AT397430B - Vorrichtung zur längenbestimmung - Google Patents

Description

AT 397 430 B

Die Erfindung betrifft eine V orrichtung zum Durchführen des V erfahrene zum Bestimmen der Länge einer Säule aus einem gasförmigen oder flüssigen Stoff mittels stehender Schallwellen nach dem Patent Nr. 393 738.

DasPatentNr. 393 738 (A 68/89) 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, odereines 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. Bei diesem Verfahren wird so voigegangen, daß man die Amplitude der stehenden Welle am anderen Ende der Säule oder des Stabes erfaßt, daß man die Frequenz da1 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

L __ 1 C " * 2 * fH-f„ ,(3) in der L die Länge des Stabes oder der Säule, c die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Welle, fh die Frequenz da1 stehenden Welle beim ersten festgestellten Maximum oder Minimum, fu die Frequenz der stehenden Welle beim zuletzt festgestellten Maximum oder Minimum oder σ die Anzahl der festgestellten Maxima oder Minima ab dem u-ten bis zum n-ten Maximum oder Minimum ist, oder bei bekannter Wellenlänge λ unter Verwendung der

Beziehung

L -n 3- ^u‘ 2 · λ -λ„ ,(5) in der L die Länge des Stabes oder der Säule, c die Fortpflanzungsgeschwindigkeit da Welle, λα die Wellenlänge da stehenden Welle beim asten festgestellten Maximum oder Minimum, λα die Wellenlänge da stehenden Welle beim zuletzt festgestellten Maximum oda Minimum oda s die Anzahl der festgestellten Maxima oda Minima ab dem n-ten bis zum u-ten Maximum oder Minimum ist, berechnet

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach gebaute Vorrichtung za Messung von Längen einer Flüssigkeits- oder Gassäule nach dem Verfahren des Stammpatentes anzugeben.

Za Lösung dieser Aufgabe ist die gattungsgemäße Vorrichtung gekennzeichnet dach einen Lautsprecher, der mit einem Abstandhalter verbunden ist, dessen dem Lautsprecher gegenüberliegender Teil am offenai Ende eines die Säule enthaltenden Rohres anlegbar ist und dach ein vorzugsweise am Teil befestigtes Empfangsmikrofan als Schallaufnehmer am offenen Ende des die Säule enthaltenden Rohres.

Mit der erfmdungsgemäßen Vorrichtung wird ein konstanter Pegel (Schalldruck) der vom Tongenerator abgegebenen Welle gewährleistet auch wenn die Frequenz/Wellenläge bei Benutzung der erfmdungsgemäßen Vorrichtung geändert wird.

Bevorzugte Weiterbildungen der erfmdungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung dient za Ankoppelung der für die Längenmessung eines insbesondere rohrförmigen Hohlkörpers mittels Schallwellen benötigten Schallquelle an den Hohlkörper. Die Erregung der Gasoder Luftsäule muß auf solche Weise erfolgen, daß die Ausbildung eindeutiger Resonanzen gewährleistet ist, damit eine Messung nach dem im Stammpatent beschriebenen Verfahren einfach und genau erfolgen kann. Die Ankoppelung der Sendewelle erfolgt mit der erfmdungsgemäßen Vorrichtung derart, daß die reflektierte, stehende Welle frei an der Eintrittsöffnung austreten kann. Daher kann es nicht zu Überlagerungen der stehenden Welle mit der reflektierten, stehenden Welle kommen. So sind zusätzliche Pegelunterschiede beim Empfangsmikrofon, die zu Fehlinterpretationen führen können, vermieden.

Weiters kann ein über den Frequenzbereich konstanter Pegel dadurch erzielt werden, daß gemäß einer Ausführungsform Lautsprecher ein den Schalldruck im Resonanzraum erfassendes Regler-Mikrofon über einen Regler zugeordnet ist, der den Lautsprecher so steuert, daß der Schalldruck im Resonanzraum bei sich ändernder Frequenz konstant gehalten ist.

