DE19830442B4

DE19830442B4 - Anordnung zur akustischen Volumenbestimmung

Info

Publication number: DE19830442B4
Application number: DE1998130442
Authority: DE
Inventors: Dietrich Dr. Hoppe; Horst-Dieter Giera
Original assignee: Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 1998-07-08
Filing date: 1998-07-08
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2018-07-09
Also published as: DE19830442A1

Abstract

Anordnung zur akustischen Bestimmung eines gegenüber der Umgebung mit einer schallverändernden Trennwand abgetrennten gasförmigen Volumens auf Grund von Schall unter Verwendung von Schallaufnehmern und einem Signalvergleicher auf der Basis der Frequenzgangbestimmung, dadurch gekennzeichnet, daß
der Schall mit hinsichtlich der Frequenz und der Zeit nicht festgelegter Intensitätsverteilung
einer vorliegenden Geräuschkulisse entstammt und
jeweils mindestens ein Schallaufnehmer in dem zu bestimmenden Volumen und in seiner näheren Umgebung angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur akustischen, Volumenbestimmung gemaß dem Oberbegriff des einigen patentanspruchs, wie aus CH 683 208 A5 bekannt. Diese Anordnung ist auch insbesondere zur Ermittlung der Größe und/oder Gestalt von Volumina geeignet Dabei sind auch Füllstände bestimmbar.
Die Anordnung kann auf der Basis von Volumenänderungen weiterhin zur Bestimmung von Drücken verwendet werden.

Es ist bereits bekannt, Schallwellen in ein Objekt einzuspeisen, um dort stehende Wellen hervorzurufen und aus der Frequenz der stehenden Wellen auf die Dicke des Untersuchungsobjektes zu schließen (Bluumenauer, H., Werkstoffprüfug, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1. Auflage S.283-286). Diese Lösung erfordert eine gesonderte Schallquelle mit einer determinierten aktiven Anregung, wobei das Frequenzband auf die Resonanzfrequenz(en) abzustimmen ist.

Es ist auch bekannt, beim Stahlschmelzen in einem Sauerstoffblasgerät mehrere Resonanzfrequenzen des Gesamtsystems zu verfolgen, die durch das prozeßimmanente Sauerstoffblasgerät passiv angeregt werden ( DE 25 47 933 C2 ). Die Amplitude dieser Resonanzen hängt in entscheidendem Maße davon ab, wie stark der Schall durch die schäumende Schlacke gedämpft wird. Aus der Dämpfung kann auf die Dicke der vorhandenen Schlackeschicht geschlossen werden. Den passiven Resonanzverfahren ist auch eine technische Lösung zuzuordnen, die die Abhängigkeiten zwischen dem Höhenstand von Wasser in Komponenten kerntechnischer Anlagen und dort bestehenden Druck-Eigenfrequenzen für die Sicherheitstechnik ausnutzt (R.Breitenfeld u.a. Druckschwingungen im Primärkreislauf des WWER-440, Kernenergie 29 (1986)1 Seiten 10-15). Die Resonanzen werden dabei hauptsächlich durch Umwälzpumpen im System angeregt. Nachteilig an solchen passiven Resonanzverfahren ist, daß die relevanten akustischen Eigenschaften des genutzten Schalls (Intensitätsverteilung über Frequenz und Zeit) im wesentlichen determiniert, d.h. vorzugsweise konstant sein müssen. Andernfalls kann nicht entschieden werden, ob eine Überhöhung im Leistungsspektrum eines empfangenen Signals von einer Resonanz im Untersuchungsobjekt oder bereits von der Schallquelle herrührt. Es müssen somit hinreichend bekannte Schallquellen verwendet werden.

Aus der eingangs genannten CH 683 208 A5 ist eine Mess- und Auswertevorrichtung zum Bestimmen des gasförmigen Volumens eines Flüssigkeitsbehälters bekannt, bei dem im Zuleitungselement ein Lautsprecher und ein Schalldrucksensor angeordnet sind. In weiterer Ausgestaltung dieser technischen Lösung ist im Zuleitungselement ein akustischer Widerstand und ein weiterer Schalldrucksensor vorgesehen. Die zusätzlichen Bauelemente werden im Sinne einer Störgrößenaufschaltung benötigt. Die Verwendung eines Lautsprechers und der hohe Aufwand im Zuleitungselement macht diese technische Lösung für sicherheitsrelevante Anwendungen nicht attraktiv. Ein methodisch der vorgenannten technischen Lösung analoges Verfahren ist in DE 196 46 685 A1 beschreiben. Der wesentliche Unterschied zu CH 683 208 A5 besteht darin, dass bei DE 196 46 685 A1 zur Störgrößenaufschaltung nicht nur ein einzelnes Zusatzmikrofon, sondern mehrere angeordnet sind, die eine Ensemblemittelung zwischen den verschiedenen Kompensationssignalen ermöglichen.

