JPH05508022A - 超音波検出器、液体媒体のための検出方法および超音波送信器制御方法 - 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】 超音波検出器、液体媒体のための検出方法および超音波送信器制御方済 この発明は、液体媒体のための超音波検出器に関するものであり、これは共通の 支持上に互いに面して載置されるプレート形超音波送信器および対応する超音波 受信器を含み、この共通支持はその主要面でそれらを据付け、かつ送信器から検 出されるべき液体を通り受信器へ延びる線形音響経路を与える空間を規定するの に役立ち、この検出器はさらに増幅器を介して送信器へ接続される周波数発生器 を含む励起回路と、増幅器を介して受信器に接続され、かつ調整可能なしきい値 を有する少なくとも１つの比較器に接続される、ローパスフィルタを有する整流 器を含む検出回路とを含む。

検出されるべき液体を介する音響送信によって作動するこの型の超音波検出器に 関する技術状態は、たとえば以下の特許書類によって示されるであろう。

特許出願ＧＢ　２１７７５１ＯＡ号 ドイツ特許出願ＤＥ　３１４９９０９　Ａｔ号米国特許４９５８５１８号、４７ １１７２４０号、４５３５６２８号、４４３２２３１号、４０６３４５７号 ＤＥ　３１４９９０９　Ａｔ号、ＵＳ　４７８７２４０号およびＵＳ　４０６３ ４５７号に記述される超音波検出器は、特にトランスジューサとそれらの支持と の間に挿入される弾性エレメントを含み、したがって音響絶縁を構成する。

別の型の液体検出器がさらに言及され、これは検出されるべき液体と接触するよ うに配置された固体検出本体内で超音波の伝播によって作動する。この型の検出 器はたとえば、特許出願ＦＲ２６１７９６５ＡＩ号、ＦＲ２６２８５２Ｔ　Ａ１ 号およびＥＰ　Ｑ　３７２７０ＯＡ１号に記述される。

上に引用されたもののような既知の超音波検出器は、それでも多少複雑な構造を 必要とし、一般にそれらの動作を確実に制御せず、それらのそれぞれの適用分野 に関して重大な制限を有する。

この発明の目的は、完全な作動的安定性を与え、かつ広範な適用分野に、特に制 御、または安全システムの一部を構成するポンプ、バルブおよび／またはアラー ムの制御に適当な比較的簡単な液体検出器を提供することである。

この目的で、この発明は請求項１に規定される特徴の組合せを含み、特に検出さ れるべき液体の有無にかかわらず検出器の動作状態を確実に自動制御する超音波 検出器を提供する。

この発明に従った液体検出器の超音波送信器は、一方で液体が存在する場合の検 出を確実にし、他方で検出器の動作状態の自動制御を確実にするために、２つの 異なる励起モードに従い、検出回路は液体検出信号と同様制御信号も周期的に送 る。

周波数発生器は、一方で軸方向の共振周波数を発生して、検出されるべき液体を 介して送信される超音波を生成することを許容し、かつ他方で半径方向の共振周 波数を発生して、共通支持を介して送信される超音波を生成するように配置され る。

２つの励起周波数は好ましくは使用される送信器の基本の軸方向および半径方向 の共振周波数である。

検出器の動作状態の期間制御は共通支持を介して確実にされ、その上に超音波送 信器および受信器が、検出器全体の動作の永久制御を確実にすることができる導 波路を構成するために、良好な機構および音響接続を確実にするように取付けら れる。

送信器の軸方向励起はさらに共通支持においてクロストークを生じるが、検出器 の十分な制御を確実にすることができない。

送信器の平面において半径方向の励起は常に重要な制御信号が得られることを可 能にし、この信号は検出されるべき液体の有無にかかわらず検出器の稼働条件に 対応することが経験的に示されている。

この発明に従った検出器はこのように共通支持を介して送信される超音波によっ てその稼働条件の永久制御を許容し、この共通支持は原因が何であろうといかな る故障、または誤動作も即時に検出されることを可能にする良好な音響結合を確 実にするように特別に設計される。

この発明に従って得られた制御信号は液体検出しきい値の調整を有利に許容する 。

この目的で、検出回路は周波数発生器から発する周期信号によって制御されかつ 比較器の検出しきい値の調整のためのポテンショメータに接続されるスイッチを 設けられてもよく、それによってしきい値がローパスフィルタを有する整流器か ら出て、かつ半径方向の励起周波数に対応する信号の振幅の関数として調整され るであろう。

この発明に従った検出器の送信器および受信器は任意の適当な円形、正方形また は方形の小さい圧電プレートからなる。それらの寸法は既知の対応で、特に液体 を介して進められるべき音響経路の長さに従って選択されるであろう。

考慮される検出されるべき液体の性質によって、液体を介する音響経路の長さは ２．３ｍｍから同士ｃｍまでに渡る広範囲から多少自由に選択されてもよい。支 持の形および寸法はその後送信器および受信器の大きさ、液体を介する音響経路 の長さ、および意図される適用に従って選択される。

