EP2069732A1 - Vorrichtung zur bestimmung und/oder überwachung des füllstandes eines mediums - Google Patents

Vorrichtung zur bestimmung und/oder überwachung des füllstandes eines mediums

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Publication number
EP2069732A1
EP2069732A1 EP07820863A EP07820863A EP2069732A1 EP 2069732 A1 EP2069732 A1 EP 2069732A1 EP 07820863 A EP07820863 A EP 07820863A EP 07820863 A EP07820863 A EP 07820863A EP 2069732 A1 EP2069732 A1 EP 2069732A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
unit
sensor
circuit
piezoelectric
excitation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07820863A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Roland Grozinger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP2069732A1 publication Critical patent/EP2069732A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/296—Acoustic waves
    • G01F23/2962—Measuring transit time of reflected waves

Definitions

  • the invention relates to a device for determining and / or monitoring the level of a medium, with piezoelectric sensors for generating and receiving ultrasonic signals, with a sampling circuit for selective evaluation and selective control of a plurality of piezoelectric sensors by means of at least one transmitter, with a Signal evaluation unit in the transmitter, which determines the level of the medium based on the transit time measurement method of the ultrasonic signals.
  • the level of a medium in a tank can be determined, for example, by emitting Ultrasciiall pulse signals from a sensor and detecting the pulse signals reflected on the surface of the medium by the sensor.
  • Ultrasonic measurement devices for distance determination usually consist of a sensor for signal generation and reception as well as of a transmitter for signal evaluation and data transmission.
  • the transit time determined by the transmitter is a characteristic measure of the distance traveled by the pulse signals from the sensor to the surface of the medium.
  • the level of the medium in the tank is determined by subtracting from the total tank height the simply traveled path of the pulse signals.
  • Corresponding level gauges are manufactured and marketed by the Applicant under the name "Prosonic.” Such level or ultrasonic level or ultrasonic sensors are used in many industrial sectors, for example in the food, water and wastewater industries and the chemical industry.
  • a piezoelectric transducer or a piezoelectric element is excited to oscillate with an alternating voltage.
  • the frequency of the oscillation depends only on the speed of sound as the material constant and the dimensions of the piezoelectric body. The problem with this design is that this usually a heavy, large-volume and dimensioned for the required pulse power transformer is required.
  • a certain number of sensors are only controlled with a single transmitter and evaluated.
  • a so-called Abtastsdialtung or a scanner is used, which / selectively establishes an electrical connection between the individual sensors and the transmitter.
  • sampling circuits generally have a plurality of relays, which are controlled by the evaluation circuit of the transmitter so that the switching contacts of the controlled relay selectively connect the respective sensor with the evaluation circuit and the excitation circuit.
  • This circuit structure still has the following disadvantage that a large circuit complexity must be operated to drive the two transistors, since the two MOSFET transistors have no common, fixed reference potential for their control.
  • the circuit construction is also complicated as a result, especially since the electronic scanning circuit with the two MOSFET transistors must be designed so that both the excitation signal with a high current and a high voltage from the excitation circuit can be transmitted to the sensor, as well as low received signals of the sensor without Losses received and can be used for evaluation.
  • the object of the invention is to propose an electronic scanning circuit for ultrasonic sensors, which has a simple, compact and inexpensive circuit structure.
  • the invention solves this problem in that is provided in the sampling circuit for each piezoelectric sensor to be driven at least one excitation circuit for selectively driving the selected piezoelectric sensor for the generation of ultrasonic signals.
  • At least one first selection unit is provided in the Abtastsdialtung, which controls the respectively selected via a selection input Anreungssdialt Vietnamesee and / or controls.
  • each excitation circuit at least two Sdialtiata are provided, the controlled durdi the first selection unit to each other and / or different potentials sequentially switch to the selected piezoelectric sensor.
  • An expedient embodiment of the device according to the invention is that are provided as switching elements electrically or optically controllable transistors in the excitation circuits.
  • At least one configured in the sampling circuit second selection unit is provided which connects sequentially, selectively or cyclically electrically via the respectively driven selection input of the piezoelectric sensors with an evaluation via a receive path.
  • a limiting circuit for limiting the maximum voltage in the receiving path is provided to protect the second selection unit.
  • a digital demultiplexer is provided as the first selection unit.
  • a preferred variant of the solution according to the invention is to be seen in that as the second selection unit, an analog multiplexer is provided.
  • a particularly advantageous development of the solution according to the invention suggests that the selection inputs of the first selection unit and the second selection unit are connected in parallel and a control / evaluation unit controls all selection inputs with a same selection address.
  • a temperature measurement unit / sensor determination unit for determining the sensor temperature and the connected sensor type via an identification path is provided in the transmitter.
  • a suitable embodiment of the device according to the invention is that the signal evaluation unit, the control unit and / or temperature measuring unit / sensor determination unit is designed as an integral part of the control / evaluation unit.
