DE2253958C3 - Vorrichtung zum Messen des Füllstandes eines Behälters - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Füllstandes eines Behälters, mit einem Ultraschallsender und einem Ultraschallempfänger, die beide oben am Behälter derart angebracht sind, daß vom Sender ausgesandte Wellen von der Oberfläche des Behälterinhaltes reflektiert auf den Empfänger gelangen, mit einer Einrichtung zum Bestimmen einer Meßlaufzeit, die die vom Behälterinhalt reflektierten Wellen vom Sender bis zum Empfänger benötigen, eine Einrichtung zum Bestimmen einer Eichlaufzeit, die die vom Sender ausgesandten Wellen zum Durchlaufen einer festen Strecke oberhalb des Behälterinhaltes benötigen, und einer Einrichtung, die aus der Meßlaufzeit und der Eichlaufzeit den Füllstand des Behälters bestimmt.

Bei einer bekannten Vorrichtung der beschriebenen Gattung (US-PS 3184 969) ist die Einrichtung zum Bestimmen einer Eichlaufzeit im wesentlichen durch einen Reflektor gebildet, der oberhalb des maximal zulässigen Füllstandes derart angeordnet ist, daß vom Ultraschallsender auf ihn gelangende Wellen zum Ultraschallempfänger reflektiert werden. Solange der Füllstand des Behälters deutlich unterhalb des Reflek tors liegt, ermöglicht diese bekannte Vorrichtung eine zufriedenstellende Eichung, mit der der Einfluß von Laufzeitschwankungen der Ultraschallwellen, die beispielsweise durch Änderungen der Temperatur, der Feuchtigkeit oder der Zusammensetzung des von den Ultraschallwellen durchlaufenden Gases bedingt sind, auf das Meßergebnis weitgehend auszuschalten. Wenn jedoch ein Mindestabstand zwischen Füllstand und Reflektor unterschritten wird, kann der Ultraschailempfänger nicht mehr sicher zwischen vom Reflektor und vom Behälterinhalt reflektierenten Wellen unterscheiden. Dadurch leidet die Genauigkeit des Meßergebnisses genau dann, wenn eine hohe Meßgenauigkeit notwendig ist, nämlich bei annähernd oder ganz vollem Behälter. Auch erfordert die bekannte Vorrichtung

ι S wegen des aufrechtzuerhaltenden Mindestabstandes zwischen Reflektor und maximalem Füllstand zusätzliche Bauhöhe, die für den Behälterinhalt nicht genutzt werden kann. Zum allgemeinen Stand der Technik sei noch auf folgende zwei Druckschriften hingewiesen:

In der DT-AS 12 87 811 ist eine Einrichtung beschrieben, mit der sich der Füllstand mehrerer Behälter überwachen läßt. In jedem dieser Behälter ist eine Ultraschallsender/Empfängereinheit angeordnet.

Die in den verschiedenen Behältern angeordneten Einheiten werden der Reihe nach über mechanische Schalter zyklisch aktiviert, wobei ein der Laufzeit des Ultraschallsignals im Behälter entsprechendes Signal an einem Oszillographen sichtbar wird, an dem Photozel len angeordnet sind, die, falls sie durch das am Oszillographen sichtbare Signal belichtet werden, einen Schalter zum Nachfüllen des jeweils zugehörigen Behälters betätigen. Eine Einrichtung zum Bestimmen einer Eichlaufzeit des Ultraschallsignals im Behälter ist bei der Einrichtung gemäß der DT-AS 12 87 811 nicht vorgesehen.

Aus der DT-AS 10 66 369 ist eine Anzeigevorrichtung für Füllstände bekannt, die nicht mit vom Behällerinhalt reflektierten Ultraschallwellen arbeitet. Bei dieser Vorrichtung ragen vielmehr mehrere, den Schall leitende Körper jeweils paarweise in einen Behälter derart ein, daß sie zwischen sich Zwischenräume bilden, die unterschiedlich weit vom Behälterboden entfernt sind. An einem Anzeigegerät ist ablesbar, ob sich die Zwischenräume oberhalb oder unterhalb des Flüssigkeitspegels im Behälter befinden. Diese bekannte Vorrichtung arbeitet zwar vom Zustand einer Gasatmosphäre oberhalb des Behälterinhal'.es weitgehend unabhängig, sie ist jedoch in ihrem Aufbau gegenüber

so einer gattungsgemäßen Vorrichtung viel komplizierter und erfordert, daß in den Behälterinhalt schalleitende Körper einragen, was zu Problemen bezüglich des Korrosionsverhaltens der Körper bei bestimmten Flüssigkeiten führt und die Vorrichtung nicht in einfacher Weise für jeden Behälter verwendbar macht.

