DE9321132U1 - Measuring device - Google Patents
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Description
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Meßgerät.measuring device.
Die. Erfindung-betrifft ein.Meßgerät, insbesondere zur Füllstandsmessungin Behältern, gemäß Oberbegriff, des Anspruchs. 1.The invention relates to a measuring device, in particular for measuring the fill level in containers, according to the preamble of claim 1.
Ein derartiges Meßgerät ist beispielsweise aus. der; DE: 37 21 209 AL bekannt. Es besitzt mehrere: Ultraschall-Wandlerelemente·, die- gemeinsam: und. untereinander: schallentkoppelt in. einem Gehäuse-, integriert sind. Über eine- elektronische Schaltung sind die Wandlerelemente einzeln: oder in Gruppen als Sender und/oder- Empfänger- zu. betreiben· Ia Abhängigkeit von der Entfernung ■ zum Meßobjekt, also beispielsweise zur Oberfläche des Füllgutes in einem Behälter, sind, zwei unterschiedliche Betriebsarten vorgesehen.Such a measuring device is known, for example, from DE: 37 21 209 AL. It has several ultrasonic transducer elements which are integrated in a housing, together and decoupled from one another. The transducer elements can be operated individually or in groups as transmitters and/or receivers via an electronic circuit. Depending on the distance to the object being measured, for example to the surface of the filling material in a container, two different operating modes are provided.
Für: Messungen größerer" Entfernungen werden sämtliche- Wand— lerelemente synchronisiert sowohl als Sender" als auch, als Empfänger angesteuert. Im. periodischen Wechsel, wird zwischen Sende— und Empfangsbetrieb umgeschaltet, so daß jedes Wand— lerelement in beiden Betriebs zuständen: inr Wechsel- geschaltetist.. Hierdurch ist. es., möglich., einen, starken. ULtras.cha-11 impuls" zu. erzeugen, der zurr Messungr mittlererr bis: größerer: Entfernungen erforderlich: ist, da. je nach: Medium: eine- mehr:For measurements of larger distances, all converter elements are synchronized and controlled both as transmitters and receivers. The system switches between transmitting and receiving modes periodically, so that each converter element is switched in both operating states. This makes it possible to generate a strong ultrasonic pulse, which is required for measuring medium to larger distances, since depending on the medium, a higher frequency is required.
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oder weniger starke Dämpfung" des Signals.auftritt.or less attenuation" of the signal occurs.
Bei der Abgabe eines jeden Ultraschallimpulses tritt ein Ausschwingvorgang auf, so daß die Wandler für eine bestimmte Zeit blockiert und deshalb nicht in der Lage sind, von der Oberfläche des Füllgutes- reflektierte Impulse zu empfangen. Diese Zeitspanne ist abhängig vom Ausschwingverhalten der verwendeten Wandlerelemente und demnach gerätespezifisch. In Abhängigkeit des Übertragungsmediums, d.h. des Mediums zwischen den Wandlerelementen und dem Meßobjekt, ergibt sich aufgrund der Ausschwingzeit eine Meßstrecke, die als Blockdistanz bezeichnet wird. Demnach können Entfernungen, die innerhalb der Blockdistanz liegen, mit der beschriebenen Betriebsart nicht mehr erfaßt werden und es erfolgt, eine automatische Umschaltung auf die zweite Betriebsart, die. als Parallelbetrieb zu bezeichnen ist. Eines der Wandlerelemente ist hierbei permanent als Empfänger geschaltet, während die übrigen Wandlerelemente ausschließlich als Sender betrieben werden. Sin von der als Sender betriebenen Wandlerelementgruppe abgegebener Ultraschallimpuls kann unmittelbar danach vom Wandlerelement, das als Empfänger betrieben wird, detektiert werden. Hieraus ergibt sich, daß, die beiden Gruppen von Wandlerelementen untereinander schallentkoppelt im Gehäuse untergebracht sein müssen, damit kein unbeabsichtigtes Übersprechen auf das als Empfänger geschaltete Wandlerelement erfolgt und ausschließlich die vom Meßobjekt reflektierten Ultraschallimpulse aufgenommen werden.When each ultrasonic pulse is emitted, a decay process occurs, so that the transducers are blocked for a certain time and are therefore unable to receive pulses reflected from the surface of the filling material. This time period depends on the decay behavior of the transducer elements used and is therefore device-specific. Depending on the transmission medium, i.e. the medium between the transducer elements and the measuring object, the decay time results in a measuring distance that is referred to as the blocking distance. Accordingly, distances that lie within the blocking distance can no longer be recorded with the operating mode described and an automatic switchover to the second operating mode takes place, which can be referred to as parallel operation. One of the transducer elements is permanently switched as a receiver, while the other transducer elements are operated exclusively as transmitters. An ultrasonic pulse emitted by the transducer element group operated as a transmitter can be detected immediately afterwards by the transducer element that is operated as a receiver. This means that the two groups of transducer elements must be housed in the housing in a way that is acoustically decoupled from one another, so that there is no unintentional crosstalk to the transducer element connected as a receiver and only the ultrasonic pulses reflected from the measuring object are recorded.
