DE10325953A1

DE10325953A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Niveauhöhen geschichteter Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE10325953A1
Application number: DE2003125953
Authority: DE
Inventors: Frank-Michael Jaeger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-06-07
Filing date: 2003-06-07
Publication date: 2004-12-23

Abstract

Das Verfahren dient der Messung von Niveauhöhen geschichteter Flüssigkeiten in einem Behälter. Die Messung der Niveauhöhen und der Trennschicht erfolgt berührungslos. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. DOLLAR A Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Sendeimpuls eines Ultraschallwandlers von unten oder oben in die geschichteten Flüssigkeiten schallt. Die obere Phasengrenze der oberen Flüssigkeit ergibt das Echo mit der höchsten Amplitude. Durch die Zeitreihenanalyse sind die Wertepaare aus Laufzeit und Amplitude den Phasen zuordenbar. DOLLAR A Derartige Verfahren werden bei der Prozesskontrolle von Verfahren zur Stofftrennung in der Chemie, Pharmazie und bei der Erdölaufbereitung allgemein benötigt. DOLLAR A Ein weiteres Einsatzgebiet der Erfindung ist die Überwachung von nichtmischbaren Flüssigkeiten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Niveauhöhen geschichteter Flüssigkeiten in einem Behälter und/oder zur Bestimmung der Grenzschichten in Mehrphasengemischen von Flüssigkeiten in einem Behälter sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Behälter können allseitig geschlossene druckbeaufschlagte Behälter oder aber auch offene Gruben sein.

Derartige Grenzschichtbestimmungen werden in der chemischen Produktion und der Erdölaufbereitung zur Produktabtrennung allgemein benötigt. Auch bei der pharmazeutischen Produktion werden bestimmte Produkte aus Mischungen selektiv durch Extraktionsmittel gewonnen.

In geeigneten Behältern oder Gruben findet eine Schichtung der verschiedenen Flüssigkeiten auf Grund ihrer unterschiedlichen Dichte statt.

Bei diskontinuierlichen Prozessen werden zum Beispiel die geschichteten Flüssigkeiten in Ruhebecken abgezogen. Mittels verschiedener Messverfahren werden im Auslauf bestimmte physikalische Parameter gemessen.

So können die Flüssigkeiten durch unterschiedliche Leitfähigkeiten unterschieden werden. Diese Methode bestimmt aber nur die Art der auslaufenden Flüssigkeit. Über die Niveauhöhen der einzelnen Flüssigkeiten können aber keine Informationen gewonnen werden.

Auch mit einer kapazitiven Sonde können Veränderungen des Dielektrikums gemessen werden. So kann mit schwimmenden Sonden eine Veränderung der oberen Phase erfasst werden. Ändern zwei Phasen gleichzeitig ihre Niveaus, ist keine Aussage über die einzelnen Phasen möglich. Ein weitere Nachteil besteht darin, das Flüssigkeiten mit ähnlicher oder gleicher Dielektrizitätskonstante (DK) nicht unterscheidbar sind.

Einige Flüssigkeiten können durch geringe Anteile von Wasser ihre DK so ändern, dass eine Messung sehr erschwert oder sogar unmöglich wird.

Ein weiterer Nachteil ist die berührende Messung mit einer Sonde.

Bei einem aus der DE 101 46 636 bekannten Verfahren wird mit einem oder mehreren NMR-Sensoren die Phasengrenze bestimmt. Großtechnische Prozesse in der Chemie oder im Raffineriebereich sind mit diesem empfindlichen (nuclear magnetic resonance)- Verfahren nicht steuerbar.

Auch mit dem berührungslosen Gammamessverfahren ist eine Trennschichtmessung nicht problemlos möglich. Der Umgang mit den radioaktiven Strahlern setzt besondere Genehmigungen voraus. Kleine Niveauhöhen ähnlicher Flüssigkeiten sind nur sehr schwer oder gar nicht bestimmbar. Um messbare Schwächungen der Gammastrahlen zu erreichen, sind bestimmte Mindestmesswege notwendig. Kleine Behälter oder Standrohre sind damit nicht ausrüstbar.