Ein spezielles Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Kontrolle des Füllvorgangs großer Tanks, beispielsweise von Hochseeöltankern. Um ein Überfließen von öl oder von anderem Ladegut aus einem Tank während des Füllvorgangs zu vermeiden, muß der Füllstand gerade dann genau meßbar sein, wenn der Tank fast voll ist. Dabei versteht sich von selbst, daß oberhalb des Tanks meistens nicht viel Platz für eine Meßvorrichtung vorhanden ist.

Entsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen des Füllstandes eines Behälters zu schaffen, mit der der Füllstand des Behälters besonders genau meßbar ist und die oberhalb

des maximal zulässigen Füllstandes nur wenig Raum benötigt

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in kurzer Entfernung unterhalb des Ultraschallsenders ein Ultraschall-Eichempfänger angeordnet ist, der die vom Ultraschall·.snder ausgesandten Wellen unmittelbar empfängt und an die Einrichtung zum Bestimmen der Eichlaufzeit angeschlossen ist.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der Füllstand b-s unmittelbar an den Ultraschall-Eichempfänger heranreichen, der die vom Ultraschall ausgesandten Wellen direkt empfängt Auf diese Weise wird eine Eichlaufzeit auch dann noch sicher ermittelt, wenn der Füllstand des Behälters den maximal zulässigen Wert erreicht hat Verwechslungen zwischen von der Behälteroberfläche reflektierten Ultraschallwellen, aus denen die Meßlaufzeit ermittelt wird, und direkt vom UUraschallsender herkommenden Ultraschallwellen, mit Hilfe derer über den Ultraschall-Eicheupfänger die Eichlaufzeit bestimmt wird, sind ausgeschlossen. Es ist immer ein genaue Füllstandsmessung möglich.

Vorteilhafterweise ist die Ansprechempfindlichkeit des Ultraschall- Eichempfängers derart, daß er nur auf unmittelbare vom Ultraschallsender empfangene Ultraschallwellen anspricht. Dadurch können aufwendige elektronische Einrichtungen, die dem Ultraschall-Eichempfänger nachgeschaltet sind und vom ü chälterinhalt reflektierte Wellen ausscheiden, völlig fehlen.

Die Einrichtung zum Bestimmen des Füllstandes des Behälters aus der Meßlaufzeit und der Eichlaufzeit weist vorteilhafterweise einen Meßtaktgeber, der aus den Empfangssignalen des ersten Ultraschallempfängers eine der Meßlaufzeit proportionale Anzahl Meßtaktimpulse erzeugt, einen Eichtaktgeber, der aus den Empfangssignalen des Ultraschall-Eichempfängers eine der Eichiaufzeit proportionale Anzahl Eichtaktimpulse erzeugt und eine digitale Dividierschaltung auf, die die Anzahl der Meßtaktimpulse durch die Anzahl der Eichtaktimpulse teilt. Eine solche Einrichtung arbeitet digital und entsprechend sehr genau und kann in einfacher Weise in eine Multiplexschaitung eingebaut werden, mit der die Füllstände mehrerer Behälter gemessen werden. Bei der Vorrichtung gemäß der eingangs gewürdigten US-PS 3184 969 ist zum Ermitteln der Meßlaufzeit, der Eichlaufzeit und des Füllstandes des Behälters eine in Analogtechnik arbeitende Schaltung vorgesehen, die aufwendige Filter zur Trennung von Meßsignalen und Eichsignalen enthalten muß.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird bevorzugt, den Ultraschallsender und den Ultraschallempfänger zum Empfangen der vom Behälterinhalt reflektierten Wellen in einem einzigen Wandler zu vereinen, der vorzugsweise ein elektromagnetischer Wandler ist. Es ist möglich, daß die Oberfläche des Behälterinhaltes nicht waagerecht liegt. Ursache dafür kann beispielsweise sein, daß der Behälter gekippt wird (bei Flüssigkeit) oder daß der Behälterinhalt, wenn er körniges oder mehlförmiges Gut ist, bei der Schüttung Haufen bildet. Damit die von einer nicht waagerechten Oberfläche reflektierten Wellen tatsächlich aufgefangen werden, ist es zweckmäßig, einen breiten Ultraschallstrahl zu verwenden oder den Wandler am oberen Ende eines Beruhigungsrohres anzuordnen, das sich im wesentlichen über die ganze Höhe des Behälters erstreckt. Bei NichtVerwendung eines Beruhigungsrohres sollte die Strahlöffnung zwischen 1° und 9° oder mehr betragen.