Anwendungsgebiete der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind das Messen von Pegelständen in der Hydrologie, von Quecksilbersäulen in der Vakuumtechnik, aber auch von Füllständen in Tanks. Darüber hinaus kann die -2-

AT 397 430 B erfindungsgemäße Vorrichtung als Durckschwankungsmeßgerät und Verbrauchszähler eingesetzt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet weitgehend ohne mechanische Teile und die erhaltenen Meßwerte lassen sich sofort weiterverarbeiten, da sie bereits in digitaler Form vorliegen. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich Füllstände von Tanks für jegliche Flüssigkeiten, wie beispielsweise Öl oder Flüssiggas genau messen und 5 aufzeigen.

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

Da die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr genau arbeitet, bietet sie auch die Möglichkeit, die Menge einer aus 10 einem Tank entnommenen Flüssigkeit durch Messen des alten und des neuen Pegelstandes zu bestimmen. Bei dieser

Verwendung sind die aufwendigen, mechanischen oder induktiv arbeitenden, bekannten Durchflußmengenzähler entbehrlich.

Die Messung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ausgeführt, indem am offenen Ende des Rohres ein Schalierzeuger (Tongenerator) und daneben ein Schallaufnehmer (Mikrofon) angeordnet werden. Der Schallgeber 15 gibt Schall mit z. B. bekannter Frequenz und damit bekannter Wellenlänge in das Rohr ab. Der Schallaufnehmer erfaßt fortlaufend die Tonstärke am offenen Ende des Rohres.

Die bekannte Frequenz (oder Wellenlänge) des vom Schallgeber abgegebenen Schalls wird kontinuierlich (oder schrittweise) geändert, beispielsweise vergrößert. Dadurch treten im Bereich des Schallaufnehmers (Mikrofons) Schwankungen der Tonstärke auf. Die Tonstärke ist ein Maß für die Amplitude der stehenden Welle. Die Tonstärke 20 wird immer ein Maximum erreichen, wenn sich ein Wellenbauch der vom Schallgeber im einseitig geschlossenen Rohr erzeugten, stehenden Schallwelle im Bereich des Schallaufnehmers (Mikrofons) befindet Dies«' Fall ist in Fig. 1 für die Fälle gezeigt, in welchen die konstante Rohrlänge L ein Viertel, drei Viertel, fünf Viertel bzw. sieben VierteldervomSchallgeberjeweilsäbgegebenen Wellenlängebeträgt. Allgemeingilt,daßWellenbäuche(Amplituden-maxima) am offenen Ende des Rohres auftreten, wenn die Rohrlänge (Länge der Gas- oder Flüssigkeitssäule) ein 25 ungeradzahliges Vielfaches des Viertels der Wellenlänge der stehenden Welle ist

Beim Meßverfahren gemäß dem Stammpatent werden durch Änderung der (bekannten) Frequenz des Schallerzeugers und durchFeststellungderResonanzstärke zwei aufeinanderfolgende Maxima derWellenampIitude (Wellenbäuche) ermittelt Es istnichtnotwendig zu wissen, um das wievielte Maximum es sich handelt Die gesuchte Länge der Mediumsäule wirdbei bekannter Frequenz und bekannter Wellengeschwindigkeit der in der Mediumsäule 30 erzeugten, stehenden Welle nach der Formel 35 L=i (1) berechnet. In dieser Formel bedeutetLdieLängeder Mediumsäule (z. B. der Pegelstand in einem Brunnenschacht), c die Wellengeschwiftdigkeit (im Beispiel die Schallgeschwindigkeit), fn die Frequenz des n-ten Maximums und 40 fn-l die Frequenz des (n-l)-ten Maximums.

Unter Berücksichtigung der Schallgeschwindigkeit in Luft c = 331,3 + 0,61 (Meter/sek) 45 kann die Formel (1) wie folgt umgeformt werden: r_l 331/3+0/61 ~2' TTf 50 55 λ An-i

In dieser Formel bedeutet t die Temperatur des zu messenden Mediums in °C. Die Gleichung (1) leitet sich aus den beiden Beziehungen (a) 4 4 fa -3- (2)

AT 397 430 B für das n-te Maximum und (b) L= [2(13-1)-1] λΛ-ι _ 2n-3 c 4 ‘•a-l für das (n-l)-te Maximum ab. Dabei bedeutet: λη = Wellenlänge des n-ten Maximums fn = Frequenz des n-ten Maximums λη-ΐ = Wellenlänge des (n-l)-ten Maximums fn-l = Frequenz des (n-l)-ten Maximums n - laufende Nummer des Maximums, sie fällt aus der Gleichung heraus, muß also nicht bekannt sein c - Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle im Medium L = gesuchte Länge.