  • Fig. 1 is a schematic circuit diagram for driving a plurality of piezoelectric sensors by a sampling circuit according to the prior art
  • Fig. 2 is a schematic circuit diagram for driving a plurality of piezoelectric sensors by a sampling circuit according to the inventive solution.
  • the circuit diagram shown in Fig. 1 illustrates the circuit structure of a ultrasonic measuring system according to the prior art. It comprises a transmitter 4a and a plurality of piezoelectric sensors 2, via a sampling circuit 3a by means of mechanical relay 18 selectively with the excitation circuit 5a, the signal evaluation unit 11 and / or the temperature measurement / sensor determination unit 12 are connectable, on.
  • the sampling circuit 3a is designed in this embodiment as a so-called relay card.
  • the inputs of the first switching contact of each relay 18 are connected in parallel with each other and connected to the excitation circuit 5a and the limiting circuit 10 followed by the signal processing unit 11 of the transmitter 4a via a single first electrical measuring line 23. Furthermore, the inputs of the second switching contact of each relay 18 are connected in parallel with each other and connected to the temperature measuring unit / sensor determination unit 12 for determining the type of the piezoelectric sensor 2 or the medium temperature via a second electrical measuring line 24.
  • Each relay 18 in the sampling circuit 3a is controlled by the control / control unit 19 via separate control lines 25. When a voltage is applied to the coil of the relay 18, the corresponding switching contacts of the relay 18 are closed.
  • the control / control unit 19 applies via a corresponding control line 25 a certain voltage to the coil of the corresponding relay 18 in the sampling circuit 3a, whereupon the switching contacts this relay 18 will be closed.
  • the control / control unit 19 causes the excitation circuit 5a to emit an excitation signal, for example an alternating voltage with a rectangular or sinusoidal waveform, via the first measuring line 23 to the corresponding piezoelectric sensor 2.
  • the magnitude of the voltage values the excitation signal is in the range of 10 to 100 volts, eg 50 volts.
  • this excitation signal is up-converted to a voltage of a few hundred volts, before it excites the piezo-transducer 17 briefly to resonant oscillation.
  • the thus generated ultrasonic pulse signal is radiated in the direction of the medium with a certain emission characteristic. After a time dependent on the distance traveled, the reflected portions of the ultrasonic pulse signal are again received by the piezo-transducer 17. These reflected ultrasonic signals are converted in the piezoelectric transducer 17 into an electrical received signal, which is transmitted to the signal evaluation unit 11 via the first measuring line 23 and a limiting circuit 10.
  • the voltage of the excitation signal is limited to a tolerable for the measuring electronics of the signal processing unit 11 degree.
  • the order of magnitude smaller received signal is hardly or only slightly influenced by the limiting circuit 10.
  • the transit time is determined. Based on the time duration or transit time between the emission of the ultrasonic pulse signals and the reception of the reflected echo signals, the distance of the piezoelectric sensor 2 from the surface of the medium can be determined with reference to the propagation velocity of the pulse signal. Taking into account the geometry of the container interior of the level of the medium is then determined as a relative or absolute size.
  • Ultrasound signals and the dependence on the type of sensor is used in the piezoelectric sensor 2 by means of a temperature sensor / sensor identifier 15 of the piezoelectric sensor 2 used and the present temperature of the gas phase located above the medium exactly determined.
  • the temperature sensor / sensor identifier 15 is usually used as a temperature dependent resistor, e.g. PT100, executed.
  • FIG. 1 Another disadvantage of this known embodiment of a sampling circuit 3a in Figure 1 is that due to the process conditions usually long lines between the transmitter 4a or the piezoelectric sensor 2 and the sampling circuit 3 must be installed, on the pulse power of the excitation circuit 5a must be transferred. So that there are no large losses of the excitation signal of the excitation circuit 5a on the line sections between the transmitter 4a and the sampling circuit 3a, these lines and the excitation circuit 5a, such as. As a heavy, large-volume and for the required pulse power dimensioned transformer 16 a, are sized accordingly large.
  • Fig. 2 the inventive structure of the device Ib for the selective control and evaluation of piezoelectric sensors 2 is shown.
  • the device Ib has a sampling circuit 3b, each having an excitation circuit 5b for each output, to which a piezoelectric sensor 2 can be connected.
  • the piezoelectric sensor 2 consists of at least one piezoelectric transducer 17, a transformer 16b and a temperature sensor / sensor identification 15.
  • the piezoelectric sensors 2 are connected to the respective measuring channels 26, consisting of a common control path 20, via an example three-wire connecting line 14 and receiving path 21, and an identification path 22 connected to the sampling circuit 3b.
  • one exciter circuit 5b and one limiting circuit 10 are provided per measuring channel 26 or per connection possibility for a piezoelectric sensor 2 in the scanning circuit 3b.
  • a further advantage of the inventive sampling circuit 3b is that older and / or previously used sensors 2 can be connected to the connection terminals on the basis of the excitation circuits 5b and limiting circuits 10 assigned to the respective measuring channels 26 and due to the restriction to a three-wire connection of the sensors 2.
