DE960318C - Ultraschall-Hoehenstandsmesser - Google Patents

Ultraschall-Hoehenstandsmesser

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DE960318C
DE960318C DES39638A DES0039638A DE960318C DE 960318 C DE960318 C DE 960318C DE S39638 A DES39638 A DE S39638A DE S0039638 A DES0039638 A DE S0039638A DE 960318 C DE960318 C DE 960318C
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DE
Germany
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waves
ultrasonic
container
level meter
liquid
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Expired
Application number
DES39638A
Other languages
English (en)
Inventor
Howard E Van Valkenburg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sperry Products Inc
Original Assignee
Sperry Products Inc
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Filing date
Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of DE960318C publication Critical patent/DE960318C/de
Expired legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)

Description

  • Ultraschall-Höhenstandsmesser Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anzeige des Standes einer Flüssigkeit in einem Tank oder ähnlichen Behälter mit-Hilfe von Ultraschallwellenzügen. Es ist vorgeschlagen worden, ein Ultraschallechoverfahren ähnlich der Echolotung zur Messung des Standes einer einem Behälter anzuwenden. Dieses Verfahren benutzt jedoch einen am Boden des Behälters angeordneten elektro-akustischen Wandler, der einen Strahl von Ultraschallschwingungen in Richtung auf die Oberfläche ausstrahlt, oder aber einen schwimmenden Wandler. Bei einer solchen Anoranung ergeben sich viele Schwierigkeiten, und zwar in. bezug auf die Installation, die Wartung, auf Fehlsigaale in Folge von Blasen, Verunreinigungen, Rühr- oder Mischwerkzeugen sowie auf Fehlanzeigen infolge einer bewegten oder schaumigen Oberfläche.
  • Es sind auch Vorrichtungen zur Anzeige des Flüssigkeitsspiegels mit Hilfe von Ultraschallwellen bekannt, bei denen eine Anzahl von reflektierenden Flächen in vorbestimmten Abständen in der Bahn der Wellen angeordnet sind, um Echos hervorzurufen und auf diese Weise eine Abstandsskala zu erzeugen.
  • Gemäß der Erfindung ist ein akustisch leitender Körper vor;gesehen, der sich in die Flüssigkeit hinein erstreckt un.d die reflektierenden Flächen trägt, wobei am oberen Ende des Körpers Oberflächenwellen hervorgerufen werden, die an der Oberfläche des Körpers entlang laufen, bis sie von dem Flüssigkeitsspiegel gedämpft werden, und wobei die von den über dem Flüssigkeitsspiegel liegenden Flächen reflektierten Wellen aufgenommen werden.
  • Weitere Merkmale und Vorteile des Erfindungsgegenstandes gehen aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels hervor. In der Zeichnung ist Fig. 1 eine weitgehend schematische Ansicht einer Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes, Fig. 2 ein Blockschaltbild, welches die Ein.rich tung zur Erzeugung der Wellenzüge in einem Meßstreifen zeigt; Fig. 3 a> 3 b und 3@ sind schematische Da.rstelllungen des Schirmes eines Oszillographen, welche verschiedene Anzeigen des Flüssigkeitsstandes zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert wiedergeben, und Fig. 4 ist eine Draufsicht, die die Halterung des Streifens auf dem Behälter zeigt.