Die Ausbildung des Wandlers und die Wahl der günstigsten Frequenz des Ultraschalls hängen von der Strahlöffnung ab. In einigen Anwendungsfällen läßt sich ein zufriedenstellender Betrieb, beispielsweise mit einer Frequenz von 25 kHz, erreichen, woraus eine Strahlöffnung von 0,5° und eine Reichweite von etwa 12 m resultieren. Eine Reichweite dieser Größenordnung ist für die größten Tanker nicht ausreichend, da deren Tiefe mehr als 30 m betragen kann. In solchen Fällen wird

ίο daher mit einer Strahlbreite von mehr als 1° gearbeitet, was zu einer Betriebsfrequenz von etwa 5 kHz führt Für verschiedene Anwendungsfälle kann die Ultraschal If requenz bis zu 30OkHz oder sogar mehr betragen.

Vorzugsweise werden die Ultraschallwellen als Einzelimpulse gesendet wobei der Impulsabstand ausreichend groß gewählt ist, um den Empfang eines Echos vor dem Senden des nächstfolgenden Impulses zu ermöglichen. Meistens beträgt der Impulsabstand etwa 100 msec, und die Dauer jedes Impulses entspricht etwa 50 bis 60 Schwingungsperioden. Die Betriebsströme und -Spannungen ändern sich mit der gewählten Frequenz. Die Spitzenspannung beträgt bei einer Frequenz von 20 kHz überwiegend zwischen 5 und 10 V.

Es kann vorkommen, daß bei einer gegebenen Strahlöffnung ein Echo von der Oberfläche des Behälterinhaltes empfangen wird, wenn diese beispielsweise stark geneigt ist und der Füllstand sehr niedrig ist. Um dann bei NichtVerwendung eines Beruhigungsrohrs zu vermeiden, daß kein Echo aufgefangen wird, können der Sender und Empfänger nahe einer Behälterseite so angeordnet werden, daß das Echo durch Reflektion von der Behälterseite aufgefangen wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert. Es stellt dar

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Messen des Füllstandes eines Behälters mit dem Behälter und daran angebrachtem Ultraschallsender und Ultraschallempfänger,

F i g. 2 einen senkrechten Schnitt durch den oberen Teil eines in F i g. 1 verwendeten Beruhigungsrohres.
In Fig. 1 gehört ein Tank 1 zu einer Gruppe von

insgesamt fünfzehn Öltanks eines Hochsee-Öltankers. Beim Beladen des Tankers werden die Tanks mit zwei (nicht gezeichneten) Pumpen mit öl gefüllt. Zur Beobachtung des ölpegels bzw. ölstandes an jedem der Tanks und zur Anzeige der Warnung, daß sich der

so ölpegel dem oberen Rand des Tanks nähert, ist jedem Tank ein Ultraschallsender 3 zugeordnet. Dieser ist als elektromagnetischer Hochfrequenz-Lautsprecher ausgebildet und am oberen Ende eines Beruhigungsrohres 4 angeordnet, das in einem Standrohr 5 befestigt ist, das

ss wiederum mit einem Schiffsdeck 6 verschraubt ist. Die Länge des Standrohres 5 beträgt etwa 1,8 m. Das Beruhigungsrohr 4 reicht bis auf wenige Zentimeter an den Boden des Tanks 1 heran und weist über seine Länge verteilt angeordnete (nicht gezeichnete) Halteglieder und nahe seinem oberen Ende (nicht gezeichnete) Gas-Entlüftungslöcher auf.

Die Speisung des Ultraschallsenders 3 erfolgt mit Strom aus einem Wandlerverstärker 7, der zyklische impulse erzeugt. Je Impuls sendet der Wandler einen entsprechenden Schallimpuls von 1 msec Dauer aus, dessen Hauptfrequenzkomponenten bei 20 kHz und 5 kHz liegen. Der zeitliche Impulsabstand beträgt 100 msec. Der Schall geht im Beruhigungsrohr nach

unten und wird von der öloberfläche zurückgeworfen. Der Sender 3, der gleichzeitig als Empfänger dient, gibt bei Empfang des Echoschalls ein Signal an den Verstärker 7.

