AT393738B - Laengenmessverfahren - Google Patents

Description

AT 393 738 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungsfreien Bestimmen der Länge einer Säule aus einem flüssigen oder gasförmigen Stoff, die in einem wenigstens einseitig geschlossenen, rohrförmigen Hohlraum enthalten ist, oder eines Stabes aus einem festen Stoff, bei dem man in der Säule oder im Stab eine stehende Welle mit bekannter Fortpflanzungsgeschwindigkeit und mit bekannter Frequenz oder Wellenlänge erzeugt, von welcher stehenden Welle ein Knoten an einem Ende des Stabes oder der Säule, insbesondere am dem offenen Ende des Hohlraums gegenüberliegenden, geschlossenen Ende liegt und bei dem die Frequenz der stehenden Welle geändert wird.

Die derzeit bekannten Verfahren zur Messung von Pegelständen, sei es in der Hydrologie, im Oberwasseroder im Grundwasserbereich, bei Studien zur Berechnung von Kanälen für Abwasser oder zur Messung von Füllständen von Tanks, beruhen vorwiegend auf veralteten oder aufwendigen Meßtechniken, die beispielsweise Drucksonden, Schwimmer oder Laufzeitmessungen (Echolot) verwenden.

Neben den seit vielen Jahren verwendeten Schwimmern, deren vom zu messenden Pegelstand abhängige Höhenlage über Zahnräder erfaßt wird, verwendet man Drucksonden, die über einen Drucksensor an der Sondenspitze Säulen von Flüssigkeiten zwischen Sondenspitze und Oberfläche des Mediums messen.

In der Hydrologie kommen für stationäre Meßanordnungen auch Meßverfahren zum Einsatz, die mittels Druckgleichgewicht an einem Wägesystem, die Höhe einer Wassersäule über einem sogenannten Ausperlmundstück messen (siehe z. B. Druckluftpegel Ω der Fa. SEB A Hydrometrie, Kaufbeuren).

Daneben werden auch Käbellichtlote und Tiefenlotgeräte verwendet Bei Kabellichtloten wird das Eintauchen einer Sondenspitze in das zu messende Grundwasser über ein Kontrollicht angezeigL Über eine am Kabel befindliche Längeneinteilung läßt sich die Höhe bis zur Wasseroberfläche ablesen. Bei Tiefenlotgeräten wird beim Auftreffen des Lots auf die Wasseroberfläche ein Zählwerk angehalten, so daß ebenfalls die Höhe bis zur Wasseroberfläche erfaßt werden kann.

Die wohl aufwendigsten bekannten Meßverfahren sind Laufzeitmessungen (Echolot). Ein von einem Impulsgeber ausgesandter Impuls wird an der Wasseroberfläche oder einem sonstigen Gegenstand reflektiert und die Zeit zwischen Impulsäbstrahlung und Empfang als Maß für die zurückgelegte Strecke gemessen. Solche Impuls-Echo-Messungen kommen in der Hydrologie aus Kostengründen kaum zum Einsatz.

Ein Nachteil der bekannten mechanischen Meßverfahren ist es, daß die Meßwerte von Apparaten stammen, die nur ungenau arbeiten. Abgesehen von den Ungenauigkeiten, die auf Temperaturschwankungen zurückzuführen sind, ergeben sich auch Schwierigkeiten z. B. beim Einsetzen von Schwimmern in Peilrohre, wie sie für Grundwasserstandmessungen verwendet werden, insbesondere wenn diese gewöhnlich recht langen Peilrohre gebogen sind.

Ungenauigkeiten, die durch Temperaturänderungen bedingt sind, treten naturgemäß auch bei Kabellichtloten und Tiefenlotgeräten auf. Bei diesen Meßgeräten kommt als zusätzliche nachteilige Fehlerquelle eine Dehnung durch das Eigengewicht des Kabels noch hinzu. Sonden, die bei stationären Anlagen längere Zeit im Wasser hängen, können undicht werden. Auch kommt es vor, daß die Sonden beim Herausziehen abreißen und somit verlorengehen.

In der FR-PS 2.185.095 wird ein Verfahren beschrieben, mit dem Abmessungen von Prüfkörpern bestimmt werden können. Hiezu werden Prüfkörper in eine Hochfrequenzkammer gebracht und zwei Frequenzen ermittelt, die Resonanzfrequenzen des Prüflings, dessen Abmessungen bestimmt werden sollen, sind. Auf Grund der in der FR-PS 2.185.095 angegebenen Gleichungen können dann die Abmessungen des Prüfkörpers berechnet werden.

