DE2837689C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ent­ fernungsmessung mittels akustischer Wellen gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Vorrichtung ist aus der US-PS 35 10 698 bekannt.

Bei der bekannten Vorrichtung dient die Fensterschicht einerseits zum Schutz des Piezokristalls und andererseits zur Anpassung und Verbesserung des Energieüberganges vom Kristall an die Umgebung. Dabei ist jedoch die Güte der Anpassung in starkem Maße temperaturabhängig. Dies gilt auch, wenn man gemäß der US-PS 24 30 013 fein verteilte Materialien, beispielsweise Glas zusetzt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung zur Entfernungsmessung mittels akustischer Wellen anzugeben, bei der die Güte der Anpassung mittels der Fen­ sterschicht und damit die Genauigkeit der Messung in einem möglichst weiten Bereich temperaturunabhängig ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von der gattungsgemäßen Vor­ richtung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merk­ male des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weil erfindungsgemäß in der Fensterschicht hohle Glaskugeln dispergiert sind, wird ein relativ konstanter akustischer Scheinwiderstand und eine relativ konstante Schallgeschwin­ digkeit über einen Temperaturbereich von etwa 100°C er­ reicht, was an der Verformbarkeit der hohlen Glaskugel lie­ gen dürfte.

Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Patentansprü­ che 2 bis 8. Dabei ist bezüglich des Anspruches 4 aus der US-PS 38 34 233 bekannt, bei einer der gattungsgemäßen Vorrichtung ähnlichen Vorrichtung ein Rohr vorzusehen, das sich vom Gehäuse der Vorrichtung aus erstreckt, wobei sich die Schallwellen von einem Piezokristall aus in das Rohr hinein in einem Medium zu dem bezüglich der Entfernung zu vermessenden Gegenstand hin ausbreiten, und wobei in dem Rohr in einem Abstand vom Piezokristall ein Element ange­ ordnet ist, das der Berücksichtigung der Schallgeschwindig­ keit im Medium dient. Bei diesem Element handelt es sich aller­ dings um einen zweiten, als Bezugsschwingungsquelle dienenden Piezokristall.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Entfernungsmeß­ vorrichtung,

Fig. 2 den Schnitt 2-2 von Fig. 1,

Fig. 3 den Schnitt 3-3 von Fig. 4,

Fig. 4 den Schnitt 4-4 von Fig. 1 und

Fig. 5 das Blockschaltbild der Entfernungsmeßvorrichtung.

Die in Fig. 1 gezeigte Entfernungsmeßvorrichtung 10 zum Bestimmen eines Flüssigkeitspegels in einem Behälter, Kanal und dergleichen nach dem sogenannten Echo-Ranging- Verfahren hat ein Gehäuse 12, welches einen Piezokristall 15 zur Erzeugung von Schallwellen, ein am Gehäuse 12 befestigtes, langgestrecktes Rohr 13, und eine Bezugsre­ flektoranordnung 14 aufweist, die einen Teil der Schallwellen für Kalibrierzwecke zurück zum Kristall 15 reflektiert. Das Gehäuse 12 besteht aus einem Material, welches eine über­ mäßige Dämpfung verhindert, beispielsweise aus chloriertem Polyvinylchlorid. Die Entfernungsmeßvorrichtung 10 kann an einem Bauteil mit einem am Gehäuse 12 befestigten Flansch 11 ange­ bracht werden.

Im Gehäuse 12 sind akustisch aktive Elemente angeordnet, nämlich der erwähnte scheibenförmige Piezokristall 15, akustisch durchlässige Schichten 16 und 17, die das akusti­ sche Ausgangssignal des Kristalls 15 an die gasförmige Umgebung außer­ halb der Vorrichtung 10 anpassen und eine dämpfende Unterlage 18. Der Kristall 15 ist so angeordnet, daß die Hauptrichtung der Wellenfortpflanzung aus dem Kristall 15 senkrecht zu den beiden Flächen des Kristalls 15 paral­ lel zur Längsachse des Rohres 13 verläuft. Ein geeignetes Material für den Kristall 15 ist Bleizirkonat-Titanat mit einer charak­ teristischen Radialfrequenz von etwa 50 kHz. In der Praxis sind die Flächen wenigstens teilweise mit einem leitenden Material, wie Silber, beschichtet. Der hier verwendete Ausdruck Kristall umfaßt somit sowohl die piezoelektrische Substanz als auch die leitende Beschichtung.