Als Beispiel für diese Verfahren sei auf das in der DE 19722837 beschriebene Verfahren zur Füllstandmessung mit Gammastrahlern und einer virtuellen linearen Detektoranordnung verwiesen.

DE 4215363 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Niveaeauhöhe einer horizontalen Grenzschicht in Mehrphasengemischen mit einem Ultraschallsensor und einem Ultraschallempfänger. Ein definierter vertikaler Flächenbereich eines Mehrphasengemisches wird von einem Sender mit Ultraschall unter einem bestimmten Winkel beschallt. Aus dem reflektierten Ultraschallanteil wird auf die Niveauhöhe der Grenzschicht geschlossen.

Mit diesem Verfahren ist die gleichzeitige Bestimmung zweier sich verändernder Niveauhöhen nicht möglich.

Alle Verfahren mit stabähnlichen Sonden, an denen dichteempfindliche Sensoren befestigt sind liefern nur punktförmige Ergebnisse. Nur mit einer Vielzahl von Messelementen ist eine quasidynamische Messung möglich.

In der DE 100 14 724 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben wo Schwingelemente in das Medium eintauchen und neben der Anwesenheit einer Flüssigkeit auch deren Dichte durch die Frequenzänderung feststellen. Diese Schrift soll stellvertretend für alle Verfahren und Vorrichtungen mit Schwingelementen, unabhängig von deren Ausgestaltung, stehen. Für alle Vorrichtungen, die in das Medium hineinragende Schwingelemente besitzen, gelten die schon oben genannten Nachteile.

Alle bisher bekannten Verfahren gestatten keine dynamische Messung mit wenig Aufwand.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, das die Feststellung der Niveauhöhen der geschichtete Flüssigkeiten unabhängig von einander ermöglicht. Eine weitere Ausführung des Verfahrens der Erfindung gestattet neben der Feststellung der Niveauhöhen der Flüssigkeiten, auch die Messung der Gesamthöhe der Flüssigkeiten im Behälter unabhängig von der Bauart. Die Messungen können von oben oder unten, berührend oder berührungslos erfolgen.

Diese Niveauhöhenbestimmungen können als messbare unabhängige Größen zur Weiterverarbeitung einer Prozesssteuerung oder Prozessregelung zur Verfügung gestellt werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der oben genannten Art durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Ein an sich bekannter Ultraschallsensor sendet einen Ultraschallimpuls in die Flüssigkeit. Nach dem Laufzeitverfahren wird die Entfernung zu einem Reflektor bestimmt. Von jeder Phasengrenze, auch von den Flüssig-Flüssig-Grenzen werden Ultraschallwellen reflektiert. Je nach Größe des Sprunges der akustischen Impedanz wird ein Teil des Ultraschalls an der Phasengrenze reflektiert und der andere Teil dringt in die zweite Phase ein. An der nächsten Phasengrenze erfolgt wiederum eine Reflexion und eine Transmission. Bei bestimmten Phasengrenzen kann es zur Totalreflexion kommen.

Die Signalhöhe der reflektierten Echos ist unterschiedlich. So ist das erste Echo von der Phasengrenze Flüssig-Flüssig schwächer als das zweite Echo von der Phasengrenze Flüssig-Fest oder Flüssig-Gas.

Mit einer kleinen Verstärkung wird zuerst das Echo der Phasengrenze Flüssig-Fest erfasst.

Steigt die Verstärkung, wird ein Echo mit geringerer Laufzeit erfasst. Die Verstärkung wird dazu nach Patentanspruch 2 zyklisch verändert.

Die Veränderung kann kontinuierlich (z.B. Rampenfunktion) oder in Schritten erfolgen. Auch können mehrere Empfangskanäle parallel mit einem Signalprozessor verarbeitet werden.

Für die verfahrensgemäße Gewinnung der Messdaten sind dazu alle Mittel der Verstärkungsvariation geeignet.

