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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.
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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.
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Dieses einfache Meßverfahren des Flüssigkeitsstandes in Gefäßen hat
den Nachteil, daß man die Ultraschallsonde nicht immer am Boden anbringen kann.
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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.
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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.
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Dies kann man praktisch nur mit einer akustischen Frequenz durchführen,
bei der die Ultraschallwellendämpfung nicht allzu groß ist.
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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.
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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.
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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.
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Elinvar.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Hierauf kehrt sie auf demselben Weg nach erfolgter nochmaliger Transformation
wieder in eine Oberflächen-Ultraschallwelle 6 in die Sonde 3 zurück.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.