DE4126063A1

DE4126063A1 - Tankueberwachungssystem

Info

Publication number: DE4126063A1
Application number: DE4126063A
Authority: DE
Inventors: Edward M Gregory; Thomas B Williams
Original assignee: Tidel Engineering Inc
Current assignee: Tidel Engineering LP
Priority date: 1990-08-06
Filing date: 1991-08-03
Publication date: 1992-02-13
Also published as: JPH05231905A; GB9116485D0; CA2048344A1; US5095748A; MX9100534A; GB2247753A; GB2247753B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung des Flüssigkeitsvolumens in Vorratstanks und ähn lichen Behältern. Insbesondere betrifft sie ein Verfahren und eine Vorrichtung, die als Meßgröße die Zeit benutzen, die ein akustisches Signal ausgehend von einem bekannten Bezugspunkt zum Zurücklegen der Entfernung zur Flüssigkeitsoberfläche in dem Tank benötigt, um die Höhe des Flüssigkeitsspiegels in dem Tank zu bestimmen und den Flüssigkeitsspiegel in ein Nettovolumen bei einer bestimmten Temperatur unter Verwendung eines vorbestimmten Umwandlungsfaktors unzuwandeln.

Viele Flüssigkeiten werden in Tanks gelagert, die unterirdisch angeordnet sind oder aus anderen Gründen nicht zugänglich sind, so daß der Flüssigkeitsspiegel nicht direkt beobachtet werden kann. Ferner verlangen Umweltschutzgesetze, daß Tanks mit be stimmten Produkten, wie etwa Benzin und ähnliches, mit Einrich tungen ausgerüstet sind, die auch kleinste Leckraten nachweisen.

Zwar können Abschätzungen des Flüssigkeitsspiegels im Tank in den meisten Fällen mit einem kalibrierten Tauchstab oder ähn lichem durchgeführt werden, diese Methode ist jedoch weder genau noch verläßlich. Außerdem bieten sie keine Handhabe, um Volumen änderungen aufgrund von Temperaturänderungen zu kompensieren.

Es wurden fortgeschrittenere Instrumente entwickelt, die die Zeit messen, die ein akustisches Signal zum Zurücklegen der Entfernung von einem Meßwandler, der in einer bekannten Position im Tank angeordnet ist, zur Oberfläche der Flüssigkeit und zu rück zu dem Meßwandler durch Reflexion an der Oberfläche benö tigt. Ähnlich wie bei dem kalibrierten Tauchstab kann aus dem gemessenen Flüssigkeitsspiegel das ungefähre Volumen von Flüs sigkeit bestimmt werden, wenn die Geometrie des Tanks bekannt ist. Die Geschwindigkeit eines akustischen Signals variiert jedoch mit der Temperatur der Flüssigkeit. Daher muß die Tempe ratur der Flüssigkeit bekannt sein, wenn man die tatsächliche Höhe des Flüssigkeitsspiegels bestimmen will. In großen Spei chertanks ist jedoch die Temperatur selten über die ganze Flüs sigkeit konstant. Darum muß für exakte akustische Entfernungs messungen in Flüssigkeiten die Temperatur der Flüssigkeit in verschiedenen Höhen vom Boden des Tanks gemessen und die Ge schwindigkeit des akustischen Signals für jede vertikale Schicht bezüglich der Temperatur korrigiert werden. Dies wiederum erfor dert eine Vielzahl von Temperaturmeßgeräten an genau bekannten Positionen. Alternativ kann eine Vielzahl von Reflektoren an festgesetzten, bekannten Positionen bezüglich des Meßwandlers angeordnet und die Zeit für die Rückkehr des Signals zu jedem Reflektor gemessen werden. Wenn der Abstand zwischen den Reflek toren und die Temperatur zwischen zwei dieser Reflektoren be kannt sind, kann eine temperatur-korrigierte mittlere Geschwin digkeit berechnet werden, um die Höhe des Flüssigkeitsspiegels zu bestimmen. Dieser Ansatz birgt jedoch auch Probleme und Be schränkungen in sich. Wenigstens ein Temperaturmeßgerät muß in die Flüssigkeit gebracht werden und die mittlere Temperatur muß aus verschiedenen Reflexionszeitmessungen bestimmt werden. Auch ist es sehr schwierig, Reflexionen von der Flüssigkeitsoberflä che von Reflexionen der verschiedenen festen Reflektoren zu unterscheiden, insbesondere wenn ein Reflektor nahe der Flüssig keitsoberfläche liegt.

