DE69422592T2

DE69422592T2 - Ultraschallfüllstandssensor

Info

Publication number: DE69422592T2
Application number: DE69422592T
Authority: DE
Inventors: Robert E. Birkett
Original assignee: Simmonds Precision Products Inc
Current assignee: Simmonds Precision Products Inc
Priority date: 1993-11-12
Filing date: 1994-11-09
Publication date: 2000-08-24
Anticipated expiration: 2014-11-10
Also published as: US5410518A; DE69422592D1; EP0653612B1; EP0653612A1

Description

Die US-Regelung besitzt eine bezahlte Lizenz an dieser Erfindung und das in eingeschränkten Fällen geltende Recht, von dem Patentinhaber die Lizenzerteilung an Dritte zu angemessenen Bedingungen gemäß den Bestimmungen des Vertrags Nr. F33657-91-C-0006 mit dem Air Force Systems Command zu fordern.
Die Erfindung betrifft eine Wandleranordnung für eine Ultraschall- Flüssigkeitspegelmessvorrichtung, wobei die Wandleranordnung aufweist: eine Einrichtung zum Erzeugen von durch ein Flüssigkeitsvolumen zu sendenden Ultraschallimpulsen, ein Stromkabel zum Liefern von Strom an die Einrichtung, ein Gehäuse für die Einrichtung, einen an dem Einrichtungsgehäuse angebrachten Anschlußblock mit Anschlüssen zur Verbindung mit dem Stromkabel, wobei die Anschlüsse elektrisch mit der Einrichtung verbunden sind, und einen Mantel.
Eine bekannte Wandleranordnung dieser Art ist in GB-A-2265219 offenbart. Diese Anordnung ist in bekannter Weise an einem Meßschacht oder einem Rohr angebracht und leitet Ultraschalimpulse entlang derselben.
Eine Schwierigkeit bei dieser bekannten Art von Anordnungen liegt im Eliminieren der Effekte der elektromagnetischen Interferenz (EMI), welche die mit der Anordnung erhaltenen Messungen nachteilig beeinflussen können.
Eine weitere Schwierigkeit stellt das Befestigen des Mantels, der die Ultraschallimpulserzeugungseinrichtung enthält, an der gewünschten Stelle am Körper des Meßschachtes dar, wobei die Ultraschallimpulserzeugungseinrichtung korrekt am Ende des Rohres angeordnet sein soll, daß der Ultraschallimpuls entlang der Achse des Meßschachts geleitet wird.
Erfindungsgemäß ist die zuvor beschriebene Wandleranordnung dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung ein piezoelektrischer Kristall ist, daß der Mantel eine Öffnung, durch welche das Stromkabel verläuft, und mit einer Metallschicht versehene Innenwände zum Abblocken elektromagnetischer Interferenzen aufweist, und daß der Mantel ein Hauptgehäuseteil und eine Abdeckung aufweist, die nach dem Positionieren des Kristallgehäuses und des Anschlußblocks im Hauptgehäuseteil dichtend an dem Hauptgehäuseteil anbringbar ist.
Der erfindungsgemäße Wandlermantel verringert die zuvor beschriebenen Probleme und bietet andere Merkmale und Vorteile, die bisher nicht verfügbar waren.
Fig. 1 ist ein Aufriß einer Wandleranordnung gemäß der Erfindung, die in Verbindung mit einem Meßschacht zum Messen des Treibstoffpegels in einem Flugzeugtreibstofftank vorgesehen ist, wobei Teile weggebrochen und im Schnitt dargestellt sind;
Fig. 2 ist eine Seitenansicht entlang der Linie 2-2 der Fig. 1, wobei Teile weggebrochen und zu Darstellungszwecken im Schnitt gezeigt sind;
Fig. 3 zeigt eine Endansicht von unten entlang der Linie 3-3 von Figur Fig. 4 ist eine explodierte perspektivische Darstellung der verschiedenen Teile der erfindungsgemäßen Wandleranordnung; und
Fig. 5 zeigt eine perspektivische Darstellung der Kristallunteranordnung der erfindungsgemäßen Wandleranordnung.
