JP2908353B2 - 容器内の液体の所定の充填レベルを監視する装置 - Google Patents

容器内の液体の所定の充填レベルを監視する装置

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JP2908353B2 JP8274881A JP27488196A JP2908353B2 JP 2908353 B2 JP2908353 B2 JP 2908353B2 JP 8274881 A JP8274881 A JP 8274881A JP 27488196 A JP27488196 A JP 27488196A JP 2908353 B2 JP2908353 B2 JP 2908353B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、容器内の液体の所
定の充填レベルを監視する装置に関する。この場合、超
音波変換器が設けられており、該超音波変換器は、監視
すべき充填レベルの高さにある測定個所において容器壁
の外側に取り付けられており、該超音波変換器は所定の
送信周波数の交流電圧パルスにより励振されると超音波
送信パルスを容器壁へ伝達し、該超音波変換器は反射し
たエコーパルスにより形成される超音波振動を電気的な
受信信号に変換し、該受信信号は評価回路へ伝送され、
該評価回路はエコー信号の有無に基づき測定個所が液体
で覆われているか否かを検出する。
【０００２】
【従来の技術】この種の装置はたとえば国際公開第９５
／１２８０４号により公知であり、この装置の場合、充
填レベルの監視は以下の現象に基づいて行われる。すな
わち、測定個所が液体により覆われているとき、超音波
変換器から発せられる超音波送信パルスに基づき容器壁
から液体へ超音波が照射され、その超音波が液体中を伝
播し、対向する容器壁において反射した後、超音波変換
器が取り付けられている容器壁の個所へ戻される。エコ
ー信号により生成された容器壁の超音波振動は超音波変
換器により交流電圧信号に変換され、この信号は評価回
路へ導かれる。このようにして評価回路は、送信パルス
送出後の所定の期間中に電気的なエコーパルスを受信す
る。そしてこの所定の期間とは、対向する容器壁に至り
そこから戻るまでの液体中における超音波の伝播時間に
相応するものである。送信パルス送出後のこの期間中に
エコーパルスが出現したことから、測定個所が液体で覆
われていることが評価回路により検出されて、監視すべ
き充填レベルに達したかあるいはそれを超えていること
が指示される。これに対し測定個所が液体により覆われ
ておらず液面よりも上で空気に触れている場合には、評
価回路は送信パルス送出後の同じ期間中にはエコー信号
を受信しない。このことは第１に、容器壁と空気の音響
インピーダンスの差が大きいことから、空気中への超音
波の照射が著しく小さいことに起因している。しかしそ
れにもかかわらず弱いエコーを検出しようとするなら
ば、液体中と空気中での音響速度の差が著しく大きいこ
とから、そのようなエコーはかなり後になって現れるこ
とになる。所期の受信時点にはエコーパルスが存在しな
いことから、測定個所は液体で覆われていないことが評
価回路により判定されて、容器内の所期の充填レベルに
は達していないことが指示される。
【０００３】この公知の方式はエラーに対し信頼性のあ
るものではない。つまりエコーパルスが存在していない
ということからは、そのことが所期の充填レベルには達
していないことに本当に基づくものであるのか否かを検
知できないし、あるいは別の原因があるのか否かを検知
することはできないのである。たとえば回路の一部が故
障していたり線路が切断されていたり類似の障害が生じ
ていたりしたときには、たとえ測定個所が液体で覆われ
ていたとしてもエコーパルスは受信されない。さらに、
超音波の伝播条件がたとえば充填プロセス中の気泡の形
成により一時的に妨害を受けることも起こり得る。この
ような状況の場合もやはりエコーパルスは受信されず、
たとえ実際には測定個所が液体で覆われていたとして
も、容器内で所期の充填レベルには達していないことが
評価回路により指示されてしまうことになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題および利点】したがって
本発明の課題は、冒頭で述べた形式の装置においてエラ
ーに対し高度な信頼性を有するように構成することにあ
る。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明によればこの課題
は、超音波変換器は、容器壁の厚み共振周波数と等しい
送信周波数で励振され、測定個所が液体で覆われている
か否かを検出するため、前記評価回路において容器壁の
事後振動により送信パルスの終了後に生じる超音波振動
も評価されることにより解決される。
【０００６】
【発明の実施の形態】本発明による方式では、容器壁の
厚み振動は送信パルスの終了とともにただちに止むもの
ではなく容器壁の事後振動に起因して徐々に減衰してい
くということを利用している。事後振動の持続期間は、
容器壁における測定個所が液体で覆われているか否かに
依存する。測定個所が覆われている場合、この振動は測
定個所が覆われていないときよりも強く減衰され、その
結果、振動はいっそう速く消滅していく。容器壁の事後
振動は超音波変換器により交流電圧信号に変換され、こ
の信号も同様に評価回路へ導かれる。送信パルス終了後
の所定の期間内に事後振動による信号が欠けていること
を評価回路が検出すれば、そのことから評価回路は測定
個所が液体で覆われていることを識別し、つまり監視す
べき充填レベルに達しているかそれを超えていることを
識別する。これに対し送信パルス終了後の同じ期間内に
事後振動による信号が存在していれば、そのことから評
価回路は測定個所が液体で覆われていないことを識別
し、つまり監視すべき充填レベルには達していないこと
を識別する。
【０００７】評価回路により評価される両方の信号つま
りエコー信号と事後振動信号は、ある意味で相補的なも
のである。つまり、測定個所が覆われていればエコー信
号は存在するが事後振動信号は存在しない。また、測定
個所が覆われていなければ、事後振動信号は存在するが
エコー信号は存在しない。したがってこれら両方の状態
の各々について、充填レベルに関して肯定的かつ確実な
情報を供給する信号値がある。両方の信号のうち一方が
容器または測定装置の誤った状態に起因して欠けている
が他方の信号が存在していれば、得られた信号はまだ充
填レベルを適正に表すものである。これに対し、それ自
体エラーのない他方の信号も欠けているような状態を充
填レベルが有していれば、両方の信号が同時に欠けるこ
とにより、エラー状態の生じていることが指示される。
両方の信号のいずれが誤ったものであるかが検出される
とただちに、他方の信号のみで測定を継続させることが
でき、その際にはエラーに対し従来の測定装置の場合と
同程度の信頼性が依然としてある。当然ながら、容器ま
たは測定装置の誤った状態に起因して両方の信号が欠け
ているときにも、両方の信号が同時に欠落したことによ
りこの誤った状態が指示される。
【０００８】このような有利な特徴はコストを僅かに増
やすだけで達成される。それというのは、励振および評
価回路のほとんどすべてのコンポーネントは両方の信号
の取得に対し共通に用いられるからである。この場合、
厚み共振周波数による容器壁の励振は、事後振動信号の
取得についてだけでなくエコー信号の取得についても最
適であることが判明した。
【０００９】従属請求項には本発明の有利な実施形態が
示されている。
【００１０】次に、図面を参照しながら本発明の実施例
について詳細に説明する。
【００１１】
【実施例】図１には、高さＨまで液体１１が充填されて
いる容器１０が示されている。容器１０の底部より上方
で液体１１の表面がある高さＨは容器内の瞬時の充填レ
ベルである。充填レベルは最大高さＨmaxを上回るべき
