DE2631037C2 - Anordnung zum Erfassen der Höhenlage einer Grenzfläche zwischen zwei Medien in einem Behälter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erfassen der Höhenlage einer Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichem akustischen Verhalten in einem Behälter mit einem mit der Behälterwandung an einem ersten Ort gekoppelten Schallgeber für die Einleitung einer akustischen Welle in den Bphäiter, einem mit der Behälterwandung an einem zweiten Ort gekoppelten Schallempfänger zum Abneh/iien der den Behälter durchlaufenden Welle und einer Einrichtung zum Bestimmen der Amplitude der am Schallempfänger abgenommenen akustischen Welle als Anzeige für die Lage der Grenzfläche.

Meßgeräte, die Flüssigkeiten in einem Behälter mit Hilfe von Ultraschallwellen erfassen, sind bereits in verschiedener Ausführung bekannt.

So ist in »Messen und Steuern«, Heft 14 (1967) S. 22 bis 24, ein Grenzstandsmesser beschrieben, bei dem ein Ultraschallschwinger, der durch die eine Wand eines » Flüssigkeitsbehälter?; hindurchgeführt ist, senkrecht zu dieser Behälterwand einen Ultraschallstrahl auf die gegenüberliegende Behälterwand richtet. Von dieser Behälterwand wird der Ultraschallstrahl in sich selbst zurückreflektiert, und eine mit dem Ultraschallschwinger kombinierte Empfangsschaltung erfaßt die Amplitude des reflektierten Ultraschallstrahls. Diese Amplitude hat ihr Maximum dann, wenn die in den Flüssigkeitsbehälter hineinragende Membran des Ultraschallschwingers von Flüssigkeit frei ist. Erfährt diese Membran jedoch eine Bedeckung durch Flüssigkeit, so geht die Ultraschallstraihlamplitude auf e^:nen Minimalwert und im Grenzfall auf den Wert Null zurück, woraufhin die Empfangsschaltung ein Anzeigesignal abgibt, das ersichtlich macht, daß der Flüssigkeitsstand im Behälter die durch den Ultraschallstrahl markierte Höhe im Behälter erreicht hat.

In der DE-AS 11 54 647 ist weiter ein Flüssigkeitsstandsmesser beschrieben, bei dem ein Ultraschalleiter in eine in ihrem Pegelstand zu erfassende Flüssigkeit in 5-· einem Behälter eintaucht. Dieser Ultraschalleiter ist an einem Ende mit einem Ultraschallgenerator gekoppelt, der eine Ultraschallwelle in solcher Weise in den Ultraschalleiter hineinschickt, daß diese darin eine vielfache Totalreflexion erfährt, indem sie sich in dem Ultraschalleiter fortpflanzt Diese Ultraschallwelle wird mit Hilfe einer an einem Ende des Ultraschalleiters angeordnete Empfangseinrichtung aufgenommen, und we liefert dabei ein Maß für die Höhe des Flüssigkehsitandes entlang des Ultraschalleiters, da die Größe der Dämpfung, die sie auf ihrem Weg in dem Ultraschallei' tef erfährt, wesentlich davon abhängt, wieviele der Reflexionspunlkte, au denen diese Welle eine Umlen^ kung in den Ultraschalleiter hinein erfährt, innerhalb der Flüssigkeit liegen.

In der US-PS 29 31 223 schließlich ist eine Einrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit piner Flüssigkeit in einem Rohr beschrieben, bei der zwei mit axialem Abstand voneinander entlang des Rohres angeordnete I Iltraschallstrahler jeweils einen spitzwinklig zur Rohrachse gerichteten Ultraschallstrahl durch die strömende Flüssigkeit hindurch auf einen auf der Höhe des jeweils anderen Ultraschallstrahlers diametral gegenüber in der Rohrwand angeordneten Ultraschallempfänger richten. Die beiden Ultraschallstrahlen durchlaufen die strömende Flüssigkeit daher in deren Strömungsrichtung bzw. entgegengesetzt dazu, so daß aus einem Vergleich der beiden empfangenen Ultraschallfrequenzen ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit im Rohr gewonnen werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs erwähnten Art anzugeben, bei der ein Abschnitt der Behälterwandung als Informationsquelle für die Lage der inte ssierenden Grenzfläche im Behälter ausgenutzt wird, wo^!>si die Zusammensetzung und die physikalischen und chemischen Eigenschaften der entlang dieser Grenzfläche zusammentreffenden Medien im Behälter sowie deren Zur>andsgrößen ohne Einfluß auf das Meßergebnis sind und dieses mit hoher Genauigkeit erhalten werden kann.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a) Der Schallgeber ist mit der Behälterwandung über einen ersten Schalleiter verbunden, der die vom Schallgeber abgestrahlte akustische Welle unter einem spitzen Winkel zur Behälterwandung ausgerichtet weiterleitet, in der sich mechanische Schwingungen mit durch die Fortpflanzungsrichtung und den Einfallswinkel der akustischen Welle bestimmter Richtung und der Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen WeIL- in der Behälterwandung etwa gleicher Fortpflanzungsgeschwindigkeit unter gleichzeitiger Beeinflussung durch das die Behälterwandung von innen her berührende Medium ausbreiten;

b) der Schallempfänger ist über einen zweiten Schalleiter mit einer akustischen Welle beaufschlagt, deren Amplitude zur Bestimmung der Höhenlage der Grenzfläche dient.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im Betrieb der erfindungsgemäß ausgebildeten Anordnung erfolgt die Ausbreitung der zur Messung dienenden Ultraschallwellen nur innerhalb der Behälterwandung und nicht auch durch die Medien im E-ihälter selbst hindurch. Diese Medien wirken sich vielmehr nur indirekt auf das Meßergebnis aus, indem sie die Fortpflanzung des Ultraschalls ir. der Beliälterwandung beeinflussen. Dabei lassen sich auch Änderungen im Querschnitt dieser Behälterwandung und in ihrer Temperatur berücksichtigen, ohne daß das Meßergebnis dadurch ungünstig beeinflußt wird.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele veranschaulicht; eä> zeigt

F i g. 1 die Gesamtansicht eines einschichtigen Behälters mit auf einer Seitenfläche angeordneten Anordnung mit Geber bzw, Empfänger für eine Schallwelle,

F i g, 2 die Anordnung von F i g. I in Draufsicht,

F i g, 3 eine Anordnung zum Erfassen einer Grenzflä-

ehe zwischen den Medien Gas/Flüssigkeit und Flüssigkeit/Flüssigkeit in einem einschichtigen Behälter mit Schalleitern nach einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung,

Fig.4 einen Abschnitt der Behälterwandung mit einem darauf mit Hilfe eines Schalleiters nach einer zweiten Ausführungsvariante angeordneten Schallgeber,

Fig.5 die Anordnung von Fig.4 in einer Seitenansicht,

Fig.6 einen Abschnitt der Behälterwandung mit einem darauf mit Hilfe eines Schalleiters nach einer dritten Ausführungsvariante angeordneten Schallgeber.

F i g. 7 die Anordnung von F i g. 6 in einer Seitenansicht,

Fig.8 einen Abschnitt der Behälterwandung mit einem darauf mit Hilfe eines Schalleiters nach einer vierten Ausführungsvariante angeordneten Schallgeber,

F i g. 9 die Anordnung von F i g. 8 in einer Seitenansicht,

Fig. 10 die Anordnung von Fig.3 rr'.t einem elektronischen Kanal für den Durchgang eines Bezugssignals in der elektrischen Schaltung der Anordnung,

Fig. 11 die Anordnung von Fig.3 mit Schalleitern nach einer fünften Ausführungsvariante und mit einem elektronisch-akustischen Kanal für den Durchgang eines Bezugssignals in der elektrischen Schaltung der Anordnung,

Fig. 12 die Anordnung von Fig. 3 mit Schalleitern nach einer sechsten Ausführungsvariante und mit einem elektronisch-akustischen Kanal für den Durchgang eines Bezugssignals in der elektrischen Schaltung der Anordnung,

Fig. 13 die Anordnung von Fig.3 mit einer elektrischen Blockschaltung für eine impulsweise Anregung der akustischen Welle,

Fig. 14 einen Abschnitt der Behälterwandung mit einem darauf mit Hilfe eines Schalleiters nach einer siebten Ausführungsvariante angeordneten Schallgeber,

Fig. 15 einen Abschnitt der Behälterwandung mit einem darauf mit Hilfe eines Schalleiters nach einer ächten Ausführungsvariante angeordneten Schallgeber,

Fig. 16 einen Abschnitt der Behälterwandung mit einem darauf mit Hilfe eines Schalleiters nach einer neunten Ausführungsvariante angeordneten Schallgeber.

Fig. 17 einen Abschnitt der Behälterwandung mit einem darauf mit Hilfe eines Schalleiters nach einer zehnten Ausführungsvariante angeordneten Schallgeber,

Fig. 18 einen Abschnitt der Behälterwandung mit einem darauf mit Hilfe eines Schalleiters nach einer elften Ausführungsvariante angeordneten Schallgeber,

Fig. 19 einen Abschnitt der Behälterwandung mit einem darauf mit Hilfe eines Schalleiters nach einer zwölften Ausführungsvariante angeordneten Schallgeberund

Fig.20 einen Abschnitt der Behälterwandung mit einem darauf mit Hilfe eines Schalleiters nach einer dreizehnten Ausführungsvariante angeordneten Schallgeber.

Die in F i g. 1 dargestellte Anordnung zum Erfassen der Grenzfläche zwischen den Medien Gas/Flüssigkeit und Flüssigkeit/Flüssigkeit in einschichtigen Behältern enthält einen Schallgeber 1 für eine akustische Welle 2, der mittels eines Schalleiters 3 an der Wandung 4 eines einschichtigen Behälters 5 angeordnet ist, in dem ein gasförmiges Medium 6 und ein flüssiges Medium 7 an einer Grenzfläche 8 zusammentreffen. Der Schallgeber 1 ist auf einem Abschnitt 9 der Wandung 4 in der Weise angeordnet, daß in der Wandung 4 (F i g, 2) auf diesem Abschnitt 9 durch die akustische Welle 2 mechanische Schwingungen 10 angefacht werden, die sich in vorgegebener Richtung fortpflanzen.

Die Anordnung weist weiter einen mittels eines Schaüeiters 11 auf dem Abschnitt 9 im Wege der Ausbreitung der mechanischen Schwingungen 10

to aufgestellten Schallempfänger 12 für eine aus den mechanischen Schwingungen 10 transformierte akustische Welle 13 auf.

An den Schallgeber 1 ist ein Generator 14 (F i g. 3) für elektrische Schwingungen und an den Schallempfänger 12 ein Reihenkreis aus einem Verstärker 15 für elektrische Signale, deren Amplitude von der Art eines den Abschnitt 9 der Wandung 4 berührenden Mediums lfii abhängig ist, das sich ober- oder unterhalb der Grenzfläche 8 (Fi g. 1) befindet, und einem Registrierer 17 (F i g. 3) für die Amplitude dieser Signale angeschaltet.

Damit die Geschwindigkeit der in den Behälter 5 eingeführten akustischen Welle 2 in der Wandung 4 ungefähr gleich der Ausbreitungsgeschwindigkeit der mechanischen Schwingungen 10 in dieser Wandung 4 lsi., sind die wirksame Fläche 18 der Schalleiter 3 und 11 und die die Wandung 4 berührende Kontaktfläche 19 dieser Schalleiter 3 und 11 unter einem Winkel Θ zueinander ausgeführt, der sich aus der Beziehung

Θ = arc sin -^-

(1)

ergibt, in der

C] die Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen

Wellen 2 und 13 in den Schalleitern 3 und 11 und
C die Ausbreitungsgeschwindigkeit der mechanischen Schwingungen 10 in der Wandung 4 des Behälters 5 bezeichnen.