  • the excitation circuits 5b are, for example, according to the in the Offenlegungssdirift DE 1020040208951 listed end stages formed. This Anreungssdialt Vietnamesee 5b and power amplifiers are used to control the piezoelectric sensors 2 without a large-volume transformer 16a, which can be quite compact build this inventive design of the sampling circuit 3b.
  • This excitation circuit 5b in the form of an output stage without transformer 16a reference is made to the above-mentioned German Offenlegungsschrift.
  • excitation circuits 5b are connected via at least one first selection unit 6, e.g. a digital demultiplexer, driven by the drive unit 13 by the switching elements 9 of the excitation circuit 5b, for example in the form of a power MOSFET (metal oxide field effect transistor) or a bipolar power transistor with insulated base electrode (IGBT) are driven in predetermined switching cycles.
  • the transistors of the excitation circuit 5b have a fixed reference potential, so that they can be easily controlled by the drive unit 13.
  • the control / evaluation unit 19 integrated in the transmitter 4b activates the drive unit 13 in such a way that it outputs a drive signal, for example a pulse signal, to the first selection unit 6 in the desired switching frequency.
  • the first selection unit 6 forwards these pulse signals to the excitation circuit 5b selected by the control unit by means of an address at the selection input 8.
  • the advantage of this circuit is also that, except for the activation of the corresponding excitation circuit 5b, everything can take place in the low-voltage range and only the switching-on of the excitation signals to the drive path 20 in the threshold voltage range of a few hundred volts takes place.
  • CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
  • a first selection unit 6 is required for the selective activation of the excitation circuits 5b by the drive unit.
  • an element for avoiding the cross currents in the switching time of the complementarily connected n-channel and p-channel MOSFET must be provided.
  • the drive path 20 and receive path 21 is connected via a common wire of the connecting line 14 to the transformer 16b of the piezoelectric sensor. 2 guided. For this reason, after the splitting of the drive path 20 and the receive path 21 in the Abtastsdialtung 3 b in the receive path 21, a Begrenzungssdialt Vietnamese 10 for Absdiàdiung the excitation signal on the excitation path 20 is necessary.
  • this limiting dialect circuit 10 is made up of a plurality of diodes, resistors and capacitors.
  • the limiting dialect circuit 10 has the task of protecting the following sensitive electronics, such as the signal evaluation unit 11, from peak voltage values and allowing the reflected received signal to pass virtually undamped.
  • the reflected received signal of the corresponding piezoelectric sensor 2 is applied to the input of the signal evaluation unit 11 via the associated limiting dialectic circuit 10 and evaluated signal-wise in the signal evaluation unit 11. Furthermore, the process temperature for compensating the propagation velocity and the type of the connected piezoelectric sensor 2 is determined by the temperature measurement unit / sensor determination unit 12 via the identification path 22 of the temperature sensor / sensor recognition 15. The selection of the corresponding reception path 21 and of the corresponding identification path 22 takes place by the activation of the second selection unit 7 via the address of the active measuring channel 26 on the signal input 8.
  • a further and not explicitly shown in Fig. 2 embodiment is that the signal evaluation unit 11, the temperature measuring unit / sensor determination unit 12 and the drive unit 13 in the control / evaluation unit 19 are integrated. This integration is especially possible if the control / evaluation unit 19 is a microprocessor with analog signal evaluation modules.

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Abstract

Erfindungsgemäß bezieht sich die Vorrichtung (1b) zur Ermittlung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums, mit piezoelektrischen Sensoren (2) zur Erzeugung und zum Empfang von Ultraschallsignalen, auf eine Abtastschaltung (3b), die für jeden anzusteuernden piezoelektrischen Sensor (2) wenigstens einen Anregungsschaltkreis (5b) zur selektiven Ansteuerung des ausgewählten piezoelektrischen Sensors (2) vorsieht.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ermittlung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums, mit piezoelektrischen Sensoren zur Erzeugung und zum Empfang von Ultraschallsignalen, mit einer Abtastschaltung zur selektiven Auswertung und selektiven Ansteuerung einer Vielzahl von piezoelektrischen Sensoren mittels zumindest einem Messumformer, mit einer Signalauswertungseinheit im Messumformer, die anhand dem Laufzeitmessverfahren der Ultraschallsignale den Füllstand des Mediums bestimmt.
Der Füllstand eines Mediums in einem Tank lässt sich beispielsweise dadurch ermitteln, dass von einem Sensor Ultrasciiall-Impulssignale ausgesandt und die an der Oberfläche des Mediums reflektierten Impulssignale vom Sensor detektiert werden. Ultrasciiallmessgeräte zur Distanzbestimmung bestehen im Normalfall aus einem Sensor zur Signalerzeugung und -empfang, sowie aus einem Messumformer zur Signalauswertung und Datenübermittlung. Die vom Messumformer ermittelte Laufzeit ist ein charakteristisciies Maß für den zurückgelegten Weg der Impulssignale vom Sensor bis zur Oberfläche des Mediums. Der Füllstand des Mediums im Tank wird daraus ermittelt, dass von der gesamten Tankhöhe der einfach zurückgelegte Weg der Impulssignale abgezogen wird. Entsprechende Füllstandsmessgeräte werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung „Prosonic" hergestellt und vertrieben. Derartige Schall- oder Ultraschallsensoren zur Füllstandsmessung werden in vielen Industriebereichen, z.B. in der Lebensmittelindustrie, der Wasser- und Abwasserwirtschaft und in der chemischen Industrie, eingesetzt.