ではなくかつ最小高さＨminを下回るべきではない。充
填レベルのこれら限界値はそれぞれ“限界レベル”とも
称される。
【００１２】高い方の限界レベルＨmaxの監視のため
に、容器壁１２の外側に充填レベルセンサ１３が取り付
けられている。それは励振および評価電子回路１４に接
続されている。低い方の限界レベルＨminの監視のため
に、容器壁１２の外側に充填レベルセンサ１５が取り付
けられている。それは励振および評価電子回路１６に接
続されている。２つのセンサ１３および１５のそれぞれ
は、それを用いて容器壁１２を通して、容器１０内の液
体１１がセンサ１３ないし１５の高さにあるか否かを検
出することができるように構成されている。このために
２つのセンサ１３ないし１５のそれぞれは、それぞれに
属する励振および評価電子回路１４ないし１６から送出
される電気的な交番電圧パルスによる励振の際に容器壁
１２に向かって超音波パルスを送出しかつ受信された超
音波信号を電気的な交番電圧信号に変換して、電子回路
１４ないし１６に伝送することができる超音波センサと
して構成されている。電子回路１４ないし１６は受信信
号を評価しかつ出力側に容器１０内の充填レベルが監視
すべき限界レベルより上にあるかまたは下にあるかどう
かを指示する信号を送出する。したがってこのような検
出のために、容器壁１２に孔を開けるかまたはセンサを
容器１０の内部に埋め込むことは必要でない。この理由
から、センサ１４および１６は液体１１に直接接触して
いない。
【００１３】２つのセンサ１３および１５並びにそれぞ
れに属する電子回路１４ないし１６は、完全に同じに構
成されている。したがって以下にはセンサ１３および電
子回路１４についてのみ詳細に説明する。以下の説明は
センサ１５および電子回路１６にも同じように当てはま
る。
【００１４】図２にはセンサ１３の斜視図が、図３およ
び図４には容器壁１２に固定されているセンサ１３の断
面図が示されている。図３には、容器壁が平らである場
合の、センサ１３の断面図が示されており、図４には、
容器壁が円筒形である場合の、センサ１３の断面図が示
されている。図１には分かりやすくするためにセンサ１
３とは別個に示されている励振および評価電子回路１４
は、図２ないし図４に図示の実施例においてはセンサ１
３と一緒に組み込まれている。
【００１５】図２に図示のセンサは、超音波センサおよ
び励振および評価電子回路のすべての構成要素を含んで
いるセンサブロック２０と、センサブロック２０を種々
異なった形状および大きさ並びに種々異なった材料から
成る容器に固定するために用いられるアダプタ部２１と
から成っている。センサブロック２０は、カバー２３に
よって閉鎖されているセンサケーシング２２を有してい
る。カバーはねじ２４を用いてセンサケーシング２２に
固定されている。センサブロック２０はねじ２６を用い
てアダプタ部２１に固定されている。ねじ２６は、セン
サケーシング２２の狭幅側にある突出部２７に設けられ
た孔を通って案内されておりかつアダプタ部２１におけ
る対応する突出部２８内のねじ孔にねじ込まれている。
２つのねじ２６を外した後、センサブロック全体はその
まま、容器壁１２に固定されているアダプタ部２１から
取り外すことができる。逆に、センサを組付けるため
に、センサブロック２０なしのアダプタ部２１が容器壁
の所望の箇所に適当な方法で固定され、かつ引き続いて
超音波センサが作動準備状態で組み付けられているセン
サブロック２０がアダプタ部２１に装着されかつねじ２
６を用いて固定される。センサケーシング２２から側方
に突出している接続部２９によって、センサケーシング
２２内に収容されている電子回路と外部の接続導体との
接続が可能である。
【００１６】アダプタ部２１は、実質的にプレート３０
から成る合成樹脂成形部である。プレートの輪郭はセン
サケーシング２２の輪郭に相応し、したがって図示の実
施例では矩形である。プレート３０の周囲の回りに環状
に、フレーム３１が成形加工されている。フレームは容
器壁の方の側において溝３２を備えており、そこにパッ
キン３３がはめ込まれている。容器１０が円筒形である
場合母線に沿って容器壁１２に当接されているアダプタ
部２１の長手側において、フレーム３１は同じ高さを維
持している。容器１０が円筒形である場合周面に沿って
容器壁１２に当接されているアダプタ部２１の横断側に
おいて、フレーム３１は、図４に前側の横断面に見えて
いるような円弧状の空所３４を有している。空所３４の
曲率半径はアダプタ部２１が取り付けられるべきであ
る、最小の直径を有する容器１０の容器壁１２の半径に
相応している。したがって、超音波センサ１３が、その
公称幅（直径）が少なくとも２００ｍｍである容器に対
して定められているとき、空所３４の曲率半径は１００
ｍｍである。
【００１７】パッキン３３は、アダプタ部２１が容器壁
１２にまだ取り付けられておらず、したがってパッキン
３３がまだ変形されていないとき、容器壁に取り付ける
ように定められているそのシール面が１平面内にあるよ
うに、形成されている。この条件が満たされているよう
に、パッキン３３はフレーム３１の長手側に沿って同じ
高さを維持しており、一方それぞれの横断側の領域にお
ける高さは、空所３４の形状に相応して、中央に向かっ
て円弧状に大きくなっている。図３および図４から見て
取れるように、パッキン３３は有利には、その間に切り
込み３６が存在している２つのシール用リブ３５を有す
るように形成されている。シール用リブ３５はフレーム
３１の長手側に沿って（図４）比較的低く、かつ切り込
み３６の深さはそこでは相応に僅かである。これに対し
てフレーム３１の横断側に沿って、シール用リブ３５の
高さおよび切り込み３６の深さはパッキン３３の高さと
同じ程度に増加している。図３の断面図の横断面は、空
所３４が最も大きな深さを有しているところを通ってい
るので、この断面図においてシール用リブ３５は最大の
長さを有しておりでありかつ切り込み３６は最大の深さ
を有している。
【００１８】アダプタ部２１が平らな容器壁１２に固定
されているとき（図３）、シール用リブ３５は空所３４
の領域において、フレーム３１の直線状の長手側の領域
と同じ程度に圧縮され、したがって比較的僅かに圧縮さ
れる。これに対してアダプタ２１が円筒状の容器壁１２
に固定されるとき（図４）、シール用リブは空所３４の
領域において、フレーム３１の直線状の長手側の領域に
おけるよりも大きく変形され、しかも容器壁１２の曲率
半径が小さければ小さい程、変形はますます大きくな
る。この一層大きな変形は、この領域におけるシール用
リブ３５の比較的大きな高さおよび切り込み３６の比較
的大きな深さによって可能になる。しかしいずれの場合
にも、シール用リブ３５はアダプタ部２１の周面全体に
沿って容器壁１２にシールされて当接している。
【００１９】図３の断面図は、アダプタ部２１の、容器
壁１２に対する固定法の第１実施例を示している：容器
壁１２にボルト３７が溶接されており、それは軸受け３
８の開口を通って突出している。軸受けはアダプタ部２
１のプレート３０に一体成形されている。軸受け３８か
ら突出している、ボルト３７の端部に、ナット３９がね
じ込まれている。ナットはプレート３０を、パッキン３
３が容器壁１２の方向に圧縮されるように締めつけてい
る。場合によってはプレート３０に、容器壁１２に向か
って下方に突出しているスペーサホルダを成形すること
ができる。その場合スペーサホルダは、プレート３０
の、容器壁１２からの規定の間隔、これによりアダプタ
部２１の、容器壁１２に関する規定の位置を確定する。
【００２０】図４の左半部において、アダプタ部２１
の、容器壁１２に対する固定法の別の形式が図示されて
いる。このために、アダプタ部２１のそれぞれの長手側
の中央に形成されている側方のスリット４０に、剛性の
薄板から製造されているアングル部材４１の脚部が挿入
されておりかつそこでねじ４２を用いて固定される。直
角に上方に曲げ出されている、アングル部材４１の他方
の脚部は、端部において鉤状に曲げられている。この鉤
