DE102005013269A1

DE102005013269A1 - Method for determining the liquid level of a liquid phase via an ultrasonic transit time measurement

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Publication number: DE102005013269A1
Application number: DE200510013269
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Dr. Salzburger; Frank Dipl.-Phys. Niese
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2005-03-22
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2006-09-28
Also published as: WO2006100048A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Flüssigkeitsstandes einer flüssigen Phase über eine Ultraschall-Laufzeitmessung. Bei dem Verfahren werden ein erster Wellenleiterabschnitt und ein zweiter Wellenleiterabschnitt von oben teilweise in die flüssige Phase eingetaucht und voneinander beabstandet ortsfest positioniert. Mit einem Ultraschall-Sender wird ein in Richtung der flüssigen Phase laufender Ultraschallimpuls als geführte elastische Welle im ersten Wellenleiterabschnitt erzeugt und mit einem Ultraschall-Empfänger ein im zweiten Wellenleiterabschnitt zurücklaufender Anteil des Ultraschallimpulses empfangen. Die Laufzeit des Ultraschallimpulses zwischen Ultraschall-Sender und Ultraschall-Empfänger wird gemessen, um aus der Laufzeit den Flüssigkeitsstand zu bestimmen. DOLLAR A Das vorliegende Verfahren kommt ohne mechanisch bewegliche Teile aus und ermöglicht eine genaue Bestimmung der Füllhöhe einer Flüssigkeit unabhängig von den Eigenschaften der Flüssigkeitsoberfläche.The present invention relates to a method for determining the liquid level of a liquid phase via an ultrasonic transit time measurement. In the method, a first waveguide section and a second waveguide section are partially immersed in the liquid phase from above and are stationarily positioned at a distance from each other. With an ultrasonic transmitter, an ultrasonic pulse running in the direction of the liquid phase is generated as a guided elastic wave in the first waveguide section and an ultrasonic receiver receives a portion of the ultrasonic pulse returning in the second waveguide section. The transit time of the ultrasonic pulse between the ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver is measured in order to determine the fluid level from the transit time. DOLLAR A The present method does not require any mechanical moving parts and allows an accurate determination of the level of a liquid regardless of the properties of the liquid surface.

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical application

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Flüssigkeitsstandes einer flüssigen Phase über eine Ultraschall-Laufzeitmessung, bei dem die Laufzeit eines Ultraschallimpulses zwischen einem Ultraschall-Sender und einem Ultraschall-Empfänger gemessen und aus der Laufzeit der Flüssigkeitsstand bestimmt wird.The The present invention relates to a method for determining the liquid level a liquid Phase over an ultrasonic transit time measurement, in which the duration of an ultrasonic pulse measured between an ultrasonic transmitter and an ultrasonic receiver and from the term of the liquid level is determined.

Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Messung der Füllhöhe eines mit Flüssigkeiten oder flüssigen Gasen befüllten Behälters, lässt sich jedoch ohne weiteres auch zur Bestimmung des Flüssigkeitspegels beispielsweise eines offenen Gewässers einsetzen.The Method is particularly suitable for measuring the level of a with liquids or liquid Gases filled container let yourself but also readily for determining the liquid level, for example an open water deploy.

Bei den üblichen Ultraschallverfahren zur Messung der Füllhöhe einer Flüssigkeit in einem Behältnis wird ein Ultraschallsignal bzw. Ultraschallimpuls in Richtung der Flüssigkeitsoberfläche ausgesendet, an der Flüssigkeitsoberfläche reflektiert und als Echosignal empfangen. Die Laufzeit des Echosignals ist bei bekannter Schallgeschwindigkeit ein Maß für die Füllhöhe. Die Ultraschallwellen werden dabei entweder am Boden des Behältnisses in der Flüssigkeit erzeugt oder als Luftultraschallwellen im flüssigkeitsfreien Raum oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche generiert.at the usual Ultrasonic method for measuring the level of a liquid in a container is an ultrasonic signal or ultrasonic pulse emitted in the direction of the liquid surface, reflected at the liquid surface and received as echo signal. The duration of the echo signal is at known sound velocity is a measure of the filling level. The ultrasonic waves will be either at the bottom of the container in the liquid generated or as air ultrasonic waves in the liquid-free space above the Liquid surface generated.

Die Auflösung bzw. Genauigkeit der Bestimmung der Füllhöhe hängt dabei von der Wellenlänge der Ultraschallwellen und den Reflexionseigenschaften der Flüssigkeitsoberfläche ab. Besonders bei Schaum- und Blasenbildung treten bei diesen bekannten Verfahren Probleme auf. Auch eine starke Wellenbewegung der Flüssigkeit, wie sie z.B. in Kraftstofftanks von Fahrzeugen vorkommen kann, verschlechtert deutlich die Reflexionseigenschaften der Flüssigkeitsoberfläche. Zusätzlich können Nebenechosignale, die von der Behältergeometrie herrühren, Fehlmessungen verursachen.The resolution or accuracy of the determination of the filling height depends on the wavelength of the ultrasonic waves and the reflective properties of the liquid surface. Especially in foam and blistering occur in these known Procedure problems on. Also a strong wave motion of the liquid, as they are e.g. may occur in fuel tanks of vehicles deteriorates clearly the reflection properties of the liquid surface. In addition, side echo signals, that of the container geometry originate, Cause incorrect measurements.

