DE68912759T2

DE68912759T2 - Flüssigkeitsniveauanzeiger.

Info

Publication number: DE68912759T2
Application number: DE89312914T
Authority: DE
Inventors: John Richard Webster
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1989-02-16
Filing date: 1989-12-11
Publication date: 1994-05-11
Anticipated expiration: 2009-12-12
Also published as: EP0382977B1; US5031451A; JPH02242124A; EP0382977A3; EP0382977A2; DE68912759D1; GB8903532D0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Flüssigkeitsniveau-Anzeiger zur Überwachung des Flüssigkeitspegels innerhalb eines Behälters.
Ein bekanntes Verfahren zur Überwachung von Flüssigkeitspegeln in einem Behälter besteht darin, eine Laufzeitmessung vorzunehmen. Ein Wandler sendet einen Ultraschall-Impuls entweder von einer Stelle über oder unter einem Flüssigkeitspegel aus, und die Reflexion des Ultraschalls von der Flüssigkeitsoberfläche wird vom Wandler erfaßt, und die Zeit, die der Ultraschall benötigt, um vom Wandler auf die Flüssigkeitsoberfläche und zurück zu gelangen, wird gemessen. Unter Benutzung der Kenntnis der Geschwindigkeit des Ultraschalls in der Flüssigkeit oder dem akustischen Leiter ist es dann möglich, das Flüssigkeitsniveau zu berechnen, wie dies in der EP-A-0 247 908 und der japanischen Patentanmeldung J61-120 020 A beschrieben ist.
Ein bekannter Flüssigkeitsniveau-Anzeiger zur Überwachung des Flüssigkeitsstandes in einem Behälter weist einen Ausbreitungskörper auf, der die Fortpflanzung von Spannungswellen zuläßt, wobei wenigstens ein akustischer Emissionswandler akustisch mit dem Ausbreitungskörper gekoppelt ist, wobei der wenigstens eine akustische Emissionswandler so angeordnet ist, daß er einen oder mehrere Spannungswellenimpulse in den Ausbreitungskörper schickt, wobei der wenigstens eine akustische Emissionswandler die Spannungswellen erfaßt, die sich in dem Ausbreitungskörper fortpflanzen, und ein elektrisches Signal erzeugt, wobei ein Analysator vorgesehen ist, um das elektrische Signal zu analysieren, um den Flüssigkeitspegel in dem Behälter anzuzeigen, der mit dem Ausbreitungskörper in Berührung steht.
Dieses bekannte Verfahren zur Überwachung von Flüssigkeitspegeln in einem Behälter besteht darin, zwei Wandler vertikal übereinander an der Behälterwand anzuordnen. Einer der Wandler emittiert einen Ultraschall-Impuls entweder von einer Stelle über dem Flüssigkeitspegel oder unter dem Flüssigkeitspegel, und der andere Wandler erfaßt den Ultraschall, der vertikal in der Behälterwand fortschreitet. Der Ultraschall, der sich in der Behälterwand fortpflanzt, wird gedämpft durch die Flüssigkeit, die die Behälterwand berührt. Die Amplitude des erfaßten Ultraschalls ist ein Maß des Flüssigkeitsniveaus innerhalb des Behälters. Dieses Verfahren ist jedoch nicht vollständig zufriedenstellend, weil die Amplitude des erfaßten Ultraschalls auch abhängig ist von der Wandlerempfindlichkeit und von dem Flüssigkeitsniveau. Dieses Verfahren würde eine sorgfältige Eichung erfordern, um die Wandlerempfindlichkeiten zu kompensieren.