DE2547759B2

DE2547759B2 - Schall-Echolot für die Messung von Füllständen

Info

Publication number: DE2547759B2
Application number: DE2547759A
Authority: DE
Inventors: Peter Ing.(Grad.) 7867 Maulburg Schurr
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1975-10-24
Filing date: 1975-10-24
Publication date: 1978-08-17
Also published as: DE2547759C3; IT1072966B; DE2547759A1; JPS5254462A; GB1517109A; FR2328951B1; JPS5748749B2; FR2328951A1; US4101865A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schall-Echolot für die Messung von Füllständen in geschlossenen oder offenen Behältern, Gerinnen od. dgl, mit einem Schallgeber, der am einen Ende eines Schallführungsrohres angebracht ist, dessen anderes Ende auf das zu messende Medium gerichtet ist.

Beim Messen von Füllständen mit einem Schall-Echolot äst es erforderlich, daß zwischen dem Schallgeber und der Oberfläche des zu messenden Mediums ein Mindestabstand eingehalten wird. Die Größe dieses

Abstandes wird hauptsächlich durch die Nachschwingzeit des Gebers bestimmt Andererseits besteht bei der Messung von Füllständen die Forderung, daß die Messung auch dann möglich sein muß, wenn der geschlossene oder offene Behälter oder das Gerinne bis zu seiner Oberkante gefüllt ist Die Messung eines so hohen Füllstandes bedingt also, daß der Schallgeber, damit dessen Nachschwingzeit ausgeglichen werden kann, in einem bestimmten Abstand oberhalb der

ίο vorgesehenen Maximalfüllstandshöhe angebracht werden muß; deshalb wird der Schallgeber gewöhnlich am oberen Ende eines Verlängerungsrohres montiert, dessen unteres Ende bei einem geschlossenen Behälter mit dem Rand einer öffnung in der Behälterwand, bei einem offenen Behälter oder einem Gerinne mit der Oberkante der Wand des Behälters bzw. des Gerinnes verbunden ist Das Verlängerungsrohr wirkt in diesen Fällen als Schallführungsrohr.

Bei der Füllstandsmessung mit Schall-Echolot kann es auch aus anderen Gründen zweckmäßig oder notwendig sein, den Schall mittels eines Rohres zu führen oder umzulenken; dies kann vorkommen, wenn die Schallausbreitung durch Wind oder Anlageaufbauten gestört wird oder Platzmangel einen horizontal verschobenen Einbau de.s Schallgebers notwendig macht.

Alle diese Anwendungsfälle haben gemeinsam jedoch den Nachteil, daß beim Austritt des Sendeimpulses am zum Schallfluß rechtwinkligen Ende des Schallführungsrohres Störreflexionen erzeugt werden, die zu Fehlanzeigen führen. Bekannterweise wurde versucht, den Einfluß dieser Störreflexionen auf das Nutzsignal dadurch zu verringern, daß der Durchmesser des Verlängerungs- oder Schallführungsrohres entsprechend dem Durchmesser der Schallkeule bemessen wird, was zu sehr großen Durchmessern führen kann, oder daß man das Rohrende trichterförmig ausbildet. Diese Lösung ist jedoch sehr aufwendig, nicht vollkommen und ergibt außerdem den Nachteil, daß man in der Wahl des Rohrdurchmessers Einschränkungen unterworfen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schall-Echolot der eingangs angegebenen Art zu schaffen, bei dem an der Austrittsstelle des Schallführungsrohres keine Störreflexionen entstehen.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß das auf das zu messende Medium gerichtete Ende des Schallführungsrohres zur fließenden Anpassung der akustischen Impedanz des Schallführungsrohres an die akustische Impedanz des Meßraumes so ausgebildet ist, daß sein massiver Querschnitt zum Ende hin allmählich abnimmt.