In der US-PS 3 237 445 bzw. dem dort beschriebenen Verfahren wird von der herkömmlichen Dickenbestimmung aufgrund der Gleichung t = c/f mit Hilfe der Resonanzfrequenz der nullten Ordnung des Körpers, dessen Dicke zu bestimmen ist, ausgegangen. Bei dem Verfahren der US-PS 3 237 445 soll so vorgegangen werden, daß die Resonanzfrequenz durch kontinuierliches Andern der Frequenz des Ultraschalls dadurch ermittelt wird, daß angenommen wird, daß die Resonanzfrequenz nullter Ordnung ein maximales Ausgangssignal nach Durchtritt des Ultraschalls durch den zu bestimmenden Körper ergibt, da für die Resonanzfrequenz oder harmonische Frequenzen derselben der Prüfkörper offensichtlich besonders durchlässig ist

Um das Ändern der Frequenz bis zum Erreichen der Resonanzfrequenz zu vermeiden, wird in der US-PS 3 237 445 noch vorgeschlagen, gleichzeitig Ultraschall mit einer Vielzahl von Frequenzen auf den zu prüfenden Körper zu richten und nach Durchtritt des Körpers erneut die Frequenzen zu bestimmen. Da der Prüfkörper für die Resonanzfrequenz besonders durchlässig ist, wird Ultraschall mit der Resonanzfrequenz hervortreten, da diese Frequenz am wenigsten gedämpft worden ist

Die GB-PS 842 241 befaßt sich mit der Dickenbestimmung durch Ultraschall, wobei ausgehend von der grundlegenden Beziehung f = V/2T vorgeschlagen wird, die Frequenz eines Oszillators über einen vorgegebenen Bereich des Frequenzspektrums zu ändern, wobei die Frequenzen, bei welchen der Oszillator anspricht (harmonische Frequenz) die halbe Wellenlänge der harmonischen Schwingung ermittelt wird und daß mit Hilfe von gegeneinander verdrehbaren Skalen unmittelbar die Dicke des überprüften Werkstückes abgelesen werden kann. In der GB-PS 842 241 ist auch die Anwesenheit stehender Wellen bei Dickenbestimmungen auf Grund von Ultraschallmessungen erwähnt

In der DE-AS 23 12 062 wird ein nach dem Ultraschall-Immersions-Resonanzverfahren arbeitendes Wanddickenmeßgerät angegeben, bei dem ein Ultraschallgeber über eine Koppelflüssigkeit akustisch an das Meßobjekt, dessen Wanddicke gemessen werden soll, angekoppelt wird. Die Frequenz des Ultraschallgebers wird -2-

AT 393 738 B durch einen HF-Oszillator ständig moduliert, so daß sich in der Koppelflüssigkeit schnell nacheinander in vielen aufeinanderfolgenden Harmonischen kurzzeitig stehende Wellen ausbilden.

Bei dem in der DE-AS 21 44 472 angegebenen Verfahren zur Messung der Dicke von Metallteilen wird zwischen zwei Antennen eine stehende Welle erzeugt, in der sich der Gegenstand, dessen Dicke zu messen ist, befindet

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und genaues Verfahren zur Messung von Längen von Säulen aus einem flüssigen oder gasförmigen Stoff oder von Stäben aus einem festen Stoff anzugeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst daß man die Amplitude der stehenden Welle am anderen Ende der Säule oder des Stabes erfaßt daß man die Frequenz der Welle so lange ändert, bis wenigstens zwei aufeinanderfolgende Maxima (Schwingungsbäuche), zwei aufeinanderfolgende Minima (Schwingungsknoten) oder ein auf ein Maximum folgendes Minimum der Amplitude der stehenden Welle erfaßt werden, und daß man die Länge des Stabes oder der Säule bei bekannter Frequenz f der stehenden Welle unter Verwendung der Beziehung 1 L = σ.— 2 c . (3) f -f xu ln in der L die Länge des Stabes oder der Säule, c die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Welle, fn die Frequenz der stehenden Welle beim ersten festgestellten Maximum oder Minimum, fu die Frequenz der stehenden Welle beim zuletzt festgestellten Maximum oder Minimum und σ die Anzahl der festgestellten Maxima oder Minima ab dem n-ten bis zum u-ten Maximum oder Minimum ist, oder bei bekannter Wellenlänge unter Verwendung der Beziehung 1 . X,j L = a.— . - , (5) 2 in der L die Länge des Stabes oder der Säule, c die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Welle, λη die Wellenlänge der stehenden Welle beim ersten festgestellten Maximum oder Minimum, Xu die Wellenlänge der stehenden

