JP4728388B2 - 超音波トランスジューサにより容器内の液体レベルを測定するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波トランスジューサにより超音波エコーの原理に従って容器内の液体レベルを測定するための装置に関する。この超音波トランスジューサは、底部の領域に配置された反射面から所定の距離のところに配設され、一方では液面への放射用に、他方では反射面への放射用に設計されている。

このような装置は、例えばＥＰ１４６０３９６から知られている。この装置において、ピーク(peaks)に分割されたエコー信号が、液面と容器の底部の領域とでの複数の反射の結果として検出されるという事実と、所定の距離からもたらされるピークの時間間隔が、液体内での音速を決定するように評価されるという事実とにより、評価が果たされる。

本発明の根底にある課題は、最初に述べられたタイプの装置、即ち、特にシンプルに構成され、かつ特に超音波エコーの原理に従った信頼性のある測定を可能にする装置を提供することである。

この課題に対する解決策は、請求項１の特徴を有する装置によりもたらされる。本発明の好ましい発展は、従属請求項に与えられている。

超音波トランスジューサにより超音波エコーの原理に従って容器内の液体レベルを測定するための装置において、この超音波トランスジューサは、容器の底部領域に配置された反射面から所定の距離のところに配設され、一方では液体面への放射用に、他方では反射面への放射用に設計されている。本発明にとって、底部の凹み部分が超音波トランスジューサの下側に形成されることは、不可欠である。容器の底部、より詳細には、この凹み部分の底部は、反射面、若しくは、反射器としての役割を果たしている。この凹み部分は、基準距離を規定している。かくして、比較測定用の固定の基準距離を使用して、実際の測定距離とは別に基準距離を規定し、このようにして、２つの測定ができるだけ互いに相互作用しない状態を達成することが、可能である。

超音波トランスジューサが、信号を超音波振動に、またこの逆に変換するためのいずれの装置を意味するように、理解されている。この超音波トランスジューサは、トランスミッターとして、また、レシーバーとして使用されることが好ましい。しかし、また、本発明に従った超音波トランスジューサを、トランスミッターとして単に使用することと、このトランスミッターとは構造的に分離したレシーバーとして使用することとが、考えられる。特に、圧電性セラミック、若しくは、圧電性結晶が、このために使用される。本発明の他の好ましい実施形態において、トランスミッターと、レシーバーと、好ましくは、また、評価ユニットとは、所定の部品と一体的である。この部品は、集積スイッチング回路、特にこのケースではＡＳＩＣが配設されたハウジングであることが好ましい。このハウジングは、プラスチック材料、若しくは、ポリマーで形成されることが好ましい。

本発明の他の実施形態において、トランスミッターは、上側並びに下側に開口部が形成されたリセスを有する部品中に配設されている。本発明の好ましい実施形態において、装置は、下側よりも上側に大きなパワーを有する超音波を伝送する。この目的のために、ハウジングの適用例が受け入れられることが好ましく、特に、このハウジングの上側と下側には、異なるサイズの開口部が形成されている。例えばハウジング中に超音波トランスジューサを取り付けるか、減衰部材を使用するタイプのような他の適用例が、実現可能である。この目的のために、ハウジングの下側の開口部、即ち、基準距離へと向けられた開口部は、上側の開口部、即ち液面へと向けられた開口部よりも小さい。このハウジングにはリセスが形成されており、このリセス中に、超音波トランスジューサ、若しくは、特に圧電性結晶が、上方から挿入されて密に適合することが好ましい。代わって、超音波トランスジューサは、金属フレーム、特に、圧縮スクリーン、即ち、「リードフレーム」に装着され、プラスチック材料で覆われるか密閉されることができる。超音波のより良い分離のために、超音波トランスジューサ部材の表面は、ハウジング材料から遮断されることができる。この目的のために、所定の製造技術が使用され、超音波トランスジューサの活性表面の全体、若しくは、少なくとも部分的な領域は、ハウジング材料から分離されたままである。下側と上側との開口部は、放射されるパワーに応じたディメンションであることが好ましい。従って、液面に向けられた上側の開口部は、最大の伝送力を達成するために、超音波トランスジューサ、より詳細には、超音波トランスジューサの活性表面と同じサイズを有することが好ましい。温度検出用のデバイスが、また、部品自体に設けられることが好ましい。これは、温度検出機能を有したＡＳＩＣとして設計されることが好ましい。また、コンデンサー、抵抗器、ダイオード、トランジスタ、バリスター、並びに/若しくは、コイルのような受動の電気部品が、ハウジング内に配設されている。