Unter dem massiven Querschnitt wird dabei der Teil des Rohrquerschnitts verstanden, der aus dem Rohrmaterial besteht, also ohne vorhandene Aussparungen oder

^5S Durchbrüche. Durch die allmähliche Querschnittsabnahme wird ein fließender Übergang zwischen den unterschiedlichen Drücken bzw. akustischen Impedanzen von Schallführungsrohr und anschließendem Raum, beispielsweise dem Behälterinneren ( oder auch dem atmosphärischen Druck) erzielt, der die Ausbildung von Störreflexionen weitgehend beseitigt. Das Nutzsignal wird entsprechend vergrößert, und es besteht der Vorteil, daß für die Herstellung des Schallführungsrohres ein handelsübliches Rohr verwendet werden kann, das nicht mehr an einen Mindestdurchmesser gebunden ist.

Die gewünschte Impedanzangleichung wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform insbesondere da-

durch erhalten, daß die Länge des Bereichs der allmählichen Querschnittsabnahme größer als die Schallwellenlänge ist

Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur Ausbildung eines solchen allmählich abnehmenden massiven Querschnitts eines Rohres.

Eine erste Ausführungsform böteht nach der Erfindung darin, daß der Endabschnitt des Schallführungsrohres nach Art einer Krone zackenförmig ausgebildet ist.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der Endabschnitt des Schallführungsrohres mit mehreren um den Umfang verlaufenden Reihen von radialen Bohrungen versehen, und die Anzahl der Bohrungen in jeder Reihe ist um so kleiner, je weiter die Reihe von dem Ende des Schallführungsrohres entfernt ist.

Schließlich ist es auch möglich, den Endabschnitt des Schallführungsrohres schräg abzuschneiden. Der Schnitt kann dabei in einer einzigen Schnittebene liegen oder auch in zwei zu einer Durchmesserebene geneigten Schnittebenen.

Bei dem geschilderten Anwendungsfall der Messung des Füllstandes in geschlossenen Behältern, bei dem der Schallgeber am oberen Ende eines Verlängerungsrohres befestigt ist, dessen anderes Ende mit dem Rand einer öffnung in der Behälterwand verbunden ist, ist es im allgemeinen nicht möglich, das Verlängerungsrohr selbst in der angegebenen Weise auszubilden. Dieses Problem wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung dadurch beseitigt, daß das Schallführungsrohr ein in das Verlängerungsrohr eingeführtes Adapterrohr ist, dessen dem Schallgeber entgegengesetztes Ende über das Verlängerungsrohr hinaus in das Innere des Behälters ragt.

In anderen Fällen, in denen das dem Schallgeber abgewandte Ende des Verlängerungsrohres frei ist, kann dieses selbst als Schallführungsrohr in der angegebenen Weise ausgebildet sein, so daß nur ein Rohr benötigt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine schematische, z. T. geschnittene Ansicht des oberen Teiles eines Behälters und des daran angebrachten Schall-Echolotes;

F i g. 2 eine schematische Ansicht zur Erläuterung der Entstehung von Störreflexionen bei den bekannten Schall-Echoloten und

Fig. 3 verschiedene Ausbildungen des unteren Abschnittes des bei dem Schall-Echolot von Fig. 1 vorgesehenen Adapterrohres.

F i g. 1 zeigt einen Teil der Wand 1 eines Behälters, dessen Füllstand mit Hilfe eines Schall-Echolotes gemessen werden soll. Das Schall-Echolot besteht aus einem Schallgeber 2, der am oberen Ende des Verlängerungsrohres 3 montiert ist, dessen unteres, auf das zu messende Medium gerichtete Ende mit dem Rand einer öffnung in der Behälterwand verbunden ist. Das Verlängerungsrohr hat den Zweck, einen vorgegebenen Mindestabstand zwischen dem Schallgeber 2 und der Oberfläche des zu messenden Mediums bei dem höchsten vorkommenden Füllstand einzuhalten.