Dabei sind die Schalleiter 3 und 11 selbst aus einem Material hergestellt, in dem die Ausbreitungsgeschwindügkeit der akustischen Welle 2 und 13 kleiner ist als die Ausbreitungsgeschwindigkeit der mechanischen Schwingungen 10 in der Wandung 4 des Behälters 5.

Die Schalleiter 3, 11 können sowohl aus gleichem Material als auch aus verschiedenen Materialien hergestellt werden. Im letzteren Fall werden die Winkel θ in den SchaHeitern 3 und 11, wie dies aus der Beziehung (1) folgt, gleichfalls verschieden sein. In allen

so nachfolgenden Varianten wird die Ausführung der beiden Schalleiter 3, 11 aus gleichem Material unterstellt.

Bei der beschriebenen Variante sind die Schalleiter 3 und 11 aus Acrylglas ausgeführt, sie können auch aus 1 (5°/oiger wäßriger Lösung von Äthylalkohol hergestellt v/erden.

Die Schalleiter 3 und 11 werden mit den Kontaktflächen 19 an der Wandung 4 des Behälters 5 auf dem angeregten Abschnitt 9 mit Hilfe eines Flansches 20 angeordnet, der bei der beschriebenen Variante an vorher an den Behälter 5 angeschweißten (nicht gezeigten) Stiftschrauben befestigt wird, die durch Befestigungslöcher im Flansch 20 hindurchgehen. Es ist eine andere Variante möglich, wo der Flansch 20 an die Wandung 4 des Behälters 5 angeklebt ist.

Ein Teil der Oberfläche der Schalleiter 3 und 11 ist bei der beschriebenen Variante mit einer Schicht 21 aus einem Werkstoff, der die Schallwellen aufnimmt, einer

mit Wolframpulver gefüllten Mischung von Epoxydharz mit einem Polymerisationsaktivator, bedeckt.

Als Schallgeber 1 für eine akustische Welle gelangt ein Strahler vom piezoelektrischen Typ beispielsweise nach der US-PS 29 31 223 zum Einsatz, der Schallempfänger 12 weist eine dem Schallgeber 1 analoge Bauweise auf. Der Generator 14 ist nach einer bekannten Generalorschaltung für Dauerschwingungen mit frequenzstabilisierung durch Quarzsteuerung ausgeführt. Der Registrierer 17 für die Amplitude der elektrischen Signale ist nach der Schaltung eines Selbstschreibers bekannter Konstruktion etwa nach der US-PS 33 45 861 bei analoger Registrierung ausgeführt. Falls eine Relaiskontaktsignalisierung über das Vorhandensein der zu kontrollierenden Grenzfläche der Medien auf dem vorgegebenen Niveau erforderlich ist, wird der Registrierer 17 in Form einer Relaiseinheit ausgeführt.

Am einfachsten gestalten sich die Verhältnisse bei konslantem Querschnitt der Wandung 4 des Behälters 5.

Eine Abnahme des Einflusses eines variablen Querschnitts der Wandung 4 des Behälters 5 auf die Kontrolle der Grenzfläche 8 (F i g. 1) der Medien 6 und 7 kann durch Anregung des Abschnitts 9 der Wandung 4 des einschichtigen Behälters 5 durch eine divergierende oder konvergierende Welle akustischer Schwingungen mit Eintrittswinkeln erreicht werden, die nach der Beziehung

sin 0|
sin 0;

gewählt sind, in der

Θι. 02 die Einfallswinkel für die akustische Welle 2 (Fig. 3), die durch die Ausbreitungsrichtung dieser Welle 2 und eine Normale zur Wandung 4 des Behälters 5 an der Einführungsstelle bestimmt werden, und
G und Ci die maximale bzw. die minimale Ausbreitungsgeschwindigkeit der mechanischen Schwingungen 10 auf dem Abschnitt 9 der Wandung4 des Behälters 5 sind.
Hierbei gibt es für jeden Wert des variablen Querschnitts der Wandung 4 im Bereich von d\ bis di einen Einfallswinkel, der die Gleichheitsbedingung für die Geschwindigkeit der eingeführten Welle 2 in der Wandung 4 und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der mechanischen Schwingungen 10 im genannten Bereich für die Dicken der Wandung 4 erfüllt, was die Aufrechterhaltung des Optimums für die Anregung der mechanischen Schwingungen 10 gewährleistet

Zur Einführung einer konvergierenden oder divergierenden Welle im Winkelbereich von 0-, bis 02 ist gemäß einer ersten Variante jeder der Schalleiter 3 und 11 aus zwei Teilen 22 (Fig.4) und 23 hergestellt, deren Materialien sich durch die Aüsbreitungsgeschwindigkeiten für die akustischen Wellen 2 und 13 (Fig.3) unterscheiden. Die Teile 22 (Fi g. 4) und 23 weisen eine zylindrische Berührungsfläche 24 mit einer Symmetrieachse auf, die in einer Ebene mit der Achse des Schallgebers 1 bzw. des Schallempfängers 12 (F i g. 3) senkrecht zu dieser Achse liegt Hierbei wird der Radius der Flächen 24 (F i g. 4) aus der Beziehung

R<

C₁ +C₂ C* +C₅

Q-C₅ Q-C₂

A ctg Θ

ermittelt, in der

G, Cs die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der akustischen Welle 2 und 13 in den einzelnen Teilen 22 (Fig.5) und 23 der Schalleiter 3 und 11 (Fig. 3) und

A die Länge der wirksamen Fläche 18 der

Schalleiter 3 und 11 in einer Ebene sind, die durch die Ausbreitungsrichtung der mechanischen Schwingungen 10, die in der Wandung 4 angeregt Werden, Und eine Normale zu dieser ίο Fläche 18 durchgeht.

Hierbei geht der Zentralstrahl 25 (Fig.4) der

akustischen Welle 2 durch die Berührungsfläche 24 ohne Brechung durch und wird in die Wandung 4 unter einem Winkel zur Normale gleich dem Neigungswinkel θ der wirksamen Fläche 18 des Teils 22 des Schalleilers 3 eingeführt, während die Seitenstrahlen 26 und 27 an dieser Fläche 24 gebrochen und in die Wandung 4 unter den Winkeln 0i und 02 größer bzw. kleiner als der Eintrittswinkel 0 des Zenlralstrahls 25 eingeführt werden.

Zur Beseitigung eines räumlichen Nachhalls der Schalleiter 3 und 11 (Fig. 3), die durch das Vorhandensein von mehrfachen Reflexionen der Welle 2, 13 akustischer Schwingungen bedingt ist, ist ein Teilstück der Schalleiter 3 und 11 wie auch bei der in F i g. 3 dargestellten Variante mit einer Schicht 21 aus einem Schallwellen absorbierenden Material überzogen.

Die Abschwächung des Einflusses der verschiedenen Dicke der Wandung 4 des Behälters 5 wird auch dadurch erreicht, daß die wirksame Fläche 18 des Schalleiters 3 (Fig.6) für den Schallgeber 1 und des Schalleiters 11 (Fig. 3) für den Schallempfänger 12 zylindrisch mit einem Krümmungsradius R (Fig.6) ausgeführt ist, der in einem Verhältnis zur Länge A dieser Fläche in einer Ebene gewählt wird, die durch eine Normale zu dieser Fläche 18 und die Ausbreitungsrichtung der in der Wandung 4 angeregten mechanischen Schwingungen 10 durchgeht, das aus der Beziehung

ermittelt wird.

Hierbei sind der Schallgeber 1 und der Schallempfänger 12 (Fig.3) in Form eines Teils eines Hohlzylinders mit innerem Krümmungsradius gleich dem Radius R (Fig. 6) der wirksamen Fläche 18 (Fig. 7) der Schalleiter 3 und 11 (Fig.3) ausgeführt, und das

so konvergierende Strahlenbündel wird in die Wandung 4 in einem Winkelbereich von 0i (Fig.6) bis 02 eingeführt, was eine optimale Erregung der mechanischen Schwingungen 10 des Abschnitts der Wandung 4 bei Dicken von d\ bis «£ gewährleistet

Die Abschwächung des Einflusses der verschiedenen Dicke der Wandung 4 des Behälters 5 wird auch noch dadurch erreicht daß die Länge A der wirksamen Fläche 18 (Fig.8) der Schalleiter3,11 (Fig.3) in einer durch eine Normale zu dieser Fläche 18 und die

so Ausbreitungsrichtung der in der Wandung 4 angeregten mechanischen Schwingungen 10 gehenden Ebene aus der Beziehung

A< k

G-G

λ ■ ctg Θ

ermittelt wird, in der

k ein Faktor, der durch die Form der wirksamen

230 217/320

Fläche 18 der Schalleitef 3 und 11 gleich 0,86 für eine runde und 0,7 für eine rechteckige wirksame Fläche bestimmt wird (Ziffernwerte sind aus analytischen Formeln für die Richtdiagramme der die genannten Formen der Strahlungsfläche aufweisenden Strahler erhalten),

λ die Wellenlänge der akustischen Welle 2 und 13 in den Schalleitern 3 und 11 und

θ der Neigungswinkel der wirksamen Fläche 18 der

Schalleiter 3,11 sind. ro

Hierbei wird der minimale Abstand W_n,,-,, (F i g. 9) von

der wirksamen Fläche 18 bis zur Kontaklflächc 19 der Schulleiter 3,11 (F i g. 3) aus der Beziehung

AL

AX

Hm,« > T-r · cos Θ (6)

errechnet.

Dadurch wird die ebene Front 28 (Fig.8) der akustischen Welle 2, die in der Entfernung B erhalten bleibt, bei der Annäherung an die Kontaktfläche 19 in tine zum Teil sphärische Front mit divergenten Strahlen »erwandelt, deren Einfallswinkel gegen die Wandung 4 in einem Bereich vom maximalen Winkel Θι bis zum ihinimalen Winkel 02 liegt. Diese Winkel sichern die Anregung der mechanischen Schwingungen 10 im vorgegebenen Bereich von d\ bis di für die Dicken der Wandung 4 des Behälters 5.

Die Beseitigung der Instabilität der Anregung der akustischen Welle 2 (F i g. 10) im Schalleiter 3, durch die die mechanischen Schwingungen 10 auf dem vorgegebenen Abschnitt 9 der Wandung 4 des Behälters 5 angeregt werden, wird durch Einbau eines zusätzlichen Serienkreises aus einem Former 29 für ein efektrisches Bezugssignal aus elektrischen Schwingungen des Generators 14, an dessen Ausgang er mit seinem Eingang angeschlossen ist, einer Vergleichseinheit 30 (Or em elektrisches Informations- und ein Bezugssignal und einem Former 31 für ein elektrisches Informations- «ignal aus elektrischen Signalen des Verstärkers 15, an dessen Ausgang er n.it seinem Eingang gekoppelt ist, trreicht. Der Ausgang der Vergleichseinheit 30 ist mit dem Registrierer 17 verbunden, an dem in Abhängigkeit von den Kontrollaufgaben ein Signal eintrifft, das proportional der Differenz oder dem Verhältnis vom Informations- zum elektrischen Bezugssignal ist

Da sich die Instabilität der Amplitude der elektrischen !Schwingungen des Generators 14 in gleichem Maß auf die Amplituden des elektrischen Bezugs- und Informaionssignals auswirkt, wird bei der beschriebenen Variante der Anordnung die Einwirkung der genannten Instabilität auf die Kontrollgenauigkeit für die Grenzfläche 8 (Fig. 1) der Medien 6 und 7 in einschichtigen Behältern 5 ausgeschlossen.

