DE3032356A1

DE3032356A1 - Verfahren zur kontaktlosen kontrolle von gasen in behaeltern

Info

Publication number: DE3032356A1
Application number: DE19803032356
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Phys. Dr. Jürgen 8049 Dresden Brückner; Ingolf 8020 Dresden Hünich
Original assignee: BUCHWITZ OTTO STARKSTROM
Current assignee: BUCHWITZ OTTO STARKSTROM
Priority date: 1979-09-28
Filing date: 1980-08-28
Publication date: 1981-07-02
Also published as: DD145961A1; PL226789A1

Description

Verfahren zur kontaktlosen Kontrolle von Gasen in Behältern
Anwendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontaktlosen Kontrolle physikalischer Eigenschaften und Zustandsgrößen von Gasen in hermetisch dichten Behältern, bei dem periodisch Ultraschallwellen in die Behälterwand eingestrahlt und empfangen werden.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Verfahren zur Kontrolle der Eigenschaften und Zustandsgrößen von Gasen, die in einem Behälter eingeschlossen sind, erfordern in den meisten Fällen den Kontakt zwischen einer Meßsonde und dem zu kontrollierenden Gas. Dafür müssen am Behälter Öffnungen für den Anschluß einer Sonde oder Durchführungen für Informationssignale angebracht werden, falls sich die Sonde im Inneren des Behälters befindet.
Für spezielle Anwendungsfälle sind auch Verfahren bekannt, die eine Kontrolle des Gases durch die Behälterwand hindurch ermöglichen. Beispielsweise werden in den US-Patentschriften Nr. 3 823 068 und 3 975 949 Verfahren beschrieben, mit denen der Gasdruck in Brennstoffstäben für Kernreaktoren kontrolliert wird. Im Inneren jedes Brennstoffstabes muß dazu eine elastische Membran angebracht werden, die bei Druckänderungen des Gases deformiert wird.
Damit verändert diese die Charakteristik ihrer Schwingungen, die von außen kontaktlos angeregt und analysiert werden.
Das Verfahren setzt den Einbau eines druckempfindlichen Detektors in jedem Brennstoffstab voraus.
In der US-Patentschrift 3 945 245 wird eine Vorrichtung zum Nachweis von Wasser in Brennstoff stäben gezeigt. Bei dieser wird außen an den Brennstoffstab ein elektroakustischer Wandler eingesetzt und außerdem mittels von außen erzeugter Temperaturdifferenzen im Inneren des Brennstoffstabes eine Kondensation des Wassers im Bereich des Schallfeldes erzeugt. Die dadurch entstandene Schallreflexion läßt sich nachweisen, Bei dem in der DE-OS 2 602 368 beschriebenen Verfahren zur Kontrolle des Gasdruckes in Brennstoffstäben werden dieselben diametral durchschallt. Da die akustische Impedanz des Gases vom Druck abhängt, ist auch der Übertragungskoeffizient des Schalls durch den Brennstoffstab druckabhängig.
Die Anwendbarkeit dieses Verfahrens zur Kontrolle von Gasen in beliebigen anderen Behältern ist abhängig von deren Form und Größe.
Eine andere Ultraschallmethode zur Kontrolle von Medien in Behältern wird in der DE-OS 2 716 833 beschrieben. Dabei wird ein elektroakustischer Wandler senkrecht an die Behälterwand angesetzt und der durch einige Reflexionen an der Innenfläche zwischen Wandler und Innenfläche entstehende Nachhall mit diesem Wandler empfangen und analysiert.
Dieses von der Behältergröße unabhängige Verfahren ist zur Analyse von Flüssigkeiten geeignet. Seine Anwendung zur Kontrolle von Gasen in Behältern stößt allerdings grundsätzlich auf Schwierigkeiten. Während die Schallkennimpedanz bei Festkörpern (Behälterwand) und Flüssigkeiten (Behalterinhalt) in der gleichen Größenordnung liegen, unterscheiden sie sich gegenüber Gasen um Größenordnungen.
Daraus resultiert bekanntlich eine fast vollständige Reflexion des Schalls an der Grenzfläche zwischen Festkörper und Gas. Der reflektierte Anteil wird durch den Zustand des Gases praktisch nicht beeinflu»> Ziel der Erfindung Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Kontrolle von Gasen in hermetisch dichten Behältern, dessen Anwendung von der Größe der zu kontrollierenden Gefäße unabhängig ist und zu dessen Durchführung keine Veränderungen innerhalb des Behälters und Öffnungen am Behälter zum Einbringen von Meßsonden notwendig sind.
Darlegllng des Wesens der Erfindung Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, in hermetisch dichten Behältern eingeschlossene Gase kontaktlos hinsichtlich ihrer Eigenschaften, wie Dichte und Schallgeschwindigkeit mittels Ultraschall zu prüfen, um daraus Rückschlüsse auf den Druck und die Gasart des eingeschlossenen Gases zu ziehen0 Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß die Ultraschallwellen unter kleinem Einfallswinkel, aber nicht seSkrecht zur Behälterwand, mittels eines ersten elektroakustischen Wandlers in die Behälterwand so eingestrahlt werden, daß an der Grenzfläche zwischen Behälterwand und eingeschlossenem Gas Reflexionen hoher Ordnung entstehen und nur diejenigen Ultraschallwellen von einem zweiten elektroakustischen Wandler empfangen und anschließend analysiert werden, die Reflexionen hoher Ordnung erfahren haben.
