JP2960726B2 - 充填レベルを測定および／または監視する装置 - Google Patents

充填レベルを測定および／または監視する装置

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    • G01F23/2967—Acoustic waves making use of acoustical resonance or standing waves for discrete levels

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、充填レベルセンサ
を用いて容器内の充填物の充填レベルを測定および／ま
たは監視する装置に関する。この場合、充填レベルセン
サが機械振動系と電気機械変換システムを有しており、
該充填レベルセンサは、充填物が所定の充填レベルに達
したときに前記機械振動系が充填物と接触するよう容器
内に配置されており、前記変換システムは低周波励振回
路および低周波評価回路と接続されており、前記低周波
励振回路は機械振動系を励振して低周波で振動させ、前
記低周波評価回路は、変換システムから供給される電気
信号の周波数および／または振幅を評価して、前記機械
振動系が充填物と接触しているか否かを表す出力信号を
供給する。
【０００２】
【従来の技術】この種の装置は、たとえばドイツ連邦共
和国特許出願 DE 33 36 991 A1 から公知である。この
公知の装置の場合、機械振動系は２つのバーから成り、
これらのバーは互いに間隔をおいて１つのダイヤフラム
に取り付けられており、その周囲はねじ込み部材と接続
されている。また、電気機械変換システムは励振変換器
と受信変換器を有している。そしてこの励振変換器に交
流電圧を印加すると、これはダイヤフラムにおいて各振
動バーとは反対側に対して作用し、各振動バーはそれら
の長手方向と交差する方向で互いに逆方向に振動し、受
信変換器は機械振動系の振動を交流電圧に変換する。こ
れら両方の変換器は、機械振動系がその固有共振周波数
で励振して振動するよう、自励回路において１つの増幅
器と接続されている。機械振動系の固有共振周波数は、
振動バーが空気中で振動するのか容器内の充填物に浸け
られているのかに依存する。つまりその周波数は空気中
で振動する場合よりも浸けられた状態のほうが低いが、
いずれの場合であっても１０００Ｈｚ以下の低い周波数
範囲内にある。この場合、低周波評価回路により、機械
振動系の固有共振周波数と一致する自励回路内に存在す
る交流電圧の周波数が閾値と比較され、その周波数が閾
値を上回っているか下回っているかを表す出力信号が送
出される。
【０００３】ドイツ連邦共和国特許出願 DE 32 15 040
C2 により公知の容器内の充填レベルを測定および／ま
たは監視するための装置は、管状の中空体として構成さ
れた機械振動系を有している。この中空体の空洞部には
横方向部材が配置されていて、これは互いに対向する２
つの取り付け点のところで空洞部の内壁に固定されてい
る。そして励振変換器と受信変換器を含む変換システム
は、半径方向に振動させることのできるこの横方向部材
と共働し、そのような半径方向の振動は管状空洞部の壁
へ伝達される。この機械振動系の固有共振周波数は２０
〜３０ＫＨｚである。管状中空体の外壁における振動は
充填物と接触しているときは減衰され、それに応じて受
信変換器から送出される交流電圧の振幅が変化する。そ
して評価回路はこの交流電圧の振幅を閾値と比較し、管
状中空体が充填物と接触しているか否かが表されるよう
にする。
【０００４】他方、容器内の充填レベルを測定および／
または監視する装置において、固有共振周波数で振動す
る機械振動系を備えておらず超音波周波数レンジにある
周波数の弾性波を用いることで、所定の充填レベルに充
填物が存在していることを突き止めるようにした構成も
知られている。つまりたとえばヨーロッパ特許出願 EP
0409 732 B1 ないしは対応するドイツ連邦共和国特許出
願 DE 690 08 955 T2には、監視すべき充填レベルの高
さ位置に下端部のおかれた弾性波用導波体を垂直方向に
配置して液体について指示するための検出器が記載され
ている。この導波体は２つの円筒領域をもっており、そ
れらの領域のうち上方領域は完全に円筒形であり、下方
領域は上方領域よりも外径が大きく、完全に円筒形また
は管状にすることができる。
【０００５】この場合、導波管の上端部に取り付けられ
た変換器によってパルス状の弾性波が送出され、これは
導波管を通って下端部へ進行する。弾性波の周波数は７
５〜１２５ＫＨｚのオーダである。導波管の下端部が液
体と接触状態になければ、送出された波の列は導波管の
端部において反射し、その結果、それらは大きな振幅の
