DE4328792C1 - Detector device for detecting liquid levels - Google Patents
Detector device for detecting liquid levelsInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Detektoreinrichtung zur Detektierung von Flüssigkeitsfüllständen nach Patentanspruch 1.The present invention relates to a detector device for the detection of liquid levels Claim 1.
Die Detektierung von Flüssigkeitsfüllständen kann durch Mes sung von Ultraschallaufzeiten erfolgen. Dabei ist auch die Bestimmung von Grenzwerten mit Ultraschall-Meßsystemen, bei spielsweise mittels Ultraschall-Gabelschranken für die Kfz- Ölstandsmessung möglich. Eine derartige Messung mittels einer Ultraschall-Gabelschranke ist beispielsweise aus der DE-OS 31 49 909 bekannt.The detection of liquid levels can be measured by mes solution of ultrasound propagation times. There is also the Determination of limit values with ultrasound measuring systems, at for example using ultrasonic fork barriers for motor vehicle Oil level measurement possible. Such a measurement using a Ultrasonic fork barrier is for example from DE-OS 31 49 909 known.
Eine derartige Gabelschranke ist im Prinzip so aufgebaut, daß auf jeweils einem Schenkel einer generell U-förmigen Gabel ein Ultraschallsender bzw. ein Ultraschallempfänger angeord net ist. Der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger sind dabei gleich aufgebaut.In principle, such a fork barrier is constructed in such a way that on one leg of a generally U-shaped fork an ultrasound transmitter or an ultrasound receiver is arranged is not. The ultrasound transmitter and the ultrasound receiver are constructed in the same way.
Je nachdem, ob die den Ultraschallsender und den Ultra schallwandler tragende Gabel in die Flüssigkeit eingetaucht ist, deren Füllstand bestimmt werden soll, ergeben sich auf grund der unterschiedlichen akustischen Eigenschaften des Ul traschallsender und Ultraschallempfänger umgebenden Mediums - Flüssigkeit bzw. Gas - unterschiedliche Laufzeiten für die zwischen Sender und Empfänger laufende Welle, welche zur Be urteilung des Füllstandes elektrisch auswertbar sind.Depending on whether the ultrasound transmitter and the Ultra transducer carrying fork immersed in the liquid whose fill level is to be determined result in due to the different acoustic properties of the ul medium and ultrasound receiver surrounding medium - Liquid or gas - different terms for the between the transmitter and receiver running wave, which for loading The level can be evaluated electrically.
Aus der DE-OS 29 11 216 ist weiterhin ein Flüssigkeits standsanzeiger mit einem Ultraschallgeber- und Empfänger bekannt, bei dem Ultraschallgeber und Ultraschallempfänger zur Bildung einer Meßstrecke in einem Abstand voneinander sich gegenüberliegend angeordnet sind und in einem Frequenzbereich arbeiten, in dem eine meßbare Differenz der Ultraschall-Leitfähigkeit bzw. -Dämpfung zwischen den in die Meßstrecke gelangenden unterschiedlichen Medien auftritt. Ein derartiger Flüssigkeitsstandsanzeiger entspricht im Prinzip der oben angegebenen Gabelschranke nach der DE-OS 31 49 909.From DE-OS 29 11 216 is still a liquid level indicator with an ultrasonic transmitter and receiver known in the ultrasonic transmitter and ultrasonic receiver to form a measuring section at a distance from one another are arranged opposite each other and in one Frequency range work in which a measurable difference of Ultrasonic conductivity or attenuation between those in the Different media occurring measuring path occurs. A such a liquid level indicator corresponds in principle the fork barrier specified above according to DE-OS 31 49 909.