集積スイッチング回路、特にＡＳＩＣが、また、受け取った信号の信号制御並びに処理のために機能している。マルチチップモジュールとして参照されることもできるハウジングが、センサ部材、若しくは、超音波トランスジューサの液体抵抗、特に耐油性を保証するために、コーティングされることが好ましい。

本発明に従えば、装置の底部の凹み部分が、超音波トランスジューサの下側に設けられている。このようにして、エコーが、並びに他の領域、特に表面により反射された放射との区別がかろうじて果たされる領域へとレシーバー並びに反射部に戻される。凹み部分は、ハウジングの放射用の下側の開口部に応じたディメンションであることが好ましい。この凹み部分は、チャネルのように設計されることが好ましい。かくして、検査される媒体の貫流は、この凹み部分で果たされることができる。この凹み部分は、ハウジング用の装着エリアの下側に形成されることが好ましい。本発明の他の好ましい実施形態は、超音波信号に影響を与えるための配列が、装置の底部、特に凹み部分に与えられている。このようにして、識別子が、エコー中に与えられ、かくして、信頼性のある識別が、液面により反射された信号と、底部により反射された信号との間で可能であり、かくして、反射された両信号間の確実な区別を可能にしている。好ましい実施形態において、超音波信号に影響を与えるための配列は、エッジとして設計されている。他の好ましい実施形態において、超音波信号に影響を与えるための配列は、積層として設計されている。かくして、信号の明確さをもたらす基準信号の位相のずれを保証することが可能である。超音波信号に影響を与えるための配列の実施形態の他の可能性は、２段階、並びに/若しくは、分割(split)の基準反射器である。全体的に、２つの部分的なエコーの干渉効果は、基準エコーに特徴的な信号パターンを形成するように重なった状態で生じる。

代わって、反射器からのエコーと液面からのエコーとは、また、異なる伝搬時間により、区別されることができる。

本発明の他の好ましい発展において、この装置は、液体容器、特にオイルタンクの下側に装着されるためのフランジとして設計されている。このフランジは、シールリングと、基準距離と、集積スイッチ回路に配設された論理回路(circuitry logic)を含んだ超音波トランスジューサとを有するフランジグループを備えることが好ましい。

本発明は、図面に示されている実施形態の一例を用いて、以下で更に説明される。詳細には、概略図が示されている。

図１は、音波３を液面４へと放射する超音波トランスジューサ２を有した装置１を概略的に示している。液面４は、検査される媒体、特にオイルと、このオイル上にあるガス、特に空気との間の境界層をなしている。音波３の反射は、この境界層のところで生じ、かくして、反射された音波３は、エコーとして超音波トランスジューサに戻される（thrown back）。この超音波トランスジューサ２は、トランスミッター並びにレシーバーとしても機能することができる圧電性セラミックにより形成されている。この超音波トランスジューサ２は、液体容器、特にオイル容器の底部から所定の距離のところに配設され、従って、音波５が、また、超音波トランスジューサ２により後側へと放射され、後側の反射器６、特に容器の底部のところで反射される。図１にすでに示されているように、超音波トランスジューサ２は、チャネル、即ち凹み部分が形成されたフランジに配設され、このフランジ内を、後側へと放射された音波５が通り、かくして、このフランジが、所定の基準距離(reference distance)を規定している。液体、特に、オイルは、超音波トランスジューサ２の周りを直接流れ、この結果、音波５で実施された基準距離の所は、また、媒体オイルで充填されている。超音波トランスジューサ２は、時間制限式の超音波束を送る。この波束は、オイルと空気とのインターフェースのところで反射され、所定の伝搬時間ｔの後に、同じ超音波トランスジューサのところに戻される。伝搬距離は、波束の伝搬時間により決定されている。この伝搬距離は、超音波トランスジューサと、オイルと空気との間のインターフェースとの間の距離のちょうど２倍である。最良の場合において、この距離は、超音波トランスジューサが容器の底部のところに装着され、伝送面(transmission surface)が底面と同一であり、反射面が、この伝送面に対して平行な面である限り、液体容器内のレベルに等しい。測定用媒体中での音速の知識が、伝搬距離を計算するのに必要である。この伝搬距離は、とりわけ、測定用媒体と温度との依存性を表している。かくして、基準距離が、この影響を補償したり音速を計算したりするのに使用される。正確には知られていない音速は、この反射面のところで反射する信号の伝搬時間と、超音波トランスジューサ２からの反射面、より詳細には後側の反射器６の知られた距離とから決定される。

図２は、装置１の特性として、後側の反射器６の更なるエッジ７を示している。これの効果は、後側の反射器のエコー信号が、明確な識別子(identifier)を含み、かくして液体面により反射された信号と明確に区別され得ることである。

