DE69217994T2

DE69217994T2 - Flüssigkeitsstandsmesser

Info

Publication number: DE69217994T2
Application number: DE69217994T
Authority: DE
Inventors: Richard Brown
Original assignee: Whitaker LLC
Current assignee: Whitaker LLC
Priority date: 1991-07-25
Filing date: 1992-07-27
Publication date: 1997-09-04
Anticipated expiration: 2012-07-28
Also published as: WO1993002340A1; EP0745833A3; DE69217994D1; EP0621944A1; EP0621944B1; AU2369192A; EP0745833A2; US5697248A; JPH07502339A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen des Flüssigkeitsstandes in einem Behälter.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, solch eine Vorrichtung in Form einer Halbleiteranordnung ohne bewegliche Teile bereitzustellen, die ohne weiteres auf Behälter ungleichmäßiger Form angepaßt werden kann.
Es gibt Anwendungen, bei denen es wünschenswert ist, den Flüssigkeitsstand nicht als eine kontinuierliche, sondern als eine diskrete Funktion zu bestimmen. Ein Beispiel eines solchen Falls liegt vor, wenn als letztliche Anzeige des Standes eine digitale Ausgabe gewünscht wird. Bestimmte Formen der vorliegenden Erfindung stellen eine Vorrichtung bereit, die diese Funktion erfüllt, indem eine Mehrzahl unabhängiger Ultraschallwandler auf eine solche Weise angeordnet werden, daß die Anwesenheit oder Abwesenheit von Flüssigkeit an einem gegebenen Strahlerelement und einem gegebenene Empfängerelement ohne weiteres erkannt werden kann.
In SU 1592-731-A wird ein Füllstandsensor mit einem Ultraschalltreiber mit einer Mehrzahl, quer und entlang der Flüssigkeitstiefe auf parallel geformten Stäben angebrachten Sensoren beschrieben. Die Treiber und Sensoren werden sequentiell erregt und es wird über einen Steuerschaltkreis auf sie zugegriffen. Es gibt dort voneinander beabstandete Strahler und Empfänger, die einander gegenüberliegen, um die Anwesenheit von Flüssigkeit zu erkennen.
US 4 063 457 offenbart einen Füllstandsensor, der ein langgestrecktes, röhrenförmiges Gehäuse mit einem Einlaßmittel an einem unteren Ende zum Einlassen von Flüssigkeit in das Innere des Gehäuses umfaßt, sowie eine Mehrzahl von Ultraschallstrahlern in einer Mehrzahl von Höhen, die einer Mehrzahl von Ultraschallempfängern in einer Mehrzahl von Höhen auf einer anderen Seite der Röhre gegenüberliegen. Abhangig von dem Füllstand der Flüssigkeit werden die von dem Strahler zu den Empfängern übertragenenen Signale gedämpft, wodurch das Erkennen des Füllstandes ermöglicht wird. Die Strahler werden nicht sequentiell adressiert.
DE-U-90 10 566 offenbart eine keramische piezoelektrische Ultraschallvorrichtung mit einem Flächenstrahler und davon zum Beispiel in einer Flüssigkeit beabstandeten Flächenempfänger, zum Erkennen bestimmter Füllstände der Flüssigkeit. Diese Vorrichtung kann nur zwischen einigen wenigen verschiedenen Flüssigkeitsstanden unterscheiden, da nur ein oder zwei sich entlang der ganzen Tiefe des Strahlers erstreckende Strahlersegmente vorliegen.
Der Artikel (Advances in Instrumentation, Band 43, Nr. 3, 1988, Research Triangle Park, USA, Seiten 1125-1133, XP000111567; H. OWADA et al. "A two-wire ultrasonic level meter with piezoelectric polymer-film sensor" (Zweidraht-Ultraschall-Füllstandsmesser mit piezoelektrischem Polymerfilmsensor)) offenbart einen Ultraschall-Füllstandsdetektor, der einen in einer bestimmten Höhe über der Flüssigkeit positionierbaren Polymerfilm-Strahler/Empfänger aufweist, um den Abstand zwischen dem Sensor und der Flüssigkeit zu messen und dadurch auf das Flüssigkeitsvolumen in dem Behälter zu schließen.
DE 39 12 783 offenbart einen Füllstanddetektor für Kraftfahrzeuge, wobei sich ein piezoelektrischer Strahler und Empfänger entlang der Flüssigkeitstiefe erstrecken und in einem bestimmten Abstand voneinander positioniert sind. Bei dem Strahler und Empfänger kann es sich zum Beispiel um einzelne, durchgehende piezoelektrische Kabel handeln. Die Höhe des Flüssigkeitsstandes wird durch Interpretieren des für den Empfänger charakteristischen Analogsignais erkannt, das von der Flüssigkeitstiefe abhängt.
