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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik [S] kleiner kombinierter Ultraschallsender/empfänger für Flüssigkeitsmessung bis 30cm gesucht


Autor: Björn G. (tueftler)
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Hallo.

Ich bin momentan auf der Suche nach einem kombinierten 
Ultraschallsender/Empfänger mit einem möglichst kleinen Gehäuse.

Das ganze soll einen Füllstand detektieren der ca. 2cm - 30cm entfernt 
ist.
Genauigkeit ist eher Nebensache.
Ich kann leider keinen Schwimmer verbauen, da die Behälter nicht 
beschädigt werden dürfen und auch ab und an schräg eingebaut werden.

Die eigentliche Auswertung der zeitlichen Verzögerung und somit des 
Abstandes würde eine kleine Elektronik von mir übernehmen.

Leider konnte ich im Web, wie auch hier im Forum 1. nur relativ Große 
Sensoren finden, 2. keine kombinierten in einem Gehäuse.

Kann mir hierbei evtl. jemand einen Lieferanten ans Herz legen?

Viele Grüße
Björn

Autor: Christian R. (supachris)
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Kombinierte gibts aus dem Auto-Bereich, für die Rückfahrsensoren. Das 
Problem ist aber: Für 2cm kannst du die nicht benutzen, denn diese 
Piezos haben bei den großen Abmessungen und niedrigen 
Anregungsfrequenzen ein sehr langsames Abkling-Verhalten. Das heißt, 
wenn dein erstes Echo von der Gegenfläche eintritt, schwingt der Piezo 
immer noch vom Sendeimpuls nach, und du kannst nix messen. Mit den 40kHz 
Teilen und Sender/Empfänger als ein Schwinger kannst du sinnvoll erst ab 
20...30cm messen. Achja, und dann Temperatur-Sensor nicht vergessen, die 
Schallgeschwindigkeit in Luft ist ziemlich temperaturabhängig, was 
gerade bei so kurzen Strecken dann einen großen Fehler bringt, wenn man 
das nicht beachtet.

Autor: Björn G. (tueftler)
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Hi Christian.

Danke für den Tip mit dem Temperaturdrift - hier wäre ich bestimmt beim 
ersten Prototypen drauf rein gefallen :-)

Es könnten auch zwei getrennte US-Bauteile sein, die aber in den 
Abmessungen noch zu ertragen sind.
Sie müssen halt beide in ein Loch von max. 5cm Durchmesser hinein 
passen.

Hmm, Reflexlichtschranke wird wohl bei durchsichtigen Flüssigkeiten auch 
ausfallen...

Viele Grüsse
Björn

Autor: STK500-Besitzer (Gast)
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>Hmm, Reflexlichtschranke wird wohl bei durchsichtigen Flüssigkeiten auch
>ausfallen...

Manches "Licht" kannst du nicht sehen, wird aber von "klaren", 
"durchsichtigen" Flüssigkeiten reflektiert...

Autor: Michael K. (mmike)
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Wie ists mit dem hier:

http://www.roboter-teile.de/Shop/themes/kategorie/...

der misst aber erst ab 4 cm ...

Grüße,
Michael

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo,

> Ich bin momentan auf der Suche nach einem kombinierten
> Ultraschallsender/Empfänger mit einem möglichst kleinen Gehäuse.
Solche Ultraschallsender arbeiten in der Regel im Frequenzbereich 
zwischen 1-10 MHz. Eine Kombination aus zwei Wandlern ist nicht 
notwendig. Du kannst einen einzigen Wandler nehmen und ihn im 
Puls-Echo-Betrieb betreiben.

Ich kenne beruflich mehreren Firmen, die solche Wandler herstellen, 
wobei einige auch kleinere Wandler bauen (Länge nur wenige cm).
Die Schwingerfläche selbst richtet sich danach, wie das Schallfeld 
aussehen soll. Für Deine Anwendung kannst Du aber einen Standardwandler 
nehmen (z. B. 4 MHz/5mm Schwingerdurchmesser; bei Interesse zeige ich 
Dir mal das Schallfeld, das sich ergibt).

Wenn Du daran interessiert bist, suche ich Dir am Montag auch die 
Kontaktdaten von geeigneten Firmen raus. Allerdings muß ich Dir 
dazusagen, daß die Preise üblicherweise jenseits der 300€ liegen.