Es wurden verschiedene Versuche unternommen, das Nettoflüssig keitsvolumen in einem Tank durch Messung der Geschwindigkeit von akustischen Signalen in der Flüssigkeit zu bestimmen. Ein typi scher Ansatz ist in US-Patent Nr. 48 95 453 beschrieben, worin ein kompliziertes Signalnachweisschema angewendet wird, um zwi schen Reflexionen von der Flüssigkeitsoberfläche und Reflexionen von festen Reflektoren zu unterscheiden. Eine Temperaturkorrek tur wird in einer typischen Weise unter Vervendung wenigstens eines eingetauchten Temperatursensors und Extrapolation der Temperatur von der tatsächlichen Messung an einer festen Posi tion vorgenommen.

Es ist bekannt, daß eine genaue Messung der Temperatur einer Flüssigkeit schwierig ist und daß in Flüssigkeit eintauchende Temperatursensoren teuer, fehleranfällig und meist wenig ver läßlich sind. Auch wurde in herkömmlichen Vorrichtungen über sehen, daß die mittlere Geschwindigkeit eines akustischen Si gnals von dem Meßwandler zu einer reflektierenden Oberfläche nicht notwendig gleich der wahren Geschwindigkeit an irgendeinem Punkt zwischen der aktiven Oberfläche des Meßwandlers und dem Reflektor ist und zwar aufgrund von Fehlern, die an der Ober fläche des Meßwandlers auftreten. Beispielsweise kann an der Berührungsfläche von Flüssigkeit und Meßwandler Cavitation auf treten. Die Geschwindigkeit akustischer Signale durch Dampf oder Schaum, welche sich aufgrund von Cavitation bilden, ist von der Geschwindigkeit in der Flüssigkeit verschieden. Derartige Effek te an der Oberfläche des Meßwandlers erzeugen daher Fehler in der Messung der verstrichenen Zeit.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden sehr genaue Messungen des Flüssigkeitsspiegels durchgeführt und hinsichtlich der Tem peratur korrigiert, ohne das eingetauchte Temperatursensoren verwendet werden, und die Flüssigkeitsspiegelmessungen werden ohne mögliche Störungen von festen Reflektoren durchgeführt. Zur Durchführung der Messungen verwendet die Erfindung eine Meßan ordnung mit zwei parallelen Rohren oder Kanälen, die vertikal in dem Tank angeordnet sind. Ein Meßwandler ist jeweils an dem äußersten unteren Ende jedes Rohres angebracht und das äußerste Ende der Meßanordnung ist in einer bekannten Entfernung oder nahe dem Boden des Tanks angeordnet. Eine Anzahl von Reflektoren ist in bekannten Abständen zu dem Meßwandler in einem der Rohre angeordnet. Das andere Rohr enthält keine Reflektoren.