Nach einem weiteren Xerkmal der Erfindung wird der an der Änkoppelstelle des ersten Wandlers in der Behälterwand entstehende Nachhall zum Teil wieder von diesem Wandler empfangen und zur Stabilisierung der in die Behalter¢and eintretenden Ultraschallimpulse benutzt.
Gemäß einem anderen Erfindungsmerkmal wird der Ultraschall von federn an die Behälterwand angedrückten Wandlern, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung von Formstücken oder über zwischengeschaltete Flüssigkeitsstrecken als Koppelmedium direkt in die Behälterwand übertragen.
Schließlich wird die Amplitude der vom zweiten Wandler empfangenen Signale oder das über diese Signale gebildete Integral zur InformatJ.-onsgewinnung über Art und Zustandsgrößen des eingeschlossenen Gases benutzt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die kontaktlose Kontrolle von Gasen nach Gasart und Druck und anderen physikalischen Eigenschaften innerhalb hermetisch dichter Behälter, unabhängig von deren Größe. Für die Durchführung des Verfahrens ist keine Veränderung am oder im Behälter erforderlich. Das Verfahren kann mit großer Produktivität und automatisiert durchgeführt werden.
Die vorgeschlagene Lösung beruht auf der Analyse des Schallfeldes, das. bei Einleitung eines Ultraschallbündels in die Behälterwand durch Reflexionen an der Innen- und Außenfläche der durchschallten Behälterwand entsteht. Bei Reflexion einer Schallwelle an der Grenzfläche zwischen Behälterwand (Medium 1) und Behälterinhalt (Medium 2) enthält der reflektierte, im Medium 1.verlaufende Anteil auch Informationen über das Medium 2. Betrachtet man beispielsweise den Reflexionsfator R für senkrechten Einfall, so erhält man Z2 Z1 Z2 + Z1 Dabei sind Z1 bzw. Z2 die Schallkennimpedanzen derEedien 1 und 2, die sich aus der Dichte 9 und der Schallgeschwindigkeit v im betreffenden Medium ergeben.
Z =9. v Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden durch Einstrahlung von Ultraschall in die Behälterwand unter kleinem, aber von Null verschiedenen Einfallswinkel o& an der Innenfläche der Behälterwand Schallreflexionen hoher Ordnung erzeugt und nur die Intensitäten In bzwo der Schalldruck dieser n-fach reflektierten Schallwellen zur Auswertung verwendet In ist abhängig von Rn. Schätzt man Rn unter den vorliegenden Voraussetzungen Z2/z1 44 1 und X 4 1 ab, so ergibt sich näherungsweise Bei den vorliegenden Verhältnis Z2/zl t 10 4 ... 10 5 der Schallkennimpedanzen des Gases und der Behälterwand beginnt Rn für n zu 100 merklich von 1 abzuweichen und man erhält eine meßbare Beeinflussung von In.
Das Verfahren kann zur Kontrolle der Eigenschaften von Gasen in dünnwandigen Behältern mit glatten Oberflächen angewendet werden, bei denen die Ausbildung von Reflexionen hoher Ordnung nicht durch zu starke diffuse Reflexionen oder Schwächung in der Behälterwand behindert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird an einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens erläutert.
Die in der Zeichnung dargestellte prinzipielle Anordnung besteht aus zwei elektroakustischen Wandlern 1 und 2, die federnd an die Behälterwand 3 angekoppelt sind. Auf die Wandler 1 und 2 aufgesetzte, der jeweiligen Behälteroberfläche angepaßte Koppelelemente bzw. Flüssigkeitsstrecken zwischen Behälter und Koppelelement gewährleisten einen guten akustischen Ubergang zwischen Wandler 1 bzw. 2 und der Behälteroberfläche. Die Wandler 1 und 2 können beispielsweise piezoelektrische Normalprüfköpfe sein. Der Einfallswinkel i des Schallbündels muß klein, aber ungleich Null sein, Dadurch entsteht eine hohe Anzahl von Reflexionen an den Grenzflächen der Behälterwand 3, gleichzeitig aber wird verhindert, daß der Nachhall durch Austritt in den Wandler 1 (Sender) bereits nach wenigen Reflexionen stark geschwächt wird, wie das bei senkrechter Schalleinstrahlung der Fall wäre. Auf diese Weise gelangt ein wesentlicher Anteil nach einer großen Anzahl von n ~ a/2 c . d Reflexionen zum in Abstand a angeordneten Wandler 2 (Empfänger), wird dort empfangen, anschließend verstärkt und auf übliche Weise, z. B, hinsichtlich der Maximalamplitude der Signale, ausgewertet.
Zwischen beiden Wandlern 1 und 2 darf kein Austritt des Nachhalls durch an die Behälteroberfläche angekoppelte flüssige oder feste Medien erfolgen.
Der im Bereich des Wandlers 1 durch Reflexionen niederer Ordnung entstehende Nachhall ist unbeeinflußt vom Gas im hermetisch dichten Behälter. Er kann daher zur Konstanthaltung des eintretenden Schalls benutzt werden. Damit lassen sich geringe änderungen der Ankoppelbedingungen und die Drift des Wandlers 1 (Sender) ausgleichen.
Das Verfahren eignet sich zur Kontrolle von Gasen in stationären Behältern, aber auch zur Kontrolle gasgefüllter Eassenerzeugnisse. Beispielsweise kann damit der Gadruck in Kernbrennstäben im Rahmen einer hochproduktiven automatisierten Fertigung kontrolliert werden.
Bezugszeichen 1,2 elektroakustische Wandler 3 Behälterwand a = Abstand zwischen Wandler 1 und 2 #' = Einfallswinkel Z1 = Schallkennimpedanz für feste Medien (Behälter) Z2 = Sehallkennimpedanz für eingeschlossenes Gas Leerseite

