JPH03505919A - 充填レベル表示器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 充填レベル表示器 公知技術水準 本発明は、主請求項の上位概念の部分に記載の充填レベル（液位）表示器に関す るものである。音響導体の固体中に音響を導き、受信機によって屈曲波の伝達速 度（位相速度）の変化を求めることは既に知られている。屈曲波の伝達速度は固 体中においては、流体レベルの高さの関数として変化する。空の流体容器内の固 体における伝達速度は、このための基準値とされる。

これを得るのには付加的な測定が必要である。さらに、送信機と受信機は流体と 接触しないようにしておがねばならず、このため送信機または受信機の不十分な シールによって、あるいは接着点の不十分な抵抗によって不都合が生じることが ある。

発明の利点 逆に、主請求項の特徴を持つ、本発明による充填レベル表示器の利点は、これが 充填レベルを、高い確実性をもって、高分解能を有する無雑音方式で、そして大 きな測定範囲を剪するように、求めることができることである。測定用信号の直 線的変化が得られるので、測定用信号の簡単な評価が可能となる。

送信機と受信機はハウジング内にコンパクトに配置され、そしてこのことは、例 えばほこりや湿気のような外界の影響に対して、または使用されている電気的構 成要素の特性の温度によるドリフトに対して測定器を保護するための総ての必要 を単純化する。音響導体を任意の形状にできるため、送信機と受信機は常に、測 定されるべき流体の外側に配置することができる。

送信機と受信機とが媒体の外側に配置されるＵ字形音響導体と比較すると、単に 、比較的短かい長さの音響導体が必要なだけである。この充填レベル表示器は、 こうして、任意形状の容器に利用することができる。

これは単純で、しかも安価に組立てられる。

請求項第１項で表わされた装置の利点は、副請求項に示される手段によってさら に展開が可能となる。

図面類 本発明の実施例は、図面に描かれ、後の説明で詳しく説明される。第１図は充填 レベル表示器を通る長さ方向断面図であり；第２図および第３図は各々、第１図 からの変更を示す図であり：第４図は構造的な実施例の外観図であり：第５図は 回路図であり；第６図は発振器と結合した充填レベル表示器を示す図であり；第 ７図は測定図表を示す図であり；そして第８図から第１０図は保有（リザーブ） 量を求めるための変形例を示す図である。

実施例の説明 Ｉ！！１図においては、１０は自動車の燃料タンクを表わしており、その中に、 タンク内の燃料の量を求めるだめの充填レベル表示器１２の音響導体１１が突き 出ている。音響導体１１は、燃料への突き出し部の上端に送信機１３と受信機１ ４とを持っている。送信機１３は特に、超音波に関するトランスジューサーとし て設計されている。送信機１３と受信機１４の両方とも、タンク１０の最大充填 高さＬの上部に配置されて、燃料内につからないようにされている。タンク１０ 内の燃料の有効充填高さはｈとして表わされている。

送信機１３と受信機１４は、詳細には示されていない評価装置１５に接続されて いる。

送信機１３は音響導体１１の中に、屈曲波と呼ばれる音波１７、そればすなわち 横波であって、その伝達速度は周波数に依存する、を発生させる。屈曲波はプレ ートまたはバー上に固体的に発生された音波であって、その振動粒子はプレート 面に対し、そして伝達速度方向に対して、基本的に垂直に移動するものである。

さらに、燃料の充填高さｈの領域における、それらの伝達速度は、燃料上方の空 気によって囲まれている音響導体１１のＬ−ｈ領域におけるそれよりも遥かに低 い、第１図に示されるように、音波１７は、それを囲んでいる特定の媒体と、過 渡的な表面１８において接触している。音波１７の伝達速度の影響は、過渡的表 面１８の寸法によって決まり、そして音響導体１１の幾何学的形状に依存する。

充填レベル高さｈに依存して、屈曲波の伝達速度（位相速度）には、より大きな 、またはより少ない変化が生じる。この測定結果は、技術状況で指摘した充填レ ベル表示器にも用いられている。

