DE3822138A1 - Fluessigkeitsstand-ueberwachung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Überwachung von Flüssigkeitspegeln mittels akustische Wellen erzeugender Wandler, insbesondere in gefährlichen Umgebungen, wo es erwünscht oder wesentlich ist, daß der Wandler fern von der Flüssigkeit angeordnet ist.

Die US-PS 27 87 160 beschreibt einen Ultraschall- Flüssigkeitstiefenanzeiger, bei dem ein Streifen vertikal innerhalb eines eine Flüssigkeit enthaltenden Tanks angebracht ist und Oberflächenwellen im Streifen durch einen Wandler erregt werden. Solche Oberflächenwellen sollen die Streifenoberfläche erregen, an der der Wandler angebracht ist, aber sie erstrecken sich nicht bis zur entgegengesetzten Wand des Streifens. Der Streifen ist mit vertikal beabstandeten Löchern versehen, die vorzugsweise abgedichtet sind, um die Flüssigkeit auszuschließen. Diese Löcher oberhalb der Flüssigkeits-Oberfläche liefern starke reflektierte Signale, während jene in dem Teil des Streifens, der eingetaucht ist, nur schwache reflektierte Signale bringen, weil die Oberflächenwellen durch die Flüssigkeit gedämpft werden. Der Pegelanzeiger der US-PS 27 87 160 hat den Nachteil, daß an der Durchtrittsstelle in den Behälter die Oberfläche, in der die Oberflächenwellen erregt werden, nur akustisch mit dem Wandler gekoppelt sein können, da sonst Oberflächenwellen nicht entlang dem Streifen übertragen werden. Als Folge davon erfordert die Behälter-Durchtrittsstelle, daß sowohl der Streifen als auch der Wandler in die Behälterwand eingebaut werden, und der Wandler kann daher nicht entfernt vom Behälterinneren angeordnet werden, wie es notwendig wäre, wenn der Behälter sehr heiße Flüssigkeiten enthält.

In diesem Zusammenhang sind auch die GB-PSen 20 92 408, 21 37 348, 20 19 568 und 15 55 549 von Interesse.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Überwachen des Flüssigkeitsstandes innerhalb eines Behälters vorgesehen, bei dem akustische Wellenimpulse von einem Wandler entlang einem Wellenleiter übertragen werden, der sich bis unterhalb der Oberfläche des Flüssigkeitskörpers erstreckt und mindestens eine impulsreflektierende Diskontinuität aufweist, die der Flüssigkeit ausgesetzt ist, und bei dem der oder die reflektierten Impulse analysiert werden, um jeglichen Verlust an akustischer Energie als Folge des Eintauchens der Diskontinuität oder Diskontinuitäten in die Flüssigkeit zu ermitteln, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß die akustische Wellenenergie in Form von Lamb-Wellen in den Wellenleiter injiziert werden, wobei der Wandler völlig außerhalb des Behälterinneren angeordnet ist, und daß der Wellenleiter durch eine abgedichtete Durchtrittsstelle in der Wand des Behälters hindurchgeht oder mindestens teilweise durch eine Wand des Behälters gebildet wird.

Das Verfahren kann auch ausgeführt werden, wenn mehr als ein Wellenleiter verwendet wird, wobei jeder Wellenleiter mindestens eine impulsreflektierende Diskontinuität aufweist.

Wenn der Wellenleiter mit mehr als einer Diskontinuität ausgestattet ist, dann sind diese im Abstand voneinander in Längsrichtung des Wanderns der Impulse entlang dem Wellenleiter angeordnet und können auch zueinander quer zu dieser Wegrichtung versetzt sein.