Die Erfindung und bevorzugte Merkmale dieser werden in den angefügten Ansprüchen definiert.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun lediglich beispielhaft beschrieben, wobei auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Es ist:
FIG. 1 eine schematische Querschnittansicht eines Füllstandsensors, der nicht in den Schutzbereich der Ansprüche der Erfindung fällt;
FIG. 2a eine Querschnitt-Seitenansicht eines zweiten Sensors;
FIG. 2b eine Querschnitt-Draufsicht des Sensors von FIG. 2a;
FIG. 3 ein Graph, der die Funktion eines Aspektes des Sensors von FIG. 2 darstellt;
FIG. 4a eine Abbildung eines Leiterplattenlayouts, das in einer Ausführungsform der Erfindung verwendet wird.
FIG. 4b eine vergrößerte Ansicht eines Teils der FIG. 4a;
FIG. 5 eine Darstellung eines Empfängers mit zwei Segmenten, der nicht in den Schutzbereich der Ansprüche der Erfindung fällt, wobei der Empfänger gleiche, aber entgegengesetzte Empfängersegmente aufweist;
FIG. 6 eine Abbildung der Quotientenmeßausgabe des Empfängers von FIG. 5;
FIG. 7 eine Darstellung eines Empfängers mit zwei Segmenten, der dem von FIG. 5 ähnlich ist, jedoch durch eine ungleichmäßige Kurve definierte Segmente aufweist;
FIG. 8 eine Abbildung der Signalstärken aus den Segmenten des Empfängers von FIG. 7;
FIG. 9 eine Abbildung der Quotientenmeßausgabe des Empfängers von FIG. 7, und
FIG. 10 eine Darstellung einer Form von für die Verwendung mit dem Empfänger von FIG. 7 geeigneter Elektronik.
Bezugnehmend auf FIG. 1 umfaßt ein Sensor, ohne in den Schutzbereich der Ansprüche der Erfindung zu fallen, ein Paar Ultraschallwandler 10, 12, die in einem festen Abstand 5 auf jeder Seite eines Behälters mit Flüssigkeit 14 angebracht sind oder direkt in Flüssigkeit eingetaucht sind. Ein Wandler 10 bildet einen Strahler und umfaßt eine Mehrzahl von leitenden Segmenten 16, von denen jedes einzeln durch zugehörige Treiberelektronik (nicht gezeigt) adressiert werden kann. Der andere Wandler 12 bildet einen Empfänger und umfaßt ein einzelnes leitendes Element 18 mit ausreichendem geometrischem Ausmaß, um durch Aktivieren eines beliebigen der Strahlersegmente 16 erzeugte akustische Ultraschallsignale zu empfangen.
Die Vorrichtung wird auf die folgende Weise verwendet. Ein elektrischer Anreiz wird der Reihe nach an jedes Strahlersegment 16 angelegt. Die Zeitverzögerung zwischen dem Anlegen des Anreizes und dem Empfang des resultierenden akustischen Signals kann oder gemessen werden, und wird durch die Schallgeschwindigkeit in dem Medium und durch die physikalischen Beabstandungen des Strahlers 10 und des Empfängers 12 bestimmt. Wenn der Empfänger 12 innerhalb des angemessenen Zeitfensters kein Signal erkannt hat, läßt sich daraus schließen, daß die Flüssigkeit nicht die Höhe des gegebenen Strahlersegments erreicht hat.
In der obigen Beschreibung wäre die Beteiligung einer Mehrzahl unabhängiger Segmente 16 für den Strahler schwierig und kostspielig zu realisieren, wenn physikalisch getrennte piezoelektrische Elemente verwendet würden.
Für die erfolgreichste Umsetzung in die Praxis wird eine durchgehende piezoelektrische Matrix 20 mit einer gemeinsamen elektrischen Masseverbindung 22, zusammen mit einer Mehrzahl strukturierter Signalelektroden 16 eingesetzt (die Masseelektroden für jedes Segment 16 müssen nicht getrennt sein).