状に曲げられた端部は、容器壁１２に溶接されている軌
条部４３を把持しており、かつ少なくとも１つのねじ４
４を用いて軌条部４３に固定締結されている。この形式
の固定により、簡単な手法で、センサ１３が容器１０に
取り付けられるべきである箇所を定めかつ必要に応じて
後からこの箇所を、アダプタ部２１を軌条部４３に沿っ
て移動することによって変化することができる。
【００２１】更に、図４の右半部には、アダプタ部２１
を容器の回りに置かれている緊張ベルト４９を用いて固
定することもできることが図示されている。このために
スリット４０のそれぞれに、アダプタ部２１の両側にお
いて、アングル部材４１が挿入されておりかつ２つのア
ングル部材４１の上方に曲げ出されている脚部の曲げら
れている上側の端部に、鉤形の弓状部が留め掛けられ、
それらは、２つのアングル部材の一方のみが図４の右半
部において図示されているように、容器の周りに置かれ
ている緊張ベルト４９の端部に取り付けられている。こ
のような緊張ベルトを用いた固定法により、センサ１３
を容器１０に取り付ける場所の選択の自由度が一層大き
くなりかつ付加的に、容器それ自体に手を加える必要が
ないという利点が得られる。上方に曲げ出されている、
アングル部材４１の脚部に緊張ベルト４９を留め掛ける
ことで、緊張ベルト４９からアダプタ部２１に加えられ
る力の作用点は比較的高いところに位置することにな
る。このことは、大きな曲率半径を有する容器では殊
に、容器に加えられる力成分が作用点の高さによって著
しく増加するという理由から有利である。
【００２２】ボルト３７または軌条部４３は溶接ではな
くて、接着によって容器壁１２に固定することができ
る。その場合この形式のアダプタ部２１の固定は、合成
樹脂から成る容器にも適している。
【００２３】センサケーシング２２は、横壁４５によっ
て２つの空間４６および４７に分割されている。容器壁
１２とは反対側の外側の空間４６に、励振および評価電
子回路１４が収容されている。電子回路は通例のよう
に、プリント配線板４８にマウントされている電子素子
から成っている。容器壁１２およびアダプタ部２１の方
の側の内側の空間４７には、超音波センサ１３の構成部
材が組み込まれている。これには殊に、電気音響変換器
５０が属する。この電気音響変換器は、励振および評価
回路から送出される交番電圧パルスを、容器壁１２に伝
送される超音波パルスに変換しかつそれが容器壁１２か
ら受信された超音波パルスを、励振および評価電子回路
に伝送される電気的な交番電圧に変換するために用いら
れる。
【００２４】電気音響変換器５０は図５に比較的詳細に
図示されている。それは能動構成部材として圧電素子５
１を含んでいる。圧電素子は、周知のように、圧電水晶
から成るディスクであって、その両側において、電極と
して用いられる金属化部が被着されている。電極に交番
電圧が印加されると、圧電水晶は、交番電圧の周波数で
機械的な振動に励振され、かつ圧電水晶に機械的な振動
が伝達されるとき、それは電極間に、機械的な振動の周
波数を有する交番電圧を発生する。図５において、電極
は図示されていない。というのは、それは、圧電水晶の
厚みに比べて金属化部の厚さは僅かであるために見えな
いからである。
【００２５】圧電素子５１は、壺形状の変換器ケーシン
グ５２の内部に配設されておりかつ同時に、超音波変換
器５０の振動板を形成している、変換器ケーシング５２
の底部５３上にある。変換器ケーシング５２は合成樹脂
から成っている。
【００２６】圧電素子５１の、振動板５３とは反対の側
において、圧電素子５１を励振および評価回路１４に結
合するために用いられる回路の部品を支持しているプリ
ント配線板５４が配設されている。プリント配線板５４
は、圧電素子５１とは間隔をおいたところにあり、かつ
プリント配線板５４と圧電素子５１との間の中間室に
は、液体の状態で注入されかつそれから固体化された注
封材料５５が充填されている。圧電素子５１の、振動板
５３とは反対の側は、孤立気孔のフォームプラスチック
から成るディスク５６によって被覆されている。このデ
ィスクが、注封材料５５が圧電素子５１と直接接触する
ことを妨げている。プリント配線板５４の上方の空間
も、プリント配線板５４上マウントされているすべての
回路構成部品が注封材料５５の中に埋め込まれるような
高さのところまで注封材料５５が充填されている。注封
材料５５は防爆の理由から規定されているものである。
それは更に、振動板５３とは反対側の方に放射される超
音波の減衰作用をする。
【００２７】圧電水晶素子５１およびプリント配線板５
４の組み込み並びにこれらの部品の鋳込みを容易にする
ために、組み立て用ケース６０が設けられている。これ
は図６，図７および図８に一層詳細に図示されている。
組み立て用ケース６０は合成樹脂から成る成形体であっ
て、図６に平面図にて、図７には図６の一点鎖線に沿っ
た断面図にて、図８には斜視図にて示されている。組み
立て用ケース６０は、比較的幅広の円筒形の部分６１
と、比較的小さな直径の比較的狭い円筒形の部分６２
と、これら２つの円筒形の部分６１および６２の間の円
錐形の部分６３とを有している。比較的幅広の円筒形の
部分６１の外径は壺形状の変換器ケーシング５２の内径
に相応し、かつ狭い方の円筒形の部分６２の内径は圧電
素子５１の直径に相応している。比較的狭い円筒形の部
分６２および円錐形の移行部分６３は、切り取りによっ
て６つのセグメント６４に分割されている。それぞれの
セグメント６４に、円筒形部分６１と円錐形部分６３と
の間の移行部において、半径方向に内側に突出している
突起６５が成形されている。それぞれの突起６５の下側
において、ストッパノーズ６６が成形されている。それ
は円筒形の部分６２の高さの一部にわたってのみ下方に
延在しておりかつほんの僅かだけ半径方向に内方向に突
出している。円錐形の部分６３と比較的幅広の円筒形部
分６１との間の移行部に、肩状部６７が形成されてい
る。比較的幅広の円筒形部分６１の壁に、互いに直径を
はさんで相対向している２つの箇所において切り取りに
よってそれぞれ弾性の係止部材６８が形成されている。
その自由端は僅かに内側に突出しておりかつ肩状部６７
から、プリント配線板５４の厚みに相応する間隔をおか
れている。比較的幅広の円筒形部分６１の周囲に成形さ
れているリブ６９が変換器ケーシング５２における対応
する溝に係合し、これにより組み立て用ケース６０は変
換器ケーシング５２において回転しないように確保され
ている。
【００２８】組み立て用ケース６０の上述の構成によっ
て、超音波変換器５０の構成部品を変換器ケーシング５
２の内側に簡単、迅速かつ正確に組み立てることが可能
になる。圧電素子５１およびその上に載着されている、
孤立気孔のフォームプラスチックから成るディスク５６
は、下方から、圧電素子５１がストッパノーズ６６の端
部に突き当たるまで、比較的狭い円筒形の部分６２に挿
入される。これにより、圧電素子５１の半径方向および
軸線方向の位置は組み立て用ケース６０において正確に
固定されている。フォームプラスチックディスク５６の
直径は圧電素子５１の直径より僅かに小さくかつ２つの
互いに直径をはさんで相対向しているストッパノーズ６
６間の間隔に相応し、かつフォームプラスチックディス
ク５６の厚みはストッパノーズ６６の高さに相応してい
る。これにより突起６５は、圧電素子５１が組み立て用
ケース６０内の突き当たりまで挿入されたとき、フォー
ムプラスチックディスク５６の上側に載置され、かつス
トッパノーズ６６はフォームプラスチックディスク５６
の周囲に位置する。これにより、フォームプラスチック
ディスク５６の、組み立て用ケース６０における半径方
向および軸線方向の位置は正確に固定され、かつフォー
ムプラスチックディスク５６は、突起６５によって、圧
電素子５１の上面に緊密に当接されて保持される。
【００２９】プリント配線板５４は、組み立て用ケース
６０の比較的幅広の円筒形の部分６１の内径に相応する