Bei der Ausführung des Verfahrens gemäß dem Stammpatent müssen nicht unbedingt zwei unmittelbar aufeinanderfolgende Maxima oder Minimaausgewertet werden. Vielmehr istes 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 aus (3) wobei σ = Anzahl der durchgelaufenen Wellenbäuche (abgesehen vom ersten) fu = Frequenz des u-ten Maximums fn = Frequenz des n-ten Maximums

Xu = Wellenlänge des u-ten Maximums λη = Wellenlänge des n-ten Maximums u = laufende Nummer des zuletzt registrierten Maximums n = laufende Nummer des als ersten registrierten Maximums

Weder n noch u müssen bekannt sein; jedoch muß die Differenz σ, o=u-n bekannt sein. Es ist u > n, wenn bei der Messung die Frequenz erhöht wird. Setzt man für Luft als Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwelle c = 331,3 +0,6 t, erhält man L=o, 1 331,3+0,6t 2 ‘ fu-fn (4)

Die Formel (3) errechnet sich aus den folgenden zwei Bedingungen: letztes registriertes Maximum £=(2u-i)3a,liti = 4 4 f

erstes registriertes Maximum B i 4 fs -4- 5

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Wenn die Wellenlänge und die Geschwindigkeit der Welle bekannt sind, kann die Länge nach der Beziehung L=a.

1 2 * K-K (5) errechnet werden. In dieser Beziehung bedeutet 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, λα die Wellenlänge der stehenden Welle beim zuletzt festgestellten Maximum oder Minimum und σ die 10 Anzahl der festgestellten Maxima oder Minima zwischen dem u-ten und dem n-ten Maximum oder Minimum.

Mit dem erfindungsgemäßen V erfahren kann auch das Füllen eines Tanks überwacht und gesteuert werden. Dabei wird zunächst der Pegelstand wie weiter oben beschrieben ermittelt Dann wird bei konstanter Frequenz der in den Tank abgegebenen Welle der Tank gefüllt. Dabei wird die Zahl der Wellenbäuche erfaßt und, nachdem die der Differenz zwischen dem früher bestimmten Pegelstand und dem zu erreichenden Pegelstand entsprechende Anzahl 15 der Wellenbäuche (oder Minima) festgestellt worden ist, das Füllen des Tanks abgebrochen.

Im übrigen hat sich herausgestellt, daß das Empfangsmikrofon nicht genau am Ende dar Säule angeordnet sein muß. Solange das Mikrofon nicht weiter als ein Achtel der Wellenlänge außerhalb oder innerhalb der Säule angeordnet ist, wird ein zutreffendes Ergebnis der Längenmessung »reicht

Wenn in den Gleichungen (3) und (5) fn größer als fu oder größer als λη ist, entspricht die Länge dem 20 Absolutwert des Ergebnisses der Rechnung.

In Fig. 1 sind einige beispielsweise Fälle stehender Wellen in einem Rohr, in den Fig. 2 bis S schematisch Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und in den Fig. 6a und 6b Schwingungsamplituden in Abhängigkeit von der Frequenz daigestellt.

In Fig. 1 sind einige beispielsweise Fälle stehend»: Wellen in einem Rohr (6) gezeigt wobei dem offenen 25 Rohrende (5) ein Schallgeber (Tongenerator) (1) und ein Schallaufnehmer (Mikrofon) (7) zugeordnet ist Für das erste in Fig. 1 gezeigte Beispiel gilt Wellenlänge λ=4 L, für das zweite Beispiel gilt Well»i]änge λ=4/3 L, für das dritte Beispiel gilt Wellenlänge λ=4/5 L und für das vierte Beispiel gilt Wellenlänge λ=4/7 L.

Allgemein gilt: 30 4 2n-l

.L

Daraus leitet sich ab: 35 1,= (212-1)

K 'T 40 WieFig. 1 zeigt, istamSchallgeber(l)stetseinSchwingungsbauchundamfesten(geschlossenen)Rohiendestets ein Schwingungsknoten.