Dies kann erreicht werden, wenn die mechanische Kopplung akustischer Energie zwischen eng beabstandeten Elektroden schlecht ist, d.h. wenn die innere Dämpfung des piezoelektrischen Materials 20 groß ist. Ein geeignetes piezoelektrisches Material ist passend bearbeitetes Poly(vinylidenfluorid) (PVDF oder PVF&sub2;); ein weiteres ist Vinylidenfluorid-trifluorethylen(VF&sub2;VF&sub3;-)Copolymer.
Geeignetes Strukturieren der Signalelektroden kann durch normale Mittel erzielt werden, d.h. durch Vakuumablagerung oder -zerstäubung des metallischen Elektrodenmaterials durch eine Maske, oder durch Ätzen einer durchgehenden metallischen Schicht, um die benötigte Struktur zu erhalten.
Die benötigte Strukturierung eines der Wandler oder beider kann auf eine einfachere Weise gebildet werden: eine durchgehende piezoelektrische Matrix kann auf ein strukturiertes Substrat abgelegt werden. Insbesondere kann das strukturierte Substrat aus Druckschaltplattenmaterial 24 (P.C.B - printed circuit board) bestehen, wobei geätzte Kupferflächen die Signalelektroden 16 bilden können. Dieses Verfahren hat die Vorteile von einfacher und robuster Bauweise unter Verwendung standardmäßiger Druckschaltplatte-Techniken und vermeidet die Notwendigkeit, eine Mehrzahl von Verbindungen auf der etwas empfindlichen Metallisierung herzustellen, die auf dem piezoelektrischen Polymer abgelagert werden kann.
Ein zusätzlicher Vorzug der Verwendung von Druckschaltplattenmaterial als der Grundschicht ist, daß doppelseitiges Plattenmaterial verwendet werden kann. Durchkontaktierungslöcher 16 gestatten dann die gegenseitige Verbindung und Verdrahtung aller Segmente auf den Rückseiten-Verbindungsstellen 28, was die Vorderseite für das Aufbringen der piezoelektrischen Schicht 20 unbehindert läßt. Ein weiterer Vorzug der Verwendung doppelseitiger Leiterplatten ist, daß das Kupfer auf der Rückseite wie bei 30 gezeigt im wesentlichen intakt gelassen werden kann, und mit Massepotential verbunden werden kann, was den Entwurf des Empfängers betrifft. Dies gewährleistet gute elektrische Abschirmung des Empfängerelements und verringert damit das Ausmaß des elektromagnetisch gekoppelten Signals aus dem Strahler. Es ist sehr wichtig, daß dieses "Übersprechen" so gering wie möglich gehalten wird, um Sättigung der Empfängerschaltkreise oder falsches Auslösen vor der Ankunft des eigentlichen akustischen Signals zu vermeiden.
Die piezoelektrische Polymermatrix 20 kann auf zwei Arten aufgebracht werden. Eine Methode ist die Verwendung einer Folie aus dem besagten Polymer, wobei nur die Außenfläche metallisiert wird. Die Innenfläche kann mit dem strukturierten Druckschaltplattenmaterial 24 durch eine Anzahl von Klebeverfahren klebend verbunden werden, zum Beispiel mit Epoxidharz. Die so eingeführte Klebschicht ist normalerweise dünn im Vergleich mit der Dicke des eingesetzten piezoelektrischen Polymers. Das an eine solche Anordnung angelegte oder durch diese erzeugte elektrische Signal wird kapazitiv durch die von dem Klebstoff gebildete zusätzliche dielektrische Schicht durchgekoppelt.
Ein alternatives Verfahren des Aufbringens der Piezopolymermatrix kann dort eingesetzt werden, wo es sich bei dem piezoelektrischen Material um das oben erwähnte VF&sub2;VF&sub3;-Copolymer handelt. Dieses Material kann anfänglich aus einer Lösung bestehen, die durch Gießen oder Schleudergießen direkt auf das Druckschaltplattenmaterial aufgebracht wird. Nach dem Verdampfen des Lösungsmittels muß die resultierende Schicht dann als Teil des Verfahrens polarisiert werden, wodurch sie piezoelektrisch wird: Diese Polarisation kann vorzugsweise nur in den Bereichen der Signalelektroden angebracht werden. Es kann daher nur das über jeder strukturierten Elektrode liegende Polymermaterial als piezoelektrisch betrachtet werden, während das Material zwischen jeder Elektrode als neutral betrachtet werden kann. Geeignete Polarisationsverfahren sind Fachleuten wohlbekannt.
Der zu der vorangegangenen Vorrichtung gehörende Steuerschaltkreis muß die folgenden Funktionen ausführen:
1) Erzeugen eines elektrischen Signals ausreichender Amplitude und Frequenz zur Erzeugung eines nützlichen akustischen Signals aus den Strahlersegmenten.