Derartige Meßgeräte haben sich in der Praxis bewährt, da. sie dicht über dem maximal zu messenden Niveau angebracht werden können. Insbesondere- ist das ansonsten- erforderliche OL-stanzrohr entbehrlich, das zur Einhaltung der Blockdistanz eingesetzt worden war. Nachteilig- wird bei einem derartigen. Gerät jedoch empfunden, daß mehrere-, zumindest jedoch zwei,Such measuring devices have proven themselves in practice because they can be installed just above the maximum level to be measured. In particular, the otherwise required OL punching tube, which was used to maintain the blocking distance, is no longer necessary. However, a disadvantage of such a device is that several, or at least two,
gleichartige Wandlerelemente vorzusehen sind. Insbesondere bei der Auslegung für kleine Meßdistanzen führt dies zu einem hohen Kostenaufwand, weil an sich ein einziges Ultraschall-Wandlerelement genügt, um ein ausreichendes Meßsignal für die maximal vorzusehende Meßdistanz zu erzeugen. Weiterhin ist das Bauvolumen durch die nebeneinander anzuordnenden Wandlerelemente groß, so daß es speziell bei beengten Einbauverhältnissen Probleme bereitet, ein derartiges Meßgerät einzusetzen.similar transducer elements must be provided. This leads to high costs, especially when designing for small measuring distances, because a single ultrasonic transducer element is sufficient to generate a sufficient measuring signal for the maximum measuring distance to be provided. Furthermore, the construction volume is large due to the transducer elements being arranged next to each other, so that it is particularly difficult to use such a measuring device in cramped installation conditions.
Aus der DS 38 39 057 Al ist ein sog. Gruppenstrahler mit einer Vielzahl von Ultraschallwandlern bekannt, bei dem jeweils in Abstrahlrichtung koaxial hintereinander zwei Wandlerelemente angeordnet sind. Als Sender wird beispielsweise, ein Wandlerelement mit einer Piezokeramik verwendet. Davor, d.h. in Abstrahlrichtung, ist ein weiteres Wandlerelement in Form einer Piezofolie. angebracht, das als Empfänger dient. Die Übertragung einer derartigen Anordnung auf ein gattungsgemäßes Meßgerät führt jedoch nicht zu dem gewünschten Ergebnis, da die Piezofolie unmittelbar in der Hauptausbreitungsrichtung des Ultraschallimpulses liegt und für die Dauer des AusSchwingvorgangs der Piezokeramik ebenfalls zu Schwingungen angeregt wird, so daß während der Ausschwingphase keine Messung möglich ist und sich in gleicher Weise eine spezifische Blockdistanz ergibt, innerhalb derer eine Messung nicht möglich ist.DS 38 39 057 A1 discloses a so-called group radiator with a large number of ultrasonic transducers, in which two transducer elements are arranged coaxially one behind the other in the direction of radiation. For example, a transducer element with a piezoceramic is used as a transmitter. In front of it, i.e. in the direction of radiation, another transducer element in the form of a piezo film is attached, which serves as a receiver. However, transferring such an arrangement to a measuring device of the type does not lead to the desired result, since the piezo film is located directly in the main propagation direction of the ultrasonic pulse and is also excited to oscillate for the duration of the oscillation process of the piezoceramic, so that no measurement is possible during the oscillation phase and in the same way a specific blocking distance arises within which a measurement is not possible.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Meßgerät der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, das ■ die geschilderten Nachteile nicht mehr aufweist. Insbesondere soll ein Meßgerät zur Verfügung gestellt werden, das kostengünstig herstellbar ist. . ·The invention is therefore based on the task of further developing a measuring device of the type mentioned at the beginning in such a way that ■ no longer has the disadvantages described. In particular, a measuring device is to be made available that can be manufactured inexpensively. . ·
Das Problem wird mit einem Meßgerät gelöst, das* die MerkmaieThe problem is solved with a measuring device that measures the
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des: Anspruchs- 1". aufweist. Vorteilhafte Äusgestaltungs formen der Erfindung: sind, durch, die Merkmale: der Unteransprüche angegeben.of claim 1". Advantageous embodiments of the invention are specified by the features of the subclaims.
Die: Erfindung basiert auf der Idee,- eine Piezokeramikscheibemit koaxial ausgerichtetem. Abstrahlkegel zentral in einem Gehäuse· nach Art herkömmlicher Ultraschallwandler zur Füllstandsmessung vorzusehen und eine- Piezofolie als zusätzlichen Schallempfänger radial seitlich zum Piezokörper ver-The invention is based on the idea of providing a piezoceramic disk with a coaxially aligned radiation cone centrally in a housing in the manner of conventional ultrasonic transducers for level measurement and a piezo film as an additional sound receiver radially to the side of the piezo body.