Einem weiteren Aspekt der Erfindung zufolge, ist ein Behälter für Flüssigkeiten vorgesehen, der ein Gerät zum Überwachen des Flüssigkeitsstandes innerhalb des Behälters enthält, wobei das Gerät einen Wandler zum Erzeugen von akustischen Wellenimpulsen, einen Wellenleiter, der mit dem Wandler gekoppelt ist und sich mit Bezug auf das Behälterinnere nach unten erstreckt, um bei Gebrauch mit einem innerhalb des Behälters befindlichen Flüssigkeitskörper in Kontakt zu stehen, aufweist, wobei der Wellenleiter mindestens eine impulsreflektierende Diskontinuität aufweist, die der Flüssigkeit ausgesetzt ist, und wobei eine Einrichtung vorgesehen ist zum Analysieren des reflektierten Impulses oder der reflektierten Impulse, um jeglichen Verlust an akustischer Energie als Folge des Eintauchens der Diskontinuität oder Diskontinuitäten in die Flüssigkeit zu ermitteln, wobei der Behälter dadurch gekennzeichnet ist, daß die Stelle der akustischen Kopplung zwischen dem Wandler und dem Wellenleiter völlig außerhalb des Behälterinneren angeordnet ist und daß der Wellenleiter durch eine abgedichtete Stelle oder durch abgedichtete Stellen in einer Wand des Behälters hindurchgeht oder zumindest teilweise durch eine oder mehrere Wände des Behälters gebildet wird.

Die Wellenleitereinrichtung kann einen einzelnen Wellenleiter mit einer Vielzahl von impulsreflektierenden Diskontinuitäten aufweisen, oder die Wellenleitereinrichtung kann alternativ durch mindestens zwei Wellenleiter gebildet werden, von denen jeder mindestens eine solche Diskoninuität aufweist.

Der oder jeder Wellenleiter hat zweckmäßig eine abgestufte Form, um die impulsreflektierenden Diskontinuitäten zu bilden.

Um das Erregen von Lamb-Wellen zu ermöglichen, versteht es sich, daß der oder jeder Wellenleiter nach Art eines Streifens, einer Platte oder eines Rohres vorgesehen ist, derart, daß die in den Wellenleiter vom Wandler eingegebene akustische Energie die Form von Lamb-Wellen annimmt. Die Lamb-Wellen können in fundamentalen symmetrischen oder antisymmetrischen Weisen oder Harmonischen davon vorliegen.

Die Analysierungseinrichtung kann so aufgebaut sein, daß sie ein Signal, z.B. in Form eines Alarmsignals, auslöst, und zwar als Antwort darauf, daß das Wellenleiter-Eintauchen einen vorbestimmten Pegel erreicht. Die Analysierungseinrichtung kann den Grad des reflektierten Signalverlustes mit dem Ausmaß des Wellenleiter-Eintauchens in die Flüssigkeit in Beziehung bringen.

Der Wellenleiter kann unter gewissen Umständen einen strukturellen Bauteil oder mehrere aufweisen, die dem Flüssigkeitsbehälter zugeordnet sind oder einen Teil desselben bilden, z.B. in Fällen, wo die Anlage bereits eine strukturelle Komponente enthält oder dafür ausgelegt werden kann, die als Wellenleiter mit mindestens einer impulsreflektierenden Diskontinuität fungieren kann.

Die Erfindung wird anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Flüssigkeitsbehälters mit einer Flüssigkeitsstand- Überwachungseinrichtung,

Fig. 2 eine schematische Ansicht der Flüssigkeitsstand- Überwachungseinrichtung,

Fig. 3 eine idealisierte grafische Darstellung der gesendeten und empfangenen Impulse, die bei Verwendung der Vorrichtung nach Fig. 2 erhalten werden, und

Fig. 4 eine schematische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, bei der die Behälterwand als Wellenleiter verwendet wird.

Der in Fig. 1 dargestellte Behälter 1 kann ein solcher für eine heiße Flüssigkeit sein, z.B. flüssiges Natrium in einem Schnellneutronenspaltungs-Kernreaktor. Der Behälter ist mit einem Gerät bzw. mit einer Vorrichtung zum Überwachen des Flüssigkeitsstandes ausgerüstet, wobei die Vorrichtung einen Wellenleiter 14 enthält, der durch einen Ultraschallwandler 10 erregt wird. Die Behälterwand ist mit einer Durchtrittsstelle 2 versehen, durch die sich der Wellenleiter in den Behälter erstreckt, um teilweise in die Flüssigkeit 3 im Behälter einzutauchen. Die Art der Flüssigkeit verlangt, daß der Wandler 10 fern vom Behälterinneren angeordnet wird und daß der Wellenleiter um seine Peripherie herum gegenüber der Behälterwand abgedichtet wird, z.B. durch Hartlöten oder Schweißen um seinen ganzen Umfang herum. Es versteht sich, daß eine solche Anordnung die Verwendung eines Pegelanzeigers ausschließt, wie er in der US-PS 27 87 160 beschrieben ist, und zwar aus den dort erwähnten Gründen.

