DE19900832A1 - Füllstandsermittlung mit Ultraschall - Google Patents

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Ermittlung des Füllstandes eines Behälters (10) von außen durch eine undurchsichtige äußere Wand (10a) des Behälters. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Ermittlung des Füllstandes bereitzustellen, das allgemein anwendbar ist, mit kostengünstigen Geräten arbeitet und dennoch eine hohe Genauigkeit sicherstellen kann. Es erfolgt dazu eine pulsweite Energieabgabe von Ultraschallpaketen durch die äußere Wand (10a) des Behälters. Ein Ultraschall-Sensor (20) wird zusammen mit einem Ultraschall-Geber (21) eng anliegend und entlang der äußeren Wand (10a) des Behälters (10) relativbewegt (z), in einer Richtung (z) senkrecht zur Oberfläche (OF) des Fluids im Behälter, welche Oberfläche den Füllstand (z¶1¶) bildet, während die Ultraschallpakete vom Geber (20) mit einer gegenüber der Frequenz des Ultraschalls geringeren Wiederholfrequenz abgegeben werden. Eine wesentliche Änderung der Amplitude (a(t); a¶100¶, a¶50¶, a¶1¶) eines vom Sensor (20) als Echo der Ultraschallpakete aufgefangenen Meßsignals wird erfasst. Ein Ablesen der Höhe (z¶1¶) des Sensors (20) an der Außenwand (10a) dient der Bestimmung der Höhe des Füllstandes (z¶1¶) im Inneren des Behälters (10).

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zur Ermittlung des Füllstandes von Behältern. Der Füllstand wird vorgegeben durch die Menge von Flüssigkeit und die Form des Behälters, der zumindest eine erste Außenwand und eine gegenüberliegende Außenwand besitzt. Die Füllstandsmessung kann bei undurchsichtigen Behältern, Behältern mit schwieriger Geometrie und insbesondere bei vollständig geschlossenen Behältern von außen nach heutigem Stand der Technik nur technisch schwierig ermittelt werden.

Es existiert die Möglichkeit einer radiografischen und einer thermografischen Feststellung des Füllstandes. Die radiografische Darstellung arbeitet mit einer Strahlenquelle und mit einem Film hinter der gegenüberliegenden Wand des Behälters. Das Verfahren ist technisch zwar funktionsfähig, ist aber hinsichtlich der Genauigkeit verbesserungsbedürftig. Das thermografische Verfahren arbeitet mit Temperaturdifferenzen, kann die Genauigkeit zwar bereitstellen, ist aber stark temperaturabhängig und relativ teuer in der Herstellung der zum Verfahren benötigten Gerätschaften. Zusätzlich erfordert die thermografische Erfassung einen Betrieb des Gerätes, namentlich eine erhöhte Temperatur des Fluids in dem Behälter, um Temperaturdifferenzen überhaupt detektieren zu können, so daß es seine Schranken in der allgemeinen Anwendbarkeit findet.

Ausgehend von den bekannten Verfahren ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Ermittlung des Füllstandes bereitzustellen, das allgemein anwendbar ist, mit kostengünstigen Geräten arbeitet und dennoch eine hohe Genauigkeit sicherstellen kann.

Gelöst wird dieses Problem mit den Ansprüchen 1, 11 oder 12.

Ausgangspunkt für das Verfahren ist die Verwendung von Ultraschall, namentlich die Abgabe eines Ultraschallpakets und das Empfangen des von der Grenzfläche an der gegenüberliegenden Wand reflektierten Echos. Die erfindungsgemäße Überlegung zu dem Ausgangspunkt ergibt sich daraus, daß Ultraschall eine stark unterschiedliche Geschwindigkeit in unterschiedlichen Stoffen besitzt, so ist die Schallgeschwindigkeit in Luft etwa 330 m/sec, während sie in Fluiden wesentlich höher ist, meist in Bereichen zwischen 900 m/sec und 1500 m/sec. Diese Unterschiede in der Geschwindigkeit nutzt das Verfahren dazu aus, eine Relativbewegung eines außerhalb des Behälters an die Behälterwand eng angelegten Prüfkopfes dazu umzusetzen, den Zeitpunkt zu ermitteln, zu dem das empfangene Echo eine (wesentliche) Amplitudenänderung erfährt. Zu diesem Zeitpunkt ist der eng an der Außenwandung anliegende Sensor auf einer Höhe, die dem optisch nicht sichtbaren Füllstand entspricht. Die Höhe kann ausgemessen werden und ohne Einblick in den Behälter ist problemstellungsgemäß die Füllhöhe des Fluids ermittelt.

Die (wesentliche) Änderung des Echos in seiner Amplitude kann von zwei Richtungen her ausgewertet werden. Wird der Sensor von unten nach oben bewegt, so ändert sich das Echo von einem Maximalwert abwärts. Wird der Prüfkopf von oben nach unten bewegt, so ändert sich das Echo von einem minimalen Wert aufwärts.

Ein Teil der ersten Grenzfläche wird zwischen dem Prüfkopf und der Außenwandung dadurch kompensiert, daß eine die Ultraschall-Schwingungen direkt in das Innere der Behälterwand koppelnde Koppelpaste zwischen Sensor und Außenwandung aufgebracht wird. Bei der gesamten Relativbewegung bleibt die Koppelpaste in Form einer Zwischenschicht zwischen Prüfkopf und Außenwandung bestehen (Anspruch 4).