Bei Betrieb der Anordnung ist es möglich, die Bedingungen für die Einführung der akustischen Welle 2 (F i g. 10) über die Kontaktfläche 19 in die Wandung 4 zu ändern, was eine Amplitudenänderung der mechanisehen Schwingungen 10 auf dem angeregten Abschnitt 9 der Wandung 4 des Behälters 5 und folglich Fehler bei der Kontrolle der Grenzfläche 8 (Fi g. 1) der Medien 6 und 7 nach sich zieht

Zur Beseitigung dieser Fehler auf dem genannten Abschnitt 9 der Wandung 4 des Behälters 5 werden durch die akustische Welle erneut rnechanische Schwingungen mit einer Dämpfung erregt, die von der Dämpfung der durch die Primärwelle angeregten mechanischen Schwingungen verschieden ist. Hierbei wird die Grenzfläche 8 der Medien 6 und 7 nach dem Amplitudenverhältnis der durch die primäre und die wiederholte akustische Welle hervorgerufenen mechanischen Schwingungen beurteilt.

Zur Realisierung einer wiederholten Anregung von mechanischen Schwingungen in der Wandung 4 des Behälters 5 durch eine akustische Welle werden zv/ei in Fig. 11 und 12 dargestellte Ausführungsvarianten der Anordnung vorgesehen.

Die Anordnung nach der ersten dieser Varianten enthält einen Schallgeber 1 (F i g. 11) für die akustische Welle 2, der an den Generator 14 für elektrische Schwingungen angeschlossen und am Schalleiter 3 angeordnet ist, sowie den Schallempfänger 12 für die akustische Welle 13, der an den Verstärker 15 angeschlossen und am Schalleiter 11 angeordnet ist Die elektrische Schaltung der beschriebenen Variante

2" cfituäii UuCn defl Rcgisificfcf J7. den Furnier 25 für ein elektrisches Bezugssignal, die Vergleichseiiiheit 30 für ein elektrisches Inform?.tions- und ein Bezugssignal und den Former 31 für ein elektrisches Informationssignal. Die Schalleiter 3 und 11 weisen bei der beschriebenen Variante eine zusätzliche wirksame Fläche 32 auf. die unter einem Winkel γ zur Kontaktfläche 19 ausgeführt ist, der aus der Beziehung

y = arc sin —

erhalten wird, in der

G, die Ausbreitungsgeschwindigkeit der wiederholt angeregten mechanischen Schwingungen auf dem genannten Abschnitt 9 der Wandung 4 des Behälters 5 ist.

Bei dieser Variante der Anordnung gibt es weiter einen zusätzlichen Schallgeber 33 für eine akustische Welle 34 und einen zusätzlichen Schallempfänger 35 für eine akustische Welle 36. die auf den zusätzlichen wirksamen Flächen 32 der entsprechenden Schalleiter 3 und 11 angeordnet sind. Hierbei ist der zusätzliche Schallgeber 33 samt dem Schallgeber 1 an den Generator 14 für elektrische Schwingungen angeschlossen. In die elektrische Schaltung der Anordnung geht außerdem ein zusätzlicher Verstärker 37 für elektrische Signale ein, der an den zusätzlichen Schallempfänger 35 für die akustische Welle 36 angekoppelt ist die aus in der Wandung 4 durch die Welle 34 erneut angeregten mechanischen Schwingungen 38 transformiert worden ist, die eine Dämpfung aufweisen, die von der Dämpfung der primär angeregten mechanischen Schwingungen 10 verschieden ist Der Ausgang des Verstärkers 37 ist an den Eingang des Formers 29 für ein elektrisches Bezugssignal angeschlossen, dessen Ausgang mit dem Eingang der Vergleichseinheit 30 für ein elektrisches Informations- und ein Bezugssignal verbunden ist An den anderen Eingang der Vergleichseinheit 30 ist der Ausgang des Formers 31 für ein elektrisches Informationssignal angeschlossen, dessen Eingang an den Ausgang des Verstärkers 15 angeschlossen ist Der Ausgang der Vergleichseinheit 30 ist mit dem Registrierer 17 gekoppelt

Zweckmäßig wird bei der beschriebenen Ausfuhrungsvariante der Anordnung die Entfernung E zwischen den Projektionen der Mittelpunkte der wirksamen Haupt- und Zusatzfläche 18 bzw. 32 der

be'Ten Schalleiter 3 und 11 auf deren Kontaktfläche 19 nach der Beziehung

£· - M tgB -

gewählt, in der

H\ und Hi die Entfernungen zwischen den Mittelpunkten der wirksamen Haupt- und Zusatzflächeii 18 bzw. 32 und der Kontaktfläche 19 der Schalleiter 3 und 11 sind.

Das Vorhandensein eines zusätzlichen Schallübcrtragungsweges (Schallgeber 33 für die akustische Welle 34 — mechanische Schwingungen 38 in der Wandung 4 — Schallempfänger 35 für die Welle 36) und eines elektrischen Stromkreises für ein Bezugssignal (Verstärker 37 — Former 29) gestattet es, die Kontrollgenauigkeit bei Vorhandensein von Instabilitäten bei der Einführung der akustischen Welle 2 in die Wandung 4 aber die KoniaktfiäChc 53 des Scimlieiicfs 3 und uciii'i Empfang der Welle 13 im Schalleiter 11 über dessen Kontaktfläche 19 wesentlich zu erhöhen.

Bei der in Fig. 12 dargestellten Variante der Anordnung haben die Schalleiter 3 und 11 zur Gewährleistung der wiederholten Anregung des Ab-Jchnitts 9 der Wandung 4 des Behälters 5 durch die tkustische Welle vom Schallgeber 1 eine Reflexionsfläche 39, die unter einem Winkel β zur wirksamen Fläche 18 ausgeführt ist, der aus der Beziehung

sin —

ermittelt wird.

Die erneute Anregung der mechanischen Schwingungen 38 in der Wandung 4, die sich in dieser mit der Geschwindigkeit Q fortpflanzen, wird durch die tkustische Welle 34 bewirkt, die aus einer Welle 40 des Schallgebers 1 nach deren Reflexion an der Reflexionsfläche 39 transformiert wird. Der Empfang der xusätzlichen, aus den wiederholt angeregten mechanischen Schwingungen 38 transformierten Welle 36 erfolgt nach einer Reflexion an der Reflexionsfläche 39 im Schalleiter 11 und deren Transformation in eine Schallwelle 41 durch denselben Schallempfänger 12, der die akustische Grundwelle 13 empfängt.

Die elektrische Schaltung der beschriebenen Variante der Anordnung enthält einen Reihenkreis aus einer ersten Selektionseinheit 42 für elektrische Signale, deren Eingang an den Ausgang des Verstärkers 15 für elektrische Signale angeschlossen ist, dem Former 31 für ein elektrisches Informationssignal und der Vergleichseinheit 30 für ein elektrisches Informations- und ein Bezugssignal. In der Schaltung gibt es weiter den Former 29 für ein elektrisches Bezugssignal, dessen Ausgang an den Eingang der Einheit 30 angeschlossen ist, und eine zweite Selektionseinheit 43 für elektrische Signale, deren Eingang gleichfalls an den Ausgang des Verstärkers 15 und der Ausgang an den Eingang des Formers 29 angeschlossen ist Die elektrische Schaltung schließt auch einen Former 44 für Selektorimpulse ein, dessen Ausgänge an die gesteuerten Eingänge der Selektionseinheiten 42 und 43 angeschlossen sind.

Als Generator 14 für elektrische Schwingungen kommt bei der beschriebenen Variante ein Generator für impulsamplitudenmodulierte Schwingungen (die eine Dauer von ν in jeder Modulationsperiode lufweisen) zum Einsatz, an dessen Ausgang der Eingang des Formers 44 für Selektorimpulse angeschlosser ist. Die Selektionseinheiten 42 und 43 sind nach einer gut bekannten Schaltung eines Verstärkers mit einem zusätzlichen gesteuerten Eingang für einen Selektorimpuls ausgeführt, der zeillich dem Empfang eines ausgewählten Signals entspricht, das voin Verstärker 15 für elekirisohe Signale eintrifft Πργ Former 44 für Selektorimpulse ist nach der Schaltung eines Auftastgenerators (siehe z. B. das Buch von I. N. Jermolow,

in »Ultraschalldurchsichtverfahren«, Moskau, Ven<tfc· MGI.1966.S. 118bis 119) ausgeführt.

Bei der Kontrolle der Grenzfläche 8 (Fig. 1) der Medien 6 und 7, die sich nach ihren physikalischen Eigenschaften wesentlich unterscheiden, ändert sich die

Vs Frequenz der mechanischen Schwingungen 10 (F i g. 2) auf dem angeregten Abschnitt 9 der Wandung 4 des Behälters 5 bei verschiedenen Lagen dieser Grenzfläche 8, was die Bedingungen für deren Anregung durch die akustische Welle 2 ändert und deren Amplitude und die

IV miipiltU'JC U^l 1.[I.MIIJI.iivii vJi.11n111gu11gi.11 um iiujguii^

des Empfängers 12 verringert. All das kann erhebliche Fehler bei der Kontrolle der Grenzfläche 8 (F i g. 1) der Medien 6 und'/ verursachen.
Zur Elimination des Einflusses dieser Erscheinungen wird der Abschnitt 9 der Wandung 4 (F i g. 2) des Behälters 5 durch eine akustische Stoßwelle 2 periodisch angeregt, deren Spektrum aus einem größeren Bereich als dem Frequenzbereich der mechanischen Schwingungen 10 in der Wandung 4 des Behälters 5 bei verschiedenen Lagen der Grenzfläche 8 (Fig.!) der Medien 6 und 7 gegenüber dem schwingenden Abschnitt 9 gewählt wird. Hierbei wird die Erregung der mechanischen Schwingungen 10 (Fig. 2) in der Wandung 4 durch die Welle 2 auf der Frequenz dieser Schwingungen 10 unabhängig von der Lage der Grenzfläche 8 (Fig. 1) und demzufolge von der Art des Mediums 16 (F i g. 3) gewährleistet, das die Innenfläche des angeregten Abschnitts 9 der Wandung 4 des Behälters 5 berührt. Dabei wird zusätzlich die Trägerfrequenz der akustischen Stoßwelle 13 bestimmt, und aus dieser Frequenz wird auf die Art der Flüssigkeit bei der Lage der Grenzfläche 8 (Fig. 1) der Medien ober- oder unterhalb des schwingenden Abschnitts 9 der Wandung 4 (F i g. 2) des Behälters 5 geschlossen.