Alternativen wären folgende:
a) Du baust einen Ultraschallwandler aus einem Baby-Dopplergerät aus dem 
Chinaimport aus

Kostenpunkt: etwa 30€. Der Wandler ist relativ schmalbandig, da er für 
kontinuierlichen Doppler ausgelegt ist, d. h. er schwingt relativ lange 
nach, wahrscheinlich geht er aber für 2cm noch ohne Probleme. Ich hatte 
mal so ein Gerät in der Hand. 3MHz hatte das. In Wasser beträgt die 
Wellenlänge lambda=c/f=1500/3E6=0.5mm. Da darf der Wandler schon ein 
paar Perioden nachschwingen, bis es bei 2cm kritisch wird.

Die Anpaßschicht ist auf Wasser ausgelegt, d. h. Du wirst schon beim 
Übergang Gefäß--Flüssigkeit eine große Reflexion bekommen. Für das 
Oberflächenecho sollte es trotzdem ausreichen. Das ist ja sehr groß.

b) Du versuchst mal, ob es nicht ausreicht, wenn Du ein PZT- oder sogar 
PVDF-Scheibchen auf die Wand aufzukleben und elektrisch mit einem Puls 
anzuregen. Sicherlich geht auch ein Plättchen mit Kompositmaterial.

Nachteil: Der Wandler hat keine guten Meßeigenschaften, insbesondere ein 
langes Nachschwingen, weil Du ihn falsch anpaßt und rückwärtig nicht 
bedämpfst. Dafür ist das Verfahren aber billig und funktioniert für 
Deine Anwendung wahrscheinlich sogar noch halbwegs.

> Das ganze soll einen Füllstand detektieren der ca. 2cm - 30cm entfernt
> ist.
> Genauigkeit ist eher Nebensache.
> Ich kann leider keinen Schwimmer verbauen, da die Behälter nicht
> beschädigt werden dürfen und auch ab und an schräg eingebaut werden.
Die Entfernung ist kein Problem. Aber Du hast ein anderes Problem:
Bei einem schrägen Einbau ist die Flüssigkeitsoberfläche schräg und 
reflektiert den Schall zur Seite weg. Dann kommt kein Schall mehr 
zurück.


Gruß,
  Michael


PS: Jetzt versteh ich Deine Anfrage erst. Du willst den Laufweg des 
Schalls in der Luft nehmen. Ich habe angenommen, daß Du den Schall durch 
die Flüssigkeit schickst. Um welche geht es denn?
In der Flüssigkeit sind die Wellenlängen deutlich kleiner, da hast Du 
weniger Probleme mit Nachschwingen und größere Genauigkeiten.

Autor: Ulrich (Gast)
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Viel Ultraschallwadler für Luft kommen mit viel Feuchtigkeit oder gar 
Kondensation nicht gut klar. Je nach Flüssigkeit kann das ein echtes 
Problem werden und Ultraschall fast ausschließen.

Autor: Björn G. (tueftler)
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So, jetzt muß ich aber wirklich umbedingt mal antworten!
Sorry, für die Verspätung - mußte über das Wochenende sehr viel 
erledigen.

Aber nu :-)

@STK500-Besitzer:
Welche Wellenlänge meinst Du denn genau?
Habe schon in ein paar Beiträgen gelesen, dass scheinbar 
Infrarotsensoren hier ganz gut anschlagen könnten.

@Michael K.:
Der Sensor sieht doch schon recht vielversprechend aus.
Habe im Internet noch ein wenig rum gesucht und konnte ihn für £25.50 
finden (Ohne Transport/VAT).
4cm wären auch noch I.O.

@Michael Lenz :
Vielen vielen Dank für die ausführliche Erklärung!
Als Du geschrieben hattest, dass sich die von Dir angesprochenen Wandler 
in Preisregionen >300€ bewegen war ich jedoch leicht geschockt.
Ich möchte zwar ein Projekt damit betreiben aber für nur den Sensor so 
viel Geld aus zu geben ist ein wenig hart :-(
Die Sache mit den Chinageräten ist für ein Einzelstück eine gute Idee, 
jedoch möchte ich davon ja ein paar verkaufen ;-)
Vielleicht probiere ich es trotzdem mal aus Spaß daran - würde mich ja 
schon einmal interessieren...
Mit der Schräglage hast Du natürlich recht - hier werde ich auch mit 
optischen Sensoren warscheinlich nicht allzu weit kommen...
Die Flüssigkeit ist eine Art Glycerin.

Ulrich:
Auch vielen Dank an dich für den Denkanstoss.
Leider ist mit deinem Post höchstwarscheinlich meine Idee mit US schon 
in den Müll gepurzelt.
Da dort recht warme Temperaturen herrschen wird es relativ viel 
Kondensation geben.

Ich denke hier wäre ein optischer Sensor besser.
Wenn es nicht mit einer Neigung funktionieren sollte, muß ich mir halt 
ausdenken, wie ich es anstelle, dass die Behälter immer gerade betrieben 
werden müssen.

