erste Frequenz und

Fig. 4 entsprechend für eine zweite Frequenz.

Fig. 1 zeigt einen Behälter 1 mit einer Bodenwand 2 aus einem V2A-Stahlblech einer Dicke von etwa 1,5 mm. Die Behälterwand kann auch aus Glas bestehen. Ein Ultraschallwandler 3 umfaßt einen elektroaku stischen Schwinger 4 und eine Stahlplatte 5 als Zwischenplatte zum Schutz des Schwingers. Die Kopplung zwischen der Stahlplatte 5 und dem Schwinger 4 erfolgt in üblicher Weise. Die Ultraschallenergie wird in die Übertragungsstrecke 6 eingestrahlt und breitet sich innerhalb der Flüssigkeit aus, die bis zu einem Niveau 7 reicht. Dieses Niveau kann gemessen werden.

Fig. 2 zeigt das Echosignal, das proportional dem Übertragungs koeffizient ist, von der Frequenz. Die Impedanz des Schwingers beträgt 7,5×10⁶ Pa s/m, die Dicke des Stahlwand 4 mm. Man erkennt eine erste Spitze bei 347 kHz entsprechend der Eigenfrequenz des Schwingers und eine zweite Spitze bei 702 kHz entsprechend einem Halbwellenlängen wandler.

Fig. 3 zeigt den Betrag der Verschiebung der inneren Schichten der Behälterwand bei der Frequenz von 347 kHz. Man erkennt, daß die Behälterwand im wesentlichen als starre Platte schwingt.

Fig. 4 zeigt den Betrag der Verschiebung der inneren Schichten der Behälterwand bei der Frequenz von 702 kHz. Die Behälterwand hat eine Dicke entsprechend der halben Wellenlänge und arbeitet als Dickenschwinger.

Claims

1. Ultraschallwandler zur Einstrahlung von Ultraschallschwingun gen eines elektroakustischen Schwingers durch eine Behälterwand hoher Impedanz in einen flüssigkeitsgefüllten Behälter, dadurch gekennzeich net, daß der Schwinger eine niedrige Impedanz hat und breitbandig aus gebildet ist und daß die Frequenz des Schwingers (4) an die Dicke der Behälterwand angepaßt ist.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Wand eine Zwischenplatte hoher Impedanz aufgesetzt ist, deren Dicke zusammen mit der Dicke der Behälterwand die Gesamtdicke der Wand ausmacht.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Gesamtdicke der halben Wellenlänge der Ultraschall schwingungen bei der Abstimmfrequenz oder einem Vielfachen der halben Wellenlänge gleich ist.