DE10314922A1 - Level measuring device working with ultrasound - Google Patents
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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.There is provided an ultrasonic level measuring device with high sensitivity and short block distance, with an electromechanical transducer (1) for transmitting and receiving ultrasound, an analog-to-digital converter (19) connected to the electromechanical transducer (1), one to the Electromechanical converter (1) connected digital-to-analog converter (27) and a digital signal processor (21) which has an input (23) to which the analog-to-digital converter (19) is connected, which has an output (25) has, to which the digital-to-analog converter (27) is connected, and which is used to generate digital transmission signals which are present in analog form via the digital-to-analog converter (27) during a transmission interval on the electromechanical converter, for this purpose is used to receive received signals supplied by the analog-digital converter, and which is used to convert the received signal into a damping signal for reducing the oscillation of the electro mechanical converter (1) to derive the time required and, following the transmission interval, use the digital-to-analog converter in analog form to apply it to the electromechanical converter.
Description
Die Erfindung betrifft ein mit Ultraschall arbeitendes Füllstandsmeßgerät.The The invention relates to a level measuring device operating with ultrasound.
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.With Leave level gauges fill levels, among other things filling material e.g. in a container or measure in an open channel. A signal emitted by the level measuring device, e.g. a short ultrasonic wave pulse, in the direction of the filling material sent and on the surface of the filling material reflected. The duration of the pulse from the sensor to the surface and back is determined and from this the level or the level is determined.
Derartige Meßgeräte werden in vielen Industriezweigen, z.B. in der Lebensmittelindustrie, der Wasser- und Abwasserbranche und in der Chemie, eingesetzt.such Measuring devices in many branches of industry, e.g. in the food industry, water and wastewater industry and in chemistry.
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.The Ultrasonic signals are generated by means of an electro-mechanical transducer, e.g. a piezoelectric element. There are short broadcast signals, e.g. short transmission wave pulses, emitted and their echo with the receive electromechanical transducers and convert them into echo signals, which are available for further processing and / or evaluation.
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.After this the electromechanical transducer during the transmission process to vibrate the electromechanical transducer swings out. Within the time it takes for the electromechanical transducer to swing out needed incoming echoes can cannot be clearly converted into echo signals and evaluated. Echoes arriving during this time are therefore usually not evaluated. This time is therefore also called the block distance, because at this time the measurement is blocked by swinging out.
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.Corresponding are you trying the time the electromechanical transducer takes after the excitation needed to swing out preferably to keep short. This usually happens through mechanical damping, e.g. by means of parts of the electromechanical transducer surrounding Potting compound. The stronger the mechanical damping is the faster the electromechanical transducer swings out. This is particularly suitable for level gauges for small Meßdistanzen, e.g. from 2 m to 3 m very important. Just small containers, in which these mega devices are preferably used, are often filled to the top.
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.A size mechanical damping not only causes the electromechanical to swing out quickly Transducer, it also reduces measurement sensitivity. Echoes with low sound power can of heavily subdued electromechanical transducers not recorded and in echo signals be reshaped.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein mit Ultraschall arbeitendes Füllstandsmeßgerät mit hoher Meßempfindlichkeit und geringer Blockdistanz anzugeben.It is an object of the invention an ultrasonic level measuring device with high sensitivity and short block distance.
