JPH07507146A - 充填状態測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 充填状態測定装置 本発明は、ケーシングによって囲繞された、交互に、送信パルスを送信するため の送信変換器および充填物の表面で反射されたエコーパルスの受信変換器として 作動される超音波変換器および該変換器の励振のための電気回路を備えた、容器 内の充填状態または貯溜場所での充填物の貯溜高さを測定するための充填状態測 定装置に関する。

この形式の充填状態測定装置は、プロセスの監視、例えば容器または貯溜場所の 充填高さまたはプロセスのシーケンス上必要な類似の測定値の検出の際にしばし ば使用される。その際、充填高さ、すなわち容器の内容または貯溜場所の貯溜高 さは、音波パルスが超音波変換器の振動板から、反射面として作用する、充填物 の表面に至りかつ変換器に戻るまでの走行時間からめられる。

送信パルスを発生するために、ケーシングによって囲繞されている超音波変換器 は、圧電結晶を有しており、この圧電結晶が、電気回路から形成されている送信 パルス発生器によって超音波の周波数を有する振動を発生するように励振される 。この従来の技術によれば、変換器の振動板の方を向いている側において、圧電 結晶の端面および套面（局面）の短い部分が、合成樹脂層によって被覆されてい る。この合成樹脂層は、結晶のセラミック材料の音響インピーダンスの、音波パ ルスを放射すべき媒体の音響インピーダンスに対する整合のために用いられる。

振動板とは反対の方の側において、合成樹脂から成る減衰層が、ケーシング内室 の残りの部分を充填している。その際この合成樹脂は圧電結晶の他方の端面およ び局面の大部分を囲繞している。この減衰層は、振動方向が実質的に振動板に配 向されかついずれの別の方向における振動エネルギーの放射も減衰されるように 、結晶の振動特性に作用する役割を果たす。

西独国特許出願第４２３０７７３．２号明細書の思想によれば、この減衰層は大 部分が金属酸化物であるシリコーンエラストマーから形成することができる。

この糧の減衰層は、結晶の減衰（立下り）振動特性に作用しかつ振動エネルギー の、半径方向および振動板とは反対側の軸線方向における所望しない放射を低減 する。

しかし内部ケーシングが合成樹脂層によって充填されているセンサでは、このこ とは、合成樹脂層を介する音波伝搬のために完全には成功せず、いつでもなお、 音波エネルギーの残量がとりわけ、結晶の周面から半径方向に放射されかつそれ らは充填物に指向される音波エネルギーとして使用することができない、容器内 の充填状態を測定するために使用する際に殊に、この半径方向に放射される音波 エネルギーは容器壁、または組立て個所、または音波案内管の内壁において反射 されかつ測定室に指向され、このことは結果的に、測定が障害となる２次エコー によって妨害を受けることになる。

通例、この欠点を次のようにして取り除いている。

すなわち、圧電結晶の周面を囲繞する合成樹脂層の周面の壁厚を増強して、音波 走行経路を拡張しかつ音波吸収を高めるようにする。圧電結晶を環状に取り囲む 発泡プラスチックを間に挿入することも同じ目的のために用いられる。

しかし他方において、測定装置をそれを通して容器内に導入しなければならない 容器の開口または音波案内管の直径を同様に小さく保持することができるように 、この種の測定装置において、ケーシングの全直径を出来るだけ小さな直径した いという要求がある。

この形式の電気音響変換器は、西独国特許出願第４０２７９４９号明細書から公 知である。この出Ｍ明細書において、音響ヘッドの軸方向に平行に延在する所望 しない音波放射を、音響ヘッドを中間室を形成して取り囲む、ガラス繊維強化さ れた合成樹脂から成る充填リングによって減衰することが提案される。この明細 書には、半径方向に放射される音波を低減するまたは妨げる措置は示されていな い。

したがって、本発明の課題は、測定を妨害する、圧電結晶の局面によって惹き起 こされる、音波エネルギーの放射が低減されるかまたは少なくとも一層制限され かつその際に測定装置の外径を拡大しないですむ充填状態測定装置を提供するこ とである。

このことを実現するために、本発明は、減衰区間の延長により音波吸収を低減す るのではなく、材料境界面において惹き起こされて音響インピーダンスの急激な 変化によって発生する音響パルスのマルチ反射を利用する。

