• 专利附录
  • 专利说明
  • 权利要求
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  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums, mit einem Piezowandler (1) mit mindestens einem ersten (2) und einem zweiten Segment (3), wobei die Segmente (2, 3) unterschiedliche Polarisation aufweisen, wobei der Piezowandler (1) Ultraschallsignale erzeugt bzw. empfängt. Die Erfindung sieht vor, dass ein erstes (6) und ein zweites elektrisches Potential (7) vorgesehen sind, wobei die beiden Potentiale (6, 7) unterschiedlich sind, dass eine Schalteranordnung mit Schaltern (S1, S2, S3, S4) vorgesehen ist, die mit dem ersten (6) und dem zweiten Potential (7) und dem Piezowandler (1) verbunden ist, dass mindestens eine Ansteuerlogik (20) vorgesehen ist, die die Schalteranordnung steuert, und dass die zwei Segmente (2, 3) des Piezowandlers (1) über die Schalteranordnung periodisch abwechselnd mit dem ersten (6) und mit dem zweiten Potential (7) verbunden sind. Weiterhin gibt die Erfindung auch eine alternative Ausgestaltung an.
    公开号:DE102004020895A1
    申请号:DE200410020895
    申请日:2004-04-28
    公开日:2005-11-17
    发明作者:Roland Grozinger；Klaus Ruf
    申请人:Endress and Hauser SE and Co KG；
    IPC主号:G01C3-00
    专利说明:
    [0001] DieErfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachungdes Füllstandeseines Mediums, mit einem Piezowandler mit mindestens einem erstenund einem zweiten Segment, wobei die Segmente unterschiedliche Polarisationaufweisen, wobei der Piezowandler Ultraschallsignale erzeugt bzw.empfängt.Aus der Laufzeit der abgestrahlten und empfangenen Ultraschallsignalewird beispielsweise der Füllstandberechnet.
    [0002] DerFüllstandeines Mediums in einem Tank lässtsich z.B. messen, indem von einem Sensor Ultraschall-Impulse ausgesandtund nach der Reflexion an der Oberfläche des Mediums wieder vomSensor erfasst werden. Die benötigteLaufzeit ist ein Maß für den zurückgelegtenWeg im leeren Tankteil. Dieser Wert wird von der gesamten Tankhöhe abgezogen undman erhältdaraus den Füllstand.Entsprechende Messgeräte/Sensorenwerden von der Anmelderin unter der Bezeichnung „Prosonic" hergestellt und vertrieben. Für die Erzeugungder Ultraschall-Impulse wird ein Piezowandler – also ein piezoelektrisches Elementmit mindestens zwei einander im Wesentlichen gegenüberliegenderSeiten oder Segmenten, die unterschiedlich polarisiert sind – mit einerWechselspannung zu Schwingungen angeregt. Die Wechselspannung ergibtsich z.B. überdie Ansteuerung der Primärwicklungeneines Übertragersmit einer Gleichspannung. Problematisch an dieser Ausgestaltungist, dass hierfürmeist ein schwerer, großvolumigerund fürdie erforderliche Impulsleistung dimensionierte Übertrager erforderlich ist.
    [0003] Daherbesteht die Aufgabe der Erfindung darin, den Piezowandler einesMessgerätsmit einem möglichsteinfachen Aufbau anzusteuern, der vor allem keinen Übertragerbenötigt.
    [0004] DieErfindung löstdie Aufgabe in einer ersten Variante dadurch, dass ein erstes undein zweites elektrisches Potential vorgesehen sind, wobei die beidenPotentiale unterschiedlich sind, dass eine Schalteranordnung mitSchaltern vorgesehen ist, die mit dem ersten und dem zweiten Potentialund dem Piezowandler verbunden ist, dass mindestens eine Ansteuerlogikvorgesehen ist, die die Schalteranordnung steuert, und dass diezwei Segmente des Piezowandlers überdie Schalteranordnung periodisch abwechselnd mit dem ersten undmit dem zweiten Potential verbunden sind. Die Idee der ersten Varianteist also, dass zwei unterschiedliche elektrische Potentiale vorgesehensind. Die Potentiale könnensich hinsichtlich ihres Betrages oder ihres Vorzeichens voneinanderunterscheiden. Durch die Schalteranordnung werden diese Potentialeabwechselnd mit den Segmenten – z.B.die Plus- und Minus-Seite – desPiezowandlers verbunden. Da die Potentiale unterschiedlich sind,liegt also am Piezowandler jeweils eine Potentialdifferenz an. Durchdas Umschalten der Schalteranordnung liegt diese Potentialdifferenzjeweils in unterschiedlicher Richtung an, wodurch sich eine Wechselspannungfür denPiezowandler ergibt. Dadurch kontrahiert und expandiert der Piezowandleralternierend. Diese Lösungsvariantebenötigtalso nur zwei unterschiedliche Potentiale und ein Übertragerist nicht erforderlich.