Die Änderung der Echo-Amplitude kann optisch oder akustisch angezeigt werden (Anspruch 3), wobei eine genauere Darstellung von der optischen Anzeige erfüllt wird, die akustische Anzeige aber eigenständig oder parallel zur optischen Anzeige zur Unterstützung des Auffindens des Zeitpunktes des Erreichens der Füllstandshöhe z₁ dient (Anspruch 3).

Die Form des Prüfkopfes kann unterschiedlich gewählt sein, der Ultraschall-Sensor und der Ultraschall-Geber können entweder als ein einzelnes Element, das abwechselnd als Geber und Sender arbeitet, oder als zwei beabstandete Bereiche in einem einheitlichen Prüfkopf vorgesehen sein (Anspruch 2). Ein Abstand zwischen Ultraschall-Sensor und Ultraschall-Geber sollte in horizontaler Richtung verlaufen, also parallel zur horizontal liegenden Oberfläche des den Füllstand ausmachenden Fluids, welche Oberfläche im folgenden kurz mit "Füllstand" benannt wird.

Eine Feinbestimmung des Füllstandes ist auch dann möglich, wenn der Geber und der Sensor (Empfänger) im Prüfkopf eine physische Erstreckung haben, die größer ist als die erforderliche Genauigkeit der Erkennung des Füllstandes. Diese Erhöhung der Genauigkeit ergibt sich dann, wenn die Amplitude des Echos auf einen Mittelwert eingestellt wird, durch die Relativbewegung des Sensors und Gebers in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Fluids (Füllstandes). Ausgehend von einem Maximalwert dann, wenn der Prüfkopf sich weit unterhalb des Füllstandes befindet (im Bereich des Fluids), ergibt die Höhe des Prüfkopfes den genauen Füllstand, wenn das Echo 50% des zuvor beschriebenen maximalen Echos in seiner Amplitude beträgt, also etwa die Hälfte von Sensor/Geber oberhalb und die andere Hälfte von Sensor/Geber unterhalb des Füllstandes zu liegen kommen (Anspruch 6). Diese Feineinstellung oder die Feinmessung des Füllstandes begünstigt eine optische Anzeige, auf der sehr genau der Mittelwert des Echos gegenüber der Maximalamplitude ermittelbar ist. Die Ermittlung kann dabei iterativ durch mehrmaliges Relativbewegen in Aufwärts- und Abwärtsrichtung (z-Richtung) erfolgen, sie kann auch gesteuert durch einen Regler motorisch angefahren werden, wenn dem entsprechenden Regelgerät, das die automatisierte Bewegung des Prüfkopfes steuert, die Amplitude des Echos in ihrer Höhe und bei einer Lage des Prüfkopfes weit unterhalb des Füllstandes bekannt ist.

Das Gerät kann also sowohl vollautomatisch betrieben werden, es kann aber auch von Hand mechanisch geführt werden.

Meist haben Prüfköpfe eine Symmetrie, so daß die Mittelachse des Prüfkopfes mit der Mittelachse oder der Mittelebene von Sensor und Geber zusammenfällt, so daß auch die entsprechende Messung der Höhe des Prüfkopfes zur Ablesung der Höhe des Füllstandes auf die Mittelachse oder Mittelebene des Prüfkopfes bezogen wird, bei Ausschlag von 50% der maximalen Echoamplitude.

Eine optische Anzeige ist flimmer- oder flackerfrei, wenn die - unterhalb der Frequenz der Ultraschallschwingung liegende - Wiederholfrequenz der Ultraschall-Pakete zumindest oberhalb von 25 Hz ist. Sie ist nach oben hin nur durch die physikalischen Gegebenheiten des Prüfkopfes und der Senderelektronik gegeben. Die horizontale Achse bei der optischen Darstellung kann dabei entweder in Zeit "t" oder direkt in Wegeinheiten "d" geeicht sein. Hinsichtlich der vertikalen Achse der optischen Darstellung benötigt das Verfahren nur Relativwerte, bezogen auf den maximalen Amplitudenwert des Echos, der verzerrungsfrei und ohne Begrenzung dargestellt werden sollte, wenn der 50%-Wert dieses unverzerrt dargestellten Maximums zur Feststellung des Füllstandes genau bestimmbar sein soll.

Das von der gegenüberliegenden Wand erzeugte Echo (Anspruch 8) ist Folge der dort gebildeten Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und gegenüberliegender Behälterwand. Die erste Grenzfläche, die sich zwischen der Flüssigkeit und derjenigen Behälterwand ergibt, an der der Prüfkopf zu Meßzwecken eng anliegt, kann bei der optischen oder akustischen Darstellung ausgeblendet werden. Das hier gebildete Echo ist so zeitnah am Sendeimpuls, daß es unberücksichtigt bleiben kann, wenn die restliche Laufzeit für die Longitudinal-Druckwelle zur gegenüberliegenden Grenzfläche und zurück zum Sensor zumindest doppelt so groß ist, wie die Laufzeit in der Behälterwand, an der der Prüfkopf anliegt. Dann ist eine optische Unterscheidung auf der Anzeige ohne weiteres möglich; Schwingungen, Impulse und Störsignale von der ersten Grenzfläche werden so unterscheidbar von dem von der zweiten Grenzfläche erzeugten Echosignal. Um weitere Fehlerquellen auszuschließen kann eine optische Darstellung auch so erfolgen, daß mehr als ein Echo, insbesondere zwei oder drei Echos auf dem Bildschirm dargestellte werden, die äquidistant sein müssen, jeweils beabstandet um zwei Laufzeiten zwischen den beiden genannten Grenzflächen (Anspruch 9).