Zur Auswertung der Messwerte werden diese nach Patentanspruch 3 in zeitlicher Reihenfolge geordnet.

Durch Vergleich der Zeitintervalle zwischen Sendeimpuls und Echos einerseits und den Zeitintervallen zwischen den Echos andererseits können gemäß Patentanspruch 4 Mehrfachechos erkannt werden. In die Auswertung werden auch die Differenzen der einzelnen Echos auf etwaige ganze Vielfache überprüft. Sollte die Laufzeit in beiden Flüssigkeiten jeweils gleich groß sein, wird ein Doppelecho durch Vergleich der notwendigen Verstärkungen ausgeschlossen, da die Reflexion an der oberen Phasengrenze bei geringerer Verstärkung erfolgt, als die der Phasengrenze Flüssig-Flüssig.

Die abgelegten Schallgeschwindigkeiten gelten für eine Temperatur. Ist mit veränderlichen Temperaturen zu rechnen, kann durch die Berücksichtigung der temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit die der jeweiligen Flüssigkeit zugeordnete Schallgeschwindigkeit korrekt berücksichtigt werden (Anspruch 5).

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:

1 das Blockschaltbild einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung

2 eine schematische Darstellung der Zeitdiagramme zur Funktionsweise der Vorrichtung gemäß der Erfindung

3 eine schematische Darstellung des Einbaues der erfindungsgemäßen Vorrichtung von unten auf der Behälterwand

4 eine schematische Darstellung des Einbaues der erfindungsgemäßen Vorrichtung von unten an ein Standrohr

5 eine schematische Darstellung des Einbaues der erfindungsgemäßen Vorrichtung von oben an ein Standrohr

6 eine schematische Darstellung des Einbaues zweier Ultraschallwandler gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung von unten auf der Behälterwand

7 eine schematische Darstellung des Einbaues der erfindungsgemäßen Vorrichtung von unten auf der Behälterwand unterhalb eines Schutzrohres im Behälter Das in 1 dargestellte Blockschaltbild einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung enthält einen Ultraschallwandler 1 der über den Sende-Empfangs-Umschalter 3 mit dem Sendegenerator 4 und dem Empfangsverstärker 5 verbunden ist. Eine Steuerschaltung 2 steuert den Sendeimpulsgenerator 4 so, dass die Pulsfolgefrequenz der Sendeimpulse auch Mehrfachechos der oberen Phasengrenze gestattet. Gleichzeitig wird der Empfangsverstärker 5 von der Steuerschaltung in seiner Verstärkung zwischen zwei vorbestimmten Verstärkungen innerhalb eines Messzyklus ständig kontinuierlich verändert.

Die Veränderung kann als Erhöhung schrittweise von Sendezyklus zu Sendezyklus z.B. in Schritten von 1 dB erfolgen.

Werden in der Auswerte- und Steuerschaltung schnelle Signalprozessoren verwendet, kann die Verstärkung auch während der Laufzeit des Sendeimpulses verändert werden. Bei jedem vom Empfänger registriertren Echo wird die dazugehörende Laufzeit mit der aktuellen Verstärkung als Wertepaar P im Speicher 6 abgelegt. Bei genügend großem Speicheraum und schnellen Signalprozessoren kann die Auflösung der Verstärkung auch kleiner 0,1 dB gewählt werden.

Die in der Steuerschaltung 2 enthaltene Auswerteeinheit vergleicht die abgespeicherten Wertepaare P.

Über die beiden Digital-Analogwandler 9 und 10 erfolgt die Ausgabe der beiden Niveaus. Es versteht sich von selbst, dass der Bezugspunkt für die Niveauhöhe frei einstellbar ist, so z.B. der Behälterboden oder aber auch jede andere Niveauhöhe (z.B. Trennschicht) ausgegeben werden kann.

Über eine, für Messgeräte übliche, Schnittstelle 8 kann die Ausgabe digital erfolgen und die Vorrichtung parametriert werden.

Auf weitere Einzelheiten zur Schnittstelle wird hier verzichtet.