    [0005] EineAusgestaltung der ersten erfindungsgemäßen Variante sieht vor, dasses sich bei dem ersten elektrischen Potential um einen aufgeladenen Kondensatoroder um eine Gleichspannungsquelle handelt. Der Kondensator istvorzugsweise übereine Spannungsquelle auf eine Spannung U1 aufgeladen. Ein solcherKondensator ist auch deshalb vorteilhaft, weil er die Impulsleistungspeichern kann. Solche Kondensatoren werden zu diesem Zweck meistauch bei einer Endstufe zur Ansteuerung eines Piezowandlers nachdem Stand der Technik verwendet. Ist ein Kondensator auf eine SpannungU1 aufgeladen oder ist eine Gleichspannungsquelle mit einer SpannungU1 gegeben, so ergibt sich effektiv für den Piezowandler die Ansteuerungdurch eine Wechselspannung, deren Amplitude der Spannung U1 entspricht.Die Spannungsquelle zur Aufladung des Kondensators weist vorteilhafterweiseeine höhere Spannungauf, so dass die Kapazitätdes Kondensators wesentlich kleiner gewählt werden kann, da die Spannungbekanntermaßenquadratisch eingeht. Die Ansteuerung muss dabei so ausgelegt sein,dass die Schalter eine hohe Spannung gegen ein hohes Potential schaltenkönnen.
    [0006] EineAusgestaltung der ersten Variante beinhaltet, dass die Schalteranordnungmindestens einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einenvierten Schalter aufweist, dass der erste und der dritte Schalterim geschlossenen Zustand den Piezowandler mit dem ersten Potentialverbinden, dass der zweite und der vierte Schalter im geschlossenenZustand den Piezowandler mit dem zweiten Potential verbinden, unddass die Ansteuerlogik den ersten und den vierten Schalter bzw.den zweiten und den dritten Schalter jeweils gleichzeitig schließt bzw. öffnet. Diesist eine spezielle Ausgestaltung, in welcher 4 Schalter benötigt werden.Jeweils zwei Schalter stellen abwechselnd jeweils den Kontakt zueinem der beiden Potentiale her. Für die Ansteuerung werden dannjeweils ein Schalter fürdas erste Potential und ein Schalter für das zweite Potential gleichzeitiggeschaltet.
    [0007] DieErfindung löstdie Aufgabe mit einer zweiten Variante dadurch, dass ein erstes,ein zweites und ein drittes elektrisches Potential vorgesehen sind,dass das erste Potential größer alsdas zweite Potential ist, dass das dritte Potential kleiner alsdas zweite Potential ist, dass das erste Segment des Piezowandlersmit dem zweiten Potential verbunden ist, dass mindestens eine Schalteranordnungmit Schaltern vorgesehen ist, die mit dem ersten und dem drittenPotential und dem zweiten Segment des Piezowandler verbunden ist,dass mindestens eine Ansteuerlogik vorgesehen ist, die die Schalteranordnungsteuert, und dass das zweite Segment des Piezowandlers über dieSchalteranordnung periodisch abwechselnd mit dem ersten und demdritten Potential verbunden ist. In dieser zweiten Variante ergibt sichdie Wechselspannung am Piezowandler also dadurch, dass ein Segmentmit einem Potential verbunden ist und dass das zweite Segment alternierendmit einem höherenund einem niedrigeren Potential verbunden wird. Somit hatte diePotentialdifferenz abwechselnd eine andere Richtung und eine Wechselspannungergibt sich.
    [0008] EineAusgestaltung der zweiten Variante sieht vor, dass es sich bei demersten und dem dritten elektrischen Potential jeweils um einen aufgeladenen Kondensatoroder um eine Gleichspannungsquelle handelt. Dies ist eine entsprechendeAusgestaltung wie bei der ersten Variante. Es kann auch eine Kombinationaus Kondensator und Spannungsquelle vorgesehen sein.
    [0009] EineAusgestaltung, die sich auf die erste und die zweite Variante bezieht,sieht vor, dass es sich bei dem zweiten elektrischen Potential umein Massepotential handelt. Dies ist eine sehr einfache Ausgestaltungund lässtsich beispielsweise durch eine Verbindung mit dem geerdeten Gehäuse der Messvorrichtungrealisieren.
    [0010] DieErfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Eszeigt:
    [0011] 1: ein schematisches Schaltbild zur Ansteuerungeines Piezowandlers gemäß dem Stand derTechnik;
    [0012] 2:ein schematisches Schaltbild der ersten erfindungsgemäßen Variante;und
    [0013] 3:ein schematisches Schaltbild der zweiten erfindungsgemäßen Variante.