Zur Durchführung einer periodischen Anregung des Abschnitts 9 der Wandung 4 durch die Stoßwelle akustischer Schwingungen enthält der Generator 14 (Fig. J3) für elektrische Schwingungen in der elektrischen Schaltung der beschriebenen Variante der Einrichtung einen Former 45 für elektrische Impulse mit einem breiten Spektrum und einen an diesen angeschlossenen Leistungsverstärker 46, dessen Ausgang an den Schallgeber 1 für die akustische Welle 2 angeschlossen ist Die elektrische Schaltung umfaßt den Former 31 für ein elektrisches Informationssignal, dessen Eingang an den Verstärker 15 für elektrische Signale gekoppelt ist, die Vergleichseinheit 30 für ein elektrisches Informationssignal und ein Bezugssignal, deren Eingang an den Ausgang des Formers 31 angeschlossen ist, den Former 29 für ein elektrisches Bezugssignal, dessen Eingang an den Leistungsverstärker 46 und dessen Ausgang an den Eingang der Vergleichseinheit 30 angeschlossen sind. Die elektrische Schaltung enthält weiter eine Frequenzmeßeinheit 47 für ein elektrisches Signal, deren Eingang an den Ausgang des Verstärkers 15 für elektrische Signale angeschaltet ist Hierbei ist der Ausgang der Vergleichseinheit 30 an den Registrierer 17 angeschlossen.

Der Former 45 für elektrische Impulse mit einem breiten Spektrum ist bei der beschriebenen Variante in Gestalt eines Formers für elektrische Videoimpulse nach der bekannten Schaltung eines Sperrschwingers ausgeführt Die Dauer το dieser Videoimpulse wird gemäß Beziehung

Af ₌
/j

fi+fj

(11}

70*0,5/J¹

(10)

!0

gewählt, in der
fa die mittlere Frequenz des Durchlaßbereiches des Schallgebers 1 bzw. des Schallempfängers 12 ist

Falls im Schallgeber 1 und dem Schallempfänger 12 eine piezoelektrische Platte als aktives Element dient ist der Wert /ö die Resonanzschwingungsfrequenz dieser Platte.

Der Ladungsverstärker 46 ist bei der beschriebenen Variante nach einer gut bekannten Schaltung eines Emitterfolgers ausgeführt

Bei Änderung des Querschnitts der Wandung 4 des angeregten Abschnitts 9 des Behälters 5 ändert sich die Frequenz der primär angeregten mechanischen Schwingungen 10 und der wiederholt angeregten mechanischen Schwingungen 38 (Fig. 11,12). Dies bewirkt eine Änderung der Bedingungen für deren Anregung und nachfolgende Transformation in eine akustische Welle und setzt folglich deren Amplitude und den Wert der elektrischen Signale am Ausgang der Schallempfänger ϊ 2 und 35 für die akustischen Wellen 13 und 36 herab, die aus den mechanischen Schwingungen 10 und 38 transformiert worden sind, und verursacht erhebliche Fehler bei der Kontrolle der Grenzfläche 8 (F i g. 1) der Medien 6 und 7.

Zur Verringerung dieser Fehler wird der Abschnitt 9 j, der Wandung 4 (F i g. 2) des Behälters 5 periodisch mit einer akustischen Stoßwelle angeregt, deren relative Spektralbreite gleich oder größer als die relative Änderung der Dicke des schwingenden Abschnitts 9 der Wandung 4 des Behälters 5 w

Tabelle 2

gewählt wird, wobei
Af = h — f\ die absolute Spektralbreite der akustischen Stoßwelle,
fi und/i die obere bzw. die untere Grenze des

Spektrums der akustischen Stoßwelle,
/j = 0,5 (Z₁ + f₂) die mittlere Frequenz des genannten

Spektrums und
d\ und c/j die maximale bzw. die minimale Dicke

der Wandung 4 des Behälters 5 sind.
In Ausführung dieser Variante für die in Fig. 13 gezeigte Anordnung sind die Schalleiter 3 und 11 aus Schmelzquarz oder Porzellan oder Silikatglas oder Zinn oder Blei oder Blei-Zinn-Legierungen mit einer akustischen Impedanz ζ hergestellt, die sich im Bereich zwischen 03 und 1,7 der akustischen Impedanz Z₀ für den Schallgeber 1 und den Schallempfänger 12 bewegt. Die gemittelten Werte für die akustische Impedanz Z₀ (Dimension — 10⁶kg/m²s) der aus Quarz mit der *-Abscherfläche, Bleimetaniobat, Bariumtitanat und Blei-Zirkonat-Titanat hergestellten piezoelektrischen Schallgeber und Schallempfänger sind in der Tabelle 1 aufgeführt

Tabelle 1

Quarz mit

.v-Abscher-

flache

Bleimetaniobat

Bariumtitanat

Beh-

/irkonat-

Titirul

16

30.2

36.5

Die gemittelten Werte für die akustische Impedanz ζ (Dimension — 10⁵kg/m²s) und die Geschwindigkeit Cj (m/s) in den aus den genannten Werkstoffen hergestellten Schalleitern 3,11 sind in der Tabelle 2 aufgeführt.

Werk stoff	Nchmel/- qu.ir/	Porzellan	Sihk.it- Cilds	Ann	Blei	Blci/inn-	Legierungen	75 + 25
	13 5570	13.5 5600	15 5500	24.2 3320	24.6 2160	25 + 27; 24.3 3030	50 + 50; 24.4 2740	24.5 2450
Cx

Dies gestattet es. das Spektrum für die akustischen Wellen wesentlich zu erweitern und dementsprechend die durch den veränderlichen Querschnitt der Wandung 4 des Behälters 5 verursachten Fehler zu reduzieren.

Eine Temperaturänderung der Wandung 4 des Behälters 5 bewirkt eine Temperaturänderung für die Schalleiter 3 und 11 und dementsprechend eine Änderung für die Ausbreitungsgeschwindigkeit C₁ der akustischen Wellen 2 und 13. Dies führt zur Verletzung der Bedingungen (1), (7) für die primäre und die wiederholte Anregung der mechanischen Schwingungen 10 bzw. 38 (Fig. 11, 12) in der Wandung 4 des Behälters 5 und als Folge davon zu zusätzlichen Temperaturfehlern bei der Kontrolle der Grenzfläche 8 (Fig. 1)der Medien6und 7.

Die Verringerung dieser Fehler wird durch konstruktive Ausführungen für die beiden Schalleiter 3 und 11 erreicht, wie sie nachfolgend anhand der in Fig. 14 bis

si 20 wiedergegebenen Varianten am Beispiel des einen Schalleiters 3 beschrieben werden.

Die Form der in Fig. 14 bis 20 dargestellten Schalleiter 3 ist ähnlich der Form der in Fig. 3, 4. 6, 11 und 12 dargestellten Schalleiter.

wi Der Schalleiter 3 ist aber bei den in Fig. 14 bis 20 wiedergegebenen Varianten auf der Basis von wäßrigen alkoholischen öder alkalischen öder Säufelösüngen oder Salzlösungen anorganischer Säuren ausgeführt, die eine ungefähr parabolische Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit Cj der akustischen Welle 2 von der Temperatur aufweisen und deren Konzentration derart gewählt ist, daß der Maximalwert Cimax der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle 2 im Bereich

der mittleren Temperatur to der Wandung 4 des Behälters 5 Hegt,

In der nachstehenden Tabelle 3 sind die Werte C3_m3, und ίο für Wasser und für eine Reihe von wäßrigen Lösungen verschiedener Medien: Schwefel-, Salpeter- und Salzsäuren N2SO4, H₂NO₃, HCl, Ätzantron, NaOH,

Tabelle 3

Äthylalkohol C₂HsOH, Zinksulfat ZnSO₄, Ameisensäureamid HCONH₂ und Essjgsäurenitril CH₃CN mit der Gewichtskonzentration g angegeben, die eine solche parabolische Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwin-ϊ digkeit der akustischen Welle 2 besitzen.

In Wasser auf gelöstes Medium	H3O	H1*.	H3NO3	27	HCI	30	NaOH	12
q (%)	O	33	20	30	24	30	8	30
ίο (0C)	74	30	50	1525	50	1510	50	1860
Cimax (m/s)	1555	1565	1520		1530		1760
In Wasser auf gelöstes Medium	OHU)II		ZnSO4	12	IICONH:	36,5	CHjCN	17
q <%)	12,5	16	6,7	40	20	30	10	30
A. (0C)	40	20	60	1665	50	1575	50	1545
(",„,„ (m/s)	1580	1605	1630	1565	1550

Die in Fig. 14, 18 und 20 dargestellten Schalleiter 3 bestehen aus einem hohlen Gehäuse 48 und einer dieses ausfüllenden wäßrigen Lösung 49 aus einem aus der Tabelle 3 gewählten Werkstoff. Eine aus einem Schallwellen absorbierenden Material hergestellte Schicht 21 verkleidet in den in Fig. 14, 18 und 19 gezeigten Schalleitern 3 die Innenfläche des hohlen Gehäuses 48. Der Schallgeber 1 ist unter Gewährleistung einer hermetischen Abdichtung in einem vorgegebenen Winkel im Gehäuse 48 untergebracht. Hierbei weist die wirksame Fläche des Schallgebers 1 bei Benutzung einer wäßrigen Säure- und alkalischen Lösung als wäßrige Lösung 49 einen chemischen Schutz und akustisch nichtabsorbierenden Überzug (in F i %. 14 bis 20 nicht gezeigt) auf. Als solcher Überzug kommt Tetrafluoräthylen-Polymerisat in Frage.

Bei dem in F i g. 15 gezeigten Schalleiter 3, der ähnlich dem in F i g. 4 dargestellten Schalleiter 3 ist, ist ein Teil dieses Schalleiters 3, auf dem der Schallgeber 1 angeordnet ist. in Form eines mit einer wäßrigen Lösung eines aus der Tabelle 3 gewählten Werkstoffes 51 gefüllten hohlen Gehäuses 50 ausgeführt. Der die Wandung 4 des Behälters 5 berührende Kontaktteil des Schalleiters 3 ist aus einem aus der Tabelle 2 gewählten Material hergestellt.

Bei Hern in Fig. 16 wiedergegebenen Schalleiter 3, der gleichfalls dem in F i g. 4 dargestellten Schalleiter 3 ähnlich ist. besteht der die Wandung 4 des Benälters 5 berührende Kontaktteil des Schalleiters 3 aus einem mit einer aus der Tabelle 3 gewählten wäßrigen Lösung 53 gefüllten hohlen Gehäuse 52. Hierbei ist der Teil des Schalleiters 3. auf dem der Schallgeber 1 angeordnet ist. aus einem aus der Tabelle 2 gewählten Material hergestellt.

Bei dem in Fig, 17 wiedergegebenen Schalleiter 3, der auch ähnlich dem in F i g. 4 dargestellten Schalleiter 3 ist, haben die beiden Teile des Schalleiters 3 getrennte, niit einer wäßrigen Lösung 51 bzw. 53 gefüllte Gehäuse 5Ö und 52, in denen die Geschwindigkeiten für Schallwellen voneinander abweichende Werte G und Cs aufweisen. Die beiden Teile des Schalleiters 3 sind voneinander durch eine schalleitende Scheidewand 54 getrennt, die einen nach der Beziehung (3) bestimmbaren Krümmungsradius R aufweist. Als solche Scheidewand 54 kann ein Teil eines aus Tetrafluoräthylen-Polymerisat hergestellten Hohlzylinders mit dem genannten Krümmungsradius R seiner Innenfläche benutzt werden. Die Dicke der Scheidewand 54 wird in diesem Fall um eine Größenordnung kleiner als die Länge der akustischen Welle 2 eingestellt.

Bei den Kontaktteilen der in F i g. 16 und 17 gezeigten Schalleiter 3 sind die Innenflächen der hohlen Gehäuse 52 auch mit einer Schicht 21 aus einem Schallwellen absorbierenden Material bedeckt.