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Wandler ein akustischer Emissionswandler ist, der so angeordnet ist, daß er Spannungswellen erzeugt oder erfaßt und die Spannungswellenimpulse sich in dem Ausbreitungskörper während einer solchen Zeitdauer fortpflanzen, daß ein diffuses Spannungswellenfeld in dem Ausbreitungskörper erzeugt wird, wobei das diffuse Spannungswellenfeld durch irgendwelche Flüssigkeit, die in Berührung mit dem Ausbreitungskörper steht, gedämpft wird, so daß nach jedem der wenigstens einem Spannungswellenimpulse das diffuse Spannungswellenfeld in dem Ausbreitungskörper mit einer Abklingrate gedämpft wird und der wenigstens eine Wandler das diffuse Spannungswellenfeld in dem Ausbreitungskörper erfaßt und ein elektrisches Signal erzeugt, welches dem Pegel des diffusen Spannungswellenfeldes entspricht, wobei der Analysator Mittel aufweist, um die Abklingrate des diffusen Spannungswellenfeldes zu messen, wobei die Abklingrate des diffusen Spannungswellenfeldes von der Berührungsfläche zwischen der Flüssigkeit und dem Ausbreitungskörper abhängt und demgemäß das Flüssigkeitsniveau in dem Behälter anzeigt, das den Ausbreitungskörper berührt.
Der Ausbreitungskörper kann integral in die Wand des Behälters eingebaut sein.
Ein wenigstens erster Teil des Ausbreitungskörpers kann sich in den Behälter hinein erstrecken und innerhalb desselben angeordnet sein.
Ein zweiter Teil des Ausbreitungskörpers kann außerhalb des Behälters liegen, wobei wenigstens ein Wandler auf dem zweiten Teil des Ausbreitungskörpers angeordnet ist.
Ein erster Wandler kann so angeordnet sein, daß er Spannungswellenimpulse in den Ausbreitungskörper hinein überträgt, und ein zweiter Wandler ist derart angeordnet, daß er die Spannungswellen erfaßt, die sich in dem Ausbreitungskörper fortpflanzen.
Die Mittel zur Messung der Abklingrate können die Neigung der Umhüllung des diffusen Spannungswellenfeldes messen.
Die Mittel zur Messung der Abklingrate können die Abklingrate für einen Einschwing-Spannungswellenimpuls messen.
Die Mittel zur Messung der Abklingrate können die Abklingrate für wiederholte Spannungswellenimpulse messen.
Der wenigstens eine Wandler kann so angeordnet sein, daß er Spannungswellen erzeugt oder erfaßt, deren Frequenz im Bereich von 150 kHz liegt.
Die vorliegende Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt eines Behälters mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Flüssigkeitsniveau-Anzeiger,
Fig. 2 eine graphische Darstellung des Spannungswellenpegels in Abhängigkeit von der Zeit für einen typischen Einschwing-Spannungswellenimpuls,
Fig. 3 eine graphische Darstellung des Spannungswellenpegels in Abhängigkeit von der Zeit, woraus die Umhüllende des typischen Spannungswellenimpulses ersichtlich ist,
Fig. 4 eine graphische Darstellung des Spannungswellenpegels in Abhängigkeit von der Zeit für drei verschiedene Umhüllende von typischen Spannungswellenimpulsen,
Fig. 5 eine graphische Darstellung des Spannungswellenpegels in Abhängigkeit von der Zeit, wobei verschiedene Umhüllende eines einzelnen typischen Spannungswellenimpulses für unterschiedliche Wandlerempfindlichkeiten ersichtlich sind,
Fig. 6 eine graphische Darstellung der Abklingrate des diffusen Spannungswellenfeldpegels in Abhängigkeit von dem Flüssigkeitsniveau.
