WO2005106390A2 - Vorrichtung zur bestimmung und/oder überwachung des füllstandes eines mediums - Google Patents

Vorrichtung zur bestimmung und/oder überwachung des füllstandes eines mediums Download PDF

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    • H10N30/802—Circuitry or processes for operating piezoelectric or electrostrictive devices not otherwise provided for, e.g. drive circuits

Definitions

  • the invention relates to a device for determining and / or monitoring the fill level of a medium, with a piezo transducer with at least a first and a second segment, the segments having different polarization, the piezo transducer generating or receiving ultrasonic signals.
  • the level is calculated, for example, from the transit time of the emitted and received ultrasound signals.
  • the fill level of a medium in a tank can e.g. measure by sending ultrasonic impulses from a sensor and after the reflection on the surface of the medium again by the sensor.
  • the required runtime is a measure of the distance traveled in the empty part of the tank. This value is subtracted from the total tank height and the level is obtained from it.
  • Corresponding measuring devices / sensors are manufactured and sold by the applicant under the name "Prosonic".
  • a piezo transducer - that is to say a piezoelectric element with at least two essentially opposite sides or segments that are polarized differently - is used to generate the ultrasonic pulses
  • the alternating voltage arises, for example, by controlling the primary windings of a transformer with an direct voltage. The problem with this configuration is that a heavy, large-volume transformer that is dimensioned for the required pulse power is usually required for this.
  • the object of the invention is to control the piezo transducer of a measuring device with the simplest possible structure, which above all does not require a transformer.
  • the invention solves the problem in a first variant in that a first and a second electrical potential are provided, the two potentials being different, in that a switch arrangement with switches is provided which is connected to the first and the second potential and the Piezowandler is connected, that at least one control logic is provided which controls the switch arrangement, and that the two segments of the piezo converter are periodically alternately connected to the first and to the second potential via the switch arrangement.
  • the idea of the first variant is therefore that two different electrical potentials are provided.
  • the potentials can differ from each other in terms of their amount or their sign. These potentials are alternately connected to the segments - eg the plus and minus side - of the piezo transducer. Since the potentials are different, there is a potential difference at the piezo converter.
  • the first electrical potential is a charged capacitor or a DC voltage source.
  • the capacitor is preferably charged to a voltage Ul via a voltage source.
  • Such a capacitor is also advantageous because it can store the pulse power.
  • such capacitors are usually also used in an output stage for controlling a piezo converter according to the prior art. If a capacitor is charged to a voltage Ul or if there is a DC voltage source with a voltage Ul, then the piezo converter is effectively controlled by an AC voltage whose amplitude corresponds to the voltage Ul.
  • the voltage source for charging the capacitor advantageously has a higher voltage, so that the capacitance of the capacitor can be chosen to be significantly smaller, since the voltage is known to be square.
  • the control must be designed so that the switches can switch a high voltage against a high potential.
  • An embodiment of the first variant includes that the switch arrangement has at least a first, a second, a third and a fourth switch, that the first and the third switch in the closed state connect the piezo transducer to the first potential, that the second and the fourth switch in the closed state connects the piezo converter to the second potential, and that the control logic closes or opens the first and fourth switches or the second and third switches simultaneously.
  • This is a special configuration in which 4 switches are required. Two switches alternately establish contact with one of the two potentials. A switch for the first potential and a switch for the second potential are then switched simultaneously for the control.
  • the invention solves the problem with a second variant in that a first, a second and a third electrical potential are provided, that the first potential is greater than the second potential, that the third potential is less than the second potential, that the first segment of the piezo transducer is connected to the second potential, that at least one switch arrangement with switches is provided, which is connected to the first and the third potential and the second segment of the piezo converter, that at least one control logic is provided which controls the switch arrangement, and .that the second segment of the piezo converter is periodically alternated with the first and the switch arrangement third potential is connected.
  • the alternating voltage at the piezo converter thus results from the fact that one segment is connected to a potential and that the second segment is alternately connected to a higher and a lower potential.
  • the potential difference alternately had a different direction and an alternating voltage results.
  • An embodiment of the second variant provides that the first and the third electrical potential are each a charged capacitor or a DC voltage source. This is a configuration similar to that of the first variant. A combination of capacitor and voltage source can also be provided.
  • An embodiment which relates to the first and the second variant, provides that the second electrical potential is a ground potential.
  • This is a very simple embodiment and can be implemented, for example, by a connection to the grounded housing of the measuring device.
  • Fig. 1 a schematic circuit diagram for controlling a
  • the capacitor 10 serves to store the pulse power.
