DE10326159A1

DE10326159A1 - Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE10326159A1
Application number: DE2003126159
Authority: DE
Inventors: Frank-Michael Jaeger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-06-10
Filing date: 2003-06-10
Publication date: 2004-12-30

Abstract

Die Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung des Füllstandes einer Flüssigkeit ermöglicht eine optimale Ankopplung des piezoelektrischen Elementes an einem Behälter. DOLLAR A Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die 1-3 Komposite der Wandler an die Behälterform angepasst werden. Dadurch können die Behälter beliebig gestaltete Formen haben. DOLLAR A Derartige Vorrichtungen werden zur Prozesskontrolle benötigt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter, beziehungsweise der Überwachung von vorbestimmten Füllständen von Rohrleitungen sowie der Ermittlung der Transmissionseigenschaften einer Flüssigkeit wie zum Beispiel des Schlammgehaltes. Derartige Vorrichtungen werden zur Behälterüberwachung, zur Prozesskontrolle allgemein, aber auch als Luftblasendetektor in der Medizintechnik und in Abwasserbehandlungsanlagen benötigt.
Es sind bereits Vorrichtungen bekannt, die mit einem Ultraschallwandler, der auf der Behälterwand montiert ist und der ein piezoelektrisches Element enthält, das bei der Erregung durch einen Impuls mit einer vorgegebenen Länge und Amplitude einen Ultraschall-Sendeimpuls erzeugt, der über eine Membran auf die Behälterwand und damit auf die zu detektierende Flüssigkeit übertragen wird, und das Ultraschallschwingungen, die von der Membran auf den Ultraschallwandler übertragen werden, in elektrische Empfangssignale wandelt. Gleichzeitig werden aber auch über das Wandlergehäuse Ultraschallschwingungen auf die Behälterwand mit übertragen und in Empfangssignale vom piezoelektrischen Element umgewandelt. Ebenfalls führen Reflexionen von Schweißnähten oder Armaturen, die mit der Behälterwand verbunden sind, zu störenden Empfangsignalen.
Damit eine Anordnung dieser Art zum Überwachen eines Füllstandes problemlos funktioniert, ist es wesentlich, dass eine gute akustische Kopplung zwischen dem piezoelektrischen Element und der zu überwachenden Flüssigkeit besteht.
Zwischen der Membran und der Flüssigkeit darf kein großer akustischer Sprung vorhanden sein. Luft oder Gaspolster dürfen nicht vor der Membran verbleiben.
Andere Vorrichtungen zur Überwachung eines Flüssigkeitsfüllstandes besitzen Schwingelemente, die von einem piezoelektrischem Element zu einer kontinuierlichen Schwingung angeregt werden dessen Frequenz und/oder Amplitude für die Erkennung des Füllstandzustandes ausgewertet werden.
Werden Piezoelektrische Elemente von außen an Behälterwände montiert, sind besondere Vorkehrungen zu treffen um die Funktion zu gewährleisten.
So wird in der DE 195 38 680 beschrieben wie das piezoelektrische Element mit einer Montagehülse an der Behälterwand befestigt wird und der Kontakt zur Behälterwand mit einem wärmehärtbaren Klebstoff mit der Behälterwand verbunden wird.
Piezoelektrische Elemente mit planaren Schwingern liegen nicht vollflächig auf der Behälterwand auf. Sie koppeln weniger gut an die Behälterwand und damit an das Medium an. Ohne Zwischenschicht oder Membran können diese piezoelektrischen Elemente leicht zerstört werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs angegebenen Art so auszubilden, dass eine gute akustische Kopplung zwischen dem piezoelektrischen Element und dem zu überwachenden Medium über die Membran besteht und gleichzeitig alle Nachteile bekannter Anordnungen vermeidet.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das piezoelektrische Element mit seiner gesamten aktiven Fläche an der Behälterwand vollflächig anliegt. Mit einem piezoelektrischen 1-3 Komposit kann das piezoelektrische Element nahezu an jeder Behälterform vollflächig anliegen. Wird die Polymermatrix entsprechend dünn gewählt, können auch Rohre mit geringem Durchmesser umschlossen werden.
Mit dem 1-3 Komposit können auch nichtmetallische schalltransparente Behälter belegt werden, deren Wände nicht als Schwingelement wirken. Durch die auf der Behälterwand eng anliegenden 1-3 Komposite werden genügend Schallwellen in die Flüssigkeit eingekoppelt, um deren Anwesenheit festzustellen oder deren Eigenschaften zu überwachen.
Die gegenüberliegende Behälterwand wird mit einem schallreflektierenden Material belegt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
1 zeigt eine erste Möglichkeit des Aufbaues der Vorrichtung. Die Vorrichtung enthält als aktives Bauteil ein piezoelektrisches Element 1 aus einem 1-3 Komposit. Das mit zwei metallisieren Elektroden 2, 3 versehene 1-3 Komposit ist vorteilhaft mit einer Durchkontaktierung einer Elektrode versehen. Diese Ausführung als Interdigitalelektrode ermöglicht ein problemloses Montieren des piezoelektrischen Elementes 1 an den Behälter 4. Bei einem Kunststoffbehälter wird gegenüber dem piezoelektrischen Element ein Reflektor aus Metall angeordnet. Die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung wird auch durch einen metallisierten Reflektor, zum Beispiel durch Aufdampfen von Aluminium auf Kunststoff erreicht. Die rückwärtige Seite des piezokeramischen Elementes 1 kann mit einer bekannten Dämpfungsmasse bedeckt werden. Zum erfindungsgemäßen Aufbau der Anordnung mit einem 1-3 Komposit ist dies jedoch nicht zwingend notwendig.
2 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung besitzt einpiezoelektrisches Element 7 aus einem 1-3 Komposit der den Behälter 4 so umschließt, das die gesendeten Ultraschallimpulse ohne Wandreflexion empfangen werden können. Damit kann bei schallweichen Behälterwänden ein separater Reflektor eingespart werden.
Wird der Piezowandler in einer federnden oder in einer den Behälter leicht anpassbaren Halterung befestigt, können auch Schläuche oder Kunststoffrohre überwacht werden.
3 zeigt wie die Signalerzeugung und Signalauswertung mit einer elektronischen Schaltung 6 auf kürzestem Weg mit dem piezoelektrischen Element 1 verbunden ist. Vorteilhafter Weise wird die elektronische Schaltung direkt auf der Rückseite des piezoelektrischen Elements 1 montiert.
In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform, kann diese elektronische Schaltung aus einem oder mehreren integrierten Schaltkreisen bestehen. Auch eine monolithische Schaltung auf einem beliebigen Trägermaterial, wie z.B. Aluminiumoxid ist verwendbar. Bei der Fertigung des piezoelektrischen Elementes können diese mit in das Trägermaterial des 1-3 Komposits eingebettet werden.

