DE4328792C1 - Detektoreinrichtung zur Detektierung von Flüssigkeitsfüllständen - Google Patents
Detektoreinrichtung zur Detektierung von FlüssigkeitsfüllständenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Detektoreinrichtung
zur Detektierung von Flüssigkeitsfüllständen nach
Patentanspruch 1.
Die Detektierung von Flüssigkeitsfüllständen kann durch Mes
sung von Ultraschallaufzeiten erfolgen. Dabei ist auch die
Bestimmung von Grenzwerten mit Ultraschall-Meßsystemen, bei
spielsweise mittels Ultraschall-Gabelschranken für die Kfz-
Ölstandsmessung möglich. Eine derartige Messung mittels einer
Ultraschall-Gabelschranke ist beispielsweise aus der DE-OS 31 49 909
bekannt.
Eine derartige Gabelschranke ist im Prinzip so aufgebaut, daß
auf jeweils einem Schenkel einer generell U-förmigen Gabel
ein Ultraschallsender bzw. ein Ultraschallempfänger angeord
net ist. Der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger
sind dabei gleich aufgebaut.
Je nachdem, ob die den Ultraschallsender und den Ultra
schallwandler tragende Gabel in die Flüssigkeit eingetaucht
ist, deren Füllstand bestimmt werden soll, ergeben sich auf
grund der unterschiedlichen akustischen Eigenschaften des Ul
traschallsender und Ultraschallempfänger umgebenden Mediums -
Flüssigkeit bzw. Gas - unterschiedliche Laufzeiten für die
zwischen Sender und Empfänger laufende Welle, welche zur Be
urteilung des Füllstandes elektrisch auswertbar sind.
Aus der DE-OS 29 11 216 ist weiterhin ein Flüssigkeits
standsanzeiger mit einem Ultraschallgeber- und Empfänger
bekannt, bei dem Ultraschallgeber und Ultraschallempfänger
zur Bildung einer Meßstrecke in einem Abstand voneinander
sich gegenüberliegend angeordnet sind und in einem
Frequenzbereich arbeiten, in dem eine meßbare Differenz der
Ultraschall-Leitfähigkeit bzw. -Dämpfung zwischen den in die
Meßstrecke gelangenden unterschiedlichen Medien auftritt. Ein
derartiger Flüssigkeitsstandsanzeiger entspricht im Prinzip
der oben angegebenen Gabelschranke nach der DE-OS 31 49 909.
Bestimmte Flüssigkeiten, wie z. B. Motoröl bei tiefen Tempe
raturen von etwa -40°C besitzen eine hohe Ultraschallabsorp
tion. Die akustische Sendeleistung und Abklingzeitkonstante
bekannter Systeme reichen daher für eine zuverlässige Detek
tierung bei gleichzeitig einfachem Aufbau des Systems nicht
aus.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde
eine Detektoreinrichtung der in Rede stehenden Art mit erhöh
ter Ultraschalleistung und kleiner akustischer Abklingzeit
konstante anzugeben.
Diese Aufgabe wird bei einer Detektoreinrichtung der eingangs
genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale
des Patentanspruchs 1 gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteran
sprüchen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei
spielen gemäß den Figuren der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer in einem Flüssig
keitsbehälter angeordneten erfindungsgemäßen Detektor
einrichtung; und
Fig. 2 eine Darstellung eines Schichtaufbaus eines erfin
dungsgemäß ausgebildeten Sende/Empfangs-Ultraschall
wandlers.
Gemäß Fig. 1 ist in einem eine Flüssigkeit 13 enthaltenden
Behälter 12 - hier unterhalb des Flüssigkeitspegels 14 - eine
Detektoreinrichtung zur Detektierung des Füllstandes der
Flüssigkeit 13 angeordnet. Diese Detektoreinrichtung ist
generell in an sich bekannter Weise nach Art der oben
erläuterten Gabelschranke aufgebaut.