エコーとして変換器へ戻り、それによって相応の大きさ
の振幅をもつ電気的な受信信号に変換される。これに対
し、導波管の下端部が液体に浸かっていると、変換器に
より送出された波の列は液体により吸収され、その結
果、反射エコーが著しく減衰されることになる。したが
って電気的な受信信号を閾値と比較することにより、容
器内の液体の充填レベルが導波管下端部の高さ位置より
も上にあるか下にあるかを判定できる。反射エコーの減
衰が大きくなればなるほど導波管が液体中にいっそう多
く浸かっていることになるので、電気的受信信号の振幅
を種々の閾値と比較すれば、導波管下方領域の所定の区
間内で充填レベルがどの高さにあるのかを求めることも
できる。
【０００６】このように、機械振動を用いて容器内の充
填レベルを測定および／または監視するための低周波お
よび高周波のシステムが市販されている。低周波測定シ
ステムの典型的な周波数は１０００Ｈｚ以下の可聴音響
レンジにある一方、高周波システムの典型的な周波数は
１５ＫＨｚ以上の超音波レンジにある。
【０００７】これらの方式の各々は、捕捉すべき充填物
および支配している周囲の影響に応じて、それぞれ利点
と欠点を有している。たとえば高周波測定システムは、
炭酸水などガスを発生する充填物のときに問題点を有し
ている。それというのも、機械振動系における気泡によ
って測定信号の信頼性が著しく劣化してしまうからであ
る。この問題点は、多重反射を複雑なやり方で評価する
ことよってしか克服できない。これに対し低周波測定シ
ステムは、ガスを発生する充填物であっても問題なく動
作する。堆積物が形成された状況における動作もそれぞ
れ異なる。柔らかい堆積物の場合、低周波測定システム
の動作は信頼性を失うのに対し、高周波測定システムの
動作は信頼性を有している一方、硬い堆積物であるとそ
の動作は逆になる。
【０００８】さらに、低周波測定システムは未知の低周
波振動によって障害を受け、高周波測定システムは未知
の高周波振動によって障害を受ける一方、これら両方の
種類の測定システムは、それ以外の周波数レンジの未知
の振動によっても損なわれることはない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】したがって本発明の課
題は、容器内の充填レベルを測定および／または監視す
るための装置を低コストで提供し、その際、多方面にわ
たり種々の充填物の充填レベルを様々な条件のもとで捕
捉するために用いることができるよう構成することにあ
る。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明によればこの課題
は、充填物が所定の充填レベルに達したときに充填物と
接触する充填レベルセンサの構成部材が、高周波の弾性
振動を該構成部材において励起させる電気機械変換シス
テムと接続されており、高周波評価回路が設けられてお
り、該高周波評価回路は、高周波弾性振動に依存して発
生する電気信号の評価により、前記構成部材が充填物と
接触しているか否かを表す出力信号を発生させることに
より解決される。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明による装置は、低周波測定
システムと高周波測定システムを１つに合わせた構成を
有しており、高周波測定システムのために低周波測定シ
ステムの構成部材が用いられる。この解決手段は簡単で
あるしコストを節約するものであり、これによって得ら
れる利点としては殊に、組み合わせられたシステムのた
めの設置条件は低周波測定システム単体の場合と同じで
あることが挙げられる。したがって、組み合わせられた
システムを既存の低周波測定システムと交換すること
で、そのために容器において変更を必要とすることなく
簡単に設置できる。実践においては、各適用事例に関し
て両方の測定システムのうち少なくとも一方によって有
用な結果が得られるので、組み合わせられたこのシステ
ムによって、充填物の幅広いスペクトルにおける充填レ
ベルと適用条件を検出または監視することができる。両
方の測定システムによってともに有用な結果が得られる
ような状況では、冗長性が存在することになり、これに
よって確実性が高められるし、両方の測定システムにお
ける機能を相互にコントロールし合うことも可能にな
る。
【００１２】本発明による装置の１つの実施形態によれ
ば、高周波測定システムのために用いられる充填レベル
センサの構成部材が弾性波導波管として構成されてお
り、その中で高周波の弾性振動が波として伝播し、高周
波評価回路によって弾性波の伝播進行時間を捕捉して評
価するように構成されている。
【００１３】本発明による装置のさらに別の実施形態に
よれば、高周波評価回路は上記構成部材の高周波弾性振
動の周波数を評価する。