Bestimmte Flüssigkeiten, wie z. B. Motoröl bei tiefen Tempe raturen von etwa -40°C besitzen eine hohe Ultraschallabsorp tion. Die akustische Sendeleistung und Abklingzeitkonstante bekannter Systeme reichen daher für eine zuverlässige Detek tierung bei gleichzeitig einfachem Aufbau des Systems nicht aus.Certain liquids, such as B. Engine oil at low temperatures Temperatures of around -40 ° C have a high ultrasonic absorption tion. The acoustic transmission power and decay time constant Known systems are therefore sufficient for reliable detection not with a simple structure of the system out.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Detektoreinrichtung der in Rede stehenden Art mit erhöh ter Ultraschalleistung und kleiner akustischer Abklingzeit konstante anzugeben.The present invention is therefore based on the object a detector device of the type in question with ultrasonic power and short acoustic decay time to specify constant.
Diese Aufgabe wird bei einer Detektoreinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.This task is the beginning of a detector device mentioned type according to the invention by the features of claim 1 solved.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteran sprüchen.Developments of the invention are the subject of Unteran sayings.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei spielen gemäß den Figuren der Zeichnung näher erläutert.The invention is described below with reference to exemplary embodiments play according to the figures of the drawing explained.
Es zeigt:It shows:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer in einem Flüssig keitsbehälter angeordneten erfindungsgemäßen Detektor einrichtung; und Fig. 1 is a schematic representation of a detector device according to the invention arranged in a liquid container; and
Fig. 2 eine Darstellung eines Schichtaufbaus eines erfin dungsgemäß ausgebildeten Sende/Empfangs-Ultraschall wandlers. Fig. 2 is an illustration of a layer structure of an inventively designed transmit / receive ultrasonic transducer.
Gemäß Fig. 1 ist in einem eine Flüssigkeit 13 enthaltenden Behälter 12 - hier unterhalb des Flüssigkeitspegels 14 - eine Detektoreinrichtung zur Detektierung des Füllstandes der Flüssigkeit 13 angeordnet. Diese Detektoreinrichtung ist generell in an sich bekannter Weise nach Art der oben erläuterten Gabelschranke aufgebaut.According to FIG. 1, a detector device for detecting the fill level of the liquid 13 is arranged in a container 12 containing a liquid 13 - here below the liquid level 14 . This detector device is generally constructed in a manner known per se in the manner of the fork barrier explained above.
Im Gegensatz zu der bekannten Gabelschranke ist jedoch auf einem Schenkel einer Gabel 15 ein Sende/Empfangs-Ultraschall wandler 10 angeordnet, der sowohl Ultraschallenergie in die Flüssigkeit 13 abstrahlt, als auch von einem auf dem anderen Schenkel der Gabel 15 angeordneten Schallreflektor 11 Ultra schallenergie empfängt. Weiterhin ist in noch näher zu erläu ternder Weise im Bereich des Sende/Empfangs-Ultraschallwand lers 10 eine Auswerteelektronik 16 für elektrische Informa tion vom Sende/Empfangs-Ultraschallwandler 10 vorgesehen.In contrast to the known fork barrier, however, a transmit / receive ultrasound transducer 10 is arranged on one leg of a fork 15 , which radiates both ultrasound energy into the liquid 13 and also receives 11 ultrasound energy from a sound reflector 11 arranged on the other leg of the fork 15 . Furthermore, evaluation electronics 16 for electrical information from the transmission / reception ultrasound transducer 10 is provided in the area of the transmission / reception ultrasound transducer 10 in a manner to be explained in greater detail.
Gemäß Fig. 2 ist der Sende/Empfangs-Ultraschallwandler 10 er findungsgemäß derart mehrschichtig aufgebaut, daß auf einem Trägersubstrat 1 eine erste Impedanzanpassungsschicht 2, auf dieser eine piezoelektrische Ultraschallwandlerschicht 3 so wie darauf eine zweite Impedanzanpassungsschicht 4 vorgesehen ist.According to Fig. 2 of the transmission / reception ultrasound transducer is he inventively constructed such multilayer 10 that on a support substrate 1, a first impedance matching layer 2, on that a piezoelectric ultrasonic transducer layer 3 as it, a second impedance matching layer 4 is provided.