Die Geschwindigkeit eines akustischen Signals in bekannten Flüs sigkeiten wird in einem Bereich vorgesehener Temperaturen expe rimentell bestimmt und im Speicher eines Computers abgespei chert. Die Zeit eines akustischen Signals zur Reflexion von der Flüssigkeitsoberfläche zu dem ersten Meßwandler wird gemessen, um eine grobe Abschätzung (nicht temperartur-korrigiert) der Flüssigkeitshöhe zu erhalten. Die Zeit für die Reflexion eines akustischen Signals von jedem der eingetauchten Reflektoren in dem zweiten Rohr wird dann durchgeführt und mit den in dem Com puter gespeicherten Geschwindigkeitswerten verglichen, um die mittlere Temperatur der Flüssigkeit zwischen jedem Paar der eingetauchten Reflektoren zu bestimmen. Durch Abtrennen der festen Reflektoren in einem Rohr und Verwenden von zwei getrenn ten Meßwandlern, um die Reflexionszeiten von der Flüssigkeits oberfläche und den festen Reflektoren zu bestimmen, ist es sehr einfach, zwischen Reflexionen von der Flüssigkeitsoberfläche und Reflexion von den festen Reflektoren zu unterscheiden, sogar wenn ein Reflektor nahe oder an der Flüssigkeitsoberfläche liegt. Durch Verwendung experimentell bestimmter Geschwindig keitsmessungen in Abhängigkeit von der Temperatur, die in einem Computer abgespeichert sind, entfällt die Notwendigkeit einge tauchter Temperatursensoren und es können temperaturkorrigierte Geschwindigkeitswerte für jedes Paar von eingetauchten Reflekto ren bestimmt werden. Durch Verwenden einer Anzahl von Reflek toren, von denen einer relativ nahe an dem Meßwandler angeordnet ist, können Geschwindigkeitsmeßfehler aufgrund von Cavitation oder der Anwesenheit einer zweiten Flüssigkeit (beispielsweise Wasser) leicht eliminiert und der Flüssigkeitsspiegel der zwei ten Flüssigkeit genau bestimmt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläu tert; es zeigen:

Fig. 1 eine Teilansicht einer Meßanordnung in Querschnitt, die in einem Tank mit Flüssigkeit aufgehängt ist; und

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels.

Den bevorzugten Aufbau einer Tanküberwachungsmeßanordnung und ihre Position innerhalb eines Tanks sind in Fig. 1 dargestellt. Die Meßanordnung 10 hat einen länglichen Körper, die zwei sich in Längsrichtung erstreckende, parallel Zylinder 11 und 12 auf weist, die im folgenden als Kanal 1 und Kanal 2 bezug genommen wird. Die Meßanordnung kann aus einem einheitlich gegossenen oder gespritzten Körper bestehen oder aus einem Paar von Rohren hergestellt sein. Sie ist vorzugsweise aus nicht-metallischem Material hergestellt, welches beständig gegen die im Anwendungs fall auftretenden Umgebungsbedingungen ist. Verschiedene Pla stiksorten, Fieberglas und ähnliches sind geeignete Materialien. Wesentliche Kriterien bei der Auswahl des Materials der Sonde liegen darin, daß sie gegenüber ihrer Arbeitsumgebung inert ist und daß sie nicht als akustischer Wellenleiter bei den vom Wand ler verwendeten Frequenzen wirkt. Dies Sonde muß außerdem ver hältnismäßig starr und gerade sein und einen geringen Tempera turausdehnungskoeffizienten haben.

Der erste akustische Wandler 21 und der zweite akustische Wand ler 22 sind innerhalb der äußersten Enden der Kanäle 1 und 2 jeweils befestigt und die Sonde 10 ist in einem Tank durch ge eignete Aufhängungsmittel 18 senkrecht gehalten, wobei das äu ßerste Ende der Sonde 10 in der Nähe oder in einem bekannten Abstand zum Boden 13 des Tanks liegt.

Als Aufhängungseinrichtung 18 kann jedes geeignete mechanische Mittel wie eine Kette, ein Band, ein Haken oder ähnliches die nen, welches die Sonde 10 senkrecht im Tank aufhängt und diese ist normalerweise in einer Flanschöffnung 20 in der Oberseite 19 des Tanks befestigt. Um die aufgenommenen Daten in Volumen umzu rechnen, muß die genaue Geometrie des Tanks und der Abstand vom Boden des Tanks zur aktiven Fläche der Wandler 21 und 22 bekannt sein. Da Abstandsmessungen innerhalb der Kanäle 1 und 2 vorge nommen werden, müssen Mittel wie Bohrungen 14 in den Kanälen vorgesehen sein, so daß der Flüssigkeitspegel 15 im Tank immer gleich hoch wie in den Kanälen 1 und 2 steht.