Ein Behälter 10 mit einem Flüssigkeitsniveau-Anzeiger 14 ist in Fig. 1 dargestellt. Der Behälter 10 enthält eine Flüssigkeit 12, und die Flüssigkeit 12 hat ein Flüssigkeitsniveau 13. Der Flüssigkeitsniveau-Anzeiger 14 weist ein Ausbreitungsorgan 16 auf, das die Ausbreitung von Spannungswellen, von elastischen Wellen, von Ultraschall- oder akustischen Emissionen ermöglicht. Das Ausbreitungsorgan 16 besteht aus irgendeinem geeigneten Material, das diese Eigenschaft besitzt. Das Ausbreitungsorgan 16 besteht in der dargestellten Form aus einem umgekehrten U-Stück, und ein erster Schenkel 15 des Ausbreitungsorgans 16 erstreckt sich in den Behälter 10 hinein und ist in diesem angeordnet. Ein zweiter Schenkel 17 des Ausbreitungsorgans 16 befindet sich außerhalb des Behälters 10. Ein erster Wandler 18 und ein zweiter Wandler 20 sind akustisch mit dem zweiten Schenkel 17 des Ausbreitungsorgans 16 gekoppelt. Der erste Wandler 18 ist ein Sender und ist elektrisch an einen Impulsgenerator 22 angeschlossen. Der zweite Wandler 20 ist ein Empfänger und elektrisch in Reihe mit einem Verstärker 24 und einem Analysator 26 geschaltet. Der Analysator 26 ist elektrisch an ein Display 28 und ein Aufzeichnungsgerät 30 angeschlossen.
Im Betrieb strahlt der Impulsgenerator 22 einen elektrischen Impuls oder Impulse nach dem ersten Wandler 18 ab, der Spannungswellen in den Ausbreitungskörper 16 überträgt. Die Spannungswellen pflanzen sich in dem Ausbreitungskörper 16 fort, und es erfolgt eine Rückstrahlung über das Ausbreitungsorgan 16 während einer beträchtlichen Zeitdauer, um ein diffuses Spannungswellenfeld zu erzeugen. Während dieser Rückstrahlung werden die Spannungswellen oft über den Ausbreitungskörper reflektiert, und beispielsweise kann es mehrere Tausend Reflexionen ergeben. Das diffuse Spannungswellenfeld wird durch das Ausbreitungsorgan selbst, aber in viel höherem Maße durch Flüssigkeit gedämpft, die das Ausbreitungsorgan berührt, wenn die Spannungswellen durch den Ausbreitungskörper 16 fortgepflanzt werden. Das Ausmaß der Dämpfung des diffusen Spannungswellenfeldes ist abhängig von der Fläche des Ausbreitungsorgans, die mit der Flüssigkeit in Berührung steht.
Der zweite Wandler 20 erfaßt den Pegel des diffusen Spannungswellenfeldes im Ausbreitungskörper und wandelt die Spannungswellen in ein elektrisches Signal um. Das elektrische Signal wird durch den Verstärker 24 verstärkt und dann durch den Analysator 26 analysiert, um die Dämpfung des diffusen Spannungswellenfeldes zu messen. Das Ausmaß der Dämpfung des Spannungswellenfeldes zeigt die Fläche des Ausbreitungsorgans 16 an, die durch die Flüssigkeit bedeckt ist, und dies hängt wiederum von dem Niveau der Flüssigkeit innerhalb des Behälters ab, die den Ausbreitungskörper 16 berührt. Der Analysator ist so ausgebildet, daß er ein elektrisches Ausgangssignal nach einem Display 28 und einem Aufzeichnungsgerät 30 schickt. Das Display 28 kann beispielsweise eine visuelle Display-Einheit oder ein Meßgerät sein.
Vorzugsweise strahlt der Wandler 18 einen einzigen Einschwing-Spannungswellenimpuls aus, der im Ausbreitungskörper 16 wiederholt zurückgeworfen und vom Wandler 20 erfaßt wird. Der empfangene wiederholt zurückgeworfene Spannungswellenpegel 30 von einem einzigen Einschwing-Spannungswellenimpuls ist in Fig. 2 und in Fig. 3 dargestellt, woraus eine Hüllkurve 32 ersichtlich ist, die der Analysator 26 dem Rückprall-Spannungswellenpegel-Gerät 30 über die Spitzen und Täler der Reflexionen zuführt.