(~\ setzt und ■ außerhalb seines Abstrahlkegels im Gehäuse zu implementieren. Die Piezokeramikscheibe und die Piezofolie werden in Abhängigkeit der Entfernung zum Meßobjekt durch die elektronische Steuerung in der beschriebenen. Art und Weise- als. Sender und/oder Empfänger betrieben.. Auf diese Weise ist es möglich, die- bekannten positiven Eigenschaften einer Piezokeramikscheibe, wie. z..B. hohe Schall-Leistung, hohe- Langlebigkeit, und mechanische- Stabilität, zu nutzen und. den Nachteil einer langen Ausschwingzeit, die zu einer großen Blockdistanz.' führt, durch den zusätzlichen, jedoch, kostengünstigen Empfänger in Form einer Piezofolie zu. kompensieren. Der konstruktive Aufwand hierfür ist denkbar gering, weil eine vergleichsweise kleine Folienfläche aus- (~\ sets and ■ outside its radiation cone in the housing. The piezoceramic disk and the piezo film are operated as transmitters and/or receivers by the electronic control in the manner described, depending on the distance to the measurement object. In this way, it is possible to use the well-known positive properties of a piezoceramic disk, such as high sound power, high durability and mechanical stability, and to compensate for the disadvantage of a long decay time, which leads to a large blocking distance, by the additional, but inexpensive, receiver in the form of a piezo film. The construction effort for this is extremely low, because a comparatively small film surface is sufficient.
v— reichend ist, um einen reflektierten Ultraschallimpuls zuverlässig zu detektieren.v—is sufficient to reliably detect a reflected ultrasound pulse.
Auch können derartige Piezofolien aufgrund ihrer hohen Flexibilität weitgehend beliebig verformt werden. Damit können . die Empfangseigenschaften, wie z.B. Richtcharakteristik, Frequenzselektivität und Empfindlichkeit, durch eine geeignete Formgebung optimiert werden. .Due to their high flexibility, such piezo foils can be deformed in almost any way. This means that the reception properties, such as directional characteristics, frequency selectivity and sensitivity, can be optimized by appropriate shaping.
Beide. Wandlereleraente sind weitgehend akustisch und. elektrisch, entkoppelt, so daß ein. Übersprechen der Piezokeramik— scheibe- auf. die·. Piezofolie praktisch vollständig vermieden.Both transducer elements are largely acoustically and electrically decoupled, so that crosstalk from the piezoceramic disc to the piezo film is practically completely avoided.
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wird. Die- Blockdistanz: läßt sich damit bis auf wenige Zentimeter" reduzieren.The block distance can thus be reduced to just a few centimeters.
Bevorzugt ist. die Piezofolie nach Art eines Halbzylinders zum Meßobjekt hin gewölbt verlaufend, gestaltet, um eine hohe Richtwirkung zu erzielen. Die Wirkung läßt sich weiter verbessern, sofern die Piezofolie mehrfach gewölbt geformt ist und die Gestalt mehrerer, einander berührender Halbzylinder annimmt.Preferably, the piezo film is designed in the manner of a half-cylinder, curved towards the measuring object, in order to achieve a high directional effect. The effect can be further improved if the piezo film is curved several times and takes on the shape of several half-cylinders touching one another.
Zur- Verbesserung der Signalübertragung ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eine erste Anpaßschicht für die Piezokeramikscheibe und eine unmittelbar in, Abstrahlrichtungdavor vorliegende- zweite gemeinsame- Anpaßschicht für die Piezokeramikscheibe- und die, Piezofolie vorgesehen. Die zweite- Anpaßschicht kann das. Gehäuse in Hauptabstrahlrichtung· vollständig verschließen, so daß sich der mechanische Aufbau, stark vereinfacht.. Bevorzugt ist die; zweite- Anpaßschicht· nach: Art einer Einspannmembran gestaltet, wobei sie das Gehäuse radial nach außen überragt, so daß sich ein überstehender Ring als Einspannfläche für einen y>_ Flansch oder dergl. ergibt.To improve signal transmission, according to a further preferred embodiment, a first matching layer for the piezoceramic disk and a second common matching layer for the piezoceramic disk and the piezo film, located immediately in front of it in the direction of radiation, are provided. The second matching layer can completely close the housing in the main direction of radiation, so that the mechanical structure is greatly simplified. The second matching layer is preferably designed in the manner of a clamping membrane, whereby it projects radially outward beyond the housing, so that a protruding ring is produced as a clamping surface for a flange or the like.