    [0014] 1 zeigt den Aufbau einer sog. Endstufe zurAnsteuerung eines Piezowandlers. Die Primärwicklungen N1 und N2 des Übertragers 30 – hier ein Transformator – werden über dieSchalter S1 und S2 abwechselnd gegensinnig für die Dauer der Erregung andie Gleichspannungsquelle 25 mit der Spannung U1 geschaltet.Auf diese Art entsteht in der Sekundärwicklung N3 des Übertragers 30 unterder Voraussetzung, dass N1 = N2 ist, eine Wechselspannung mit derAmplitude U1·ü mit dem Übersetzungsverhältnis ü = N3/N1.Der Kondensator 10 dient der Speicherung der Impulsleistung.Vorteilig an diesem Stand der Technik ist zunächst die einfache Schaltungsanordnung.Beide Schalter S1 und S2 schalten relativ kleine Spannungen gegenMasse, so dass auch die Ansteuerung durch die Ansteuerlogik 20 sehreinfach ist. Weiterhin ist eine galvanische Trennung der Ausgangsspannung – Seitedes Piezowandlers 1 – vonder Eingangsspannung gegeben. Auch kann die Ausgangsspannung über das Übersetzungsverhältnis ü an dieSpannungsquelle 25 angepasst werden. Der große Nachteilist jedoch, dass ein schwerer, großvolumiger und auf die Impulsleistungdimensionierter Übertrager 30 notwendigist. Dies gilt besonders fürniedrige Anregungsfrequenzen des Piezowandlers 1.
    [0015] Inder 2 ist die erste erfindungsgemäße Variante dargestellt. Imgezeigten Fall sind alle vier Schalter S1, S2, S3 und S4 der Schalteranordnung geöffnet. SolcheSchalter lassen sich beispielsweise durch entsprechende Transistorenrealisieren. Im Betrieb sind die Schalter paarweise geschlossenbzw. geöffnet.Die Schalter S1 und S4 werden gleichzeitig und abwechselnd zu S2und S3 durch die Ansteuerlogik 20 für die Dauer der Erregung geschlossen.Bei der Ansteuerlogik 20 handelt es sich beispielsweise umeinen Mikroprozessor oder um eine entsprechend ausgestaltete diskretedigitale Elektronik. Durch die abwechselnde Verbindung des Piezowandlers 1 – bzw. derSegmente mit negativer und positiver Polarisation – mit demKondensator 10 – alsodas erste elektrische Potential 6 – und dem Massepotential 15 – also daszweite Potential 7 – entstehtam Piezowandler 1 eine Wechselspannung, deren Amplitudeder Spannung U1 des Kondensators 10 bzw. der Gleichspannungsquelle 25 entspricht. DerKondensator 10 dient auch hier der Speicherung der Impulsleistung.Der großeVorteil ist, dass kein Übertragerbenötigtwird, somit kann diese Endstufe kleiner dimensioniert werden.
    [0016] Weiterhinkann durch eine höhereSpannung U1 der Spannungsquelle 25 die Kapazität des Kondensators 10 wesentlichkleiner ausfallen, weil die Spannung quadratisch eingeht. Die SchalterS1 und S3 schalten jeweils eine hohe Spannung gegen ein hohes Potential.Dementsprechend sind die Schalter S1 und S3 und ist die Ansteuerungdurch die Ansteuerlogik 20 auszugestalten.
    [0017] Inder 3 ist die zweite erfindungsgemäße Variante dargestellt. Hierwerden die Schalter S1 und S2 abwechselnd für die Dauer der Erregung geschlossenbzw. geöffnet.Das erste Segment 2 des Piezowandlers 1 ist mitdem Massepotential 15 – das zweitePotential 6 also – verbunden.Das dritte Potential 7 ist realisiert durch die Kondensatoren 10,die von den Spannungsquellen 25 auf die Spannungen U1 undU2 aufgeladen sind. Dabei gilt, dass U1 > 0 > U2,da das zweite Potential 6 Masse ist. Durch die Verbindungmit dem ersten 5 und dem dritten Potential 7 entsteht amPiezowandler 1 eine Wechselspannung, deren Amplitude gleichU1 ist, in dem Fall, dass |U1| = |U2| ist. Die Kondensatoren 10 dienen wiederder Speicherung der Impulsleistung.