Im Gegensatz zu der bekannten Gabelschranke ist jedoch auf
einem Schenkel einer Gabel 15 ein Sende/Empfangs-Ultraschall
wandler 10 angeordnet, der sowohl Ultraschallenergie in die
Flüssigkeit 13 abstrahlt, als auch von einem auf dem anderen
Schenkel der Gabel 15 angeordneten Schallreflektor 11 Ultra
schallenergie empfängt. Weiterhin ist in noch näher zu erläu
ternder Weise im Bereich des Sende/Empfangs-Ultraschallwand
lers 10 eine Auswerteelektronik 16 für elektrische Informa
tion vom Sende/Empfangs-Ultraschallwandler 10 vorgesehen.
Gemäß Fig. 2 ist der Sende/Empfangs-Ultraschallwandler 10 er
findungsgemäß derart mehrschichtig aufgebaut, daß auf einem
Trägersubstrat 1 eine erste Impedanzanpassungsschicht 2, auf
dieser eine piezoelektrische Ultraschallwandlerschicht 3 so
wie darauf eine zweite Impedanzanpassungsschicht 4 vorgesehen
ist.
Die akustischen Impedanzen der Materialien der vorgenannten
Schichten sind so gewählt, daß die akustische Impedanz des
Materials der ersten Impedanzanpassungsschicht 2 klein gegen
die akustische Impedanz des Materials des Trägersubstrats 1
und der piezoelektrischen Ultraschallwandlerschicht 3 und die
akustische Impedanz des Materials der zweiten Impedanzanpas
sungsschicht 4 näherungsweise gleich der Quadratwurzel aus
dem Produkt der akustischen Impedanzen des Materials der pie
zoelektrischen Ultraschallwandlerschicht 3 und der Flüssig
keit 13 ist. Die akustische Impedanz ist dabei jeweils durch
das Produkt aus Schallreflexionsgrad und Schallgeschwindig
keit des Schichtmaterials gegeben.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Dicken d₁
bis d₄ der Schichten 1 bis 4 so gewählt sind, daß
d₁ < L₁/2
d₂ = L₂/4
d₃ = L₃/2
d₄ = L₄/4
d₂ = L₂/4
d₃ = L₃/2
d₄ = L₄/4
gilt, wobei d₁ die Dicke der Substratschicht 1, d₂ die Dicke
der ersten Impedanzanpassungsschicht 2, d₃ die Dicke der pie
zoelektrischen Ultraschallwandlerschicht 3 und d₄ die Dicke
der zweiten Impedanzanpassungsschicht 4 und L₁ bis L₄ die je
weilige Schallwellenlänge in den Schichten 1 bis 4 bedeuten.
Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Sende-/Empfangs-Ultra
schallwandlers 10 wird erreicht, daß eine Abstrahlung nur in
einer Achsrichtung, nämlich vom Sende/Empfangs-Ultraschall
wandler 10 zum Schallreflektor 11 gemäß Fig. 1, eine gerin
gere Schallreflexion an der Grenzfläche zwischen
Sende/Empfangs-Ultraschallwandler und Flüssigkeit 13, d. h.
eine bessere akustische Kopplung, eine kürzere akustische Ab
klingzeit des Sende/Empfangs-Ultraschallwandlers 10 sowie ei
ne wesentlich erhöhte akustische Schalleistung erreicht wer
den.
Die kürzere Abklingzeit ist insbesondere von Bedeutung, weil
die piezoelektrische Ultraschallwandlerschicht 3 impulsmäßig
angesteuert wird und damit bei kürzerer Abklingzeit nach Aus
senden eines Impulses innerhalb kurzer Zeit bereits der Emp
fang von vom Schallreflektor 11 reflektierter Schallenergie
durch eben den piezoelektrischen Ultraschallwandler 3 stö
rungsfrei möglich ist.
Die erfindungsgemäße Detektoreinrichtung gestaltet sich wei
terhin dadurch auch einfacher, daß als Schallreflektor 11 in
einfacher Weise ein schallreflektierendes Blech verwendbar
ist.
Als Materialien für das Trägersubstrat 1 kommen Keramiken
oder Metalle mit hoher akustischer Impedanz in Betracht. Für
die erste Impedanzanpassungsschicht 2 kommen Kunststoffe oder
Flüssigkeiten mit niedriger akustischer Impedanz in Betracht,
während für die zweite Impedanzanpassungsschicht 4 Kunst
stoffe oder Leichtmetalle, wie z. B. Aluminium in Betracht
kommen.