【００１４】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。
【００１５】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。
【００１６】
【実施例】図１に示されている充填レベルセンサ１０
は、容器内の充填レベルを測定および／または監視する
ために用いられ、これには管状ケーシング１２が設けら
れており、これは容器壁１４の開口部において監視すべ
き充填レベルの高さのところに取り付けられている。ケ
ーシング１２において容器内部に向いた端部は、機械振
動系２０を支持している。図示されている実施例の場
合、機械振動系２０はダイヤフラム２２と２つの振動バ
ー２４，２５から成る。ダイヤフラム２２はその周縁部
で環状に管状ケーシング１２と結合されており、さらに
２つの振動バー２４，２５はそれぞれ一端でダイヤフラ
ム２２に取り付けられていて、これによりそれらの振動
バーは互いに平行にダイヤフラム２２から容器内部に突
出している。各振動バーには互いに正反対に対向する平
坦なパドルが取り付けられており、それらは振動バーの
自由端からその長手方向の一部分の上に延在しており、
両方の振動バーの軸を含む平面に対し交差する方向に位
置している。図１にはこれらのパドルのうち振動バー２
５の両方のパドル２６のうちの一方しか示されていない
が、図４には振動バー２４における両方のパドルが示さ
れている。
【００１７】ダイヤフラム２２において容器とは反対の
側は電気機械変換システム３０と接続されており、これ
は機械振動系２０をその固有共振周波数で励振して振動
させることができるように構成されている。この目的で
電気機械変換システム３０は有利には、電気機械励振変
換器３１と電気機械受信変換器３２を有している。これ
ら両方の電気機械変換器３１，３２の各々は、供給され
る交流信号（交流電圧または交流電流）を機械振動に変
換し、反対にそれらに作用する機械振動を交流信号に変
換することができる。実例として各変換器３１，３２を
圧電変換器とし、それらの変換器が少なくとも１つの圧
電素子を有するものとする。この種の圧電素子は周知の
ように、２つの電極間に配置された圧電結晶スライスか
ら成る。圧電結晶の厚さは電極に印加される電圧に依存
して変換し、その逆に圧電結晶の厚みを機械的に強制的
に変化させることで電極において電圧が発生する。励振
変換器３１はダイヤフラムと接続されており、この変換
器は交流電圧が印加されたときに圧電結晶の厚み振動に
基づきダイヤフラム２２を振動させ、この振動は両方の
振動バー２４，２５に伝達され、その結果、それらの振
動バーは長手方向に対し交差する方向で互いに逆方向に
機械的に振動する。その際、振動平面は、両方の振動バ
ーの軸を含み図１の図平面と一致する平面である。受信
変換器３２はダイヤフラム２２と接続されており、この
変換器はダイヤフラム２２の機械振動に基づきその両方
の電極間で交流電圧を発生する。圧電変換器３１と３２
は、ダイヤフラム２２とブリッジ３３との間に積み重ね
られて挟み込まれており、ここでブリッジ３３は支持体
３４と３５によりダイアフラム２２に対し間隔をおいて
保持されている。
【００１８】圧電変換器３１と３２は、図２に示されて
いるように低周波励振回路および評価回路３６と接続さ
れており、これはケーシング１２内に収容可能である。
両方の変換器３１，３２の各々におけるそれぞれ一方の
電極はアース端子と接続されており、これはたとえばダ
イヤフラム２２とケーシング１２により形成できる。受
信変換器３２の他方の電極は増幅器３７の入力側と接続
されており、その出力側に励振変換器が接続されてい
る。このように、機械振動系２０を介して互いに結合さ
れた２つの変換器３１，３２を有する充填レベルセンサ
１０は、増幅器３７のフィードバック回路中におかれて
おり、これは励振条件が満たされるように構成されてい
て、このことによって機械振動系は両方の変換器３１，
３２により固有励振周波数で励振して振動することにな
る。この固有励振周波数は可聴音響周波数レンジにあ
り、一般に１００Ｈｚ以下であって、つまり低い周波数
である。
【００１９】既述の充填レベルセンサ１０を用いた充填
レベルの監視にあたり、機械振動系２０の固有励振周波
数が、振動バー２４，２５が空気中で振動しているのか
充填物に浸かっているのかに依存することを利用してい
る。固有励振周波数は、一方では復帰ばねとしてはたら
くダイヤフラム２２のばね定数により決まり、他方では
振動質量体によって決まる。振動質量体は、振動バー２
４，２５の質量と振動運動時に振動バーによりいっしょ
に動かされる周囲の媒体の質量とから成る。振動バー２
４，２５が空気中にあれば、いっしょに動かされる空気
の質量は無視できる程度であり、実質的に振動バーの質
量によって決まる固有励振周波数が生じる。これに対