しかし、送信機と受信機との間の屈曲波の伝達時間は充填レベル高さｈによって 変化するだけではなく、センサー自体の場所における、またはセンサーの環境に おける、音響導体１１に対する音場変化の反作用（応答特性）を測定することも 可能である。音場は、材料、ここでは例えば固体粒子、の満ちている空間、ある いは音波が伝達される近傍の空気などを特に意味している。音場は、例えば媒体 の各振動粒子が空間的に、および永続的に占めていた静止位置からの、それぞれ の距離を表わすことによって、定量的に一意的に表現することができる。それら 変化は音場変化として表わされるものである。実際には、顧客は一般的に音圧の 、そして音響速度の空間的ならびに時間的分布を通して、音場の構成を示すこと ができる。屈曲波は横波であるため、横圧力、または固体中においては特に横力 および横速度で表現できる。１つの面においては、進行波、すなわち媒体の粒子 が波の伝達方向に沿った、または反対した歪を生じる波、によって、それぞれ交 互的な順序で１波長だけ離れた位置では、媒体内に圧縮と希薄とが生じ、過圧と 減圧の領域が存在するようになる。空気による雑音に関しては、振動している空 気粒子は空気濃度における空間的および時間的変化を生じさせる。これらの圧力 変化は音圧として表わされる。この音圧はマイクロホンによって比較的簡単に測 定できる。

音響粒子速度は、または単に速度もまた、音響伝送媒体、ここでは音響導体１１ 、の振動粒子がそれらの静止位置に関して振動している角速度を意味している。

１つの面においては、進行音響波の場合、音響粒子速度は粒子の移動が最も迅速 に変化する点において、それぞれ最も高くなる。これは例えばゼロクロッシング に関する場合である。しかも、１つの面に関しては、進行音響波音響粒子速度と 音圧は同相である。音響粒子速度とは逆に、音響速度は音の伝達速度であって、 主として媒体の弾性特性に依存するものである。音響速度とは音響エネルギーが 伝達される速度を表わしているのに対し、音響粒子速度とは単に粒子の角速度を 表わしているのである。

さらに、屈曲波の音場に関する音場変化は屈曲性トルクと角速度をも含んでおり 、これは音場の瞬間的な場の変化を意味している。タンク１０内の充填レベル高 さの簡単な測定のためには、それら４つの音場変化のうちの単に２つを配慮する ことで十分である。これは横速度と横力を求めるための、特別の利点である。

充填レベルを求めるために、音響導体１１の特定の点における横速度または横力 の商を求めることが行なわれ、この商は機械内構インピーダンスとして表わされ ている。横インピーダンスの逆数は横アドミタンスと呼ばれている。充填レベル 高さｈによる、横インピーダンスに及ぼす影響は、第２図に表わされているよう な音響トランスジューサーのみによって、あるいは第１図から知られるように分 離した送信機１３と受信機１４とによって、検出することができる。単独の音響 トランスジューサー２１が用いられる時には、音響トランスジューサー２１（送 信機）の電気的送信信号への異なる充填レベル高さｈの反作用（応答的変化ない し応答特性）が測定される。別の可能性は、単独ハウジング内の送信機と受信機 である０分離された送信機装置１３と受信機装置１４の場合には、それらはスイ ッチ１１に可能な限り接近して配置されるべきである。

さらに、第３図に示されるように、いくつかの送信機１３ａ、１３ｂといくつか の受信機１４ａまたは１４ｂが用いられるということも可能である。基準測定は このようにして可能となる。しかも、いくつかの送信機１３ａ、１３ｂを用いる と、屈曲波を増幅することや、あるいはそれらの形状を効果的なものとすること もできる。その結果、妨害変動が除去されるか、あるいは抑制される。いくつか の受信機１４ａ、１４ｂｌ：関しては、充填レベル高さｈによって影響された屈 曲波を受信し、そして評価することが効果的に行なえる第４図に表わされている 、特に優れた実施例においては、横インピーダンスの２つの音場変数のうちの一 方が、一定に保たれ、他の変数が測定される。これは例えば、送信機に１定電流 を供給することによって送信機を用いて音響導体上に１定の横力を印加すること を可能とする。この方法によって、測定場所において規定される横インピーダン スに比例する測定された変数が、速度受信機として設計された受信機によって得 られる。送信機として、そして受信機として、２つの別個の音響トランスジュー サーが利用されるなら、クロストークの、すなわち１方の音響トランスジューサ ーが他に影響を与える、危険があって、これにより測定値は誤ったものとなる。

第４図に表わされている例においては、異なる原理によって動作する音響トラン スジューサーが、各場合に、送信機として、そして受信機として利用されている 。エレクトロダイナミックまたは電磁または磁歪原理によって動作するトランス ジューサーが送信機として用いられ、そしてまた静電またはピエゾ電気原理によ って動作するトランスジューサーが受信機として用いられることが特に有効であ ると認められてきた。