Auf die weitere spezielle Signalverarbeitung, wie Glättung , Filterung von Ausreissern, Plausibilitäsprüfung, Mittelwertbildung und Fuzzi Logic wird hier nicht näher eingegangen.

Die Funktionen der einzelnen Schaltungsteile können natürlich auch mit einem elektronischen Schaltkreis realisiert werden

Die Arbeitsweise einer Vorrichtung nach 1 gemäß der Erfindung zeigt 2. Im Zeitdiagramm 2a wird ein Sendeimpuls S in die Flüssigkeit abgegeben. Diagramm 2a zeigt, wie nach dem Sendeimpuls bei einer relativ geringen Verstärkung ein Echoimpulse E_1,1 zum Zeitpunkt T_1,1 erscheint.

Dieses Echo ist das Echo der Phasengrenze der oberen Flüssigkeit gegenüber einem Gas oder einem Feststoff (Behälterdecke).

An dieser Phasengrenze ist der Sprung der akustischen Impedanz am größten. Der Anteil der Ultraschallenergie, der als Reflexion zurückkehrt, ist bei einer Gasüberlagerung der oberen Flüssigkeit besonders hoch, da hier praktisch eine Totalreflexion stattfindet.

Dementsprechend ist auch die Impulshöhe dieser Reflexion am größten. Wird die Verstärkung dementsprechend klein gewählt, sind vorher liegende Echos nicht erkennbar.

In Diagramm 2b wird gezeigt, wie in einem der folgenden Sendezyklen mit steigender Verstärkung zum Zeitpunkt T_1,2 das Echo E_1,2 erscheint.

Der Echoimpuls E_2,2 zum Zeitpunkt T_2,2 von der Oberfläche der oberen Flüssigkeit besitzt eine weitaus größere Amplitude als E_1,2. Praktische Messungen haben ergeben, dass der Unterschied 10 dB bis 15 dB betragen kann.

In dem Zeitdiagramm 2c wird gezeigt, wie mit steigender Verstärkung auch Mehrfachreflexionen entstehen und damit weitere Echos empfangen werden.

Die Gruppe der Wertepaare E_2,3 + T_2,3; E_5,3 + T_5,3 und E_6,3 + T_6,3 gehört zur oberen Flüssigkeit.

Die Gruppe der Wertepaare E_1,3 + T_1,3; E_3,3 + T_3,3 und E_4,3 + T_4,3 gehört zur unteren Flüssigkeit.

Innerhalb der Gruppen der Wertepaare sind die Impulshöhen in der Regel monoton fallend. Die Zuordnung der Wertepaare zur jeweiligen Gruppe ergibt sich aus der Analyse der Zeitreihe.

Damit die Prüfung auf ganze Mehrfache der Impulslaufzeit zwischen Sendeimpuls S und dem ersten Echo der Phasengrenze Flüssig-Flüssig und Flüssig-Feststoff oder Flüssig-Gas möglich ist, müssen praktikable Tolleranzen für die Laufzeiten berücksichtigt werden. Die Impulslänge kann besonders bei großen Behälterwandstärken erheblich sein. Kurze Echoimpulse werden bei geringen Wandstärken der Behälter erreicht.

Durch direkten Kontakt der Ultraschallsensoren mit der Flüssigkeit, d.h. direkter Einbau in die Wand, werden die kürzesten Echoimpulse erreicht. Nachteilig ist dabei aber die direkte Produktberührung.

Sind die Impulslaufzeiten in den Flüssigkeiten stark unterschiedlich, ist z.B. die Impulslaufzeit in der unteren Flüssigkeit wesentlich kleiner als die in der oberen Flüssigkeit, zeigt sich ein Zeitdiagramm wie in 2d.

Die Gruppe der Wertepaare E_1,4 + T_1,4; E_2,4 + T_2,4 und E_3,4 + T_3,4 gehört zur oberen Flüssigkeit.

Die Gruppe der Wertepaare E_4,4 + T_4,4; E_5,4 + T_5,4 und E_6,4 + T_6,4 gehört zur unteren Flüssigkeit.