Neben den direkten Ultraschall-Puls-Echo-Verfahren sind auch Verfahren bekannt, bei denen ein Schwimmer eingesetzt wird, dessen Position durch Ultraschall-Laufzeitmessungen bestimmt wird. Derartige Verfahren reagieren zwar weniger empfindlich auf Schaum- und Blasenbildung, erfordern jedoch den Einsatz störanfälliger mechanisch bewegter Teile.Next The direct ultrasound pulse-echo method are also methods known in which a float is used whose position by ultrasonic transit time measurements is determined. Although such processes are less sensitive on foam and blistering, but require the use of susceptible mechanically moving parts.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Bestimmung des Flüssigkeitsstandes einer flüssigen Phase anzugeben, das keine mechanisch beweglichen Teile erfordert und eine hohe Genauigkeit unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit der Flüssigkeitsoberfläche ermöglicht.The The object of the present invention is a method for determining the liquid level a liquid Phase specify that requires no mechanical moving parts and high accuracy independently from the surface texture allows the liquid surface.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 bis 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The Task is with the method according to claims 1 to 3 solved. Advantageous embodiments of the method are the subject of the dependent claims or can be the following description and the embodiments remove.

Das vorliegende Verfahren zur Bestimmung des Flüssigkeitsstandes einer flüssigen Phase setzt eine Ultraschall-Laufzeitmessung ein, bei der die Laufzeit eines Ultraschallimpulses zwischen einem Ultraschall-Sender und einem Ultraschall-Empfänger gemessen und aus der Laufzeit der Flüssigkeitsstand bestimmt wird. Im Gegensatz zu den bereits bekannten Ultraschall-Verfahren zur Messung der Füllhöhe werden beim vorliegenden Verfahren in einer ersten Alternative ein erster Wellenleiterabschnitt und ein zweiter Wellenleiterabschnitt von oben teilweise in die flüssige Phase eingetaucht und voneinander beabstandet ortsfest positioniert. Mit einem Ultraschall-Sender wird ein in Richtung der flüssigen Phase laufender Ultraschallimpuls als geführte elastische Welle im ersten Wellenleiterabschnitt erzeugt und mit einem Ultraschall-Empfänger ein im zweiten Wellenleiterabschnitt aus der flüssigen Phase zurücklaufender Anteil des Ultraschallimpulses empfangen. Aus der Laufzeit des Ultraschallimpulses zwischen dem Ultraschall-Sender und dem Ultraschall-Empfänger lassen sich bei diesem Verfahren die Eintauchtiefe und damit der Flüssigkeitsstand bestimmen.The present method for determining the liquid level of a liquid phase uses an ultrasonic transit time measurement, at which the runtime an ultrasonic pulse between an ultrasonic transmitter and a Ultrasonic receiver measured and determined from the running time of the liquid level. In contrast to the already known ultrasonic methods of measurement the filling height are at present method in a first alternative, a first waveguide section and a second waveguide section from above partially into the liquid Phase immersed and spaced from each other stationarily positioned. With an ultrasonic transmitter becomes one in the direction of the liquid phase running ultrasonic pulse as guided elastic wave in the first Waveguide section generated and with an ultrasonic receiver in the second waveguide section returning from the liquid phase Received proportion of the ultrasonic pulse. From the duration of the ultrasonic pulse between the ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver In this method, the immersion depth and thus the liquid level determine.

Im Gegensatz zu den bekannten Ultraschall-Verfahren zur Messung der Füllhöhe wird hierbei nicht die Reflexion des Ultraschallimpulses an der Flüssigkeitsoberfläche ausgenutzt. Vielmehr koppelt im Kontaktbereich des ersten Wellenleiterabschnitts mit der flüssigen Phase Ultraschall-Energie in Form einer Longitudinalwelle in die flüssige Phase aus. Trifft die Longitudinalwelle unter einem geeigneten Winkel auf den zweiten Wellenleiterabschnitt, so wird dort wieder eine geführte elastische Welle angeregt, die im zweiten Wellenleiterabschnitt aus der flüssigen Phase heraus zurückläuft und vom Ultraschall-Empfänger detektiert werden kann. Die Laufzeit des Ultraschallimpulses zwischen dem Ultraschall-Sender und dem Ultraschall-Empfänger hängt von der Eintauchtiefe der Anordnung aus den beiden Wellenleiterabschnitten in die flüssige Phase ab. Bei größerer Eintauchtiefe ergibt sich eine längere Laufzeit des Ultraschallimpulses als bei kleinerer Eintauchtiefe. Dieser Effekt wird beim vorliegenden Verfahren zur Bestimmung des Flüssigkeitsstandes ausgenutzt.In contrast to the known ultrasonic methods for measuring the filling level, in this case the reflection of the ultrasonic pulse at the liquid surface is not utilized. Rather, coupled in Kontaktbe rich of the first waveguide section with the liquid phase ultrasound energy in the form of a longitudinal wave in the liquid phase. If the longitudinal wave strikes the second waveguide section at a suitable angle, then again a guided elastic wave is excited there, which runs back out of the liquid phase in the second waveguide section and can be detected by the ultrasonic receiver. The transit time of the ultrasonic pulse between the ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver depends on the immersion depth of the arrangement of the two waveguide sections in the liquid phase. With a larger immersion depth results in a longer duration of the ultrasonic pulse than at a smaller immersion depth. This effect is exploited in the present method for determining the liquid level.