2) Anlegen des oben erwähnten elektrischen Signals der Reihe nach an jedes Strahlersegment.
3) Verstärken und Begrenzen des Empfängersignals Zusätzlich können die folgenden Funktionen wünschenswert sein:
4) Erzeugen von Taktimpulsen zum Durchschalten des Strahlersignals, da nur ein kurzer Burst benötigt wird.
5) Erzeugen anderer Taktimpulse zum Auftasten des Empfängers auf eine solche Weise, daß alle anderen Signale außer der möglichen Ankunft der gerade verstärkten akustischen Welle verhindert werden.
6) Bereitstellen von Zählern und Logik, um die Erzeugung einer numerischen Ausgabe entsprechend der "Indexzahl" des betreffenden Segments, das als letztes die Anwesenheit oder Abwesenheit (bei Verwendung von Logik "von oben nach unten") von Flüssigkeit angezeigt hat, zu gestatten.
Das System ist zu einer Selbstüberprüfungsfunktion fähig. Es ist möglich, die piezoelektrischen Wandler mit einer derartigen Frequenz zu betreiben, daß das akustische Signal erfolgreich durch Luft und durch Flüssigkeit übertragen werden kann, jedoch mit unterschiedlichen Übertragungsverzögerungen. In diesem Fall kann die Funktion aller Segmente periodisch nachgeprüft werden.
Das an den Strahler angelegte elektrische Signal weist einen wesentlichen Energiegehalt im Frequenzbereich von 200 kHz bis 5 MHz auf. Die Zeitdauer des angelegten Signais kann von einem sehr schnellen Nadelimpuls bis zu einer Sprungfunktion unbestimmter Länge in einem weiten Bereich schwanken. Bevorzugt wird ein Rechteckimpuls von 0,1 bis 10 µs, insbesondere 0,2 µs. Der Abstand S zwischen dem Strahler 10 und dem Empfänger 12 kann passend zwischen 1 mm und 25 mm liegen. Die piezoelektrischen Folien 20 können passend eine Stärke von 0,1µm bis 500µm aufweisen; es wurde jedoch festgestellt, daß das elektrische Verhalten im wesentlichen von der Folienstärke unabhängig ist, und jede verfügbare Folienstärke verwendbare Resultate liefert.
Eine mögliche Modifikation der vorangegangenen Vorrichtung würde einen Empfängerwandler derselben Bauweise wie der Strahler verwenden; anders gesagt würde das System zwei identische lineare Anordnungen umfassen, wobei der elektrische Anreiz der Reihe nach an jedes Strahlersegment angelegt wird, während das entsprechende Empfängersegment auf die Ankunft oder Nichtankunft des akustischen Signals hin überwacht wird. Dies bietet eine größere elektrische Signalstärke des erkannten Empfängersignals, da effektiv die gesamte Fläche jedes Empfängersegments durch das Auftreffen der akustischen Welle erregt werden kann. Dieses Verfahren erhöht jedoch die Komplexität der zugehörigen elektronischen Schaltkreise.
Es ist vorgesehen, daß die Höhe jedes Strahlersegments 16 gering sein soll, um eine große Anzahl von Segmenten innerhalb des Sensorbereichs zu gestatten, und daß der Abstand zwischen jedem Segment je nach Behältergeometrie entweder regelmäßig oder unterschiedlich sein soll.
Die Laufzeit des akustischen Signals von dem Strahler zu dem Empfänger kann gemessen und so Kenntnisse bezüglich der Zusammensetzung der Flüssigkeit erhalten werden. Ein Beispiel dieser Anwendung wäre es, wenn eine Möglichkeit der Verunreinigung von Kraftstoff mit Wasser besteht, wobei das Wasser eine Schicht am Boden des Behälters bildet. Wenn die Schallgeschwindigkeiten ausreichend verschieden sind, und ein passend kurzer akustischer Impuls oder Burst von Impulsen gesendet werden kann, können geeignete Steuersignale erzeugt werden, um den abnormen frühen Empfang des akustischen Signals zu erkennen. Die Geschwindigkeitsinformationen können der Reihe nach für jedes Segment geprüft werden, so daß ein Profil der Flüssigkeitssäulencharakteristika entwickelt werden kann.