直径を有する円板である。プリント配線板は、それが肩
状部６７に当接するまで、上方から比較的幅広の円筒形
の部分６１に挿入される。挿入の間、係止部材６８がプ
リント配線板５４の周縁によって、プリント配線板５４
の周縁が係止部材６８の端部を通り過ぎるまで、外方向
に押圧される。それから、係止部材６８がその弾性に基
づいて、再び内方向に突出し、その結果それらは、プリ
ント配線板５４を把持しかつそれを肩状部６７に固定す
る。これにより、プリント配線板５４も、組み立て用ケ
ース６０において半径方向および軸線方向において固定
されている。そこで、組み立て用ケース６０は、壺形状
の変換器ケーシング５２に組み込むための準備状態にな
る。このために、まず、熱硬化性接着剤の一滴が変換器
ケーシング５２の底部５３に被着され、かつ引き続い
て、組み立て用ケース６０は変換器ケーシング５２内
に、圧電素子５１が底部５３に接触するまで、挿入され
る。その際接着剤は、圧電素子５１および底部５３の互
いに向き合っている面間の薄い層に分配される。それか
ら、接着剤は加熱によって硬化され、その際組み立て用
ケース６０は、規定の接着剤層が得られるように、重み
が負荷される。この接着剤層によって、圧電素子５１
と、底部５３によって形成される、超音波変換器５０の
振動板との間の接触が保証され、しかもこれら部品間の
空気層の形成が妨げられる。
【００３０】それから上方から注封材料５５が組み立て
用ケース６０に注入される。この注封材料は、このため
に設けられている、プリント配線板５４中の開口を介し
て、プリント配線板５４とフォームプラスチックディス
ク５６との間の中間室にも流れる。フォームプラスチッ
クディスク５６により、注封材料５５が圧電素子５１の
上面に接触することが妨げられる。フォームプラスチッ
クディスク５６の縁を圧電素子５１の上面に押圧する突
起６５は、フォームプラスチックディスク５６と圧電素
子５１との間に注封材料５５が入り込むのを妨げる。
【００３１】壺形状の変換器ケーシング５２をセンサケ
ーシング２２内に組み込むために、フランジ７１を有す
る保持部材７０が用いられる。フランジには、案内スリ
ーブ７２が成形されている。変換器ケーシング５２が、
該変換器ケーシング５２の外径に相応する内径を有する
案内スリーブ７２に挿入され、その結果変換器ケーシン
グ５２は案内スリーブ７２にスライド可能に支承された
状態になる。変換器ケーシング５２における鍔部５７
が、変換器ケーシング５２が案内スリーブ７２から抜け
出すことを妨げる。変換器ケーシング５２の開いた端部
に、ばね受け部７３が挿入される。ばね受け部７３は、
変換器ケーシング５２の端部に支持される鍔部７４を有
している。ばね受け部７３は、螺旋圧縮ばね５の一方の
端部を受容している。フランジ７１の縁部の周りに環状
に、鍔部７６が延在している。この鍔部の内径は、横壁
４５に成形されている支持体管７７の外径に相応する。
【００３２】保持部材７０を支持体管７７に取り付ける
前に、プリント配線板５４にはんだ付けされておりかつ
超音波変換器５０を励振および評価電子回路１６に接続
するために定められている接続線路７８が、横壁４５か
ら反対側の方向に突出している管部材７９を介して案内
される。フランジ７１に、パッキンリング８０が載着さ
れる。パッキンリングには、リング状のカフ８１の外縁
部が固定されている。カフの内縁部は、変換器ケーシン
グ５２の周りにおかれた弾性リング８２に接続されてい
る。それから鍔部７６が支持体管７７を介して押し込め
られ、かつフランジ７１が、支持体管７７の厚くなった
壁部分にねじ込まれかつそのうち１つが図４に見えてい
るねじ８３を用いて支持体管７７に固定される。ばね７
５は、それがばね受け部７３と横壁４５との間に、保持
部材７０が支持体管７７に固定されているときに、所望
のバイアス力を得るように圧縮されているように、選定
されている。
【００３３】引き続いて、接続線路７８を、プリント配
線板４８に設けられている接続箇所にはんだ付けするこ
とができ、かつ外側の部屋４６は、ほぼ管部材７９の高
さまで注封材料を充填することができる。管部材７９
は、注封材料が内側の部屋４２７に流れることを妨げ
る。
【００３４】これによりセンサブロック２０は作動準備
状態に組み立てられ、かつそれをアダプタ部２１に固定
することができる。このために案内スリーブ７２がアダ
プタ部２１のプレート３０の開口を介して装着され、そ
の結果変換器ケーシング７３の底部、したがって超音波
変換器５０の振動板５３が容器壁１２の外側に当て付け
られる。センサブロック２０が更に、アダプタ部２１の
方向に移動されるとき、変換器ケーシング５２は容器壁
１２によって固定され、その結果それは案内スリーブ７
２に押し込められて、これによりばね７５は一層圧縮さ
れる。最後にセンサブロック２０がねじ２３を用いてア
ダプタ部２１に固定されているとき、振動板２３は、ば
ね７５によって決められている押圧値によって容器壁１
２に押圧される。
【００３５】図３および図４の比較から、センサ１３を
平らな容器壁１２に取り付けた際に（図３）超音波変換
器５０は、湾曲している容器壁の場合（図４）よりも案
内スリーブ７２から大きく突出していることが分かる
が、いずれの場合も、振動板５３の、容器壁１２への当
接はばね７５によって決められる押圧力によって保証さ
れている。
【００３６】超音波センサの申し分ない機能および良好
な効率の実現のために、一方における圧電素子５１と振
動板５３との間、および他方における振動板５３と容器
壁１２との間の良好な音響結合が生じていることが重要
である。殊に、これらの部品の間に、空気層が存在する
ことは許されない。その理由は、それが、圧電素子５１
から容器壁１２およびその逆の経路において音響インピ
ーダンスの著しい上昇を来すことがあるからである。図
９および図１０に基づいて、良好な音響結合を得ること
ができる、振動板５３の有利な実施例について説明す
る。
【００３７】図９における変換器ケーシングの断面図か
ら、振動板５３の内側に、周囲にリング状に延在してい
る窪み８５が成形されており、この窪みが、圧電素子５
１が載着される能動振動板領域８６を取り囲んでいるこ
とが分かる。既に前に説明したように、圧電素子５１と
能動振動板領域８６との間に空気層が生じるのを回避す
るために、組み立て用ケース６０を壺形状の変換器ケー
シング５２に挿入する前に、圧電素子５１の空いている
面に、接着剤が塗布される。それは、組み立て用ケース
６０が能動振動板領域に装着された際に圧電素子５１が
圧着されるとき、これら２つの部品の互いに向き合って
いる面の間に分配される。リング状の窪み８５は、圧電
素子５１と能動振動板領域８６との間の中間室から溢れ
出る余分な接着剤を受け取るために用いられる。有利に
は、熱硬化性の接着剤が使用される。というのは、それ
が、比較的高い作動温度においてもその特性を失わない
からである。
【００３８】振動板５３の外側に、突起８７の列が成形
されている。この列は、能動振動板領域８６の周囲にほ
ぼ一致する円リングにおいて配置されている（図１
０）。突起８７は図示の実施例では円形のネップの形状
を有している。突起８７のリングの外側に存在する、振
動板５３の領域８８は、リングの内側に存在する振動板
面８９に対して多少窪んでいる。図９において、振動板
５３の内側に窪み９０が見えている。それは、接続導体
を振動板上に載着される、圧電素子５１の電極に接続す
るはんだ付け箇所を収容するために用いられる。この窪
みに、振動板５３の外側において、相応に拡張されてい
る突出部９１が対向している。
【００３９】センサ１３を容器壁１２に組み立てる際
に、すなわち既述の実施例において、センサブロック２
０をアダプタ部２１に組み付ける際に、振動板５３と容
器壁１２との間の空気層の形成を妨げかつ振動板５３と
容器壁１２との間の良好な音響結合を実現する材料から
成る結合層が挿入される。容器壁１２に直接接触する突
起８７が、結合層の厚さを決定する。
【００４０】結合層に対する材料として、たとえば、Ｗ