In einer zweiten Alternative des Verfahrens wird anstelle des zweiten Wellenleiterabschnittes ein Reflektor für Ultraschall eingesetzt, der in gleicher Weise wie der zweite Wellenleiterabschnitt bei der ersten Alternative relativ zum ersten Wellenleiterabschnitt positioniert wird. In diesem Falle wird die in die flüssige Phase eingekoppelte Longitudinalwelle am Reflektor reflektiert und regt im ersten Wellenleiterabschnitt wiederum eine zurücklaufende geführte elastische Welle an, die in diesem Wellenleiterabschnitt von einem Ultraschall-Empfänger detektiert werden kann. Auch hier hängt die Laufzeit des Ultraschallimpulses von der Eintauchtiefe der Anordnung aus erstem Wellenleiterabschnitt und Reflektor in die flüssige Phase ab.In a second alternative of the method is used instead of the second Waveguide section a reflector used for ultrasound, the in the same way as the second waveguide section at the first Alternative positioned relative to the first waveguide section becomes. In this case, the longitudinal wave coupled into the liquid phase becomes reflected at the reflector and excites in the first waveguide section again a returning one guided elastic wave, in this waveguide section of a Ultrasonic receiver can be detected. Again, the duration of the ultrasonic pulse depends from the immersion depth of the array of first waveguide section and reflector in the liquid Phase off.

In einer dritten Alternative des Verfahrens wird ein erster Wellenleiterabschnitt eines zumindest annähernd rohrförmig ausgebildeten Wellenleiters eingesetzt, der eine zylindrische oder konische Form aufweist. Es kann sich hierbei um eine vollständig oder auch nicht vollständig geschlossene Rohrform handeln. Auch dieser Wellenleiterabschnitt wird von oben teilweise in die flüssige Phase eingetaucht und ortsfest positioniert. Die in die flüssige Phase eingekoppelte Longitudinalwelle wird innerhalb des durch die Rohrform gebildeten Volumens abgestrahlt und regt in diesem ersten Wellenleiterabschnitt wiederum eine zurücklaufende geführte elastische Welle an, die von einem Ultraschall-Empfänger detektiert werden kann. Auch hier hängt die Laufzeit des Ultraschallimpulses von der Eintauchtiefe des ersten Wellenleiterabschnitts in die flüssige Phase ab.In A third alternative of the method becomes a first waveguide section one at least approximate tubular trained waveguide, which is a cylindrical or has conical shape. It can be a complete or not completely act closed tube shape. Also this waveguide section is partially immersed in the liquid phase from above and Positionally positioned. The longitudinal wave coupled into the liquid phase is radiated within the volume formed by the tube shape and in turn excites a returning one in this first waveguide section guided elastic Wave, which can be detected by an ultrasonic receiver. Again, it depends the duration of the ultrasonic pulse of the immersion depth of the first Waveguide section into the liquid Phase off.

Durch den Einsatz stationärer Wellenleiterabschnitte bzw. Wellenleiter, die in die Flüssigkeit eintauchen, wird der Einfluss von Schaum oder Blasen an der Flüssigkeitsoberfläche auf die Messung eliminiert. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, die die Flüssigkeitsoberfläche mit Luft-Ultraschall detektieren, können beim vorliegenden Verfahren höhere Ultraschallfrequenzen, d.h. kleinere Wellenlängen, für die Messung eingesetzt werden. Dadurch wird eine höhere Genauigkeit bei der Bestimmung des Flüssigkeitsstandes erreicht. Da keine Reflexion von Ultraschallimpulsen an der Flüssigkeitsoberfläche ausgenutzt wird, besteht kein Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit auf das Messergebnis, so dass dadurch ebenfalls genauere Messergebnisse erzielt werden können.By the use of stationary Waveguide sections or waveguides that are in the liquid dipping, the influence of foam or bubbles on the liquid surface becomes the measurement is eliminated. Unlike traditional methods that the Liquid surface with Air ultrasound can detect higher in the present process Ultrasonic frequencies, i. smaller wavelengths to be used for the measurement. This will make a higher Accuracy in the determination of the liquid level achieved. Because no reflection of ultrasonic pulses on the liquid surface exploited is, there is no influence of the surface texture on the Measurement result, so that also more accurate results can be achieved.

Das Verfahren eignet sich vor allem für die Bestimmung der Füllhöhe einer flüssigen Phase, beispielsweise einer Flüssigkeit oder eines flüssigen Gases, in einem Behälter. Die Wellenleiterabschnitte können hierbei durch die Behälterwand in den Außenraum ragen, so dass auch die Ultraschall-Wandler außerhalb des Flüssigkeitsbehälters an den Wellenleiterabschnitten angebracht werden können. Dies ist insbesondere bei Anwendungen von Vorteil, bei denen die Füllhöhe von explosionsgefährlichen Stoffen bestimmt werden soll. Das Verfahren erfordert auch keinerlei bewegte Teile. Die Wellenleiterabschnitte bzw. der Wellenleiterabschnitt und der Reflektor ragen vielmehr als stationäre, mit dem Behälter fest verbundene Teile in die flüssige Phase hinein.The Method is especially suitable for determining the level of a liquid Phase, for example, a liquid or a liquid Gases, in a container. The waveguide sections can in this case through the container wall in the outside space protrude so that even the ultrasonic transducer outside of the liquid container the waveguide sections can be attached. This is special beneficial in applications where the level of explosive Substances should be determined. The process does not require any moving parts. The waveguide sections or the waveguide section and the reflector protrude rather than stationary, with the container connected parts in the liquid Phase into it.