Bevorzugt ist die erste Anpaßschicht aus Silikonkautschuk und die zweite Anpaßschicht aus PVDF-Polymer gefertigt. Das PVDF-Polymer besitzt eine gute mechanische Stabilität, so daß die. Ultraschallwandler im Gehäuse optimal vor mechanischen Beschädigungen geschützt sind. Weiterhin, ist es chemisch beständig, so daß es sich auch zum Einsatz in Behältern mit aggressiven. Medien eignet. -Preferably, the first adaptation layer is made of silicone rubber and the second adaptation layer of PVDF polymer. The PVDF polymer has good mechanical stability, so that the ultrasonic transducers in the housing are optimally protected against mechanical damage. Furthermore, it is chemically resistant, so that it is also suitable for use in containers with aggressive media. -
Bevorzugt, ist die erste Anpaßschicht nicht nur- unmittelbar: der: Piezokeramikscheibe zugeordnet, sondern radiai bis; La. die- Nähe der Gehäusewandung geführt, so daß die seitlich-Preferably, the first matching layer is not only directly associated with the piezoceramic disk, but is guided radially to the vicinity of the housing wall so that the lateral
1 &eegr;. &eegr;1 &eegr;. &eegr;
angeordnete Piezofolie- darin eingebettet ist. In diesem Fall kann, auch zur akustischen Entkopplung·'eine schalldämmende Schicht mit integriert sein, die die Piezofolie axial und radial in Richtung auf. die Piezokeramikscheibe- abschirmt. Zur elektrischen Abschirmung kann weiterhin eine Reflektorschicht, aus Metall unmittelbar benachbart zur schalldämmenden Schicht angeordnet sein. Alternativ hierzu kann jedoch auch zur elektrischen Abschirmung gemäß einer weiteren, bevorzugten AusführungsVariante die Keramikscheibe vollstän- C] dig von einem Faraday sehen Käfig umgeben sein.arranged piezo film is embedded in it. In this case, a sound-absorbing layer can be integrated, which shields the piezo film axially and radially in the direction of the piezo ceramic disk, also for acoustic decoupling. For electrical shielding, a reflector layer made of metal can also be arranged directly adjacent to the sound-absorbing layer. Alternatively, however, according to a further, preferred embodiment, the ceramic disk can also be completely surrounded by a Faraday cage for electrical shielding.
Gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform ist die Piezofolie unmittelbar auf einem PVDF-Block fixiert, der ausgehend von der zweiten Anpaßschicht axial einwärts gerichtet ist und aus demselben Material und ggf. einstückig als integraler Bestandteil der zweiten Anpaßschicht gebildet ist. Damit kann der Block zur optimalen Impedanzanpassung herangezogen werden, weil er insgesamt als Anpaßschicht ohne zusätzliche Grenzschichten in ./L/4 Anpassung ausgelegt werden kann.According to a further preferred embodiment, the piezo film is fixed directly to a PVDF block which is directed axially inwards from the second matching layer and is made of the same material and, if necessary, in one piece as an integral part of the second matching layer. The block can thus be used for optimal impedance matching because it can be designed as a matching layer without additional boundary layers in ./L/4 matching.
Zur elektrischen Abschirmung kann bei einer derartigen ^- Konfiguration ein Faradayscher Käfig vorgesehen sein, der den Block einschließlich der daran angebrachten Piezofolie weitgehend vollständig, mit Ausnahme derjenigen Richtung, die der Hauptabstrahlrichtung entspricht, umgibt.For electrical shielding, a Faraday cage can be provided in such a ^ configuration, which largely completely surrounds the block including the piezo foil attached to it, with the exception of the direction that corresponds to the main radiation direction.
Die· Erfindung wird nachstehend näher anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen in schematischer DarstellungrThe invention is explained in more detail below using the embodiments shown in the figures. They show in schematic representation
Figur 1 Meßgerät in einer erste Ausführungsva-Figure 1 Measuring device in a first embodiment
riante,riant,
Figur: 2. Meßgerät, in. einer zweiten AusfuhrungsVaFigure: 2. Measuring device, in a second version
riante- undriante and
Figur 3 Meßgerät in einer dritten AusführungsVaFigure 3 Measuring device in a third embodiment
riante,riant,
Jeweils oben dargestellt ist eine Ansicht des jeweiligen Meßgeräts von unten im Halbschnitt, wobei zur Verdeutlichung (~) der Anordnung- die Umrißlinien der innenliegenden Komponenten eingezeichnet sind. Mittig ist das jeweilige Meßgerät in einer Schnittdarstellung wiedergegeben. In den Figuren 1 und 2 ist zusätzlich unten ein vergrößerter Ausschnitt aus der darüberliegenden Schnittdarstellung wiedergegeben, um Einzelheiten im Bereich der Piezofolie, zu verdeutlichen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit, ist das Gehäuse, in weichessämtliche Komponenten integriert sind, nicht dargestellt.Each of the above shows a view of the respective measuring device from below in half section, with the outlines of the internal components drawn in to clarify (~) the arrangement. The respective measuring device is shown in a sectional view in the middle. In Figures 1 and 2, an enlarged section of the sectional view above is also shown below to illustrate details in the area of the piezo film. For reasons of clarity, the housing in which all the components are integrated is not shown.