Welle beim zuletzt festgestellten Maximum oder Minimum und σ die Anzahl der festgestellten Maxima oder Minima ab dem u-ten bis zum n-ten Maximum oder Minimum ist, berechnet

Die Art der beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Wellen ist gleichgültig. So können longitudinale, transversale, mechanische oder elektromagnetische Wellen verwendet werden.

Bevorzugt ist es bei der Erfindung, daß man in der Säule oder dem Stab eine stehende, elektromagnetische Welle erzeugt

Die Erfindung erstreckt sich auch darauf, daß man in der Säule insbesondere in Fällen eines gasförmigen Stoffes eine stehende Schallwelle erzeugt. Dies ist besonders bei Säulen aus Luft vorteilhaft

In einer praktischen Ausführungsform der Erfindung geht man so vor, daß man die stehende Welle in der Säule oder dem Stab von dem Ende aus erzeugt, an dem auch die Amplitude der stehenden Welle erfaßt wird.

Dabei kann in der Praxis so vorgegangen werden, daß die stehende Welle durch einen Schallerzeuger (Tongenerator) erzeugt wird und daß die Amplitude der im Medium erzeugten, stehenden Welle mit einem Schallaufnehmer (Mikrofon) bestimmt.

Das erfindungsgemäße Meßverfahren ist den bekannten Meßverfahren, was Genauigkeit, Handhabbarkeit und die anfallenden Kosten betrifft überlegen und entspricht dem derzeitigen Stand der Technik, insbesondere hin-' sichtlich seiner Möglichkeit der Digitalisierung.

Anwendungsgebiete des erfindungsgemäßen Verfahrens sind das Messen von Pegelständen in der Hydrologie, von Quecksilbersäulen in der Vakuumtechnik, aber auch von Füllständen in Tanks. Darüberhinaus lassen sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende, genaue Druckschwankungsmeßgeräte und Verbrauchszähler verwirklichen.

Die nach dem »findungsgemäßen Verfahren arbeitenden Geräte arbeiten weitgehend ohne mechanische Teile und die erhaltenen Meßwerte lassen sich sofort weiterverarbeiten, da sie bereits in digitaler Form vorliegen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Füllstände von Tanks jeglicher Flüssigkeiten, wie beispielsweise Öl oder Flüssiggas genau messen und aufzeigen.

Weitere Anwendungsgebiete für das erfindungsgemäße Verfahren, das auch für Pegelmessungen verwendet werden kann, liegen in der Aerodynamik, in der Meteorologie und in der Vakuumtechnik, wo die Messung von manometrischen Flüssigkeitssäulen häufig vorkommt.

Da das erfindungsgemäße Verfahren sehr genau arbeitet, bietet es auch die Möglichkeit, die Menge einer aus -3-

AT 393 738 B einem Tank entnommenen Flüssigkeit durch Messen des alten und des neuen Pegelstandes zu bestimmen. Bei Anwendung dieses Verfahrens sind die aufwendigen, mechanischen oder induktiv arbeitenden Durchflußmengenzähler entbehrlich.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung werden anhand eines Beispiels, nämlich der Messung des 5 Wasserstandes in einem Brunnenschacht (oder einem sogenannten Peilrohr) näher erläutert w

Im Prinzip besteht bei diesem Beispiel die Aufgabe darin, die Länge der Luftsäule in einem Rohr zu messen, dessen unteres Ende durch den Wasserspiegel verschlossen ist

Die Messung wird ausgeführt, indem am offenen Ende des Rohres (d. h. am oberen Ende des Brunnenschachtes) ein Schallerzeuger (Tongenerator) und daneben ein Schallaufnehmer (Mikrofon) angeordnet werden. 10 Der Schallgeber gibt Schall mit bekannter Frequenz und damit bekannter Wellenlänge in das Rohr ab. Der Schallaufnehmer erfaßt fortlaufend die Tonstärke am offenen Ende des Rohres.