Beim Einsatz des ersten und zweiten Wellenleiterabschnittes können diese Bestandteil eines einzigen, gebogenen Wellenleiters sein. Der Wellenleiter kann beispielsweise annähernd u-förmig gebogen sein, wobei die beiden Wellenleiterabschnitte vorzugsweise in Richtung der Flüssigkeit unter einem spitzen Winkel zulaufen oder annähernd parallel zueinander ausgerichtet sind. Ultraschall-Sender und Ultraschall-Empfänger können hierbei räumlich getrennt an beiden Wellenleiterabschnitten angebracht oder durch einen einzigen Ultraschall-Wandler realisiert sein. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, zwei getrennte Wellenleiter einzusetzen, die die beiden Wellenleiterabschnitte bilden. In diesem Fall sind dann zwei getrennte Ultraschall-Wandler als Ultraschall-Sender und als Ultraschall-Empfänger erforderlich.At the Use of the first and second waveguide section can this Be part of a single, curved waveguide. The waveguide can, for example, approximate U-shaped be bent, wherein the two waveguide sections preferably in the direction of the liquid run at an acute angle or aligned approximately parallel to each other are. Ultrasonic transmitter and ultrasonic receiver can spatially attached or separated at both waveguide sections be realized a single ultrasonic transducer. Of course, there is also the possibility use two separate waveguides, the two waveguide sections form. In this case, there are two separate ultrasonic transducers as an ultrasonic transmitter and as an ultrasound receiver required.

Im Falle der Alternative mit dem Reflektor können der Ultraschall-Sender und der Ultraschall-Empfänger am ersten Wellenleiterabschnitt ebenfalls sowohl durch getrennte Ultraschall-Wandler oder durch einen gemeinsamen Ultraschall-Wandler gebildet sein.in the Case of the alternative with the reflector, the ultrasonic transmitter and the ultrasound receiver also at the first waveguide section both by separate Ultrasonic transducer or through a common ultrasonic transducer be formed.

In allen Konstellationen hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die beiden Wellenleiterabschnitte bzw. der Wellenleiterabschnitt und der Reflektor unter einem spitzen Winkel angeordnet sind, wobei deren Abstand in Richtung der Flüssigkeit abnimmt. Bei einer derartigen festen gegenseitigen Anordnung wird ein besonders gut detektierbares Empfangssignal erzielt.In all constellations has been found to be particularly advantageous when the two waveguide sections and the waveguide section and the reflector are arranged at an acute angle, wherein the distance decreases in the direction of the liquid. In such a fixed mutual arrangement a particularly well detectable received signal is achieved.

Grundsätzlich können die Wellenleiter bzw. Wellenleiterabschnitte aus metallischen oder nichtmetallischen Werkstoffen bestehen. Sie sind vorzugsweise als Platten, Streifen, Stäbe oder Rohre ausgeführt. Der Reflektor besteht in bekannter Weise aus einem geeigneten Material höherer akustischer Impedanz für Longitudinalwellen als die Flüssigkeit.Basically, the Waveguide or waveguide sections of metallic or non-metallic Consist of materials. They are preferably as plates, strips, Bars or Tubes executed. The reflector consists in a known manner of a suitable material higher acoustic impedance for Longitudinal waves as the liquid.

Als Ultraschall-Sender und Ultraschall-Empfänger können beispielsweise piezoelektrische, elektromagnetische oder magnetostriktive Ultraschall-Wandler eingesetzt werden, mit denen sich geführte elastische Wellen im ersten Wellenleiterabschnitt erzeugen lassen. Die geführten elastischen Wellen werden vorzugsweise in Form von Lambwellen, Rayleighwellen oder longitudinalen Stabwellen erzeugt.When Ultrasonic transmitters and ultrasonic receivers can be, for example, piezoelectric, used electromagnetic or magnetostrictive ultrasonic transducer be guided with those generate elastic waves in the first waveguide section. The guided elastic waves are preferably in the form of Lamb waves, Rayleigh waves or longitudinal bar waves.

Bei der Vermessung einer flüssigen Phase in einem Behälter können die Wellenleiter bzw. Wellenleiterabschnitte sowohl vollständig innerhalb des Behälters angeordnet sein, als auch durch die Behälterwand hindurch in den Außenraum ragen. Im ersten Fall sind auch die ein oder mehreren Ultraschall-Wandler innerhalb des Behälters angeordnet. Im zweiten Fall können diese Ultraschall-Wandler außerhalb des Behälters an den oder die Wellenleiterabschnitte ankoppeln.at the measurement of a liquid Phase in a container can the waveguides or waveguide sections both completely within of the container be arranged, as well as through the container wall into the outer space protrude. In the first case, the one or more ultrasonic transducers inside the container arranged. In the second case can these ultrasonic transducers outside of the container to couple to the waveguide sections or.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of drawings