Der Analysator 26 mißt die Abklingrate des diffusen Spannungswellenfeldes, d. h. die Abklingrate des Rückprall- Spannungswellenpegels, aus einem einzigen Einschwing- Spannungswellenimpuls. Die Fig. 4 zeigt Hüllkurven 34, 36 und 38, die vom Wandler 20 aus einem einzigen Einschwing- Spannungswellenimpuls bei drei unterschiedlichen Flüssigkeitsniveaus im Behälter erfaßt wurden, und es ist deutlich ersichtlich, daß die Hüllkurve 36 eine kleinere Abklingrate besitzt, d. h. eine kleinere Neigung als die Hüllkurve 34, und daß die Hüllkurve 38 die kleinste Abklingrate hat. Die Hüllkurve 34 entspricht dem höchsten Flüssigkeitsniveau, und die Hüllkurve 38 entspricht dem niedrigsten Flüssigkeitsniveau. Fig. 5 zeigt Hüllkurven 40, 42, 44 und 46, die durch Wandler 20 mit verschiedenen Empfindlichkeiten bei dem gleichen Flüssigkeitsstand erfaßt wurden. Es ist deutlich ersichtlich, daß die Abklingrate des Rückprall-Spannungswellenpegels konstant bleibt, obgleich der maximale Spannungswellenpegel mit der Empfindlichkeit abfällt.
Die Messung der Abklingrate des diffusen Spannungswellenfeldes ist genauer und stellt eine wiederholbare Technik dar, um das Flüssigkeitsniveau zu messen, und diese Messung bleibt durch die Wandlerempfindlichkeit oder Änderungen der Wandlerempfindlichkeit unbeeinflußt.
Fig. 6 zeigt eine graphische Darstellung der Abklingrate des diffusen Spannungswellenfeldpegels in Abhängigkeit von dem Flüssigkeitsniveau, und dies zeigt ein stetiges Ansteigen der Abklingrate mit dem Flüssigkeitsniveau über dem gesamten Bereich. Eine monoton ansteigende lineare Beziehung scheint über dem gesamten Bereich zu bestehen.
Es ist möglich, die Nicht-Linearitäten durch geeignete Gestalt des Ausbreitungskörpers oder dadurch zu kompensieren, daß geeignete Korrekturen im Analysator vorgenommen werden.
Es ist möglich, mehr als einen einzigen Einschwing- Spannungswellenimpuls zu benutzen, beispielsweise eine wiederholte Spannungswellenimpuls-Emission.
Bei gewissen Anwendungen kann es notwendig sein, das Ausbreitungsorgan mit einer Hülle zu versehen, die für die Ausbreitungswellen undurchlässig ist, so daß das Ausbreitungsorgan gegenüber der Flüssigkeit isoliert ist.
Der zweite Teil des Ausbreitungskörpers kann einen Wellenleiter derart bilden, daß die Wandler an einer Stelle entfernt vom Behälter angeordnet werden können, insbesondere dann, wenn der Behälter sich in einer feindseligen Umgebung befindet, so daß die Wandler geschützt werden.
Obgleich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Wandler benutzt wurden, ist es möglich, nur einen einzigen Wandler zu benutzen, der als Sender/Empfänger wirkt. Eine solche Anordnung erfordert jedoch eine komplexere Elektronik.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6, welches tatsächliche Messungen der Spannungswellenpegel-Abklingrate in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsniveau darstellt, wurden Spannungswellen mit einem Frequenzgehalt im Bereich von 150 kHz erzeugt und unter Benutzung von piezo-elektrischen Resonanzwandlern erfaßt.
Der Ausbreitungskörper kann einen Teil der Behälterwandung bilden. Es ist jedoch zweckmäßig, den Ausbreitungskörper vom Behälter zu trennen, weil der Ausbreitungskörper von äußeren Störquellen isoliert sein sollte, und außerdem wird dadurch die Möglichkeit geschaffen, den Ausbreitungskörper so zu gestalten, wie dies vorstehend beschrieben wurde.