Zunächst, wird das in Figur- 1 dargestellte, erste Ausführungs — beispiel erläutert. Zur Erzeugung des. Ultraschallimpulses dient eine Piezokeramikscheibe 1. Dieser wird über Anschluß— leitungen 11 ein Eingangssignal TJin zugeführt, welches die Piezokeramikscheibe 1 zu Schwingungen anregt und den Ultraschallimpuls erzeugt. Der Impuls wird über eine erste Anpaßschicht 2 und eine zweite Anpaßschicht 3 in das schallübertragende Medium, in der Regel Luft, eingekoppelt und breitet sich im wesentlichen in Richtung der Hauptabstrahlrichtung 4 aus.First, the first embodiment shown in Figure 1 is explained. A piezoceramic disk 1 is used to generate the ultrasonic pulse. An input signal TJin is fed to this via connecting lines 11, which causes the piezoceramic disk 1 to vibrate and generates the ultrasonic pulse. The pulse is coupled into the sound-transmitting medium, usually air, via a first matching layer 2 and a second matching layer 3 and spreads out essentially in the direction of the main radiation direction 4.
Die Piezokeramikscheibe 1 ist auf der Rückseite, und radial seitlich vollständig- von einer Dämpfungsschicht. 5 umgeben, mit. der- sie im Gehäuse gehalten ist. Die- Dämpfungsschicht, 5 dient, gleichzeitig zur akustischen.. Entkopplung- der. Piezoke— ramikscheibe 1. vom umgebenden Gehäuse.. Zur elektrischen;The piezoceramic disk 1 is completely surrounded on the back and radially on the sides by a damping layer 5, with which it is held in the housing. The damping layer 5 simultaneously serves for acoustic decoupling of the piezoceramic disk 1 from the surrounding housing. For electrical isolation.
Abschirmung Ist ein Faradayscher Käfig 6 vorgesehen, der die Piezokeraraiksch.ei.be. 1 vollständig umgibt. Über eine Leitung 9 ist der Faradaysche Käfig 6 geerdet.Shielding A Faraday cage 6 is provided which completely surrounds the piezoceramic element 1. The Faraday cage 6 is earthed via a cable 9.
Die erste Anpaßschicht 2 besteht · aus Silikonkautschuk und ist mit der zweiten Anpaßschicht 3 verbunden. Die zweite Anpaßschicht 3 besteht aus PVDF-Polymer, welches einerseits mechanisch stabil ist und damit die im Gehäuse befindlichen Komponenten vor mechanischen Einwirkungen schützt, und ( andererseits eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit aufweist, so daß der Einsatz auch in aggressiven Medien möglich ist. Die zweite Anpaßschicht 3 schließt nicht nur das Gehäuse stirnseitig dicht ab, sondern ist seitlich radial über das Gehäuse. hinaus verlängert, so daß eine Einspannmembran entsteht. Damit kann das Meßgerät beispielsweise auf einen Flansch, aufgesetzt werden, der an einem Füllgutbehälter angebracht ist. Spezielle-Befestigungsmittel .am. Gehäuse selbst sind damit entbehrlich. Die beiden Anpaß— schichten 2, 3 sind, hinsichtlich ihrer Dicke derart dimensioniert, daß sie auf die Frequenz- des UltraschaIlimpulses optimal abgestimmt sind, damit die. Impedanz angepaßt ist.The first adaptation layer 2 consists of silicone rubber and is connected to the second adaptation layer 3. The second adaptation layer 3 consists of PVDF polymer, which is mechanically stable on the one hand and thus protects the components in the housing from mechanical influences, and on the other hand has excellent chemical resistance, so that it can also be used in aggressive media. The second adaptation layer 3 not only seals the housing tightly at the front, but is also extended radially beyond the housing at the sides, so that a clamping membrane is created. This means that the measuring device can be placed on a flange, for example, which is attached to a filling container. Special fastening means on the housing itself are therefore unnecessary. The two adaptation layers 2, 3 are dimensioned in such a way in terms of their thickness that they are optimally matched to the frequency of the ultrasonic pulse, so that the impedance is matched.