電Ｎ原理は、例えば電話機の受話器（イヤホーン）に用いられている。電磁音響 トランスジューサーは、少なくとも１つの巻線を持つ永久磁石と、一般的にはダ イヤフラムに機械的に結合している軟鉄の可動アーマチュアを含むものである。

エレクトロダイナミック音響トランスジューサーは原理的に、固定された永久磁 界と、その中を移動できる、例えば可動コイル上に巻かれた導体を含んでいる。

原理的に、静電音響トランスジューサー（誘電トランスジューサーとしても知ら れている）は、例えば極めて薄い振動（ダイヤフラム）電極と固定（対向）電極 とを持つコンデンサーである。磁歪効果は磁歪音響トランスジューサーに用いら れている。この場合、評価は磁界中の強磁性体の長さの変化によって行なわれる 。しかし、磁歪音響トランスジューサーの完全な機能のためには、プレ磁化が必 要である。ピエゾ電気トランスジューサーにおいては、２つの長さ方向の振動子 が互いに固定される。長さ方向振動子に機械的変形が与えられると、表面に電荷 が現われて、そこが評価される。

第４図においては、送信機１３はエレクトロダイナミックトランスジューサーで あって、これは１定電流を印加することによって音響導体上に１定の横力を生じ させる。この目的のために、例えば３０回巻きの送信コイル２５が、液体から突 き出ている音響導体１１の終端の領域に取り付けられている。さらに、永久磁石 ２６が設けられ、その極によって形成される磁界を通って、コイル２５の巻線が 延びている。例えばピエゾバイモルフ発振子であるピエゾ電気共振発振子が受信 機１４として、音響導体１１の終端面に取り付けられる。トランスジューサーの 第１屈曲共振周波数によって決まるスレッショールド周波数の上で、このトラン スジューサーは速度受信機として下流誘導作用素子を持つようにして用いられる 。これは、屈曲発振子が共振周波数で励起されることを意味している。受信機の 第１屈曲共振周波数によって決まるスレッショールド周波数の上で、これは下流 誘導作用素子を持つようにして用いられる。

音響導体１１の横アドミタンスまたは横インピーダンスに関する、例えば燃料で ある、周囲の液体の反作用は、第５図に表わした測定装置によって測定できる。

送信機１３のコイル２５と直列抵抗３１は、閉じられた電気回路３０内に相互に 接続される０回路３０は定電流源３２から給電される。ピエゾ電気受信機１４と アナライザー３６は受信機回路３５内に接続されている。受信機電圧と送信機電 圧の商が測定の評価のために利用される。音響導体１１が浸されていると、この 曲線形状の最小と最大が、量と位相において位相シフトされる。この周波数シフ トは、それぞれの充填レベル高さの関数であり、そして充填レベルを測定するの に用いられる。この周波数シフトが充填レベル高さｈに対してプロットされれば 、実質的に線形である関係が得られる。

音響導体１１は、自己発振用発振器４０における周波数決定用素子として第６図 の中に表わされている。

さらに、発振器４０は電流増幅器４１、バンドパスフィルター４２および出力段 ４３を有している。発振器４０はＵ＝Ｏに関して発振条件Ａ）ｌの周波数で発振 し、Ａは電流増幅器４１の振幅で、モしてＵは開回路の位相回転である。音響導 体１１が燃料内に浸されている時には、発振器４０の前述周波数シフトと充填レ ベル高さｈとの間に得られる実際に線形の関係は第７図に示されている通りであ る。

充填レベル高さｈによって得られる、機械的機インピーダンスの位相角の変化は 、半角度の後に（１８０℃の後に）再び繰り返される０位相角のこの変化がら、 測定信号はもはや特定化された充填レベル高さｈと一義的には対応特定されなく なる。この半角度への位相角における変化を制限するため、音響導体１１の幾何 学的形状は適宜設計される。

バー形の音響導体１１がこれまで説明した実施例に表現されていたが、第８図に よる音響導体４５は長方形の断面を有している。音響導体４５の幅すは、次式に よって求められる。

ここで、ＣＢ＝媒体への浸しによる屈曲波速度の変化Ｃ８゜＝「無限幅のプレー ト」　（理想状態）における屈曲　　　減速度の変化 ｂ＝音響導体４５０幅 λ８＝屈曲波の波長 この等式は媒体が水である時に特に当てはまるが、ガソリンが媒体である時にも 実質的には差はない。位相角における変化は、屈曲波速度の変化から求めること ができる。

測定される位相角における半角度変化を制限したいと望むのであれば、充填高さ を決める不明確さを除くために、より低い周波数における補助的信号による付加 測定を実行することが必要である。