In den Zeichnungen ist eine Wandleranordnung 10 dargestellt, die am Boden einer rohrförmigen Sonde oder eines Meßschachts 11 angeordnet ist, wie sie üblicherweise in Flugzeugkraftstofftanks verwendet werden. Der Meßschacht ist annähernd vertikal in den Tank eingesetzt. Der Meßschacht dient der Bildung einer Flüssigkeitssäule, welche den Pegel im gesamten Kraftstofftank wiedergibt, die jedoch Turbulenzen und anderen Einflüssen, die die Messung nachteilig beeinflussen könnten, nicht ausgesetzt ist.
Ein in der Wandleranordnung 10 angeordneter Ultraschallwandler sendet einen sinusförmigen akustischen Impuls durch den Meßschacht 11 an die Oberfläche der Flüssigkeit. Ein Echo kehrt von der Oberfläche der Flüssigkeit zum Wandler zurück und liefert ein sinusförmiges Echosignal. Ein Empfänger reagiert auf das Echosignal, so daß die gesamte verstrichene Zeit von dem Aussenden bis zum Empfangen bestimmt werden kann. Da die verstrichene Zeit eine Funktion der Höhe der Flüssigkeitssäule in dem Meßschacht ist, kann der Flüssigkeitspegel im Tank unter Verwendung bekannter Verfahren leicht bestimmt werden. Die berechneten Daten können sodann angezeigt werden.
Die Wandleranordnung 10 weist als Hauptelemente einen Mantel 20, ein Stromkabel 30, eine Anschlußblockanordnung 40 und eine Kristallgehäuseanordnung 60 auf.
Der Mantel 20 weist ein Hauptgehäuse 21 und eine Abdeckung 22 auf, die beide aus einem geeigneten Kunststoffmaterial hergestellt sind. Das Gehäuse und die Abdeckung bilden, im montierten Zustand, einen Innenraum, in dem die verschiedenen Elemente der Wandleranordnung angebracht sind.
Da die Anordnung 10 in einen Treibstofftank eingetaucht ist, ist es erforderlich, daß der Mantel dicht verschlossen ist, um das Eindringen von Kraftstoff in das Innere zu verhindern.
Ferner ist die Abdeckung 22 abnehmbar am Hauptgehäuse 21 angebracht, um ein bequemes Entfernen zu ermöglichen, falls ein Zugang zu den inneren Elementen erwünscht ist.
Das Hauptgehäuse 21 ist mit zwei, sich seitwärts erstreckenden Armen 23 und 24 versehen, die eine gebogene Ausbildung aufweisen, wobei der Bogen durch einen auf eine zwischen den beiden Armen verlaufende Längsachse zentrierten Bogen definiert ist. Die Arme 23 und 24 dienen der Befestigung der Wandleranordnung 10 am Meßschacht 11 in der in Fig. 1 dargestellten Weise. Die Arme sind flexible und elastisch, so daß der Mantel 20 lediglich gegen die Wand des Meßschachts 11 gedrückt werden muß, um die Arme ausreichend weit nach außen zu biegen und so das Positionieren des Mantels zu ermöglichen. Danach biegen sich die Arme einwärts, um am Meßschacht anzugreifen und eine feste Verbindung zu schaffen. Es sei darauf hingewiesen, daß diese Anordnung ein schnelles Befestigen und Abnehmen der Wandleranordnung an bzw. von dem Meßschacht erlaubt, falls dies notwendig wird.
Das Hauptgehäuse 21 weist ferner einen sich seitwärts erstreckenden Bereich 25, in dem die Kristallgehäuseanordnung 60 befestigt ist, und welches am unteren offenen Ende des Meßschachtes 11 derart positioniert werden kann, daß ein von der Wandleranordnung 60 erzeugter Ultraschallimpuls entlang der Achse des Meßschachts nach oben zur Oberfläche der Flüssigkeit geleitet werden kann.
Erfindungsgemäß sind die Innenseiten des Mantels 20 mit metallischem Material beschichtet oder galvanisiert, um die inneren Elemente gegen elektromagnetische Interferenzen abzuschirmen, die in der Umgebung eines Flugzeugkraftstofftanks häufig vorkommen.