Der digitale Charakter der durch die vorangegangene Vorrichtung gelieferten Ausgabe eignet sich zur weiteren digitalen Übertragung und Verarbeitung. Als ein Beispiel kann jeder Stand einen entsprechenden Gewichtungsfaktor aufweisen, der aus einer in ROM oder dergleichen gespeicherten Tabelle angelegt werden kann, um dem Benutzer eine Ausgabe in Flüssigkeitsvolumeneinheiten statt Flüssigkeitstiefe bereitzustellen. Dies ist besonders nützlich bei der Überwachung des Inhalts von Tanks unregelmäßiger Formen.
FIG. 2 zeigt eine modifizierte Version der Vorrichtung von FIG. 1. Wiederum umfassen die Wandler 10, 12 Piezofolien 20 tragende Druckschaltplattes 24. Diese sind in einem Gehäuse in Form einer extrudierten Polymerröhre 32 angebracht, die innerhalb des (nicht gezeigten) Tanks plaziert wird. Die elektronischen Bauelemente 34, bei denen es sich passend um oberflächenmontierte Bausteine handelt, werden direkt auf den Leiterstrukturen auf der Rückseite der Strahler-Druckschaltplatte 24 angebracht.
Um den Schutz der Bauelemente vor chemischer Einwirkung, elektrolytischer Korrosion usw. zu gewährleisten, werden die zwischen der Röhre 32 und den Druckschaltplatten 24 gebildeten Hohlräume mit einem Verkapselungsmaterial 36 wie zum Beispiel Epoxidharz gefüllt. Die Piezofolien 20 sind weniger gefährdet, die metallisierten Oberflächen können jedoch chemisch angegriffen oder korrodiert werden. Es sind daher Schutzüberzüge 38 vorgesehen. Bei den Überzügen 38 kann es sich um konforme Uberzüge aus einem geeigneten Schutzmaterial, zum Beispiel Epoxidharz, handeln, das auf eine beliebige geeignete Weise aufgebracht wird, wie etwa durch Eintauchen, Aufpinseln oder Auf sprühen. Als Alternative können die Überzüge 38 durch klebendes Befestigen einer dünnen Folie aus einem neutralen, stabilen Polymer auf der Vorderseite des Wandlers so bereitgestellt werden, daß wie in FIG. 2 gezeigt die Polymerfolie selbst zum Plazieren der Anordnung im Inneren der Röhre 32 wirkt.
Bei den besagten neutralen Polymeren kann es sich, nur als Beispiel, um Polyethylen (UHMW oder HDPE) oder um Polyvinylidenfluorid (PVDF, Kynar), oder andere handeln.
Es werden einige Auswirkungen auf die akustische Übertragung durch das Aufbringen einer Vorderseitenschicht erwartet. Generell wird festgestellt, daß die Bandbreite der so gebildeten Ultraschalleinrichtung etwas verringert ist. HDPE- Stärken von 0,5 mm bis 1,0 mm haben sich als ausreichend für eine zufriedenstellende Funktion. erwiesen. Ein Merkmal der eingesetzten Piezopolymere (PVDF oder VF&sub2;VF&sub3;) ist, daß ihre akustische Impedanz gut mit den als Schutzschicht geeigneten Materialien zusammenpaßt. Der akustische Energietransfer bleibt damit akzeptabel.
Die Verwendung einer extrudierten Röhre 32 (die einen kreisförmigen oder einen rechteckigen Querschnitt aufweisen kann) gestattet die Möglichkeit, die Röhre mit Montagerillen oder -rippen für die Druckschaltplatten und anderen Montagehilfen zu formen.
Aus FIG. 2 ist außerdem ersichtlich, daß das Gehäuse im wesentlichen durch Endkappen 40, 42 auf der Röhre 32 geschlossen wird. Die untere Endkappe 40 ist mit einer einschränkenden Öffnung 44 für den Ein- und Austritt der Flüssigkeit, und die obere Kappe 42 mit einer Luftauslaßöffnung 46 ausgestattet. Dies erzeugt einen Dämpfungseffekt für die Änderungsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsstandes, was außerdem, insbesondere im Zusammenhang mit einer engen Beabstandung zwischen den Wandlern, die Auswirkungen des Schwappens der Flüssigkeit stark vermindert. Falls erforderlich kann der innere Hohlraum ferner mit einem (nicht gezeigten) Schwappschutz ausgestattet werden.