６ないし１６ｍｍの直径および０．５ないし３ｍｍの厚さを有する薄い円板の形 の圧電送信器および受信器を含む検出器で良好な結果が得られた。

送信器および受信器の主要面は、共通支持と完全に堅固にし、したがってこの共 通支持を介する制御機能を確実にするのに不可欠な音響結合を確実にするために 、対応する軸受面に有利に結合される。

共通支持上に送信器および受信器を取付けるための軸受面はたとえば０．５ｍｍ の厚さの極めて薄い壁に有利に設けられ、これは共通支持の一体化部分を構成し 、特に検出されるべき液体が超音波を多少強く吸収するとき、検出および制御信 号が改良されることを許容する。これらの壁は、好ましくは検出されるべき液体 から送信器および受信器を分離する軸受面を与え、それによってこの液体とのい かなる接触からもそれらを保護する。

支持の薄い壁に送信器および受信器を取付けることによって、支持における反射 による波伝播が実際的に抑制され、それによってこのクロストークを減衰するこ とを効率的に許容する。

軸方向の励起による半径方向の発振成分がさらに、送信器の圧電材料の賢明な選 択によって低下される。

請求項１０に特に規定されるようなこの発明の特に有利な実施例に従って、検出 器は超音波を送受信するためのトランジューサ手段を含み、これはそれぞれ凹面 を含む筒状セグメントの形に湾曲された小さい圧電プレートからなり、かつパイ プ上に対称的に載置され、このパイプは前記パイプの一体化部分を形成し、各々 圧電プレートの凹面に適応される凸軸受面を含む小さい厚さの対応する壁セグメ ントを有する。

前記湾曲された圧電プレートの湾曲の中心は前記パイプの縦軸と一致し、それに よって軸方向の共振周波数で湾曲された送信トランジューサの励起によって発生 される超音波が、前記パイプの軸に向かって収束し、かつ前記受信トランジュー サに向かって分岐するビームを形成し、かつ半径方向の共振周波数で湾曲された 送信トランジューサの励起によって発生された超音波が対応する壁セグメントの 凸軸受面と直接接触するその凹活性面によって送信され、前記パイプの壁に伝播 される。

この発明の構想内で行なわれたテストは、半径方向の共振モードにおける送信器 の動作と前記半径方向の共振によって生じた超音波の伝播とのこの特定の組合せ が、それぞれ異なる応用に適用されるさまざまな有利な実施例を与えることを可 能にすることを示した。

さらに示されるであろうように、この発明の構想内では原則として、その支持上 に配置され、かつそれが送信器および受信器として交互に作動することを許容す るような態様で送信および検出信号を処理するための電子手段と関連される単一 の圧電トランジューサを使用することもさらに可能である。

電子音響トランジューサは軸方向の共振モードにおいて送信器および受信器とし て交互に作動するように与えられるとき、任意の適当な反射面と関連され、それ によって送信器として作動するこのトランジューサによって検出されるべき液体 を介して送信される超音波が次に受信器として作動するこのトランジューサに対 して反射される。

この発明は請求項１３に特に規定されるような超音波によって液体媒体を検出す る方法も提供する。

この発明は請求項１４に特に規定されるような超音波送信器の動作を制御する方 法もさらに提供する。

この発明は例示によって与えられるさまざまな実施例によってより詳細に説明さ れ、かつ以下の態様で添付の図面に表わされるであろう。

図１はこの発明の一実施例に従った励起および検出回路に関連する超音波検出器 の概略図である。

図１ａは図１に従った検出器の共通支持上における送信器および受信器の取付は 配置を示す。

図２は検出しきい値を訂正するための手段を含む図１に従った検出器の検出回路 の変形を示す。

図３はポンプ制御回路に接続される補助回路に関連する図２に従った検出器を示 す。

図４は図１ないし図３に従った検出器の動作を示す。

図５はポンプ制御回路に接続された補助回路の変形とともに図２に従った検出器 を示す。

図６はＵ形支持を含む別の実施例に従った検出器の断面図を示す。

図７はパイプ部分の形の支持を含む別の実施例に従った検出器の断面図を示す。

図８は図１に従った検出器の励起および検出回路の変形を示す。

図８ａは図８に従った検出器の動作を示す。

図９は図８に従った検出器の変形を示す。

図９ａは図９に従った検出器の動作を示す。

図１０は図８に従った論理回路の動作を示す。

図１１ａ１図１１ｂ１図１１ｃは図８に従った論理回路の実施例を示す。

図１に従った検出器は共通Ｕ形支持２上で互いに面するように配置され、かつ図 １において矢印によって概略的に示される、検出されるべき液体を介する線形音 響経路を規定する空間によって分離される送信器Ｅおよび受信器Ｒを本質的に含 む。

送信器Ｅおよび受信器Ｒはそれぞれ、送信器Ｅのための励起回路ＥＣと、受信器 Ｒから発する信号を処理するための検出回路ＤＣとに接続される。

送信器Ｅおよび受信器Ｒは、共通支持２の２つの分岐の自由端で配設される２つ の軸受面２ｅ、２ｒ（図１８）上にそれぞれ載置された小さい圧電プレートから なり、この共通支持はこの場合良好な音響導体を構成するＵ形の鋼帯から形成さ れる。