^- Die Piezokeramikschexbe I dient gleichzeitig als Empfänger, sofern sich das Füllgut außerhalb der Blockdistanz befindet. Eine hier nicht näher dargestellte elektronsiche Schaltung erfaßt das von. der Oberfläche des Füllguts reflektierte Echo und berechnet aus der Laufzeit den Abstand zwischen der Oberfläche des Füllgutes und dem Meßgerät, d.h. den Füllstand im Behälter. Radial seitlich zur Piezokeramikscheibe 1 versetzt ist ein zweites Wandlereleraent 7 angebracht. Es besteht im wesentlichen aus einer Piezokeramikfolie 8 mit mehrfach, zylindrisch gewölbter Geometrie.. Sie ist in. die erste. Anpaßschicht. 2- implementiert, und axial· dicht bis in. die Nähe der zweiten Anpaßschicht 3 herangeführt. Der im^- The piezoceramic disk I also serves as a receiver, provided that the filling material is outside the blocking distance. An electronic circuit (not shown here in detail) records the echo reflected from the surface of the filling material and calculates the distance between the surface of the filling material and the measuring device, i.e. the filling level in the container, from the transit time. A second transducer element 7 is mounted radially laterally to the piezoceramic disk 1. It essentially consists of a piezoceramic film 8 with a multi-fold, cylindrically curved geometry. It is implemented in the first adaptation layer 2- and brought axially close to the vicinity of the second adaptation layer 3. The
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Querschnitt halbkreisbogenförmige: Verlauf bestimmt die-Empfindlichkeit der: Piezofolie 8 und. ist auf die Frequenz, des von der Piezokeraraikscheibe 1 ausgesandten Ultraschallimpulses abgestimmt. Damit wird eine hohe Richtwirkung in bezug- auf das Ultraschallecho erzielt. Hierbei ist die. materialspezifische Wellenlänge des schallübertragenden Mediums als Funktion der Sendefrequenz der Piezokeramikscheibe· zu berücksichtigen.The semicircular cross-section determines the sensitivity of the piezo film 8 and is tuned to the frequency of the ultrasonic pulse emitted by the piezoceramic disk 1. This achieves a high directional effect with respect to the ultrasonic echo. The material-specific wavelength of the sound-transmitting medium as a function of the transmission frequency of the piezoceramic disk must be taken into account.
An der Piezofolie 8 sind Anschlußleitungen 12 angebracht, die mit der hier nicht dargestellten elektronischen Schaltungverbunden sind und das durch das Echo ausgelöste Empfangssignal Uout übertragen.Connecting lines 12 are attached to the piezo foil 8, which are connected to the electronic circuit not shown here and transmit the reception signal Uout triggered by the echo.
Die erste Anpaßschicht 2 nimmt nicht nur die Piezokeramikfolie 8, sondern auch eine schalldämmende Schicht 10 auf. Sie ist axial rückseitig und radial in· Richtung- auf' die Piezokeramikscheibe 1 ausgerichtet und. verhindert ein akustisches. Übersprechen von der- Piezokeramikscheibe L auf. die Piezofolie 8. Die von der Piezokeramikscheibe 1 ausgesandten Schallwellen werden vollständig absorbiert und erreichen die Piezofolie 8 nicht. Damit ist es möglich, das Wandlerelement 7 empfangsbereit auch dann zu halten, wenn die Ausschwingphase der Piezokeramikscheibe 1 am Ende der Impulsabgabe noch nicht abgeschlossen ist. Dies ermöglicht demnach auch die Ermittlung des Füllstandes in solchen Fällen, in denen der Abstand, von der Oberfläche des Füllguts innerhalb der Blockdistanz liegt und. das reflektierte Echo die Piezokeramikscheibe 1 bereits zu einem Zeitpunkt erreicht, in welchem der Ausschwingvorgang noch nicht abgeschlossen ist. Bei. dieser Betriebsart dient die Piezokeramikscheibe L ausschließlich als Sender und, die Piezofolie 8 ausschließlich, als Empfänger. Die elektronische Schaltung ' benutzt- zurr Berechnung des Abstandes das überr die- Anschlußleitungen 12.The first adaptation layer 2 not only accommodates the piezoceramic film 8, but also a sound-absorbing layer 10. It is aligned axially at the back and radially in the direction of the piezoceramic disk 1 and prevents acoustic crosstalk from the piezoceramic disk L to the piezo film 8. The sound waves emitted by the piezoceramic disk 1 are completely absorbed and do not reach the piezo film 8. This makes it possible to keep the transducer element 7 ready to receive even if the decay phase of the piezoceramic disk 1 is not yet complete at the end of the pulse emission. This therefore also enables the filling level to be determined in cases in which the distance from the surface of the filling material is within the blocking distance and the reflected echo reaches the piezoceramic disk 1 at a time when the decay process is not yet complete. In this operating mode, the piezoceramic disk L serves exclusively as a transmitter and the piezo film 8 exclusively as a receiver. The electronic circuit uses the connecting lines 12 to calculate the distance.
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übertragene Ausgangssignal Uout. Die Anschlußleitungen 11, die an der Pxezokeraraikscheibe 1 angebracht sind, dienen lediglich der Einspeisung des Eingangssignals üin.transmitted output signal Uout. The connecting lines 11, which are attached to the pixel ceramic disk 1, are only used to feed in the input signal üin.