Die Mehrfachechos der unteren Flüssigkeit können durchaus noch in die Echos der oberen Flüssigkeit fallen.

Alle denkbaren Möglichkeiten sind hier nicht aufgeführt. Die Zeitdiagramme sollen nur stellvertretend für die unterschiedlichsten bildlichen Darstellungen der Echos dienen. Unter bestimmten Bedingungen und hohen Verstärkungen können neben den Echos zwischen der jeweiligen Phasengrenze und der Behälterwand bzw. dem Sensor, auch Reflexionen zwischen den einzelnen Phasengrenzen auftreten. Diese zusätzlichen Echos liegen zwischen den bisher in den Zeitdiagrammen aufgeführten Echos.

Durch die schon weiter oben aufgeführte Analyse der Zeitreihe sind diese erkennbar. Zur Analyse müssen nicht wie hier gezeigt 3 Wertepaare verwendet werden. 1 Wert je Phase ist zur Messung der Niveauhöhen geschichteter Flüssigkeiten ausreichend.

Eine Ausgestaltung der Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt 3.

An einem Trennbehälter 1 zur Trennung von Benzin 7 und Prozesswasser 6 eines Crackers muss zur optimalen Fahrweise die Höhe der oben schwimmenden Benzinfraktion 7 geregelt werden. Die zu trennende Mischung aus Benzin 7 und Prozesswasser 6 tritt am Einlass 2 in den Trennbehälter 1 ein. Am anderen Ende des Trennbehälters 1 befindet sich am unteren Teil der Auslas 3 für das Prozesswasser 6. Am oberen Teil des Trennbehälters 1 ist der Auslas 4 und damit Tiefpunkt des Niveaus des oben schwimmenden Benzins 7 mit dem überlagerten Schutzgas 9. Auf dem Weg vom Einlas 2 zu den Ausläsen 3 und 4 trennt sich das Flüssigkeitsgemisch aus Benzin 7 und Prozesswasser 6.

Am hinteren Ende des Trennbehälters 1 zwischen den Ausläsen 3 und 4, befindet sich der Ultraschallwandler 5. Dieser sendet während eines Messzyklus Ultraschallimpulse und empfängt mit wechselnder Verstärkung Ultraschallechos der Trennschicht Benzin 7 und Prozesswasser 6 und der Phasengrenze zwischen Benzin 7 und Schutzgas 9.

Der Ort für die Montage des Ultraschallschwingers sollte so gewählt werden, das keine oder nur wenige störende Echos von im Wasser schwimmenden Benzinteilchen vom Ultraschallwandler erfasst werden.

4 zeigt die Montage des Ultraschallwandlers 5 an einem mit dem Trennbehälter 1 verbunden Standrohr 10. Über Ausgleichsleitungen stellt sich die gleiche Höhe der Trennschicht wie im Trennbehälter 1 ein. Mitgerissene Benzinteilchen können die Messung nicht stören. Diese Art der Messwertgewinnung ist bei schwierigen Messverhältnissen im Trennbehälter zu empfehlen. Vorhandene Standrohre mit Schwimmer oder Verdränger können so zur Messung mit einem Ultraschallwandler genutzt werden. Am unteren Ende ist gegebenenfalls der untere Flansch zur Montage des Ultraschallwandlers zu modifizieren. Handelsübliche Flansche besitzen meist mittig einen Anschluss oder Reinigungsöffnung. Dieser muss zur Vermeidung von Störechos seitlich gelegt werden.

Die verfahrensgemäße Bestimmung der Niveauhöhen der geschichteten Flüssigkeiten kann auch an mehreren übereinander angeordneten Standrohren erfolgen. Wie in 4 dargestellt, wird hier nur die Niveauhöhe des Prozesswassers 6 bzw. die Höhe der Trennschicht zwischen Prozesswasser 6 und Benzin 7 mit einem Standrohr bestimmt. Standrohre werden meist nur in bestimmten Längen gefertigt. Bei Cracker können die Trenngefäße Durchmesser von 4 m bis 5 m aufweisen. Schaugläser oder Standardstandrohre werden nicht in dieser Länge gefertigt.