Bei beiden vorgenannten technischen Lösungen bleiben praktisch unvermeidbare Reststörungen, die die Wirksamkeit des Verfahrens beeinträchtigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung vorzuschlagen, mit der bei Anwendung eines passiven Resonanzverfahrens unter Vermeidung vorgenannter Nachteile keine determinierte Anregung erforderlich ist, Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des eintigen Patentanspruchs gelöst.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß nahezu jede natürliche und künstliche Schallquelle genutzt werden kann, darunter auch solche, die sich in ihrer Frequenzcharakteristik zeitlich ändern.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
In einem oben offenen Gefäß ist der Füllstand der darin enthaltenen Flüssigkeit veränderlich. Das Volumen ist definiert durch die innere Gefäßwand, die Flüssigkeitsoberfläche und eine – allerdings nur gedachte – Fläche über der oberen Öffnung des Gefäßes. Daß die Größe des Volumens wegen der oberen Gefäßöffnung nicht genau bestimmt ist, hat für die Füllstandsklassifikation keine Bedeutung; entscheidend ist allein, daß die füllstandsabhängigen Eigenfrequenzen im Volumen eindeutig auf vorgegebene Füllstandintervalle (Klassen) schließen lassen.
Im Gefäß befindet sich ein Schallaufnehmer, z.B. ein Mikrofon. Dieser Schallaufnehmer ist so angebracht, daß er sich sicher oberhalb der Flüssigkeit, aber trotzdem genügend tief im Volumeninneren befindet. Außerhalb des Gefäßes, aber möglichst in geringem Abstand von der oberen Öffnung des Gefäßes, befindet sich ein zweiter Schallaufnehmer. Die beiden Schallaufnehmer sind in fester relativer Lage zum Gefäß angeordnet. Die Quelle des eindringenden Schalls ist nicht festgelegt. Er kann einer bereits vorliegenden Geräuchkulisse entstammen, bei Bedarf aber auch künstlich erzeugt werden. Zweckmäßig ist ein breites und lückenloses Frequenzspektrum des eindringenden Schalls. Die Verteilung der Schallintensität über der Frequenz kann ungleichmäßig und zeitvariant sein..
Zur Füllstandbestimmung werden

1. die Signale der beiden Schallaufnehmer fouriertransformiert, ggf. zusätzlich aufbereitet (z.B. durch Betragsbildung und Filterung im Frequenzbereich), dann im Frequenzbereich zueinander ins Verhältnis gesetzt und so ein Frequenzgang bestimmt,
2. nach 1. gebildete Frequenzgänge für eine repräsentative Anzahl vorklassifizierter Füllstände in ein Mustererkennungssystem (insbesondere Klassifikator) eingebunden und
3. unbekannte Füllstände anhand der nach 2. gewonnenen Referenzmuster klassifiziert.

Die Anwendung der Erfindung ist auch für ein beiderseitig offenes und senkrecht angeordnetes Rohr gegeben. Dabei ragt das untere Ende des Rohres in die Flüssigkeit, deren Höhenstand bestimmt werden soll. Eine solche Anwendung der Erfindung kann sowohl bei offenen Flüssigkeiten, z.B. bei Gewässern für die Wasserstandsüberwachung, als auch innerhalb von geschlossenen Gefäßen, z.B. in Komponenten kerntechnischer Anlagen oder in Kraftstofftanks erfolgen.

Claims

Anordnung zur akustischen Bestimmung eines gegenüber der Umgebung mit einer schallverändernden Trennwand abgetrennten gasförmigen Volumens auf Grund von Schall unter Verwendung von Schallaufnehmern und einem Signalvergleicher auf der Basis der Frequenzgangbestimmung, dadurch gekennzeichnet, daß der Schall mit hinsichtlich der Frequenz und der Zeit nicht festgelegter Intensitätsverteilung einer vorliegenden Geräuschkulisse entstammt und jeweils mindestens ein Schallaufnehmer in dem zu bestimmenden Volumen und in seiner näheren Umgebung angeordnet ist.