Bevorzugt wird eine Relativbewegung des Prüfkopfes von oben nach unten, also in -z-Richtung, wenn die Oberfläche der Flüssigkeit sich in x-y-Richtung erstreckt und ein kartesisches Koordinatensystem verwendet wird (Anspruch 10).

Die Abhängigkeiten, die zum Vorgeben eines Pegels des Ultraschall-Gebers führen, sind im Anspruch 9 schematisch umrissen. Physikalische Grundlagen, z. B. die Schallgeschwindigkeit im Fluid, der Schallschwächungskoeffizient des Fluids, seine Dichte (Aggregatzustand) und seine elastischen oder akustischen Eigenschaften können aus Tabellenbüchern entnommen werden. Plausibilitätsüberlegungen können ebenfalls Platz greifen, um zu verhindern, daß Störsignale von nicht erwarteten weiteren Grenzflächen zwischen den beiden zuvor beschriebenen Grenzflächen auf die Messung Einfluß nehmen. Dabei kann der in etwa erwartete Zeitbereich auf dem Bildschirm so dargestellt werden, daß die x-Ablenkung eines Oszillographen das Echo unverzerrt darstellt, insbesondere zwei oder drei Echosignale. Dieses optische Zeitfenster legt fest, in welchem Bereich man bei der Abwärtsbewegung des Prüfkopfes von oben das Echosignal erwartet. Ist die Zeitablenkung zu langsam, geht das Echosignal im anfänglichen Rauschen nahe des Nullpunktes und des angenommenen Zeitpunktes des Abgebens des Ultraschall-Pakets unter; ist die Zeitablenkung zu schnell, wird der Zeitpunkt des Echosignales auf dem Schirm nicht mehr dargestellt. Andere Echosignale, die nicht das tatsächliche Echosignal von der zweiten Grenzfläche sind, können dann den Benutzer oder die zugehörige Steuerelektronik bei der mechanischen Relativbewegung des Prüfkopfes irreführend beeinflussen. So können Einbauten in dem Behälter, die dem Verwender nicht bekannt sind, dazu führen, daß Echosignale erhalten werden, noch bevor die Relativbewegung nach abwärts den eigentlichen Füllstand erreicht. Solche Signale werden durch einige Plausibilitätsüberlegungen, die sich an den zuvor beschriebenen physikalischen Grundlagen orientieren, ausgeschaltet. Einfach umschrieben werden können diese Plausibilitätsüberlegungen damit, daß das Zeitfenster, in dem das Echosignal erwartet wird, im wesentlichen bekannt ist. Das kann sowohl ein optisches Zeitfenster, wie auch ein akustisches Zeitfenster sein. Signale, die vor diesem akustischen Zeitfenster liegen, werden ebenso ausgeblendet wie Signale, die nach diesem Zeitfenster liegen (Anspruch 9).

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Behälters 10 mit einem Fluid F, das einen Füllstand z₁ mit seiner Oberfläche OF im Behälter bildet. Der Behälter 10 ist angenommenermaßen undurchsichtig und fest verschlossen, so daß sein Füllstand weder durch Einsichtnahme, noch durch Eintauchen von Meßstangen von innen ermittelt werden kann, vielmehr wird der Füllstand von außen durch die Behälterwand 10a von dem Prüfkopf 22 und der zugehörigen Elektronik 30 sowie einer optischen 24 oder einer akustischen 25 Anzeige ermittelt.

Fig. 2 sind zwei Darstellungen von Prüfköpfen 22, 22' mit unterschiedlich angeordnetem Ultraschall-Sender 21 und Ultraschall-Sensor 20.

Fig. 3 ist eine Vergrößerung des Einkopplungs- und Auskopplungsbereiches des Ultraschall-Paketes aus dem Prüfkopf 22 durch die erste Grenzfläche zwischen Flüssigkeit F und erster Behälterwand 10a des Behälters 10. Die Füllhöhe wird im folgenden durchgehend mit z₁ bezeichnet, wobei sich das kartesische Koordinatensystem x, y, z gemäß Fig. 1 daran orientiert, daß die Ebene des Füllstandes der Oberfläche OF entspricht und in der x-y-Ebene liegt, während die dazu vertikale Richtung z die Relativbewegung des Prüfkopfes 22 angibt und in dieser Richtung auch die Füllhöhe z₁ angenommen wird, bezogen auf einen nicht näher dargestellten Referenzwert z = 0.

Fig. 4a, 4b, 4c, 4d sind vier schematische Darstellungen gemäß Fig. 3, jeweils mit einer anderen vertikalen z-Position des Prüfkopfes 22 und mit einer parallel dazu jeweils dargestellten Anzeige der nadelförmigen Impulse des Echos auf dem optischen Darstellungsschirm 24 gemäß Fig. 1.