5 zeigt die Montage des Ultraschallwandlers 5 auf den oberen Flansch eines mit dem Trennbehälter 1 verbundenen Standrohres 10. Über Ausgleichsleitungen stellt sich die gleiche Höhe der Trennschicht wie im Trennbehälter 1 ein. Mitgerissene Benzinteilchen können die Messung nicht stören. Diese Art der Messwertgewinnung ist bei schwierigen Messverhältnissen im Trennbehälter zu empfehlen. Vorhandene Standrohre mit Schwimmer oder Verdränger können so zur Messung mit einem Ultraschallwandler genutzt werden. Die Messung erfolgt messtechnisch mit gleichem Aufwand wie in 4.

Zwischen Ultraschallwandler und Flüssigkeit darf kein Gaspolster vorhanden sein. Für die Messung ist ein vollständig mit Flüssigkeit gefülltes Standrohr zwingend notwendig.

Eine weitere Ausgestaltung der Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt 6.

An einem Trennbehälter 1 zur Trennung von Benzin und Prozesswasser eines Crackers muss zur optimalen Fahrweise die Höhe der oben schwimmenden Benzinfraktion geregelt werden. Die zu trennende Mischung aus Benzin 7 und Prozesswasser 6 tritt am Einlass 2 in den Trennbehälter 1 ein. Am anderen Ende des Trennbehälters 1 befindet sich am unteren Teil der Auslas 3 für das Prozesswasser 6. Am oberen Teil des Trennbehälters 1 ist der Auslas 4 und damit Tiefpunkt des Niveaus des oben schwimmenden Benzins 7 mit dem überlagerten Schutzgas 9. Auf dem Weg vom Einlas 2 zu den Ausläsen 3 und 4 trennt sich das Flüssigkeitsgemisch aus Benzin 7 und Prozesswasser 6.

Am hinteren Ende des Trennbehälters 1 zwischen den Ausläsen 3 und 4 befinden sich zwei herkömmliche Ultraschallwandler 5 und 11. Diese senden während eines Messzyklus Ultraschallimpulse und empfangen mit wechselnder Verstärkung Ultraschallechos der Trennschicht Benzin 7 und Prozesswasser 6 und der Phasengrenze zwischen Benzin 7 und Schutzgas 9.

Zur Vermeidung von Fehlmessungen empfehlen sich alternierend arbeitende Ultraschallwandler. Zweikanalgeräte zur Füllstandmessung durch die Behälterwand können für diese Messaufgabe eingesetzt werden. Dabei ist zu beachten , das erfindungsgemäß mit zwei unterschiedlichen Verstärkungen, z.B. 12 dB gearbeitet werden muss.

Bei dieser einfachen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt aber keine Analyse der Mehrfachechos. Der Einsatz ist nur für statische Trennbehälter ohne Turbulenzen empfehlenswert.

Der Ort für die Montage des Ultraschallschwingers sollte so gewählt werden, das keine oder nur wenige störende Echos von im Wasser schwimmenden Benzinteilchen von den Ultraschallwandlern erfasst werden.

Anhand eines einfachen Beispiels soll die Signalauswertung demonstriert werden.

Der Ultraschallwandler 5 wird mit der Schallgeschwindigkeit V1 für das Prozesswasser 6 parametriert. Die richtig auf den Behälterboden bezogene ausgegebene Niveauhöhe sei H1.