  • In Fig. I ist ein Flüssigkeitsbehälter 10 zarge; stellt, in dem eine stetige Anzeige des Flüssigkeitsstandes erhalten werden soll. Bei dem Verfahren wird ein Streifen 11 verwendet, der in. einer weiter unten beschriebenen Weise am Oberteil des Behälters angebracht ist und sich nach unten bis zu einem Punkt erstreckt, der unter dem niedrigsten zu messenden; Flüssigkeitspegel liegt. Der Streifen 11 besteht aus einem Material, das ein guter Leiter für IJltra1schallschwingungen und gleichzeitig korrosionsfest gegenüber der umgebenden Flüssigkeit in dem Behälter gegenüber der Atmosphäre ist. Auf der einen Seite des Streifens 11 ist in der Nähe seines oberen Endes ein elektro-akustischer Wandler 12 angebracht, der so erregt wird, daß r Oberflächenwellen züge erzeugt. Die charakteristische Eigenschaft solcher Wellenzüge besteht darin, daß sie die Oberfläche des Streifens, an dem der Wandler angebracht ist, erregen, und zwar auf eine Tiefe, die von der Oberfläche aus n.icht größer als einige Wellenlängen ist. Sie laufen jedoch nicht auf die gegenüberliegende Oberfläche des Streifens II, 50 daß sie dort reflektiert werden könnten. Die Bahn der Ultraschalloberflächenwelle an der Oberfläche 15 des Streifens 11 entlang und. im Abstand von. einigen Wellenlängen unterhalb der Oberfläche ist in Fig. 2 dargestellt. Bei Anbringung einer Anzahl von Löchern oder Bohrungen PI, P2, P3 usw. in regelmäßigen Abstimmen in Längsrichtung des Streifens, die quer zur Fortpflanzungsrichtung der Oberflächenwelle, die durch den Pfeil A angedeutet ist, liegen, reflektieren diese Löcher oder Bohrungen die Oberflächenwellen nacheinander auf den Ausgangspunkt zurück, und die aufeinanderfolgenden Löcher ergeben daher eine Folge von Refoektioncen, die vom Empfänger aufgenommen werden Die Löcher sind vorzugsweise versch.lossen, damit keine Flüssigkeit eindringt.
  • Die Anordnung zur Ausstrahlung der Oberflächenwellenzüge und zur Anzeige des Empfanges von Reflektionen, die an den aufeinanderfolgenden Bohrungen erzeugt werden, ist in. Fig. 2 dargestellt. Ein Impulsgenerator20 kann. periodisch von einer geeigneten Wechselstromquelle von beispielsweise 6o Hz über ein Synchronisiergerät 21 gesteuert werden, das. den Impnlsgenerator sechzigmal pro Sekunde auslöst. Gleichzeitig mit der Auslösung des Impulsgenerators 20 speist das Syn.chronisiergerät auch einen Ablenkkreis 22, um eine Ablenkung des Kathodenstrahls zwischen den horizontalen Platten 23 des Oszillographen 24 hervorzurufen. Die Impulse werden einem piezo-elektischen Kristall 32 zugeführt, das auf einem keilförmigen Träger 33 angebracht ist, so daß die Impulse oder Wellenzüge in den Streifen 11 über die Oberfläche 15 unter einen Winkel gelangen, der größer ist als der kritische Winkel sowohl für Längs- als auch Querwellienb so daß nur Oberflächenwellen entstehen können. Die Oberflächenwellen wandern. an dem Streifen nach unten, und wenn der Wellenzug auf eine der aufeinanderfolgenden Öffnungen trifft, wird er auf den Wandler 32 reflektiert und erzeugt eine EMK, die durch einen Verstärker 35 verstärkt und den vertikalen Ablenkplatten, 36 des Oszillographen zugeführt wird, um eine Ablenkung auf der waagerechten Zeitlinie zu ergeben Auf d.iese Weise wird eine Reihe von Anzeigen P1, P2, P3 usw. erzeugt, die den Öffnungen P1, P2, P3 entsprechen. Da der ursprünglich erzeugte Impuls P auch dem Verstärker 35 zugeleitet wird, erscheint er auch als Anfangsanzeige auf dem Schirm des Oszillographen.
  • Das Prinzip, welches die Verwendung der Vorrichtung für die Messung des Flüss.igkeitsstandes ermöglicht, besteht darin, daß die Energie einer Oberflächenwelle auf ein enges Band begrenzt ist, das nur eine Eindringstufe von. wenigen Wellenlängen hat und daß ferner die Maximalamplitude der Oberflächenwelle an der freien Grenze des Materials, welches Träger der Welle ist, auftritt, während die Oberflächenwelle durch eine in Berührung mit der Oberfläche stehende Flüssigkeit sehr stark gedämpft wird. Dies bedeutet, daß, wenn der Streifen. II zum Teil in die Flüssigkeit des Behälters eintaucht, die Oberflächenwelle bis zum oberen Pegel der Flüssigkeit ungedämpft ist, während sie weiter unten. sehr stark gedämpft ist.
