DE10314922A1

DE10314922A1 - Mit Ultraschall arbeitendes Füllstandsmeßgerät

Info

Publication number: DE10314922A1
Application number: DE2003114922
Authority: DE
Inventors: Manfred Eckert; Dietmar Dr. Spanke; Harald Faber
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2003-04-01
Filing date: 2003-04-01
Publication date: 2004-10-14
Also published as: WO2004088253A2; WO2004088253A3

Abstract

Es ist ein mit Ultraschall arbeitendes Füllstandsmeßgerät mit hoher Meßempfindlichkeit und geringer Blockdistanz vorgesehen, mit einem elektromechanischen Wandler (1) zum Senden und Empfangen von Ultraschall, einem an den elektromechanischen Wandler (1) angeschlossenen Analog-Digital-Wandler (19), einem an den elektromechanischen Wandler (1) angeschlossenen Digital-Analog-Wandler (27) und einem digitalen Signalprozessor (21), der einen Eingang (23) aufweist, an dem der Analog-Digital-Wandler (19) angeschlossen ist, der einen Ausgang (25) aufweist, an dem der Digital-Analog-Wandler (27) angeschlossen ist, und der dazu dient, digitale Sendesignale zu erzeugen, die über den Digital-Analog-Wandler (27) in analoger Form während eines Sendeintervalls am elektromechanischen Wandler anliegen, der dazu dient, vom Analog-Digital-Wandler zugeführte Empfangssignale aufzunehmen, und der dazu dient, aus dem Empfangssignal ein Bedämpfungssignal zur Reduktion einer zum Ausschwingen des elektromechanischen Wandlers (1) benötigten Zeit abzuleiten und im Anschluß an das Sendeintervall über den Digital-Analog-Wandler in analoger Form an den elektromechanischen Wandler anzulegen.

Description

Die Erfindung betrifft ein mit Ultraschall arbeitendes Füllstandsmeßgerät.
Mit Füllstandsmeßgeräten lassen sich unter anderem Füllstände eines Füllgutes z.B. in einem Behälter oder in einem offenen Gerinne zu messen. Dabei wird ein vom Füllstandsmeßgerät ausgesendetes Signal, z.B. ein kurzer Ultraschallwellenpuls, in Richtung des Füllgutes gesendet und an der Oberfläche des Füllgutes reflektiert. Die Laufzeit des Pulses vom Sensor zur Oberfläche und zurück wird ermittelt und daraus der Füllstand bzw. die Füllhöhe bestimmt.
Derartige Meßgeräte werden in vielen Industriezweigen, z.B. in der Lebensmittelindustrie, der Wasser- und Abwasserbranche und in der Chemie, eingesetzt.
Die Ultraschallsignale werden mittels eines elektromechnischen Wandlers, z.B. einem piezoelektrischen Element erzeugt. Es werden kurze Sendesignale, z.B. kurze Sendewellenpulse, ausgesendet und deren Echo mit dem elektromechanischen Wandler empfangen und in Echosignale umgewandelt, die einer weiteren Verarbeitung und/oder Auswertung zur Verfügung stehen.
Nachdem der elektromechanische Wandler beim Sendevorgang zu Schwingungen angeregt worden ist schwingt der elektromechanische Wandler aus. Innerhalb der Zeit, die der elektromechanische Wandler zum Ausschwingen benötigt, eintreffende Echos können nicht eindeutig in Echosignale umgewandelt und ausgewertet werden. In dieser Zeit eintreffende Echos werden daher üblicherweise nicht ausgewertet. Man nennt diese Zeit daher auch Blockdistanz, da in dieser Zeit die Messung durch das Ausschwingen blokiert ist.
Entsprechend ist man bemüht, die Zeit, die der elektromechanische Wandler nach erfolgter Anregung zum Ausschwingen benötigt möglichst kurz zu halten. Dies geschieht üblicherweise durch eine mechanische Dämpfung, z.B. mittels einer Teile des elektromechanischen Wandlers umgebenden Vergußmasse. Je stärker die mechanische Dämpfung ist, umso schneller schwingt der elektromechanische Wandler aus. Dies ist besonders bei Füllstandsmeßgeräten für kleine Meßdistanzen, z.B. von 2 m bis 3 m sehr wichtig. Gerade kleine Behälter, in denen diese Megeräte bevorzugt eingesetzt werden, werden häufig bis zur Oberkante befüllt.
Eine große mechanische Dämpfung bewirkt aber nicht nur ein schnelles Ausschwingen des elektromechanischen Wandlers, es reduziert auch eine Meßempfindlichkeit. Echos mit geringer Schallleistung können von stark gedämpften elektromechanischen Wandlern nicht aufgezeichnet und in Echosignale umgeformt werden.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein mit Ultraschall arbeitendes Füllstandsmeßgerät mit hoher Meßempfindlichkeit und geringer Blockdistanz anzugeben.
Hierzu besteht die Erfindung in einem mit Ultraschall arbeitenden Füllstandsmeßgerät mit