Die elektronische Schaltung wählt selbsttätig die Betriebsart an, d.h. sie ist in der Lage zu unterscheiden, ob die Oberfläche des Füllgutes innerhalb oder außerhalb der Blockdistanz liegt und schaltet hierauf abgestimmt die Betriebsart selbsttätig um.The electronic circuit automatically selects the operating mode, i.e. it is able to distinguish whether the surface of the filling material is inside or outside the blocking distance and automatically switches the operating mode accordingly.
Das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem vorstehend beschriebenen im wesentlichen dadurch, daß die elektrostatische Abschirmung abweichend gestaltet ist. Im vorliegenden Fall wird auf. einen, die Piezokeraraikscheibe 1 umgebenden Faradayschen Käfig vollständigverzichtet. Stattdessen wird eine zusätzliche- Reflektorschicht 13, die aus Metall besteht, zwischen der Piezokeramikscheibe 1 und der Piezofolie 8 positioniert. Sie ist, ebenso wie die schalldämmende Schicht 10 in die Anpaß— schicht 2 eingebettet.The embodiment shown in Figure 2 differs from the one described above essentially in that the electrostatic shielding is designed differently. In the present case, a Faraday cage surrounding the piezoceramic disk 1 is completely dispensed with. Instead, an additional reflector layer 13 made of metal is positioned between the piezoceramic disk 1 and the piezo film 8. It is embedded in the matching layer 2, just like the sound-absorbing layer 10.
Aus fertigungstechnischen Gründen kann vorgesehen sein, die schalldämmende Schicht 10 und die Reflektorschicht 13 miteinander zu verbinden und als doppellagige Schicht in die. erste Anpaßschicht 2 einzubringen. Der Schichtaufbau ist so gewählt, daß der Piezofolie zugewandt, zunächst die Reflektorschicht 13 und darüber die schalldämmende Schicht 10 zu liegen kommt. Diese spezielle Art der Anordnung hat den Vorteil, daß die von der Piezokeraraikscheibe 1 ausgesandten Schallwellen zunächst von der schalldämmenden. Schicht 10 gedämpft und anschließend von der Reflektorschicht 13 erneut in. Richtung auf die schalldämmende Schicht 10 umgelenkt, werden, wo sie vollständig: absorbiert werden. Das von derr Oberfläche des Füllguts reflektierte Echosignal, wird. von. der:For manufacturing reasons, it can be planned to connect the sound-absorbing layer 10 and the reflector layer 13 to one another and to introduce them as a double layer into the first matching layer 2. The layer structure is selected so that the reflector layer 13 is first placed facing the piezo film and the sound-absorbing layer 10 is placed above it. This special type of arrangement has the advantage that the sound waves emitted by the piezoceramic disk 1 are first dampened by the sound-absorbing layer 10 and then redirected by the reflector layer 13 in the direction of the sound-absorbing layer 10, where they are completely absorbed. The echo signal reflected from the surface of the filling material is:
Piezofolie 8 detektiert. und anschließend beim Auftreffen auf die Reflektorschicht 13 reflektiert und in Richtung- der Piezofolie 8 zurückgeleitet/ wo es nochmals detektiert wird. Die Reflektorschicht 13 dient damit nicht nur der Abschirmung der Piezofolie 8, sondern-■ bewirkt eine Erhöhung der Empfindlichkeit des Wandlerelements 7.Piezo film 8 is detected. and then reflected when it hits the reflector layer 13 and guided back in the direction of the piezo film 8, where it is detected again. The reflector layer 13 therefore not only serves to shield the piezo film 8, but also increases the sensitivity of the converter element 7.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 ist die Piezofolie 8 nicht mehr in der ersten Anpaßschicht 2 integriert, sondern unmittelbar auf einem Block 14 fixiert, der integraler Bestandteil der zweiten Anpaßschicht 3 ist. Er ist einstückig an der im übrigen als flache Scheibe ausgebildeten zweiten Anpaßschicht 3 angeformt und verläuft in das Innere des Gehäuses hineingerichtet. Die Höhe des Blocks 14 entspricht einem Viertel der materialspezifischen Schallwellenlänge, so daß der Block 14 als Anpaßschicht für die Piezofolie 8 ausgelegt ist und damit die Übertragung des Echosignals verbessert wird. Damit wird für die Impedanzanpassung der Piezokeramikscheibe 1 und der Piezofolie 8 dasselbe Material verwendet, so daß keine zusätzliche Grenzschicht entsteht und die als schal!abstrahlende Membran wirkende zweite Anpaßschicht 3 in die Berechnung für die Impedanzanpassung der Piezofolie 8 einbezogen werden kann. Wiederum wird für die zweite Anpaßschicht 3 ein PVDF-Polymer verwendet. In the embodiment according to Figure 3, the piezo film 8 is no longer integrated in the first matching layer 2, but is fixed directly to a block 14, which is an integral part of the second matching layer 3. It is formed in one piece on the second matching layer 3, which is otherwise designed as a flat disk, and runs into the interior of the housing. The height of the block 14 corresponds to a quarter of the material-specific sound wavelength, so that the block 14 is designed as a matching layer for the piezo film 8, thus improving the transmission of the echo signal. The same material is therefore used for the impedance matching of the piezo ceramic disk 1 and the piezo film 8, so that no additional boundary layer is created and the second matching layer 3, which acts as a sound-emitting membrane, can be included in the calculation for the impedance matching of the piezo film 8. Again, a PVDF polymer is used for the second matching layer 3.