Claims

1. Flüssigkeitsniveau-Anzeiger zur Überwachung des Flüssigkeitsstandes in einem Behälter, mit einem Ausbreitungskörper (16), der die Fortpflanzung von Ausbreitungswellen ermöglicht, mit wenigstens einem Wandler (18, 20), der akustisch mit dem Ausbreitungskörper (16) gekoppelt ist, wobei der wenigstens eine Wandler (18, 20) so angeordnet ist, daß er einen oder mehrere Impulse in den Ausbreitungskörper (16) überträgt und der wenigstens eine Wandler (18, 20) die Impulse erfaßt, die sich in dem Ausbreitungskörper (16) fortpflanzen, und ein elektrisches Signal erzeugt, mit einem Analysator (26), der das elektrische Signal analysiert, um das Niveau der Flüssigkeit anzuzeigen, die sich in dem Behälter befindet und das Ausbreitungsorgan (16) berührt, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Wandler (18, 20) ein akustische Emission abstrahlender Wandler ist, der Spannungswellen erzeugt oder erfaßt, daß der Spannungswellenimpuls sich im Ausbreitungskörper (16) während einer solchen Zeitdauer fortpflanzt, daß ein diffuses Spannungswellenfeld in dem Ausbreitungskörper (16) erzeugt wird, daß das diffuse Spannungswellenfeld durch irgendwelche Flüssigkeit gedämpft wird, die sich in Berührung mit dem Ausbreitungskörper (16) befindet, so daß nach jedem der wenigstens einen Spannungswellenimpulse das diffuse Spannungswellenfeld im Ausbreitungskörper (16) mit einer Abklingrate ausgelöscht wird, daß der wenigstens eine Wandler (18, 20) das diffuse Spannungswellenfeld im Ausbreitungskörper (16) erfaßt und ein elektrisches Signal erzeugt, welches dem Pegel des diffusen Spannungswellenfeldes entspricht, daß der Analysator (26) Mittel aufweist, um die Abklingrate des diffusen Spannungswellenfeldes zu messen, daß die Abklingrate des diffusen Spannungswellenfeldes abhängig ist von der Berührungsfläche zwischen der Flüssigkeit und dem Ausbreitungskörper (16) und daß dies das Niveau der Flüssigkeit im Behälter anzeigt, die mit dem Ausbreitungskörper (16) in Berührung steht.

2. Flüssigkeitsniveau-Anzeiger nach Anspruch 1, bei welchem der Ausbreitungskörper (16) integral mit der Wand des Behälters (10) ausgebildet ist.

3. Flüssigkeitsniveau-Anzeiger nach Anspruch 1, bei welchem wenigstens ein Teil (15) des Ausbreitungskörpers (16) sich in den Behälter (10) hinein erstreckt und innerhalb des Behälters angeordnet ist.

4. Flüssigkeitsniveau-Anzeiger nach Anspruch 3, bei welchem ein zweiter Teil (17) des Ausbreitungskörpers (16) außerhalb des Behälters (10) angeordnet ist und der wenigstens eine Wandler (18, 20) an dem zweiten Teil (17) des Ausbreitungskörpers (16) angeordnet ist.

5. Flüssigkeitsniveau-Anzeiger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem ein erster Wandler (18) vorgesehen ist, um Spannungswellenimpulse in den Ausbreitungskörper (16) abzustrahlen, und ein zweiter Wandler (20) vorgesehen ist, um die Spannungswellen zu erfassen, die sich in dem Ausbreitungskörper (16) fortpflanzen.

6. Flüssigkeitsniveau-Anzeiger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Mittel zur Messung der Abklingrate die Neigung der Hüllkurve des diffusen Spannungswellenfeldes messen.

7. Flüssigkeitsniveau-Anzeiger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Mittel zur Messung der Abklingrate die Abklingrate für einen Einschwing-Spannungswellenimpuls messen.

8. Flüssigkeitsnievau-Anzeiger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Mittel zur Messung der Abklingrate die Abklingrate für wiederholte Spannungswellenimpulse messen.

9. Flüssigkeitsniveau-Anzeiger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der wenigstens eine Wandler (18, 20) Spannungswellen erzeugt oder erfaßt, deren Frequenz im Bereich von 150 kHz liegt.