共通支持２は堅固であり、したがって送信器Ｅおよび受信器Ｒの正確な位置と、 検出されるべき液体を介する音響経路の長さとを固定する。これは同時に送信器 と受信器との間の良好な機構および音響接続を確実にする導波路を構成し、した がって共通支持２において送信器Ｅから受信器Ｒへ延びる二次音響経路に沿った 弾性超音波の送信を可能にする。

図１に表わされる励起回路ＥＣおよび検出回路ＤＣＩは一方で増幅器３によって 送信器Ｅへ接続される周波数発生器１を含み、かつ他方で増幅器５によって受信 器Ｒへ接続され、かつ可変しきい値調整抵抗器８を設けられた比較器７へ接続さ れるローパスフィルタ６を含む整流器を含む。

励起回路ＥＣの周波数発生器１はここで３つの可変抵抗器１ａ１１ｒｓ　ｌｙを 設けられ、それが以下の３つの周期信号を与えることを可能にする。

すなわち切換周波数に対応する同期信号ｓｙと、好ましくは送信器Ｅの基本の軸 方向の共振周波数に対応し、（検出されるべき液体が存在する場合、受信器Ｒへ 送信される超音波を生成するために）その主要面に垂直な軸方向の励起周波数Ｆ ａと、好ましくは送信器Ｅの基本の半径方向の共振周波数に対応し、共通支持２ において受信器Ｒへ送信される超音波を発生するために働く軸方向の励起信号Ｆ ｒとである。

励起回路ＥＣはさらに周波数発生器１に関連し、同期信号Ｓｙにより制御される スイッチ４を設けられ、それによって基本の軸方向の共振周波数Ｆａおよび基本 の半径方向の共振周波数Ｆｒが増幅器３を介して送信器Ｅへ交互に導通される。

たとえば７００ｋＨｚの軸方向の周波数Ｆａおよび２５０ｋＨｚの半径方向の周 波数Ｆｒで送信器を交互に励起されるこの発明に従った検出器で良好な結果が得 られた。

同期信号ｓｙの期間は、半径方向の励起期間より少なくとも１０ないし２０倍長 いように選択される。

検出回路ＤＣＩは比較器７の出力へ検出信号Ｓｄ（検出されるべき液体が存在す る場合）および制御信号Ｓｃ（検出されるべき液体の有無にかかわらず支持２を 通って送信される）を交互に送り、これは検出器の稼働状態に対応する。

図１ａからより特定的に表わされるように、プレートＥおよびＲの各々の主要面 は共通支持２の一方の分岐の端部で対応する軸受面２ｅおよび２ｒへ導電性接着 剤によって装着される。送信器Ｅを取付ける態様だけがここに記述されるであろ うが、これは受信器Ｒを取付ける態様とまったく同じである。

送信器Ｅの内部主要面は支持２の外部軸受面２ｅへここで結合され、シールドさ れた同軸ワイヤ２９ｅのシールド２８ａに接続される導電性接着剤層によって送 信器の対応する電極へ電気的に接続される。プレートＥの外部主要面はシールド されたワイヤ２９ｅの中心電気ワイヤ３０ｅへ接続される導電層で覆われる。

受信器Ｒは軸受面２ｒ上において同一の態様で配置され、取付けられ、かつシー ルドされたワイヤ２９ｒへ接続される。

送信器Ｅおよび受信器Ｒは、それらの共通支持２および電気的接続とともに、た とえばプラスティック材料からなる図１に示されない堅固なシースによって取囲 まれ、これは送信器Ｅ１受信器Ｒおよびそれらの接続とともに支持２を包み込み 、保護し、かつ補強するように働く。

図２は、図２に従った検出回路ＤＣ２が検出しきい値の自動補正のための手段を 含むことを除いて、図１に従った検出器に対応する変形を示す。

この目的で、図２に示される検出回路ＤＣ２はローパスフィルタ６を含む整流器 の出力に接続され、かつ別のローパスフィルタ１０を介して比較器７の検出しき い値を調整するためのポテンショメータ８へ接続されるスイッチ９が設けられる 。

図２からさらに分かるように、このスイッチ９は、送信器Ｅの半径方向の励起の 間、支持２を介して送信される応答信号がポテンショメータ８へ導通され、それ によってこの信号の振幅の関数として比較器７の検出しきい値を継続的に調整す るような態様で、同期信号Ｓｙ（周波数発生器１から発する）によって制御され る。支持２を介して送信される信号が半径方向の励起の間口−パスフィルタ１０ へ進むことをスイッチ９が許容するために、このスイッチ９は支持２における伝 播時間に対応する減速器１７によって与えられる遅延で同期信号Ｓｙによって制 御される。したがって、応答信号が何かの理由で弱められるとき、比較器６の検 出しきい値は満足のいく検出を確実にするために適宜に下げられるであろう。

図３は図２に対応し、かつここでスイッチ１１を含む補助回路ＡＣ３を設けられ た検出器を示し、このスイッチは比較器７の出力に接続される１つの入力と２つ のローパスフィルタ１５および１６にそれぞれ関連される２つの出力とを含み、 減速器１７′を介して周波数発生器１から来る同期信号Ｓｙによって制御され、 かつローパスフィルタ１５に関連される出力へ制御信号Ｓｃを、ローパスフィル タ１６へ関連される出力へ検出信号Ｓｄをそれぞれ送るように配列される。