  • the simple circuit arrangement is advantageous in this prior art. Both switches S1 and S2 switch relatively low voltages to ground, so that the control by the control logic 20 is also very simple.
  • the training output voltage can be adapted via the transmission ratio ü to the voltage source 25.
  • the major disadvantage is that a heavy, large-volume transformer 30, which is dimensioned for the pulse power, is necessary. This applies particularly to low excitation frequencies of the piezo converter 1.
  • the first variant according to the invention is shown.
  • all four switches S1, S2, S3 and S4 of the switch arrangement are open.
  • Such switches can be implemented, for example, using appropriate transistors.
  • the switches are closed or opened in pairs during operation.
  • the switches S1 and S4 are closed simultaneously and alternately with S2 and S3 by the control logic 20 for the duration of the excitation.
  • the control logic 20 is, for example, a microprocessor or appropriately designed discrete digital electronics.
  • the second potential 7 - creates an alternating voltage at the piezo converter 1, the amplitude of which corresponds to the voltage Ul of the capacitor 10 or the DC voltage source 25.
  • the capacitor 10 also serves to store the pulse power.
  • the big advantage is that no transformer is required, so this output stage can be dimensioned smaller.
  • the capacitance of the capacitor 10 can be significantly smaller due to a higher voltage U 1 of the voltage source 25, because the voltage is square.
  • the switches S1 and S3 each switch a high voltage against a high potential. Accordingly, the switches S1 and S3 and the control by the control logic 20 are to be configured.
  • the second variant according to the invention is shown.
  • the switches S1 and S2 are alternately closed or opened for the duration of the excitation.
  • the first segment 2 of the piezo transducer 1 is connected to the ground potential 15 - that is to say the second potential 6.
  • the third potential 7 is realized by the capacitors 10, which are charged by the voltage sources 25 to the voltages U1 and U2. It applies that Ul> 0> U2, since the second potential is 6 ground.
  • the capacitors 10 again serve to store the pulse power.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums, mit einem Piezowandler (1) mit mindestens einem ersten (2) und einem zweiten Segment (3), wobei die Segmente (2, 3) unterschiedliche Polarisation aufweisen, wobei der Piezowandler (1) Ultraschallsignale erzeugt bzw. empfängt. Die Erfindung sieht vor, dass ein erstes (6) und ein zweites elektrisches Potential (7) vorgesehen sind, wobei die beiden Potentiale (6, 7) unterschiedlich sind, dass eine Schalteranordnung mit Schaltern (S1, S2, S3, S4) vorgesehen ist, die mit dem ersten (6) und dem zweiten potential (7) und dem Piezowandler (1) verbunden ist, dass mindestens eine Ansteuerlogik (20) vorgesehen ist, die die Schalteranordnung steuert, und dass die zwei Segmente (2, 3) des Piezowandlers (1) über die Schalteranordnung periodisch abwechselnd mit dem ersten (6) und mit dem zweiten Potential (7) verbunden sind. Weiterhin gibt die Erfindung auch eine alternative Ausgestaltung an.

Description

Beschreibung Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums
[001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums, mit einem Piezowandler mit mindestens einem ersten und einem zweiten Segment, wobei die Segmente unterschiedliche Polarisation aufweisen, wobei der Piezowandler Ultraschallsignale erzeugt bzw. empfängt. Aus der Laufzeit der abgestrahlten und empfangenen Ultraschallsignale wird beispielsweise der Füllstand berechnet.
[002] Der Füllstand eines Mediums in einem Tank lässt sich z.B. messen, indem von einem Sensor Ultraschall-Impulse ausgesandt und nach der Reflexion an der Oberfläche des Mediums wieder vom Sensor erfasst werden. Die benötigte Laufzeit ist ein Maß für den zurückgelegten Weg im leeren Tankteil. Dieser Wert wird von der gesamten Tankhöhe abgezogen und man erhält daraus den Füllstand. Entsprechende Messgeräte/Sensoren werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung „Prosonic" hergestellt und vertrieben. Für die Erzeugung der Ultraschall-Impulse wird ein Piezowandler - also ein piezoelektrisches Element mit mindestens zwei einander im Wesentlichen gegenüberliegender Seiten oder Segmenten, die unterschiedlich polarisiert sind - mit einer Wechselspannung zu Schwingungen angeregt. Die Wechselspannung ergibt sich z.B. über die Ansteuerung der Primärwicklungen eines Übertragers mit eine r Gleichspannung. Problematisch an dieser Ausgestaltung ist, dass hierfür meist ein schwerer, großvolumiger und für die erforderliche Impulsleistung dimensionierte Übertrager erforderlich ist.
