DE1154647B - Fluessigkeitsstandsmesser - Google Patents

Description

• Flüssigkeitsstandsmesser Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Anzeige des Flüssigkeitsstandes in Gefäßen mit Hilfe von Ultraschall, besonders in vollkommen verschlossenen Gefäßen und unter schwierigen Bedingungen, wie z.B. hohem Druck, hoher Temperatur, Turbulenz, Kochen, Korrosionswirkung, Kippen, Brodeln usw.
• Bisher waren Vorschläge zur Messung von Flüssigkeitsständen unter solchen Bedingungen bekannt, die daraus hinausliefen, daß Ultraschallwellen entlang der Oberfläche eines in die Flüssigkeit eintauchenden Stabes geschickt werden, wobei der Stab unter seiner Oberfläche Testlöcher besitzt, womit man eine vorbestimmte Anzahl von Reflexionen erreicht, bis die Schallwellen an die Wasseroberfläche gelangen. Diese in Abständen untergebrachten Löcher ergeben jedoch keine ausreichende Stufung, womit eine genaue Bestimmung des Flüssigkeitsstandes über einen großen Bereich hin möglich wäre. Darüber hinaus sind solche Verfahren zur Direktmessung nicht ohne weiteres anwendbar und erfordern vom Bedienenden die Auswertung verwickelter Kurvenläufe am Kathodenstrahloszillographen.
• Eines der Hauptziele der Erfindung ist es daher, Einrichtungen zu schaffen, um mit Hilfe von Ultraschall den Flüssigkeitsstand mit einem bis hierher nicht möglich gewesenen Genauigkeitsgrad zu bestimmen und direkte eindeutige Ablesungen zu erreichen.
• Weitere Ziele und Vorteile dieser Erfindung werden aus der ins einzelne gehenden Beschreibung und aus den Zeichnungen ersichtlich.
• Fig. 1 stellt im Aufriß eine Anordnung gemäß der Erfindung in Verbindung mit einem elektrischen Schaltschema dar.
• Fig. 2 zeigt in gleicher Weise wie Fig. 1 eine andere Anordnung gemäß der Erfindung; Fig. 3 ist ein Kurvenverlauf zur Erläuterung der Erfindungstheorie.
• Aus Fig. 1 geht hervor, daß dieses Verfahren einen Körper verwendet, der wenigstens mit einer Oberfläche in die Flüssigkeit einer vorbestimmten Tiefe eintaucht. Der Körper kann die Seitenwand eines Kessels oder eines Gefäßes 16 oder auch ein Stab 10 sein, der sich vom Deckel 15 des Kessels oder des Gefäßes bis nahe an den Boden oder bis an eine beliebige vorbestimmte Tiefe erstreckt. Von einem Generator G werden hochfrequente elektrische Wellen erzeugt und an einen piezoelektrischen Schallkopf, wie z. B. ein Quarzkristall 20 geführt, der am oberen Ende des Stabes angeordnet ist. Der Kristall wandelt die hochfrequenten elektrischen Wellen in Ultraschallwellen um. Der Kristall kann an einer Fläche eines keilförmigen schalleitenden Blockes 21 angeordnet werden, dessen andere Fläche am oberen Stabende anliegt, so daß die Ultraschallimpulse unter solch einem Winkel in den Stab hineingehen, daß sie auf ihrem Weg nach unten an den Seitenwänden des Stabes hin- und herreflektiert werden. Anstatt auf einen Keil, kann der Kristall auch direkt auf das obere Ende des Stabes gesetzt werden, das zur Herstellung des notwendigen Ankopplungswinkels abgeschrägt ist. Wenn die Wellen die Bodenfläche des Stabes erreicht haben, kehren sie nach Zurücklegung einer gleichen Anzahl von Seitenreflexionen zum Kristall 20 zurück. Die wiederkehrenden Ultraschallwellen erzeugen im Kristall Spannungen, die den in den zurückgekommenen Schallwellen enthaltenen Energiebeträgen proportional sind.
• Die so erzeugten Spannungen können auf einem Anzeigegerät, wie z.B. einem Voltmeter, angezeigt werden. Die Wellen können auch in der Form von Impulsen übertragen werden. Die in den Impulsen enthaltene Energie kann auf einem Oszillograph 25 sichtbar gemacht werden, dessen Kippschaltung 26 durch ein Synchronisationsgerät 27 im Gleichlauf mit den übertragenen Impulsen 28 ausgelöst wird.
• Die Tatsache, daß die durch die zurückkehrenden, reflektierten Schallwellen erzeugten Spannungen eine Funktion der in diesen Wellen enthaltenen Energie sind, bildet die Grundlage des Verfahrens zur Anzeige der Flüssigkeitshöhe. Diese Reflektionswellen kehren mit fast der vollen ursprünglich aufgewendeten Energie zurück, falls sie nicht wesentlich gedämpft werden. Solch eine Dämpfung entsteht nur dort, wo die Oberfläche des Stabes 10 an den Reflexionspunkten in die Flüssigkeit eintaucht wegen des Anliegens der Flüssigkeit an der Staboberfläche.
• Wenn der Kessel leer ist, befindet sich um die Oberfläche des Stabes herum keine Flüssigkeit, und infolgedessen tritt auch an den Reflexionspunkten keinerlei wesentliche Dämpfung auf. Dies zeigt sich am Oszillographen (wenn Impulse angelegt werden) durch einen vertikalen Ausschlag 30 der maximalen Amplitude als ein Ergebnis der Verstärkung der zurückgekehrten Impulse durch den Verstärker 29, wenn sie den Elektroden zur vertikalen Ablenkung 35 zugeführt werden. Mit Ansteigen des Flüssigkeitsstandes tauchen immer mehr Reflexionspunkte des Schallstrahles im Stab in die Flüssigkeit und die den Stab durchschallenden Wellen werden immer mehr gedämpft, woraus eine fortlaufende proportionale Verminderung der zum Kristall 20 zurückkehrenden Energie folgt. Dies führt bei impulsförmiger Erregung zur proportionalen Verringerung der Amplitude der vertikalen Ablenkung. Der Kurvenverlauf in Fig. 3 gibt tatsächliche Messungen wieder und zeigt die fortlaufende Verringerung der Impuls amplitude als Funktion des abnehmenden Flüssigkeitsstandes. Die Amplitude der vertikalen Ablenkung kann daher unmittelbar in Maßen für die Flüssigkeitstiefe geeicht werden, oder die Impulsspannungen werden direkt auf einem geeigneten Voltmeter angezeigt.
• In Fig. 2 werden zwei getrennte Schallköpfe 20 und 20' verwendet, die an den gegenüberliegenden Enden des Stabes 10 angeordnet sind, der sich in diesem Fall durch die Bodenwandl5' des Gefäßes erstreckt. Der Schallkopf 20 liegt unter einem solchen Winkel an, daß er die von den Seitenwänden des Stabes refiektierten Schallstrahlen empfängt. An diesem Fall können frequenzmodulierte fortlaufende Wellen angewendet werden, um den Schallgeber zu erregen. Bei beiden Verfahren kann der Keilwinkel und sein Material so gewählt werden, daß ein geeigneter Brechungswinkel entsteht. Die Erzeugung von Querwellen unter 450 ist eine nützliche Voraussetzung, womit gute Empfindlichkeit gewährleistet wird und aus Wegablenkungen während der Wandreflexion herrührenden Streuimpulse verringert werden. Die Ablesegenauigkeit bei kleinen Schwankungen des Flüssigkeitsstandes kann gesteigert werden durch eine Verringerung des Querschnittes des Stabes, wodurch die Anzahl der Seitenwandreflexionen für eine gegebene Tiefe zunimmt. Die Befestigung des Stabes ist nicht bedenklich, vorausgesetzt, daß er nur an solchen Punkten befestigt wird, wo keine Seitenwandreflexion stattfindet (s. Fig. 1 und 2). Für sehr dickwandige Kessel müssen besondere Durchführungen vorgesehen werden, andererseits kann der Stab auch durch die Kesselseitenwand ersetzt werden, vorausgesetzt, daß sie glatt und praktisch parallel ist.

Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Anordnung zum Messen des Flüssigkeitsstandes in einem Gefäß, die einen in die Flüssigkeit in dem Gefäß eintauchenden Körper, einen Ultraschallimpulsgenerator, einen Schallwandler, der elektrisch mit dem Generator und akustisch mit dem Körper verbunden ist, sowie ein Empfangsanzeigegerät enthält, das elektrisch mit dem Schallwandler zur Erzeugung einer Anzeige in Abhängigkeit von der Ultraschallenergie, die sich in dem Körper ausbreitet, verbunden ist, dadurch gekennzeiehnet, daß der Körper (10) zwei gleich große Oberflächen besitzt und der Schallwandler (20) die Ultraschallenergie unter einem Winkel zu einer dieser Oberflächen überträgt, der eine Mehrfachreflexion der Ultraschallenergie zwischen den Oberflächen über die Länge des Körpers (10) gewährleistet, wobei der Betrag der absorbierten Energie eine Funktion des Flüssigkeitsstandes in dem Gefäß (16) ist.
2. 2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (G) Ultraschallenergieimpulse erzeugt und diese Impulse in den Körper (10) überträgt.
3. 3. Gerät nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallwandler (20) an einem Ende des Körpers (10) angeordnet ist und die Ultraschallenergie vom gegenüberliegenden Ende des Körpers reflektiert wird.
4. 4. Gerät nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallwandler einen ersten Schallkopf (20) enthält, der am einen Ende des Körpers (10) angeordnet ist und elektrisch mit dem Generator (G) verbunden ist, sowie einen zweiten Schallkopf (20'), der am gegenüberliegenden Ende des Körpers angeordnet und elektrisch an das Empfangsanzeigegerät (25) angeschlossen ist.