Auf der Höhe etwa des unteren Endes des Standrohres 5 ist im Beruhigungsrohr 4 ein Ultraschall-Eichempfänger 8 angeordnet, der als piezoelektrischer keramischer Wandler ausgebildet ist und auf die starken Schallungen im Beruhigungsrohr 4 mit der Abgabe von Signalen an den Verstärker 7 anspricht. Auf diese Weise ergibt sich aus jedem dem Sender 3 zugeführten Ausgangsimpuls des Verstärkers 7 ein Schallimpuls. Dieser Schall wird am Beruhigungsrohr 4 vom Eichempfänger 8 aufgefangen. Infolge der Stärke dieses direkten Schalls spricht der Eichempfänger 8 an und sendet einen Impuls zu einem Eingang des Verstärkers 7. Schall wird von der öloberfläche zurückgeworfen und trifft zuerst auf den Eichempfänger 8 auf. Der reflektierte Schall ist jedoch schwach, so daß der Eichempfänger 8 nicht genügend anspricht, um ein Ausgangssignal an den Verstärker 7 abzugeben. Der reflektierte Schall gelangt dann zum Sender 3, der gleichzeitig als Empfänger dient und empfindlicher ist als der Eichempfänger 8 und dem Verstärker 7 ein Ausgangsignal liefert.

Der Verstärker 7 hat zwei Ausgangsleitungen 9 und 10. Der zeitliche Abstand der von der Leitung 9 übertragenen Impulse entspricht dem Abstand zwischen Schallgabe und Schallempfang am Sender 3, während die von der Leitung 10 übertragenen Impulse in einem zeitlichen Abstand liegen, der dem Abstand zwischen Schallgabe durch den Sender 3 und Schallempfang am Eichempfänger 8 entspricht. Daher stellt der zeilliche Impulsabstand in der Leitung 9 die in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit gemessene Tiefenlage der öloberfläche dar, und der zeitliche Impulsabstand in der Leitung 10 ist nur von der Schallgeschwindigkeit bestimmt, da der Abstand zwischen Sender 3 und Eichempfänger 8 unveränderlich ist. Durch Teilen des zeitlichen Impulsabstandes in der Leitung 9 durch den zeitlichen Impulsabstand in der Leitung 10 erhält man als Ausgang ein Verhältnis, das unabhängig von der Schallgeschwindigkeit der Tiefenlage der öloberfläche, bezogen auf den Sender 3, proportional ist. Die Vorrichtung führt diese Teilung aus und gibt eine Anzeige der Tiefenlage des Öls.

Die Ausgangssignale des Verstärkers 7 gehen in eine Z-Dioden-Sperre 11, die gewährleistet, daß für die den Verstärker 7 und die Wandler durchfließenden Spannungen und Ströme ein Sicherheitswert eingehalten wird. Eine gestrichelte Linie 12 stellt die Trennungslinie zwischen einem links davon liegenden »sicheren« Teil des Systems, der in einem feuergefährdeten Bereich angeordnet sein kann, und einem rechts davon liegenden nicht geschützten Teil des Systems dar, der in einem wenig feuergefährdeten Bereich untergebracht sein muß.

Die von der Sperre 11 ausgehenden Signale werden über ein Kopplungsglied 13 einem Vielbandempfänger 14 zugeleitet, der die Ausgangssignale der anderen Tanks erhält und mit Steuerung durch einen (nicht gezeichneten) Hauptzeitgeber nacheinander verarbeitet, um entsprechende ölstandsanzeigewerte einer Gruppe von fünfzehn Anzeigegeräten 15 zuzuführen. Jede Verarbeitung dauert etwa 5 see, sodann wird der nächste Tank gemessen. Beim Prüfen der einem bestimmten Tank zugeordneten Ausgangssignale der Reihe nach im Vielbandempfänger 14 dienen die Signale in der Leitung 9 tatsächlich zur Steuerung eines Meßtaktgebers 16 und die Signale in der Leitung zur Steuerung eines Eichtaktgebers 17. Die Taktgeber werden durch die Impulse in den Leitungen so aufgeblendet, daß den jeweiligen Eingängen einer digitalen Dividierschaltung 18 eine Folge von Taktimpulsen zugeht, deren Zahl dem Zeitabstand zwischen den Impulsen in jeder Leitung entspricht. Die Schaltung 18 teilt die dem Eichtaktgeber 17 zugeordnete Zahl in die dem Meßtaktgeber zugeordnete Zahl und führt dem zugehörigen Anzeigegerät 15 über den Vielbandempfänger 14 einen das Verhältnis und damit die auf den Sender 3 bezogene Tiefenanlage der Öloberfläche darstellenden Zahlenwert zu. Auf diese Weise ist für alle Tanks eine ständige Tiefenanzeige gesichert. Eine (nicht gezeigte) Warnvorrichtung löst mit Steuerung durch die Ausgangssignale des Vielbandempfängers einen Alarm aus, wenn der ölstand in einem Tank eine gefährliche Höhe erreicht.