Der Ultraschallwandler 11 wird ebenfalls mit der Schallgeschwindigkeit V1 für das Prozesswasser 6 parametriert. Der Schallweg für das Echo der oberen Phasengrenze der oberen Flüssigkeit (im Beispiel Benzin 7) führt ebenfalls durch das Prozesswasser 6. Die vom Schallwandler 11 ausgegebene scheinbare Niveauhöhe für das Prozesswasser sei als SH2 bezeichnet. Zur Bestimmung der wahren Niveauhöhe H2, bezogen auf den Behälterboden, wird die richtig ermittelte Niveauhöhe H1 von der scheinbaren Niveauhöhe SH2 abgezogen und der erhaltene Wert mit dem Quotienten aus Schallgeschwindigkeit V2 für Benzin 7 und V1 für Prozesswasser 6 multipliziert. H2 = (SH2 – H1)·V2/V1

Die Berechnung der wahren Niveauhöhe kann mit jedem Prozessleitsystem leicht aus den Messwerten der Ultraschallwandler 5 und 11 mit den abgespeicherten Schallgeschwindigkeiten durchgeführt werden.

Eine weitere Möglichkeit der Reduzierung von Störeinflüssen auf die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt 7. Die Montage des Ultraschallwandlers 5 erfolgt unterhalb eines im Trennbehälter 1 eingebauten, oben und unten offenen Schutzrohres 12. Mitgerissene Benzinteilchen können die Messung nicht stören. Diese Art der Messwertgewinnung ist bei schwierigen Messverhältnissen im Trennbehälter zu empfehlen.

Den gleichen Zweck können auch anders gestaltete Einbauten im Trennbehälter 1 erfüllen.