Im Vergleich zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen ist der Radius der zylindrischen Wölbung der Piezofolie 8 größer gewählt, da die materialspezifische Schallgeschwindigkeit innerhalb des Blocks 14 anders ist als bei dem dort verwendeten Elastomer- in Form des Silikonkautschuks der ersten Anpaßschicht 2.In comparison to the previous embodiments, the radius of the cylindrical curvature of the piezo film 8 is chosen to be larger, since the material-specific speed of sound within the block 14 is different than that of the elastomer used there in the form of the silicone rubber of the first adaptation layer 2.
9 0 *&Lgr;9 0 *&Lgr;
- 12- 12
Der- Block 14 ist seitlich, und an der die Piezof olie 8. tragenden. Stirnfläche berührungsfrei- zu den ihn umgebenden Komponenten geführt, d.h., es besteht keine Verbindung zu der Piezokeramikscheibe 1, der ersten Anpa[3schicht 2 und der Dämpfungsschicht 5. Damit ist -die auf ihm fixierte Piezofolie 8 akustisch entkoppelt, ohne daß es spezieller, zusätzlicher schalldämmender Schichten bedarf. Zur elektrischen Abschirmung ist ein. Faradayscher Käfig 15 vorgesehen, der den Block 14 einschließlich der darauf befestigten Piezofolie 8 vollständig umgibt und lediglich die Fläche in Richtung des Pfeils 4, d.h. in Empfangsrichtung, freiläßt. Der Faradaysche Käfig 15 ist über eine Leitung 9 geerdet.The block 14 is guided to the side and to the front surface carrying the piezo film 8 without contact with the components surrounding it, i.e. there is no connection to the piezoceramic disk 1, the first adaptation layer 2 and the damping layer 5. This means that the piezo film 8 fixed to it is acoustically decoupled without the need for special, additional sound-insulating layers. A Faraday cage 15 is provided for electrical shielding, which completely surrounds the block 14 including the piezo film 8 attached to it and only leaves the area in the direction of arrow 4, i.e. in the receiving direction, free. The Faraday cage 15 is grounded via a line 9.
Dipl.-lng. KLAUS WESTPHAL Dr. rar. nat. BERND MUSSQNUG Dn-Ing.PETER NEUNERT V^ldftrasse 3& &idigr; &idigr;Dipl.-lng. KLAUS WESTPHAL Dr. rar. nat. BERND MUSSQNUG Dn-Ing.PETER NEUNERT V^ldftrasse 3&&idigr;&idigr;
. AHMIt; (O 7721) 56 007 , .Tefe*. * 7 921573 wemu d Telefax (07721) 55164. AHMIT; (O 7721) 56 007 , .Tefe*. * 7 921573 wemu d Fax (07721) 55164
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veg060gveg060g
Piezokeramikscheibe erste Anpaßschicht zweite Anpaßschicht HauptabstrahlrichtungPiezoceramic disc first matching layer second matching layer Main radiation direction
DämpfungsschichtDamping layer
Faradayseher KäfigFaraday cage
WandlerelementTransducer element
PiezofoliePiezo foil
Leitung-Line-
schalldämraende Schichtsound-absorbing layer
LeitungLine
LeitungLine
ReflektorschichtReflective layer
Blockblock
Faradayscher KäfigFaraday cage
Postbank: Karlsruhe 76979-754 Bankkonto: Deutsche BankAG Villingen {BLZ.69470039) 146332. V.A.T. No.DE142989261",Postbank: Karlsruhe 76979-754 Bank account: Deutsche BankAG Villingen {BLZ.69470039) 146332. V.A.T. No.DE142989261",
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. «" «» ·· *.« WESTPHAL · MUSSGNUG &PARTNERI'll in
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Cited By (1)
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EP1102044A1 (en) * | 1999-11-15 | 2001-05-23 | Rosemount Aerospace Inc. | Fluid level sensor with dry couplant |
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1993
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EP1102044A1 (en) * | 1999-11-15 | 2001-05-23 | Rosemount Aerospace Inc. | Fluid level sensor with dry couplant |
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