Die akustisch durchlässigen Schichten 16 und 17 bilden ein sich anpassendes Medium, welches an der Fläche des Kristalls 15 zum langgestreckten Rohr 13 hin anliegt. Die Schichten umfassen eine Membranschicht 17 und eine Fensterschicht 16, die zwischen der Membranschicht 17 und dem Kristall 15 liegt. Um den Energie­ übergang auf ein Maximum zu bringen, hat das Medium in Richtung der Wellenfortpflanzung eine Dicke, die gleich einer zusätzlichen Wellenverzögerung im Medium von etwa einem ungerad­ zahligen Vielfachen, vorzugsweise einem Vielfachen eines Viertels der Periode der charakteristischen Frequenz des Kristalls 15 ist.

Die Fensterschicht 16 besteht aus einem syntheti­ schen polymeren Material, vorzugsweise aus einem Polyurethan, in welchem hohle Glaskugeln homogen dispergiert sind, wodurch man eine Substanz mit relativ konstanten akustischem Schein­ widerstand und relativ konstanter Schallgeschwindigkeit über einem Temperaturbereich erhält, der sich über etwa 100°C, bei­ spielsweise von etwa -30°C bis 70°C erstreckt. Diese Eigenschaften stammen offenbar von der Verformbarkeit der hohlen Glaskugeln. Vorzugsweise machen die Glaskugeln etwa 10 Ge­ wichtsprozent der Fensterschicht 16 aus. Die Glaskugeln haben einen Durchmesser im Bereich von 20 bis 300 µm. Ein bevorzug­ tes Material für die Glaskugeln ist Natriumborsilikat. Eine bevorzugte Wandstärke der Kugeln liegt bei etwa 2 µm. Um ein Anpassungsmedium mit relativ konstantem aku­ stischem Scheinwiderstand und relativ konstanter Schallgeschwindigkeit zu erhalten, beträgt die Dicke der Fensterschicht etwa 90% der gesamten Wandstärke des Mediums oder etwa das Neunfache der Dicke der Membranschicht 17.

Die Membranschicht 17 des Mediums ist auf die vom Kristall 15 abgewandte Seite der Fensterschicht 16 laminiert. Der Hauptzweck der Membranschicht 17 besteht darin, die inneren Teile des Gehäuses 12 von der Umgebung des Behälters zu schützen. Die Membranschicht 17 besteht vorzugsweise aus dem gleichen Material wie das Gehäuse 12.

Die dämpfende Unterlage 18 ist so angeordnet, daß sie an der vom anpassenden Medium abgewandten Fläche des Kristalls 15 anliegt. Vorzugsweise erstreckt sich die Unterlage 18 um den Rand der Oberseite des Kristalls 15 herum, so daß die Fortpflanzung von der Seitenwand des Kristalls 15 ebenfalls gedämpft wird. Vorzugsweise enthält die Unterlage 18 eine Vielzahl von massiven Bleikugeln 21, deren Durchmesser im Bereich von etwa 2 mm bis 3 mm liegt und die in Kontakt mit oder in unmittelbarer Nähe am Kristall 15 und in Kontakt miteinander oder in unmittelbarer Nähe zu­ einander angeordnet sind, um akustische Energie vom Kristall 15 zu absorbieren. Die Zwischenräume zwischen den Kugeln sind mit einem synthetischen Polymerisat, beispielsweise mit einem Polyurethan gefüllt. In der Praxis verhindert die Unterlage 18 ein übermäßiges Nachschwingen des Kristalls 15 über einem Tempera­ turbereich, der sich über etwa 100° erstreckt, nämlich von etwa -30°C bis 70°C.

Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Oberseite des Gehäuses 12 durch eine Kappe 25 abgedichtet. Durch die Kappe 25 sind zwei Drähte 23 und 24 für die Verbindung mit den Flächen des Kristalls 25 hindurchgeführt. Zusätzlich sind die auf andere Weise nicht gefüllten Räume im Gehäuse 12 mit Polyurethanschaum 26 und festem Polyurethan 27 ausgefüllt.

Das Gehäuse 12 hat einen Bund, der sich unterhalb der Membran 17 nach unten erstreckt und das Rohr 13 hält. Der Bund ist durch zwei diametral einander gegenüberliegende Schlitze 19 an durchbrochen. In gleichen Abständen um den Bund herum sind drei kreisförmige Öffnungen 20 vor­ gesehen.

Das Rohr 13 erstreckt sich vom Gehäuse 12 aus vertikal nach unten. Das Rohr 13 besteht aus einem Material, welches ein übermäßiges Nachschwingen des Rohrs 13 verhindert. Kunststoffe, wie chlorier­ tes Polyvinylchlorid sind besonders geeignet. Das obere, ver­ jüngte Ende 30 des Rohres 13 ist teleskopartig in den Bund eingesteckt und in einem geringen Abstand unter der Membranschicht 17 ange­ ordnet, so daß ein Spalt 31 über dem oberen Ende 30 des Rohres 13 gebildet wird. Der Spalt 31 bildet zusammen mit dem ver­ jüngten Ende 30 und den drei Öffnungen 20 im Bund des Gehäuses 12 einen Kanal zwischen dem Gasraum, der am Ende 30 des Rohres 13 eingeschlos­ sen ist, und der Umgebung außerhalb des Rohrs 13.

Die Bezugsreflektoranordnung 14 des Wandlers 10 hat einen U- förmigen Träger 34, der sich vom Gehäuse 12 aus vertikal nach unten erstreckt, so daß das Rohr 13 und die Reflektoranordnung 14 sich bei Temperatur­ änderungen unabhängig voneinander ausdehnen und zusammenziehen können. Der Träger 34 hat zwei Schenkel 32 a und 32 b, die an einem Ende an den Schlitzen 19 mit dem Gehäuse 12 und dem Rohr 13 verbunden sind. Die Schen­ kel 32 a und 32 b haben einen Gleitkontakt mit der äußeren Sei­ tenwand des Rohrs 13, die mit zwei diametral gegenüberliegenden Nuten 33 versehen ist, in welche die Schenkel 32 a und 32 b für die seitliche Abstützung passen.

Der Verbindungssteg des Trägers 34 ist mit einem Rohr aus Polytetrafluoräthylen- Polyestermaterial umhüllt, um so einen Reflektor 35 mit einer größeren Oberfläche für das Reflektieren der Schallwellen zu bilden. Der Verbindungssteg erstreckt sich senkrecht zur Richtung der Wellenfortpflanzung im Rohr 13 in einem Abstand von etwa 36 cm vom Kristall 15. Ein zusätzlicher Minimalabstand von etwa 9 cm zwischen dem Verbindungssteg und einer Flüssigkeitsfläche ist erforderlich, um die Oberfläche festzustellen und um sie vom Verbindungssteg zu unterscheiden. Die Schenkel 32 a und 32 b be­ stehen aus einem Material mit einem niedrigen Wärmedehnungs­ koeffizienten, so daß der Träger 34 in einem relativ konstanten bekannten Abstand vom Kristall 15 über einem Temperaturbereich bleibt, der sich über etwa 100°C erstreckt, beispielsweise von etwa -30°C bis 70°C. Geeignet sind die meisten Metalle, beispiels­ weise rostfreier Stahl.