[003] Daher besteht die Aufgabe der Erfindung darin, den Piezowandler eines Messgeräts mit einem möglichst einfachen Aufbau anzusteuern, der vor allem keinen Übertrager benötigt.
[004] Die Erfindung löst die Aufgabe in einer ersten Variante dadurch, dass ein erstes und ein zweites elektrisches Potential vorgesehen sind, wobei die beiden Potentiale unterschiedlich sind, dass eine Schalteranordnung mit Schaltern vorgesehen ist, die mit dem ersten und dem zweiten Potential und dem Piezowandler verbunden ist, dass mindestens eine Ansteuerlogik vorgesehen ist, die die Schalteranordnung steuert, und dass die zwei Segmente des Piezowandlers über die Schalteranordnung periodisch abwechselnd mit dem ersten und mit dem zweiten Potential verbunden sind. Die Idee der ersten Variante ist also, dass zwei unterschiedliche elektrische Potentiale vorgesehen sind. Die Potentiale können sich hinsichtlich ihres Betrages oder ihres Vorzeichens voneinander unterscheiden. Durch die Schalteranordnung werden diese Potentiale ab- wechselnd mit den Segmenten - z.B. die Plus- und Minus-Seite - des Piezowandlers verbunden. Da die Potentiale unterschiedlich sind, liegt also am Piezowandler jeweils eine Potentialdifferenz an. Durch das Umschalten der Schalteranordnung liegt diese Potentialdifferenz jeweils in unterschiedlicher Richtung an, wodurch sich eine Wechselspannung für den Piezowandler ergibt. Dadurch kontrahiert und expandiert der Piezowandler alternierend. Diese Lösungsvariante benötigt also nur zwei unterschiedliche Potentiale und ein Übertrager ist nicht erforderlich.
[005] Eine Ausgestaltung der ersten erfindungsgemäßen Variante sieht vor, dass es sich bei dem ersten elektrischen Potential um einen aufgeladenen Kondensator oder um eine Gleichspannungsquelle handelt. Der Kondensator ist vorzugsweise über eine Spannungsquelle auf eine Spannung Ul aufgeladen. Ein solcher Kondensator ist auch deshalb vorteilhaft, weil er die Impulsleistung speichern kann. Solche Kondensatoren werden zu diesem Zweck meist auch bei einer Endstufe zur Ansteuerung eines Piezowandlers nach dem Stand der Technik verwendet. Ist ein Kondensator auf eine Spannung Ul aufgeladen oder ist eine Gleichspannungsquelle mit einer Spannung Ul gegeben, so ergibt sich effektiv für den Piezowandler die Ansteuerung durch eine Wechselspannung, deren Amplitude der Spannung Ul entspricht. Die Spannungsquelle zur Aufladung des Kondensators weist vorteilhafterweise eine höhere Spannung auf, so dass die Kapazität des Kondensators wesentlich kleiner gewählt werden kann, da die Spannung bekanntermaßen quadratisch eingeht. Die Ansteuerung muss dabei so ausgelegt sein, dass die Schalter eine hohe Spannung gegen ein hohes Potential , schalten können.
[006] Eine Ausgestaltung der ersten Variante beinhaltet, dass die Schalteranordnung mindestens einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Schalter aufweist, dass der erste und der dritte Schalter im geschlossenen Zustand den Piezowandler mit dem ersten Potential verbinden, dass der zweite und der vierte Schalter im geschlossenen Zustand den Piezowandler mit dem zweiten Potential verbinden, und dass die Ansteuerlogik den ersten und den vierten Schalter bzw. den zweiten und den dritten Schalter jeweils gleichzeitig schließt bzw. öffnet. Dies ist eine spezielle Ausgestaltung, in welcher 4 Schalter benötigt werden. Jeweils zwei Schalter stellen abwechselnd jeweils den Kontakt zu einem der beiden Potentiale her. Für die Ansteuerung werden dann jeweils ein Schalter für das erste Potential und ein Schalter für das zweite Potential gleichzeitig geschaltet.
[007] Die Erfindung löst die Aufgabe mit einer zweiten Variante dadurch, dass ein erstes, ein zweites und ein drittes elektrisches Potential vorgesehen sind, dass das erste Potential größer als das zweite Potential ist, dass das dritte Potential kleiner als das zweite Potential ist, dass das erste Segment des Piezowandlers mit dem zweiten Potential verbunden ist, dass mindestens eine Schalteranordnung mit Schaltern vorgesehen ist, die mit dem ersten und dem dritten Potential und dem zweiten Segment des Piezowandler verbunden ist, dass mindestens eine Ansteuerlogik vorgesehen ist, die die Schalteranordnung steuert, und .dass das zweite Segment des Piezowandlers über die Schalteranordnung periodisch abwechselnd mit dem ersten und dem dritten Potential verbunden ist. In dieser zweiten Variante ergibt sich die Wechselspannung am Piezowandler also dadurch, dass ein Segment mit einem Potential verbunden ist und dass das zweite Segment alternierend mit einem höheren und einem niedrigeren Potential verbunden wird. Somit hatte die Potentialdifferenz abwechselnd eine andere Richtung und eine Wechselspannung ergibt sich.