Claims

Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter, sowie zur Ermittlung der Transmissionseigenschaften einer Flüssigkeit in einem Behälter mit einem Ultraschallwandler, der in der Höhe des festzustellenden oder zu überwachenden Füllstandes an der Behälterwand montiert ist und ein piezokeramisches Element enthält, das bei Erregung mit einem Impuls vorgegebener Länge und Amplitude einen Ultraschall-Sendeimpuls erzeugt, der den dahinter liegenden Raum auf Anwesenheit einer Flüssigkeit überwacht und bei Anwesenheit einer Flüssigkeit dessen Transmissionseigenschaften untersucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran auf der der Behälterwand zugewandten Seite über den gesamten aktiven Bereich eine der Behälterwand anformbare Fläche besitzt und vollflächig an Krümmungen anliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element aus einem piezoelektrischem Komposit des Typs 1-3 besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran auf dem 1-3 Komposit aus einer leitfähigen Folie besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das 1-3 Komposit mit einer leitfähigen Schicht direkt auf der Rohrleitung aufliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das 1-3 Komposit mit einer oder mehreren Durchkontaktierungen versehen ist und die elektrischen Anschlüsse sich auf der behälterabgewandten Seite befinden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen 1-3 Komposit und Behälterwand eine oder mehrere flexible Schichten aus elektrisch isolierenden Material und akustischen Koppelmittel ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das 1-3 Komposit als Interdigitalwandler ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezowandler aus 1-3 Komposit den Behälterumfang mindestens mehr als zur Hälfte umschließt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezowandler aus 1-3 Komposit mit einer monolithischen elektronischen Schaltung verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezowandler aus 1-3 Komposit mit mindestens einem integrierten Schaltkreis verbunden ist und zusammen am Behälter befestigt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezowandler aus 1-3 Komposit mit mindestens einem integrierten Schaltkreis verbunden ist, der die Signalerzeugung und Signalauswertung übernimmt und zusammen mit dem Piezowandler am Behälter befestigt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ultraschallreflektor auf ein ultraschallweiches Material aufgedampft ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ultraschallreflektor auf ein Behälter aus ultraschalleichen Material trocken oder über ein Koppelmedium auf der gegenüberliegenden Seite des Piezowandlers angeordnet ist.