Die leitfähige Abschirmung des Mantels 20 wird durch Beschichten der Teile mit autokatalytischem Kupfer und anschließend mit autokatalytischem Nickel für die Korrosionsbeständigkeit. Das Hauptgehäuse 21 und die Abdeckung 22 sind vorzugsweise auf beiden Seiten beschichtet, obwohl eine leitfähige Beschichtung auf einer Seite eine ausreichende Abschirmung bieten würde. Das Beschichten der gesamten Innen- und Außenfläche ist jedoch einfacher und weniger kostspielig. Um die Abschirmungskontinuität zwischen dem Hauptgehäuseelement und der Abdeckung zu gewährleisten, ist ein erhabener Kontaktstreifen 26 an aneinander angreifenden Flächen des Hauptgehäuses vorgesehen.
Es ist aus Fig. 4 ersichtlich, daß bei montiertem Hauptgehäuse 21 und montierter Abdeckung 22, diese eine Öffnung für das Stromkabel 30 bilden. Die Öffnung ist durch einen halbkreisförmigen Ausschnitt 28 im Hauptgehäuse 21 und einen Schlitz 29 in der Abdeckung 22 gebildet. Sind die Abdeckung und das Hauptgehäuse montiert, bildet das innere Ende des Schlitzes 29 und der Ausschnitt 28 die Kreisöffnung 27.
Das Kabel 30 erstreckt sich durch eine Kabelhülse 31, um Entlastung und einen dichten Abschluß zu erreichen. Die Hülse 31 sitzt passend in der Öffnung 27 und ist elektrisch mit der metallischen Beschichtung um ihren gesamten Umfang verbondet. Ferner besteht die Hülse 31 vorzugsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material, so daß die Abschirmung gegen die elektromagnetischen Interferenzen sich durch den von der Hülse in der Öffnung 27 ausgefüllten Raum erstreckt. Das Kabel weist zwei Leiter 33 und 34 zum Liefern von Strom an den Kristall auf, wie im folgenden beschrieben.
Die Anschlußblockanordnung 40 weist ein Formteil 41 auf, das aus einem geeigneten Kunststoffmaterial gebildet ist und drei parallele Wände 42, 43 und 44 aufweist, die der Begrenzung zweier Kanäle 45 und 46 dienen. Die Kanäle weisen im Boden ausgebildete Öffnungen auf, die sich durch den Block erstrecken. Zwei Anschlußelemente 47 und 48 sind in den Öffnungen angebracht und dienen der Aufnahme der Leiter 33 und 34 vom Kabel 30.
Die Kristallgehäuseanordnung 60 ist zum größten Teil in dem sich seitwärts erstreckenden Bereich 25 des Hauptgehäuses 21 angeordnet und dient der sichren Befestigung der Kristallanordnung 80. Die Gehäuseanordnung weist einen Gehäuseblock 61 auf, der vorzugsweise aus gegossenem Kunststoff besteht. Der Block hat eine relativ flache Form mit einer parametrischen Seitenwand, die eine Ausnehmung 62 bildet. Die Ausnehmung 62 hat einen Boden 63 mit zwei darin ausgebildeten Öffnungen 65 und 66. Die Öffnungen 65 und 66 nehmen zwei elektromagnetische Interferenzfilter 67 und 68 auf, die sich axial durch diese erstrecken.
Der Boden 63 weist ferner eine darin ausgebildete kreisförmige Vertiefung 70 auf, die zum Aufnehmen und Stützender Kristallanordnung 80 in dieser vorgesehen ist. Ferner sind zwei Widerstände 71 und 72 in der Ausnehmung 62 angeordnet. Die Widerstände sind parallel zu den Elektroden der Kristallanordnung 80 angeordnet, um einen Ableitepfad für redundante Ladung zu schaffen.
Die Kristallanordnung 80 weist einen piezoelektrischen Kristall 81 auf der beispielsweise ein piezoelektrisches Blei-Zirkonat-Titanat-Keramikmaterial in Form einer Scheibe sein kann, der mit Elektroden auf jeder Seite versehen ist, um eine ungefähr planare Druckwelle zu erzeugen. Der Kristall 81 ist mittels einer Frontplatte oder einem Fenster 82 mit Viertelwellendicke akustisch auf den Treibstoff abgestimmt, wobei die akustische Impedanz für einen optimalen Energietransfer gewählt ist.