Das bei der vorliegenden Erfindung verwendete Grundkonzept besteht in der Verwendung eines aktiven Elementes, um eine spezifische Lamb-Wellen-Art in einem dünnen plattenförmigen Wellenleiter zu erregen, (der eben, von bogenförmigem Querschnitt oder rohrförmig sein kann) und in der Anordnung des Wellenleiters mit Bezug auf die Flüssigkeitsoberfläche, deren Stand zu überwachen ist, so daß, wenn die Flüssigkeit in Kontakt mit dem Ende oder einer anderen impulsreflektierenden Diskontinuität der Flüssigkeit ausgesetzten Wellenleiters beim Steigen in Kontakt kommt, ein Moduswandel an der Fläche zwischen Wellenleiter und Flüssigkeit stattfindet, der zu einem Verlust an akustischer Energie durch Übertragung von Druckwellen in die Flüssigkeit führt. Im Gegensatz zu Oberflächenwellen, wie in der US-PS 27 87 160 beschrieben, können Lamb-Wellen eine abgedichtete Stelle in der Behälterwand durchqueren und sich entlang jenem Teilstück des Wellenleiters fortsetzen, der sich innerhalb des Behälterinneren nach unten erstreckt.

Die Vorrichtung nach Fig. 2 weist einen Sende/Empfangs- Ultraschallwandler 10 auf, der mit einer Impulsauslöse- und Echoanalysierungs-Instrumentation 12 verbunden und mit dem dünnen plattenförmigen Wellenleiter 14 gekoppelt ist, der eine beträchtliche Länge haben kann, z.B. zehn Meter und mehr, und der je nach Anwendungsfall auch eine andere als die dargestellte besondere Form haben kann. Z.B. kann es die Anordnung des Wandlers und der zugehörigen Instrumentation entfernt vom Behälterinneren erforderlich machen, daß der Wellenleiter um Hindernisse herum geführt und dementsprechend geformt wird.

Der Wellenleiter 14 ist mit seinem Endstück in der Nähe des Flüssigkeitsspiegels 16 angeordnet. Wie in Fig. 2 dargestellt, ist der Wellenleiter teilweise in die Flüssigkeit eingetaucht, doch mag das nicht unbedingt immer der Fall sein. Das Endstück des Wellenleiters ist mit einer Anzahl von impulsreflektierenden Diskontinuitäten versehen, die durch das Ende 18 des Wellenleiters und eine Reihe von Abstufungen 20 A, 20 B gebildet werden, die in bekannten Intervallen vom Ende 18 her angeordnet sind. Wenn ein Lamb-Wellen-Impuls 22 (siehe Fig. 3) im Wellenleiter durch den Wandler 10 erregt wird, so wandert dieser in Längsrichtung entlang dem Wellenleiter, d.h. in Richtung des Pfeiles A, und erfährt eine Reflexion an jeder Diskontinuität 18, 20 A, 20 B, um Echos 24, 26 A, 26 B zu erzeugen, die vom Wandler empfangen werden und durch die Instrumentation analyisert werden können, um jedes Echo mit der entsprechenden Diskontinuität in Beziehung zu bringen.

Ist der Flüssigkeitspegel so, daß das Ende des Wellenleiters nicht eintaucht, so wird keines der Echos, die durch die Instrumentation 12 empfangen werden, im Vergleich zum einfallenden Impuls 22 bedeutend geschwächt sein. Wenn jedoch der Wellenleiter teilweise eingetaucht ist, dann findet ein Verlust an akustischer Energie statt, und zwar als Folge der vorerwähnten Modusumwandlung, und die Echos, die von jenen Diskontinuitäten empfangen werden, die eingetaucht sind, (siehe Diskontinuitäten 18, 20 A in Fig. 1) werden stark geschwächt sein. Auf diese Weise kann durch Überwachung der Amplituden der Echos unter Verwendung der Instrumentation 12 der Pegel der Flüssigkeit mit einer Genauigkeit bestimmt werden, die durch die vertikalen Abstände zwischen den impulsreflektierenden Diskontinuitäten bestimmt wird.