Ein weiteres, in FIG. 2 dargestelltes Merkmal ist eine Fähigkeit zum Selbsttest. Ein Block 50 aus einem festen Material wird zwischen den Wandlern 10, 12 so angeordnet, daß er einen Teil jedes Strahlersegments direkt mit dem Empfänger verbindet. Mit dieser Anordnung verursacht die Übertragung eines Impulses aus einem Strahlersegment den Empfang eines Impulses über den Block 50, vor jeglicher Übertragung durch die Flüssigkeit. Dies ist in FIG. 3 dargestellt, in der (a) einen kurzen, übertragenen Impuls einer Polarität darstellt, (b) das Empfängersignal in Luft, wobei ein deutlicher Impuls nur durch den festen Block empfangen wird, und (c) das Empfängersignal in Wasser darstellt, wobei der zweite deutliche Impuls die Übertragung duch Wasser ist. Geeignete Materialien für den Block 50 sind u.a. Polymere wie hochdichtes Polyethylen und Polymethylmethacrylat. Das Beispiel von FIG. 3 wurde mit einem PMMA-Distanzstück von 14,6 mm Dicke bei Abdeckung von 50% jedes Strahlersegments gemessen.
Dieses Merkmal kann benutzt werden, um vor einem Systemversagen zu warnen, da beim normalen Betrieb eine gegebene Zeitdauer nach jedem gesendeten Impuls ein Impuls empfangen wird.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform werden die beabstandeten Strahler- und Empfängerwandler durch eine einzige, in Verbindung mit einem passiven Reflektor im Impuls-Echo-Modus arbeitende Strahlerlempfängereinheit ersetzt. Es werden oft in anderen Ultraschallanwendungen Impuls-Echo-Techniken eingesetzt. Herkömmlicherweise erfordert dies das Schalten eines Empfängers zu entsprechenden Zeiten, um zu vermeiden, daß er den gesendeten Impuls erkennt. In der vorliegenden Anwendung mit einem kurzen Übertragungsweg und einer Anzahl von Strahlern wäre ein solches Schalten möglich, aber kompliziert und kostspielig umzusetzen.
Eine Impuls-Echo-Version der vorliegenden Erfindung kann jedoch auf einfachere Weise implementiert werden, wie nachfolgend beschriebend wird. FIG. 4a ist eine Darstellung eines Prototyps einer Strahler-/Empfängerbaugruppe, in der sechs Strahlersegmente und ein gemeinsamer Empfänger vereinigt sind. Wie in den obigen Ausführungsformen setzt die Baugruppe an einer Druckschaltplatte befestigte Piezofohe ein. FIG. 4a zeigt das Bahnenlayout der Druckschaltplatte in größerem Detail.
Jedes Strahlersegment 60 wird durch ein Paar beabstandeter Streifen 60a, 60b gebildet, die sich mit einem Empfängerstreifen 62 abwechseln. Die Empfängerstreifen sind bei 64 miteinander verbunden, während jedes Strahlersegment 60 über einkontaktloch 66 unabhängig mit den zugehörigen Schaltkreisen verbunden ist. Das Gesamtergebnis ist deshalb eine Reihe von Strahlersegmenten und ein gemeinsames Empfängersegment mit großer Fläche, umfaßt aber eine Anordnung verkämmter Teile.
Die Strahlersegmente 60 werden einzeln angesteuert, und zwar auf dieselbe Weise wie in den Ausführungsformen von FIG. 1 und 2, und es wird dieselbe Empfängerverarbeitung benutzt. Statt einer separaten Druckschaltplatte wird lediglich ein passiver Reflektor in einem geeigneten Abstand benötigt (der ein separater Gegenstand sein oder einfach die Wand des Tanks könnte), um eine ausreichende Zeitverzögerung zu liefern, so daß alles direkt gekoppelte Übersprechen verklingt. Um das Durchbrechen des Treibersignals von Strahler- auf Empfängerelektroden möglichst gering zu halten, wird vorzugsweise ein durchgehender Masseleiter 68 zwischen ihnen eingeschachtelt. Es ist außerdem vorzuziehen, eine im wesentlichen (bis auf die Signale durch diese Schicht hindurch zur Bauteileseite führenden Durchkontaktierungen, wie z.B. 66) ununterbrochene Kupferfläche zwischenzulegen, die als Massefläche dient. Die Empfängerstreifen 62 sehen somit eine Massefläche nach hinten (das Kupfer der Plattenmitte), auf jeder Seite (Leiter 68) und auch nach vorne (die Piezo-Folienmetallisierung).
Die Zweckmäßigkeit und Genauigkeit der vorangegangenen Systeme ist klar, doch können Situationen auftreten, bei denen eine in sich digitale Ausgabe nicht benötigt wird. Wie oben bemerkt kann die digitale Ausgabe in eine analoge Form umgewandelt werden, wobei sich die Komplexität etwas erhöht. Es ist jedoch auch möglich, ähnliche Konstruktionstechniken und -materialien zu verwenden, um eine genaue analoge Messung bereitzustellen.