[008] Eine Ausgestaltung der zweiten Variante sieht vor, dass es sich bei dem ersten und dem dritten elektrischen Potential jeweils um einen aufgeladenen Kondensator oder um eine Gleichspannungsquelle handelt. Dies ist eine entsprechende Ausgestaltung wie bei der ersten Variante. Es kann auch eine Kombination aus Kondensator und Spannungsquelle vorgesehen sein.
[009] Eine Ausgestaltung, die sich auf die erste und die zweite Variante bezieht, sieht vor, dass es sich bei dem zweiten elektrischen Potential um ein Massepotential handelt. Dies ist eine sehr einfache Ausgestaltung und lässt sich beispielsweise durch eine Verbindung mit dem geerdeten Gehäuse der Messvorrichtung realisieren.
[010] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
[011] Fig. 1 : ein schematisches Schaltbild zur Ansteuerung eines
[012] Piezowandlers gemäß dem Stand der Technik;
[013] Fig. 2: ein schematisches Schaltbild der ersten erfindungsgemäßen
[014] Variante; und
[015] Fig. 3: ein schematisches Schaltbild der zweiten erfindungsgemäßen
[016] Variante.
[017] Fig. 1 zeigt den Aufbau einer sog. Endstufe zur Ansteuerung eines Piezowandlers. Die Primärwicklungen Nl und N2 des Übertragers 30 - hier ein Transformator - werden über die Schalter Sl und S2 abwechselnd gegensinnig für die Dauer der Erregung an die Gleichspannungsquelle 25 mit der Spannung Ul geschaltet. Auf diese Art entsteht in der Sekundärwicklung N3 des Übertragers 30 unter der Voraussetzung, dass Nl = N2 ist, eine Wechselspannung mit der Amplitude Ul * ü mit dem Übersetzungsverhältnis ü = N3/N1. Der Kondensator 10 dient der Speicherung der Impulsleistung. Vorteilig an diesem Stand der Technik ist zunächst die einfache Schaltungsanordnung. Beide Schalter Sl und S2 schalten relativ kleine Spannungen gegen Masse, so dass auch die Ansteuerung durch die Ansteuerlogik 20 sehr einfach ist. Weiterhin ist eine galvanische Trennung der Ausgangsspannung - Seite des Piezowandlers 1 - von der Eingangsspannung gegeben. Auch kann die Aus- gangsspannung über das Übersetzungsverhältnis ü an die Spannungsquelle 25 angepasst werden. Der große Nachteil ist jedoch, dass ein schwerer, großvolumiger und auf die Impulsleistung dimensionierter Übertrager 30 notwendig ist. Dies gilt besonders für niedrige Anregungsfrequenzen des Piezowandlers 1.
[018] In der Fig. 2 ist die erste erfindungsgemäße Variante dargestellt. Im gezeigten Fall sind alle vier Schalter Sl, S2, S3 und S4 der Schalteranordnung geöffnet. Solche Schalter lassen sich beispielsweise durch entsprechende Transistoren realisieren. Im Betrieb sind die Schalter paarweise geschlossen bzw. geöffnet. Die Schalter Sl und S4 werden gleichzeitig und abwechselnd zu S2 und S3 durch die Ansteuerlogik 20 für die Dauer der Erregung geschlossen. Bei der Ansteuerlogik 20 handelt es sich beispielsweise um einen Mikroprozessor oder um eine entsprechend ausgestaltete diskrete digitale Elektronik. Durch die abwechselnde Verbindung des Piezowandlers 1 - bzw. der Segmente mit negativer und positiver Polarisation - mit dem Kondensator 10 - also das erste elektrische Potential 6 - und dem Massepotential 15 - also das zweite Potential 7 - entsteht am Piezowandler 1 eine Wechselspannung, deren Amplitude der Spannung Ul des Kondensators 10 bzw. der Gleichspannungsquelle 25 entspricht. Der Kondensator 10 dient auch hier der Speicherung der Impulsleistung. Der große Vorteil ist, dass kein Übertrager benötigt wird, somit kann diese Endstufe kleiner dimensioniert werden. Weiterhin kann durch eine höhere Spannung Ul der Spannungsquelle 25 die Kapazität des Kondensators 10 wesentlich kleiner ausfallen, weil die Spannung quadratisch eingeht. Die Schalter Sl und S3 schalten jeweils eine hohe Spannung gegen ein hohes Potential. Dementsprechend sind die Schalter Sl und S3 und ist die Ansteuerung durch die Ansteuerlogik 20 auszugestalten.