図３はさらに例示によって、それらの開いた静止位置で示される２つのスイッチ １２および１３を介して制御される電気供給回路を含むポンプ１４を示す。

検出器が正常に機能するとき、比較器７はスイッチ１２を閉じる制御信号Ｓｃを 送り、検出信号Ｓｄがスイッチ１３へ進み、このスイッチは検出信号Ｓｄが来る と閉まり、それによってポンプ１４が作動する。

さらに検出器の誤動作の場合、制御信号ＳＣが来ないのでポンプの動作は常に停 止する。

図１ないし図３に従った検出器の動作は図４に示され、以下の信号をそれぞれ表 わす。

すなわち同期信号ｓｙと、対応する軸方向の励起周波数（Ｆ　ａ）および半径方 向の励起周波数（Ｆ　ｒ）とであり、過渡発振は図示されず、それらの相対的重 要性は信号Ｓｙの周波数が半径方向の励起周波数Ｆｒより少なくとも１０ないし ２０倍低いように選択されるという事実によって制限される。

応答信号Ｓ５ａ、Ｓ６ａおよびＳ７ａは検出されるべき液体がない場合、それぞ れ検出回路の増幅器５、整流器６および比較器７によって送られた。

応答信号５５ｂＳＳ６ｂおよびＳ７ｂは検出されるべき液体がある場合、それぞ れ検出回路の増幅器５、整流器６および比較器７によって送られた。

さらに、送信器と受信器の間の伝播時間から生じる送信信号に関する応答信号の 時間遅れは図面を簡単にするために図４に示されないことが注目されるであろう 。

図４から理解されるであろうように、同期信号Ｓｙは軸方向の励起および半径方 向の励起位相の間軸方向の周波数Ｆａおよび半径方向の周波数Ｆｒにおいて、そ れぞれ値１および０に対応する。

図４は、応答信号Ｓ５ａ、Ｓ６ａが液体がない場合、一方で軸方向の励起位相（ 周波数Ｆａ）の間、共通支持２を介するクロストークに対応する低振幅を有する ことをさらに示す。

比較器７によって送られる信号Ｓ７ａは検出されるべき液体がない場合、軸方向 の励起位相（周波数Ｆａ）の間、値−１を有する（図４を参照）。

検出されるべき液体がない場合、応答信号５５ａＳＳ６ａは半径方向の励起位相 （周波数Ｆｒ）の問直振幅を有し、比較器７によってこの位相の間道られる対応 する信号Ｓ７ａは値＋１を有することが図４からさらに理解されるであろう。

液体がない場合、比較器７を出る信号Ｓ７ａはしたがって周期的制御信号Ｓｃを 含み、これは検出器の故障の場合−１にただちに下がる。

図４の下部はさらに応答信号Ｓ５ｂ、Ｓ６ｂおよびＳ７ｂを表わし、これらは検 出されるべき液体がある場合、検出回路の増幅器５、整流器６および比較器７に よってそれぞれ送られる。

軸方向の励起位相（軸方向の周波数Ｆａ）および半径方向の励起位相（半径方向 の周波数Ｆｒ）の間液体が存在する場合、増幅器５によって送られる信号Ｓ５ｂ はこれらの２つの位相の間、高振幅を有し、比較器はこの場合信号Ｓ７ｂを送り 、この信号は液体が検出される限り値１で一定である。

他方、もし検出器が何かの理由で適切に作用しなければ、信号Ｓ７ａは即座に− １へ下がる（検出されるべき液体の有無に関わらず）。

図５は図３に従った検出器に対応する検出器を示し、しきい値調整ポテンショメ ータ１８および２０をそれぞれ有する２つの他の比較器１９ａおよび１９ｂと並 列に接続された出力を有するローパスフィルタ２１を有する整流器を含む補助回 路ＡＣ５がここに設けられる。

これらの２つの比較器の検ａしきい値は、比較器１９ｂがローパスフィルタ１６ に関連される出力で検出信号を送り、比較器１９ａがローパスフィルタ１５と関 連される他方の出力で制御信号Ｓｃを送るように異なる値に調整される。

図５からさらに理解されるであろうように、補助回路ＡＣは図３を参照して既に 説明された態様でポンプ１４の制御にも関連される。

図６に表される検出器は共通支持２６において互いに面して載置された送信器Ｅ および受信器Ｒを含み、この共通支持は支持の並行分岐に窪みを付けられた２つ の正反対の盲穴２２ｅ、２２ｒを有するＵ形に曲げられた金属部分からなる。

これらの盲穴２２ｅ、２２ｒは外部から穿孔されるが、支持の一体化部分を形成 する小さい厚さの２つの平面壁２６ｅ’、２６ｒ’を残し、それらの底部は送信 器Ｅおよび受信器Ｒを取付けるために平面軸受面２６ｅ、２６ｒをそれぞれ与え る。