Nunmehr bezugnehmend auf FIG. 5 bis 10, die nicht in den Schutzbereich der Ansprüche der Erfindung fallen, betrachte man zuerst ein einfaches Ultraschall- Strahler-/Empfängersystem, bei dem es sich bei beiden Wandlern um schlichte, rechteckige Elemente handelt, die durch klebendes Befestigen einer piezoelektrischen Polymerfohe auf einem geeigneten Substrat, z.B. Leiterplattenmaterial, gebildet werden. Wenn der Flüssigkeitsstand zwischen den beiden Platten steigt, nimmt die akustische Signalkopplung auf eine lineare Weise von Null auf einen Maximalwert zu.
Diese lineare Antwort kann leicht in eine Analogspannung konvertiert werden. Jegliche Änderungen der Empfindlichkeit der beiden Wandler erzeugen jedoch Probleme mit der Kalibrierung. Die Piezokoeffizienten des Polymers ändern sich bekanntermaßen mit der Temperatur, und der erforderliche Bereich ist für manche Anwendungen weit (-40 bis +85ºC ist im Kraftfahrzeugbereich typisch).
Es ist also wünschenswert, ein Verfahren zu entwickeln, so daß die letztliche Ausgabe im wesentlichen vom Betrag des Empfangssignals unabhängig ist.
Man betrachte als nächstes ein ähnliches System, bei dem jedoch das rechteckige Empfängerelement wie in FIG. 5 gezeigt diagonal in zwei unabhängige, dreieckige Empfängerbereiche A und B aufgeteilt ist. Der Strahler ist wiederum ein einteiliges Rechteck, das gegenüber dem Empfänger angebracht ist. Wenn der Flüssigkeitsstand in einer solchen Baugruppe steigt, kann man das Verhältnis von Empfänger A zu Empfänger B prüfen, das sich von Null auf Eins über dem Flüssigkeitshöhenbereich ändert. Die Kurve wird nicht linear sein, sondern angenähert quadratisch, wie in FIG. 6. Es wäre möglich, solch eine Funktion elektronisch zu "linearisieren"; es ist jedoch auch möglich, die Empfänger zu so strukturieren, daß eine lineare Funktion eingerichtet wird.
Es kann gezeigt werden, daß eine spezifische Funktion
f(x) = (2x/(1+x))-(x²/(1+x)²),
wobei x die variable Eintauchtiefe repräsentiert, eine Kurve beschreibt, die den rechteckigen Empfänger in zwei Teile teilt, die einen gleichen Flächeninhalt aufweisen, so daß das Verhältnis ihrer Flächeninhalte sich in einer linearen Funktion der Tiefe von Null auf Eins ändert.
Die "Flächenfunktion" eines Empfängerelements ist durch das Integral von f(x) gegeben:
g(x) = f(x)dx = x²/(1+x),
während das andere Empfängerelement eine Fläche von x = g(x) aufweist.
Die Signalausgabe aus jedem Empfänger stellt sich als proportional zur "Flächenfunktion" g(x) heraus.
FIG. 7 stellt geeignete Elektrodenstrukturen dar, wobei die Strahlerelektrode bei 110, und die geteilten Empfängerelektroden bei 112 und 114 gezeigt sind. FIG. 8 und 9 zeigen graphisch den Betrag der Signalstärke und das experimentell durch den Strahler und Empfänger von FIG. 7 erzeugte Stärkenverhältnis. Die Quotientenmeßausgabe zeigt eine gute Annäherung an eine lineare Antwort.
Es ist zu beachten, daß für den extrem "leeren" Zustand sowohl der Dividend als auch der Divisor gegen Null gehen, so daß die elektronische Ausgabe nicht definiert sein wird. Es können mehrere Verfahren benutzt werden, um Fehlfunktion zu verhindern. Zum Beispiel kann der Betrag der "Bezugskanal-" (Divisor-) Signalstärke geprüft und angemessene Maßnahmen getroffen werden, wenn diese unter der Erkennungsschwelle liegt. Die Ausgabe kann ausgetastet oder einfach als "Stand niedrig" angezeigt werden.
Als Alternative kann ein kleines zusätzliches Empfängerelement, das sich von Null bis zu kritischer Tiefe erstreckt, so strukturiert werden, daß die Division nur dann durchgeführt wird, wenn dieses Segment "völlig eingeschaltet" ist.