Die in Fig. 18. 19 und 20 dargestellten und den in Fig.6. 11 und 12 wiedergegebenen Varianten der Schalleiter 3 ähnlichen Schalleiter 3 enthalten ein mit einer wäßrigen Lösung 49 eines in Analogie zu den oben beschriebenen Varianten aus der Tabelle 3 gewählten Werkstoffes gefülltes Gehäuse 48.

Alle oben beschriebenen Ausführungsvarianten der Anordnung können erfolgreich zur Bestimmung der Grenzfläche zweier flüssiger Medien herangezogen werden.

Mit Hilfe des Schallgebers 1 (Fig. 1. 2. 3) wird eine akustische Welle 2 angeregt, über einen die Wandung 4 des einschichtigen Behälters 5 berührenden Schalleiter 3 in diesen mit zwei eine Grenzfläche 8 aufweisenden Medien 6 (F i g. I) und 7 gefüllten Behälter 5 eingeführt. Die Einführung der Welle 2 erfolgt auf einem Abschnitt 9 des Behälters 5, der sich auf einem vorgegebenen Stand befindet, wo das Vorhandensein der Grenzfläche 8erfaßt werdensoll.

Die Front der akustischen Welle 2 wird im voraus vor der Einführung \n den Behälter 5 im Schalleiter 3 unter einem spitzen oder stumpfen Winkel Θ (Fig,3) zur Wandung 4 des einschichtigen Behälters 5 ausgerichtet, Und durch diese Welle 2 werden auf dem Abschnitt 9 der Wandung 4 mechanische Schwingungen IO angeregt, die sich über die Wandung 4 in einer Richtung

fortpflanzen, die durch die Ausbreitungsrichtung der akustischen Welle 2 und deren Eintrittswinkel Θ bestimmt wird.

Bei den in F i g. 3 bis 20 dargestellten konstruktiven Varianten der Anordnung ist der Winke! Θ zwischen der Front für die Ausbreitung der akustischen Welle 2 und der Ausbreitungsrichtung der angeregten mechanischen Schwingungen 10 stets spitz. Stumpf kann er bei ganz bestimmten Bedingungen sein, wenn sich die erregten mechanischen Schwingungen 10 in einer Richtung entgegengesetzt zu der in F i g. 3 bis 20 angegebenen fortpflanzen.

Bei der Orientierung der akustischen Welle 2 wird ihre Geschwindigkeit Q in der Wand 4 des Behälters 5 ungefähr gleich der Ausbreitungsgeschwindigkeit Cder mechanischen Schwingungen 10 in dieser Wand 4 eingestellt; es gilt also

r -

^{= c}

wobei

Cj die Ausbreitungsgeschv.'indigkeit der akustischen Welle 2 im Schalleiter 3 ist

Die Einstellung des erforderlichen Wertes für die Geschwindigkeit Q der Wellen 2 und 13 in der Wand erfolgt durch entsprechende Wahl des Einfallswinkels Θ und des Materials für den Schalleiter 3. Der Einfallswinkel θ der akustischen Welle 2 für die Wandung 4 des Behälters 5 entspricht dem Neigungswinkel der wirksamen Fläche 18 des Schalleiters 3 zu dessen die Wandung 4 berührender Kontaktfläche 19.

Die Anreg'.ng des Schallgebers 1 erfolgt durch elektrische kontinuierliche oder impulsamplitudenmodulierte elektrische Schwingungen, die durch den Generator 14 erzeugt werde»<.

Die mechanischen Schwingungen 10 erleiden bei ihrer Ausbreitung über die Wandung 4 des Behälters 5 eine Amplitudenabnahme, deren Grad von der akustijchen Impedanz des Mediums 16 abhängt, das die Innertfläche des schwingenden Abschnitts 9 der Wandung 4 berührt Falls dieses Medium 16 ein Gas ist, wird diese Abnahme minimal, ist das Medium 16 jedoch eine Flüssigkeit, so ergibt sich eine maximale AmpliUidenabnahme. Falls aber sich im Behälter 5 zwei Flüssigkeiten befinden, so wird die Dämpfung der mechanischen Schwingungen für eine Flüssigkeit mit höherer akustischer Impedanz größer sein.

Erreichen die mechanischen Schwingungen 10 die Zone der Anordnung des Schalleiters 11, so werden sie zum Teil in die Schallwelle 13 transformiert, die sich im

Schalleiter 11 unter einem Winkely - θ zur Kontaktfläche, d. h. normal zur wirksamen Fläche 18, auf der der Schallempfänger 12 angeordnet ist, ausbreitet Der letztere wandelt die auftreffende Welle 13 in elektrische Signale mit einer Amplitude proportional der Amplitude der mechanischen Schwingungen 10 in der Zone der Anordnung des Schalleiters 11 um. Die elektrischen Signale des Schallempfängers 12 gelangen zum Eingang des Empfängers 15. Von dessen Ausgang gelangen die verstärkten elektrischen Signale, die eine Information über den Dämpfungsgrad der mechanischen Schwin· fungen 10 auf dem Abschnitt 9 der Wandung 4 des iehälters 5 Und dementsprechend über die Grenzfläche ■ (Fig. 1)der Medien6und 7 tragen,ifiden Registrierer 17 (F i g. 3). Hierbei wird auf die Grenzfläche 8 (F i g. 1) der Medien 6 und 7 bei der Amplitude der verstärkten elektrischen Signale geschlossen, die der Amplitude der Schallwelle 13 (F i g. 3) proportional ist, die aus den sich Über die Wandung 4 des Behälters 5 ausbreitenden mechanischen Schwingungen 10 transformiert worden ist

Ist nämlich die Amplitude der registrierten elektrischen Signale maximal, so liegt die Grenzfläche 8 (Fig. 1) der Medien Gas/Flüssigkeit unterhalb des Abschnitts 9, ist sie minimal, so liegt sie darüber. Bei der Kontrolle der Grenzfläche 8 Flüssigkeit/Flüssigkeit

ίο beziehen sich die betrachteten Fälle auf die Flüssigkeiten, von denen die erste eine geringere akustische Impedanz als die zweite aufweist.

Eine sprunghafte Änderung der Amplitude der registrierten elektrischen Signale zeugt vom Verlauf der

! 5 Grenzfläche 8 der Medien auf dem Niveau, auf dem sich der schwingende Abschnitt 9 der Wandung 4 des Behälters 5 mit dem mittels Schalleiter 3 angekoppelten Schallgeber 1 und dem Schallempfänger 12 befindet (12) Diese Amplitudenänderung kann automatisch durch

einen Selbstschreiber oder eine Relaiseinheit im Registrierer 17 (Fig.3) in Abhängigkeit von dessen konstruktiver Ausführung registriert werden.

Das oben beschriebene Kontrollverfahren für die Grenzfläche der Medien Gas/Flüssigkeit und Flüssigkeit/Flüssigkeit ist einfach in seiner konstruktiven Realisierung und gestattet eine wirksame Kontrolle bei konstantem Querschnitt der Wandung 4 des Behälters 5. Eine Änderung uieses Querschnitts führt zu einer Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit C der mechanischen Schwingungen 10 in der Wandung 4 und stört folglich die Gleichheit zwischen dieser und der Geschwindigkeit Cj der eingeführten akustischen Welle 2 in der Wandung 4. Dies wiederum verringert die Amplitude der in der Wandung 4 angeregten mechanisehen Schwingungen 10 und dementsprechend die Amplitude des elektrischen InformaMonssignals, was Fehler bei der Kontrolle verursacht.

Diese Fehler können durch Anwendung des bei der in F i g. 3 dargestellten Anordnung realisierten Kontroll-Verfahrens für die Grenzfläche de. Medien Gas/Flüssigkeit und Flüssigkeit/Flüssigkeit in Verbindung mit den in Fig.4 bis 9 gezeigten Varianten für die Schalleiter reduziert werden.
Nach der ersten Variante des Verfahrens wird der Abschnitt 9 der Wandung 4 des einschichtigen Behälters 5 mit einer divergenten oder konvergenten akustischen Welle 2 angeregt. Hierbei werden der maximale und der minimale Einfallswinkel θι bzw. 02 dieser Welle 2 und der Beziehung (2) gewählt. Dabei gibt es für jede der im Bereich von d\ bis d? liegenden Dicken der Wandung 4 (Fig.4) und für die entsprechende Ausbreitungsgeschwindigkeit Cder mechanischen Schwingungen 10 im Bereich von Ci bis Cj einen Einfallswinkel, der im Bereich θι bis Θ? liegt und die Bedingung (I) für eine optimale Anregung der mechanischen Schwingungen (10) erfüllt.

Die Bildung einer divergenten Welle aus der Welle 2 des Schallgebers 1 im Winkelbereich von H bis Θ₂ erfolgt auf der einen Krümmungsradius R aufweisenden

zylindrischen Berührungsfläche 24 der beiden Teile 22 und 23 des Schalleiters 3. Hier passiert der Zentralstrahl 25 der Welle 2 diese Fläche 24 ohne Brechung und wird in die Wandung 4 unter einem Winkel θ gleich dem Neigungswinkel der wirksamen Fläche 18 des Schallei' ters 3 gegenüber seiner Kontaktfläche 19 eingeführt. Die Seitenstrahlen 26 und 27 dieser Welle 2 erfahren eine Brechung, weil sie auf die Grenzfläche 24 nicht normal zu dieser, sondern unter einem Winkel ε

bezüglich der Normalen einfallen, der durch die Beziehung

sin ε =

2R

(13)

bestimmt wird, in der

A die Länge der wirksamen Fläche 18 des Schalleiters 3 (oder des Schallgebers 1 und dementsprechend des Schallempfänger 12 [F i g. 3]) in einer durch die Ausbreitungsrichtung der in der Wandung 4 des Behälters 5 angeregten mechanischen Schwingungen 10 und eine Normale zu dieser Fläche 18 gehenden Ebene ist.

Nach der Brechung an der Zylinderfläche 24 (F i g. 4) pflanzen sich die Strahlen 26 und 27 im zweiten Teil 23 des Schalleiters 3 unter einem Winkel ει gegenüber der Normalen K zu dieser Fläche 24 fort, für den die Beziehung

arc sin

= arc sin

AC, 2C_xR

(14)

gilt, in der C₄ und C₅ die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der akustischen Welle 2 in den einzelnen Teilen 22 und 23 des Schalleiters 3 sind, die in die Wandung 4 unter den Winkeln O₁ und 0₂ eingeführt werden, die sich aus den Beziehungen

A AC

0, = 0 - arc sin —— + arc sin

IR 2 CiC

θ, = 0 - arc sin

(15)

ergeben.

Damit der maximale und der minimale Winkel 0i bzw. 62 der Welle nach der Brechung der erforderlichen Konvergenz oder Divergenz der Welle entspricht, ist der Krünriungsradius R der zylindrischen Berührungsfläche 24 der Teile 22 und 23 in den beiden Schalleitern 3 und 11 (F i g. 3) nach der Beziehung (3) gewählt, die der Bedingung (2) und den Beziehungen (15) und (16) genügt. F i g. 4 zeigt ein Beispiel einer divergenten Welle 2 für C₁ > C₅. Für G<C₅ wird die Welle 2 konvergent sein.

Die Durchführung der ersten Variante des die mit einer Verringerung des elektrischen Informationssignals zusammenhängenden Fehler beseitigenden Verfahrens wird bei dir vorliegenden Variante der Anordnung durch eine recht komplizierte Ausführung der Scheileiter 3 und 11 gewährleistet. Eine einfachere Konstruktion der Schalleiter 3 und 11 weist eine andere in F i g. 6 und 7 dargestellte Variante der Anordnung auf.