ａｃｋｅｒ ＳｉｌＧｅｌ ６１２という名称で市販さ
れている周知のシリコーンゲルが適している。この場合
それは、２成分の混合後、付加網状化によって１つの非
常に柔らかい、ゲル状の硫化物に凝固する２成分シリコ
ーンゴムである。この材料は２つの成分の混合後、最
初、非常に希溶液状である。このことは、振動板５３が
容器壁１２に装着される前に、それが振動板面８９に塗
布されるとき、それが早期に流れ出すおそれがあるの
で、不都合である。それ故にシリコーンゲルは有利に
は、たとえば５０重量％の割合のガラスファイバの添加
によって強化される。ガラスファイバは、３０μｍの直
径および４００μｍの長さを有することができる。ガラ
スファイバによって、シリコーンゲルの粘度が高めら
れ、これにより早期の流出が回避される。付加的に、結
合層の音響インピーダンスを高める作用もする。その理
由は、それが、合成樹脂振動板５３の音響インピーダン
スに近付くからである。
【００４１】振動板５３を平らな容器壁１２に装着する
際に、結合層の過剰な材料を、突起８７間の中間室を介
して押し出すことができる。この理由から、閉リングを
結合層の厚さを決定するためのスペーサホルダとして設
けることは効果的ではない。
【００４２】振動板５３が円筒形の容器壁１２に載着さ
れるとき、実質的に容器の母線に沿ってのみ、突起８７
と容器壁１２との間の接触が生じる。超音波センサの機
能のために、この接触ラインに沿った状態のみが重要で
ある。というのは、この場合も、突起８７がこの接触ラ
インに沿った結合層の厚さを決定するからである。
【００４３】結合層によって得られる、振動板５３と容
器壁１２との間の良好な結合のために、振動板が合成樹
脂から形成されていることが重要である。というのは、
合成樹脂振動板の音響インピーダンスと結合層の音響イ
ンピーダンスとは同じオーダにあり、その結果大きなイ
ンピーダンス変化が生じないからである。これにより、
比較的厚い結合層の使用が可能である。結合層が厚けれ
ば厚い程、センサの熱的および機械的な安定性は一層良
好である。上方に向かって、結合層の厚さは、その厚み
共振が使用の超音波周波数より上方にあるべきであると
いうことによって制限されている。上述したグラスファ
イバ強化されたシリコーンゲルを使用した場合、結合層
の厚さ、ひいては突起の高さは約０．２ｍｍを有するこ
とができる。
【００４４】振動板５３は変換器ケーシング５２の部分
であるので、変換器ケーシング５２全体は、振動板５３
に適している合成樹脂から形成しなければならない。振
動板の材料に対する主要な要求は、ダイナミックなガラ
ス移行、すなわち合成樹脂が、晶質相からアモルファス
相に移行する温度は、生じ得る最高の作動温度より上方
にあるべきであるということである。ポリエーテルエー
テルキトン（ＰＥＥＫ）が特別良好に適していることが
分かっている。
【００４５】図１１には励起および評価電子装置１４の
ブロック簡略図が示されている。超音波変換器５０は１
つの回路ブロックとしてシンボリックに描かれている。
【００４６】制御回路１００により種々の回路コンポー
ネントのあらゆる機能が制御される。この制御回路には
周波数合成回路１０２が属しており、この回路により超
音波変換器５０の発する超音波信号がもつことになる周
波数の交流電圧が形成される。この周波数は、制御回路
１００から周波数合成回路１０２の制御入力側へ印加さ
れる制御信号により決定される。
【００４７】周波数合成回路１０２の出力側は送信パル
スゲート１０４の信号入力側と接続されており、このゲ
ートはその制御入力側で、超音波変換器５０が超音波パ
ルスを発生すべきたびごとに制御回路１００から開放パ
ルスを受信する。この開放パルスにより送信パルスゲー
ト１０４が開かれ、その結果、周波数合成回路１０２に
より形成された交流電圧が開放パルスの期間にわたり超
音波変換器５０へ印加される。
【００４８】受信側で超音波変換器５０の端子は包絡線
変換器１１０の入力側と接続されており、包絡線変換器
１１０は高域通過フィルタ１１２、増幅器１１４、整流
器１１６および低域通過フィルタ１１８から成る従属接
続体を有している。高域通過フィルタ１１２は、超音波
変換器５０の下方の動作周波数よりも大きい周波数のみ
を通過させる。増幅器１１４は、問題なく整流を行わせ
るため高域通過フィルタ１１２の出力信号を増幅する。
そして整流器１１６およびそれに後置接続された低域通
過フィルタ１１８により、超音波変換器５０から供給さ
れた交流電圧信号の包絡線信号が形成される。
【００４９】図１１による励起および評価回路の主要な
特徴は以下の点にある。すなわち、周波数合成回路１０
２の発生した送信周波数（これにより超音波変換器５０
が励振される）が、超音波センサ１３の取り付けられて
いる容器壁１２の厚み共振周波数と精確に等しくなるこ
とである。この厚み共振周波数を厚み共振の基本周波数
とすることもできるし、あるいはその基本周波数が過度
に低くなってしまうような厚い容器壁であれば、共振の
２次のものとすることができる。図１２および図１３の
ダイアグラムには、この条件のもとで包絡線発生器１１
０の出力側で得られる包絡線信号が示されている。図１
２には、容器１０における充填レベルが超音波センサに
より監視すべき充填レベルよりも上にある状況したがっ
て測定個所すなわち超音波センサの取り付けられている
容器壁１２の個所が液体１１で覆われている状況での包
絡線信号Ｈが時間ｔの関数として示されている。このこ
とは図１のセンサ１５の状態に対応する。さらに図１３
には、容器１０における充填レベルが超音波センサによ
り監視すべき充填レベルよりも下にある状況したがって
測定個所が液体１１により覆われていない状況での包絡
線信号Ｈが時間ｔの関数として示されている。このこと
は図１中のセンサ１１の状態に対応する。
【００５０】図１２には、時点ｔ０で始まり時点ｔ１で
終了する送信パルスＳが示されている。超音波変換器５
０により超音波振動の伝達される位置において、容器壁
１２が送信パルス１２により励振されて固有共振周波数
を有する厚み振動が生じ、これは破線で示されているよ
うに徐々に形成される。送信パルスは、送信パルス終了
よりも前に厚み振動が定常的な最終状態に達するような
長さにすべきである。厚み振動は時点ｔ１における送信
パルス終了によりただちに終了するのではなく、容器壁
の事後振動により徐々に減衰していく。このことで包絡
線信号Ｈには、送信パルスＳの終了に続いて容器壁１２
の事後振動の包絡線Ｎが含まれている。しかしながら、
容器壁１２の振動個所はそこを覆う液体により抑えられ
るので減衰は比較的迅速に行われ、したがって時点ｔ１
後比較的すぐのところに位置する時点ｔ２では事後振動
はほとんど終了しており、時点ｔ２よりも後には事後振
動に起因する包絡線信号はもはや実質的に存在しない。
【００５１】厚み共振で振動中の容器壁は容器の内側へ
超音波も照射する。振動中の測定個所は液体で覆われて
いるので超音波は液体中を伝播し、その結果、超音波は
対向する容器壁まで到達し、そこで反射する。反射した
超音波は超音波センサの取り付けられている個所までエ
コー信号として戻り、容器壁を介して超音波変換器５０
へ伝達されて超音波変換器はそれを電気信号に変換し、
その信号は包絡線発生器１１０の入力側へ達する。した
がって包絡線発生器１１０から送出された包絡線信号に
は、対向する容器壁で反射したエコー信号の包絡線Ｅが
時点ｔ５において現れる。この場合、送信周波数が容器
壁の厚み共振周波数と一致しているときに、このエコー
信号が最適な値で得られることが判明した。
【００５２】図１３にも、時点ｔ０ではじまり時点ｔ１
で終了する送信パルスＳならびに容器壁１２における事
後振動の包絡線Ｎが示されている。容器壁１２における
振動中の測定個所は液体で覆われていないので、この場
合の事後振動は図１２の場合の事後振動よりも僅かな強
さでしか抑圧されず、その結果、この場合には容器壁に
おける厚み共振振動はいっそうゆっくりと減衰する。し