２つの平面壁２６ｅ’　、２６ｒ’　は１ｍｍより小さく、この場合０．４ｍｍ という極めて小さい厚さを有する。

この厚さは特に薄い壁２６ｅ′および２６ｒ′に軸方向に送信される超音波に対 する透過性を与えるために、支持２６の固体材料において伝播される超音波の波 長の１／１０より有利に少ない。

受信器Ｒのアセンブリが同じであるとして、送信器Ｅを取付ける態様だけがここ で説明されるであろう。

送信器Ｅは対応する盲穴２２ｅに固定されるが、この穴２２ｅを規定する壁面と の横方向の接触およびクロストークを避けるために横方向のクリアランスを残す 。送信器Ｅの内部主要面は導電性接着剤層によってこの穴２２ｅの底部で対応す る軸受面２６ｅへ結合され、軸方向にシールドされたワイヤ２９ｅのシールド２ ８ｅに接続される。

送信器Ｅの外面はシールドされたワイヤ２９ｅの中心ワイヤ３０ｅに接続される この導電性接着剤層で覆われる。

湿った裏当て３１ｅが送信器Ｅの裏面へさらに結合され、穴２２ｅは送信器Ｅお よびその電気接続をきっちり取囲むように働くプラグ３２ｅによって最終的に閉 鎖される。

受信器Ｒは盲穴２２ｒに取付けられ、同一の態様でシールドされたワイヤ２９ｒ を介して電気的に接続される。

図６から理解されるであろうように、Ｕ形支持２６は軸方向のワイヤ２９ｅおよ び２９ｒを含む２つの穴３４ｅ１３４ｒによって盲穴２２　ｅ　ｓ　２２　ｒに 接続される中心穴３３を設けられる。

この中心穴３３は送信器Ｅおよび受信器Ｒを取囲む共通指示２６を接続管３５へ 装着するように働き、この接続管は電気的接続を含み、励起回路および検出回路 （図６には示さず）への接続のために働き、これらの回路は前の図を参照して説 明されるのと同じ態様に配置されてもよい。

図７に示される実施例はパイプの形の環状支持２７を含み、送信器Ｅ７および受 信器Ｒ７のアセンブリは図６に従ったものに対応し、既に説明された類似のエレ メントが図６および図７で同じ参照番号によって指定される。

図７に表されるように、それぞれの軸受面を呈する薄い壁２７ｅ′および２７ｒ ′は環状支持２７の周辺に湾曲され、送信器Ｅ７は受信器Ｒ７と同様それらの主 要面が対応する軸受面に適応されるように適宜に湾曲される。

接続管３６がさらに、穴３８ｅおよび３８ｒにおいてそれぞれ同軸ワイヤ２９ｅ および２９ｒを取囲む環状支持の分岐上の中心穴３７に、これらの電気ワイヤを 外部に導通して、それらを図示されない励起回路および検出回路に接続するため に、横方向に取付けられ、これらの回路は前の図に関して既に説明されたのと同 じ態様で同様に配置されてもよい。

図７に従ったこの環状検出器は異なるように使用されてもよい。たとえばそれは 、送信器Ｅ７および受信器Ｒ７のレベルで液体の有無を検出するために、環状支 持２７と同じ内直径を有する垂直パイプ上に取付けられてもよい。

図８に従った変形は修正された励起および検出回路ＥＣ８およびＤＣ８を含み、 これらは図１を参照して既に説明されたのと同じエレメント１、ｌ　ａ−、１ｒ ｓ　ｌｙ、２．３．５および６を含む。

励起回路ＥＣ８は静止位置を含む３つの位置を有するスイッチ８４を含み、これ は同期信号ｓｙに従って分離回路８０ａによって制御される。

検出回路ＤＣ８は可変抵抗器８８ａおよび８８ｂによって調整可能であり、かつ 信号ＳｃおよびＳｄをそれぞれ送る単安定リセット回路８１１ａおよび８１１ｂ へスイッチ８９ａおよび８９ｂを介してそれぞれ接続されるしきい値を有する２ つの比較器８７ａおよび８７ｂを含む。スイッチ８９ａおよび８９ｂは論理回路 ８０ｂおよび８０ｃをそれぞれ介して周波数発生器１から来る同期信号ｓｙに従 って制御される。

整流器６の出力は比較器８７ａおよび８７ｂの入力へ接続され、かつ同期信号Ｓ ｙに従って論理回路８０ｄによって制御され、比較器８７ｂのしきい値を調整す るために抵抗器８８ｂへ接続される出力を含むアナログメモリ８２２の入力へ接 続される。

図８は信号ＳｄおよびＳｃを確認するための補助回路ＡＣ８をさらに示す。増幅 器３の出力信号は周波数弁別回路８２０　（ＰＬＬ、位相ロックループ）の入力 に向けられる。