    1 Piezowandler 2,3 Segmentdes Piezowandlers 6 Ersteselektrisches Potential 7 Zweiteselektrisches Potential 8 Dritteselektrisches Potential 10 Kondensator 15 Massepotential 20 Ansteuerlogik 25 Gleichspannungsquelle 30 Übertrager S1,S2, S3, S4 Schalter
    权利要求:
    Claims (6)
    [1] Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachungdes Füllstandeseines Mediums, mit einem Piezowandler (1) mit mindestenseinem ersten (2) und einem zweiten Segment (3), wobeidie Segmente (2, 3) unterschiedliche Polarisationaufweisen, wobei der Piezowandler (1) Ultraschallsignaleerzeugt bzw. empfängt, dadurchgekennzeichnet, dass ein erstes (6) und ein zweiteselektrisches Potential (7) vorgesehen sind, wobei die beidenPotentiale (6, 7) unterschiedlich sind, dasseine Schalteranordnung mit Schaltern (S1, S2, S3, S4) vorgesehenist, die mit dem ersten (6) und dem zweiten Potential (7)und dem Piezowandler (1) verbunden ist, dass mindestenseine Ansteuerlogik (20) vorgesehen ist, die die Schalteranordnungsteuert, und dass die zwei Segmente (2, 3)des Piezowandlers (1) überdie Schalteranordnung periodisch abwechselnd mit dem ersten (6)und mit dem zweiten Potential (7) verbunden sind.
    [2] Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass es sich bei dem ersten elektrischen Potential (6)um einen aufgeladenen Kondensator (10) oder um eine Gleichspannungsquelle(25) handelt.
    [3] Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dassdie Schalteranordnung mindestens einen ersten (S1), einen zweiten(S2), einen dritten (S3) und einen vierten Schalter (S4) aufweist, dassder erste (S1) und der dritte Schalter (S3) im geschlossenen Zustandden Piezowandler (1) mit dem ersten Potential (6)verbinden, dass der zweite (S2) und der vierte Schalter (S4)im geschlossenen Zustand den Piezowandler (1) mit dem zweitenPotential (7) verbinden, und dass die Ansteuerlogikden ersten (S1) und den vierten Schalter (S4) bzw. den zweiten (S2)und den dritten Schalter (S3) jeweils gleichzeitig schließt bzw. öffnet.
    [4] Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachungdes Füllstandeseines Mediums, mit einem Piezowandler (1) mit mindestenseinem ersten (2) und einem zweiten Segment (3), wobeidie Segmente (2, 3) unterschiedliche Polarisationaufweisen, wobei der Piezowandler (1) Ultraschallsignaleerzeugt bzw. empfängt dadurchgekennzeichnet, dass ein erstes (6), ein zweites (7)und ein drittes elektrisches Potential (8) vorgesehen sind,dass das erste Potential (6) größer als das zweite Potential(7) ist, dass das dritte Potential (8) kleinerals das zweite Potential (7) ist, dass das erste Segment(2) des Piezowandlers (1) mit dem zweiten Potential(7) verbunden ist, dass mindestens eine Schalteranordnungmit Schaltern (S1, S2) vorgesehen ist, die mit dem ersten (6) unddem dritten Potential (8) und dem zweiten Segment (3)des Piezowandler (1) verbunden ist, dass mindestenseine Ansteuerlogik (20) vorgesehen ist, die die Schalteranordnungsteuert, und dass das zweite Segment (3) des Piezowandlers(1) überdie Schalteranordnung periodisch abwechselnd mit dem ersten (6)und dem dritten Potential (8) verbunden ist.
    [5] Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dasses sich bei dem ersten (6) und dem dritten elektrischenPotential (8) jeweils um einen aufgeladenen Kondensator(10) oder um eine Gleichspannungsquelle (25) handelt.
    [6] Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet,dass es sich bei dem zweiten elektrischen Potential (7)um ein Massepotential (15) handelt.
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    DE102004020895B4|2012-05-24|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-11-17| OM8| Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law|
    2006-10-05| 8110| Request for examination paragraph 44|
    2011-10-06| R016| Response to examination communication|
    2011-10-10| R016| Response to examination communication|
    2011-10-17| R016| Response to examination communication|
    2011-10-26| R016| Response to examination communication|
    2011-12-07| R018| Grant decision by examination section/examining division|
    2012-11-29| R020| Patent grant now final|Effective date: 20120825 |
    2018-03-07| R081| Change of applicant/patentee|Owner name: ENDRESS+HAUSER SE+CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: ENDRESS + HAUSER GMBH + CO. KG, 79689 MAULBURG, DE |
    2018-03-07| R082| Change of representative|Representative=s name: ANDRES, ANGELIKA, DE Representative=s name: ANDRES, ANGELIKA, DIPL.-PHYS., DE |
    2019-01-02| R082| Change of representative|Representative=s name: ANDRES, ANGELIKA, DIPL.-PHYS., DE |
    2019-11-01| R119| Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    DE200410020895|DE102004020895B4|2004-04-28|2004-04-28|Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums|DE200410020895| DE102004020895B4|2004-04-28|2004-04-28|Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums|
    PCT/EP2005/051951| WO2005106390A2|2004-04-28|2005-04-28|Vorrichtung zur bestimmung und/oder überwachung des füllstandes eines mediums|
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