し、振動バー２４，２５が充填物中に浸かっていると、
いっしょに動かされる質量はそれよりも大きくなり、そ
れに応じて機械振動系の固有励振周波数は低くなる。こ
の作用はパドル２６により増強される。その理由は、そ
れらのパドルはいっしょに動かされる充填物の質量を大
きくするからである。
【００２０】機械振動系２０の固有励振周波数の変化を
捉えるため、図２の回路において増幅器３７の出力側に
周波数弁別器３７が接続されている。この周波数弁別器
３７により、増幅器３７から送出され機械振動系２０の
固有共振周波数と等しい交流電圧の周波数が閾値と比較
される。その周波数が閾値を超えていれば周波数弁別器
３８の出力信号は第１の信号値をとり、この第１の信号
値によって、振動バー２４，２５は空気中で振動してお
り、つまり監視すべき充填レベルには到達していない、
ということが表される。これに対し、増幅器から送出さ
れる交流電圧の周波数が閾値を下回っていれば、周波数
弁別器３８の出力信号は第２の信号値をとり、この第２
の信号値によって、振動バー２４，２５は充填物によっ
て覆われておらず、つまり監視すべき充填レベルには到
達していないかそれを超えていない、ということが表さ
れる。
【００２１】これまで述べてきた充填レベルセンサ２０
の低周波測定システムの構造ならびに機能は、たとえば
ドイツ連邦共和国特許出願 DE 33 36 991 A1 により公
知である。しかし図１に示されている充填レベルセンサ
は従来技術のものとは異なり、高周波測定システムも付
加的に装備している。
【００２２】図１に示した振動バー２４の断面図からわ
かるように、この振動バーは中空管４０として構成され
ている。中空管４０は、ダイヤフラム４０とは反対側の
端部で密閉されている。この中空管４０において、ダイ
ヤフラム２２の近くに超音波変換器が設けられている。
超音波変換器４２によって高周波超音波振動を中空管へ
伝達することができ、これは弾性波用導波管として用い
られる中空管内を弾性波として伝播可能である。そして
この弾性波は中空管４０に沿って密閉端部まで進行し、
そこにおいて弾性波は反射し、エコー波として超音波変
換器４２へ戻ってくる。この高周波測定システムを用い
た充填レベルの監視にあたり、中空管４０内における超
音波の伝播速度は、中空管４０が空気中に存在している
のか充填物中に浸かっているのかに依存する、というこ
とを利用している。つまり伝播速度は、中空管が浸かっ
ているときには管壁と接する付加的な質量ゆえに空気中
よりも遅く、したがって中空管が浸かっているときの弾
性波の進行時間は、中空管が空気中に存在しているとき
の進行時間よりも大きい。
【００２３】弾性波送出用送信変換器および反射エコー
用受信変換器として用いられる超音波変換器４２も有利
にはやはり、相応に高い周波数のために設計された圧電
変換器である。さらに図２には、充填レベルセンサの高
周波測定システムのための励振および評価回路４４も描
かれている。この場合、送信パルス発生器４５は周期的
な間隔で短い高周波パルスを発生し、これは送／受信分
岐４６を介して超音波変換器４２へ印加され、超音波変
換器は各送信パルスにより励振させられて、同じ周波数
の超音波パルスを送出する。超音波パルスが送出される
たびに受信されるエコーパルスは超音波変換器４２によ
って電気的な受信パルスに変換され、それらのパルスは
送／受信分岐４６を介して進行時間測定回路４７へ供給
される。進行時間測定回路４７は送信パルスの送出時点
と受信パルス到来時点との間における進行時間を測定
し、測定された進行時間を閾値と比較する。測定された
進行時間が閾値を超えていれば、進行時間測定回路４７
の出力信号は第１の信号値をとり、それによって中空管
４０が空気中にあることつまりは監視すべき充填レベル
には達していないことが表される。これに対し、測定さ
れた進行時間が閾値を下回っていれば、進行時間測定回
路４７の出力信号は第２の信号値をとり、それによって
中空管４０が充填物に覆われていることつまり監視すべ
き充填レベルに達したことまたはそれを越えたことが表
される。
【００２４】進行時間の明確な決定が可能であるように
するためには、超音波パルスの持続時間を進行時間より
も短くする必要がある。他方、進行時間自体は振動バー
２４の長さが限られているゆえに著しく短く、たとえば
３０ＫＨｚのオーダにある。
【００２５】このようにして、周波数弁別器３８と進行
時間測定回路３７の出力側から２つの充填レベル指示信
号が得られ、これらの信号は互いに無関係に著しく異な
る条件のもとで発生し、つまり一方では、充填物により
作用の及ぼされる機械振動系の低い固有励振周波数に依
存する信号が発生し、他方では、充填物により作用の及
ぼされる高周波弾性波の伝播速度つまり進行時間に依存
する信号が発生するのである。これによりユーザに対