Die elektronische Schaltung für den Betrieb der Vorrichtung 10 hat eine Einrichtung 40 zum Senden von Schallwellen von dem Kristall 15 in Form periodischer Impulse, Einrichtungen 41 zum Erfassen der Impulse, wenn sie von dem Träger 34 reflektiert werden, Einrichtungen 41 zum Erfassen der Impulse, wenn sie von einer Oberfläche reflektiert werden, einen ersten digitalen Zähler 43, der durch den periodischen Im­ puls ausgelöst wird, eine Einrichtung 44 zum Einstellen der Geschwindigkeit des Zählens des ersten Zählers 43, so daß das Zeitintervall, während welchem der Impuls vom Kristall 15 zum Reflektor 35 läuft und zurückkehrt, eine konstante Zählung dar­ gestellt, sowie einen zweiten digitalen Zähler 45 zum Zählen mit einer Geschwindigkeit, die sich proportional zu der Ge­ schwindigkeit des Zählens des ersten digitalen Zählers 43 während des Zeitraums zwischen dem Erfassen des von dem Reflektor 35 reflektierten Impulses und dem Erfassen des von der Oberfläche reflektierten Impulses ändert.

Beispielsweise kann die elektronische Schaltung einen gemeinsamen Verstärker 41 zum Verarbeiten der vom Reflektor 35 und der Oberfläche reflektierten Impulse aufweisen. Die Einstellung des ersten digitalen Zählers 43 kann von einer phasenstarren Schaltung 44 gebildet werden, in welcher der erste Zähler 43 bis zu einer Konstanten zählt. Der erste und der zweite Zähler 43 bzw. 45 kann von einem einzigen digitalen Taktgeber gebildet werden.

In der Praxis wird die Vorrichtung 10 auf der Oberseite eines abgedichteten, die Flüssigkeit enthaltenden Tanks ange­ bracht. Das Rohr 13 ist so angeordnet, daß es sich vertikal unter dem Gehäuse 12 in die gasförmige Umgebung in dem abge­ dichteten Tank erstreckt. Die elektronische Schaltung legt periodisch ein elektrisches Potential an, um den Kristall zu erregen, so daß er einen Impuls von Schallwellen durch das sich anpassende Medium 14 nach unten durch das Rohr 13 zur Oberfläche der Flüssigkeit im Tank sendet. Die Unterlage 18 dämpft die akustischen Wellen, die von der Oberseite des Kristalls 15 ge­ sendet werden. Die Reflexionen des Impulses vom Träger 34 und der Flüssigkeitsoberfläche werden von dem Kristall 15 festge­ stellt, ehe der Kristall 15 durch die Schaltung wieder erregt wird.

Wenn sich der Impuls durch das Rohr 13 nach unten ausbreitet, trifft ein Teil der Wellenfront auf den Reflektor 35 und wird zurück zum Kristall 15 reflektiert. Dieser reflektierte Impuls erregt nach dem Auftreffen den Kristall 15, wodurch ein elektrisches Potential erzeugt wird, welches von der Schaltung erfaßt wird. Hierbei hat der erste Zähler 43, der angelaufen ist, wenn der Kristall 15 er­ regt worden ist, einen vorgegebenen konstanten Wert erreicht oder nicht. Wenn der konstante Wert durch den ersten Zähler 43 vor dieser Erfassung erreicht worden ist, wird die Ge­ schwindigkeit der Zählung verringert. Wenn der konstante Wert nach dieser Erfassung erreicht wird, wird die Geschwindigkeit der Zählung erhöht. Wenn die Einstellung erfolgt ist, wird die Zählung unmittelbar wieder von Null aus eingeleitet. Der Im­ puls breitet sich an dem Reflektor 35 vorbei weiter nach unten aus und trifft auf die Flüssigkeitsoberfläche, von der ein Teil der Wel­ lenfront zurückreflektiert wird. Nimmt man an, daß der Winkel des Rohres 13 innerhalb weniger Grade zur Vertikalen liegt, tritt ein ausreichend reflektierter Impuls von der flüssigen Oberfläche wieder in das Rohr 13 ein und erregt den Kristall 15, indem er auf ihn trifft, wodurch ein elektrisches Potential erzeugt wird, welches von der Schaltung erfaßt wird. Die Zählung wird wieder angehalten. Diese zweite Zählung ist propor­ tional zu dem bekannten Abstand zwischen dem Kristall 15 und dem Reflektor 35. Die Zählung kann dann in eine Spannung umgewan­ delt und an einem Voltmeter 46 für einen speziellen Oberflächen­ pegel angezeigt werden. Unabhängig von Änderungen der Schall­ geschwindigkeit im Tank erzeugt somit der gleiche Pegel die gleiche zweite Zählung. Änderungen der Schallgeschwindigkeit werden durch Einstellungen der Geschwindigkeit der ersten und zweiten Zählungen kompensiert.