Das vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des durch die Patentansprüche vorgegebenen Schutzbereichs nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:The The present method will be described below with reference to exemplary embodiments in conjunction with the drawings without limiting the scope of the claims Protected area briefly explained again. Hereby show:

1 ein erstes Beispiel für eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens; 1 a first example of an arrangement for carrying out the method;

2 ein zweites Beispiel für eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens; 2 a second example of an arrangement for carrying out the method;

3 ein drittes Beispiel für eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens; 3 a third example of an arrangement for carrying out the method;

4 ein viertes Beispiel für eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens; 4 a fourth example of an arrangement for carrying out the method;

5 ein fünftes Beispiel für eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens; 5 a fifth example of an arrangement for carrying out the method;

6 ein sechstes Beispiel für eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens; 6 a sixth example of an arrangement for carrying out the method;

7 ein siebtes Beispiel für eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens; 7 a seventh example of an arrangement for carrying out the method;

8 Beispiele für die Querschnittsform der eingesetzten Wellenleiter; und 8th Examples of the cross-sectional shape of the waveguide used; and

9 eine Querschnittsform eines Wellenleiters in einem Schnitt parallel zur Flüssigkeitsoberfläche gemäß einem weiteren Beispiel für eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. 9 a cross-sectional shape of a waveguide in a section parallel to the liquid surface according to another example of an arrangement for carrying out the method.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to execute the invention

1 zeigt ein erstes Beispiel für eine Anordnung stationärer Wellenleiter 1 zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens. Die beiden Wellenleiter 1 sind hierbei in festem Abstand parallel zueinander ausgerichtet und teilweise in die zu vermessende Flüssigkeit 3 eingetaucht. Am linken der beiden Wellenleiter 1 ist ein Ultraschall-Sender 21, am rechten ein Ultraschall-Empfänger 22 angebracht. Mit dem Ultraschall-Sender 21 wird eine geführte Ultraschall-Welle 41 im linken Wellenleiter 1 erzeugt, die sich in Richtung der Flüssigkeit 3 ausbreitet, wie dies in der Figur angedeutet ist. Im Kontaktbereich der Flüssigkeit 3 mit dem Wellenleiter 1 wird eine longitudinale Ultraschall-Welle 42 in die Flüssigkeit 3 ausgekoppelt, die sich in Richtung des zweiten Wellenleiters 1 ausbreitet. Diese Longitudinalwelle 42 erzeugt im rechten Wellenleiter 1 eine zurücklaufende geführte elastische Welle 41, die vom Ultraschall-Empfänger 22, der außerhalb der Flüssigkeit 3 an diesem Wellenleiter angebracht ist, detektiert wird. Aus der Laufzeit des Ultraschallimpulses zwischen dem Ultraschall-Sender 21 und dem Ultraschall-Empfänger 22 kann die Höhe der Flüssigkeitsoberfläche 31, d.h. der Flüssigkeitsstand, bestimmt werden. Vorzugsweise werden hierzu mit dieser Anordnung vorab Eichmessungen durchgeführt, die die Eintauchtiefe der Anordnung in Abhängigkeit von der Laufzeit des Ultraschallimpulses angeben. 1 shows a first example of an arrangement of stationary waveguides 1 to carry out the present process. The two waveguides 1 are aligned at a fixed distance parallel to each other and partly in the liquid to be measured 3 immersed. On the left of the two waveguides 1 is an ultrasonic transmitter 21 , on the right an ultrasound receiver 22 appropriate. With the ultrasonic transmitter 21 becomes a guided ultrasonic wave 41 in the left waveguide 1 generated, moving in the direction of the liquid 3 spreads, as indicated in the figure. In the contact area of the liquid 3 with the waveguide 1 becomes a longitudinal ultrasonic wave 42 into the liquid 3 decoupled, moving in the direction of the second waveguide 1 spreads. This longitudinal wave 42 generated in the right waveguide 1 a returning guided elastic wave 41 that came from the ultrasound receiver 22 that is outside the liquid 3 attached to this waveguide is detected. From the duration of the ultrasonic pulse between the ultrasonic transmitter 21 and the ultrasound receiver 22 can the height of the liquid surface 31 , ie the liquid level, are determined. For this purpose, calibration measurements are preferably carried out with this arrangement beforehand, the depth of immersion of the arrangement as a function of the duration of the ultrasonic pulse specify this.

In der 2 ist eine verbesserte Anordnung zur Bestimmung des Flüssigkeitsstandes dargestellt, bei der die beiden Wellenleiter 1 unter einem spitzen Winkel verlaufen. Eine derartige Anordnung ergibt ein höheres Messsignal und führt somit auch zu einer prinzipiell besseren Messung.In the 2 an improved arrangement for determining the liquid level is shown, in which the two waveguides 1 at an acute angle. Such an arrangement results in a higher measurement signal and thus also leads to a fundamentally better measurement.

