DE1269380B - Fuehler fuer die Indikation des Fluessigkeitsstandes durch Ultraschall - Google Patents

Fuehler fuer die Indikation des Fluessigkeitsstandes durch Ultraschall

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DE1269380B
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ultrasonic waves
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DE19651269380
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Ladislav Haniger
Jaroslav Obraz
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PLZEN NARODNI PODNIK
ZD Y V I
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PLZEN NARODNI PODNIK
ZD Y V I
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/296Acoustic waves
    • G01F23/2962Measuring transit time of reflected waves

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  • Fluid Mechanics (AREA)
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  • Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)

Description

  • Fühler für die Indikation des Flüssigkeitsstandes durch Ultraschall Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fühler für die Indikation des Flüssigkeitsstandes durch Ultraschall, der im wesentlichen aus einer senkrecht in die Flüssigkeit tauchenden Meßstange von geglätteter Oberfläche mit einem am oberen Ende dieser angebrachten Ultraschallgeber für die Einführung von Oberflächen-Ultraschallwellen in die Meßstange und von Ultraschallwellen in die zu messende Flüssigkeit sowie einem als Reflektor dienenden Schwimmer besteht.
  • Bisher hat man die Ultraschallwellen-Sonde- und -Empfängersonde am Gefäßboden angeordnet. Die Ultraschallwellen verlaufen hierbei senkrecht zum Flüssigkeitsspiegel und werden von diesem bzw. von einer mit dem Flüssigkeitsspiegel parallelen Fläche reflektiert und kehren auf diesem Weg zurück.
  • Dieses einfache Meßverfahren des Flüssigkeitsstandes in Gefäßen hat den Nachteil, daß man die Ultraschallsonde nicht immer am Boden anbringen kann.
  • Dies ist z. B. bei aggressiven Stoffen der chemischen Industrie oder in Atomkern einrichtungen der Fall, wo die Ultraschallsonden durch Einwirkungen der Umgebung beeinflußt bzw. beschädigt werden.
  • Den Ultraschallgeber kann man oberhalb des Flüssigkeitsspiegels anordnen. Diesen nun mit dem gemessenen Flüssigkeitsstand zu verbinden ist mit Hilfe einer zwischen dem Ultraschallgeber und dem Flüssigkeitsspiegel angeordneten Gassäule möglich.
  • Dies kann man praktisch nur mit einer akustischen Frequenz durchführen, bei der die Ultraschallwellendämpfung nicht allzu groß ist.
  • Für den akustischen Druck gilt px = const . e-2af2x x wo x die Entfernung, f die Frequenz, a den Dämpfungskoeffizienten darstellt. Zum Beispiel für CO2 a = 200 10-" Np/m/lHz, für die Entfernung x 1 m und das Sinken des akustischen Druckes auf 30 O/o wird f = 16 kHz.
  • Daraus folgt, daß man für eine Entfernung, die größer als lm ist, akustische Frequenz verwenden muß. Dies hat jedoch einen großen Nachteil in der Störungsmöglichkeit durch umgebenden Lärm. Die Gassäule durch Annäherung des Ultraschallgebers an den Flüssigkeitsspiegel zu kürzen, ist z. B. bei Kernspaltungseinrichtungen und überall dort, wo ein größeres Schwanken des Flüssigkeitsspiegels in dem Grenzbereich einiger Meter eintritt, in der Regel nicht möglich. Sobald an dem zu messenden Flüssigkeitsspiegel eine Schaumbildung eintritt, ist es notwendig, eine mit der Spiegelfläche parallele Reflexionsfläche zu verwenden, damit der Reflexkoeffizient der Schallwelle genügend groß ist.
  • Gegenstand eines älteren Patents ist eine Einrichtung zur kontinuierlichen Messung des Füllstandes flüssiger Stoffe in Behältern mittels Schallwellen durch die Anwendung longitudinaler Ultraschallwellenimpulse, die am oberen Ende des Schalleiters durch einen Geber erzeugt und an der Flüssigkeitsoberfläche reflektiert werden und wobei deren Laufzeit ein Maß für den Füllstand darstellt. Die hiermit erzielte Reflexion ist jedoch nur gering. Man kann die Intensität der reflektierten Schallwelle durch einen am Schalleiter innig geführten Schwimmer erhöhen. Die innige Führung bringt jedoch Schwierigkeiten mit sich, welche sich nur geringfügig dadurch beheben lassen, daß der Schalleiter aus einem Material besteht, dessen elastische Eigenschaften praktisch unabhängig von Umgebungseinflüssen sind, z.