Wenn, wie es bei den bekannten Schall-Echoloten dieser Art der Fall ist, nur das Verlängerungsrohr 3 vorhanden ist, das dann zugleich als Schallführungsrohr dient, entstehen an der Verbindungsstelle 4 zwischen dem Verlängerungsrohr 3 und der Behälterwand 1 beim Übertritt des Sende-Impulses vom Verlängerungsrohr zum Behälter Störreflexionen, die zu Fehlanzeigen führen.

In F i g. 2 ist die Stelle, in der diese Störreflexionen auftreten, durch die geschnittene Ring/one dargestellt

Bei dem in F i g. 1 dargestellten Schall-Echolot wird das Entstehen dieser Störreflexionen dadurch verhindert, daß in das Innere des Verlängerungsrohres 3 ein Adapterrohr 5 eingeführt ist, das die Rolle des Schallführungsrohres übernimmt. Das obere Ende des Adapterrohres 5 ist mit dem Schallgeber 2 verbunden,

ίο während der untere Abschnitt 6 um eine gewisse Strecke in das Innere eines Behälters ragt. Dieser Abschnitt 6 ist beispielsweise in einer der in F i g. 3 dargestellten Weise, so ausgebildet, daß sein massiver Querschnitt zum unteren Ende des Adapterrohres hin allmählich abnimmt Auf diese Weise wird eine fließende Anpassung der Impedanz des Schallführungsrohres an die Impedanz des Behälters erreicht, wodurch die Entstehung von Störreflexionen vermieden wird. Die Länge des Bereiches der allmählichen Querschnittsabnähme ist größer als die Schallwellenlänge.

Fig.3 zeigt verschiedene Ausgestaltungen des Endabschnitts 6 des Adapterrohres von Fig. 1, mit denen ein allmählich abnehmender massiver Querschnitt erhalten wird.

Der Endabschnitt 6a von F i g. 3a ist nach Art einer Krone zackenförmig ausgeschnitten. Wenn man in diesem zackenförmig ausgeschnittenen Bereich einen Schnitt quer durch das Rohr legt, besteht nur ein Teil des ursprünglichen kreisringförmigen Rohrquerschnitts aus dem Material des Rohres, während der übrige Teil aus Luft besteht. Die Summe der aus dem Rohrmaterial bestehenden Querschnittsteile wird hier als »massiver Querschnitt« bezeichnet. Es ist zu erkennen, daß bei der Ausgestaltung von F i g. 3a der Anteil des massiven Querschnitts am Gesamtquerschnitt des Rohres um so geringer wird, je näher die Schnittebene beim unteren Ende des Adapterrohres liegt. Der massive Querschnitt nimmt bei dieser Ausführungsform stetig vom vollen Rohrquerschnitt auf den Wert Null ab

<o Der in Fig.3b gezeigte Endabschnitt 6b ist mit mehreren Reihen von um den Umfang verlaufenden radialen Bohrungen 7 versehen. In der untersten Reihe ist eine große Anzahl von nahe beieinanderliegenden Bohrungen vorhanden. In der darüberliegenden Reihe ist die Anzahl der Bohrungen 7 geringer, und in den folgenden Reihen nimmt die Anzahl der Bohrungen pro Reihe mit zunehmender Entfernung vom unteren Ende weiter ab. Wenn man durch die Lochreihen Querschnitte legt, ist offensichtlich der massive Querschnitt um so kleiner, je näher die Lochreihe am unteren Ende des Adapterrohres liegt. Zwar erfolgt die Querschnittsänderung in diesem Fall nicht stetig, sondern stufenweise, doch genügt dies im allgemeinen bereits zur Erzielung einer ausreichend fließenden Impedanzanpassung.

Bei der Ausführungsform von Fig.3c ist der Endabschnitt 6c einfach schräg abgeschnitten, und es ist unmittelbar zu erkennen, daß in diesem Fall wieder eine stetige Abnahme des massiven Querschnitts vom vollen Rohrquerschnitt zum Querschnitt Null erhalten wird.