Die Grundlage der Füllstandsprüfung bildet das Ultraschallverfahren, das anhand von Fig. 1 schematisch verdeutlicht werden soll. Aus einer breiten Masse von speziellen Unterverfahren wird das Impulsechoverfahren verwendet. Das bedeutet, daß von einem Ultraschall-Erzeuger 20 in einem Prüfkopf 22 ein Impuls als Ultraschall-Paket ausgeht, der eine erste (Doppel-) Grenzfläche an der Wand 10a durchläuft, an welcher der Prüfkopf 22 anliegt. Er erzeugt dann an einer zweiten Wand 10b, die der ersten Wand 10a gegenüberliegt, ein Echo, das von einem Ultraschall-Sensor 20 als Empfänger aufgenommen wird. Für den Ultraschall-Impuls stellt jede Fläche, an der sich zwei Stoffe mit unterschiedlicher Schallgeschwindigkeit treffen, eine Grenzfläche dar, die mit ihm geortet werden kann. Um dies auszunutzen, werden die Schallgeschwindigkeit im Fluid F, sein Schallschwächungs- Koeffizient, seine Dichte (Aggregatzustand) und seine elastischen oder akustischen Eigenschaften als Ausgangspunkt gewählt, um eine Amplitude (Pegel) des Ultraschall-Paketes einzustellen und eine Zeitablenkung der optischen Anzeige 24 so einzustellen, daß das von der gegenüberliegenden Grenzfläche zurückgeworfene Echo mit einer 100%-Amplitude noch unverzerrt auf dem Schirm dargestellt wird. Die genannten Werte findet man in Tabellenbüchern, so daß auf ihre Darstellung hier nicht weiter eingegangen zu werden braucht. Auch der Prüfkopf 22 und die optische Darstellungseinrichtung 24 sind als käuflich erhältliche Geräte dem Fachmann bereits zugänglich, so daß auch diesbezüglich keine detailliertere Darstellung erforderlich ist.

Allenfalls die verwendeten Prüfköpfe 22 gemäß Fig. 2 sollen erläutert werden.

Es können Prüfköpfe 22 Anwendung finden, die als umschaltende Prüfköpfe mit einem Piezo-Kristall arbeiten. Dann sind Sender 21 und Empfänger 20 dasselbe Piezo-Kristall, sie arbeiten nur zeitlich beabstandet. Nach Absenden des Ultraschall-Paketes als Sender 21' wird derselbe Piezokristall anschließend zu einem Empfänger 20'. Ebenfalls Verwendung finden können solche Prüfköpfe 22, bei denen Sender 21 und Empfänger 20 seitlich beabstandet sind, also jeweils individuell physisch vorhanden sind und unabhängig voneinander arbeiten. Ein Meßleitungsbündel 23 dient der Zufuhr der Hochspannungs-Impulsen zum Prüfkopf 22 und der Anregung des Piezos 21. Es besitzt auch eine Rückleitung, welche der Zufuhr der Empfangssignale des Sensors 20 zur Schaltungselektronik 30 dient, welche die Empfangssignale entweder akustisch auf einem Signalgeber 25 anzeigt oder aber optisch als Oszillograph auf einem Bildschirm 24 darstellt.

Der Durchmesser eines typischen Prüfkopfes 22 liegt bei 1 cm mit einer zylindrischen Gestalt, während der Piezo 20 oder 21 einen Durchmesser von etwa 8 mm besitzt.

Zur Verbesserung der Ankopplung des Prüfkopfes 22 mit dem Piezo 20, 21 ist in Fig. 3 eine Ankoppelpaste 29 gezeigt, die gelartige Konsistenz besitzt und zumeist Zellulose und Glyzerin als Mischung beinhaltet. Solche Ankoppelpasten sind käuflich erhältlich und sollen nicht näher dargestellt werden. Mit ihnen wird der erste Teil der ersten Grenzfläche im wesentlichen ausgeschaltet und die Ultraschall-Signale als Impulse vom Ultraschall-Geber 21 direkt in das Innere der Behälterwand 10a eingekoppelt.

Die als "erste Grenzfläche" dargestellte Grenzfläche von Prüfkopf 22 zum Fluid an der ersten Behälterwand 10a besteht genauer betrachtet aus zwei eng benachbarten Grenzflächen, namentlich auch derjenigen weiteren Grenzfläche zwischen der inneren Fläche der ersten Behälterwand 10a und dem Beginn des Fluids F, bzw. dem Beginn des oberhalb des Fluids befindlichen fluidfreien Raumes, zumeist Luft, Überdruck oder Vakuum. Hier entsteht zwar eine erste Echowirkung, die aber so kurz nach dem Sendeimpuls bzw. sogar teilweise darin ein Echosignal zum Sender/Empfänger zurückwirft, daß es auf dem Schirm bei richtiger zeitlicher Auflösung entweder gar nicht dargestellt oder zeitlich weit beabstandet von dem eigentlichen Echosignal der gegenüberliegenden Grenzfläche an der Innenseite der zweiten Außenwand 10b auf dem Bildschirm 24 dargestellt wird, welche Darstellung und welches entstehendes Echosignal zur Ermittlung des Füllstandes in den Fig. 4 im folgenden erläutert wird.