  • Elinvar.
  • Aus diesem Grund wurde auch schon vorgeschlagen, mittels sich an der Oberfläche einer Meßstange ausbreitender Oberflächen-Ultraschallwellen zu messen, wobei das untere Ende der Meßstange in die Flüssigkeit eingreift. Die eigentliche Ultraschallwellenquelle befindet sich außerhalb der Flüssigkeit an dem oberen Ende der Meßstange. Die Meßstange ist mit Oberflächenzeichen in Form von Teilstrichen versehen, an denen die Oberflächen-Ultraschallwellen reflektiert werden. Die Reflexion erfolgt an allen Teilstrichen, die sich außerhalb der Flüssigkeit befinden. Die Flüssigkeit dämpft die Oberflächen-Ultraschallwellen; aus diesem Grund kann man den Flüssigkeitsstand nach dem letzten Reflex festlegen, der von dem ersten Teilstrich oberhalb des Flüssigkeitsspiegels ausgeht.
  • Nachteilig bei diesem bekannten Verfahren ist die nicht kontinuierliche Indikation, deren Genauigkeit von der Teilstrichdichte abhängt, die ein Sinken der Ultraschallenergie mit der Entfernung bewirkt. Dieses Verfahren ist nicht nur der Diskontinuität und schwierigen Indikation wegen, sondern auch aus Gründen eines begrenzten Meßbereiches ungeeignet.
  • Die angeführten Nachteile werden durch die vorliegende Erfindung vermieden. Die Erfindung schafft die Möglichkeit einer einwandfreien Reflexion an einem Schwimmer, der in beliebiger Weise an dem Meßstab geführt sein kann.
  • Die Erfindung besteht darin, daß der Schwimmer unter dem Spiegel der Flüssigkeit eine Reflexionsfläche für die Reflexion der an der Flüssigkeitsgrenze in longitudinale Ultraschallwellen transformierten Oberflächen-Ultraschallwellen der Meßstange aufweist und daß die Reflexionsfläche zylindrisch oder kugelförmig gestaltet ist mit einer an der Flüssigkeitsgrenze liegenden Achse oder Krümmungsmitte.
  • Hiermit läßt sich eine einwandfreie Reflexion auch dann erzielen, wenn der Schwimmer die Meßstange nicht berührt. Die Erfindung beruht dabei auf dem bekannten Prinzip der Brechung und Transformation von Ultraschallwellen.
  • In vielen Fällen kann es zweckmäßig sein, noch eine zusätzliche Marke auf der Meßstange anzuordnen, um bei der Ultraschallabstandsbestiimung noch einen besonderen Bezugspunkt zu haben. Hierzu wird man zweckmäßig so vorgehen, daß die Meßstange oberhalb des höchstmöglichen Spiegels der Flüssigkeit mit einem als Oberflächenmarke dienenden Teilstrich versehen ist, welcher den Bezugspunkt für die Indikation der Höhe des Spiegels der Flüssigkeit bildet.
  • Ein praktisches Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist in der Zeichnung schematisch dargestellt. Es zeigt F i g. 1 die grundsätzliche Ausführung des Flüssigkeitsstandsmessers, F i g. 2 die Ausbreitung der Ultraschallwellen, wenn die Reflexionsfläche ebener Form mit der Ebene der Meßstange den Winkel ß einschließt, und F i g. 3 die Ausbreitung der Ultraschallwellen, wenn die Reflexionsfläche ebener Form mit der Ebene der Meßstange den Winkel ß/2 einschließt.
  • Wie aus F i g. 1 ersichtlich, greift die Meßstange 1 mit gut geglätteter Oberfläche in die Flüssigkeit 2 ein. Von der Sonde 3 breitet sich an der Oberfläche der Meßstange eine Oberflächen-Ultraschallwelle 6 aus. An der Grenze 7 des Flüssigkeitsspiegels 5 und der Meßstange 1 kommt es zu einer Transformation der Oberflächen-Ultraschallwelle 6 zu einer longitudinalen Ultraschallwelle 8, die sich in der Flüssigkeit 2 ausbreitet und die an der durch den Schwimmehr 9 getragenen Reflexionsfläche 4 reflektiert wird.
  • Hierauf kehrt sie auf demselben Weg nach erfolgter nochmaliger Transformation wieder in eine Oberflächen-Ultraschallwelle 6 in die Sonde 3 zurück.
  • In F i g. 2 ist die Ausbreitung der Ultrasohallwelien dargestellt. An der Grenze7, die durch Berührung der Meßstange und des Flüssigkeitsspiegels 5 gebildet wird, fällt unter einem Winkel os = 900, gemessen von der Senkrechten an der Flüssigkeitsgrenze 7, die sich in der Ebene des Flüssigkeitsspiegels 5 befindet, die Oberflächen-Ultraschallwelle 6 mit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit cp ein. Gemäß dem Snellius-Gesetz wird diese Oberflächen-Ultraschallwelle 6 gebrochen und breitet sich in der Flüssigkeit 2 als longitudinale Ultraschallwelle 8 unter einem Winkel ß mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit Ck aus.