し、これらの信号の活用にあたり以下の可能性が提供さ
れる。
【００２６】１）監視すべき充填物が、両方の測定シス
テムにより有効な結果が得られるような性質のものであ
るならば、これら両方の信号を相互コントロールや測定
装置の信頼性を高めるために利用できる。このような場
合、両方の信号が同じ状態を指し示していれば、信頼性
のある測定が成り立つ。これに対し、両方の信号がそれ
ぞれ異なる状態を指し示していれば、場合によってはそ
れら両方の測定システムのうちの一方が故障していると
判定でき、したがって他方の測定システムを用いて測定
を続けることができる。
【００２７】２）監視すべき充填物が、両方の測定シス
テムのうちの一方にしかその監視に適していないような
性質のものであるならば、その一方の測定システムによ
って監視を実行するのに対し、他方の測定システムは遮
断しておく。したがってたとえば、ガスを発生する充填
物の充填レベル監視は低周波測定システムを用いて行
い、柔らかい堆積物が生じる傾向にある充填物の監視は
高周波測定システムを用いて行うことができる。未知の
振動が発生した場合には、未知の振動周波数に感応しな
い測定システムをそのつど用いることができ、つまり未
知の振動が高い周波数であれば低周波測定システムを用
いることができるし、未知の振動が低い周波数であれば
高周波測定システムを用いることができる。
【００２８】両方の測定システムにおける出力信号の利
用は、たとえばマイクロコンピュータ４９から成る１つ
の共通の信号処理回路によって行われる。
【００２９】なお、図１に示した振動バー２５の形態
を、振動バー２４と同じ振動特性をもつように形成する
必要があることはいうまでもない。つまり振動バー２５
も、振動バー２４の中空管４０と同じ寸法をもつ中空管
として構成されており、中空管４０内で超音波変換器４
２が設けられた個所には、振動バー２５の場合には相応
するダミー質量体が取り付けられている。選択的に、振
動バー２５に別の超音波変換器を取り付けることもで
き、それを対応する励振および評価回路と接続すること
ができる。このようにすると、１つの低周波測定システ
ムに加えて２つの高周波測定システムが設けられること
になる。この場合、これら２つの高周波測定システムを
相互コントロールのために利用でき、これにより装置の
信頼性がいっそう高められる。
【００３０】図３には圧電超音波変換器５０の斜視図が
示されており、この超音波変換器は図１の装置における
超音波変換器４２として使用するのに適している。さら
に図４には、この超音波変換器５０を含む中空管４０の
部分断面図が示されている。圧電超音波変換器５０は直
方体状の圧電結晶５２から成り、この圧電結晶の寸法
は、これを中空管４０にはめ込むことができ、中空管の
壁において直径方向で互いに対向する個所に当接するよ
うに選定されている。圧電結晶５２において中空管の壁
と向き合った狭幅面に電極５４，５６が取り付けられて
おり、それらの電極へ励振パルスが印加され、その結
果、圧電結晶５２は直径方向で厚み振動を起こすように
なり、このことは図４において双方向矢印で描かれてい
る。この振動は中空管４０の壁へ伝達され、弾性波とし
てその中を伝播していく。
【００３１】圧電変換器５０は中空管４０内に接着によ
って取り付けられ、その際に用いられる接着剤によっ
て、電極５４，５６と中空管４０の内壁との間における
円の切片の形状である空隙５８が埋められ、硬化後は堅
牢な結合が生じ、それによって圧電変換器５０の振動が
中空管４０の壁へ伝達されることになる。選択的に圧電
結晶５２を、電極５４，５６を担持する面が中空管４０
の内壁と同じ曲面をもつような形状にすることも可能で
あって、この場合、それらの面は組み込み後はその内壁
に面全体にわたり当接するようになる。たとえばこのこ
とは、中空管４０の内径と同じ直径をもつ円形のディス
クから圧電結晶５２をスライスすることにより実現でき
る。
【００３２】圧電変換器５０は中空管４０から成る弾性
波導波管を、図５に示された振動モードで励振させる。
矢印Ｆ（ｔ）で表された圧電結晶５２の厚み振動によ
り、時点ｔ０において楕円形の管横断面Ｑ０を生じさ
せ、これは半周期経過後の時点ｔ １において９０゜旋回
した楕円形Ｑ１となり、さらに完全な１つの周期経過後
の時点ｔ２では１８０゜旋回した楕円形の横断面Ｑ２に
移行し、これは再び横断面Ｑ０と一致するものである。
このような横断面変形は超音波の伝播速度ｃで導波管に
沿って伝播していき、このため楕円形の横断面は半波長
λ／２の間隔をおいて互いに９０゜ずつ旋回することに
なる。
【００３３】図１の実施例において、管状の振動バー２
４における高周波振動が振動バーの低周波の曲げ振動に
対しできるかぎり僅かしか作用しないようにする目的
で、中空管４０がこの振動モードにおいて、各パドル２
６が半径方向において高周波振動の節線に沿って位置す