Für die Erzeugung der Ultraschall-Impulse wird ein Piezowandler bzw. ein piezoelektrisches Element mit einer Wechselspannung zu Schwingungen angeregt. Die Frequenz der Schwingung ist nur von der Schallgeschwindigkeit als Materialkonstante und den Abmessungen des piezoelektrischen Körpers abhängig. Problematisch an dieser Ausgestaltung ist, dass hierfür meist ein schwerer, großvolumiger und für die erforderliche Impulsleistung dimensionierte Übertrager erforderlich ist.
In der deutschen Offenlegungsschrift DE 1020040208951 ist eine einfache Ansteuerung eines Piezowandlers, die keinen Übertrager verwendet, aufgezeigt.
Um die Aufwendungen und Kosten pro Messstelle zu verringern, wird eine bestimmte Anzahl von Sensoren nur mit einem einzigen Messumformer angesteuert und ausgewertet. Hierzu wird eine so genannte Abtastsdialtung bzw. ein Scanner eingesetzt, die/der selektiv eine elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Sensoren und dem Messumformer herstellt. Solche Abtastschaltungen weisen in der Regel mehrere Relais auf, die durch die Auswerteschaltung des Messumformers so angesteuert werden, dass die Schaltkontakte des angesteuerten Relais den jeweiligen Sensor mit der Auswerteschaltung und dem Anregungsschaltkreis selektiv verbinden. Ein solcher Aufbau ist in der Fig.l gezeigt und beschrieben.
[0006] Die Nachteile solcher mechanischer Abtastschaltungen liegen darin zugrunde, dass die Schaltkontakte als mechanisch bewegten Komponenten normalerweise nur eine begrenzte Anzahl von Schaltzyklen zulassen und es oft zu Kontaktproblemen in Form eines erhöhten Übergangswiderstands an den Kontaktflächen der Schaltkontakte kommt, was vor alledem bei Empfangssignalen im Mikrovoltbereich zu Problemen führt. Um diese Nachteile zu umgehen, ist aus der US 6,051,891 Al eine elektronische Abtastschaltung bekannt. In dieser Ausgestaltung der elektronischen Abtastschaltung sind die Relaiskontakte durch eine MOSFET-Transistoren Schaltung ersetzt worden. Nachteilig bei dieser Ausgestaltung der elektronischen Abtastschaltung ist, dass die Ansteuerung der elektronischen Abtastschaltung schwierig ist. Hierbei bilden immer zwei in Reihe geschaltet MOSFET-Transistoren einen elektronischen Schaltkontakt. Dieser Schaltungsaufbau hat noch den folgenden Nachteil, dass zur Ansteuerung der beiden Transistoren ein großer schaltungstechnischer Aufwand betrieben werden muss, da die beiden MOSFET-Transistoren kein gemeinsames, festes Bezugspotential zu deren Ansteuerung besitzen. Der Schaltungsaufbau ist auch infolgedessen kompliziert, zumal die elektronische Abtastschaltung mit den beiden MOSFET- Transistoren so ausgelegt werden muss, dass sowohl das Anregungssignal mit einem hohen Strom und einer hohen Spannung von dem Anregungsschaltkreis zum Sensor übertragen werden kann, als auch geringe Empfangssignale des Sensor ohne Verluste empfangen und zur Auswerteschaltung werden können.
[0007] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine elektronische Abtastschaltung für Ultraschallsensoren vorzuschlagen, die einen einfachen, kompakten und kostengünstigen Schaltungsaufbau aufweist.
[0008] Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass in der Abtastschaltung für jeden anzusteuernden piezoelektrischen Sensor wenigstens ein Anregungsschaltkreis zur selektiven Ansteuerung des ausgewählten piezoelektrischen Sensors für die Erzeugung von Ultraschallsignalen vorgesehen ist.
[0009] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest eine erste Selektionseinheit in der Abtastsdialtung vorgesehen ist, die die jeweils über einen Selektionseingang ausgewählten Anregungssdialtkreise ansteuert und/oder regelt.
[0010] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung wird vorgeschlagen, dass in jedem Anregungsschaltkreisen zumindest zwei Sdialtelemente vorgesehen sind, die angesteuert durdi die erste Selektionseinheit zueinander konträre und/oder unterschiedliche Potentiale sequentiell auf den ausgewählten piezoelektrischen Sensor schalten.
[0011] Eine zweckmäßige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass als Schaltelemente elektrisch oder optisch ansteuerbare Transistoren in den Anregungsschaltkreisen vorgesehen sind.