Ein Beispiel der für ein einfaches Meßsystem unter Verwendung des Sensors von FIG. 7 erforderlichen Elektronik ist in FIG. 10 gezeigt. Der Strahler 10 wird durch einen Oszillator 16 angesteuert, der ein konstantes oder Burstsignal einer geeigneten Frequenz, typischerweise 0,5 - 1,5 MHz, und mäßiger Amplitude, typischerweise 1 - 20 Volt Spitze-Spitze, liefert. Die Ausgangssignale der Empfängersegmente 112, 114 werden über gepaarte Doppelverstärkerstufen 118A und 118B den Doppel-Spitzenwertdetektoren 120A, 120B zugeführt, um der Analogdividiererschaltung 122 Eingangssignale mit dem Betrag der Signalstärke zur Verfügung zu stellen. Die Spitzenwertdetektoren 120 können kurze Haltezeiten aufweisen, oder es können als Alternative Effektivwertzu-GS-Wandler verwendet werden. Der Analogdividierer 122 kann geeigneterweise ein AD532, AD534 oder ein AD538 sein. Ein Schwellenwertdetektor 124 steuert das Gatter 126 an, um die Ausgabe auszutasten, wenn die Empfängerausgangssignale gegen Null gehen.
In einer modifizierten Form der vorangegangenen Vorrichtung kann die jedes Empfängerelement definierende Kurve eingestellt werden, um Ungleichförmigkeiten des Behälterquerschnitts auszugleichen, so daß die Beziehung zwischen Quotientenmeßsignalausgabe und Flüssigkeitsvolumen konstant bleibt.

Claims

1. Füllstandsensorvorrichtung mit einem Strahler und einem Empfänger von Ultraschallenergie, die durch einen Übertragungsweg bekannter Länge beabstandet und dazu geeignet sind, so in einem Flüssigkeitsbehälter positioniert zu werden, daß Flüssigkeit im Behälter auf dem Übertragungsweg vorhanden ist, wobei der Strahler eine Mehrzahl unabhängiger, in Richtung der Flüssigkeitstiefe beabstandeter Segmente umfaßt und Mittel zum einzelnen Adressieren der besagten Strahlersegmente in vorbestimmter Abfolge aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahler und Empfänger auf einem einzelnen Wandler aus piezoelektrischem Material ausgebildet sind, und der Übertragungsweg eine auf einem passiven Reflektor vorgesehene Reflektorfläche enthält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein zusätzlicher Übertragungsweg durch festes Material vorgesehen ist, damit Schallenergie für jeden übertragenen Impuls, ungeachtet des Vorhandenseins oder der Abwesenheit von Flüssigkeit, empfangen werden kann.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Empfänger eine Mehrzahl unabhängiger, in der Richtung der Flüssigkeitstiefe beabstandeter und einzeln adressierbarer Segmente umfaßt.

4. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Tiefenbeabstandung zwischen Segmenten nicht gleichförmig ist.

5. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Strahler und der Empfänger jeweils ein Einzelelement eines polymeren piezoelektrischen Materials umfassen.

6. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das besagte Material Poly(vinylidenfluorid) oder Vinylidenfluorid-/Trifluorethylen-Copolymer ist.

7. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das piezoelektrische Material durch eine darüberliegende Schutzschicht bzw. -platte vor der Flüssigkeit geschützt ist.

8. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Breite des Empfängers und/oder Strahlers nicht gleichförmig ist, um unregelmäßige Behältergeometrie zu kompensieren.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das piezoelektrische Material auf einer Druckschaltplatte angebracht ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Druckschaltplatte beidseitig kupferkaschiert ist, wobei eine Seite im wesentlichen kontinuierliches Kupfer aufweist, das als elektrische Abschirmung dient.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Kupferkaschierung der anderen Seite der Druckschaltplatte in die besagten Segmente gestaltet ist, mit denen Verbindungen über durchplattierte Löcher hergestellt werden.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei eine Seite der Druckschaltplatte eine die besagten Segmente definierende leitfähige Struktur trägt und die andere Seite der Druckschaltplatte eine leitfähige Struktur zur direkten Befestigung zugehöriger Schaltungsbauteile trägt.

13. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Strahler und Empfänger zum Eintauchen in einen Tank in einem Rohr befestigt sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei das Rohr außer beschränkten Öffnungsmitteln, die die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsflusses in das und aus dem Rohr begrenzen, im wesentlichen geschlossen ist.