これの変形例として、積層８が、図３において、後側の反射器６内に配設されている。この積層、若しくは、層状のパックは、基準信号の位相のずれを生じさせ、この位相のずれは、また、基準信号を液面のエコー信号と区別することに関して明確に保証している。

図４は、他の部品を有したハウジング１０と一体的な超音波トランスジューサ２を示している。このハウジングは、全体がセンサ部材として設計され、超音波トランスジューサ２とは別に、温度検出器１４と、例えばコンデンサー、抵抗器、ダイオード、トランジスタ、バリスター、並びに/若しくは、コイルのような複数の受動部品１５とを有したＡＳＩＣを備えている。

図５は、再びハウジング１０を示しており、この図には、超音波トランスジューサ２を収容するためのリセス１１が、示されている。このリセス１１は、上側が比較的大きく、収容される超音波トランスジューサ２の形状に適合される。下側領域には、リング形状の支持部材１２が設けられ、この支持部材上に、超音波トランスジューサが位置される。さらに、かなり小さな開口部１３のみを空けて残した(leaves free)最終層が設けられている。この開口部を通って、後側へと放射されたかなり小さな割合の音波が、後側の反射器へと下方に通される。このリセスのサイズは、所望のエネルギーを有した信号が下方へと放射されるように、設計されている。

図６は、液体容器、特にオイルタンクの下側に装着されることができ、かくして、液体容器の開口部により、液体、特にエンジンオイルに直接接触するフランジグループ２０を示している。軸方向のゴムガスケット２２が、システムを外部から密に閉鎖する。フランジグループ２０は、超音波トランスジューサ２を備えたハウジング１０用に装着面２３を有している。この装着面２３には、チャネル２１として設計された凹み部分が、形成されている。このチャネル２１の幅は、ハウジング１０の下側の開口部１３のサイズに適合されている。

本発明に従った装置の原理の略図である。 本発明に従った特別な実施形態の略図である。 本発明に従った図２とは異なる装置の実施形態である。 本発明に従った装置のハウジングの概略図であり、複数の部品が、このハウジング内に収容されている。 本発明に従った装置用に特別に適用されるハウジングの斜視図である。 本発明に従った装置の形成用と、例えば図４又は５に従ったハウジングの装着用とのフランジである。

Claims (12)

1. 超音波トランスジューサ（２）により超音波エコーの原理に従って容器内の液体レベルを測定するための装置であって、前記超音波トランスジューサは、底部の領域に配置された反射面（６）から所定の距離のところに配設され、液体面と前記反射面（６）との両方に超音波信号を放射する、装置において、
   前記容器の下側に形成された開口部に、ゴムガスケット（２２）により密に装着されるフランジ（２０）を有し、このフランジの上面（２３）には、前記超音波トランスジューサ（２）が配設されていると共に、フランジの外周面に開口し、液体が通るチャネル（２１）が形成され、このチャネル上に前記超音波トランスジューサ（２）が位置され、前記反射面（６）は、チャネルの下面に設けられていることを特徴とする装置。
2. 前記超音波トランスジューサ（２）は、また、前記液体面と前記反射面（６）とから反射される超音波信号を受信するレシーバーとしても機能することを特徴とする請求項１の装置。
3. 前記超音波トランスジューサ（２）と、レシーバーと、評価ユニットとは、所定の部品と一体的であることを特徴とする請求項１又は２の装置。
4. ＡＳＩＣを有し、前記超音波トランスジューサ（２）を支持したハウジング（１０）を備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１の装置。
5. 前記超音波トランスジューサ（２）を収容するための上側の開口部と下側の開口部とを有したハウジング（１０）を備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１の装置。
6. 前記下側の開口部（１３）と上側の開口部（１１）とは、異なるサイズで設計されていることを特徴とする請求項５の装置。
7. 前記上側の開口部（１１）と下側の開口部（１３）とは、放射される超音波信号に応じたディメンションを有していることを特徴とする請求項５又は６の装置。
8. 前記ハウジングは、温度検出器（１４）を備えていることを特徴とする請求項４ないし７のいずれか１の装置。
9. 前記チャネル（２１）は、前記ハウジング（１０）用の装着面（２３）の下側に配設されていることを特徴とする請求項４ないし８のいずれか１の装置。
10. 前記超音波信号に影響を与えるための配列が、前記チャネル（２１）に与えられていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１の装置。
11. 前記超音波信号に影響を与えるための配列は、エッジ（７）として設計されていることを特徴とする請求項１０の装置。
12. 前記超音波信号に影響を与えるための配列は、積層（８）として設計されていることを特徴とする請求項１０の装置。

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