回路８２０は、もし入力信号が軸方向の励起周波数に対応すると、出力信号１を 送り、反対の場合信号０を送るように調整される。

この回路８２０が信号１を送るための帯域幅は圧電トランジューサＥおよびＲと 、周波数が流動するとき容認される信号レベルとに従って調整される。

このように弁別回路８２０の出力は、回路が正常に作動するとき、この場合一定 信号１を送る単方向リセット回路８１１Ｃへ断続的に信号１を送る。この信号は ２つの論理ＡＮＤゲート８２１ａおよび８２１ｂへ向けられる。これらの２つの ゲートは回路ＤＣ８によって送られる信号ＳｄおよびＳｃを確認する。

整流器６の出力信号Ｓｄ６、Ｓｃ５は可変抵抗器８８ａおよび８８ｂによって調 整可能なしきい値を有する２つの比較器８７ａおよび８７ｂへ向けられる。

比較器８７ａは制御しきい値に達しているか否かによって、信号１または０を送 る。論理回路８０ｂによって制御されるスイッチ８９ａは比較器８７ａの出力信 号を時間の関数として単安定リセット回路８１１ａへ向ける。半径方向の波の受 信時間に対応する信号だけが考慮に入れられる。

このように励起された単安定リセット回路８１１ａは、スイッチ８９ａから来る 信号が１へ進み、単安定リセット回路８１１ａの時定数に対応する十分に高い周 波数で反復される限り、連続制御信号Ｓｃを送る。

比較器８７ｂは検出信号に対応する信号Ｓｄ６のために同じように作動する。論 理回路８０ｃは軸方向の波の受信時間に対応する時間隔で、受取られた信号を単 安定リセット回路８１１ａと同じように作動する単安定リセット回路８１１ｂへ 向けることを可能にする。

アナログメモリ８２２は整流器６の出力信号Ｓｃ６を受取り、論理回路８０ｄに よって示される、半径方向の波の受信に対応する瞬間にこの値を記憶し、これは 一方でしきい値調整抵抗器８８ｂに与えられる。比較器８７ｂのしきい値は変換 器ＥおよびＲの効率に従ってこのように自動的に調整される。

図８ａは図８に従った回路の動作を示し、信号Ｓ３、Ｓ５　ａ、　Ｓ　５　ｂ、 　Ｓ　６　ａ、　Ｓ　６　ｂは同一の参照番号の信号にそれぞれ対応し、図４に 関連して既に説明されている。この図は波伝播時間による送信に関する受信期間 の時間遅れを示す。

アナログメモリ８２２から来る値はさらに送信および受信エレメントの効率性を 示すものとしても使用され、信号の確認において考慮されてもよい。

図１１ａ１図１１ｂおよび図１１ｃはそれぞれ図８に従った論理回路８０ａ、８ ０ｂ、８０ｃ、８０ｄを例示によって表す。

図１１ａに示される論理回路は直列の（ＪＫ型の）双安定回路ＪＫＩおよびＪＫ ２と３つのゲートＰ１、Ｐ２、およびＰ３とを含む。

双安定回路ＪＫＩは同期信号Ｓｙを受取り、信号の立上り側面で切換わる。双安 定回路ＪＫ２はＪＫＩの立上り側面で切換わる。

ゲートＰ１は軸方向の励起期間に対応する信号Ｐ１　を送り、ゲートＰ２は半径 方向の励起期間に対応する信号Ｐ２　を送り、ゲートＰ３は静止期間に対応する 信号Ｐ３゜を送る。

図１１ｂおよび図１１ｃは図１１ａに従った回路に関する簡単な実施例を表す。

図１０はこれらの論理回路の動作を示し、同期信号Ｓｙに従った対応する信号Ｊ ＫＩ、ＪＫ２、ＰＬ　、Ｐ２　おｒ よびＰ３　のシーケンスを表す。

図９は図８に従った検出器の変形を示し、この中で支持９２は送信器Ｅおよび受 信器Ｒとして交互に作動する単一の圧電エレメントＥ／Ｒが設けられる。

第１の期間において、前記圧電エレメントＥ／Ｒはスイッチ８４ａによって励起 回路ＥＣ８に接続され、それによって送信器として作動する。連続波の送信の終 わりに、スイッチ８４ａが切換わり、前記圧電エレメントＥ／Ｒを検出回路ＤＣ ８へ接続して、受信器として作動する。

図９ａは図９に従った回路の動作を示し、信号Ｓ３．５５ａｓ　Ｓ５ｂ、５６ａ ＳＳ６ｂは同一の参照番号を有する信号にそれぞれ対応し、図４に関連して既に 説明されている。この図は往復する波伝播時間による送信期間に関する受信期間 の時間遅れをさらに示す。

往復する伝播時間は、前記伝播時間より短くなければならない連続する軸方向お よび半径方向の送信波の双方の長さを決定するために考慮されねばならない。軸 方向および半径方向の２つの送信の間の静止期間も信号の重畳を避けるために送 信時間と往復する伝搬時間の和より長くなければならない。