  • Da ferner die Bohrungen um den Bruchteil einer Wellenlänge unter der Oberfläche liegen, bedeutet dies, daß die Bohrungen P1, P2, P3 uSw. bis zum oberen Pegel der Flüssigkeit die ungedämpften Wellenzüge reflektieren, während die Bohrungen, die in die Flüssigkeit eintauchen, die Oberflächenwelle nur verhältnismäßig schwach reflektieren, da der größte Teil der Energie durch die Flüssigkeit gedämpft ist. Die Darstellungen des Oszillo- graphen in Fig. 3 zeigen daher, daß, wenn der Behälter nur Flüssigkeit unterhalb des Pegels C" enthält, auf dem Schirm eine vollständige Reihe von Marken P1, P2, P3 usw. erscheint, die der gesamten Zabl der Bohrungen in. dem Streifen II von unten bis oben entspricht. Wenn jedoch der Behälter bis zum Pegel C gefüllt ist, dann erzeugen nur die Öffnungen oberhalb des Pegels C vollständige ReflektionenPI, P2, P3 usw., während Reflektionen unterhalb des Pegels C durch Dämpfung im wesentlichen unterdrückt sind. In Fig. 3 c ist der Zustan.d gezeigt, bei dem der Behälter bis zum höchsten Pegel C' gefüllt ist. In. diesem Fall bewirkt nur die Bohrung P 1 eine Reflektion des ausgestrahlten Wellenzuges. Der Schirm des Oszillographen kann daher von rechts nach links geeicht sein, um den Flüssigkeitsstand vom Mindeststand bis zum Höchststand, je nach, dem Abstand der ersten wesentlichen Reflektion vom rechten Endpunkt anzuzeigen. Der Schirm kann mit beliebiger Genauigkeit für die besonderen Anwendungszwecke geeicht sein, .indem die Zahl und der Abstand der Bohrungen in. dem Streifen entsprechend gewählt wird. Die absolute Genauigkeit ist unabhängig von der Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit oder in dem Streifen, solange eine endliche Anzahl von Meßöffnungen verwendet wird.
  • An Stelle einer vertikalen Auslenkung der waagerechten Zeitlinle kann. auch eine Helligkeitssteuerung der Zeitablenkung verwendet werden, um helle Punkte an den StellenP 1, P2, P3 usw. zu erzeugen.
  • Wie oben erwähnt, ist die Energie der Oberflächenwelle auf ein schmales. Band beschränkt, dessen Tiefe nur wenige Wellenlängen beträgt. Die Amplitude des von einer Meßöffnung erzeugten Echos ist umgekehrt proportional zu ih.rer Tiefe unterhalb der Oberfläche und dem Abstand von der Meßanordnung. Wenn daher die Öffnungen stufenartig angeordnet werden, inden die näheren Öffnungen weiter unterhalb der Oberfläche und die entfernteren Öffnungen näher an dir Oberfläche liegen, können Signale im wesentlichen. konstanter Größe erhalten werden, die den Reflektionen des Wellenzuges über die gesamte Länge des Streifens entsprechen.
  • Der Streifen 11 un.d der Wandler I2 können auf dem Behälter so angebracht werden, daß die elektrischen Verbindungen; des Wandlers sich außerhalb des Behälters befinden. Eine Ausführung dieser Art ist in Fig. 4 dargestellt, aus der ersichtlich ist, daß der Streifen II von der Wandung des Behälters 10 durch elektrisches Isoliermaterial 40 isoliert ist, welches den Streifen auf drei Seiten umgibt. Die Isolation kann nicht an der Oberfläche Ij angebracht werden, weil dies das Eintreten der Oberflächenwellenzüge in den Streifen. verhindern würde. Der Keil 33, der den Kristall 32 trägt, kann jedoch ebenso breit gemacht werden, wie die Fläche 15 und aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen, das gleichzeitig ein. guter Leiter für Ultraschallschwingungen ist. Das Material für den Keil kann z. B. ein plastischer Kunststoff, wie Teflon, Nylon, Pylon, oder ein ähnliches Material sein.