3 zeigt nochmals eine Anordnung wie die der 1 bei der Bestimmung der Füllhöhe in einem Behälter, dessen Behälterwand 32 in der Figur angedeutet ist. Die beiden Wellenleiter 1 ragen hierbei durch die Behälterwand 32 in den Außenraum, in dem auch der Ultraschall-Sender 21 und der Ultraschall-Empfänger 22 an den Wellenleitern 1 angebracht sind. Auf diese Weise lassen sich die stromführenden Teile außerhalb des Behälters anbringen, was insbesondere die Vermessung von explosionsgefährlichen Flüssigkeiten ermöglicht. 3 again shows an arrangement like that of 1 when determining the filling level in a container whose container wall 32 is indicated in the figure. The two waveguides 1 protrude through the container wall 32 in the outer space, in which also the ultrasonic transmitter 21 and the ultrasound receiver 22 at the waveguides 1 are attached. In this way, the live parts can attach outside the container, which in particular allows the measurement of explosive liquids.

4 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung einer Anordnung zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens, bei dem ein u-förmiger Wellenleiter 11 eingesetzt wird. Die beiden in die Flüssigkeit 3 tauchenden Wellenleiterabschnitte dieses Wellenleiters 11 verlaufen hierbei parallel zueinander. Im Übergangsbereich zwischen Schenkel und Bogen wird auf beiden Seiten dieses Wellenleiters 11 jeweils ein Ultraschall-Wandler angebracht, von denen der linke als Ultraschall-Sender 21 und der rechte als Ultraschall-Empfänger 22 dient. Der Ultraschall-Sender 21 erzeugt wiederum im Wellenleiter 11 eine geführte elastische Welle 41. 4 shows an advantageous embodiment of an arrangement for carrying out the present method, in which a U-shaped waveguide 11 is used. The two in the liquid 3 diving waveguide sections of this waveguide 11 in this case run parallel to each other. In the transition region between thigh and bow is on both sides of this waveguide 11 each mounted an ultrasonic transducer, of which the left as an ultrasonic transmitter 21 and the right as an ultrasonic receiver 22 serves. The ultrasound transmitter 21 in turn generates in the waveguide 11 a guided elastic wave 41 ,

Solange der Wellenleiter 11 nicht in Kontakt mit einer Flüssigkeit kommt, wird die geführte elastische Welle an seinen Enden reflektiert, so dass jedes Mal, wenn der Ultraschall-Empfänger 22 passiert wird, ein Echosignal detektiert wird. Dieses Echosignal kann zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit der Messeinrichtung, bspw. vor der Durchführung der Füllstandsmessung, genutzt werden. Treten die beiden Schenkel mit der Flüssigkeit 3 in Kontakt, koppelt im oberflächennahen Bereich eine Longitudinalwelle 42 unter einem Winkel in die Flüssigkeit aus. Der Winkel hängt u.a. von der Flüssigkeit ab und beträgt im Beispiel von Wasser etwa 40°. Diese Longitudinalwelle 42 erzeugt beim Erreichen des benachbarten Wellenleiterabschnitts wieder eine geführte elastische Welle 41 im Wellenleiter, die sich in Richtung des Ultraschall-Empfängers 22 ausbreitet und mit diesem detektiert werden kann.As long as the waveguide 11 does not come in contact with a liquid, the guided elastic wave is reflected at its ends, so every time the ultrasonic receiver 22 is passed, an echo signal is detected. This echo signal can be used to check the functionality of the measuring device, for example. Before performing the level measurement. Join the two thighs with the liquid 3 in contact, couples a longitudinal wave in the near-surface region 42 at an angle into the liquid. The angle depends inter alia on the liquid and is in the example of water about 40 °. This longitudinal wave 42 generates upon reaching the adjacent waveguide section again a guided elastic wave 41 in the waveguide, pointing towards the ultrasound receiver 22 spreads and can be detected with this.

Bei Versuchen mit einer Anordnung wie die der vorliegenden Ausführungsbeispiele hat sich gezeigt, dass die Laufzeit zwischen dem Ultraschall-Sender 21 und dem Ultraschall-Empfänger 22 umso höher ist, je tiefer die beiden Schenkel bzw. Wellenleiterabschnitte in die Flüssigkeit 3 eintauchen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Longitudinalwelle 42 in der Flüssigkeit 3 ist dabei deutlich kleiner als die der geführten elastischen Welle 41 im Wellenleiter. Hierbei wird angenommen, dass die Longitudinalwelle 42 zwischen den beiden Wellenleiterabschnitten mehrmals hin und her reflektiert wird, bevor die rücklaufende geführte elastische Welle 41 im Empfangswellenleiter erzeugt wird.In experiments with an arrangement such as the present embodiments, it has been shown that the transit time between the ultrasonic transmitter 21 and the ultrasound receiver 22 the higher the lower the two legs or waveguide sections into the liquid 3 plunge. The propagation velocity of the longitudinal wave 42 in the liquid 3 is significantly smaller than that of the guided elastic wave 41 in the waveguide. Here it is assumed that the longitudinal wave 42 is reflected back and forth between the two waveguide sections several times before the returning guided elastic wave 41 generated in the receiving waveguide.