Hat jemand Erfahrungen sammeln können, in wie weit man mit optischen 
Sensoren durchsichtige Flüssigkeiten detektieren kann?

Schönen Abend noch
Björn

Autor: STK500-Besitzer (Gast)
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>@STK500-Besitzer:
>Welche Wellenlänge meinst Du denn genau?
>Habe schon in ein paar Beiträgen gelesen, dass scheinbar
>Infrarotsensoren hier ganz gut anschlagen könnten.

Ich weiß ja nicht, um welche Flüssigkeiten es geht, aber manche sind 
halt für ein "nichtsichtbare" Spektrum undurchlässig und reflektieren 
"Licht".
Irgendwo müßte man ja herausfinden, in welchem Wellenbereich deine 
Flüssigkeiten reflektieren oder absorbieren.

Autor: Björn G. (tueftler)
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Hi.

Es ist eine Art Glycerin.

Autor: Ulrich (Gast)
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Ein gute Methode zur Füllstandsmessung ist eine kapazitive Messung.

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo,

> Als Du geschrieben hattest, dass sich die von Dir angesprochenen Wandler
> in Preisregionen >300€ bewegen war ich jedoch leicht geschockt.
Das sind Meßwandler, die für präzise Messungen (z. B. Erkennung von 
Lufteinschlüssen in Stahl, Fließgeschwindigkeiten in Flüssigkeiten u. 
a.) hergestellt werden. Dort hat man natürlich höhere Ansprüche als bei 
einer  Entfernungsmessung. Das Piezomaterial ist vergleichsweise günstig 
zu bekommen, z. B. bei der Firma PI Keramik
http://www.piceramic.com/deutsch/index.html

In Dresden gibt es auch die Firma Smart Material. Das ist ein 
Kompositmaterial (Piezostäbchen in Kunstoff eingegossen), d. h. deutlich 
flexibler, aber temperaturempfindlicher.

> Ich möchte zwar ein Projekt damit betreiben aber für nur den Sensor so
> viel Geld aus zu geben ist ein wenig hart :-(
> Die Sache mit den Chinageräten ist für ein Einzelstück eine gute Idee,
> jedoch möchte ich davon ja ein paar verkaufen ;-)
> Vielleicht probiere ich es trotzdem mal aus Spaß daran - würde mich ja
> schon einmal interessieren...
Meistens hat man ja dafür keine Zeit ;-)
Wenn's mit dem Chinagerät geht, kannst Du überlegen, ob Du nicht einfach 
eine kleine PZT-Scheibe auf das Gefäß aufklebst. Für Deine Zwecke ist 
die Impedanzanpassung vielleicht nicht so wichtig. Das PZT ist 
vergleichsweise günstig. PVDF ist nicht so empfindlich, aber noch 
billiger.


Gruß,
  Michael

Autor: Björn G. (tueftler)
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Hallo.

@Ulrich:
Da habe ich mich gerade einmal ein wenig eingelesen.
Scheint ja mit einer einfachen isolierten doppeladrigen Litze und 10kHz 
zu funktionieren.
Der Vorteil wären natürlich die geringen Kosten, wie auch der 
"automatische" ""Neigungskompensator"" für die Messung des schrägen 
Tanks...

@Michael:
Das mit der PZT-Scheibe ist eine interessante Sache.
Ich muß mal bei den Firmen anfragen, wobei ich denke, dass es wirklich 
Probleme geben wird, wenn der Tank schräg hängt (was bis zu einem Winkel 
von ca. 30° schon möglich ist).
Der Sensor muß sowieso nachdem der leere Tank an seiner Position ist, 
kalibriert werden...
Meinst Du, das es trotz Neigung mit einer PZT-Scheibe funktionieen 
könnte?
Warscheinlich eher weniger oder?

Was noch eine Möglichkeit wäre, einen Durchflussmesser in den 
Ablaufschlauch einzubinden.
Hier fliesst aber extrem wenig Flüssigkeit durch.
Bin mir nicht sicher, ob es für die Strömung einen passenden Sensor 
gibt.
Würde natürlich die Probleme mit Luftfeuchtigkeit, Temperatur und 
schrägen einhängen des Behälers eliminieren.

Muß mich mal kundig machen...

Gruß und vielen Dank fürs mit Denken :-)
Björn

Autor: Gast (Gast)
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In der neuen Elektor ist eine kapazitive Füllstandsmessung beschrieben.

Autor: Björn G. (tueftler)
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Supi.
Danke für den Tip!

Gleich mal nachschauen...

Björn

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