Die akustischen Impedanzen der Materialien der vorgenannten Schichten sind so gewählt, daß die akustische Impedanz des Materials der ersten Impedanzanpassungsschicht 2 klein gegen die akustische Impedanz des Materials des Trägersubstrats 1 und der piezoelektrischen Ultraschallwandlerschicht 3 und die akustische Impedanz des Materials der zweiten Impedanzanpas sungsschicht 4 näherungsweise gleich der Quadratwurzel aus dem Produkt der akustischen Impedanzen des Materials der pie zoelektrischen Ultraschallwandlerschicht 3 und der Flüssig keit 13 ist. Die akustische Impedanz ist dabei jeweils durch das Produkt aus Schallreflexionsgrad und Schallgeschwindig keit des Schichtmaterials gegeben.The acoustic impedances of the materials of the aforementioned layers are chosen so that the acoustic impedance of the material of the first impedance matching layer 2 is small compared to the acoustic impedance of the material of the carrier substrate 1 and the piezoelectric ultrasonic transducer layer 3 and the acoustic impedance of the material of the second impedance matching layer 4 approximately the same the square root of the product of the acoustic impedances of the material of the piezoelectric ultrasound transducer layer 3 and the liquid speed 13 . The acoustic impedance is given by the product of the sound reflectance and sound speed of the layer material.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Dicken d₁ bis d₄ der Schichten 1 bis 4 so gewählt sind, daßIt is further provided according to the invention that the thicknesses d₁ to d₄ of layers 1 to 4 are selected so that
d₁ < L₁/2
d₂ = L₂/4
d₃ = L₃/2
d₄ = L₄/4d 1 <L 1/2
d₂ = L₂ / 4
d₃ = L₃ / 2
d₄ = L₄ / 4
gilt, wobei d₁ die Dicke der Substratschicht 1, d₂ die Dicke der ersten Impedanzanpassungsschicht 2, d₃ die Dicke der pie zoelektrischen Ultraschallwandlerschicht 3 und d₄ die Dicke der zweiten Impedanzanpassungsschicht 4 und L₁ bis L₄ die je weilige Schallwellenlänge in den Schichten 1 bis 4 bedeuten.applies, d₁ the thickness of the substrate layer 1 , d₂ the thickness of the first impedance matching layer 2 , d₃ the thickness of the pie zoelectric ultrasonic transducer layer 3 and d₄ the thickness of the second impedance matching layer 4 and L₁ to L₄ which mean the respective sound wavelength in layers 1 to 4 .
Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Sende-/Empfangs-Ultra schallwandlers 10 wird erreicht, daß eine Abstrahlung nur in einer Achsrichtung, nämlich vom Sende/Empfangs-Ultraschall wandler 10 zum Schallreflektor 11 gemäß Fig. 1, eine gerin gere Schallreflexion an der Grenzfläche zwischen Sende/Empfangs-Ultraschallwandler und Flüssigkeit 13, d. h. eine bessere akustische Kopplung, eine kürzere akustische Ab klingzeit des Sende/Empfangs-Ultraschallwandlers 10 sowie ei ne wesentlich erhöhte akustische Schalleistung erreicht wer den.The inventive structure of the transmit / receive ultra sound transducer 10 ensures that radiation only in one axial direction, namely from the transmit / receive ultrasound transducer 10 to the sound reflector 11 according to FIG. 1, a low sound reflection at the interface between the transmit / Receive ultrasonic transducer and liquid 13 , ie better acoustic coupling, a shorter acoustic decay time from the transmit / receive ultrasonic transducer 10 and a significantly increased acoustic switching power who achieved the.
Die kürzere Abklingzeit ist insbesondere von Bedeutung, weil die piezoelektrische Ultraschallwandlerschicht 3 impulsmäßig angesteuert wird und damit bei kürzerer Abklingzeit nach Aus senden eines Impulses innerhalb kurzer Zeit bereits der Emp fang von vom Schallreflektor 11 reflektierter Schallenergie durch eben den piezoelektrischen Ultraschallwandler 3 stö rungsfrei möglich ist.The shorter decay time is particularly important because the piezoelectric ultrasound transducer layer 3 is triggered in terms of pulse and thus with a shorter decay time after sending out a pulse within a short time the reception of sound energy reflected by the sound reflector 11 is possible without interference by the piezoelectric ultrasound transducer 3 .