Die Form des in Fig. 2 dargestellten Wellenleiters ist dazu bestimmt, eine Ermittlung von hohen, niedrigen und Zwischen-Flüssigkeitspegeln vorzusehen, wobei die Zwischenpegel der Länge des Wellenleiters zwischen der obersten Abstufung 20 A und der untersten Abstufung 20 B entspechen. Sobald die Flüssigkeit ansteigt und eine Schwächung des von jeder Diskontinuität her empfangenen Echos auftritt, kann die Instrumentation ein Signal erzeugen, um den gegenwärtigen Stand der Flüssigkeit anzuzeigen, und ein oder mehrere Warnsignale können außerdem erzeugt werden, wenn der Flüssigkeitspegel auf einen unannehmbaren Pegel fällt oder ansteigt. Solche Warnsignale können dazu verwendet werden, eine Abhilfsaktion einzuleiten, um der unerwünschten Änderung des Flüssigkeitspegels entgegenzuwirken.

Wie dargestellt, wird ein einzelner Wellenleiter verwendet, doch können ggf. auch zwei oder mehr Wellenleiter verwendet werden, von denen jeder mindestens eine impulsreflektierende Diskontinuität aufweist und durch einen entsprechenden außerhalb angeordneten Wandler erregt wird; auf diese Weise kann jeder Wellenleiter ein oder mehrere Echos liefern, die einem Flüssigkeitspegel oder einem Bereich von Flüssigkeitspegeln entsprechen, welche gegenüber denen des anderen Wellenleiters oder der anderen Wellenleiter unterschiedlich sind.

Die impulsreflektierenden Diskontinuitäten, ob sie durch einen einzelnen Wellenleiter oder mehr als einen Wellenleiter vorgesehen sind, können in gleichmäßigen Höhen vertikal beabstandet sein, und die Anzahl von Diskontinuitäten kann wesentlich größer sein als die in Fig. 2 dargestellte, insbesondere dann, wenn eine Pegelmessung über einen beachtlichen Bereich von Tiefen erforderlich ist.

Die abgeleiteten Flüssigkeitspegel-Messungen sind von digitaler Natur, d.h. diskrete Pegel. Wenn jedoch in der Praxis der Flüssigkeitspegel das Wellenleiterende oder eine andere impulsreflektierende Diskontinuität berührt, dann hat die Echosignal-Schwächung das Bestreben, progressiv aufzutreten in dem Maße wie der Flüssigkeitspegel weiter ansteigt, so daß eine volle Schwächung erst dann auftritt, wenn der Flüssigkeitspegel ein kurzes Stück oberhalb der Diskontinuität angestiegen ist. Bei einer weiterentwickelten Ausführungsform der Erfindung kann die progressive Reduzierung der Echosignalamplitude dazu verwendet werden, eine Anzeige für den Flüssigkeitspegel vorzusehen. Für einige Lamb-Wellen- Modalitäten wird die Schwächung über wenige Wellenlängen auftreten (ein Bereich von wenigen Millimetern ist möglich), und dieser Effekt kann begünstigt werden durch Auswahl eines Langwellenmodus, der eine solche Energieverteilung hat, daß weniger Energie an der Wellenleiteroberfläche und mehr in der Wellenleitermitte vorhanden ist. Auf diese Weise kann die Vorrichtung einen Ausgang liefern, der in proportionaler Beziehung zum Energieverlust in dem oder den Echosignalen und somit zum Flüssigkeitspegel steht.