この課題は、請求項１の特徴部分に記載の構成によって解決される。

本発明の有利な実施例はその他の請求項に記載され別の特徴および利点は実施例 に図示されている。

その際、 第１図は、超音波変換器の断面図であり、第２図は、個別部品としての、超音波 変換器のケーシングの断面図であり、 第３図は、圧電結晶および整合並びに減衰層を囲繞する変換器ケーシングの正面 図である。

第１図には、１で、容器内の充填状態の測定ないし貯溜所における充填高さの測 定に用いられる超音波変換器が示されている。超音波変換器は、ケーシング２、 変換器ケーシング３および接続部分４並びに送信パルス発生器５から成っている 。

超音波発生器１は、図示されていない容器の内空に開口６を通って導入されてい る。容器はカバー７によって封鎖されており、その内の僅かな部分しか図示され ていない。超音波変換器１の固定のために、接続部分４のねじ軸部４１が接続フ ランジ７２の中央孔７１を貫通している。ねじ軸部４１は、フランジ７２ととも に解離可能な連結部を形成し、この連結部によって超音波変換器１は接続フラン ジ７２に固定されている壷形状の変換器ケーシング３の内室に、圧電結晶３１が 配設されている。変換器ケーシング３の底部は、超音波変換器の振動板３２を形 成している。振動板３２の方の側において、圧電結晶３１の端面および周面の一 部が整合層３３によって囲繞されている。このことを実現するために、圧電結晶 ３１は短い支え３４を用いて振動板３２から正確に定義された間隔のところに保 持される。

変換器ケーシング３の、振動板３２とは反対側の内室は、減衰層３５で完全に満 たされている。これにより、圧電結晶３１は、その局面においても、振動板３２ とは反対側の端面においても、減衰層３５によって囲繞されている。電気的な接 続導線５１が、圧電結晶３１を、電気回路５１によって形成される送信パルス発 生器５に接続する。送信パルス発生器は、別の導線５３を介して、測定室から離 れたところに配置されている評価装置に電気的に接続されている。

図３から明らかであるように、壷形状の変換器ケーシング３は、振動板３２と反 対側の端部において複数の位置決めばね３６を有している。これらは変換器ケー シング３の周囲に均一に分布している。これら位置決めばね３６の機能について は、後でより詳しく説明する。壷形状の変換器ケーシング３は有利には、射出成 形品としてポリプロピレンから製造されている。

送信パルス発生器５は、電気的な送信パルスを発生しかつ接続導線５１を介して 圧電結晶３１を超音波の周波数において励振する。音波エネルギーの放射は実質 的に、結晶３１の端面から軸線方向に行われる。しかしエネルギーの一部は、結 晶３１の局面から半径方向にも放射される。振動板３２の方を向いておりかつ振 動板３２と結晶３１との間の中間室を充填する合成樹脂層３３は、圧電結晶３１ のセラミック材料の音響インピーダンスを、音波パルスが放射されるべき媒体の インピーダンスに整合する作用をする。

壷形状の変換器ケーシング３の残りの内室を充填している減衰層３５は、振動板 ３２とは反対側の軸線方向並びに半径方向におけるエネルギーの放射を減衰する 。しかしこの合成樹脂層は、放射されるエネルギーの減衰のみならず、インピー ダンス整合にも作用するので、所望しないエネルギー放射を完全に妨げることは できない。振動板３２とは反対側の軸線方向における放射の低減が差し当たりも はや問題にならないとしても、半径方向の放射の満足できる解決法はこれまでま だ見つかっていない。確かに、減衰層を介する音波走行経路の拡張を用いて音波 吸収を高めることにより半径方向の振動エネルギーの放射を低減することが行わ れているが、このためには必ずケーシング直径を拡大することが必要でありしか もこのことは理想的な仕方では実現されない。

ある材料から別の材料への音波エネルギーの移行の際、材料境界面で音響インピ ーダンスの急激な変化が生じ、そのために圧力音波の部分反射が生じる。このこ とは、合成樹脂から空気への移行に対しても当て嵌まる。材料境界面における音 波エネルギーのこの移行は、２つの材料の音響インピーダンスＺＩおよびＺ２の 比に非常に緊密に関連している。圧力音波に対する反射率ｒは、次の式から計算 される ｒ＝　（Ｚｔ　２１）／　（ＺＩ＋Ｚ２）。