[019] In der Fig. 3 ist die zweite erfindungsgemäße Variante dargestellt. Hier werden die Schalter Sl und S2 abwechselnd für die Dauer der Erregung geschlossen bzw. geöffnet. Das erste Segment 2 des Piezowandlers 1 ist mit dem Massepotential 15 - das zweite Potential 6 also - verbunden. Das dritte Potential 7 ist realisiert durch die Kondensatoren 10, die von den Spannungsquellen 25 auf die Spannungen Ul und U2 aufgeladen sind. Dabei gilt, dass Ul > 0 > U2, da das zweite Potential 6 Masse ist. Durch die Verbindung mit dem ersten 5 und dem dritten Potential 7 entsteht am Piezowandler 1 eine Wechselspannung, deren Amplitude gleich Ul ist, in dem Fall, dass IU1I = IU2I ist. Die Kondensatoren 10 dienen wieder der Speicherung der Impulsleistung.

Claims

Ansprüche
[001] Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums, mit einem Piezowandler (1) mit mindestens einem ersten (2) und einem zweiten Segment (3), wobei die Segmente (2, 3) unterschiedliche Polarisation aufweisen, wobei der Piezowandler (1) Ultraschallsignale erzeugt bzw. empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes (6) und ein zweites elektrisches Potential (7) vorgesehen sind, wobei die beiden Potentiale (6, 7) unterschiedlich sind, dass eine Schalteranordnung mit Schaltern (Sl, S2, S3, S4) vorgesehen ist, die mit dem ersten (6) und dem zweiten Potential (7) und dem Piezowandler (1) verbunden ist, dass mindestens eine Ansteuerlogik (20) vorgesehen ist, die die Schalteranordnung steuert, und dass die zwei Segmente (2, 3) des Piezowandlers (1) über die Schalteranordnung periodisch abwechselnd mit dem ersten (6) und mit dem zweiten Potential (7) verbunden sind.
[002] Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten elektrischen Potential (6) um einen aufgeladenen Kondensator (10) oder um eine Gleichspannungsquelle (25) handelt.
[003] Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteranordnung mindestens einen ersten (Sl), einen zweiten (S2), einen dritten (S3) und einen vierten Schalter (S4) aufweist, dass der erste (Sl) und der dritte Schalter (S3) im geschlossenen Zustand den Piezowandler (1) mit dem ersten Potential (6) verbinden, dass der zweite (S2) und der vierte Schalter (S4) im geschlossenen Zustand den Piezowandler (1) mit dem zweiten Potential (7) verbinden, und dass die Ansteuerlogik den ersten (Sl) und den vierten Schalter (S4) bzw. den zweiten (S2) und den dritten Schalter (S3) jeweils gleichzeitig schließt bzw. öffnet.
[004] Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums, mit einem Piezowandler (1) mit mindestens einem ersten (2) und einem zweiten Segment (3), wobei die Segmente (2, 3) unterschiedliche Polarisation aufweisen, wobei der Piezowandler (1) Ultraschallsignale erzeugt bzw. empfängt dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes (6), ein zweites (7) und ein drittes elektrisches Potential (8) vorgesehen sind, dass das erste Potential (6) größer als das zweite Potential (7) ist, dass das dritte Potential (8) kleiner als das zweite Potential (7) ist, dass das erste Segment (2) des Piezowandlers (1) mit dem zweiten Potential (7) verbunden ist, dass mindestens eine Schalteranordnung mit Schaltern (Sl, S2) vorgesehen ist, die mit dem ersten (6) und dem dritten Potential (8) und dem zweiten Segment (3) des Piezowandler (1) verbunden ist, dass mindestens eine Ansteuerlogik (20) vorgesehen ist, die die Schalteranordnung steuert, und dass das zweite Segment (3) des Piezowandlers (1) über die Schalteranordnung periodisch abwechselnd mit dem ersten (6) und dem dritten Potential (8) verbunden ist.
[005] Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten (6) und dem dritten elektrischen Potential (8) jeweils um einen aufgeladenen Kondensator (10) oder um eine Gleichspannungsquelle (25) handelt.
[006] Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem zweiten elektrischen Potential (7) um ein Massepotential (15) handelt.
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