[0012] Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass zumindest eine in der Abtastschaltung ausgestaltete zweite Selektionseinheit vorgesehen ist, die über den jeweils angesteuerten Selektionseingang der piezoelektrischen Sensoren mit einer Auswerteeinheit über einen Empfangspfad sequentiell, selektiv oder zyklisch elektrisch verbindet.
[0013] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zum Schutz der zweiten Selektionseinheit ein Begrenzungsschaltkreis zur Begrenzung der maximalen Spannung im Empfangspfad vorgesehen ist.
[0014] Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung ist als erste Selektionseinheit ein digitaler Demultiplexer vorgesehen.
[0015] Eine bevorzugte Variante der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass als zweite Selektionseinheit ein analoger Multiplexer vorgesehen ist.
[0016] Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung schlägt vor, dass die Selektionseingänge der ersten Selektionseinheit und zweiten Selektionseinheit parallel geschaltet sind und eine Regel-/Auswerteeinheit alle Selektionseingänge mit einer gleichen Selektionsadresse ansteuert.
[0017] Gemäß einer dienlichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass im Messumformer eine Temperaturmesseinheit/ Sensorbestimmungseinheit zur Ermittlung der Sensortemperatur und des angeschlossenen Sensortyps über einen Kennungspfad vorgesehen ist.
[0018] Eine geeignete Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass die Signalauswerteeinheit, die Ansteuerungseinheit und/oder Temperaturmesseinheit/Sensorbestimmungseinheit als ein integraler Bestandteil der Regel-/Auswerteinheit ausgestaltet ist. [0019] Die Erfindung und ein ausgewähltes Ausführungsbeispiel sind anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Zur Vereinfachung sind in den Zeichnungen identische Teile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen worden, die jedoch nur dann wiederholt werden, wenn es sinnvoll ist. Es zeigen:
[0020] Fig. 1: ein schematisches Schaltbild zur Ansteuerung mehrerer piezoelektrischen Sensoren durch eine Abtastschaltung gemäß dem Stand der Technik, und
[0021] Fig. 2: ein schematisches Schaltbild zur Ansteuerung mehrerer piezoelektrischen Sensoren durch eine Abtastschaltung gemäß der erfindungsgemäßen Lösung.
[0022] Das in Fig. 1 dargestellte Schaltbild stellt den Schaltungsaufbau eines Ultraschall- Messsystems nach dem Stand der Technik dar. Es weist einem Messumformer 4a und mehreren piezoelektrischen Sensoren 2, die über eine Abtastschaltung 3a mittels mechanischer Relais 18 selektiv mit dem Anregungsschaltkreis 5a, der Signalauswerteeinheit 11 und/oder der Temperaturmess-/Sensorbestimmungseinheit 12 verbindbar sind, auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Abtastschaltung 3a für jeden angeschlossenen piezoelektrischen Sensor 2 zumindest ein mechanisches Relais 18 mit zwei gleichzeitig geschalteten Schaltkontakten auf. Die Abtastschaltung 3a ist bei dieser Ausgestaltung als eine so genannte Relais-Karte ausgestaltet. Die Eingänge des ersten Schaltkontakts jedes Relais 18 sind miteinander parallel geschaltet und mit dem Anregungsschaltkreis 5a und dem Begrenzungsschaltkreis 10 gefolgt von der Signalauswerteinheit 11 des Messumformers 4a über eine einzelne erste elektrische Messleitung 23 verbunden. Desweiteren sind die Eingänge des zweiten Schaltkontakts jedes Relais 18 miteinander parallel geschaltet und mit der Temperaturmesseinheit/ Sensorbestimmungseinheit 12 zur Ermittlung der Art des piezoelektrischen Sensors 2 oder der Mediumstemperatur über eine zweite elektrische Messleitung 24 verbunden. Jedes Relais 18 in der Abtastschaltung 3a wird über separate Steuerleitungen 25 von der Regel-/Steuereinheit 19 angesteuert. Wenn eine Spannung an der Spule des Relais 18 anliegt, sind die entsprechenden Schaltkontakte des Relais 18 geschlossen.