Die Schwingungsweite (Amplitude) und damit die Tonstäike am Mikrofon (7) erreicht immer dann ein Maximum, wenn die vom Schallgeh»' (1) abgestrahlte Wellenlänge λ ein ungeradzahliger Bruchteil der vierfachen Rohrlänge L ist also 4/1,4/3,4/5,4/7,... usw. der Rohrlänge L, d. h. w»in die Rohrlänge 1/4,3/4,5/4,7/4,... usw. 45 der vom Schallgeber (1) abgestrahlten Wellenlänge λ beträgt, also ein ungeradzahliges Vielfaches des Viertels der

Wellenlänge ist

Die Vorrichtung gemäß Fig. 2 besitzt als Schallerzeuger einen Lautsprecher (1), der in einem Resonanzraum (2) mit verengter, rohrförmiger Schallaustrittsöffhung (3) eingebaut ist

Das Gehäuse des Resonanzraumes (2) ist mit einem Abstandhalter (4) versehen, der am offenen Ende (5) eines 50 Rohres (6), dessen Länge zu bestimmen ist, angelegt wird.

Am offenen Ende (5) des Rohres (6) wird weiters ein Schallaufnehmer (7) angeordnet, der im Ausführungs-beispiel als Empfangsmikrofon ausgeführt ist Das Empfangsmikrofon (7) kann am an das Ende (5) des Rohres (6) angelegten Teil (8) des Abstandhalters (4) befestigt sein.

Der Abstandhalter(4) ist soausgeführt, daß die Abstrahlung derreflektiertenWelle(9)möglichstwenigbebindert 55 wird. Hiezu sind die Stege des Abstandhalters (4) quer zur Abstrahlung schmal ausgebildet

Im Resonanzraum (2), z. B. am Gehäuse desselben, ist ein Regler-Mikrofon (10) angeordnet Dieses Regler-Mikrofon (10) ist über einen Regler (11) mit dem Lautsprecher (1) gekuppelt und steuert dessen Schallabgabe so, daß bei jeder Frequ»iz (Wellenlänge) im Resonanzraum (2) der gleiche Schalldruck herrscht -5-

Claims (8)