Die Verbindung durch den Spalt 31 und die Öffnungen 20 verhindert, daß weniger dichte Komponenten des umgebenden Gases in dem Rohr 13 eingeschlossen werden. Diese eingeschlossenen Gase können Schallgeschwindigkeit im Rohr 13 herbeiführen, die für die Umgebung nicht repräsentativ sind und somit verhindern, daß die Einstelleinrichtung 44 Ände­ rungen der Schallgeschwindigkeit der Umgebung genau kompensiert.

Der Reflektor 35 bleibt unabhängig von Temperaturänderungen in einem relativ konstanten Abstand von dem Kristall 15. Dies ist der Fall, weil die Schenkel 32 a und 32 b und ihre Befestigung angrenzend an das Gehäuse 12 einen nie­ drigen Wärmedehnungskoeffizienten haben. Das Rohr 13 kann sich andererseits bei Temperaturänderungen mit Wärmedehnungskoeffizienten ausdehnen und zusam­ menziehen, der für Kunststoff höher ist, als für die Schenkel 32 a und 32 b für eine hohe Genauigkeit akzeptabel wäre.

Der Wandler 10 kann auch zum Messen des Abstands zu einem festen Gegenstand verwendet werden. Dabei ist eine vertikale Ausrichtung des Rohres 13 nicht erforderlich.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Entfernungsmessung mittels akustischer Wellen, mit einem Gehäuse (12) mit einer in Meßrichtung angeordneten Fensterschicht (16) aus akustisch durchläs­ sigem Material, und mit einem im Gehäuse (12) hinter der Fensterschicht (16) untergebrachten Piezokristall (15), dadurch gekennzeichnet, daß in das akustisch durchlässige Material der Fensterschicht (16) feinverteilt hohle Glaskugeln mit Durchmessern in einem Bereich von 20 bis 300 µm eingebettet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gewicht der Glaskugeln etwa 10 Gewichtsprozent der Fensterschicht (16) beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das akustisch durchlässige Ma­ terial Polyurethan ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeich­ net durch ein angrenzend an den Rand der Fenster­ schicht (16) an das Gehäuse (12) angesetztes, sich in Ausbreitungsrichtung der Schallwellen erstreckendes Rohr (13), und durch einen in einer Entfernung von der Fensterschicht (16) im Rohr (13) angeordneten Reflektor (35).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Reflektor (35) am Verbin­ dungssteg eines U-förmigen Trägers (34) befestigt ist, dessen aus einem Material mit geringem Wärmedehnungs­ koeffizienten bestehende Schenkel (32 a, 32 b) gegenüber dem Rohr (13) gleitend beweglich und am Gehäuse (12) befestigt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Rohr (13) aus Kunststoff be­ steht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Seitenwand des Rohres (13) mit zwei diametral gegenüberliegenden Nuten (33) ver­ sehen ist, in denen die Schenkel (32 a, 32 b) in Gleit­ kontakt so angeordnet sind, daß sie eine seitliche Ab­ stützung erhalten.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf der vom Piezokristall (15) abgewandten Oberfläche der Fensterschicht (16) eine Membranschicht (17) angeordnet ist, daß das Rohr (13) teleskopartig über einen Bund mit dem Gehäuse (12) ver­ bunden ist und zwischen dem gehäuseseitigen Ende des Rohres (13) und der Membranschicht (17) ein Spalt (31) angeordnet ist, und daß in dem Bund mehrere Öffnungen (20) vorgesehen sind, die einen Kanal zwischen dem Raum am gehäuseseitigen Ende des Rohres (13) und der Umgebung außerhalb des Rohres (13) bilden.