[0023] Nachfolgend ist ein Messzyklus mit der Vorrichtung Ia nach dem Stand der Technik näher erläutert: Die Regel-/Steuereinheit 19 legt über eine entsprechende Steuerleitung 25 ein bestimmte Spannung an der Spule des entsprechenden Relais 18 in der Abtastschaltung 3a an, worauf die Schaltkontakte dieses Relais 18 geschlossen werden. Gleichzeitig veranlasst die Regel-/Steuereinheit 19 den Anregungsschaltkreis 5a zur Abgabe eines Anregungssignals, z.B. einer Wechselspannung mit einer rechteckigen oder sinusförmigen Signalform, über die erste Messleitung 23 an den entsprechenden piezoelektrischen Sensor 2. Die Größenordnung der Spannungswerte des Anregungssignals liege hierbei im Bereich von 10 bis 100 Volt, z.B. 50 Volt. Durch einen im piezoelektrischen Sensor 2 integrierten Übertrager 16b wird dieses Anregungssignal auf eine Spannung von einigen hundert Volt hochtransformiert, bevor es den Piezowandler 17 kurzzeitig zum resonanten Schwingen anregt. Das somit erzeugte Ultraschall-Impulssignal wird in Richtung des Mediums mit einer bestimmten Abstrahlcharakteristik abgestrahlt. Nach einer vom zurückgelegten Weg abhängigen Laufzeit werden die reflektierten Anteile des Ultraschall-Impulssignals wieder vom Piezowandler 17 empfangen. Diese reflektierten Ultraschallsignale werden im Piezowandler 17 in ein elektrisches Empfangssignal umgewandelt, das über die erste Messleitung 23 und einen Begrenzungsschaltkreis 10 an die Signalauswertungseinheit 11 übermittelt wird. Mit dem Begrenzungsschaltkreis 10 wird die Spannung des Anregungssignals auf ein für die Messelektronik der Signalauswertungseinheit 11 verträgliches Maß begrenzt. Das um Größenordnungen kleinere Empfangssignal wird von dem Begrenzungsschaltkreis 10 kaum oder nur geringfügig beeinflusst. Aus der Kenntnis des Erzeugungszeitpunktes und des Empfangszeitpunktes des Ultraschall- Impulssignals wird die Laufzeit bestimmt. Anhand der Zeitdauer bzw. Laufzeit zwischen dem Aussenden der Ultraschall-Impulssignale und dem Empfang der reflektierten Echosignale lässt sich in Bezugnahme der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Impulssignals der Abstand des piezoelektrischen Sensors 2 zu der Mediumsoberfläche ermitteln. Unter Berücksichtigung der Geometrie des Behälterinnern wird dann der Füllstand des Mediums als relative oder absolute Größe ermittelt.
[0024] Aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit von
Ultraschallsignalen und der Abhängigkeit von der Sensorart wird im piezoelektrischen Sensor 2 mittels einem Temperatursensor/Sensorkennung 15 der verwendete piezoelektrische Sensor 2 und die vorliegende Temperatur der über dem Medium befindlichen Gasphase exakt bestimmt. Dies hat den Vorteil, dass die Regel- /Aus werteeinheit 19 Signal Veränderungen aufgrund von Temperaturänderungen des Prozesses im Messsignal kompensieren kann und Änderungen der Sensorart selbständig erkennt. Die Temperatursensor/Sensorkennung 15 wird meist als temperaturabhängiger Widerstand, z.B. PT100, ausgeführt.
[0025] Wie schon zuvor erwähnt, ist ein Nachteil solcher mechanisch aufgebauter
Abtastschaltungen 3a, dass die mechanisch bewegten Komponenten an den Relais 18 aufgrund von Verschleiß nur eine beschränkte Lebensdauer aufweisen. Aus diesem Grund müssen die Relais 18 auf der Abtastschaltung 3a nach einer gewissen Betriebszeit ausgetauscht werden. Desweiteren ist es möglich, dass aufgrund von Sciialtkontaktproblemen, beispielsweise in Form eines erhöhten Übergangswiderstands an den Schaltkontakten der Relais 18, die Empfangssignale im Mikrovolt-Bereich nicht mehr von den Schaltkontakten verlustfrei übertragen werden können und somit das Empfangssignal im schlechtesten Fall nicht mehr von der Signalauswerteinheit 11 ausgewertet und/oder erfasst werden kann.
[0026] Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Ausführung einer Abtastschaltung 3a in Fig.1 ist, dass aufgrund von den prozesstechnischen Gegebenheiten meist lange Leitungen zwischen dem Messumformer 4a oder dem piezoelektrischem Sensor 2 und der Abtastschaltung 3 eingebaut werden müssen, über die die Impulsleistung des Anregungsschaltkreises 5a übertragen werden muss. Damit es zu keinen großen Verlusten des Anregungssignals des Anregungsschaltkreises 5a auf den Leitungsstrecken zwischen dem Messumformer 4a und der Abtastschaltung 3a kommt, müssen diese Leitungen und der Anregungsschaltkreis 5a, wie z. B. ein schwerer, groß volumiger und für die erforderliche Impuls leistung dimensionierte Übertrager 16a, entsprechend groß dimensioniert werden.