  • Zwischen den Winkeln gilt die Beziehung sin oi c sin Ck woraus für den gegebenen Fall folgt: sinus = Cp Wenn in der Flüssigkeit 2 eine Reflexionsfläche ebener Form 4 a aufgestellt wird, die mit der Ebene der Meßstange 1 den Winkel p einschließt, dann wird die longitudinale Ultraschallwelle 8 auf demselben Weg zur Grenze 7 zurückgeworfen, wo sie erneut zu einer Oberflächen-Ultraschallwelle 6 transformiert wird, die entgengesetzte Richtung einschlägt. Wenn die Reflexionsfläche ebener Form 4 a mit der Ebene der Meßstange 1 den Winkel ß/2 einschließt, dann ist der Weg der longitudinalen Ultraschallwelle 8 komplizierter, wie Fig. 3 zeigt. Es kehrt jedoch wiederum die longitudinale Ultraschallwelle 8 zur Grenze 7 zurück und wird zur Oberflächen-Ultraschallwelle 6 transformiert.
  • Die praktische Durchführung ist prinzipiell auf der oben beschriebenen Ausbreitung der Ultraschallwellen gegründet, ist jedoch derart vervollkommnet, daß die Reflexionsfläche ebener Form 4a, die bei den Änderungen des Flüssigkeitsspiegels 5 dauernd den Winkel bzw. fl/2 einhalten mußte, durch die Reflexionsfläche 4 ersetzt wird, die den Teil einer Zylinder- oder Kugelfläche bildet, deren Achse bzw.
  • Krümmungsmitte sich gerade an der Grenze 7 befindet. Dies kann z. B. derart verwirklicht werden, daß die Reflexionsfläche 4 einen Teil des Schwimmers 9 bildet, der durch die Meßstange 1 geführt wird. Dieser Schwimmer 9 kann sehr leicht ausgeführt werden, da er keine Kraft für die Umstellung des Fühlers hergibt, was ansonsten den größten Nachteil bei Schwimmer - Flüssigkeitsstandmessern bildet. Bei Neigung des Flüssigkeitsspiegels 5 in bezug auf die Meßstange 1 ändert sich der Winkel und somit auch ß, was jedoch bei der zylinder- bzw. kugelförmigen Reflexionsfläche 4 keinen Nachteil für das Funktionieren des Ultraschall-Flüssigkeitstandmessers darstellt, da die Bahn der longitudinalen Ultraschallwelle 8 in der Flüssigkeit 2 stets die gleiche ist, und zwar bei jedem beliebigen Winkel or, außerdem fokussieren sich die Ultraschallwellen in der Mitte der Grenze 7.
  • Der gesamte Fühler kann in einem in eine Flüssigkeit eingetauchten Rohr gelagert werden, wobei die Meßstange entweder an jeder beliebigen Stelle im Inneren des Rohres angeordnet werden oder durch einen Teil der inneren Rohroberfläche gebildet werden kann.
  • Die Höhe des Flüssigkeitsspiegels 5 ist durch die Zeit t3 gegeben, die zum Durchgang von dem Ultraschallgeber 3 bis zur Reflexionsfläche 4 und zurück notwendig ist. Die Zeit t1 kann durch die Beziehung t1 ausgedrückt werden: 2lp 2r tl = zur Cp Ck Hierin bedeutet = = die Bahn der Oberflächen-Ultraschallwelle 6 an der Meßstange 1, Cp = Krümmungsradius der Abstoßfläche4 der Zylinder- oder Kugelform mit der an der Grenze 7 liegenden Mitte, Ck = Geschwindigkeit der Ausbreitung der longitudinalen Ultraschallwelle 8 in der Flüssigkeit.
  • Die eigentliche Höhe des Flüssigkeitsspiegels 5, bezogen z. B. auf die Lage des Ultraschallgebers, wird durch die Beziehung 2r = tl 2r Cp Ck 2 gegeben.
  • Die Zeit t kann z. B. an dem Bildschirm eines üblichen Ultraschall - Impulsdefektoskops auf die gleiche Art abgelesen werden wie bei der Messung der Tiefe der Undichte bei Feststellung innerer Werkstoffehler, oder die Höhe des Flüssigkeitsspiegels wird durch eine zu diesem Zweck besonders zusammengestellte elektronische Einrichtung indiziert.
  • In manchen Fällen, z. B. bei einer großen Länge der Meßstange 1, kann es vorteilhafter sein, nur einen Teil des Oberflächen-Ultraschallwellendurchgangs 6 zu messen, und zwar anstatt von dem Ultraschallgeber 3 von einer an der Meßstange 1 fest angeordneten Oberflächenmarke, dile z. B. durch den Teilstrich 10 gebildet wird, welcher senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Oberflächen-Ultraschallwelle 6 orientiert ist, die von derselben zurück in den Ultraschallgeber reflektiert wird.
  • Zweck der Erfindung ist es, einen verläßlichen Fühler für eine kontinuierliche und genaue Indikation des Flüssigkeitsspiegels auszubilden, insbesondere unter erschwerten Bedingungen, wie z. B. in einer radioaktiven Umgebung. Der Fühler ermöglicht es, jedwedes Einfluß einer schaumigen und unruhigen Flüssigkeitsoberfläche auszuschließen.