In den Fig. 4a und 4b werden die zwei extremen Relativpositionen des Prüfkopfes 22 jeweils weit oberhalb (Fig. 4a, dargestellt durch z » z₁) und jeweils weit unterhalb des Füllstandes z₁ (siehe Fig. 4b mit z « z₁) gezeigt. In dem Prüfkopf ist gemäß den Fig. 1 und 2 jeweils ein Sender und ein Empfänger enthalten, die Ultraschall als Impuls mit einer hohen Wiederholrate in einem jeweiligen Paket pro Intervall senden bzw. nach einer vorgegebenen Laufzeit wieder empfangen. Dieses Empfangsecho a₁₀₀ ist auf der nach oben zeigenden Skala a(t) (in Fig. 4b) dargestellt, wobei die x-Ablenkung der optischen Darstellung diejenige des Schirms 24 aus Fig. 1 ist und hier eine solche Zeitbasis besitzt, daß ein Echo gerade auf dem Bildschirm dargestellt wird, deutlich beabstandet von dem Sendeimpuls, der im Nullpunkt angenommen wird, und noch vor dem Ende des Schirms. Vorgegeben ist aufgrund vorhergehender physikalischer Berechnungen über die eingangs erwähnten Parameter der in etwa erwartete Zeitpunkt des Empfangs des Echos von dem Sensor 20, zwei Laufzeiten beabstandet von dem Sendeimpuls des Ultraschall-Gebers 21. Die Vertikalachse wird gemäß Fig. 4b so justiert, daß ohne Verzerrung und ohne Übersteuerung ein 100%-Echo-Wert im Abstand von dem oberen Rand des Bildschirms mit seiner Amplitude erkennbar ist und auch Änderungen der Amplitude erkennbar sind, insbesondere auch von einem Komparator mit einer Hysterese oder einer Schwellenspannung zur Dämpfung der Ansprechempfindlichkeit automatisch erfaßt werden kann.

Die beiden Schirmdarstellungen 24 der Fig. 4a und der Fig. 4b zeigen den Ausgangspunkt und leiten über zu der Relativbewegung, die als Pfeil -z am Prüfkopf 22 nach abwärts orientiert ist, senkrecht zur x-y-Ebene, die von der Oberfläche OF des Fluides im Behälter gebildet wird. Der diese Ebene bezeichnende Höhenwert ist z₁ und ist Füllstand genannt.

Bei der Abwärtsbewegung gemäß Fig. 4c erreicht der Prüfkopf 22 - ohne daß der Benutzer es sehen kann - mit dem unteren Rand des Senders und Empfängers 21, 20 die Ebene OF bzw. x-y. In dem erwarteten Zeitbereich um t₁ herum beginnt sich ein Nadelimpuls aufzubauen, der zuvor so ausgesehen hat, wie in der Fig. 4a ersichtlich, nachdem der Prüfkopf 22 aus der Fig. 4a abwärts in Richtung -z bewegt worden ist, bis er die Höhe z₁ + dz erreicht, die in Fig. 4c dargestellt ist. Die um eine erkennbare Änderung sich erhöhende Echowelle a₁ zeigt an, daß der Sensor 22 den Füllstand erreicht hat und - wenn eine grobe Messung ausreichend ist - liegt so die Höhe fest, die ermittelt werden soll.

In gleicher Weise kann eine Messung von unten nach aufwärts erfolgen, ausgehend von der Fig. 4b in Richtung +z, bis zum Erreichen eines Wertes z₁-dz, der sinngemäß einem Füllstand gemäß der Fig. 4c entspricht, nur um 2 dz tiefer liegt. Hier beginnt der maximale Amplitudenwert aus Fig. 4b geringer zu werden und auch hier weist entweder der Detektor oder der Benutzer, der den Bildschirm betrachtet, daß die Füllhöhe z₁ praktisch erreicht ist, wenn eine gewisse Ungenauigkeit in Kauf genommen werden kann.

In beiden beschriebenen Fällen der Aufwärtsbewegung und der Abwärtsbewegung des Prüfkopfes 22 entlang der Außenwand mit einem engen Kontakt zu dieser Außenwand, der durch die in Fig. 3 erläuterte Ankoppelpaste 29 erreicht wird, wird eine substantielle oder zumindest spürbare Änderung eines vorher bestehendes Signalwertes im zeitlichen Bereich t₁ ausgewertet, entweder ein spürbares Absinken bei der Aufwärtsbewegung oder ein spürbares Entstehen eines nadelförmigen Impulses a₁. Je sicherer die Auswertung sein soll, desto mehr Hysterese oder Unempfindlichkeit wird in Kauf genommen, so daß z. B. erst bei 10% Änderungswert ein digitales Signal gebildet wird, das anzeigt, daß der Füllstand jetzt erreicht ist. Die Messung des Füllstandes wird durch Ermittlung der Höhe des Prüfkopfes 22 abgeschlossen. Diese Höhe ist im Beispiel durch die jeweilige Mittelachse M des Prüfkopfes - bei seinem symmetrischen Aufbau - angenommen.

Ist eine höhere Genauigkeit erwünscht, ist also gewünscht, genauer zu messen, als die physische Erstreckung des Sensors und des Senders in z-Richtung, so kann die Fig. 4d noch hinzugenommen werden. Mit ihr wird der 50%-Wert des Amplitudenwertes von Fig. 4b als nadelförmiges Echosignal a₅₀ angestrebt. In diesem Höhenzustand ist die Achse M des Prüfkopfes 22 übereinstimmend mit der Füllhöhe z₁, weil oberhalb und unterhalb des Füllstandes z₁ jeweils die gleiche physische Erstreckung von Sender 21 und Empfänger 20 im Prüfkopf 22 liegen. Dieser Zustand kann durch eine langsame asymptotische Annäherung an diese Signalhöhe erreicht werden. Sie kann aber auch im Wege einer iterativen Bewegung mit leichter Aufwärts- und leichter Abwärtsbewegung zielgenau eingestellt werden. Nach Erreichen des 50%-Echosignals a₅₀ von Fig. 4d ist die Füllhöhe z₁ genauer bestimmt, als die physische Höhenerstreckung der Sensoren. Es ist also nicht nötig, daß die Sensoren physisch kleiner sind, als die erstrebte Genauigkeit. Messungen und Experimente haben ergeben, daß die Höhengenauigkeit in z-Richtung bis zu 1 mm möglich ist, während der Piezo-Durchmesser des Senders und Empfängers im Bereich von 8 mm im Beispielfall gelegen haben.

