DE4328792C1

DE4328792C1 - Detektoreinrichtung zur Detektierung von Flüssigkeitsfüllständen

Info

Publication number: DE4328792C1
Application number: DE19934328792
Authority: DE
Inventors: Hans Prof Dr Meixner; Dieter Dipl Phys Stein; Dietmar Dr Hohm
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1993-08-26
Filing date: 1993-08-26
Publication date: 1994-12-08
Anticipated expiration: 2013-08-27

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

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

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.

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.