Claims (6)

  1. PATENTANSPRÜCHE: I. Ultraschall-Höhenstandsmesser zur Anzeige von Flüssigkeitsspiegeln, bei dem eine Anzahl von reflektierenden Flächen in vorbestimmten Abständen in der Bahn der Ultraschallwellen angeordnet sind und eine skalenartige Anzeige bew-irken, dadurch gekennzeichnet, daß ein akustisch leitender Körper (11) sich in die Flüssigkeit hinein erstreckt und die reflektierenden Flächen trägt, wobei am oberen Ende des Körpers Oberflächenwellen durch Einrichtungen (12) hervorgerufen werden, die an der Oberfläche (I5) des Körpers entlang laufen, bis sie von dem Flüssigkeitsspiegel gedämpft werden, und wobei die von den über d.em Flüssigkeitsspiegel liegenden Flächen reflektierten Wellen aufgenommen werden.
  2. 2. Ultraschall-Höhenstandsmesser nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Flächen aus Unstetigkeiten (Pl, P2 USW.) in dem Körper (I I ) bestehen, die quer zur Richtung der Oberflächenwellen angeordnet sind.
  3. 3. Ultraschall-Höhenstandsmesser nach Ansprüchen I und 2, dadurch gekennzeichnet. daß die Unstetigkeitsstellen (P1, P2 usw.) Öffnungen sind, die parallel zur Oberfläche (I5) angeolrdnet sind, welche die Wellen leitet.
  4. 4. Ultraschall-Höhenstandsmesser nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Unstetigkeitsstellen je in einem Abstand von der Oberfläche (I5), welche di.e Oberflächenwellen führt, angeordnet sind, der eine inverse Funktion des Abstandes von dem Ort der Ausstrahlung ist.
  5. 5. Ultraschali-Höhenstan.dsmesser nach Ansprüchen 1 bis. 4, dadurch gekennzeichnet, daß der akustisch leitende Körper (11) im oberen Teil eines Behälters oder eines Gefäßes (10) angeordnet ist und daß der die Wellen ausstrahlende Sender (12) elektrisch von dem Behälter durch Teile (33, 40) isoliert ist.
  6. 6. Ultraschall-Höhenstandsmesser nach An.-sprüchien I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender zur Erzeugung der Oberflächenwellen aus einem piezoelektrischen Kristall besteht un:d einen Träger für den Kristall enthält, der mit dem Körper in Eingriff kommt, und daß die elektrische Isolierung des Senders von dem Behälter durch den. Kristallträger erfolgt, der aus einem akustisch leitenden, aber elektrisch nicht leitenden Material geformt ist In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 878 723, 887 876.
    886 529.
DES39638A 1953-06-29 1954-06-19 Ultraschall-Hoehenstandsmesser Expired DE960318C (de)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3002118A1 (de) * 1980-01-22 1981-07-23 Josef Heinrichs Meßgerätebau, 5000 Köln Fluessigkeitsstandanzeiger
DE3330063A1 (de) * 1983-08-19 1985-02-28 Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München Fluessigkeitsstandmesser fuer fluessigkeitsbehaelter
DE3912781A1 (de) * 1989-04-19 1990-10-25 Bayerische Motoren Werke Ag System zur fuellstandsmessung, insbesondere in einem kraftstoffbehaelter

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE878723C (de) * 1953-04-23 Atlas Werke Ag Vorrichtung zur Abstandsmessung nach der Echomethode, insbesondere zur Standanzeige von Fluessigkeiten in Behaeltern
DE886529C (de) * 1950-03-21 1953-08-13 Hoerder Huettenunion Ag Feststellen des leeren Raumes zwischen Beschickungssaeule und der Gicht bei Schachtoefen, insbesondere Hochoefen
DE887876C (de) * 1951-12-14 1953-08-27 Licentia Gmbh Elektrischer Standanzeiger fuer Bunker mit z. B. Kohlenfuellung

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