Bei dieser Variante weisen die Schalleiter 3 und 11 eine zylindrisch ausgeführte wirksame Fläche 18 auf, während der Schallgeber 1 und der Schallempfänger 12 (Fig.3) für eine akustische Welle 13 mit wirksamen Flächen ausgeführt sind, die die Form der wirksamen Flächen 18 der Schalleiter 3, 11 wiederholen, was eine Divergenz oder Konvergenz der akustischen Wellen 2 und 13 schafft. Die Divergenz der Welle 2 erfolgt bei einer konkaven wirksamen Fläche 18 des Schalleiters 3, und die (in Fig.6 gezeigte) Konvergenz bei einer konvexen, Hier wird der Zentralstrahl 25 der Welle 2 unter einem Winkel θ gleich dem Winkel zwischen der Tangente zum Zentn'Rl der wirksamen Fläche 18 und

der Kontaktfläche 13 des Schalleiters 3 eingeführt. Die Seitenstrahlen 26 und 27 der Welle 2 werden aber in die Wand 4 unter Winkeln Θ| und Qi eingeführt, die gemäß den Beziehungen

Θ,

Θ + arc sin -^-
2 R

Θ - arc sin —
2λ

(17)

(18)

größer bzw. kleiner sind als der Winkel Θ um einen Wert ε, der durch die Beziehung (13) bestimmt wird.

Damit die Winkel 0| und 02, die durch diese Beziehungen (17) und (18) definiert werden, die Bedingung (2) für die geforderte Konvergenz oder Divergenz der Welle 2 erfüllen, sind die Länge A der wirksamen Fläche 18 des Schalleiters 3 (oder des Schallgebers 1 und dementsprechend des Schallempfängers 12) und der Krümmungsradius R der wirksamen Fläche 18 an Hand der angeführten Beziehung (4) gewählt.

Die in F > g. 6 und 7 wiedergesehene Hinrichtung gewährleistet eine Verringerung der obengenannten Fehler bei der Kontrolle der Grenzfläche 8 (F i g. 1) der Medien durch eine zylindrische Ausführung der wirksamen Flächen 18 der Schalleiter 3 und 11 (F i g. 3), des Schallgebers 1 und des Schallempfängers 12, ohne daß der Länge der akustischen Welle 2 irgendwelche Beschränkungen auferlegt werden.

Einfacher als die betrachteten Varianten, jedoch in bezug auf die Wahl der Wellenlänge λ für die akustische Welle 2 beschränkt ist die in F i g. 8 und 9 aufgeführte Variante der Anordnung mit dem Schalleiter 3.

Bei dieser Variante der Anordnung wird der minimale Abstand H_mm von der wirksamen Fläche 18 bis zur Kontaktfläche 19 des Schalleiters 3 gemäß der Beziehung (6) derart gewählt, daß der Strahlenweg des Seitenstrahls 27 die Ausdehnung ßder Fresnel-Zone im Schallfeld des Schallgebers 1 übertrifft, ^;n deren Grenzen die Welle 2 eine ebene Front 28 nichtdivergierender Schwingungen aufweist. Beim Austritt aus dieser Zone wird die ebene Front 28 der Welle 2 in eine zum Teil sphärische mit einem divergenten Bündel von Schallstrahlen 26 und 27 verwandelt, deren äußere in die Wandung 4 unter den Winkeln 0| bzw. Θ: eingeführt werden, deren erster größer und der>.n zweiter kleiner ist als der Einfallswinkel 0 für den Zentralstrahl 25.

Bei ausreichender Entfernung von der Grenze der Fresnel-Zone wird der Divergenzwinkel der Welle 2 durch ein Richtdiagramm des Schallgebers 1 bestimmt, und fast die ganze Schallstrahlungsenergie ist durch diesen Divergenzwinkel begrenzt nach der Beziehung

- Θ_} = 1,4 arc sin

in der A:, ein durch die Form der wirksamen Fläche 18 des Schalleiters 3 bestimmbarer Faktor von beispielsweise 1,22 für eine runde und 1 für eine recbteckige Form ist

Hierbei werden die Winkel 0, und 0₂ durch Folgende Ausdrücke

01 = 0 + 0,7 arc sin -^i (20)

0₂ = 0 - 0,7 arc sin -^-

A
bestimmt.

(21)

Die Lösung des Systems der Gleichungen (2), (20) und (21) gibt eine Beziehung (5) zwischen der Länge A der wirksamen Fläche 18 und der Wellenlänge λ an, bei der die erforderliche Divergenz der Welle 2 erfolgt, die eine optimale Anregung des Abschnitts 9 (Fig. 3) der Wandung 4 des Behälters 5 in einem Bereich von Q bis Ci der Ausbreitungsgeschwindigkeiten der mechanischen Schwingungen 10 sichert.

Die in Fig.3 dargestellte Anordnung und deren Varianten mit verschiedenen Konstruktionen der Schalleiter 3 in Fig.4 bis 9 haben einen elektronischen Kanal, der es gestattet, eine Kontrolle bei geringer (zeitlicher) Amplitudenschwankung von elektrischen Schwingungen des Generators 14 (Fig.3) auszuüben, durch die der Schallgeber 1 erregt wird. Die Amplitudenänderung der elektrischen Schwingungen des Generators 14 erfordert eine periodische Umstellung des Registrierers 17 oder eine Änderung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers 15. was die

Uhu

die οιαι/ί!;ί

elektrisches Informationssignal, wobei die Neueinstellung wesentliche Fehler bei der Kontrolle der Grenzfläche der Medien verursachen kann.

Vermindert werden können diese Fehler durch AnwendungdesbeideninFig.il und 12 dargestellten Anordnungen realisierten Kontrollverfahrens für die Grenzfläche der Medien Gas/Flüssigkeit und Flüssigkeit/Flüssigkeit.
Nach diesem Kontrollverfahren für die Grenzfläche

ίο der Medien werden auf dem Abschnitt 9 der Wandung 4 des Behälters 5 durch die akustische Welle 34 erneut mechanische Schwingungen 38 mit einer Dämfpung angeregt, die von der Dämpfung der durch die primäre akustische Welle 2 angeregten mechanischen Schwin· gungen 10 verschieden ist. Hierbei bewirkt die Änderung der Bedingungen für die Einführung der Wellen 2 und 34 in die Wandung 4 ebenso wie die Amplitudenänderung der elektrischen Schwingunger des Generators 14 die gleichen Amplitudenänderungen

ίο der prirnsr und ösr erneut sn^sre^ten mechanischer

beeinflußt.

Die Leistungsfähigkeit und die Stabilität der Kontrolle der Grenzfläche der Medien Gas/Flüssigkeit und Flüssigkeit/Flüssigkeit können durch Anwendung einer in F i g. 10 dargestellten Variante der Anordnung erhöht Werden.

Bei dieser Variante der Anordnung wird aus den elektrischen Schwingungen des Generators 14 durch den Former 29 ein elektrisches Bezugssignal in analoger oder diskreter Form erzeugt; in der gleichen Form wird aus den elektrischen Signalen des Verstärkers 15 mittels des Formers 31 ein elektrisches Informationssigna! erzeugt, das mit dem elektrischen Bezugssignal in der Vergleichseinheit 30 verglichen wird. Das der Differenz oder dem Verhältnis der zu vergleichenden Signale proportionale Ausgangssignal der Vergleichseinheit 30 gelangt in den Registrierer 17. Dadurch, daß sich die Amplitudenschwankungen der elektrischen Schwingungen des Generators 14 gleichermaßen auf den Wert des Informations- und des Bezugssignals auswirken, ist der Einfluß der genannten Instabilität auf die Kontrollergebnisse für die Grenzfläche der Medien praktisch gleich Null.

Die beschriebene Anordnung in Verbindung mit den Varianten für die Schalleiter (Fig.4 bis 9) arbeitet effektiv bei verschiedenen Amplitudenschwankungen der elektrischen Schwingungen des Generators 14 und bei Änderungen der Geschwindigkeit C der mechanischen Schwingungen 10 des angeregten Abschnitts 9 der Wandung 4 des Behälters 5 im Bereich von Ci bis C2. Jedoch ändert sich bei Änderung der Bedingungen für die Einführung (hs Welle 2 in die Wandung 4 durch die Kontaktfläche 19 des Schalleiters 3, die bei stationärem Betrieb der Anordnung und bei einer Schnellkontrolle der Grenzfläche 8 (F i g. 1) der Medien möglich sind, die Amplitude der mechanischen Schwingungen 10 (F i g. 10). Verändert werden können die Einführungsbedingungen beispielsweise durch Unbeständigkeit der Dicke der Kontaktschmiere zwischen der Kontaktfläche 19 der Schalleiter 3 und 11 und der Wandung 4 des Behälters 5, Unebenheiten auf der Oberfläche der Wandung 4 bei der Schnellkontrolle sowie Riss»gwerden. Abgehen und teilweise Zerstörung der die Kontaktfläche 19 der Schalleiter 3,11 mit der Wandung 4 des Behälters 5 bei stationärer Kontrolle der Grenzfläche der Medien zusammenklebenden Kontaktschicht Die genannten Änderungen verlangen eine periodische Umstellung des Formers 31 für ein

Schwingungen 10 bzw. 38. In Analogie dazu bewirkt die Änderung der Parameter der Kontaklfläche 19 irr Schalleiter 11 eine gleiche Änderung der aus den in der Wandung 4 primär angeregten mechanischen Schwingungen 10 transformierten akustischen Welle 13 und dei aus den in der Wandung 4 erneut angeregter mechanischen Schwingungen 38 transformierten akustischen Welle 36.

DarA diesen Besonderheiten kann man auf die Grenzfläche 8 (Fig. 1) der Medien 6 und 7 aus den Amplitudenverhältnis der mechanischen Schwingunger 10 (Fig. U und 12) und 38 schließen, die durch die primäre und die wiederholte akustische Welle 2 bzw. 34 hervorgerufen sind, unabhängig von den Änderunger der Bedingungen, die durch die Einführung der Wellen 2 und 34 über die Kontaktfläche 19 im Schalleiter 3 und die Transformation an der Kontaktfläche 19 des Schalleiters 11 bestimmt werden.

Bei der in F i g. 11 gezeigten Anordnung wird die Welle 34 in die Wandung 4 zur erneuten Anregung dei mechanischen Schwingungen 38 durch einen zusätzlichen Schallgeber 33 eingeführt. Er ist mit seinei wirksamen Fläche, die mit der zusätzlichen wirksamer Fläche 32 des Schalleiters 3 vereinigt ist, bezüglich dei Kontaktfläche 19 unter einem Winkel γ orientiert, dei aus der die Gleichheitsbedingung für die Geschwindigkeit der Welle 34 und die Geschwindigkeit dei mechanischen Schwingungen 38 erfüllenden Beziehung (7) gewählt wird. Die Einführung der Welle 34 in die Wandung 4 erfolgt hierbei unter dem genannten Winke

Die aus den primär angeregten Schwingungen IC transformierte akustische Welle 13 im Schalleiter 11 breitet sich unter dem Winkel θ bezüglich der Normale zur Kontaktfläche 19 aus und gelangt in den erster Schallempfänger 12 normal zu seiner wirksamen Fläche Die aus den in der Wandung 4 wiederholt angeregter mechanischen Schwingungen 38 transformierte akustische Welle 36 pflanzt sich im Schalleiter 11 unter derr Winkel ·/ bezüglich der Normale zu seiner Kontaktflä ehe 19 fort und gelangt in den zusätzlichen Schallemp fänger 35 normal zu seiner wirksamen Fläche.