音響特性インピーダンスが例えば係数５だけ異なっている材料では、０．６７の 反射率が生じる。このことは、材料境界面を透過した後の圧力音波はその本来の 大きさの３３％に低減されることを意味する。さらに２つの材料境界面を透過し た後にはその本来の大きさの１１％に低減される。圧力音波の、合成樹脂から空 気への移行の際に、非常に高い反射率が生じ、才なわち圧力音波の大部分が後方 反射される。この効果は材料の厚さに無関係であるので、例えばケーシング壁を 非常に薄くまたはケーシング壁に対する間隔を非常に小さく選定することができ る。

そこで本発明はこの効果を次のようにして利用する。

すなわち、変換器ケーシング３がケーシング２の開口２１を同軸的に貫通しかつ その際ケーシング２から、正確に規定された薄いリング状であってかつ半径方向 に延在する空隙３８によって隔離されておりかつ圧電結晶３１の周面の領域にお いて付加的に固体伝搬音が減結合されている。第２図および第３図に詳細に示さ れているように、このことは、比較的大きな直径の３つの短い円筒部分がケーシ ング２の開口２１を取り囲むようにして実現される。接続部分４とは反対側の第 １の部分の直径および幅は、それが、円い横断面を有するフレキシブルなリング 状のシール部材を収容するための溝を形成するように、選定されている。第２の 、真中の部分は同様に、同様、リング状のシール部材を収容するように定められ ている溝２４を形成している。

リング状のパツキンリング２３．２５は市販の０リングから形成することができ る。

第３の部分２６は多少幅広になされかつその横断面は、溝２４の側のリング面が 層状部２７を形成するように選定されている。層状部は、変換器ケーシング３が 開口２１に挿入された状態において、位置決めばね３６を支持するために用いら れる。

溝２２と溝２４との間に、比較的長い部分２８が延在しており、その直径は、溝 ２４と部分２６との間に延在している部分２９の直径より約２１大きい。部分２ ９は、シール部材２３および２５と協働して、変換器ケーシング３の周面３７を ケーシング２の開口２１に正確にガイドするのに役立つ。その際ケーシング２の 部分２８の内臂および変換器ケーシング３の周面３７によって、約１ａ＋ｍまた はそれ以下の厚さであってかつ約２５ｍｍの長さの正確に規定されたリング円筒 状の空隙３８が形成されている。空隙３８は、圧電結晶３１の周面を取り囲む。

空隙３８によって、材料境界面において、合成樹脂から空気、かつ再び空気から 合成樹脂およびケーシング２の外周面においてもう一度合成樹脂から空気への移 行が生じる。これら移行部のそれぞれによって、音響インピーダンスの急激な変 化によって惹き起こされて、音波の部分反射が生じる。

変換器ケーシング３の振動板３２は半径方向において周面３７を越えて延在して おり、その結果その周囲がケーシング２の周囲と一致するようになっている。

挿入されかつ位置決めされた状態において、ケーシング２の端面の方の側の、振 動板３２のリング面５５はケーシング２の端面に直接当接しておらず、これら部 分の間には、半径方向に延在する約０．２ｍｍの第２の空隙３９が形成されてい る。

ケーシング２は同様に、射出成形品としてポリプロピレンから製造することがで きる。

１図１から明らかであるように、部材２および３の結合は、まず、接続導体５３ を電気回路５２に電気的に接続しかつケーシング２の開口２１に挿入するように して行われる。その際送信パルス発生器５は、第１図に図示の位置をとる。リン グ状のシール部材２３および２５の挿入後、予め完成されている変換器ケーシン グ３は、それが第１図の図示の位置をとりかつ位置決めばね３６がケーシング２ の肩状部２７に係止されるまで、開口２１に挿入される。ケーシング２内の部材 ３および５のこの位置において、まだ残っている空いた空間に適当な充填材を充 填することができる。

それから変換器ケーシング３は、厳密に規定されかつ正確に円筒状であってさら に半径方向に延在するリング状の空隙を介してケーシング２から、隔離されてい る。２つのパツキンリング２３および２５は、円筒状の空隙を、困難な使用条件 下でも、持続的にシールしかつ局面に対向する、変換器ケーシング２の領域の固 体伝搬音をケーシング２から減結合する作用をする。

全部で３つの材料移行、すなわち変換器ケーシング３−空隙、空隙−ケーシング ２、ケーシング２−振動板によって、例えば材料合成樹脂Ｚ　Ｋ＝２・１０’Ｎ 。

／　ｍ　’およびＺ　Ｌ　＃　４００　Ｎ　、／　ｆｉｌ　’に対する音響イン ピーダンスとして、圧電結晶３１の局面において半径方向に放射される圧力音波 が、空気に直接放射される場合に比べて４５ないし５０ｄＢだけ低減される。