Es ist zuvor erläutert worden, daß im engen Ultraschall-Kontakt im Rahmen der Ankoppelpaste 29 ein (schallkoppelndes) unmittelbares Anliegen des Prüfkopfes an der äußeren Oberfläche der Wand 10a erreicht wird und mit von Hand betätigten Bewegungen des Prüfkopfes 22 der Zustand der Fig. 4c oder Fig. 4d leicht, schnell und ohne große Störempfindlichkeiten erreicht werden kann. Diese manuelle Einstellung ist aber nur eine Variante des Betriebs des Füllstandsdetektors. Eine andere Variante ist eine mechanische Steuerung über beispielsweise einen Motor und eine über eine Spindelstange geführte Abwärtsbewegung des Prüfkopfes 22 mit einer asymptotischen oder iterativen Annäherung des z₁-Höhenpunktes und einem Ablesen des dann erreichten Höhenzustandes des Prüfkopfes 22. Dieses Ablesen kann auch automatisiert werden, wenn beispielsweise ein Inkremental-Encoder verwendet wird, der die Drehung einer genauen Spindelstange inkrementell genau nachführt und deshalb aufgrund der Anzahl der Umdrehungen anhand eines Zählerstandes genau angeben kann, welche Höhe der Prüfkopf 22 erreicht hat. Dieser Höhenwert entspricht bei dem 50%-Echosignal der Fig. 4d der direkt von außen gemessenen Füllhöhe, ohne daß der Behälter geöffnet werden mußte, ohne daß fotografisches Filmmaterial auf der anderen Seite des Behälters installiert werden mußte und ohne daß der Betriebszustand des Gerätes nötig war, beispielsweise bei Transformatoren, deren Ölstand zu messen ist.

Es kann zu der optischen Erkennung, die auch eine mit einem Komparator arbeitende elektronische Lösung sein kann, auch eine akustische Variante hinzutreten, die bei einer spürbaren Änderung der Amplitude aus Fig. 4b oder aus Fig. 4a einen Signalton abgibt, um anzuzeigen, daß die Füllhöhe z₁ jetzt in etwa der vertikalen Läge z des Prüfkopfes 22 entspricht. Die Genauigkeitseinstellung der Fig. 4d kann akustisch auch durch eine Tonhöhenvariation erfolgen, auf die das menschliche Gehör sehr empfindlich reagiert. So kann beispielsweise ein Mittelwert bei 50%, der ja der elektronischen Schaltung aufgrund der vorhergehenden Einstellung des 100%-Wertes gemäß Fig. 4b bekannt ist, auf eine akustische Nennfrequenz mit einer ersten Tonhöhe eingestellt werden und jedwede Abweichung davon kann eine Variation des Tones nach oben (oder nach unten) bewirken.

Nachdem das Fernfeld des Ultraschall-Gebers 21 ausgewertet wird bzw. dessen Echo optisch, akustisch oder elektronisch ausgewertet wird, ist es weniger von Relevanz, wie in der Fig. 3 der genaue Übergangsbereich mit eigentlich zwei eng beieinanderliegenden Grenzflächen und der von Flüssigkeiten gebildete Krümmungsbereich f ausgestaltet ist. All diese Bereiche fallen in den Nähbereich des Senders, der bei richtiger Einstellung der Zeitbasis in den Fig. 4a im Rauschen im dortigen Nullpunkt untergeht. Hier wird nicht gemessen, hier spielen Echos keine Rolle und hier spielt es keine Rolle, ob der Füllstand durch den sich aufwärts krümmenden Flüssigkeitspegel f scheinbar verändert wird, tatsächlich wird das Fernsignal ausgewertet, bei dem von einer praktisch planen Ebene x-y der Oberfläche OF ausgegangen werden kann. Nicht einmal optisch könnte mit einer lichtdurchlässigen Wand 10a dieser Pegelwert so genau bestimmt werden, wie mit der Ultraschall-Methode durch Erfassen des Echos und seiner Änderung von einem Maximalwert oder Minimalwert.

Es soll nicht unerwähnt bleiben, daß die zuvor beschriebenen zwei eng beieinanderliegenden Grenzflächen hinsichtlich der ersten Grenzfläche mit der Ankoppelpaste 29 beseitigt wird und hinsichtlich der zweiten Grenzfläche allein durch meist aus Stahl bestehende Wände zeitlich noch viel näher an den Zeitpunkt des Sendeimpulses gelegt wird, weil die Schallgeschwindigkeit in Eisen um fünf bis sechs mal höher ist, als in den meisten Flüssigkeiten. Die Laufzeit des Ultraschallpakets zwischen der ersten Grenzfläche und der Grenzfläche zwischen der Stahlwand und der Flüssigkeit F ist also noch viel geringer und kann deshalb praktisch vollständig vernachlässigt werden. Auf der anderen Seite ist die Dämpfung des Schallsignals in der fluidfreien Zone oberhalb der Flüssigkeit so groß, daß nicht befürchtet werden muß, daß durch unerwartete, weil von außen nicht sichtbare, Hindernisse Reflexionen erzeugt werden, die dem Benutzer von außen suggerieren, daß hier schon der Füllstand erreicht wäre. Es muß dabei immer betont werden, daß die Betrachtung in der hier dargestellten Weise das Innere des Behälters für die Erläuterung öffnet und den genauen Füllstand zeigt, daß aber der Benutzer den Füllstand eigentlich nie sehen kann, nicht fühlen kann, nicht überprüfen kann und deshalb allein auf die Auswertung des Meßsignals der Fig. 4b, 4c und 4d angewiesen ist, welches Echosignal er auf die zweite Grenzfläche zurückführt, welches Echosignal aber auch von Einbauten, Störgrößen, Distanzveränderungen oder Flüssigkeitsstandänderungen sowie Ankopplungsänderungen herrühren kann. Die meisten dieser Einflüsse kann man durch die oben erwähnten Plausibilitätskontrollen ausschalten, insbesondere sind Gasblasen in dem Fluid F ohne weiteres als spitze und sehr niedrige Echos zu erkennen, so daß sie von einem immer an der gleichen Stelle t₁ befindlichen Echosignal, das sich deterministisch zu einer Vertikalbewegung des Prüfkopfes 22 verhält, unterschieden werden können.