Fig. 4 zeigt eine Alternativ-Ausführungsform, bei der die Behälterwand selbst zumindest teilweise als Wellenleiter wirkt. Die Wegrichtung der einfallenden Lamb-Wellen ist durch den Pfeil A angedeutet. In diesem Falle sind die impulsreflektierenden Diskontinuitäten durch Blocks 40 gebildet, die an der Innenseite des Behälters befestigt und der Flüssigkeit ausgesetzt sind. Die Blocks 40 sind in vertikalem Abstand voneinander und auch versetzt zueinander in einer Richtung quer zur Richtung der Lamb-Wellen-Fortpflanzung angeordnet, d.h. sie sind allgemein in Umfangsrichtung zum Behälter versetzt. In Fig. 4 ist der Wandler 10 mit der Behälterwand über einen Wellenleiterstreifen 42 akustisch gekoppelt dargestellt, der an die Wand hartgelötet ist, um auf diese Weise den Wandler von der heißen Wand auf Abstand zu halten. In Anwendungsfällen mit niedrigerer Temperatur kann jedoch der Wandler auch direkt akustisch mit der Außenoberfläche des Behälters gekoppelt sein. Anstelle der Blocks 40 können die Diskontinuitäten auch flache Blindlöcher sein, die in die Innenoberfläche des Behälters gebohrt sind.

Claims (8)

1. Verfahren zum Überwachen des Flüssigkeitsstandes in einem Behälter, bei dem akustische Wellenimpulse von einem Wandler entlang einem Wellenleiter übertragen werden, der sich bis unterhalb der Oberfläche des Flüssigkeitskörpers erstreckt und mindestens eine impulsreflektierende Diskontinuität aufweist, die der Flüssigkeit ausgesetzt ist, und bei dem der oder die reflektierten Impulse analysiert werden, um einen Verlust an akustischer Energie als Folge des Eintauchens dieser Diskontinuität oder Diskontinuitäten in der Flüssigkeit zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Wellenenergie in Form von Lamb-Wellen in den Wellenleiter injiziert wird, wobei der Wandler völlig außerhalb des Behälterinnern angeordnet ist und wobei der Wellenleiter durch einen abgedichteten Durchgang in einer Wand des Behälters hindurchgeht oder mindestens teilweise durch eine Wand des Behälters gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als einer dieser Wellenleiter vorhanden ist, wobei jeder Wellenleiter mindestens eine impulsreflektierende Diskontinuität aufweist und einem entsprechenden Lamb-Wellen erzeugenden Wandler zugeordnet ist, der völlig außerhalb des Behälterinneren angeordnet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein einzelner Wellenleiter vorgesehen wird, der eine Reihe von in vertikalen Abständen angeordneten Diskontinuitäten aufweist.

4. Behälter für Flüssigkeiten mit einem Gerät zum Überwachen des Flüssigkeitsstandes innerhalb des Behälters, wobei das Gerät einen Wandler zur Erzeugung akustischer Wellenimpulse aufweist, ferner einen Wellenleiter, der mit dem Wandler gekoppelt ist und sich mit Bezug auf das Behälterinnere nach unten erstreckt, um bei Gebrauch mit einem innerhalb des Behälters befindlichen Flüssigkeitskörpers in Kontakt zu stehen, wobei der Wellenleiter mindestens eine impulsreflektierende Diskontinuität aufweist, die der Flüssigkeit ausgesetzt ist, sowie eine Einrichtung zum Analysieren des oder der reflektierten Impulse, um einen Verlust an akustischer Energie als Folge des Eintauchens dieser Diskontinuität oder Diskontinuitäten in die Flüssigkeit zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelle der akustischen Kopplung zwischen dem Wandler und dem Wellenleiter völlig außerhalb des Behälterinneren angeordnet ist und daß der Wellenleiter durch einen abgedichteten Durchgang oder Durchgänge in der Wand des Behälters hindurchgeht oder mindestens teilweise durch eine Wand oder durch Wände des Behälters gebildet ist.

5. Behälter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter einen einzelnen Wellenleiteraufbau mit einer Vielzahl von impulsreflektierenden Diskontinuitäten aufweist.

6. Behälter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Wellenleiter vorgesehen sind, von denen jeder mindestens eine der Diskontinuitäten aufweist und jeder durch eine entsprechende abgedichtete Stelle in der Wand des Behälters hindurchgeht.

7. Behälter nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Wellenleiter eine abgestufte Konfiguration aufweist, um die impulsreflektierenden Diskontinuitäten vorzusehen.

8. Behälter nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Analysierungseinrichtung den Grad des Reflexsignalverlustes mit dem Ausmaß des Wellenleiter- Eintauchens unterhalb der Oberfläche der Flüssigkeit in Beziehung setzt.