[0027] In Fig. 2 ist der erfindungsgemäße Aufbau der Vorrichtung Ib zur selektiven Ansteuerung und Auswertung von piezoelektrischen Sensoren 2 gezeigt. Die Vorrichtung Ib weist eine Abtastschaltung 3b mit jeweils einem Anregungsschaltkreis 5b für jeden Ausgang, an dem ein piezoelektrischer Sensor 2 angeschlossen werden kann, auf. Der piezoelektrische Sensor 2 besteht, wie schon zuvor beschrieben, aus zumindest einem Piezowandler 17, einem Übertrager 16b und einem Temperatursensor/Sensorkennung 15. Über eine beispielsweise dreiadrige Verbindungsleitung 14 sind die piezoelektrischen Sensoren 2 an die jeweiligen Messkanäle 26, bestehend aus einem gemeinsamen Ansteuerungspfad 20 und Empfangspfad 21, sowie einem Kennungspfad 22, der Abtastschaltung 3b angeschlossen. Erfindungsgemäß sind pro Messkanal 26 bzw. pro Anschlussmöglichkeit für einen piezoelektrischen Sensor 2 in der Abtastschaltung 3b jeweils ein Anregungsschaltkreis 5b, sowie jeweils ein Begrenzungsschaltkreis 10 vorgesehen. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Abtastschaltung 3b ist, dass anhand der den jeweiligen Messkanälen 26 zugeordneten Anregungsschaltkreisen 5b und Begrenzungsschaltkreisen 10 und aufgrund der Beschränkung auf einen dreiadrigen Anschluss der Sensoren 2 auch ältere und/oder zuvor eingesetzte Sensoren 2 an die Anschlussklemmen anschließbar sind.
[0028] Die Anregungsschaltkreise 5b sind beispielsweise entsprechend den in der Offenlegungssdirift DE 1020040208951 angeführten Endstufen ausgebildet. Diese Anregungssdialtkreise 5b bzw. Endstufen dienen zur Ansteuerung der piezoelektrischen Sensoren 2 ohne einen groß volumigen Übertrager 16a, wodurch sich diese erfindungsgemäße Ausgestaltung der Abtastschaltung 3b recht kompakt aufbauen lässt. Für die explizite Ausführung dieses Anregungsschaltkreises 5b in Form einer Endstufe ohne Übertrager 16a wird auf die oben aufgeführte deutsche Offenlegungsschrift verwiesen.
[0029] Diese Anregungsschaltkreise 5b werden über zumindest eine erste Selektionseinheit 6, wie z.B. einen digitalen Demultiplexer, von der Ansteuereinheit 13 angesteuert, indem die Schaltelemente 9 des Anregungsschaltkreises 5b beispielsweise in Form eines Leistungs-MOSFET (Metall-Oxide-Fieldeffekt-Transistor) oder eines Bipolar- Leistungstransistors mit isolierter Basiselektrode (IGBT) in vorgegeben Schaltzyklen angesteuert werden. Die Transistoren der Anregungsschaltkreises 5b haben ein festes Bezugspotential, so dass diese recht einfach von der Ansteuerungseinheit 13 angesteuert werden können.
[0030] Die im Messumformer 4b integrierte Regel-/Auswerteeinheit 19 steuert die Ansteuereinheit 13 so an, dass diese in der gewünschten Schaltfrequenz ein Ansteuerungssignal, beispielsweise ein Impulssignal, an die erste Selektionseinheit 6 ausgibt. Die erste Selektionseinheit 6 gibt diese Impulssignale an den von der Regel- /Steuereinheit mittels einer Adresse an dem Selektionseingang 8 ausgewählten Anregungsschaltkreis 5b weiter. Der Vorteil dieser Schaltung liegt auch darin, dass bis auf die Ansteuerung des entsprechenden Anregungsschaltkreis 5b alles im Niederspannungsbereich erfolgen kann und erst das Aufschalten der Anregungssignale auf den Ansteuerungspfad 20 im Hodispannungsbereich von einigen Hundert Volt erfolgt.
[0031] Es ist auch möglich, die Anregungsschaltkreise 5b mittels einer Leistungs-
CMOS-Technik (Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor) auszuführen. In dieser in Fig. 2 nicht explizit gezeigte Ausführungsformen der Erfindungen ist nur eine erste Selektionseinheit 6 zur selektiven Ansteuerung der Anregungsschaltkreise 5b durch die Ansteuereinheit erforderlich. Jedoch muss in dieser Ausgestaltung der Anregungsschaltkreise 5b in CMOS-Technik eine Element zur Vermeidung der Querströme im Umschaltzeitpunkt des komplementär geschalteten n-Kanal- und p- Kanal-MOSFET vorgesehen werden.
[0032] Der Ansteuerungspfad 20 und Empfangspfad 21 wird über eine gemeinsame Ader der Verbindungsleitung 14 an den Übertrager 16b des piezoelektrischen Sensors 2 geführt. Aus diesem Grund wird nach der Aufsplittung des Ansteuerungspfads 20 und des Empfangspfads 21 in der Abtastsdialtung 3b im Empfangspfad 21 ein Begrenzungssdialtkreis 10 zur Absdiwädiung des Anregungssignals über den Anregungspfad 20 notwendig. Dieser Begrenzungssdialtkreis 10 ist, wie beispielhaft gezeigt, aus einer Vielzahl von Dioden, Widerständen und Kondensatoren aufgebaut. Außerdem hat der Begrenzungssdialtkreis 10 die Aufgabe die nachfolgende empfindlidie Elektronik, wie z.B. die Signalauswerteeinheit 11, vor zu hchen Spannungsspitzenwerten zu sdiützen und sogleidi das reflektierte Empfangssignal nahezu ungedämpft passieren zu lassen. Über die zweite Selektionseinheit 7 wird abhängig von der Adresse auf dem Selektionseingang 8 das reflektierte Empfangssignal des entspredienden piezoelektrischen Sensors 2 über den zugeordneten Begrenzungssdialtkreis 10 auf den Eingang der Signalauswerteeinheit 11 gelegt und in der Signalauswerteeinheit 11 signaltedinisdi ausgewertet. Desweiteren wird von der Temperaturmesseinheit/Sensorbestimmungseinheit 12 über den Kennungspfad 22 der Temperatursensor/Sensorerkennung 15 die Prozesstemperatur zur Kompensation der Ausbreitungsgeschwindigkeit und Art des angeschlossenen piezoelektrischen Sensors 2 ermittelt. Die Auswahl des entsprechenden Empfangspfads 21 und des entsprechenden Kennungspfads 22 erfolgt durdi die Ansteuerung der zweiten Selektionseinheit 7 über die Adresse des aktiven Messkanals 26 auf dem Signaleingang 8.