Hierzu besteht die Erfindung in einem mit Ultraschall arbeitenden Füllstandsmeßgerät mitFor this the invention consists in an ultrasound level measuring device with
- – mit einem elektromechanischen Wandler zum Senden und Empfangen von Ultraschall,- With an electromechanical transducer for transmitting and receiving ultrasound,
- – einem an den elektromechanischen Wandler angeschlossenen Analog-Digital-Wandler,- one analog-digital converter connected to the electromechanical converter,
- – einem an den elektromechanischen Wandler angeschlossenen Digital-Analog-Wandler, und- one digital-to-analog converter connected to the electromechanical converter, and
- – einem digitalen Signalprozessor,- one digital signal processor,
- – der einen Eingang aufweist, an dem der Analog-Digital-Wandler angeschlossen ist,- the has an input to which the analog-digital converter is connected,
- – der einen Ausgang aufweist, an den der Digital- Analog-Wandler angeschlossen ist, und- the has an output to which the digital-to-analog converter is connected, and
- – der dazu dient digitale Sendesignale zu erzeugen,- the serves to generate digital transmission signals,
- – die über den Digital-Analog-Wandler in analoger Form während eines Sendeintervalls am elektromechanischen Wandler anliegen,- those about the Digital-to-analog converter in analog form during a transmission interval contact the electromechanical transducer,
- – der dazu dient vom Analog-Digital-Wandler zugeführte Empfangsignale aufzunehmen, und- the serves to receive received signals supplied by the analog-digital converter, and
- – 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.- the an attenuation signal from the received signal is used for reduction a time required for the electromechanical transducer to decay deduce and following that Send interval over the digital-to-analog converter in analog form to the electromechanical Converter.
Weiter besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Bedämpfung eines Nachschwingens eines elektromechanischen Wandlers eines mit Ultraschall arbeitenden Füllstandsmeßgeräts, bei demFurther the invention consists in a method for damping ringing of an electromechanical transducer of an ultrasonic one Level meter, at the
- – der elektromechanische Wandler während eines Sendeintervalls kurzzeitig zu Schwingungen angeregt wird,- the electromechanical transducers during of a transmission interval is briefly excited to vibrate,
- – nach Ablauf des Sendeintervalls aus einem Empfangssignal des elektromechanischen Wandlers ein Bedämpfungssignal erzeugt und an den elektromechanischen Wandler angelegt wird.- to Expiration of the transmission interval from a reception signal of the electromechanical Converter a damping signal generated and applied to the electromechanical transducer.
Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens wird das Bedämpfungssignal durch ein Invertieren des während des Nachschwingens empfangenen Empfangssignals erzeugt.According to one The damping signal is designed by inverting the while of the ringing received signal received.
Es
weist einen elektromechanischen Wandler
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
Um
eine möglichst
gute Anpassung und damit einen möglichst
hohen Schalldruck zu erzielen weist die Anpaßschicht
Da
der elektromechanische Wandler
Der
Anschluß des
elektromechanischen Wandlers
Die
Meßgerätelektronik
umfaßt
einen Analog-Digital-Wandler
Kernstück der Meßgerätelektronik
ist ein digitaler Signalprozessor
Im
Betrieb werden sämtliche
Schwingungen des elektromechanischen Wandlers
Der
digitale Signalprozessor
Im
Betrieb erzeugt der digitale Signalprozessor
Im
Anschluß an
das Sendeintervall schwingt der elektromechanische Wandler nach.
Dies ist in
Die
Schwingungen werden mittels des elektromechanischen Wandlers
Erfindungsgemäß leitet
der digitale Signalprozessor
Dieses
Bedämpfungssignal
legt der digitale Signalprozessor im Anschluß an das Sendeintervall über den
Digital-Analog-Wandler
Zur
der Bedämpfung
des Nachschwingens des elektromechanischen Wandlers
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.The damping signal is preferably by inverting that received during the ringing Received signal generated. As a result, feedback is inverted Form achieved that leads to a destructive superimposition of the ringing with those by the damping signal excited vibrations.
Der
digitale Signalprozessor
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.Between the receipt of the received signal and the output of the inverted Signals is a short period of time. In the level meter described with a Transmission frequency in the range from 1 kHz to 200 kHz and a clock rate of the digital signal processor 21 in the range of 1 MHz, this has delay no significant impact. Will higher transmission frequencies or lower Signal processing rates used, so the impact the time delay greater. However, you can can be avoided by not only receiving the incoming signal is inverted, but also extrapolated into the future becomes.
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
Diese
Form der Bedämpfung
ist sehr effektiv und hat keinerlei Einfluß auf die Empfindlichkeit des elektromechanischen
Wandlers
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
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