– mit einem elektromechanischen Wandler zum Senden und Empfangen von Ultraschall,
– einem an den elektromechanischen Wandler angeschlossenen Analog-Digital-Wandler,
– einem an den elektromechanischen Wandler angeschlossenen Digital-Analog-Wandler, und
– einem digitalen Signalprozessor,
– der einen Eingang aufweist, an dem der Analog-Digital-Wandler angeschlossen ist,
– der einen Ausgang aufweist, an den der Digital- Analog-Wandler angeschlossen ist, und
– der dazu dient digitale Sendesignale zu erzeugen,
– die über den Digital-Analog-Wandler in analoger Form während eines Sendeintervalls am elektromechanischen Wandler anliegen,
– der dazu dient vom Analog-Digital-Wandler zugeführte Empfangsignale aufzunehmen, und
– der dazu dient aus dem Empfangssignal ein Bedämpfungssignal zur Reduktion einer zum Ausschwingen des elektromechanischen Wandlers benötigten Zeit abzuleiten und im Anschluß an das Sendeintervall über den Digital-Analog-Wandler in analoger Form an den elektromechanischen Wandler anzulegen.

Weiter besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Bedämpfung eines Nachschwingens eines elektromechanischen Wandlers eines mit Ultraschall arbeitenden Füllstandsmeßgeräts, bei dem

– der elektromechanische Wandler während eines Sendeintervalls kurzzeitig zu Schwingungen angeregt wird,
– nach Ablauf des Sendeintervalls aus einem Empfangssignal des elektromechanischen Wandlers ein Bedämpfungssignal erzeugt und an den elektromechanischen Wandler angelegt wird.

Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens wird das Bedämpfungssignal durch ein Invertieren des während des Nachschwingens empfangenen Empfangssignals erzeugt.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes mit Ultraschall arbeitendes Füllstandsmeßgerät; und
2 zeigt eine Amplitude einer Schwingung des elektromechanischen Wandlers.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes mit Ultraschall arbeitendes Füllstandsmeßgerät.
Es weist einen elektromechanischen Wandler 1 auf, der in einem topfförmigen Gehäuse 3 angeordnet ist, das von einem Boden 5 abgeschlossenen ist. Der elektromechanische Wandler 1 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein piezoelektrisches Element. Es können aber auch andere Arten von elektromechanischen Wandlern eingesetzt werden. Das Gehäuse 3 besteht aus einem Kunststoff, z.B. aus Polypropylen. Der elektromechanische Wandler 1 dient dazu Ultraschall durch den Boden 5 hindurch zu senden und zu empfangen.
Da sich die akustische Impedanz des Mediums, in das der Ultraschall auszusenden ist, z.B. Luft, und die des piezoelektrischen Elements sehr stark unterscheiden, ist vor dem piezoelektrischen Element eine Anpaßschicht 7 aus einem Kunststoff mit mittlerer akustischer Impedanz angeordnet. Als Kunststoff ist z.B. ein Epoxidharz geeignet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das piezoelektrische Element scheibenförmig. Die Anpaßschicht ist ebenfalls scheibenförmig und befindet sich zwischen dem piezoelektrischen Element und dem Boden 5 des Gehäuses 3.
Um eine möglichst gute Anpassung und damit einen möglichst hohen Schalldruck zu erzielen weist die Anpaßschicht 13 vorzugsweise eine Dicke auf, die einem viertel der Wellenlänge der erzeugten Schall- oder Ultraschalwellen entspricht.
Da der elektromechanische Wandler 1 nicht nur als Sender, sondern auch als Empfänger genutzt wird, ist es wichtig, daß eine einmal angeregte Sendeschwingung schnell abklingt. Um ein schnelles Abklingen der Sendeschwingung zu unterstützen ist in dem Gehäuse 3 ein Dämpfungsmaterial 9 vorgesehen, das das piezoelektrische Element 1 mit Ausnahme von dessen dem Boden 5 zugewandten Stirnfläche umgibt. Als Dämpfungsmaterial 9 eignet sich z.B. ein Verguß, beispielsweise ein Silikongel.
Der Anschluß des elektromechanischen Wandlers 1 erfolgt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch zwei auf gegenüberliegenden Stirnflächen des piezoelektrischen Elements 1 angebrachte Elektroden 11, 13. Die Elektrode 11 befindet sich auf der dem Boden 5 zugewandten Stirnfläche des piezoelektrischen Elements und ist über eine Anschlußleitung 15 an Masse oder an ein festes Bezugspotential angeschlossen. Die zweite Elektrode 13 befindet sich auf der vom Boden 5 abgewandten Stirnfläche und ist über Anschlußleitungen 15 und 17 an eine Meßgerätelektronik angeschlossen.
Die Meßgerätelektronik umfaßt einen Analog-Digital-Wandler 19, der an den elektromechanischen Wandler 1 über die Anschlußleitung 15 angeschlossen ist.
Kernstück der Meßgerätelektronik ist ein digitaler Signalprozessor 21. Dieser weist einen Eingang 23 auf, an dem der Analog-Digital-Wandler 19 angeschlossen ist.
Im Betrieb werden sämtliche Schwingungen des elektromechanischen Wandlers 1, d.h. sowohl durch ein Senden von Ultraschall als auch durch von außen eintreffende Ultraschallwellen erzeugte Schwingungen, in Form von Empfangssignalen dem Analog-Digital-Wandler 19 zugeführt, von diesem digitalisiert und liegen unmittelbar im digitalen Signalprozessor 21 vor.
Der digitale Signalprozessor 21 weist einen Ausgang 25 auf an den ein Digital-Analog-Wandler 27 angeschlossen ist. Der Digital-Analog-Wandler 27 ist über die Anschlußleitung 17 an den elektromechanischen Wandler 1 angeschlossen.
Im Betrieb erzeugt der digitale Signalprozessor 21 digitale Sendesignale, die während eines Sendeintervalls über den Digital-Analog-Wandler 27 in analoger Form am elektromechanischen Wandler 1 anliegen und diesen zu Schwingungen anregen. Die Schwingungen werden vom elektromechanischen Wandler 1 während des Sendeintervalls ausgesendet. Bei der Füllstandsmessung werden üblicher Weise kurze Ultraschallwellenpulse mit Sendefrequenzen im Bereich von 1 kHz bis 200 kHz für ein Sendeintervall im Bereich von Mikrosekunden ausgesendet.
Im Anschluß an das Sendeintervall schwingt der elektromechanische Wandler nach. Dies ist in 2 schematisch anhand der Schwingungsamplitude dargestellt. Während des Sendeintervalls, im Zeitintervall von 0 bis TS ist die Amplitude konstant. Danach fällt die Amplitude exponentiell mit der Zeit ab, bis sie am Ende des Ausschwingvorgangs zur Zeit TA zu null wird. Dies ist in 2 durch eine durchgezogenen Linie dargestellt.
Die Schwingungen werden mittels des elektromechanischen Wandlers 1 in ein Empfangssignal umgewandelt, das vom Analog-Digital-Wandler 19 digitalisiert und dem digitalen Signalprozessor 21 zugeführt wird. Dieser nimmt die zugeführten Empfangsignale auf.
Erfindungsgemäß leitet der digitale Signalprozessor 21 aus dem Empfangssignal ein Bedämpfungssignal zur Reduktion einer zum Ausschwingen des elektromechanischen Wandlers benötigten Zeit ab.
Dieses Bedämpfungssignal legt der digitale Signalprozessor im Anschluß an das Sendeintervall über den Digital-Analog-Wandler 27 in analoger Form an den elektromechanischen Wandler 1 an.
Zur der Bedämpfung des Nachschwingens des elektromechanischen Wandlers 1 wird so verfahren, daß der elektromechanische Wandler 1 während des Sendeintervalls kurzzeitig zu Schwingungen angeregt wird, nach Ablauf des Sendeintervalls aus dem Empfangssignal des elektromechanischen Wandlers 1 das Bedämpfungssignal erzeugt und an den elektromechanischen Wandler 1 angelegt wird.
Das Bedämpfungssignal wird vorzugsweise durch ein Invertieren des während des Nachschwingens empfangenen Empfangssignals erzeugt. Hierdurch wird eine Rückkopplung in invertierter Form erzielt, die zu einer destruktiven Überlagerung des Nachschwingens mit den durch das Bedämpfungssignal angeregten Schwingungen führt.
Der digitale Signalprozessor 21 erzeugt also zunächst während des Sendeintervalls das Sendesignal und regt hierdurch den elektromechanischen Wandler 1 zu Schwingungen und damit zum Aussenden eines kurzen Ultraschallwellenpulses an. Unmittelbar im Anschluß an das Sendeintervall invertiert der digitale Signalprozessor das eingehende Empfangssignal und gibt das invertierte Signal als Bedämpfungssignal aus.
Zwischen dem Eingehen des Empfangssignals und der Ausgabe des invertierten Signals liegt ein geringer Zeitraum. Bei dem beschriebenen Füllstandsmeßgerät mit einer Sendefrequenz im Bereich von 1 kHz bis 200 kHz und einer Taktrate des digitalen Signalprozessors 21 im Bereich von 1 MHz, hat diese Verzögerung keine wesentlichen Auswirkungen. Werden höhere Sendefrequenzen bzw. niedrigere Signalverarbeitungsraten eingesetzt, so werden die Auswirkungen der Zeitverzögerung größer. Sie können jedoch vermieden werden, indem das eingehende Empfangssignal nicht nur invertiert wird, sondern auch in die Zukunft hinein extrapoliert wird.
Erfindungsgemäß ist es möglich die für das Ausschwingen benötigte Zeit deutlich zu verkürzen. Die durch die Bedämpfung mit dem Bedämpfungssignal verkürzte Ausschwingzeit Td ist in ist in 2 als gestrich-punktete Linie eingezeichnet.
Diese Form der Bedämpfung ist sehr effektiv und hat keinerlei Einfluß auf die Empfindlichkeit des elektromechanischen Wandlers 1. Es können also auch Ultraschallwellen mit sehr geringer Leistung aufgenommen und zur Füllstandsmessung herangezogen werden.
Durch die Bedämpfung ist das Nachschwingen sehr schnell ausgeklungen. Im Anschluß an das Nachschwingen eintreffende Echos können aufgezeichnet und zur Füllstandsmessung herangezogen werden. Damit sind Füllstände meßbar, bei denen eine Signallaufzeit des Ultraschallwellenpulses vom elektromechanischen Wandler 1 bis zur Füllgutoberfläche und zurück größer gleich der, durch die Bedämpfung drastisch verkürzten, Nachschwingdauer Td sind.