[0033] Eine weitere und nidit explizit in Fig. 2 dargestellte Ausgestaltungsform ist, dass die Signalauswerteeinheit 11, die Temperaturmesseinheit/Sensorbestimmungseinheit 12 und die Ansteuerungseinheit 13 in der Regel-/Auswerteeinheit 19 integriert sind. Diese Integration ist vor allem dann möglidi, wenn es sidi bei der Regel-/ Auswerteeinheit 19 um einen Mikroprozessor mit analogen Signalauswertebausteinen handelt.
[0034] Bezugszeichenliste
Tabelle 1

Claims

Ansprüche
[0001] Vorrichtung (Ia, Ib) zur Ermittlung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums, mit piezoelektrischen Sensoren (2) zur Erzeugung und zum Empfang von Ultraschallsignalen, mit einer Abtastschaltung (3a, 3b) zur selektiven Auswertung und selektiven Ansteuerung einer Vielzahl von piezoelektrischen Sensoren (2) mittels zumindest einem Messumformer (4a, 4b), mit einer Signalauswertungseinheit (11) im Messumformer (4a, 4b), die anhand dem Laufzeitmessverfahren der Ultraschallsignale den Füllstand des Mediums bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abtastschaltung (3b) für jeden anzusteuernden piezoelektrischen Sensor (2) wenigstens ein Anregungsschaltkreis (5b) zur selektiven Ansteuerung des ausgewählten piezoelektrischen Sensors (2) für die Erzeugung von Ultraschallsignalen vorgesehen ist.
[0002] Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine erste Selektionseinheit (6) in der Abtastschaltung (3b) vorgesehen ist, die die jeweils über einen Selektionseingang (8) ausgewählten Anregungsschaltkreise (5b) ansteuert und/oder regelt.
[0003] Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem
Anregungsschaltkreisen (5b) zumindest zwei Schaltelemente (9) vorgesehen sind, die angesteuert durch die erste Selektionseinheit (6) zueinander konträre und/oder unterschiedliche Potentiale sequentiell auf den ausgewählten piezoelektrischen Sensor (2) schalten.
[0004] Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als
Schaltelemente (9) elektrisch oder optisch ansteuerbare Transistoren in den Anregungsschaltkreisen (5b) vorgesehen sind.
[0005] Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine in der Abtastschaltung (3b) ausgestaltete zweite Selektionseinheit (7) vorgesehen ist, die über den jeweils angesteuerten Selektionseingang (8) der piezoelektrischen Sensoren (2) mit einer Auswerteeinheit (11) über einen Empfangspfad (21) sequentiell, selektiv oder zyklisch elektrisch verbindet.
[0006] Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schutz der zweiten Sebktionseinheit (7) ein Begrenzungsschaltkreis (10) zur Begrenzung der maximalen Spannung im Empfangspfad (21) vorgesehen ist.
[0007] Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Sebktionseinheit (6) ein digitaler Demultipbxer vorgesehen ist.
[0008] Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass als zweite
Sebktionseinheit (7) ein analoger Multipbxer vorgesehen ist.
[0009] Vorrichtung nach Anspruch 2, 5 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
Sebktionseingänge (8) der ersten Sebktionseinheit (6) und zweiten Sebktionseinheit (7) paralbl geschaltet sind und eine Regel-/Auswerteeinheit (19) alb Sebktionseingänge (8) mit einer gbichen Sebktionsadresse ansteuert.
[0010] Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im
Messumformer (4b) eine Temperaturmesseinheit/Sensorbestimmungseinheit (12) zur Ermittlung der Sensortemperatur und des angeschlossenen Sensortyps über einen Kennungspfad (22) vorgesehen ist.
[0011] Vorrichtung nach Anspruch 1, 5, 9 oder 10 dadurch gekennzeichnet, dass die
Signalauswerteeinheit (11), die Ansteuerungseinheit (13) und/oder Temperaturmesseinheit/Sensorbestimmungseinheit (12) als ein integrabr Bestandteil der Regel-/Auswerteinheit (19) ausgestaltet ist.
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