Die gleiche Messung lässt sich mit nur einem Wellenleiter 1 durchführen, der in festem Abstand zu einem Reflektor 5 für Ultraschall-Wellen angeordnet ist. Dies ist in den 5 und 6 schematisch angedeutet. In diesen Fällen wird die in der Flüssigkeit abgestrahlte Longitudinalwelle 42 am Reflektor 5 reflektiert und erzeugt im Wellenleiter 1 wiederum eine zurücklaufende Welle 41, die vom gemeinsamen Sende/Empfangs-Wandler 2 detektiert werden kann. Auch hier werden die besten Ergebnisse mit einer Anordnung wie der der 6 erzielt, bei der der Reflektor 5 und der Wellenleiter 1 unter einem spitzen Winkel zueinander angeordnet sind, wobei der gegenseitige Abstand zur Flüssigkeit hin abnimmt.The same measurement can be done with just one waveguide 1 perform at a fixed distance to a reflector 5 is arranged for ultrasonic waves. This is in the 5 and 6 indicated schematically. In these cases, the longitudinal wave radiated in the liquid becomes 42 at the reflector 5 reflected and generated in the waveguide 1 again a returning wave 41 that from the common transmit / receive converter 2 can be detected. Again, the best results with an arrangement like the 6 scored at which the reflector 5 and the waveguide 1 are arranged at an acute angle to each other, wherein the mutual distance decreases towards the liquid.

7 zeigt schließlich eine Anordnung mit einem ebenfalls annähernd u-förmigen Wellenleiter 11, dessen Schenkel in Richtung der Flüssigkeit 3 hin unter einem spitzen Winkel zulaufen. Eine derartige Anordnung hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, da sie zum einen nur aus einem einzigen Wellenleiter 11 gebildet und somit sehr robust ist und zum anderen durch den spitzen Winkel, im vorliegenden Beispiel ein Winkel von etwa 10° zwischen den beiden Wellenleiterabschnitten bzw. Schenkeln, ein besonders großes Messsignal erhalten wird. Die Messung wurde in diesem Beispiel mit einer Frequenz von 600 kHz durchgeführt. Der Wellenleiter 11 ist aus einem 20 bis 25 mm breiten Stahlblech mit einer Dicke von 1 mm gebildet, das zu der gezeigten u-Form gebogen wurde. Die Länge der beiden Schenkel des Bleches betragen etwa 150 mm. Mit einer derartigen Anordnung konnte eine Laufzeitänderung von etwa 0,3 μs pro mm Schenkeleintauchtiefe in Wasser gemessen werden. 7 finally shows an arrangement with a likewise approximately U-shaped waveguide 11 whose legs are in the direction of the liquid 3 running at an acute angle. Such an arrangement has been found to be particularly advantageous, as they only one single waveguide 11 formed and thus very robust and on the other hand by the acute angle, in the present example, an angle of about 10 ° between the two waveguide sections or legs, a particularly large measurement signal is obtained. The measurement was carried out in this example with a frequency of 600 kHz. The waveguide 11 is formed of a 20 to 25 mm wide steel sheet with a thickness of 1 mm, which has been bent to the U-shape shown. The length of the two legs of the sheet is about 150 mm. With such an arrangement, a transit time change of about 0.3 .mu.s per mm thigh immersion depth in water could be measured.

Das hohe Messsignal ergibt sich offensichtlich dadurch, dass durch Mehrfachreflexionen zwischen den beiden Schenkeln im Wasser eine Richtungsumkehr des ursprünglich unter etwa 40° nach unten abgestrahlten Zentralstrahls der Longitudinalwelle erfolgt, die dann in dem anderen Schenkel die entsprechende rücklaufende geführte elastische Welle erzeugt. Bei einer parallelen Anordnung der beiden Schenkel kann eine derartige Richtungsumkehr nicht durch den Zentralstrahl sondern lediglich durch Randstrahlen des Schallbündels erreicht werden.Obviously, the high measurement signal results from the fact that multiple reflections between the two legs in the water result in a reversal of the direction of the central wave of the longitudinal wave originally emitted below about 40 °, which then becomes the corresponding one in the other leg returning guided elastic wave generated. In a parallel arrangement of the two legs, such a direction reversal can not be achieved by the central beam but only by marginal rays of the sound beam.

8 zeigt schließlich noch beispielhaft mögliche Querschnitte der eingesetzten Wellenleiter 1 bzw. 11. Im linken Teil ist in Draufsicht ein entsprechend platten- bzw. streifenförmiger Wellenleiter dargestellt, im mittleren Teil ein stabförmiger und im rechten Teil ein rohrförmiger Wellenleiter. Selbstverständlich lassen sich auch andere Quer schnittsformen realisieren, solange diese für die Führung einer elastischen Ultraschallwelle geeignet sind. 8th Finally, for example, shows possible cross sections of the waveguide used 1 respectively. 11 , In the left part of a corresponding plate or strip waveguide is shown in plan view, in the middle part of a rod-shaped and in the right part of a tubular waveguide. Of course, other cross-sectional shapes can be realized, as long as they are suitable for guiding an elastic ultrasonic wave.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein erster Wellenleiterabschnitt eines zumindest annähernd rohrförmig ausgebildeten Wellenleiters eingesetzt, der eine zylindrische oder konische Form aufweisen kann. In einer Schnittdarstellung im Längsschnitt erscheint ein derartiger Wellenleiter wie in der Darstellung der 1 und 2. Besonders vorteilhaft ist eine konische Form wie sie durch die 2 vermittelt wird. 9 zeigt eine Schnittdarstellung in einem Querschnitt parallel zu Flüssigkeitsoberfläche durch einen derartigen Wellenleiter 1, aus der die geschlossene Rohrform erkennbar ist. Die nicht dargestellten Sende- und Empfangswandler erstrecken sich in diesem Beispiel über den gesamten Umfang des Wellenleiters 1. Alternativ können auch mehrere Sende- und Empfangswandler über den Umfang des Wellenleiters 1 verteilt angeordnet sein. BEZUGSZEICHENLISTE