Vorteilhaft ist die Meßvariante von der Fig. 4a zu der Fig. 4c, also ein Absenken des Sensors, weil bei hochstehendem Füllstand der Füllstand oft schnell erreicht wird und damit eine zeitlich kurze Messung erreicht wird. Dennoch aber wird die 100%-Marke zu Abgleichzwecken dann benötigt, wenn ein 50%-Wert der Fig. 4d angestrebt ist und hohe Genauigkeit erzielt werden soll.

Ein weiterer positiver Aspekt des Meßverfahrens ist derjenige, daß die beiden Wände 10a und 10b des Behälters 10 nicht unbedingt und genau parallel verlaufen müssen. Sie müssen lediglich im wesentlichen parallel verlaufen. Messungen haben gezeigt, daß Abweichungen im Bereich von ±15° der Gegenwand 10b gegenüber der vertikalen Achse ohne weiteres verkraftet werden. Das Echosignal ist hier noch stark und genau genug, um den Füllstand in der zuvor beschriebenen Weise zu ermitteln.

Die zuvor beschriebene Weise der Vorgabe eines Pegels des Ultraschallgebers und die Ermittlung des 100%-Wertes kann auch durch ein Testnormal ersetzt werden. Da eine direkte Abhängigkeit des Materials, Prüfgeräts, Prüfkopfs, des geometrischen Prüfstückes und des Ankoppelmittels besteht, wird von Fall zu Fall umjustiert. Um diese Umjustage zu ermöglichen und beim Prüfen verwertbare Echos zu erhalten, kann das Gerät an dem "Prüf- oder Justiernormal" justiert werden, das eine definierte Strecke aus Behälter mit Fluidfüllung ist. Dieses "Normal" hat meist eine Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit von etwa 1480 m/sec und kann beispielsweise bei einer Kantenlänge des Behälters von 50 mm zwei Echos auf einem Justierbereich von 100 mm auf dem Bildschirm darstellen. Zwei Echos entstehen aus der zweifachen und der vierfachen Laufzeit durch Reflexion an den beiden inneren Grenzflächen des Behälters. Nach Justage wird die Zeitbasis so verändert, wie der erwartete Abstand an dem zu prüfenden Objekt zwischen den beiden Wänden 10a und 10b ist. War von einem Behälter von 50 mm Kantenlänge ausgegangen und ist das zu messende Objekt doppelt so groß, so wird die Zeitbasis halbiert (um den Faktor 2 in der Ablenkungsgeschwindigkeit reduziert). Es schließt sich das Justieren des 100%-Merkers in Fig. 4b mit dem im Bereich t₁ erwarteten Nadelimpuls a₁₀₀ an.

Die anschließende Messung erfolgt so, wie zuvor beschrieben.

Claims (12)

1. Verfahren zur Ermittlung des Füllstandes eines Behälters (10) von außen durch eine bevorzugt undurchsichtige äußere Wandung (10a) des Behälters, mit

• a) Vorgeben eines Pegels eines Ultraschallgebers (21) in Form einer pulsweisen Energieabgabe von Ultraschallpaketen, abgestimmt auf ein Fluid (F), das den Füllstand (z₁) des Behälters (10) ausmacht;
• b) Relativbewegen (z) eines Ultraschall-Sensors (20) zusammen mit dem Ultraschall-Geber (21) eng anliegend und entlang der äußeren Wandung (10a) des Behälters (10), in einer Richtung (z) senkrecht zur Oberfläche (OF) des Fluids im Behälter, welche Oberfläche den Füllstand (z₁) bildet, während die Ultraschallpakete mit dem eingestellten Pegel vom Geber (20) mit einer gegenüber der Frequenz des Ultraschalls geringeren Wiederholfrequenz abgegeben werden;
• c) wobei eine wesentliche Änderung der Amplitude (a(t); a₁₀₀, a₅₀, a₁) eines vom Sensor (20) als Echo des Ultraschallpakets aufgefangenen Meßsignals anzeigt, daß sich der Ultraschall-Sensor (20) und der Ultraschall-Geber (21) gemeinsam auf einer Höhe befinden, die im wesentlichen dem Füllstand (z₁) entspricht;

Ablesen der Höhe (z₁) des Sensors (20) an der Außenwand (10a) zur Bestimmung der Höhe (z₁) des Füllstandes im Inneren des Behälters (10).