るよう励振させると有利である。この理由から図４に示
されているように、圧電変換器５０はパドル２６を含む
平面に対し４５゜の角度で組み込まれている。
【００３４】図１に示されているように充填レベルセン
サ１０は、監視すべき充填レベルの高さのところで容器
壁１４の開口部内に水平に取り付けることができるが、
図６に示されているように容器内で垂直位置に組み込む
ことも可能である。低周波測定システムによる充填レベ
ルの監視に関しては、このことによっても何の相違点も
生じない。ところがこのようにした場合、高周波測定シ
ステムによって、監視すべき充填レベルに達したか否か
を判定できるのみならず、精確な充填レベルの測定も可
能となり、つまり超音波変換器４２と振動バー２４から
成る導波管端部との間の区間Ｌの範囲内において、充填
物表面Ｆの高さを測定することもできるようになる。
【００３５】導波管が充填物に浸かっていなければ、超
音波変換器４２により形成される超音波は中空管４０の
材料により決まる音速ｃで管壁に沿って伝播する。した
がって、超音波パルスの送信とエコーパルスの受信との
間で測定される進行時間は往路と復路について、 ＴＭ＝２・Ｌ／Ｃ （１） となる。
【００３６】これに対し、図６に示されているように振
動バー２４が区間Ｄにわたり充填物中に浸かっている場
合には、浸かっていない長さＬ−Ｄの区間においてのみ
音速ｃが生じる。この区間に関する伝播時間の部分は、 Ｔ１＝２・（Ｌ−Ｄ）／ｃ （２） となる。
【００３７】他方、長さＤの浸かっている区間において
は、管壁と接触している付加的な質量に起因して、低め
られた音速ｃ* が生じる。そしてこの区間に関する進行
時間の部分は、 Ｔ２＝２・Ｃｃ* （３） となる。
【００３８】したがって測定された進行時間全体ＴＭは
次式のようにまとめられる。
【００３９】 ＴＭ＝Ｔ１＋Ｔ２ ＝２・［（Ｌ−Ｄ）／ｃ＋Ｄ／ｃ*］ （４） このことから、浸かった区間の長さＤを算出することが
できる。
【００４０】図７には、低周波測定システムと高周波測
定システムを備えた充填レベルセンサ６０の第２の実施
形態が示されている。この場合、充填レベルセンサ６０
は管状ケーシング６２を有しており、これは監視すべき
充填レベルの高さのところで容器に取り付けられてい
て、その際、このケーシングは完全にまたはその長さの
少なくとも大部分が容器内部にあるように取り付けられ
ている。低周波測定システムはやはりダイヤフラム７２
と２つの振動バー７４，７５を備えた機械振動系を有し
ている。ダイヤフラム７２はその周囲全体にわたり管状
ケーシング６２の周縁部と結合されている。また、振動
バー７４，７５はそれぞれ一方の端部でダイヤフラム７
２に取り付けられており、それらの自由端において互い
に対向するパドル７６をそれぞれ担持している。振動バ
ー７４，７５は、この実施形態では平坦な金属プレート
から成る。ダイヤフラム７２おいてケーシング内部に位
置する側面は電気機械変換システム７８と接続されてお
り、これは機械振動系７０をその固有共振周波数で励振
して振動させることができるように構成されている。変
換システム７８は図１に示した変換システム３０と同じ
ように構成されており、図２に示した形式の励振および
評価回路と接続されている。このかぎりでは、図７によ
る充填レベルセンサ６０の低周波測定システムは図１に
よる充填レベルセンサ１０の低周波測定システムと一致
しており、それと同じように動作する。
【００４１】しかし図１による実施形態とは異なり図７
による充填レベルセンサ６０の場合、２つの振動バー７
４，７５のうちの一方ではなく管状ケーシング６２が高
周波測定システムのための導波管として用いられる。こ
の目的で、ケーシング６２内にリング状圧電結晶８２か
ら成る圧電変換器８０が取り付けられており、その端面
に電極８４および８６が設けられている。この場合、圧
電結晶８２の外径は管状ケーシングの内径と一致してお
り、したがって圧電結晶８２の周囲面がケーシング内壁
に当接していて、圧電結晶はそこにおいて接着により固
定することができる。
【００４２】図８には、圧電結晶８２の一方の面に取り
付けられた電極８４の可能な実施形態が示されている。
この電極は４つのセクタ８４ａ，８４ｂ，８４ｃ，８４
ｄによって構成されている。直径方向で互いに対向する
電極８４ａ，８４ｃおよび８４ｂ，８４ｄは、プラス符
号とマイナス符号で表されているように、それぞれ同じ
極性におかれている。反対の面に取り付けられた電極８
６も同じように構成され、結線されている。その際、圧
電結晶は半径方向で次のように分極される。すなわち、
電極８４，８６に印加される所定の極性の電圧の作用の
もとで、図８に誇張して描かれているように、この圧電
結晶が楕円形の横断になるよう変形し、他方、それとは
逆の極性の電圧が印加されたときには９０゜旋回した楕