F i g. 2 zeigt Einzelheiten der Ausbildung der Wandler. Bei dieser Ausbildungsform ist der Wandler bzw. Sender 3 ein Hochtonlautsprecher, wie er unter der Bezeichnung »Wcstwel! EM 57HM« erhältlich ist Der Wandlerkörper ist von einer Harz-Vergußmasse 19 umkapselt.

Der Eichempfänger 8 weist einen piezoelektrischen Keramikfühler 20 auf, der in einer mit einer Harz-Vergußmasse 23 ausgefüllten Halterung 22 aufgenommen ist. Diese ist wegnehmbar angeordnet und mit einem O-Ring 24 aus Gummi abgedichtet.

Außerdem ist vorgesehen, in ähnlicher Weise wie die Überwachung der Füllstände in Behältnissen eines Schiffes auch den Tiefgang des Schiffes zu überwachen. Zu diesem Zweck kann an Bug und Heck des Schiffes ein Wandler im wesentlichen des in der Zeichnung mit 3 bezeichneten Typs, bei Bedarf möglicherweise ein piezoelektrischer Wandler, in Verbindung mit oder ohne ein Beruhigungsrohr angeordnet sein, um Ultraschallschwingungen gegen die Wasseroberfläche zu richten und von dort zurückgeworfene Echos aufzufangen. Die Übertragungs- bzw. Laufzeit ist dabei abhängig davon, wie tief das Schiff im Wasser liegt. Die Überwachung kann in gleicher Weise wie im Zusammenhang mit der Zeichnung beschrieben geschehen, wobei die Tiefgang-Wandler an zusätzliche Eingänge des Vielbandempfängers angeschlossen und mit individuellen Tiefenmeßanzeigegeräten verbunden sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Messen des Füllstandes eines Behälters, mit einem Ultraschallsender und einem Ultraschallempfänger, die beide oben am Behälter derart angebracht sind, daß vom Sender ausgesandte Wellen von der Oberfläche des Behälterinhaltes reflektiert auf den Empfänger gelangen, mit einer Einrichtung zum Bestimmen einer Meßlaufzeit, die die vom Behälterinhalt reflektierten Wellen vom Sender bis zum Empfänger benötigen, einer Einrichtung zum Bestimmen einer Eichlaufzeit, die die vom Sender ausgesandten Wellen zum Durchlaufen einer festen Strecke oberhalb des Behälterinhaltes benötigen, und einer Einrichtung, die aus der Meßlaufzeit und der Eichlaufzeit den Füllstand des Behälters isestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß in kurzer Entfernung unterhalb des Ultraschallsenders (3) ein Ultraschalleichempfänger (8) angeordnet ist, der die vom Ultraschallsender (J) ausgesandten Wellen unmittelbar empfängt und an die Einrichtung (7) zum Bestimmen der Eichlaufzeit angeschlossen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansprechempfindlichkeit des Ultraschalleichempfängers (8) derart ist, daß er nur auf unmittelbar vom Ultraschallsender (3) empfangene Ultraschallwellen anspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Bestimmen des Füllstandes des Behälters aus der Meßlaufzeit und der Eichlaufzeit einen Meßtaktgeber (16), der aus den Empfangssignalen des ersten Ultraschallempfängers eine der Meßlaufzeit proportionale Anzahl Meßtaktimpulses erzeugt, einen Eichtaktgeber (17), der aus den Empfangssignalen des Ultraschalleichcmpfängers (8) eine der Eichlaufzeit proportionale Anzahl Eiclitaktimpulse erzeugt, und eine digitale Dividierschaltung (18) aufweist, die die Anzahl der Meßtaktimpulse durch die Anzahl der Eichtaktimoulse teilt.