Die bekannte Frequenz des vom Schallgeber abgegebenen Schalls wird kontinuierlich (oder schrittweise) geändert, beispielsweise vergrößert Dadurch treten im Bereich des Schallaufhehmers (Mikrofons) Schwankungen der Tonstärke auf. Die Tonstärke ist ein Maß für die Amplitude der stehenden Welle. Die Tonstärke wird immer 15 ein Maximum erreichen, wenn sich ein Wellenbauch der vom Schallgeber (1) im einseitig geschlossenen Rohr (6) erzeugten, stehenden Schallwelle im Bereich des Schallaufnehmers (7) (Mikrofons) befindet. Dies ist in der angeschlossenen Zeichnung für die Fälle gezeigt, in welchen die vom Schallgeber (1) abgegebene Wellenlänge ein Viertel, drei Viertel, fünf Viertel der Rohrlänge beträgt Allgemein gilt, daß Wellenbäuche (Amplituden-maxima) am offenen Ende des Rohres (6) auftreten, wenn die Wellenlänge der stehenden Welle ein ungeradzahli-20 ges Vielfaches des Viertels der Rohrlänge ist

Bei der Durchführung des Meßverfahrens werden durch Änderung der (bekannten) Frequenz des Schallerzeugers und durch Feststellung der Resonanzstärke zwei aufeinanderfolgende Maxima der Wellenamplitude (Wellenbäuche) ermittelt. Es ist nicht notwendig zu wissen, um das wievielte Maximum es sich handelt.

Erfmdungsgemäß wird die gesuchte Länge der Mediumsäule bei bekannter Frequenz und bekannter Wellen-25 geschwindigkeit der in der Mediumsäule erzeugten stehenden Welle nach der Formel 1 c 30 berechnet. In dieser Formel (1) bedeutet L die Länge der Mediumsäule (im genannten Beispiel den Pegelstand im Brunnenschacht), c die Wellengeschwindigkeit (im Beispiel die Schallgeschwindigkeit), fn die Frequenz des n-ten Maximums und fn.j die Frequenz des (n-l)-ten Maximums.

Unter Berücksichtigung der Schallgeschwindigkeit in Luft 35 c = 331,3 + 0,61 (Meter/sek) kann die Formel (1) wie folgt umgeformt werden: 40

331,3 + 0,61 in' *n-l (2)

In dieser Formel bedeutet t die Temperatur des zu messenden Mediums in °C. 45 Die Gleichung (1) leitet sich aus den beiden Beziehungen 2n -1 (a) L = [2n -1] 4 4 <n 50 für das n-te Maximum und 55 (b)

Vl L= [2(n-l)-l]- 4 2n-3 c 4 rn-l * für das (n-l)-te Maximum ab. Dabei bedeutet -4-

AT 393 738 B

Xjj = Wellenlänge des n-ten Maximums fn = Frequenz des n-ten Maximums = Wellenlänge des (n-l)-ten Maximums fn_j = Frequenz des (n-l)-ten Maximums n = laufende Nummer des Maximums, sie fällt aus da* Lösung heraus, muß also nicht bekannt sein c = Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle im Medium L = gesuchte Länge.

Bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens müssen nicht zwei unmittelbar aufeinanderfolgende Maxima oder Minima ausgewertet werden. Vielmehr ist es möglich, auch Maxima oder Minima heranzuziehen, zwischen denen eine beliebige aber bekannte Anzahl von Maxima bzw. Minima liegt Bei zwei nicht unmittelbar aufeinanderfolgenden Maxima errechnet sich die Länge L 1 c L = a. — .- (3) 2 Vfn wobei σ Anzahl der durchgelaufenen Wellenbäuche fu Frequenz des u-ten Maximums fj, Frequenz des n-ten Maximums Xy Wellenlänge des u-ten Maximums X,j Wellenlänge des n-ten Maximums u laufende Nummer des zuletzt registrierten Maximums n laufende Nummer des als erstes registrierten Maximums

Weder n noch u müssen bekannt sein, jedoch muß die Differenz σ, a=u-n bekannt sein, wobei u> n sein soll.