Eine Anzahl von Reflektoren R1-R5 ist im Kanal 2 in bekannten Abständen vom Wandler 22 angeordnet. Zweckmäßigerweise können die Reflektoren in gleichen volumetrischen Abständen angeordnet sein (so daß also der Abstand zwischen jedem Reflektor einen gleich großen Teil des gesamten Tankvolumens darstellt) und/ oder die Reflektoren können mit zunehmendem Abstand vom Wand ler 22 progressiv größer gemacht werden. Die Anzahl und der Ort der Reflektoren kann natürlich in gewünschter Weise verändert werden. Da das von dem Wandler gemessene akustische Signal aber eine Reflexion von einem der Reflektoren ist, sollte darauf geachtet werden, die Reflektoren nicht in einem Abstand zum Wandler anzuordnen, der ein Vielfaches des Abstandes zwischen dem Wandler und irgendeinem anderen Reflektor ist.

Die Kanäle werden verwendet, um die akustischen Signale vonein ander zu trennen und um zu verhindern, daß Echo von irgendetwas anderem als der Oberfläche der Flüssigkeit im Kanal 1 und den Reflektoren in Kanal 2 zurückkommt. Durch Isolieren der akusti schen Signale voneinander und vom Rest des Tanks wird eine Si gnalinterferenz von äußeren Reflexionen vermieden. Eine Signal verschlechterung durch Streuung im Tank wird ebenfalls vermieden und der Wandler ist von äußerem Rauschen wirksam isoliert. Auf diese Weise ist das Signal/Rausch-Verhältnis für reflektierte Signale stark verbessert.

In der bevorzugten Ausführungsform ist die Sonde 10 ein einstüc kiger Formkörper aus Kunststoff oder Glasfaser mit parallelen zylindrischen Kanälen, die etwa 2,5 cm Durchmesser haben. Die Wandler 21 und 22 sind an den äußersten Enden der Kanäle 1 und 2 befestigt und so angeordnet, daß sie ein akustisches Signal in Richtung auf die zu messende Flüssigkeitsoberfläche senden und ein reflektiertes Echo empfangen. Verschiedene herkömmliche akustische Einrichtungen sind hierfür geeignet. Ein typischer Wandler zur Verwendung in Benzintanks arbeitet mit einer Fre quenz von 500 Kilohertz. Die ausgewählte Frequenz hängt übli cherweise von dem zu messenden Fluid ab, da die Fluideigenschaf ten die wirksame Ausbreitung der Schallwellen bei verschiedenen Frequenzen beeinflussen können.

Es wird darauf hingewiesen, daß lediglich die Sonde 10, die die Wandler 21 und 22 enthält und die Reflektoren R1-R5 in dem Tank angeordnet sind. Die Sonde enthält keine Temperatursensoren und keine beweglichen Teile oder elektronischen Einrichtungen mit Ausnahme der Wandler 21 und 22 und der elektrischen Kabel zum Anschließen der Wandler an das Betriebssystem.

Das Betriebssystem weist einen Signalprozessor, einen Computer und eine Anzeige auf. Es ist in einer Konsole an einem geeigne ten Ort angeordnet, der im Abstand zum Tank liegen kann. Es ist mit der Sonde durch geeignete elektrische Kabel verbunden. Es ist klar, daß die Betriebssystemkonsole auch mit einer Anzahl von Sonden verbunden sein kann, die in verschiedenen Tanks o. ä. angeordnet sind, und/oder mit anderen Zustandsüberwachungssyste men, Alarmen usw.

Damit das erfindungsgemäße System das Flüssigkeitsvolumen in einem Tank genau feststellt, muß die Tankgeometrie und die Glei chung für die Umwandlung des Flüssigkeitsstandes auf das gespei cherte Gesamtvolumen im Computer bekannt sein. Da ferner die Geschwindigkeit eines akustischen Signals in Flüssigkeiten Ände rungen in Abhängigkeit von der Temperatur der Flüssigkeit er fährt, müssen auch die Temperatur/Geschwindigkeitskennlinien der Flüssigkeit bekannt sein.