Claims

Mit Ultraschall arbeitendes Füllstandsmeßgerät mit – einem elektromechanischen Wandler (1) zum Senden und Empfangen von Ultraschall, – einem an den elektromechanischen Wandler (1) angeschlossenen Analog-Digital-Wandler (19), – einem an den elektromechanischen Wandler (1) angeschlossenen Digital-Analog-Wandler (27), und – einem digitalen Signalprozessor (21), – der einen Eingang (23) aufweist, an dem der Analog-Digital-Wandler (19) angeschlossen ist, – der einen Ausgang (25) aufweist, an den der Digital-Analog-Wandler (27) angeschlossen ist, und – der dazu dient digitale Sendesignale zu erzeugen, – die über den Digital-Analog-Wandler (27) in analoger Form während eines Sendeintervalls am elektromechanischen Wandler anliegen, – der dazu dient vom Analog-Digital-Wandler zugeführte Empfangsignale aufzunehmen, und – der dazu dient aus dem Empfangssignal ein Bedämpfungssignal zur Reduktion einer zum Ausschwingen des elektromechanischen Wandlers (1) benötigten Zeit abzuleiten und im Anschluß an das Sendeintervall über den Digital-Analog-Wandler in analoger Form an den elektromechanischen Wandler anzulegen.
Verfahren zur Bedämpfung eines Nachschwingens eines elektromechanischen Wandlers (1) eines mit Ultraschall arbeitenden Füllstandsmeßgeräts, bei dem – der elektromechanische Wandler (1) während eines Sendeintervalls kurzzeitig zu Schwingungen angeregt wird, – nach Ablauf des Sendeintervalls aus einem Empfangssignal des elektromechanischen Wandlers (1) ein Bedämpfungssignal erzeugt und an den eletromechanischen Wandler (1) angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Bedämpfungssignal durch ein Invertieren des während des Nachschwingens empfangenen Empfangssignals erzeugt wird.