Aus den über den Hauptverstärker 15 gekommener elektrischen Signalen des Schallempfängers 12 erzeug der Former 31 ein elektrisches Informationssignal (ii diskreter oder analoger Form), das der Amplitude dei Amplitude der primär angeregten mechanisch» Schwingungen 10 proportional ist, die in die Zone de

Schallgeber I wird in die Wandung 4 unter dem Winkel 0 eingeführt und zur primären Anregung der mechanischen Schwingungen 10 in der Wandung 4 auf dem Abschnitt 9 ausgenutzt. Im Schalleiter 11 werden die ί primär angefegten mechanischen Schwingungen 10 in eine akustische Hauptwelle 13 transformiert, die sich unter dem Winkel Θ bezüglich der Normale zu dessen Kontaktfläche 19 ausbreitet. Die erneut angeregten mechanischen Schwingungen 38 werden im Schalleiter

ίο U in eine Schallwelle 36 transformiert, die sich unter dem Winkel γ bezüglich der Normale zur Kontaktfläche 19 in Richtung der Reflexionsfläche 39 fortpflanzt. Von der letzteren wird die Welle 36 reflektiert und gelangt in Form einer zusätzlichen akustischen Welle 41 zum Schallempfänger 12 normal zu dessen wirksamer Fläche.

Die erneut angeregten mechanischen Schwingungen 38 weisen eine Ausbreitungsgeschwindigkeit C* in der Wandung 4 auf. die von der Geschwindigkeit C der primär angeregten mechanischen Schwingungen 10 verschieden ist (im Ausführungsbeispiel der in Fig. 12 gezeigten Einrichtung ist C > C). Bei einem bestimmten Weg der Fortpflanzung der mechanischen Schwingungen 10 über die Wandung 4, der die Front der ausgestrahlten Welle 2 erheblich übertrifft, gelangen daher die akustischen Haupt- und Zusatzwellen 13 bzw. 41 in den Empfänger 12 mit einer zeillichen Verschiebung Δτ gegeneinander, die die Dauer τ der impulsamplitudenmoduüerten elektrischen Schwingun-

Jö gen des Genrators 14. die am Schallgeber 1 eintreffen, wesentlich übersteigt. Infolgedessen sind das elektrische Hauptsignal und das elektrische zusätzliche Impulssignal des Schallempfängers 12. die in ihrer Amplitude den Amplituden der primär und wiederholt angeregten mechanischen Schwingungen 10 und 38 proportional sind, zeitlich getrennt.

Die Impulssignale des Schallempfängers 12 gelangen über den gemeinsamen Verstärker 15 auf die Eingänge der Selektionseinheiten 42 und 43, an deren gesteuerten Eingängen Selektorimpulse vom Ausgang des Formers 44 eintreffen. Hierbei entspricht der an der Selektionseinheit 42 ankommende Selektorimpuls dem zeitlichen Verlauf des Hauptimpulssignals und der an der Einheit 43 ankommende dem zeitlichen Verlauf des Bezugs-Impulssignals.

Die elektrischen Haupt- und Zusatzsignale, die in den Selektionseinheiten 42 bzw. 43 abgetrennt werden, gelangen in den Former 31 für ein elektrisches Informationssignal und in den Former 29 für ein

so elektrisches Bezugssignal und werden dann auf die Eingänge der Vergleichseinheit 30 gegeben. Vom Ausgang der letzteren wird dann eine eindeutige Information über die zu kontrollierende Grenzfläche 8 der Medien enthaltende Signal an den Registrierer 17 geliefert

Das oben beschriebene Kontrollverfahren für die Grenzfläche der Medien in einschichtigen Behältern gewährleistet eine Kontrolle mit hoher Genauigkeit und Stabilität bei Dauerbetrieb. Zur selben Zeit gestattet das genannte Verfahren, Fehler zu reduzieren, die durch die Instabilität der Einführung der Welle akustischer Schwingungen in die Wandung des Behälters und der Transformation der in der Wandung des Behälters angeregten mechanischen Schwingungen in die Schall-

65 welle in der Zone der Kontaktfläche des Schalleiters. auf der der Schallempfänger angeordnet ist bedingt sind. Ini oben beschriebenen Verfahren können aber Fehler bestimmt wird. Die Welle 2 (deren anderer Teil) vom auftreten, die durch eine Frequenzänderung der

Anordnung des Schalleiters 11 gekommen sind. Der andere Former 29 erzeug! aus den über den zusätzlichen Verstärker 37 angekommenen elektrischen Signalen des zusätzlichen Schallempfängers 35 ein elektrisches Bezugssignal, das der Amplitude der Amplitude der wiederholt angeregten mechanischen Schwingungen 38 in der Zone der Anordnung des Schalleiters 11 proportional ist. Hierbei werden das elektrische Bezugsund Viformationssignal der Former 29 und 31 in gleichem Maße von Instabilitäten beeinflußt, die auf den Kontaktflächen 19 des Schalleiters 3 bei der Einführung der akustischen Wellen 2 und 34 und des S'ihalleiters 11 bei der Transformation der mechanischen Schwingungen 10 und 38 aus der primären und der wiederholten Anregung für die akustischen Wellen 13 bzw. 36 auftreten. Infolgedessen ist das Ausgangssignal der Vergleichseinheit 30, das aus dem an diesem eingetroffenen elektrischen Informations- und Bezugssignal erzeugt wird, dem Verhältnis dieser Signale proportional und von den genannten Instabilitäten unabhängig.

Da die mechanischen Schwingungen 10 und 38 aus der primären und der erneuten Anregung eine unterschiedliche Dämpfung in der Wandung 4 des Behälters 5 aufweisen, die durch die Ableitung eines Teils ihrer Energie in das die Innenfläche des schwingenden Abschnitts 9 dieser Wandung 4 berührende Medium 16 bedingt ist. so trägt das Ausgangssignal der Vergleichseinheit 30 in sich eine eindeutige Information über die Lage der Grenzfläche 8 (Fig. I) der Medien 6 und 7 in dem zu kontrollierenden Behälter 5, was durch den Registrierer 17 fixiert wird.

D'" Vereinigung der Einführungszone für die erste und die zusätzliche akustische Welle 2 bzw. 34 auf der Kontaktfläche 19 des Schalleiters 3 und der Zonen für die Transformation der mechanischen Schwingungen 10 und 38 aus der primären und der wiederholten Anregung auf der Kontaktfläche 19 des Schalleiters 11 in die erste akustische Welle 13 und die zusätzliche akustische Welle 36 wird durch die Wahl der Entfernung E zwischen den Projektionen der Mittelpunkte der wirksamen Haupt- und Zusatzfläche 18 bzw. 32 auf die kontaktfläche 19 und der Höhen H, und W₂ der Anordnung dieser Mittelpunkte von der Kontaktfläche 19 gemäß Beziehung (8) realisiert.

Zwar gewährleistet diese Anordnung bei verhältnismäßiger Einfachheit des elektronischen Kanals eine effektive Beseitigung des Einflusses der genannten Instabilitäten, jedoch sind zeitliche Änderungen der Transformationseigenschaften der Schallgeber möglich, was die Entstehung der entsprechenden Fehler verursachen kann.

Verringert werden können diese Fehler durch Anwendung des bei der in Fig. 12 dargestellten Anordnung beschriebenen Aufbaus mit einem Schallgeber 1, einem Schallempfänger 12 und einem komplizierten elektronischen KanaL Hier wird die zusätzliche, in die Wandung 4 unter dem Winkel γ eingeführte Welle 34, mit der in dieser Wandung 4 die mechanischen Schwingungen 38 erneut angeregt werden, durch eine Reflexion der Welle 40 des Schallgebers 1 bzw. eines Teils davon an der Reflexionsfläche 39 des Schalleiters 3 erzeugt die bezüglich der wirksamen Fläche 18 unter einem Winkel β geneigt ist, der aus den Beziehungen (7) und (9) als

f + V-θ

mechanischen Schwingungen auf dem angeregten Abschnitt der Wandung des Behälters bei verschiedenen Lagen der Grenzfläche der Medien in diesem Behälter hervorgerufen sind.

Diese Fehler läßt das Kontrollverfahren für die Grenzfläche der Medien Gas/Flüssigkeit und Flüssigkeil/Flüssigke'-' in einschichtigen Behältern verringern, das bei der in Fig. 13 wiedergegebenen Anordnung verwirklicht ist.

Nach diesem Verfahren wird der Abschnitt 9 der Wandung 4 des Behälters 5 durch eine akustische Stoßwelle 2 periodisch angeregt, deren Spektrum aus «inem Bereich größer als der Frequenzbereich der mechanischen Schwingungen 10 der Wandung 4 des Behälters 5 bei verschiedenen Lagen der Grenzfläche 8 (Fig. 1) der Medien 6 und 7 in bezug auf den ichwingenden Abschnitt 9 (Fig. 13) der Wandung 4 gewählt wird. Hierbei wird auf den Schallgeber 1 mit ein breites Spektrum aufweisenden Impulsen des Formers 45 ^!!!^"'irkt. di? Ob?·" d?" Ipistiincnveritärkpr 4fi kommen. Diese Impulse haben die Form rechteckiger Videoimpulse mit einer durch die Beziehung (10) definierten Dauer ro. Infolgedessen strahlt der Schallgeber 1 in den Schalleiter 3 ein Spektrum von Ultraschallschwingungen ab, das sämtliche Werte der lieh ändernden Frequenzen der mechanischen Schwingungen 10 in der Wandung 4 bei verschiedenen Lagen Ser zu kontrollierenden Grenzfläche 8 (Fig. 1) der Medien umfaßt.

Das Impulssignal des Schallempfängers 12, das durch den letztgenannten aus der aus den in der Zone der Kontaktfläche 19 des Schalleiters 11 eingetroffenen mechanischen Schwingungen 10 transformierten akustischen Welle 13 (Fig. 13) umgewandelt worden ist, hat eine Amplitude von dessen elektrischen Trägerschwtngungen (die nach der Form die empfangene akustische Stoßwelle 13 wiederholen), die von der Lage der zu kontrollierenden Grenzfläche 8 (Fig. 1) der Medien abhängt. Darüber hinaus hängt die Frequenz / der elektrischen Trägerschwingungen von der Art des den ichwingenden Abschnitt 9 der Wandung 4 des Behälters 5berührenden Mediums 16(Fig. 13)ab.

Die genannte Frequenz /wird in der Frequenzmeßeinheit 47 für elektrische Signale registriert, wo das Signal aus dem Schallempfänger 12 über den Verstärker 15 geliefert wird, und nach dieser wird die Art der Flüssigkeit (die beispielsweise durch den Wert deren tkustischer Impedanz charakterisiert wird) bei der Lage der Grenzfläche 8 (Fig. 1) der Medien ober- oder unterhalb des schwingenden Abschnitts 9 der Wandung 4 (F i g. 13) des Behälters 5 beurteilt

Aus den Impulssignalen des Schallempfängers 12 wird in dem Former 31 für ein elektrisches Informationssignal, in den diese Signale über den Verstärker 15 gelangen, ein Informationssignal erzeugt, das in seinem Wert der Amplitude der genannten Impulssignale proportional ist. Darüber hinaus wird aus den am Ausgang des Leistungsverstärkers 46 abgenommenen Videoimpulsen mit Hilfe des Formers 29 ein elektrisches Bezugssignal erzeugt. Das letztere und das Informationssignal gelangen in die Vergleichseinheit 30, deren Ausgangssignal eine Information über die zu kontrollierende Grenzfläche 8 (Fig. 1) der Medien liefert und durch den Registrierer 17 (F i g. 13) registriert wird.