Die erfindungsgemäße Detektoreinrichtung gestaltet sich wei terhin dadurch auch einfacher, daß als Schallreflektor 11 in einfacher Weise ein schallreflektierendes Blech verwendbar ist.The detector device according to the invention is also simpler in that a sound reflecting sheet can be used in a simple manner as a sound reflector 11 .
Als Materialien für das Trägersubstrat 1 kommen Keramiken oder Metalle mit hoher akustischer Impedanz in Betracht. Für die erste Impedanzanpassungsschicht 2 kommen Kunststoffe oder Flüssigkeiten mit niedriger akustischer Impedanz in Betracht, während für die zweite Impedanzanpassungsschicht 4 Kunst stoffe oder Leichtmetalle, wie z. B. Aluminium in Betracht kommen.Ceramics or metals with high acoustic impedance can be considered as materials for the carrier substrate 1 . For the first impedance matching layer 2 plastics or liquids with a low acoustic impedance are considered, while for the second impedance matching layer 4 plastics or light metals, such as. B. aluminum.
Das Material für die zweite Impedanzanpassungsschicht 4 kann dabei gleichzeitig eine der (nicht dargestellten) Elektroden der piezoelektrischen Ultraschallwandlerschicht 3 sein. Es kann sich dabei beispielsweise um eine metallisierte Capton folie handeln. Es sein in diesem Zusammenhang darauf hinge wiesen, daß aus Übersichtlichkeitsgründen in Fig. 2 Elektro den für die piezoelektrische Ultraschallwandlerschicht 3 nicht eigens dargestellt sind, da sich deren Aufbringung für den Fachmann von selbst versteht. Entsprechendes gilt für das Material der ersten Impedanzanpassungsschicht 2 für den Fall von Flüssigkeiten, für den in Fig. 2 aus Übersichtlichkeits gründen ebenfalls ein geeignetes Behältnis nicht dargestellt ist, dessen Ausbildung sich aber für den Fachmann ebenfalls von selbst versteht.The material for the second impedance matching layer 4 can simultaneously be one of the electrodes (not shown) of the piezoelectric ultrasound transducer layer 3 . It can be, for example, a metallized Capton foil. It should be pointed out in this connection that for reasons of clarity in Fig. 2 electro are not shown specifically for the piezoelectric ultrasonic transducer layer 3 , since their application is self-evident for the person skilled in the art. The same applies to the material of the first impedance matching layer 2 in the case of liquids, for which a suitable container is also not shown in FIG. 2 for reasons of clarity, but the design of which is also self-evident for the person skilled in the art.
Die Schichten 1 bis 4 können in Weiterbildung der Erfindung eine von der Kreisform verschiedene Form oder Kreisform be sitzen, wobei im letzteren Falle der Kreisdurchmesser wenig stens um den Faktor 15 größer als die Dicke der piezoelektri schen Ultraschallwandlerschicht 3 ist. Durch derartige Formen kann eine Kopplung von radialen Schwingungsmoden mit der Grundmode der Dickenschwingung vermieden werden. Bei der vor stehend genannten Dimensionierung der piezoelektrischen Ul traschallwandlerschicht 3 erhöht sich die Auslenkung und da mit der Schalldruck des Wandlers, wodurch wiederum die Reso nanzfrequenz ansteigt und die Abklingzeit weiter gesenkt wird.The layers 1 to 4 can be in a development of the invention have a shape different from the circular shape or circular shape, in the latter case the circular diameter is at least 15 times greater than the thickness of the piezoelectric ultrasound transducer layer 3 . Coupling of radial vibration modes with the basic mode of the thickness vibration can be avoided by such shapes. In the above-mentioned dimensioning of the piezoelectric ultrasonic transducer layer 3 , the deflection increases and since with the sound pressure of the transducer, which in turn increases the resonance frequency and further reduces the decay time.