Bei den Ausführungsformen von F i g. 3d und F i g, 3e ist der Endabschnitt 6c/bzw. 6e jeweils in zwei zu einer Durchmesserebene geneigten Schnittebenen schräg abgeschnitten, wobei die Schnittebenen in F i g. 3d zum Ende des Adapterrohres hin auseinanderlaufen, während sie in Fig.3e zum Ende hin zusammenlaufen. In beiden Fällen erhält man wiederum einen massiven Querschnitt, der vom vollen Rohrquerschnitt zum Wert Null hin stetig abnimmt.

Bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß das Schall-Echolot für die Messung des Füllstandes in einem allseitig geschlossenen Behälter verwendet wird und deshalb mittels eines Verlängerungsrohres an der oberen Behälterwand befestigt ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkt, sondern kann vorteilhaft überall dort angewendet werden, wo der Schallgeber an einem Ende eines Schallführungsrohres befestigt ist, dessen anderes Ende auf das zu messende Medium gerichtet ist. Beispielsweise kann das Schallführungsrohr auf irgendeine Weise über einem offenen Behälter

oder einem Gerinne befestigt sein. Auch in diesen Fäller besteht das geschilderte Problem der Entstehung vor Störreflexionen, das durch die erfindungsgemäße Ausbildung des freien Endes des Schallführungsrohres beispielsweise nach einer der in F i g. 3 gezeigter Möglichkeiten, beseitigt werden kann. In vielen Fäller ist dann die Verwendung eines besonderen, in eir Verlängerungsrohr eingeführten Adapterrohres nicht erforderlich, sondern es braucht nur ein einziges Schallführungsrohr vorgesehen zu werden, dessen freies Ende in der angegebenen Weise ausgebildet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

J. Schall-Echolot für die Messung von Füllständen in geschlossenen oder offenen Behältern, Gerinnen od. dgl., mit einem Schallgeber, der an einem Ende eines Schallführungsrohres angebracht ist, dessen anderes Ende auf das zu messende Medium gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das auf das zu messende Medium gerichtete Ende (6) des Schallführungsrohres (5) zur fließenden Anpassung der akustischen impedanz des Schallführungsrohres an die akustische Impedanz des Meßraumes so ausgebildet ist, daß sein massiver Querschnitt zum Ende hin allmählich abnimmt
2. Schall-Echolot nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Bereichs der allmählichen Querschnittsabnahme größer als die Schallwellenlänge ist
3. Schall-Echolot nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der Endabschnitt (6a) des Schallführungsrohres (5) nach Art einer Krone zackenförmig ausgebildet ist
4. Schall-Echolot nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Endabschnitt (6b) des Schallführungsrohres (5) mit mehreren um den Umfang verlaufenden Reihen von radialen Bohrungen (7) versehen ist, und daß die Anzahl der Bohrungen (7) in jeder Reihe um so kleiner ist, je weiter die Reihe vom Ende des Schallführungsrohres entfernt ist.
5. Schall-Echolot nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Endabschnitt (6c) des Schallführungsrohres (5) schräg abgeschnitten ist.
6. Schall-Echolot nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Endabschnitt (6c/, 6c) des Schallführungsrohres (5) in zwei zu einer Durchmesserebene geneigten Schnittebenen schräg abgeschnitten ist.
7. Schall-Echolot nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittebenen zum Ende des Schallführungsrohres hin auseinanderlaufen.
8. Schall-Echolot nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittebenen zum Ende des Schallführungsrohres hin zusammenlaufen.
9. Schall-Echolot nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schallgeber am oberen Ende eines Verlängerungsrohres befestigt ist, dessen anderes Ende mit dem Rand einer öffnung in einer Behälterwand verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Schallführungsrohr (5) ein in das Verlängerungsrohr (3) eingeführtes Adapterrohr ist, dessen dem Schallgeber (2) entgegengesetztes Ende über das Verlängerungsrohr (3) hinaus in das Innere des Behälters ragt