たがって事後振動の包絡線Ｎは、測定個所が覆われてい
るときには実質的に消滅している時点ｔ２でも依然とし
てかなりの大きさを有している。
【００５３】これに対し図１３の包絡線信号Ｈ中には時
点ｔ５においてエコー信号Ｅが現れていない。このこと
は第１に、容器壁と空気の音響インピーダンスの差が大
きいため空気中への超音波の照射が著しく小さいことに
起因している。それにもかかわらず弱いエコーを検出し
ようとするならば、液体と空気の音響インピーダンスの
差が大きいことに起因してエコーは時点ｔ５よりもかな
り後になって現れることになる。
【００５４】図１２および図１３を参照しながら説明し
た現象は、容器１２の測定個所が液体で覆われているか
否かを判定する目的で、図１１の励振および評価回路に
おいて評価される。
【００５５】この目的で、包絡線発生器１１０から供給
される包絡線信号Ｈは積分器１２０とピーク値検出器１
２２へ並列に導かれる。積分器１２０は制御回路１００
から供給される制御信号により制御されて、送信パルス
Ｓが送信されるたびに包絡線信号Ｈが時点ｔ２とｔ３の
間の時間窓Ｆ１中に積分される。ピーク値検出器１２２
は制御回路１００から供給される制御信号により制御さ
れて、エコー信号Ｅのの現れる時点ｔ５を含む時点ｔ４
とｔ６の間の時間窓Ｆ２中に包絡線信号Ｈのピーク値を
検出する。
【００５６】時間窓Ｆ１中の包絡線信号Ｈの積分によ
り、時点ｔ２後のある時点で包絡線信号Ｈを単にサンプ
リングするよりも、時点ｔ２後に事後振動が存在してい
るか否かを求める際の信頼性が高まる。図１２と図１３
の比較によりわかるのは、たとえ図１２で時間窓Ｆ１中
に散発的な障害が生じたとしても、図１３の場合におけ
る時間窓Ｆ１中の包絡線信号Ｈの積分値は図１２の場合
よりも著しく大きいことである。積分器１２０は、積分
値を表すアナログ信号Ｉを出力側から送出する。
【００５７】時間窓Ｆ２の必要とされる理由は、液体中
の音響速度がそれぞれ異なることでエコー信号Ｅの時点
ｔ５の変化する可能性があるからである。同じ液体であ
っても、温度変化に起因して音響速度の変化する可能性
がある。さらに、容器に別の液体が満たされれば種々の
音響速度が生じることになる。この場合、時間窓Ｆ
２は、起こり得るあらゆる条件のもとでエコー信号がそ
の時間窓中に生じるように選定される。ピーク値検出器
１２２は、時間窓Ｆ２中に検出された包絡線信号Ｈのピ
ーク値を表すアナログ信号Ｐを出力側から送出する。
【００５８】積分器１２０の出力側は、スイッチ１２４
を介してアナログ／ディジタル変換器１２８の入力側と
接続されている。ピーク値検出器１２２の出力側は、ス
イッチ１２６を介してやはりアナログ／ディジタル変換
器１２８の入力側と接続されている。これら両方のスイ
ッチ１２６および１２８は、制御回路１００から供給さ
れる制御信号により開／閉可能である。アナログ／ディ
ジタル変換器１２８の出力側はマイクロプロセッサ１３
０と接続されている。
【００５９】マイクロプロセッサ１３０において、積分
器１２０およびピーク値検出器１２２からのディジタル
化された出力信号が以下の規準に従って評価される： −信号Ｉが割り当てられた閾値よりも大きい：測定個所
は覆われていない； −信号Ｉが割り当てられた閾値よりも小さい：測定個所
は覆われている； −信号Ｐが割り当てられた閾値よりも大きい：測定個所
は覆われている； −信号Ｐが割り当てられた閾値よりも小さい：測定個所
は覆われていない。
【００６０】つまり、これら両方の状態”覆われていな
い”と”覆われている”の各々に対し、肯定的な信号値
（”信号あり”）と否定的な信号値（”信号なし”）と
が存在する； −”覆われていない”状態において信号Ｉが存在してい
るのに対し信号Ｐは欠けている； −”覆われている”状態において信号Ｐが存在している
のに対し信号Ｉは欠けている。
【００６１】したがって充填レベルの監視はエラーに対
し高度な信頼性を伴って行われる。これら両方の信号Ｉ
とＰのうち一方だけが割り当てられた閾値をそれぞれ超
えているかぎり、監視すべき充填レベルが適正に求めら
れていることが確実とされる。両方の信号ＩとＰのいず
れも対応づけられた閾値を超えていないか、あるいは両
方の信号ＩとＰが同時に対応づけられた閾値を超えてい
れば、エラーが生じていると識別できる。
【００６２】マイクロプロセッサ１３０は制御回路１０
０へ信号評価結果を供給し、制御回路はそれに応じて出
力側１００ａから、容器内の充填レベルが監視すべきレ
ベルよりも高いか低いかあるいはエラー状態が生じてい
るかを指示する信号を送出する。
【００６３】先に述べたように、周波数合成回路１０２
により形成される送信周波数を容器壁１２の厚み共振周
波数とできるかぎり精確に一致させる必要がある。この
厚み共振周波数は容器壁の材料と厚さとに依存する。２
ｍｍ〜１５ｍｍの壁厚を有する金属製またはガラス製の
容器の場合、評価される厚み共振周波数は約０．６ＭＨ
ｚ〜２ＭＨｚの間にあり、同じ壁厚でプラスチック製容
器の場合には０．３ＭＨｚ〜０．６ＭＨｚの間にある。
また、測定個所が覆われているときの厚み共振周波数と
測定個所が覆われていないときの厚み共振周波数はいく
らか異なる。さらに動作中、厚み共振周波数は殊に温度
に依存して変化する。
【００６４】これらの理由から測定装置を稼働させる前
に、測定個所が覆われている場合と覆われていない場合
の容器壁の厚み共振周波数が求められて、制御回路１０
０内に記憶される。これらの共振周波数は、覆われた状
態での最大ピーク値信号Ｐないしは覆われていない状態
での最大の積分信号Ｉに対応する。さらに動作中、所定
の時間間隔で、稼働開始時に求められた周波数を中心と
した所定の範囲内で厚み共振周波数が補正される。積分
測定に利用される周波数を補正するための基準は最大積
分信号Ｉであり、ピーク値測定に利用される周波数を補
正するための基準は最大ピーク値信号Ｐである。このよ
うにして求められた周波数値が記憶されていた周波数値
から所定の許容閾値よりも大きく異なっているときに
は、記憶されていた周波数値がそれに応じて補正され
る。
【００６５】測定個所が覆われているときと覆われてい
ないときのそれぞれ異なる厚み共振周波数を考慮するた
めに、記憶されていた一方の厚み共振周波数と他方の厚
み共振周波数を順次連続する送信周期において交互に用
いながら測定を実施するとよい。
【００６６】ある送信周期中、制御回路１００により超
音波変換器５０は最大積分信号Ｉを伴う共振周波数に対
応する送信周波数で励振される。同時に制御回路１００
によりスイッチ１２６が開かれ、その結果、ピーク値検
出器１２２の出力信号Ｐはこの送信周期中は評価されな
くなる。測定個所が本当に覆われていないならば、ピー
ク値検出器１２２はこの送信周期中はいずれにせよ有効
な出力信号を供給しないことになる。これに対し測定個
所が覆われているとしたら、ピーク値検出器１２２の出
力信号は最適なものではない。他方、送信周波数は積分
器１２０により最適な出力信号が供給されるような値を
有しており、このとき測定個所は実際に覆われている。
【００６７】次の送信周期において、制御回路１００に
より超音波変換器５０は最大ピーク値信号Ｐを伴う共振
周波数に対応する送信周波数で励振され、さらに制御回
路１００によりスイッチ１２４が開かれる一方、スイッ
チ１２６は閉じられる。したがってこの送信周期中、積
分器１２０の出力信号Ｉは評価されない。測定個所が本
当に覆われているならば、積分器１２０はこの送信周期
中はいずれにせよ有効な出力信号を供給しない。これに
対し測定個所が覆われていないとしたら、積分器１２０
の出力信号は最適なものではなく、その理由はこの信号
が適正な厚み共振周波数において検出されたものではな
いからである。他方、送信周波数はこの送信周期中、ピ
ーク値検出器１２２により最適な出力信号が供給される
ような送信周波数を有しており、このとき測定個所は実
際に覆われている。
【００６８】そしてこれら両方の送信周期が交互に繰り
返される。このことによりマイクロプロセッサ１３０