勿論、境界面を介する音響インピーダンスの急激な変化は別の材料によっても形 成することができる。

フロントページの続き （７２）発明者　エッケルト、マンフレートドイツ連邦共和国　Ｄ−７９６７４ トートナウ　シュトウールシュトラーセ　１２

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．ケーシングによって囲続された、交互に、送信パルスを送信するための送信 変換器および充填物の表面で反射されたエコーパルスの受信変換器として作動さ れる超音波変換器を備えた、容器内の充填状態または貯溜場所での充填物の貯溜 高さを測定するための充填状態測定装置において、 変換器ケーシング（３）によって囲続されている送信および受信変換器（３１， ３３，３５）は、間に、正確にリング円筒形状の、同軸的な空隙（３８）の形成 されるように、前記充填状態測定装置（１）の前記ケーシング（２）によって同 軸的に包囲されておりかつ材料境界面が形成されており、該境界面で、音響イン ピーダンスの急激な変化によって、前記圧電結晶（３１）の套面から半径方向に 放射される音波エネルギーが反射される ことを特徴とする充填状態測定装置。
2. ２．前記送信および受信変換器（３１，３３，３５）を囲続する変換器ケーシン グ（３）は、前記装置ケーシング（２）の開口（２１）を貫通しかつフレキシブ ルなパッキンリング（２３，２５）によって前記装置ケーシング（２）の前記開 口（２１）の壁（２８）から所定の間隔をおいて保持されている請求項１記載の 充填状態測定装置。
3. ３．前記空隙（３８）は、１ｍｍまたはそれ以下のギャップ幅を有する 請求項１記載の充填状態測定装置。
4. ４．前記空隙（３８）は、軸線方向において、少なくとも、前記圧電結晶（３１ ）の套面および前記整合層（３３）並びに前記減衰層（３５）の部分に沿って延 在している 請求項１および３記載の充填状態測定装置。
5. ５．前記装置ケーシング（２）は、所定の直径の軸線方向に延在する部分（２８ ）を有し、該部分によって、前記変換器ケーシング（３）の套面（３７）ととも に前記空隙（３８）が形成されている請求項１，３および４記載の充填状態測定 装置。
6. ６．前記装置ケーシング（２）に、前記開口（２１）を取リ囲んでいる、前記フ レキシブルなパッキンリング（２３，２５）を収容するための溝（２２，２４） が成形されている 請求項２記載の充填状態測定装置。
7. ７．前記変換器ケーシング（３）の套面（３７）の、前記振動板（３２）とは反 対側に、環状的に配置された位置決めぼね（３６）が成形されている請求項２記 載の充填状態測定装置。
8. ８．前記ケーシング（２）は、位置決め溝（２６）を有しておリ、該位置決め溝 に前記変換器ケーシング（３）の位置決めばね（３６）が係合され、かつ該位置 決めばねは前記位置決め溝（２６）の肩状部（２７）に支持される 請求項２および７記載の充填状態測定装置。
9. ９．前記装置ケーシング（２）の前記肩状部（２７）と前記変換器ケーシング（ ３）の前記振動板（３２）との間の軸線方向の間隔が、半径方向に延在する、リ ング状の空隙（３９）を形成する 請求項２記載の充填状態測定装置。
10. １０．前記変換器ケーシング（３）の前記振動板（３２）は、半径方向において 部分的に前記套面（３７）を介して延在しておりかつ音波放射とは反対側におい て、半径方向に延在する空隙（３９）のリング状の壁（５５）を形成している 請求項９記載の充填状態測定装置。
11. １１．前記半径方向に延在する空隙（３９）は、前記装置ケーシング（２）の端 面および前記振動板（３２）のリング状の裏面（５５）によって形成されている 請求項９記載の充填状態測定装置。
12. １２．前記空隙（３９）は、０．２ｍｍまたはそれ以下の厚さを有している 請求項１０記載の充填状態測定装置。
13. １３．前記変換器ケーシング（３）は、前記空隙（３８，３９）によって、少な くとも、前記圧電結晶（３１）の套面の領域において、前記装置ケーシング（２ ）から固体伝搬音が減結合されている請求項１から１２までのいずれか１項記載 の充填状態測定装置。
14. １４．前記装置ケーシング（２）並びに前記変換器ケーシング（３）は、射出成 形部品としてポリプロピレンから製造されている 請求項１記載の充填状態測定装置。