Das Material für die zweite Impedanzanpassungsschicht 4 kann
dabei gleichzeitig eine der (nicht dargestellten) Elektroden
der piezoelektrischen Ultraschallwandlerschicht 3 sein. Es
kann sich dabei beispielsweise um eine metallisierte Capton
folie handeln. Es sein in diesem Zusammenhang darauf hinge
wiesen, daß aus Übersichtlichkeitsgründen in Fig. 2 Elektro
den für die piezoelektrische Ultraschallwandlerschicht 3
nicht eigens dargestellt sind, da sich deren Aufbringung für
den Fachmann von selbst versteht. Entsprechendes gilt für das
Material der ersten Impedanzanpassungsschicht 2 für den Fall
von Flüssigkeiten, für den in Fig. 2 aus Übersichtlichkeits
gründen ebenfalls ein geeignetes Behältnis nicht dargestellt
ist, dessen Ausbildung sich aber für den Fachmann ebenfalls
von selbst versteht.
Die Schichten 1 bis 4 können in Weiterbildung der Erfindung
eine von der Kreisform verschiedene Form oder Kreisform be
sitzen, wobei im letzteren Falle der Kreisdurchmesser wenig
stens um den Faktor 15 größer als die Dicke der piezoelektri
schen Ultraschallwandlerschicht 3 ist. Durch derartige Formen
kann eine Kopplung von radialen Schwingungsmoden mit der
Grundmode der Dickenschwingung vermieden werden. Bei der vor
stehend genannten Dimensionierung der piezoelektrischen Ul
traschallwandlerschicht 3 erhöht sich die Auslenkung und da
mit der Schalldruck des Wandlers, wodurch wiederum die Reso
nanzfrequenz ansteigt und die Abklingzeit weiter gesenkt
wird.
Der erfindungsgemäß ausgebildete Sende/Empfangs-Ultraschall
wandler 10 ermöglicht es darüber hinaus in vorteilhafter
Weise, eine Auswerteelektronik in Form einer Hybridelektronik
direkt auf dem Trägersubstrat 1 anzuordnen. Dies ist in Fig. 1
durch die Auswerteelektronik 16 schematisch dargestellt.
Claims (12)
1. Detektoreinrichtung zur Detektierung von Flüssigkeitsfüll
ständen mit einem Sende/Empfangs-Ultraschallwandler (10), der Ultra
schalleistung in einen die Flüssigkeit (13) enthaltenden Raum (12)
abstrahlt, in dem sich ein die ausgesandte Ultraschalleistung auf
den Sende/Empfangs-Ultraschallwandler (10) zurückreflektierender
Schallreflektor (11) befindet, und die zurückreflektierte Ultra
schalleistung wieder empfängt, mit den Merkmalen, daß der
Sende/Empfangs-Ulltraschallwandler (10) mit
einem Trägersubstrat (1),
einer ersten auf dem Trägersubstrat (10) vorgesehenen Impedanzanpassungsschicht (2),
einer auf der ersten Impedanzanpassungsschicht (2) vorgesehenen piezoelektrischen Ultraschallwandlerschicht (3) sowie
einer auf der piezoelektrischen Ultraschallwandlerschicht (3) vorgesehenen zweiten Impedanzanpassungsschicht (4)
ausgebildet ist,
daß die akustische Impedanz des Materials der ersten Impedanz anpassungsschicht (2) klein gegen die akustische Impedanz des Materials des Trägersubstrats (1) und der piezoelektrischen Ultraschallwandlerschicht (3) und die akustische Impedanz des Materials der zweiten Impedanzanpassungsschicht (4) näherungsweise gleich der Quadratwurzel aus dem Produkt der akustischen Impedanzen des Materials der piezoelektrischen Ultraschallwandlerschicht (3) und der Flüssigkeit (13) ist und die Dicken (d₁ bis d₄) der Schichten (1 bis 4) so gewählt sind, daß d₁ < L₁/2
d₂ = L₂/4
d₃ = L₃/2
d₄ = L₄/4gilt, wobei
d₁ die Dicke der Substratschicht (1), d₂ die Dicke der ersten Impedanzanpassungsschicht (2), d₃ die Dicke der piezoelektrischen Ultraschallwandlerschicht (3) und d₄ die Dicke der zweiten Impedanzanpassungsschicht (4) und L₁ bis L₄ die Schallwellenlängen in den Schichten (1 bis 4) bedeuten.