Setzt man für Luft als Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwelle c = 331,3 + 0,61, erhält man 1 L = a. —. 2 331,3 + 0,6 t (4) f -f lu An

Die Formel (3) errechnet sich aus den folgenden zwei Bedingungen: letztes registriertes Maximum ^ 2u -1 c L = (2u -1).- -.— 4 4 ^ -5-

Claims (8)

1. AT 393 738 B erstes registriertes Maximum ^ 2n -1 c L = (2n -1).-=-.- 4 4 ^ Die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens konstruierten Geräte können so programmiert werden, daß sie teüweise oder vollständig selbsttätig arbeiten, so daß die Bedienungsperson bloß das Ergebnis, d. h. die gesuchte Länge ablesen muß. PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zum berührungsfreien Bestimmen der Länge einer Säule aus einem flüssigen oder gasförmigen Stoff, die in einem wenigstens einseitig geschlossenen, rohrförmigen Hohlraum enthalten ist, oder eines Stabes aus einem festen Stoff, bei dem man in der Säule oder im Stab eine stehende Welle mit bekannter Fortpflanzungsgeschwindigkeit und mit bekannter Frequenz oder Wellenlänge erzeugt, von welcher stehenden Welle ein Knoten an einem Ende des Stabes oder der Säule, insbesondere am dem offenen Ende des Hohlraums gegenüberliegenden, geschlossenen Ende liegt und bei dem die Frequenz der stehenden Welle geändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß man die Amplitude der stehenden Welle am anderen Ende der Säule oder des Stabes erfaßt, daß man die Frequenz der Welle so lange ändert, bis wenigstens zwei aufeinanderfolgende Maxima (Schwingungsbäuche), zwei aufeinanderfolgende Minima (Schwingungsknoten) oder ein auf ein Maximum folgendes Minimum der Amplitude der stehenden Welle erfaßt werden, und daß man die Länge des Stabes oder der Säule bei bekannter Frequenz f der stehenden Welle unter Verwendung dar Beziehung 1 c L = cr. —.- , (3) 2 f -f z *u rn in der L die Länge des Stabes oder der Säule, c die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Welle, fn die Frequenz der stehenden Welle beim ersten festgestellten Maximum oder Minimum, fQ die Frequenz der stehenden Welle beim zuletzt festgestellten Maximum oder Minimum und σ die Anzahl der festgestellten Maxima oder Minima ab dem n-ten bis zum u-ten Maximum oder Minimum ist, oder bei bekannt»: Wellenlänge λ unter Verwendung der Beziehung 1 \i-^n L = o. —.- , (5) 2 V\i in der L die Länge des Stabes oder der Säule, c die Fortpflanzungsgeschwindigkeit dar Welle, λ„ die Wellenlänge der stehenden Welle beim ersten festgestellten Maximum oder Minimum, λα die Wellenlänge der stehenden Welle beim zuletzt festgestellten Maximum oder Minimum und σ die Anzahl der festgestellten Maxima oder Minima ab dem n-ten bis zum u-ten Maximum oder Minimum ist, berechnet.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in der Säule oder dem Stab eine stehende, elektromagnetische Welle erzeugt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in der Säule, insbesondere im Falle eines gasförmigen Stoffes, oder im Stab eine stehende Schallwelle erzeugt.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die stehende Welle in der Säule oder dem Stab von dem Ende aus erzeugt, an dem die Amplitude der stehenden Welle erfaßt wird. -6- AT 393 738 B
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man im Falle einer in einem einseitig geschlossenen, rohrförmigen Hohlraum enthaltenen Säule die stehende Welle vom offenen Ende des Hohlraums aus erzeugt.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man zum Erzeugen der stehenden Welle einen Schallerzeuger (Tongenerator) verwendet.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man zum Bestimmen der Amplitude, der im Medium erzeugten, stehenden Welle einen Schallaufiiehmer (Mikrofon) verwendet
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Länge der Mediumsäule bei bekannter Frequenz und Wellengeschwindigkeit der in der Mediumsäule erzeugten, stehenden Welle nach der Formel 1 c L--.- , (1) 2 Vfn-1 in welcher L die Länge der Mediumsäule, c die Wellengeschwindigkeit, ffl die Frequenz des n-ten Maximums und fn.j die Frequenz des (n-l)-ten Maximums bedeutet berechnet. Hiezu 1 Blatt Zeichnung -7-