JP2999423B2 - 容器における液体の充填レベル監視装置 - Google Patents

容器における液体の充填レベル監視装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の関連する技術分野】本発明は、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組
み付けられている超音波変換器を用いて容器における液
体の充填レベルを監視するための装置であって、前記超
音波変換器は圧電素子を含んでおり、該圧電素子が、前
以て決められた送信周波数を有する交番電圧パルスによ
る励振の際に、振動板を介して容器壁に伝達される送信
パルスを発生しかつ容器壁から超音波変換器に伝達され
る超音波振動を電気的な受信信号に変換する形式のもの
に関する。
【０００２】
【従来技術】この形式の装置が申し分なく作動しかつ良
好な効率を得ることができるようにするために、一方に
おける圧電素子と振動板との間および他方における振動
板と容器壁との間で良好に音響結合されていることが重
要である。殊に、これら部材の間で空気層が存在するこ
とは許されない。というのは、空気層により、圧電素子
から容器壁への経路およびその逆の経路において音響イ
ンピーダンスが急激に大きく変化する可能性があるから
である。このような良好な音響結合は殊に、振動板と容
器壁との間において実現することが難しい。それは、容
器壁はしばしばざらざらしておりかつ予測できない凹凸
を有しているからである。
【０００３】
【発明が解決すべき課題】本発明の課題は、冒頭に述べ
た形式の装置を、圧電変換器と容器壁との間の振動板を
介する申し分ない音響結合が実現されるように、改良す
ることである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】この課題は本発明によれ
ば、振動板が、容器壁の方の側において、容器壁に当接
される突起を有し、かつ振動板と容器壁との間に、結合
層が配設されており、該結合層の厚さは、突起の高さに
よって決められるようにしたことによって解決される。
【０００５】振動板の本発明による構成によって実現さ
れる、規定の厚さの結合層によって、振動板と容器壁と
の間の空気層の形成が妨げられかつインピーダンスの急
激な変化が回避され、その結果振動板と容器壁との間の
良好な音響結合が実現される。
【０００６】本発明の有利な実施例および改良例はその
他の請求項に記載されている。
【０００７】
【発明の実施例の形態】次に本発明を図示の実施例につ
き図面を用いて詳細に説明する。
【０００８】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。
【０００９】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。従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。
【００１０】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。従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。
【００１１】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。
【００１２】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。
【００１３】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、従って図示の実施例
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２
１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。従って、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１００ｍｍであ
る。
【００１４】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、従ってパッキン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。
【００１５】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、従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。
【００１６】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。
【００１７】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。
【００１８】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。
【００１９】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。
【００２０】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。
【００２１】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。
【００２２】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。
【００２３】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
入樹脂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、閉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、注入樹脂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
成部品が注入樹脂５５の中に埋め込まれるような高さの
ところまで注入樹脂５５が充填されている。注入樹脂５
５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。
【００２４】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。
【００２５】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、
閉孔性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。
【００２６】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。
【００２７】それから上方から注入樹脂５５が組み立て
用ケース６０に注入される。この注入樹脂は、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、注入樹脂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との間に注入樹脂５５が入り込むのを妨げる。
【００２８】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。
【００２９】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。
【００３０】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
さまで注入樹脂を充填することができる。管部材７９
は、注入樹脂が内側の部屋４２７に流れることを妨げ
る。
【００３１】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、従って超音波変換
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７２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１２
に押圧される。
【００３２】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。
【００３３】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。
【００３４】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。
【００３５】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。
【００３６】センサ１３を容器壁１２に組み立てる際
に、即ち既述の実施例において、センサブロック２０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８
７が、結合層の厚さを決定する。
【００３７】結合層に対する材料として、例えば、Wack
er 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、例えば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。
【００３８】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。
【００３９】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。
【００４０】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。
【００４１】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、即ち合成樹脂が、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。
【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。
【符号の説明】
１０ 容器、 １３，１５ 超音波センサ、 １４，１
６ 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 電気音響変換器、
５１ 圧電素子、 ５２ 変換器ケーシング、 ５３
ケーシング底部もしくは振動板、 ８５ 窪み、 ８７
突起（の列）、 ８９ 振動板面
───────────────────────────────────────────────────── 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.7，ＤＢ名) G01F 23/28

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 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組み付けられている超音波
    変換器を用いて容器における液体の充填レベルを監視す
    るための装置であって、前記超音波変換器は圧電素子を
    含んでおり、該圧電素子が、前以て決められた送信周波
    数を有する交番電圧パルスによる励振の際に、振動板を
    介して容器壁に伝達される送信パルスを発生しかつ容器
    壁から超音波変換器に伝達される超音波振動を電気的な
    受信信号に変換する形式のものにおいて、前記振動板
    は、容器壁の方の側において、前記容器壁に当接される
    突起を有し、かつ前記振動板と容器壁との間に、結合層
    が配設されており、該結合層の厚さは、前記突起の高さ
    によって決められることを特徴とする容器における液体
    の充填レベル監視装置。
  2. 【請求項２】 前記突起は、ネップの形状を有している
    請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記突起は、能動的な振動板領域の周囲
    の回りに環状に配設されている請求項１または２記載の
    装置。
  4. 【請求項４】 前記突起の環状体の外側にある、前記振
    動板の環状の領域は、能動的な振動板領域に対して低く
    なっている請求項３記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記結合層は、流動可能な状態において
    前記振動板と前記容器壁との間に入り込みかつ引き続い
    て凝固する結合材料から成っている請求項１から４まで
    のいずれか１項記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記結合材料の音響インピーダンスは、
    凝固された状態において前記振動板の音響インピーダン
    スのオーダにある請求項５記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記結合材料は、シリコーンゲルである
    請求項６記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記シリコーンゲルは、ガラスファイバ
    によって強化されている請求項７記載の装置。
  9. 【請求項９】 能動的な振動板領域を取り囲むリング形
    状の周囲領域は、該能動的な振動板領域に対して下げら
    れており、かつ前記圧電素子は該リング形状の窪み内に
    ある能動的な振動板領域に接着されている請求項１から
    ８までのいずれか１項記載の装置。
  10. 【請求項１０】 前記振動板は、合成樹脂から成る壺形
    状の変換器ケーシングの底部によって形成されている請
    求項１から９までのいずれか１項記載の装置。
  11. 【請求項１１】 前記壺形状の変換器ケーシングは、ポ
    リエステルエーテルキトン（ＰＥＥＫ）から成る請求項
    １０記載の装置。
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