einem Trägersubstrat (1),
einer ersten auf dem Trägersubstrat (10) vorgesehenen Impedanzanpassungsschicht (2),
einer auf der ersten Impedanzanpassungsschicht (2) vorgesehenen piezoelektrischen Ultraschallwandlerschicht (3) sowie
einer auf der piezoelektrischen Ultraschallwandlerschicht (3) vorgesehenen zweiten Impedanzanpassungsschicht (4)
ausgebildet ist,
daß die akustische Impedanz des Materials der ersten Impedanz anpassungsschicht (2) klein gegen die akustische Impedanz des Materials des Trägersubstrats (1) und der piezoelektrischen Ultraschallwandlerschicht (3) und die akustische Impedanz des Materials der zweiten Impedanzanpassungsschicht (4) näherungsweise gleich der Quadratwurzel aus dem Produkt der akustischen Impedanzen des Materials der piezoelektrischen Ultraschallwandlerschicht (3) und der Flüssigkeit (13) ist und die Dicken (d₁ bis d₄) der Schichten (1 bis 4) so gewählt sind, daß d₁ < L₁/2
d₂ = L₂/4
d₃ = L₃/2
d₄ = L₄/4gilt, wobei
d₁ die Dicke der Substratschicht (1), d₂ die Dicke der ersten Impedanzanpassungsschicht (2), d₃ die Dicke der piezoelektrischen Ultraschallwandlerschicht (3) und d₄ die Dicke der zweiten Impedanzanpassungsschicht (4) und L₁ bis L₄ die Schallwellenlängen in den Schichten (1 bis 4) bedeuten.
2. Detektoreinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schallreflektor (11) ein Blech ist.
3. Detektoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schichten (1 bis 4) eine von der Kreisform ver
schiedene Form besitzen.
4. Detektoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schichten (1 bis 4) Kreisform besitzen und daß der
Kreisdurchmesser wenigstens um den Faktor 15 größer als die
Dicke der piezoelektrischen Ultraschallwandlerschicht (3) ist.
5. Detektoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Material für das Trägersubstrat (1) eine Keramik oder
ein Metall mit großer akustischer Impedanz Verwendung findet.
6. Detektoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Material für die erste Impedanzanpassungsschicht (2)
ein Kunststoff oder eine Flüssigkeit mit kleiner akustischer
Impedanz Verwendung findet.
7. Detektoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Material für die piezoelektrische Ultraschallwandler
schicht (3) eine PZT-Keramik Verwendung findet.
8. Detektoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Material für die zweite Impedanzanpassungsschicht (4)
ein Kunststoff oder ein Leichtmetall Verwendung findet.
9. Detektoreinrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Material für die zweite Impedanzanpassungsschicht (4)
Aluminium Verwendung findet.
10. Detektoreinrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Metall für die zweite Impedanzanpassungsschicht (4)
eine Elektrode für die piezoelektrische Ultraschallwandler
schicht (3) bildet.
11. Detektoreinrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß für die zweite Impedanzanpassungsschicht (4) als Elek
trode für die piezoelektrische Ultraschallwandlerschicht (3)
eine metallisierte Captonfolie Verwendung findet.
12. Detektoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf dem Trägersubstrat (1) eine Detektorauswerteelektro
nik (16) vorgesehen ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934328792 DE4328792C1 (de) | 1993-08-26 | 1993-08-26 | Detektoreinrichtung zur Detektierung von Flüssigkeitsfüllständen |
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
DE19934328792 DE4328792C1 (de) | 1993-08-26 | 1993-08-26 | Detektoreinrichtung zur Detektierung von Flüssigkeitsfüllständen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4328792C1 true DE4328792C1 (de) | 1994-12-08 |
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ID=6496125
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19934328792 Expired - Fee Related DE4328792C1 (de) | 1993-08-26 | 1993-08-26 | Detektoreinrichtung zur Detektierung von Flüssigkeitsfüllständen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4328792C1 (de) |
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-
1993
- 1993-08-26 DE DE19934328792 patent/DE4328792C1/de not_active Expired - Fee Related
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Legal Events
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