Claims

Verfahren zur Messung von Niveauhöhen geschichteter Flüssigkeiten in einem Behälter, sowie zur Bestimmung der Grenzschichten in Mehrphasengemischen von Flüssigkeiten in einem Behälter mit einem Ultraschallwandler, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element mit einer vorgegebenen oder variablen Sendefrequenz und/oder Impulslänge und einer vorgegebenen oder variablen Amplitude einen Ultraschallimpuls erzeugt und als Sender arbeitet und gleichzeitig in den Sendepausen Ultraschallimpulse empfängt und in elektrische Empfangssignale umwandelt, die Laufzeiten der empfangenen Echos der Phasensprünge auswertet und die zum Empfang dieser Echos notwendigen Verstärkung den einzelnen Echos zuordnet, vielfache Echos innerhalb gleicher Phasen erkennt und aus den Laufzeiten die Niveauhöhen der einzelnen Phasen bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung zum Empfang der Signale innerhalb eines Zyklus ständig verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Messgrößenpaare aus Laufzeit und dazugehöriger Verstärkung einer jeweiligen Phasengrenze in zeitlicher Reihenfolge zugeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Messgrößenpaare auf Mehrfachechos geprüft werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass für die Niveauhöhenberechnung die Temperaturen der Flüssigkeiten berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Messgrößenpaar aus Laufzeit und dazugehöriger Verstärkung einer Phasengrenze ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die gewählte Verstärkung nur die Erfassung der Laufzeit des Echos der Trennschicht zwischen der unteren und oberen Flüssigkeit gestattet.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Ultraschallwandler, der unterhalb der zu überwachenden Niveauhöhen der Flüssigkeiten und/oder der Grenzschicht zwischen den Flüssigkeiten auf oder in der Behälterwand montiert ist und ein piezokeramisches Element enthält, das bei Erregung mit einem Impuls vorgegebener Länge und Amplitude einen Ultraschall-Sendeimpuls erzeugt, der über eine Membran mit oder ohne zwischenliegende Behälterwand senkrecht nach oben auf das zu überwachende Medium aus geschichteten Flüssigkeiten übertragen wird, und das Echos des Sendeimpulses von den Phasengrenzen der Flüssigkeiten und der Phasengrenze der oberen Flüssigkeit gegenüber einem Gas oder einer Wand, innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls empfängt und in einer nachgeschalteten Signalauswerteeinheit die Zeitintervalle zwischen den Echos misst und gleichzeitig mit den dazu notwendigen Verstärkungen abspeichert und als Niveauhöhe ausgibt.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass ein Ultraschallwandler, der oberhalb der zu überwachenden Niveauhöhen der Flüssigkeiten und/oder der Grenzschicht zwischen den Flüssigkeiten auf oder in der Behälterwand montiert ist und ein piezokeramisches Element enthält, das bei Erregung mit einem Impuls vorgegebener Länge und Amplitude einen Ultraschall-Sendeimpuls erzeugt, der über eine Membran mit oder ohne zwischenliegende Behälterwand senkrecht nach unten auf das zu überwachende Medium aus geschichteten Flüssigkeiten übertragen wird, und das Echos des Sendeimpulses von den Phasengrenzen der Flüssigkeiten und der Phasengrenze der unteren Flüssigkeit gegenüber der Wand, innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls empfängt und in einer nachgeschalteten Signalauswerteeinheit die Zeitintervalle zwischen den Echos misst und gleichzeitig mit den dazu notwendigen Verstärkungen abspeichert und als Niveauhöhe ausgibt.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass ein Ultraschallwandler, der oberhalb der zu überwachenden Niveauhöhen der Flüssigkeiten und/oder der Grenzschicht zwischen den Flüssigkeiten auf der Behälterwand oder in der oberen Flüssigkeit schwimmend montiert ist und ein piezokeramisches Element enthält, das bei Erregung mit einem Impuls vorgegebener Länge und Amplitude einen Ultraschall-Sendeimpuls erzeugt, der über eine Membran mit oder ohne zwischenliegende Behälterwand senkrecht nach unten auf das zu überwachende Medium aus geschichteten Flüssigkeiten übertragen wird, und das Echos des Sendeimpulses von den Phasengrenzen der Flüssigkeiten und der Phasengrenze der unteren Flüssigkeit gegenüber der Wand, innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls empfängt und in einer nachgeschalteten Signalauswerteeinheit die Zeitintervalle zwischen den Echos misst und gleichzeitig mit den dazu notwendigen Verstärkungen abspeichert und als Niveauhöhe ausgibt.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass ein Ultraschallwandler, der unterhalb der zu überwachenden Niveauhöhen der Flüssigkeiten und/oder der Grenzschicht zwischen den Flüssigkeiten auf der Unterseite eines Standrohres montiert ist und ein piezokeramisches Element enthält, das bei Erregung mit einem Impuls vorgegebener Länge und Amplitude einen Ultraschall-Sendeimpuls erzeugt, der über eine Membran mit oder ohne zwischenliegende Behälterwand senkrecht nach oben auf das zu überwachende Medium aus geschichteten Flüssigkeiten übertragen wird, und das Echos des Sendeimpulses von den Phasengrenzen der Flüssigkeiten und/oder der Phasengrenze der oberen Flüssigkeit gegenüber der oberen Wand oder dem gasgefüllten Raum innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls empfängt und in einer nachgeschalteten Signalauswerteeinheit die Zeitintervalle zwischen dem Sendeimpuls und den Echos misst und gleichzeitig mit den dazu notwendigen Verstärkungen abspeichert werden und als Niveauhöhe ausgibt.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass ein Ultraschallwandler, der unterhalb der zu überwachenden Niveauhöhen der Flüssigkeiten und/oder der Grenzschicht zwischen den Flüssigkeiten liegenden Messstelle auf der Unterseite eines Behälters montiert ist und ein piezokeramisches Element enthält, das bei Erregung mit einem Impuls vorgegebener Länge und Amplitude einen Ultraschall-Sendeimpuls erzeugt, der über eine Membran mit oder ohne zwischenliegende Behälterwand senkrecht nach oben auf das zu überwachende Medium aus geschichteten Flüssigkeiten übertragen wird, und das Echos des Sendeimpulses von den Phasengrenzen der Flüssigkeiten innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls empfängt und in einer nachgeschalteten Signalauswerteeinheit die Zeitintervalle zwischen dem Sendeimpuls und den Echos misst und gleichzeitig mit den dazu notwendigen Verstärkungen abspeichert und als Niveauhöhe ausgibt.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass in einer Speichereinheit die Schallgeschwindigkeiten der zu messenden Flüssigkeiten abgespeichert sind.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturen der Flüssigkeit erfasst und in einer Korrektureinheit die Schallgeschwindigkeiten temperaturkorrigiert werden.