円形の横断面になるよう変形する。電極８４，８６は図
２に示したような励振および評価回路と接続されてお
り、したがって電気的な送信パルスが印加されるとケー
シング６２により形成された導波管が励振され、図５に
描かれている振動モードの超音波振動が生じるようにな
る。この超音波振動は弾性波の超音波としてケーシング
壁内でダイヤフラム７２の結合された端部まで伝播して
いき、そこにおいて反射してエコー波として圧電変換器
８０へ戻ってくる。そしてこのような超音波パルスの進
行時間を測定することにより、ケーシング６２が空気中
にあるのか充填物中に浸かっているのかを判定すること
ができる。
【００４３】図９には、低周波測定システムと高周波測
定システムを備えた充填レベルセンサ９０のさらに別の
実施形態が示されている。充填レベルセンサ９０は既述
の充填レベルセンサ１０，６０と同様、管状ケーシング
９１を有しており、これは機械振動系９２を担持してい
る。機械振動系９２はダイヤフラム９３と２つの振動バ
ー９４，９５から成り、変換システム９６によりその固
有共振周波数で励振されて振動させられる。機械振動系
９２は、図２に示したような励振および評価回路と接続
されて低周波測定システムを成している。しかし既述の
実施形態とは異なり充填レベルセンサ９０は、超音波を
伝送するための弾性波の導波管を有していない。そうで
はなくこの場合、高周波測定システムは次のようにして
形成されている。すなわち、振動バー９４と９５との間
に位置するダイヤフラム９３の領域９７が、低周波の機
械振動系９２の固有励振周波数よりも著しく高い周波数
で励振されて振動させられ、有利にはこの周波数はダイ
ヤフラム領域９７の固有共振周波数と一致するものであ
る。この励振は有利には、低周波の機械振動系９２にお
ける固有共振振動の励振にも用いられるのと同じ変換シ
ステム９６によって行われる。これはたとえば、機械振
動系９２の低周波振動のための自励回路とダイヤフラム
領域９７の高周波振動のための自励回路とに、変換シス
テム９６を切り換えにより交互に挿入接続することによ
って実現可能である。この場合、高周波測定システムに
よる充填レベルの監視は進行時間測定によって行われる
のではなく、ダイヤフラム領域９７の固有励振周波数の
評価によって行われ、この周波数は、ダイヤフラム領域
９７が空気中で振動しているときよりも、ダイヤフラム
領域９７が充填物により覆われているときの方が低い。
【００４４】既述の実施形態に関しては様々な変形を加
えることができ、それらは当業者にとって自明である。
したがって低周波測定システムのために、互いに逆方向
に振動する２つの振動バーを備えた機械振動系の代わり
に別の公知の機械振動系を用いることができ、たとえば
１つの振動バーしか設けられていない機械振動系を用い
ることもできる。同様に、低周波測定システム用の変換
システムをそれ自体周知のいかなるやり方によって構成
してもかまわない。たとえば２つの電気機械変換器を互
いに並置してダイヤフラムに設けてもよいし、あるいは
ドイツ連邦共和国特許出願 DE 195 23 461 A1 により公
知のいわゆる Bimorph 駆動方式に従って、振動バーを
担持するダイヤフラムと平行に配置されそれと機械的に
結合された付加的なダイヤフラム上に取り付けることも
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による容器内の充填レ
ベルを測定および／または監視する装置の断面図であ
る。
【図２】図１による装置の励振および評価回路を示す回
路図である。
【図３】図１の装置で用いられる超音波変換器の斜視図
である。
【図４】図１の装置における超音波変換器を含む振動バ
ーの横断面図である。
【図５】図１の装置において用いられる弾性振動を示す
図である。
【図６】図１による装置の別の適用事例を示す図であ
る。
【図７】本発明による装置の第２の実施形態を示す図で
ある。
【図８】図７の装置において用いられる圧電変換器を示
す図である。
【図９】本発明による装置の第３の実施形態を示す図で
ある。
【符号の説明】
１０，６０，９０ 充填レベルセンサ １２，６２，９１ 管状ケーシング １４，６４ 容器壁 ２０，７０，９２ 機械振動系 ２２，７２，９３ ダイヤフラム ２４，２５，７４，７５，９４，９５ 振動バー ２６，７６ パドル ３０，７８ 電気機械変換システム ３１ 励振変換器 ３２ 受信変換器 ３４，３５ 支持体 ３６ 低周波回路および評価回路 ３８ 周波数弁別器 ４０ 中空管 ４２ 超音波変換器 ４５ 送信パルス発生器 ４７ 進行時間測定回路 ４９ マイクロコンピュータ ５０ 圧電超音波変換器 ５２ 圧電結晶 ５４，５６，８４，８６ 電極 ８０ 圧電変換器 ８２ リング状圧電結晶