第３図において既に表わされている、いくつかの送信機１３ａ、１３ｂと、いく つかの受信機１４ａ、１４ｂを持つ配置は、例えばこの目的のために用いること ができる。

さらに、例えば予備燃料範囲におけるような、液体の容器１０の残余範囲におけ る充填レベル高さｈを特に正確に測定することも重要なことである。充填レベル 高さの減少に伴って測定感度を増加させることによって、この目的が達せられる 。これに関しては、第９図と第１０図が、音響導体１１の特別の構造的実施例を 示している。第９図においては、音響導体４６は台形的に設計され、平行な台形 辺の、より長い方が容器１０の底面に静止している。第１０図においては、音響 導体４７は予備範囲において曲げられている。結果的に、充填レベル高さｈを持 つ形状に対して不均衡に長い音響導体１１の１部は液体に浸されている。しがち 、２つのエツジ領域において、より高い測定感度を得るために、充填レベル高さ ｈの中央部分において音響導体１１の直径を減らすということも、可能である。

この実施例は、不規則な容器形状を補償する際にも使用できる。これに関しては 、バーを厚（すれば測定感度はより高くなる。

特表千３−５０５９１９　（５） ＦｔＧ、５ ＦＩＧ、７ △ｈ／ｍ ＦＩＧ、　９ ＦＩＧ、　１０ 国際調査報告

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．音波を発する送信機（１３）および受信機（１４）ならびに、タンク（１０ ）の中に、そして測定されるべき媒体中に突き出した、そして少なくとも１つの 音響伝導材料からなる少なくとも１つの伝達ボディ（１１）によって動作する、 例えば自動車の燃料タンク（１０）用の充填レベル表示器（１２）において、充 填レベル高さ（ｈ）変化に基く伝達ボディ（１１）の音場の、測定される量の応 答変化ないし当該量の応答特性が送信機（１３）の場所において、あるいは当該 場所の近傍において測定されることを特徴とする、充填レベル表示器。
2. ２．音場変化間の関係が評価（音響イミタンス）されるような、請求の範囲第１ 項記載の充填レベル表示器。
3. ３．送信機（１３）から供給される屈曲波の横インピーダンスにおける、充填レ ベル高さ（ｈ）変化によって生じる変化が測定されるような、請求の範囲第１項 および／または第２項記載の充填レベル表示器。
4. ４．少なくとも１つの送信機（１３）と１つの受信機（１４）が、媒体の外側の 伝達ボディ（１１）において、空間的に可能な限り他に接近して配置されるよう な、請求の範囲第１項から第３項までの１つに記載の充填レベル表示器。
5. ５．送信機（１３）と受信機（１４）とが、共通のハウジング内に配置されるよ うな、請求の範囲第１項から第４項までの１つに記載の充填レベル表示器。
6. ６．送信機（１３）の電気的送信信号への、充填レベル高さ（ｈ）変化の反作用 が測定されるような、請求項の範囲第１項から第３項までの１つに記載の充填レ ベル表示器。
7. ７．送信機（１３）が、エレクトロダイナミックまたは電磁または電歪の原理に よって動作し、そして受信機（１４）が静電またはピエゾ電気の原理によって動 作するような、請求の範囲第１項から第６項までの１つに記載の充填レベル表示 器。
8. ８．評価のために用いられる周波数範囲内において、送信機（１３）が伝達ボデ ィ（１１）上に、ほとんど１定の横力を発生させるような、請求の範囲第１項か ら第７項までの１つに記載の充填レベル表示器。
9. ９．送信機（１３）には、実際上１定の交流電流が供給されるような、請求の範 囲第８項記載の充填レベル表示器。
10. １０．伝達ボディ（１１）の幾何学的形状によって、充填レベル高さ（ｈ）の変 化によって生じる機械的インピーダンスの位相角における変化が、前もって決め られた範囲内にあるような、請求の範囲第１項から第９項までの１つに記載の充 填レベル表示器。
11. １１．残余量の範囲において、伝達ボディ（１１）が増加した測定感度を持つよ うな、請求の範囲第１項から第１０項までの１つに記載の充填レベル表示器。
12. １２．残余量の領域において、伝達ボディ（１２）が体積の単位毎により大きな 表面を持つような、請求の範囲第１１項記載の充填レベル表示器。
13. １３．いくつかの送信機（１３）といくつかの受信機（１４）が伝達ボディ（１ １）上に配置され、そして１つの送信機（１３）と１つの受信機（１４）が基準 測定段として動作するような、請求の範囲第１項から第１２項までの１つに記載 の充填レベル表示器。