Claims (2)

  1. Patentansprüche: 1. Fühler für die Indikation des Flüssigkeitsstandes durch Ultraschall, der im wesentlichen aus einer senkrecht in die Flüssigkeit tauchenden Meßstange von geglätteter Oberfläche mit einem am oberen Ende dieser angebrachten Ultraschallgeber für die Einführung von Oberflächen-Ultraschallwellen in die Meßstange und von longitudinalen Ultraschallwellen in die zu messende Flüssigkeit sowie einem als Reflektor dienenden Schwimmer besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwimmer (9) unter dem Spiegel (5) der Flüssigkeit (2) eine Reflexionsfläche (4) für die Reflexion der an der Flüssigkeitsgrenze (7) in longitudinale Ultraschallwellen (8) transformierten Oberflächen-Uitraschallwellen der Meßstange (1) aufweist und daß die Reflexionsfläche (4) zylindrisch oder kugelförmig gestaltet ist mit einer an der Flüssigkeitsgrenze (7) liegenden Achse oder Krümmungsmitte.
  2. 2. Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstange (1) oberhalb des höchstmöglichen Spiegels (5) der Flüssigkeit (2) mit einem als Oberflächenmarke dienenden Teilstrich (10) versehen ist, welcher den Bezugspunkt für die Indikation der Höhe des Spiegels (5) der Flüssigkeit (2) bildet.
    In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 1 205 305.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP1748285A1 (de) * 2005-07-29 2007-01-31 Truma Gerätetechnik GmbH & Co. KG Ultraschall-Füllstandsmessvorrichtung mit Grenzstandserkennung

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1748285A1 (de) * 2005-07-29 2007-01-31 Truma Gerätetechnik GmbH & Co. KG Ultraschall-Füllstandsmessvorrichtung mit Grenzstandserkennung
WO2007014721A1 (de) * 2005-07-29 2007-02-08 Truma Gerätetechnik GmbH & Co. KG Ultraschall-füllstandsmessvorrichtung mit grenzstandserkennung

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