フロントページの続き (72)発明者 イゴル ゲットマン ドイツ連邦共和国 レルラッハ ゲーテ シュトラーセ ３ (72)発明者 セルゲイ ロパティン ドイツ連邦共和国 レルラッハ フライ ブルガー シュトラーセ 321アー (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01F 23/22

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 充填レベルセンサが機械振動系と電気機
    械変換システムを有しており、該充填レベルセンサは、
    充填物が所定の充填レベルに達したときに前記機械振動
    系が充填物と接触するよう容器内に配置されており、 前記変換システムは低周波励振回路および低周波評価回
    路と接続されており、前記低周波励振回路は機械振動系
    を励振して低周波で振動させ、前記低周波評価回路は、
    変換システムから供給される電気信号の周波数および／
    または振幅を評価して、前記機械振動系が充填物と接触
    しているか否かを表す出力信号を供給する、 充填レベルセンサを用いて容器内の充填物の充填レベル
    を測定および／または監視する装置において、 充填物が所定の充填レベルに達したときに充填物と接触
    する充填レベルセンサの構成部材が、高周波の弾性振動
    を該構成部材において励起させる電気機械変換システム
    と接続されており、 高周波評価回路が設けられており、該高周波評価回路
    は、高周波弾性振動に依存して発生する電気信号の評価
    により、前記構成部材が充填物と接触しているか否かを
    表す出力信号を発生させることを特徴とする、 充填レベルを測定および／または監視する装置。
  2. 【請求項２】 前記構成部材は弾性波導波体として構成
    されており、該導波体中を高周波弾性振動が弾性波とし
    て伝播し、該弾性波の進行時間を前記評価回路が測定し
    て評価する、請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】 高周波弾性振動を励起させる電気機械変
    換システムが短い振動パルスを発生させる励振回路と接
    続されており、該変換システムによる振動パルスの送出
    と反射エコーパルスの受信との間の進行時間が前記評価
    回路により測定される、請求項２記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記変換システムは圧電変換器により構
    成されている、請求項２または３記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記充填レベルセンサにおいて弾性波導
    波体として形成された構成部材は、容器内に突出した振
    動バーである、請求項２〜４のいずれか１項記載の装
    置。
  6. 【請求項６】 前記振動バーは中空管として構成されて
    いる、請求項５記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記充填レベルセンサにおいて弾性波導
    波体として形成された構成部材は、前記機械振動系の支
    持体として用いられ容器内に突出した管状部材である、
    請求項２〜４のいずれか１項記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記弾性波導波体はケーシング内に垂直
    方向に配置されており、前記高周波評価回路は、弾性波
    の進行時間を測定することにより前記導波体において充
    填物に浸かった区間の長さを求める、請求項２〜７のい
    ずれか１項記載の装置。
  9. 【請求項９】 前記高周波評価回路は、充填レベルセン
    サにおける構成部材の高周波弾性振動の周波数を評価す
    る、請求項１記載の装置。
  10. 【請求項１０】 前記機械振動系は、１つのダイヤフラ
    ムおよびそれぞれ一端が該ダイヤフラムに取り付けられ
    た２つの振動バーを有しており、前記充填レベルセンサ
    において励振されて高周波弾性振動の引き起こされる構
    成部材は、前記２つの振動バーの各取り付け個所の間に
    位置するダイヤフラムの区間である、請求項９記載の装
    置。
  11. 【請求項１１】 前記ダイヤフラムに作用を及ぼす１つ
    の共通の電気機械変換システムが、前記機械振動系の低
    周波の固有共振振動の励起と、前記ダイヤフラム区間に
    おける高周波の弾性振動の励起のために交互に駆動され
    る、請求項１０記載の装置。
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