は、覆われていない状態では積分器１２０から、覆われ
た状態ではピーク値検出器１２２から、適正な厚み共振
周波数で得られたそのつど有効な（つまり割り当てられ
た閾値を超えている）出力信号を受信するようになる。
【００６９】送信周波数が交互に代わるこのような動作
においても、先に述べたエラーに対する信頼性は維持さ
れる。つまり、順次連続する送信周期中に信号ＩとＰが
両方ともそれらに割り当てられた閾値を超えていなけれ
ば、あるいは信号ＩとＰが両方ともそれらに割り当てら
れた閾値を超えていれば、エラーが生じていることにな
る。
【００７０】指示されたエラー状態に基づき、積分器１
２０による事後振動の取得またはピーク値検出器１２２
によるエコー信号の取得が欠けていたり誤っていたりし
たときには、そのつど別の信号を用いることで充填レベ
ルの監視を継続することができ、このことは誤りのある
信号に対応するスイッチ１２４または１２６を持続的に
開いたままにすることで行われる。この場合にはたしか
に、エラーに対し先に述べたいっそう高度な信頼性はな
くなるが、測定装置は依然として公知の測定装置と同じ
エラーに対する信頼性で動作する。また、ある特定の充
填物において両方の信号のうち一方の捕捉が不可能なと
きにも、同様な措置をとることができる。したがって、
構造上の変更を行うことなくこの測定装置をきわめて広
範に利用できる。
【００７１】前述の装置では圧電変換器５０が容器壁１
２の厚み共振周波数により励振されるので、圧電素子５
１をそのつど適用される厚み共振周波数において申し分
なく動作するように構成する必要がある。ディスク状の
圧電素子は２つの振動モードを有しており、つまりそれ
ぞれ異なる共振周波数をもつ厚み振動と半径方向振動と
を有している。しかし半径方向振動は既述の適用事例に
は適しておらず、その理由は、半径方向振動は実践にお
いてプラスチック振動板５３および柔らかい結合層を介
して伝達不可能であり、半径方向振動のエネルギーは損
失とみなさなければならないからである。ソリッドなセ
ラミックスたとえばチタン酸鉛−ジルコニウム（ＰＺ
Ｔ）から成る従来の圧電素子の場合、半径方向振動が著
しくはっきりとあらわれこれを厚み振動と分離するのは
きわめて困難である。したがって、半径方向振動は殊に
事後振動領域において妨害となって現れる。しかしとり
わけいえるのは、従来の圧電素子の利用可能な周波数範
囲が著しく狭帯域なことである。それにもかかわらず、
先に述べた装置の場合、圧電変換器を容器の壁厚と材料
に応じて０．３ＭＨｚ〜２ＭＨｚの範囲の周波数で駆動
させなければならない。従来の圧電素子を利用するなら
ばこのことは、実践において個々の容器に対し精確に整
合された圧電素子を設けなければならないことを意味す
る。これは製造や在庫管理の面でも充填レベル監視装置
の合理的な組み立ての面でも、きわめて不利であるのは
明らかである。
【００７２】したがってこのような困難な点を回避する
ために、３−３形のコネクティヴィティをもつ多孔質の
圧電セラミックするから成る圧電素子５１が用いられ
る。
【００７３】コネクティヴィティ（connectivity）とい
う概念は、多相の固体の構造を特徴づけるために R. E.
Newnham が導入したものであり、これはエレクトロセ
ラミックスの複合材料にも用いられる（R. E. Newnham
"Composite Electroceramics" Ferroelectrics 1986,
Vol.68, p.1-32）。コネクティヴィティにより３次元の
直角の座標系における空間方向が表され、それらの座標
系において各相のコンポーネントが互いに連続して結合
されている。数字０は１つの相のコンポーネントが空間
方向で互いに連続して結合していないことを表してお
り、数字１は１つの相のコンポーネントが１つの空間方
向だけで互いに連続して結合していることを表す．．．
という具合である。”３−３形のコネクティヴィティ”
とは、２相の固体において両方の相の各々のコンポーネ
ントが３つの空間方向すべてにおいて互いに連続して結
合していることを意味する。
【００７４】W. Wersing, K. Lubitz および J. Mohaup
ut による文献”Dielectric, elastic and piezoelectr
ic properties of porous PZT ceramics”, Ferroelect
rics1986, Vol.68, p.77-79 では、一方の相はセラミッ
クス材料から成り他方の相は孔から成る２相の固体とみ
なされる多孔質セラミックス材料にも、コネクティヴィ
ティの概念が適用されている。つまり３−３形のコネク
ティヴィティを有する多孔質セラミックスの場合、セラ
ミックス材料も孔も３つの空間方向すべてにおいて互い
に連続して結合されている。
【００７５】３−３形のコネクティヴィティをもつ多孔
質の圧電素子５１を用いることで、先に述べたあらゆる
問題点がほとんど取り除かれる。まず第１に、半径方向
振動モードが従来の圧電素子よりも強く抑圧される。つ
まりこの圧電素子はほとんど単純な厚み振動子のように
動作する。さらに音響インピーダンスが、プラスチック
振動板５３と結合層（これは振動板５３と容器壁１２と
の間に取り付けられている）における音響インピーダン
スに近くなり、このことで整合性が改善される。しかし
とりわけいえるのは、この圧電素子は従来の圧電素子よ
りも著しく広帯域なことである。つまりこのことによっ
て、０．３ＭＨｚ〜２ＭＨｚの周波数範囲全体を３つま
たは４つの圧電素子でカバーすることができる。
【００７６】しかしながら圧電素子５１が多孔質である
ことから、圧電素子５１において振動板５３とは反対側
の空間を充填する注封材料５５に関して殊に、特別な措
置が必要となる。従来の圧電素子の場合には鋳込みは、
空洞が生じるのを回避し、さらに電気的および電子的コ
ンポーネントを破裂から保護の理由で封入する役割を果
たすとともに、圧電素子において振動板５３とは反対側
の面で音響インピーダンスを減衰させる役割も果たして
いる。本発明で用いられる多孔質セラミックスから成る
圧電素子であれば、音響的理由での鋳込みは不要であ
る。しかし、破裂から保護する理由で鋳込みを行う要求
はやはり存在する。この要求から、充填時に容易に流れ
これにより小さい空洞や空隙も充填されるような注封材
料が必要とされる。この場合、タイプ Sylgard 170 の
さらさらしたシリコン注封材料を用いるとよい。この要
求と、注封材料が圧電素子の孔には入り込まずその特性
を不利に変えないようにする要求とは相反するものであ
る。さらに、不所望な共振が生じるのと事後振動が長引
くのを阻止するためには、注封材料を圧電素子から音響
的に分離しなければならない。このような要求から注封
材料と圧電素子の空間的分離が必要とされるが、やはり
その際には、爆発製ガスがたまるおそれのある空洞が形
成されないように注意しなければならない。
【００７７】互いに部分的に相反するこれらの要求は、
既述の実施例では以下の措置によって満たされる： −孤立気孔のフォームプラスチックから成るディスク５
６を圧電素子５１と注封材料５５との間に挿入する。
【００７８】−変換器ケーシング５２の外で組み立て用
ケース６０において圧電素子５１とフォームプラスチッ
クディスク５６がまえもって組み立てられる。
【００７９】圧電素子を注封材料５５から分離するため
のディスク５６は孤立気孔のシリコンフォームプラスチ
ックにより形成するとよい。これは温度変化に強く、硬
化時相中に注封材料が浸入するのを阻止する。組み立て
用ケース６０においてまえもって組み立てることで、フ
ォームプラスチックディスク５６は組み立て用ケース６
０を変換器ケーシング５２に組み込んだ後でも、突起５
６により圧電素子５１と密接した位置で確実に保持され
るようになり、その結果、フォームプラスチックディス
クと圧電素子との間に注封材料が入り込めないようにな
る。
【００８０】孤立気泡のシリコンフォームプラスチック