Der erfindungsgemäß ausgebildete Sende/Empfangs-Ultraschall wandler 10 ermöglicht es darüber hinaus in vorteilhafter Weise, eine Auswerteelektronik in Form einer Hybridelektronik direkt auf dem Trägersubstrat 1 anzuordnen. Dies ist in Fig. 1 durch die Auswerteelektronik 16 schematisch dargestellt.The transmit / receive ultrasound transducer 10 designed according to the invention also makes it possible in an advantageous manner to arrange evaluation electronics in the form of hybrid electronics directly on the carrier substrate 1 . This is shown schematically in FIG. 1 by the evaluation electronics 16 .
Claims (12)
einem Trägersubstrat (1),
einer ersten auf dem Trägersubstrat (10) vorgesehenen Impedanzanpassungsschicht (2),
einer auf der ersten Impedanzanpassungsschicht (2) vorgesehenen piezoelektrischen Ultraschallwandlerschicht (3) sowie
einer auf der piezoelektrischen Ultraschallwandlerschicht (3) vorgesehenen zweiten Impedanzanpassungsschicht (4)
ausgebildet ist,
daß die akustische Impedanz des Materials der ersten Impedanz anpassungsschicht (2) klein gegen die akustische Impedanz des Materials des Trägersubstrats (1) und der piezoelektrischen Ultraschallwandlerschicht (3) und die akustische Impedanz des Materials der zweiten Impedanzanpassungsschicht (4) näherungsweise gleich der Quadratwurzel aus dem Produkt der akustischen Impedanzen des Materials der piezoelektrischen Ultraschallwandlerschicht (3) und der Flüssigkeit (13) ist und die Dicken (d₁ bis d₄) der Schichten (1 bis 4) so gewählt sind, daß d₁ < L₁/2
d₂ = L₂/4
d₃ = L₃/2
d₄ = L₄/4gilt, wobei
d₁ die Dicke der Substratschicht (1), d₂ die Dicke der ersten Impedanzanpassungsschicht (2), d₃ die Dicke der piezoelektrischen Ultraschallwandlerschicht (3) und d₄ die Dicke der zweiten Impedanzanpassungsschicht (4) und L₁ bis L₄ die Schallwellenlängen in den Schichten (1 bis 4) bedeuten.1. Detector device for detecting liquid filling levels with a transmit / receive ultrasonic transducer ( 10 ), the ultrasonic power in a liquid ( 13 ) containing space ( 12 ), in which the transmitted ultrasonic power on the transmit / receive ultrasonic transducer ( 10 ) back-reflecting sound reflector ( 11 ), and the back-reflected ultra sound power receives again, with the features that the transmit / receive ultrasonic transducer ( 10 ) with
a carrier substrate ( 1 ),
a first impedance matching layer ( 2 ) provided on the carrier substrate ( 10 ),
a piezoelectric ultrasonic transducer layer ( 3 ) provided on the first impedance matching layer ( 2 ) and
a second impedance matching layer ( 4 ) provided on the piezoelectric ultrasound transducer layer ( 3 )
is trained,
that the acoustic impedance of the material of the first impedance matching layer ( 2 ) is small compared to the acoustic impedance of the material of the carrier substrate ( 1 ) and the piezoelectric ultrasound transducer layer ( 3 ) and the acoustic impedance of the material of the second impedance matching layer ( 4 ) is approximately equal to the square root of the Product of the acoustic impedances of the material of the piezoelectric ultrasonic transducer layer ( 3 ) and the liquid ( 13 ) and the thicknesses (d₁ to d₄) of the layers ( 1 to 4 ) are selected so that d₁ <L₁ / 2
d₂ = L₂ / 4
d₃ = L₃ / 2
d₄ = L₄ / 4 applies, where
d₁ the thickness of the substrate layer ( 1 ), d₂ the thickness of the first impedance matching layer ( 2 ), d₃ the thickness of the piezoelectric ultrasonic transducer layer ( 3 ) and d₄ the thickness of the second impedance matching layer ( 4 ) and L₁ to L₄ the sound wavelengths in the layers ( 1 to 4 ) mean.
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