Claims

Patentansprüche 5) Verfahren zur kontaktlosen Kontrolle physikalischer Eigenschaften und Zustandsgrößen von Gasen in hermetisch dichten Behältern, bei dem periodisch Ultraschallwellen in die Behälterwand eingestrahlt und empfangen werden, gekennzeichnet dadurch, daß die Ultraschallwellen unter kleinem Einfallswinkel, aber nicht senkrecht zur Behälter wand, mittels eines ersten elektroakustischen Wandlers in die Behälterwand so eingestrahlt werden, daß an der Grenzfläche wischen Behälterwand und eingeschlossenem Gas Reflexionen hoher Ordnung entstehen und nur diewenigen Ultraschallwellen von einem zweiten elektroakustischen Wandler empfangen und anschließend analysiert werden, die Reflexionen hoher Ordnung erfahren haben.
2. Verfahren zur kontaktlosen Kontrolle nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der an der Ankoppelstelle des ersten Wandlers in der Behälterwand entstehende liachhall zum Teil wieder von diesem Wandler empfangen und zur Stabilisierung der in die Behälterwand eintretenden Ultraschallimpulse benutzt wird.
3. Verfahren zur kontaktlosen Kontrolle nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Ultraschall von federnd an die Behälterwand angedrückten Wandlern, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung von Formstücken oder über zwischengeschaltete Flüssigkeitsstrecken als Koppelmedium direkt in die Behälterwand übertragen wird.
4. Verfahren zur kontaktlosen Kontrolle nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Amplitude der vom zweiten Wandler empfangenen Signale oder das über diese Signale gebildete Integral zur Informationsgewinnung über Art und Zustandsgrößen des eingeschlossenen Gases benutzt wird.