Der Viertelwellenaufbau minimiert ferner interne Vibrationen, um maximale Auflösung und Genauigkeit zu liefern. Die Rückseite des Kristalls ist für eine maximale Empfindlichkeit und zum Verhindern der Abgabe von Schall vom Boden des Wandlers und nachfolgenden falschen Echos vom Tankboden akustisch isoliert. Die Isolierung ist durch ein Rückenteil 83 bewirkt.
Der Kristall ist haftend mit der Vorderplatte 82 verbunden. Die akustische Durchlässigkeit der Verbindung ist durch geeignete Flachheit der Flächen, extensive Reinigung, Aufbringen von Primer auf die Elektrodenfläche, Entgasen des Klebers und Aushärten untergleichmäßigem Druckerreicht.
Der piezoelektrische Kristall 81 ist inhärent mechanisch schwach bei Spannung, jedoch stark bei Druck. Um diese Eigenschaft optimal zu nutzen, ist der Wandler so ausgebildet, daß er den Kristall symmetrisch mit Fenstermaterial umgibt, um so durch die unterschiedliche thermische Ausdehnung des Kristalls und des Fenstermaterials erzeugte Belastungen im Kristall zu minimieren. Diese Minimierung der Belastung wird durch die zuvor beschriebene, aus dem Fenster 82 und der Rückenplatte 83 gebildete Kristallanordnung 80 bewirkt. Diese sind haftend um den Kristall 81 mit einer abgewinkelten Verbindungsstelle (Fig. 1) angeordnet, die der Minimierung von Haftbelastungen dient.
Zwei Elektroden 85 und 96 aus der Bondfläche sind zur gegenüberliegenden Fläche geführt, um die elektrische Verbindung zu erleichtern. Ein Ansatz an der Bondfläche ist der Elektrodenoberfläche entsprechend abgeflacht. Ferner können die elektrischen Verbindungen mit dem Kristall mit leitfähigem Kleber hergestellt werden, um den Kristall vor Beschädigung durch Lötwärme zu schützen.
Die Rückenplatte 83 weist ein Relief für die akustische Isolierung und einen Durchlaß für die elektrischen Leiter auf. Dementsprechend ist die Rückenplatte 83 nicht dimensionssymmetrisch zum Fenster 82, jedoch derart bemessen, daß sie in ihrer Steifigkeit und in ihren Wärmeausdehnungseigenschaften mechanisch symmetrisch ist.
Die Kristallanordnung 80 ist in die Kristallgehäuseanordnung 60 eingesetzt und mittels leitfähigem Kleber befestigt, um die Abschirmungskontinuität zu wahren.
Die Anschlußblockanordnung 40 und die Kristallgehäuseanordnung 60 werden miteinander vor der Montage im Hauptgehäuseteil 21 verbunden. Es ist aus Fig. 4 ersichtlich, daß die Montage der beiden Elemente 40 und 60 zur Bildung einer einstückigen Einheit einfach durchführbar ist, welche sodann in das Hauptgehäuse 21 eingesetzt und in ihrer Position festgelegt werden kann. Anschließend können die Leiter 33 und 34 des Stromkabels mit den Anschlüssen 49 und 50 verbunden werden. Anschließend kann die Abdeckung 22 an dem Hauptgehäuse 21 befestigt werden, um die Anordnung zu vollenden. Diese Ausbildung schafft eine Wandleranordnung mit einer erheblichen Abschirmung gegen elektromagnetische Interferenzen, um die Genauigkeit eines Ultraschall- Flüssigkeitspegelmeßsystems zu verbessern.
Zwar wurde die Erfindung anhand eines spezifischen Ausführungsbeispiels beschrieben und dargestellt, jedoch dient dies lediglich der Darstellung, nicht der Einschränkung, und andere Varianten und Modifikationen der hier gezeigten und beschriebenen spezifischen Vorrichtung sind für den Fachmann ersichtlich, welche sämtlich in den durch die beigefügten Ansprüche definierten Rahmen der Erfindung fallen.