1. AT 397 430 B Das zur Ausführung des Verfahrens gemäß dem Stammpatent verwendete Gerät kann so programmiert werden, daß es teilweise oder vollständig selbsttätig arbeitet, so daß die Bedienungsperson bloß das Ergebnis, d. h. die gesuchte Länge äblesen muß. Die Vorrichtung gemäß Fig. 3 besteht aus einem Gehäuse (21), einem Abstandhalter (22) (Abstandsstäbe (40), Auflagerstäbe (41), Haltering (42)), einem Lautsprecher (1), einem Empfangsmikrofon (7), einem Regleimikrofon (25), einer Regeleinheit (26) und einem Sinusgenerator (27). Die Formgebung des Gehäuses (21) an der Schallaustrittsöffnung (3) ist derart, daß die reflektierte Wellenfront nicht mehr zurück in das Rohr (6) reflektiert werden kann. Der Abstandhalter (22) hat die Aufgabe, den Lautsprecher (1) in einem günstigen Abstand vom offenen Ende des Rohres (6) zu halten und das Empfangsmikrofon (7) an der Rohreintrittsöffnung zu placieren. Die Teile des Abstandhalters (22), insbesondere dessen Auflagestäbe (41), sind so ausgeführt, daß in der abgestrahlten und reflektierten Wellenfront möglichst keine Reflexionen entstehen. Als vorteilhafte Formen haben sich für die Auflagestäbe (41) Rundstäbe und für den Haltering (42) ein Ring mit im Axialschnitt runden Stirnflächen erwiesen, wie dies in Einzelheiten auch in Fig. 4 gezeigt ist. Die Regeleinheit (26) besteht aus dem Regleimikrofon (25), einem Vorverstärker (30), einem digitalen Filter (31), dessen Durchlaßfrequenz mit der Sendefrequenz mitgeführt wird, einem Gleichrichter (32), einem Amplitudenmodulator (33), einem Quarzoszillator (34), einem Frequenzvervielfacher (35) und einem Rechteck-Sinus-Konverter (37). Das Blockschaltbild der Regeleinheit (26) ist in Fig. 5 dargestellt. In Fig. 6a ist die Schwingungsamplitude in Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt. Die Genauigkeit der Messung ist von der Genauigkeit des Erkennens der Schwingungsmaxima (Schwingungsminima) abhängig. Die in Fig. 6a dargestellten Maxima sind eindeutig meßbar und liefern daher ein genaues Ergebnis. Die Genauigkeit hängt auch noch direkt von der Anzahl der Maxima im Meßbereich ab. Je mehr Maxima gemessen werden, desto kleinawird der prozentuale Fehler, der bei der Maximaerkennung auftritt. In Abb. 6b ist eine Schwingungsamplitude dargestellt, die durch zusätzliche Reflexionen beeinträchtigt ist. Das Maximum bei Δ fl entsteht, wenn Reflexionen auftreten, die eine Pegelerhöhung verursachen. Die Pegelabsenkung bei Δ f kann durch eine Reflexion mit dem Gehäuse oder durch eine falsche Ankoppelung entstehen. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ein hohes Maß an Genauigkeit und Meßsicherheit erreicht werden. Hiefür sind u. a. günstig: - Die Ausführung des Gehäuses und des Abstandhalters sind so gestaltet, daß möglichst keine zusätzlichen Reflexionen entstehen (Fig. 3, Fig. 4). - Der Einkoppelungspegel der Sendewelle wird über den gesamten Frequenzbereich konstant gehalten. - Die größte Empfindlichkeit des Regel· und des Empfangsmikrofons wird mit der Sendefrequenz mitgefuhrt, um Umgebungsgeräusche auszuschalten. PATENTANSPRÜCHE 1. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zum Bestimmen da* Länge einer Säule aus einem gasförmigen odo-flüssigen Stoff mittels stehender Schallwellen nach don Patent Nr. 393 738, gekennzeichnet durch einen Lautsprecher (1), der mit einem Abstandhalter (4,22) verbunden ist, dessen dem Lautsprecher (1) gegenüberliegender Teil (8) am offenen Ende (5) eines die Säule enthaltenden Rohres (6) anlegbar ist, und durch ein vorzugsweise am Teil (8) befestigtes Empfangsmikrofon (7) als Schallaufnehmer am offenen Ende (5) des die Säule enthaltenden Rohres (6).
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lautsprecher (1) in einem Resonanzraum (2) angeordnet ist
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Resonanzraum (2) begrenzendes Gehäuse eine verengte, rohrförmige, auf das offene Ende (5) des Rohres (6) hin gerichtete Schallaustrittsöffriung (3) aufweist.
4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß don Lautsprecher (1) ein den Schalldruck im Resonanzraum (2) erfassendes Regler-Mikrofon (10) über einen Regler (11) zugeardnet ist, der den Lautsprecher (1) so steuert, daß der Schalldruck im Resonanzraum (2) bei sich ändernder Frequenz konstant gehalten ist -6- AT 397 430 B S. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, mit welcher der Frequenzbereich des Empfangsmikiofons (7), in dem dieses am empfindlichsten ist, unveränderbar und an die Frequenz der vom Lautsprecher (1) abgegebenen Sendewelle anpaßbar ist
5. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandhalt»: (22) einen Haltering (42) aufweist, der über Abstandsstäbe (40) mit dem Gehäuse des Resonanzraumes (2) verbunden ist, und der Auflagestäbe (41) aufweist
6. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflagestäbe (41) in das Innere des Halteringes 10 (42) ragen und üb« den Haltering (42) nach außen vorstehen.
7. 8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Resonanzraum (2) begrenzendes Gehäuse ein eine Schallaustrittsöffnung (3) bildendes Rohr aufweist das sich zu seinem freien Ende hin konisch verjüngend ausgebildet ist 15
8. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dem offenen Ende (5) des Rohres (6) zugekehrten Flächen des Abstandhalters (22), insbesondere sein« Auflagestäbe (41) und seines Halteringes (42), konvex gekrümmt sind. 20 Hiezu 4 Blatt Zeichnungen -7-