はインピーダンスの大きな変化により、圧電素子５１と
フォームプラスチックディスク５６の間でもフォームプ
ラスチックディスク５６と注封材料５５の間でも超音波
を伝達せず、このことにより要求されている音響的分離
が得られる。しかも、柔軟なシリコンフォームプラスチ
ックは圧電素子５１の隣接する電極におけるはんだ個所
にも整合し、接続導線を取り囲む。
【図面の簡単な説明】
【図１】容器内の液体の予め決められた充填レベルの監
視を説明するための概略図である。
【図２】本発明に使用される超音波センサの実施例の斜
視図である。
【図３】平らな容器壁に取り付けられた場合の図２の超
音波センサの断面図である。
【図４】円筒形の容器壁に取り付けられた場合の図２の
超音波センサの断面図である。
【図５】図２ないし図４の超音波センサに使用される超
音波変換器の断面図である。
【図６】図５の超音波変換器に使用される組み立て用ケ
ースの平面図である。
【図７】図６の組立用ケースの断面図である。
【図８】図６および図７の組み立て用ケースの斜視図で
ある。
【図９】図５の超音波変換器の空の変換器ケーシングの
断面図である。
【図１０】図９の変換器ケーシングの底部によって形成
される振動板の外側の平面図である。
【図１１】超音波変換器の励振および評価回路の実施形
態を示すブロック図である。
【図１２】図１１による励振および評価回路の動作を説
明するための信号ダイアグラムである。
【図１３】図１１による励振および評価回路の動作を説
明するための信号ダイアグラムである。
【符号の説明】
１０ 容器 １３，１５ 超音波センサ １４，１６ 励振および評価電子回路 ２０ センサブロック ２１ アダプタ部 ５０ 超音波変換器 １００ 制御回路 １０２ 周波数合成回路 １０４ 送信パルスゲート １１０ 包絡線発生器 １２０ 積分器 １２２ ピーク値検出器 １２８ アナログ／ディジタル変換器 １３０ マイクロプロセッサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 セルゲイ ロパティン ドイツ連邦共和国 レーラッハ フライ ブルガー シュトラーセ 321 アー (72)発明者 ローラント ミュラー ドイツ連邦共和国 シュタイネン イム ヴォルフィッシュビュール 27−１ (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01F 23/00 - 25/00

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 超音波変換器が設けられており、該超音
    波変換器は、監視すべき充填レベルの高さにある測定個
    所において容器壁の外側に取り付けられており、該超音
    波変換器は所定の送信周波数の交流電圧パルスにより励
    振されると超音波送信パルスを容器壁へ伝達し、該超音
    波変換器は反射したエコーパルスにより形成される超音
    波振動を電気的な受信信号に変換し、該受信信号は評価
    回路へ伝送され、該評価回路はエコー信号の有無に基づ
    き測定個所が液体で覆われているか否かを検出する、 容器内の液体の所定の充填レベルを監視する装置におい
    て、 前記超音波変換器は、容器壁の厚み共振周波数と等しい
    送信周波数で励振され、 測定個所が液体で覆われているか否かを検出するため、
    前記評価回路において容器壁の事後振動により送信パル
    スの終了後に生じる超音波振動も評価されることを特徴
    とする、 容器内の液体の所定の充填レベルを監視する装置。
  2. 【請求項２】 前記評価回路内で包絡線信号が形成さ
    れ、該包絡線信号は超音波変換器から送出される電気的
    な受信信号の包絡線に対応し、 測定個所が覆われていれば事後振動が実質的に消滅して
    おり測定個所が覆われていなければ事後振動はまだ消滅
    していない個所での容器壁の事後振動の範囲内にある第
    １の時間窓において、包絡線信号が捕捉され割り当てら
    れた第１の閾値と比較され、 反射したエコーパルスの予期される第２の時間窓におい
    て、包絡線のピーク値が検出されて割り当てられた第２
    の閾値と比較される、 請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記包絡線信号は第１の時間窓において
    積分され、積分値が対応づけられた閾値と比較される、
    請求項２記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記超音波変換器はそれぞれ異なる２つ
    の送信周波数により交互に励振され、該２つの送信周波
    数のうち第１の送信周波数は測定個所が覆われていない
    ときの容器壁の厚み共振周波数と等しく、第２の送信周
    波数は測定個所が覆われているときの容器壁の厚み共振
    周波数と等しい、請求項１〜３のいずれか１項記載の装
    置。
  5. 【請求項５】 超音波変換器が前記第１の送信周波数で
    励振されたときには事後振動による受信信号だけが評価
    され、超音波変換器が前記第２の送信周波数で励振され
    たときにはエコーパルスによる受信信号だけが評価され
    る、請求項４記載の装置。
  6. 【請求項６】 測定個所が覆われていないときの容器壁
    の厚み共振周波数と測定個所が覆われているときの容器
    壁の厚み共振周波数が求められ、評価回路に記憶され
    る、請求項４または５記載の装置。
  7. 【請求項７】 作動中に所定の時間間隔で、ピーク値の
    最大値に対応する送信周波数ないしは積分値の最大値に
    対応する送信周波数が、記憶されている対応の共振周波
    数を中心とした所定の範囲内で検査され、記憶されてい
    る周波数値と隔たっていることが検出されれば周波数値
    が補正される、請求項6記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記超音波変換器は圧電素子を有してお
    り、該圧電素子は３−３形のコネクティヴィティをもつ
    多孔質の圧電セラミックスから成る、請求項１〜７のい
    ずれか１項記載の装置。
  9. 【請求項９】 多孔質の前記圧電セラミックスはチタン
    酸鉛−ジルコニウム（ＰＺＴ）である、請求項８記載の
    装置。
  10. 【請求項１０】 前記圧電素子は、振動板として用いら
    れプラスチックから成るポット状の変換器ケーシングの
    底部に載置されており、 前記変換器ケーシングの内部空間は少なくとも部分的に
    注封材料で満たされており、 圧電素子において振動板とは反対側の面と注封材料との
    間に孤立気孔のシリコンフォームプラスチックから成る
    ディスクが挿入されており、該ディスクにより注封材料
    と圧電素子との接触が阻止される、 請求項８または９記載の装置。
  11. 【請求項１１】 組み立て用ケースが設けられており、
    該組み立て用ケースにおいて変換器ケーシングの外で圧
    電素子がフォームプラスチックディスクといっしょに組
    み立てられ、該組み立て用ケースは、変換器ケーシング
    へ組み込んだ後、注封材料を注入する前に、フォームプ
    ラスチックディスクが圧電素子において振動板とは反対
    側の面と密接した位置に保持されるように構成されてい
    る、請求項１０記載の装置。
  12. 【請求項１２】 振動板と圧電素子において互いに向き
    合った面の間に熱硬化性の接着剤が塗布されており、該
    接着剤は前記組み立て用ケースを変換器ケーシングに組
    み込んだ後、加熱により硬化される、請求項１０または
    １１記載の装置。
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