In a further embodiment, a first waveguide section of an at least approximately tubular waveguide is used, which may have a cylindrical or conical shape. In a sectional view in longitudinal section, such a waveguide appears as in the representation of 1 and 2 , Particularly advantageous is a conical shape as given by the 2 is taught. 9 shows a sectional view in a cross section parallel to the liquid surface through such a waveguide 1 , from which the closed pipe shape is recognizable. The transmitting and receiving transducers, not shown, in this example extend over the entire circumference of the waveguide 1 , Alternatively, multiple transmit and receive transducers may be placed over the circumference of the waveguide 1 be arranged distributed. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Claims

Method for determining the liquid level of a liquid phase ( 3 ) via an ultrasonic transit time measurement, in which - a first waveguide section ( 1 . 11 ) and a second waveguide section ( 1 . 11 ) from above partially into the liquid phase ( 3 ) are immersed and spaced from each other in a fixed position, - with an ultrasonic transmitter ( 21 ) in the direction of the liquid phase ( 3 ) running ultrasonic pulse ( 41 ) as a guided elastic wave in the first waveguide section ( 1 . 11 ), - with an ultrasonic receiver ( 22 ) in the second waveguide section ( 1 . 11 ) returning portion of the ultrasonic pulse ( 41 ), - the duration of the ultrasonic pulse ( 41 ) between ultrasonic transmitter ( 21 ) and ultrasonic receiver ( 22 ) is measured and determined from the running time of the liquid level.

Method for determining the liquid level of a liquid phase ( 3 ) via an ultrasonic transit time measurement, in which - a first waveguide section ( 1 ) and a reflector ( 5 ) for ultrasound from above partially into the liquid phase ( 3 ) are immersed and spaced from each other in a fixed position, - with an ultrasonic transmitter ( 21 ) in the direction of the liquid phase ( 3 ) running ultrasonic pulse ( 41 ) as a guided elastic wave in the first waveguide section ( 1 ) is produced, - with an ultrasonic receiver ( 21 ) after reflection on the reflector ( 5 ) in the first waveguide section ( 1 ) returning portion of the ultrasonic pulse ( 41 ), - the duration of the ultrasonic pulse ( 41 ) between ultrasonic transmitter ( 21 ) and ultrasonic receiver ( 22 ) is measured and determined from the running time of the liquid level.

Method for determining the liquid level of a liquid phase ( 3 ) via an ultrasonic transit time measurement, in which - a first waveguide section ( 1 ) of an at least approximately tubular waveguide, which has a cylindrical or conical shape and the tubular shape can be made completely or not completely closed, from above partially in the liquid phase ( 3 ) is immersed and fixed in position, - with an ultrasonic transmitter ( 21 ) in the direction of the liquid phase ( 3 ) running ultrasonic pulse ( 41 ) as a guided elastic wave in the first waveguide section ( 1 ), - with an ultrasonic receiver ( 21 ) in the first waveguide section ( 1 ) returning portion of the ultrasonic pulse ( 41 ), - the duration of the ultrasonic pulse ( 41 ) between ultrasonic transmitter ( 21 ) and ultrasound receivers ( 22 ) is measured and determined from the running time of the liquid level.

Method according to Claim 1, characterized in that the first waveguide section ( 1 . 11 ) and the second waveguide section ( 1 . 11 ) by two legs of a curved waveguide ( 11 ) are formed.

Method according to claim 2, 3 or 4, characterized in that as ultrasonic transmitter ( 21 ) and ultrasonic receiver ( 22 ) a single ultrasonic transducer ( 23 ) is used.

Method according to one of claims 1, 2, 4 or 5, characterized in that the first waveguide section ( 1 . 11 ) and the second waveguide section ( 1 . 11 ) or reflector ( 5 ) are arranged so that they are approximately parallel to each other.

Method according to one of claims 1, 2, 4 or 5, characterized in that the first waveguide section ( 1 . 11 ) and the second waveguide section ( 1 . 11 ) or reflector ( 5 ) are arranged so that they extend at an acute angle to each other, with their distance in the direction of the liquid phase ( 3 ) decreases.

Method according to one of claims 1, 2, 4 to 7, characterized in that the first waveguide section ( 1 . 11 ) and the second waveguide section ( 1 . 11 ) or reflector ( 5 ) are plate-shaped, rod-shaped strip-shaped or tubular.

Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the guided elastic wave as Lamb wave, Rayleigh wave or longitudinal rod wave in the first waveguide section ( 1 . 11 ) is produced.

Method according to one of claims 1 to 9 for measuring the filling level of a liquid phase ( 3 ) in a container.

Method according to claim 10, characterized in that the first ( 1 . 11 ) and optionally second waveguide section ( 1 . 11 ) through a wall ( 32 ) protrude of the container and the ultrasonic transmitter ( 21 ) and ultrasonic receiver ( 22 ) are arranged outside the container.

Method according to claim 10, characterized in that the first ( 1 . 11 ) and optionally second waveguide section ( 1 . 11 ) with the ultrasonic transmitter ( 21 ) and ultrasonic receiver ( 22 ) are placed completely inside the container.