この発明に従った検出器は異なる応用分野でその使用を許容するさまざまな実際 的利点を提供する。

その稼働条件の自動制御のお陰で、この検出器は制御および安全システムにおけ る大半の工業的応用に要求されるように、極めて高い信頼性を提供する。

その検出しきい値の補正はそれが可変動作条件に適用されることを許容する。

したがってそれは大きい粘性および腐蝕性を有してもよく、かつ２０℃と１５０ ℃の間の温度であってもよいまったく異なる液体の検出に適している。

この検出器は液体中の気泡、または多孔体の出現を検出するのにも役立つ。

２ｅ ＥＣ８ Ｆｉｇ、　８ Ｆｉｇ、　８ａ Ｆｉｇ、　９ 要約 超音波送信器（Ｅ）は２つの異なる励起モードに従い、同時に導波路を構成する 支持（２）上に載置される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．液体媒体のための超音波検出器であって、共通支持上に互いに面して載置さ れるプレート形超音波送信器および対応する超音波受信器を含み、この共通支持 はその主要面でそれらを据付け、かつ送信器から検出されるべき液体を通って受 信器へ延びる線形音響経路を与える空間を規定するように働き、増幅器を介して 送信器へ接続される周波数発生器を含む励起回路と、増幅器を介して受信器に接 続され、かつ調整可能なしきい値を有する少なくとも１つの比較器に接続される ローパスフィルタを含む整流器を含む検出器回路とをさらに含み、 （ａ）　励起回路（ＥＣ）が、一方で送信器（Ｅ）の軸方向の共振周波数に対応 し、検出されるべき液体を介する音響経路に沿って超音波を送信するように働く 軸方向の励起周波数（Ｆａ）を送信器（Ｅ）へ送り、他方、送信器（Ｅ）の半径 方向の共振周波数に対応し、共通支持（２）を介して受信器（Ｒ）へ超音波を送 信するように働く半径方向の励起周波数（Ｆｒ）を送信器（Ｅ）へ送るように配 列されることと、 （ｂ）　送信器（Ｅ）および受信器（Ｒ）は共通支持（２）上に配置された対応 する軸受面（２ｅ、２ｒ）上にその主要面によって取付けられ、それによって共 通支持（２）において超音波の送信を許容する良好な音響接続を確実にする導波 路を形成し、全体的配置は検出回路（ＤＣ１、ＤＣ２）が一方で検出されるべき 液体を介して送信される波から発する第１の信号（Ｓｄ）を送り、他方共通支持 （２）を介して送信される波から発する第２の信号（Ｓｃ）を送るようなもので あることを特徴とする、超音波検出器。 ２．励起回路（ＥＣ１、ＥＣ２、ＥＣ８）は送信器（Ｅ）へ連続的かつ循環的に この送信器の軸方向の共振周波数（Ｆａ）および半径方向の共振周波数（Ｆｒ） を送るように適応される周波数発生器を含むことと、検出回路（ＤＣ１、ＤＣ２ 、ＤＣ８）は前記第１および第２の信号にそれぞれ対応する検出信号（Ｓｄ）お よび制御信号（Ｓｃ）を連続的かつ循環的に送ることとを特徴とする、請求項１ に記載の検出器。 ３．周波数発生器（１）は増幅器（３）を介して送信器（Ｅ）に接続された１つ の出力と、軸方向および半径方向の励起周波数（それぞれＦａおよびＦｒ）をそ れぞれ受ける周波数発生器（１）に接続された２つの入力を含む第１のスイッチ （４、８４）に関連され、前記第１のスイッチ（４、８４）は周波数発生器（１ ）によって送られる同期信号（Ｓｙ）に従って制御され、それによって軸方向お よび半径方向の励起周波数（それぞれＦａおよびＦｒ）が送信器（Ｅ）へ交互に 送信されることを特徴とする、請求項２に記載の検出器。 ４．検出回路（ＤＣ２）は、周波数発生器（１）から来る同期信号（Ｓｙ）によ って減速器（１７）を介して制御されローパスフィルタ（６）を含む整流器の出 力に接続される入力を含み、かつ比較器（７）のしきい値を調整するための可変 抵抗器（８）ヘローパスフィルタ（１０）を介して接続される出力を含む第２の スイッチ（９）を設けられ、全体配列は比較器（７）の検出しきい値がローパス フィルタ（６）を含む整流器を離れ半径方向の励起周波数に対応する信号の振幅 に従って調整されるようなものであることを特徴とする、請求項３に記載の検出 器。 ５．検出回路（ＤＣ２）の出力は補助回路（ＡＣ３、ＡＣ５）へ、検出信号（Ｓ ｄ）および制御信号（Ｓｃ）をそれぞれ前記補助回路（ＡＣ３、ＡＣ５）の２つ の出力へ送るように配列されることを特徴とする、請求項３または４に記載の検 出器。 ６．励起回路（ＥＣ８、図８）は３つの位置を有するスイッチ（８４）を含み、 周波数発生器（１）と送信器（Ｅ）へ接続される増幅器（３）との間に配列され 、かつ前記軸方向の励起周波数（Ｆａ）および半径方向の励起周波数（Ｆｒ）を それぞれ受ける２つの入力と、増幅器（３）へ接続される１つの出力と、静止位 置とを含むスイッチ（８４）を含み、前記スイッチ（８４）は論理回路（８０ａ ）によって制御され、この回路は発生器（１）から前記同期信号（Ｓｙ）を受け 、前記軸方向の励起周波数（Ｆａ）および半径方向の励起周波数（Ｆｒ）を交互 に送信し、かつ中間静止間隔によってそれらを分離するように配列される事を特 徴とする、請求項３に記載の検出器。 ７．検出回路（ＤＣ８、図８）は切換手段（８９ａ、８９ｂ）に関連される比較 器手段（８７ａ、８７ｂ）を含み、前記検出信号（Ｓｄ）および前記制御信号（ Ｓｃ）にそれぞれ関連される２つの調整可能な検出しきい値を有するように配列 されることを特徴とする、請求項１に記載の検出器。 ８．検出信号（Ｓｄ）に関連される検出しきい値はローパスフィルタ（６）を含 む前記整流器から出、半径方向の励起周波数に対応する信号（Ｓｃ６）によって 調整されることを特徴とする、請求項７に記載の検出器。 ９．励起回路（ＥＣ８）から出る信号は、励起回路（ＥＣ８）によって送信され る周波数が軸方向の励起周波数（Ｆａ）に対応するとき信号を送り、送信器への この周波数（Ｆａ）の送信を確認することを許容する周波数弁別回路（８２０） を含む補助回路（ＡＣ３）へ向けられることを特徴とする、請求項７または８に 記載の検出器。 １０．液体媒体のための超音波検出器であって、共通支持上に載置される、超音 波を送受信するためのトランスジューサ手段と、トランスジューサ送信手段へ与 えられ、トランスジューサ受信手段によって送られる信号を処理するための電子 手段とを含み、 （ａ）　前記送信および受信トランスデューサ手段はそれぞれ凹面を含む筒型セ グメントの形に湾曲された小さい圧電プレート（Ｅ７、Ｒ７）からなり、パイプ （２７）上に対称的に取付けられ、このパイプは前記パイプ（２７）の一体化部 分を形成し、各々対応する圧電プレート（Ｅ７、Ｒ７）の凹面に応用される凸軸 受面を呈する小さい厚さの対応する壁セグメント（２７ｅ′、２７ｒ′）を有す ることと、 （ｂ）　前記圧電プレートはそれらの湾曲の中心が前記パイプ（２７）の縦軸と 一致するように対称的に配置されることとを特徴とし、 全体配列は一方で軸方向の周波数で湾曲された送信トランスジューサ（Ｅ７）の 励起によって発生された超音波が前記パイプの軸へ収束し、前記受信トランスジ ューサへ分岐するビームを形成し、他方で半径方向の共振周波数で湾曲された送 信トランスジューサ（Ｅ７）の励起によって発生された超音波が対応する壁セグ メントの凸軸受面と直接接触するその凹活性面によって送信され、前記パイプの 壁において伝播される、検出器。 １１．前記パイプの一体化部分を形成する前記２つの壁セグメントは前記壁セグ メントを介する前記ビームの超音波の伝播に対応する波長の１／１０より少ない 小さい半径方向の厚さを有することを特徴とする、請求項１０に記載の検出器。 １２．前記パイプは、各々前記パイプの外表面で開いた端部と、前記パイプの内 表面の付近に位置される湾曲された凸底部とを有する２つの正反対の半径方向の 盲穴を含み、それによって前記パイプの内表面の付近に前記パイプの壁の一体化 部分を構成する前記壁セグメントを形成することを特徴とする、請求項１０また は１１に記載の検出器。 １３．検出されるべき液体と接触するための表面を有する固体支持上に載置され る圧電トランスジューサによって発生された超音波によって液体媒体を検出する 方法であって、（ａ）　前記トランスジューサは前記支持上に直接載置され、前 記支持は前記トランスジューサによって発生される波の送信を許容する導波路を 構成するように配列されることと、 （ｂ）　前記トランジスタジューサは一方で軸方向の励起モードに、他方で半径 方向の励起モードに従い、これらはそれぞれトランスジューサの主要面に垂直な 軸方向の共振周波数およびトランスジューサの主要面の平面における半径方向の 共振周波数に対応することと、（ｃ）超音波は液体の検出およびトランスジュー サの制御を行うために、一方で検出されるべき液体において、他方で前記支持に おいて、それぞれ遮られることとを特徴とする、方法。 １４．固体支持上に載置され、液体媒体を介して横断する超音波を送信するよう に意図される小さい圧電プレートの形の超音波送信器の動作を制御する方法であ って、（ａ）　前記送信器は２つの異なる励起モードに従い、１つのモードは液 体媒体を介して前記横断する超音波を送信するための軸方向の共振周波数に対応 し、第２のモードは前記固体支持に沿って波を送信するための半径方向の励起周 波数に対応することと、 （ｂ）　前記支持において伝播される超音波に対応する信号は遮られ、この信号 は予め定められた初期条件の下で前記送信器の動作に対応する基準と比較される ことと、（ｃ）　前記信号と前記基準との間のいかなる差異も、前記基準に関す る送信器の動作のいかなる逸脱も検出するために定められることとを特徴とする 、方法。 １５．液体媒体を介して伝播される超音波に対応する遮られた信号の検出しきい 値が前記差異に従って補正され、それによって前記初期条件に関する前記送信器 の動作の校正を達成することを特徴とする、請求項１４に記載の方法。