Die beschriebene Variante des Verfahrens sorgt für eine effektive Verringerung des Einflusses der Frequenzänderungen der mechanischen Schwingungen, die durch unterschiedliche Lagen der zu kontrollierenden Grenzfläche der Medien hervorgerufen werden, und für eine zusätzliche Kontrolle der Art der Flüssigkeit bei konstantem Querschnitt des schwingenden Wandabschnills. Jedoch können bei Querschnittsänderungen •5 des schwingenden Wandabschnitts in weiten Grenzen, die eine Frequenzänderung der mechanischen Schwingungen in einem weiteren Bereich als bei Änderung der Lage der Grenzfläche der Medien im Behälter bewirken, bei der Kontrolle der letzteren Fehler

ίο entstehen.

Die Verringerung dieser Fehler wird durch sin Kontrollverfahren für die Grenzfläche der Medien Gas/Flüssigkeit und Flüssigkeit/Flüssigkeit gewährleistet, das bei der nuch in Fig. 13 dargestellten Anordnung verwirklicht wird.

Gemäß diesem Verfahren wird der Abschnitt 9 der VVandung 4 des Behälters 5 durch eine akustische Stoßwelle 2 periodisch angeregt, deren relative Spektralbreite gemäß Beziehung (11) gleich oder größer eIs die relative Dickenänderun" des schwingenden Abschnitts 9 der Wandung 4 des Behälters 5 gewählt wird. Dies wird dadurch gewährleistet, daß die Schalleiter 3 und 11 aus Schmelzquarz oder Porzellan oder Silikatglas oder Blei oder Zinn oder Blei-Zinn-Legierungen mit einer akustischen Impedanz im Bereich von 0,3 bis 1,7 der akustischen Impedanz des Schallgebers 1 und des Schallempfängers 12 für eine Schallwelle ausgeführt sind. Die konkreten Materialien, aus denen die Schalleiter 3, 11 hergestellt sind, sind in der Tabelle 2 aufgeführt.

Eine derartige Ausführung der Schalleiter 3 und U bringt eine akustische Dämpfung für den Schallgeber 1 und den Schallempfänger 12 mit entsprechender Erweiterung der Grenzen des Strahlungs- und des Empfangsspektrums für die akustischen Wellen 2 und 13 zustande. Die Verringerung der Größe der akustischen Impedanz der Schalleiter 3 und 11, die von dem Material abhängt, aus dem sie hergestellt sind, ergibt auch eine gegenüber der akustischen Impedanz des Schallgebers 1 und des Schallempfängers 12 verminderte Spektralbrei-Ie. Die Art des Materials der Schalleiter 3, 11 und dementsprechend seine Impedanz (s. Tabelle 2) werden hierbei in Abhängigkeit von der gemäß der Beziehung (11) erforderlichen Spektralbreite eingestellt.

Das beschriebene Verfahren sichert eine Kontrolle der Grenzfläche der Medien und der Art der Flüssigkeit beim Verlauf der Grenzfläche der Flüssigkeiten ober- oder unterhalb des schwingenden Abschnitts der Behälterwandung (im Falle der Medien Gas/Flüssigkeit

so — beim Verlauf der Grenzfläche oberhalb dieses Abschnitts). Jedoch können bei Temperaturänderungen Fehler bei der Kontrolle auftreten. Deren Wert wird im wesentlichen durch die Temperaturabhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Wellen in den Schalleitern bestimmt

Diese Temperaturfehler können durch Anwendung der in F i g. 3 bis 13 dargestellten Kontrolleinrichtungen für die Grenzfläche der Medien Gas/Flüssigkeit und Flüssigkeit/Flüssigkeit bei Benutzung der in F i g. 14 bis 20 wiedergegebenen Konstruktionen der Schalleiter erheblich verringert werden.

Die Verringerung der Temperaturfehler wird dadurch gewährleistet, daß die Schalleiter 3, 11 auf der Basis von wäßrigen alkoholischen oder alkalischen oder

Säurelösungen oder Salzlösungen anorganischer Säuren ausgeführt sind, die eine Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit d der akustischen weilen 2 und 13 von der Temperatur f von angenähert

parabolischem Verlauf gemäß der Beziehung

C, = C,„,„[1 -U-I₀)²] (22)

aufweisen, in der C}_m3x den Maximalwert der Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Wellen 2 und 13 in einer wäßrigen Lösung bei f = fo bezeichnet. Hierbei wird die Lösungskonzentration q derart gewählt, daß der Maximalwert Ci_mlx der Ausbreitungsgeschwindigkeit im Bereich der mittleren Temperatur fo der Wandung 4 des Behälters 5 liegt. Infolgedessen weist die Geschwindigkeit der akustischen Welle im Schalleiter 3 kn Arbeitsbereich für die Temperaturen t sehr geringe Änderungen auf, die beispielsweise bei einer Tefnperaturabweichung vom mittleren Wert ίο um ±20°C ein°n Wert nicht größer als 0,6% ausmachen. Dies gestattet es, die Kontrollgenauigkeit für die Grenzfläche der Medien beträchtlich zu erhöhen.

Das oben beschriebene Kontrollverfahren für die Grenzfläche der Medien Gas/Flüssigkeit und Flüssigkeit/Flüssigkeit in einschichtigen Behältern, das bei den in F i g. 3 bis 20 dargestellten Anordnungen verwirklicht wird, gewährleistet eine hocheffektive berührungsfreie automatische Kontrolle der Grenzfläche der Medien i. Behältern bei technologischen Prozessen verschiedener Produktionen in der Metallurgie, der Aufbereitung, der chemischen, der Erdöl- der LebensmitteJiridustrie Und in anderen iridustriezweigeh.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Erfassen der Höhenlage einer Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichem akustischen Verhalten in einem Behälter mit einem mit der Behälterwandung an einem ersten Ort gekoppelten Schallgeber für die Einleitung einer akustischen Welle in den Behälter, einem mit der Behälterwandung an einem zweiten Ort gekoppelten Schallempfänger zum Abnehmen der den ι ο Behälter durchlaufenden Welle und einer Einrichtung zum Bestimmen der Amplitude der am Schallempfänger abgenommenen akustischen Welle als Anzeige für die Lage der Grenzfläche, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a) der Schallgeber (1) ist mit der Behälterwandung (4) über einen ersten Schalleiter (3) verbunden, der die vom Schallgeber abgestrahlte akustische Welle (2) unter einem spitzen Winkel (θιj) zur Behälterwandung ausgerichtet weiterleitet, in tier sich mechanische Schwingungen (10) mit durch die Fortpflanzungsrichtung und den Einfallswinkel der akustischen Welle bestimmter Richtung und der Ausbreitungsgeschwindigkeit der akutstischen Welle in der Behälterwandung etwa gleicher Fortpflanzungsgeschwindigkeit unter gleichzeitiger Beeinflussung durch das die Behälterwandung von innen her berührende Medium (16) ausbreiten;

b) der Schallempfänger (12) ist über einen zweiten Scha'leUer(ll) mit einer akustischen Welle (13) beaufschlagt, deren Amplitude zur Bestimmung der Höhenlage der Gi --nzfläche (8) dient

2. Anordnung nad. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) bei jedem Schalleiter (3, 11) seine Berührungsfläche (19) mit der Behälterwandung (4) und seine mit dem Schallgeber jeweils gemeinsame

' Fläche (18) unter einem Winkel θ gegeneinan- « der geneigt sind, für den die Beziehung

Θ - arc sin —i

gilt,

b) und die Schalleiter aus einem Material bestehen, in dem die Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Wellen (2 und 13) kleiner ist als die Ausbreitungsgeschwindigkeit der mechanischen Schwingungen (10) in der Behälterwandung.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei veränderlichem Querschnitt der Behälterwandung (4) die Schalleiter (3, 11) jeweils aus zwei Teilen (22 und 23) bestehen, deren Werkstoffe sich in der Ausbreitungsgeschwindigkeit für die akustischen Wellen (2,13) unterscheiden und die eine zylindrische Berührungsfläche (24) mit einer Symmetrieachse aufweisen, die in der Ebene der Achse des Schallgebers (1) bzw. des Schallempfänßers (12) und senkrecht zu dieser Achse verläuft, wobei der Radius R der Berührungsflächen der Bedingung

. + C₅

Λ ctg Θ

65

4. Anordnung nach Anspruch I oder 2, dadurch

gekennzeichnet, daß

a) bei veränderlichem Querschnitt der Behälterwandung (4) die Schalleiter (3, 11) wirksame Flächen (18) aufweisen, die zylindrisch mit einem Krümmungsradius R ausgebildet sind, für den die Bedingung

R-

2(C₁-C₂)

A ctg Θ

gilt, und

b) der Schallgeber (1) und der Schallempfänger

(12) mit wirksamen Flächen ausgebildet sind, deren Form den wirksamen Flächen (18) der Schalleiter angepaßt ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

gekennzeichnet, daß

a) bei veränderlichem Querschnitt der Behälterwandung (4) die Länge A der wirksamen Fläche (18) der Schalleiter (3, 11) in einer durch eine Normale zu dieser Fläche und durch die Ausbreitungsrichtung der in der Behälterwandung angeregten mechanischen Schwingungen (10) definierten Ebene der Bedingung

< k

Ci+ C₂
C₁-C₇

λ ■ ctg Θ

genügt.

genügt, und

der minimale Abstand H_mm zwischen der wirksamen Fläche (18) und der Berührungsfläche (19) der Schalleiter an der Behälterwandung (4) der Bedingung

H_mw > -£- cos Θ

genügt

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalleiter (3, 11) wahlweise nach Bedarf aus Schmelzquarz, aus Porzellan, aus Silikatglas, aus Blei, aus Zinn oder aus Blei/Zinn-Legierungen, mit einer akustischen Impedanz zwischen dem 0,3- bis 1,7fachen der aktustischen Impedanz des Schallgebers (1) für die ausgesandte akustische Welle(2) bzw.des Schallempfängers (12) für die empfangene akustische Welle (13) bestehen.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalleiter (3, 11) aus Stoffen auf der Basis wäßriger, alkoholischer und alkalischer oder Säure- oder Salzlösungen anorganischer Säuren bestehen.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Schalleiter (3,11) eine zusätzliche wirksame Fläche (32) aufweisen, die unter einem Winkel (γ) gegen ihre Berührungsfläche (19) mit der Behälterwandung (4) geneigt ist;

b) ein zusätzlicher Schallgeber (33) für die Aussendung einer akustischen Welle (34) und ein zusätzlicher Schallempfänger (35) für den Empfang einer akustischen Welle (36) auf den zusätzlichen wirksamen Flächen der Schalleiter (3, 11) angeordnet sind, von denen der zusätzliche Schallgeber (33) an den gleichen Generator (14) für elektrische Schwingungen angeschlossen ist wie der erste Schallgeber (1).

9. Anordnung nach einem der Ansprüche I bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalleiter (3, 11) eine Reflexionsfläche (39) für wiederholt abgestrahlte akustische Wellen (34,36) aufweisen, die mit ihrer wirksamen Fläche (18) einen Winkel (ß) einschließt.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Schallgeber (t) und dem Schallempfänger (12) eine elektrische Rückkopplung besteht, in deren Rückführung eine Vergleichseinheit (30) zur Regelung der ι ο Lage der Grenzfläche (8) zwischen den beiden Medien im Behälter (5) verwendet ist