2. Verfahren nach Anspruch, bei dem der Ultraschall-Sensor und der Ultraschall-Geber in einem gemeinsamen Prüfkopf (22) angeordnet sind, der an der Außenwandung (10a) relativbewegt wird (z), wobei insbesondere Sensor und Geber (21, 20) horizontal beabstandet im Prüfkopf (22) so angeordnet sind, daß ihr Abstand in einer Richtung parallel zur Oberfläche (OF) des Fluids (F) im Behälter (10) verläuft.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Änderung der Amplitude des aufgefangenen Echos optisch (24) oder akustisch (25) signalisiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Ankoppelpaste (29), insbesondere ein gelartiger Stoff aus Zellulose und Glyzerin, an der Berührstelle zwischen Sensor und Geber (20, 21) sowie der Außenwandung (10a) vorgesehen ist, um die Einkopplung der Ultraschall-Schwingungen ins Innere des Behälters zu verbessern, insbesondere während der gesamten Relativbewegung des Sensors und Gebers (20, 21; 22).

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Anzeige so eingestellt ist, daß das Echo des Fernfeldes des Ultraschall-Gebers (21) angezeigt wird, das mit seiner maximalen Amplitude (a₁₀₀) entsteht, wenn sich der Sensor und der Geber (20, 21) unterhalb der Oberfläche des Fluids (Füllstand) befinden (z < z₁)

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Feinpositionierung des Ultraschall-Gebers und Ultraschall-Sensors (20, 21) im Bereich des Füllstandes (z₁) so erfolgt, daß ein bei optischer Anzeige auf dem Sichtschirm dargestelltes Echo der Ultraschall-Pakete als nadelförmiges Signal (Impuls) mit einer im wesentlichen 50%igen Amplitude der maximalen Amplitude des Echos durch eng anliegendes Relativbewegen (z) des Ultraschall-Sensors (20, 21; 22) an der äußeren Wand (10a) eingestellt wird, wobei die 50% sich auf das Maximalsignal des Echos beziehen, welches Signal dann angezeigt wird, wenn sich der Sensor und der Geber (20, 21; 22) weit unterhalb des Füllstandes (z₁) an der äußeren Wand anliegend befinden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Wiedeholfrequenz der Ultraschallpakete so groß ist daß - bei optischer Anzeige - sich ein im wesentlichen stehendes Bild auf dem Sichtschirm (24) ergibt, wenn der Sensor im Bereich des Füllstandes oder darunter ist (z ≦ z₁)

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Echo von der gegenüberliegenden Wand (10b) des Behälters (10) erzeugt wird, insbesondere von der dort mit dem Fluid (F) des Füllstandes gebildeten Grenzfläche und der von ihr reflektierten Druckwelle (Longitudinalwelle) des Ultraschall-Gebers (21).

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Vorgabe gemäß Merkmal (a) eine Einstellung beinhaltet, abhängig von

• a) von der Schallgeschwindigkeit im Fluid (F) in dem Behälter (10);
• b) dem erwarteten Zeitbereich des Echos (a₁, a₅₀, a₁₀₀) von der gegenüberliegenden Wand (10b) des Behälters (10), um die Zeitablenkung der optischen Darstellung (24) zumindest auf die doppelte Laufzeit, insbesondere die vierfache Laufzeit, einzustellen oder ein akustisches Signalfenster bei akustischer Anzeige (25) in einen vergleichbaren Bereich zu legen;
• c) der Dämpfung (Schallschwächungskoeffizient) der Ultraschall-Energie im Fluid (F), um die Amplitude bei optischer Anzeige auf, einem Sichtschirm noch unverzerrt und ohne Begrenzung darzustellen, welche Amplitude eine maximale Amplitude ist, die einer solchen Echo-Amplitude entspricht, die erfaßt wird, wenn der Sender und der Geber (20, 21; 22) sich weit unterhalb des Füllstandes (z « z₁) eng anliegend an der äußeren Wandung des Behälters befinden.

10. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Relativbewegung (z) des Sensors und des Gebers (20, 21; 22) von oberhalb beginnt und abwärts in Richtung des Füllstandes (z₁) erfolgt.

11. Verfahren zur Ermittlung des Füllstandes eines Behälters (10) von außen durch eine bevorzugt undurchsichtige äußere Wandung (10a) des Behälters, mit folgenden Schritten

• a) Pulsweise Energieabgabe von Ultraschallpaketen durch die äußere Wandung (10a) des Behälters;
• b) Relativbewegen (z) eines Ultraschall-Sensors (20) zusammen mit dem Ultraschall-Geber (21) eng anliegend und entlang der äußeren Wandung (10a) des Behälters (10), in einer Richtung (z) senkrecht zur Oberfläche (OF) des Fluids im Behälter, welche Oberfläche den Füllstand (z₁) bildet, während die Ultraschallpakete vom Geber (20) mit einer gegenüber der Frequenz des Ultraschalls geringeren Wiederholfrequenz abgegeben werden;
• c) Erfassen einer wesentlichen Änderung der Amplitude (a(t); a₁₀₀, a₅₀, a₁) eines vom Sensor (20) als Echo der Ultraschallpakete aufgefangenen Meßsignals;

Bereitstellen einer Ablesemöglichkeit der Höhe (z₁) des Sensors (20) an der Außenwand (10a) zur Bestimmung der Höhe des Füllstandes (21) im Inneren des Behälters (10).

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 11, mit den strukturellen Merkmalen eines dieser Ansprüche.