Claims

1. Wandleranordnung (10) für eine Ultraschall-Flüssigkeitspegelmessvorrichtung, wobei die Wandleranordnung aufweist: eine Einrichtung (81) zum Erzeugen von durch ein Flüssigkeitsvolumen zu sendenden Ultraschallimpulsen, ein Stromkabel (30) zum Liefern von Strom an die Einrichtung (81), ein Gehäuse (60) für die Einrichtung (81), einen an dem Einrichtungsgehäuse (60) angebrachten Anschlußblock (40) mit Anschlüssen (47, 48) zur Verbindung mit dem Stromkabel (30), wobei die Anschlüsse elektrisch mit der Einrichtung (81) verbunden sind, und einen Mantel (20), dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung ein piezoelektrischer Kristall (81) ist, daß der Mantel (20) eine Öffnung (28, 29), durch welche das Stromkabel (30) verläuft, und mit einer Metallschicht versehene Innenwände zum Abblocken elektromagnetischer Interferenzen aufweist, und daß der Mantel (20) ein Hauptgehäuseteil (21) und eine Abdeckung (22) aufweist, die nach dem Positionieren des Kristallgehäuses (60) und des Anschlußblocks (40) im Hauptgehäuseteil dichtend an dem Hauptgehäuseteil (21) anbringbar ist.

2. Wandleranordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (31), die eine Dichtung zwischen dem Stromkabel (30) und den Rändern der Öffnung (28, 29) bildet.

3. Wandleranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichteinrichtung eine rohrförmige Klemme (31) aus elektrisch leitfähigem Material ist, welche einen mit der Metallschicht verbondeten Teil aufweist.

4. Wandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (20) eine Einrichtung (23, 24) zum Befestigen der Anordnung (10) an einem Meßschacht aufweist.

5. Wandleranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtung zwei flexible elastische Arme (23, 24) aufweist, die sich vom Mantel (20) nach außen erstrecken und während des Anbringens nach außen biegen und sich in eine Halteposition bewegen, in der sie den Meßschacht (11) umschließen und zwischen sich halten.

6. Wandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptkörperteil (21) an einem Ende einen sich nach außen erstreckenden Bereich (26) aufweist, der zum Aufnehmen des Kristallgehäuses (60) geeignet ist, wobei der abstehende Bereich am Bodenende eines Meßschachts (11) anbringbar ist, wodurch der Kristall (81) zum Leiten von Ultraschallimpulsen entlang der Meßschachtachse ausgerichtet ist.

7. Wandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Kristall (81) in Kombination mit einem Fensterelement (82) und einer Rückenplatte (83) ausgebildet ist, wobei das Fensterelement eine akustische Impedanz mit effizienten Energieübertragungseigenschaften aufweist und die Rückenplatte zum Isolieren des Kristalls gegen unerwünschtes akustisches Echo geeignet ist.

8. Wandleranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (81) zwischen dem Fensterelement (82) und der Rückenplatte (83) durch Klebeverbindung befestigt ist, wobei die Umfangsbereiche des Fensterelements (82) und die Rückenplatte (83) radial nach außen über den Umfangsrand des Kristalls (81) hinaus ragen und an einer abgewinkelten Verbindungsstelle aneinander angreifen, um Belastungen des Kristalls aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung zu minimieren.