Die vorliegende Erfindung schafft eine genaue Volumenmessung ohne direkte Temperatur- (oder Dichte)-Bestimmung der Flüssig keit. Statt dessen werden die Geschwindigkeitsmessungen in Ab hängigkeit von der Temperatur unter genau gesteuerten Laborato riumsbedingungen über einen Temperaturbereich für jede Flüssig keit in Verbindung mit dem zu verwendenden Aufzeichnungssystem vorgenommen und die im Labor bestimmten Geschwindigkeitstemepra turkoeffizienten für jede derartige Flüssigkeit werden im Compu terspeicher gespeichert. Der Computer wird so programmiert, daß er diese Werte zur Berechnung der Flüssigkeitstemperatur zwi schen dem Wandler und jedem Reflektor oder zwischen zwei Reflek toren bei der Feststellung der gemessenen Zeit berechnet, die ein akustisches Signal über eine bestimmte Distanz in der Flüs sigkeit wandert. Das Aufzeichnungssystem mißt daher lediglich die Laufzeiten des akustischen Signals zwischen Bezugspunkten, die einen bekannten Abstand haben. Der die gespeicherten Daten verwendende Computer wandelt die Zeitdaten in Bruttovolumen um. Nachdem das Bruttoflüssigkeitsvolumen ermittelt wurde, kann dieser Wert in Nettovolumen umgerechnet werden, (also das Flüs sigkeitsvolumen bei 60°F, d. i. 15,5°C), indem man den vom Ameri can Petroleum Institute (API) herausgegebenen Algorithmus TAB 6B verwendet. Die TAB 6B Subroutine (oder jeder andere geeignete Umwandlungsfaktor) wird ebenfalls im Computer gespeichert, um das Bruttovolumen wenn nötig in Nettovolumen umzuwandeln.

Der Betrieb des Systems erfordert lediglich die Verwendung der Sonde, um die Zeit zu ermitteln, in der ein akustisches Signal durch eine bekannte Strecke in der Flüssigkeit läuft. Der Wand ler 21 wird aktiviert, um Signalimpulse auszusenden und die Zeit zu messen, die verstreicht, während das Signal zur Oberfläche 15 der Flüssigkeit wandert und wieder zurück zum Wandler läuft. Diese Messung wird durch bekannte elektronische Mittel unter Verwendung eines Zeitgebers durchgeführt, der gestartet wird, wenn das Signal gesendet wird und der angehalten wird, wenn das Echo aufgenommen wird. Die Laufzeit wird also durch Taktimpuls zählungen während des Zeitintervalls gemessen. Bei dem bevorzug ten Betriebsverfahren werden eine Vielzahl solcher Messungen in schneller Folge durchgeführt und es wird ein Mittelwert berech net, um die statistische Genauigkeit zu verbessern. Da die Tem peratur der Flüssigkeit unbekannt ist, kann diese Messung le diglich die Signallaufzeit, nicht aber den Abstand bestimmen.

Nachdem die Signallaufzeit zur Oberfläche der Flüssigkeit 15 im Kanal 1 ermittelt wurde, wird der Wandler 22 gepulst, um die Signallaufzeit vom Wandler 22 zu jedem der Reflektoren im Ka nal 2 zu ermitteln, die eingetaucht sind. Es wird darauf hinge wiesen, daß eine Reflexion auch von der Flüssigkeitsoberflä che 15 im Kanal 2 erfolgt. Wenn der Flüssigkeitsspiegel der Flüssigkeit 15 in der Nähe eines Reflektors liegt, dann ist es schwierig zu bestimmen, ob die letzte Reflexion von einem festen Reflektor oder von der Flüssigkeitsoberfläche erfolgt ist. Wenn also die verstrichene Zeit nahe an der im Kanal 1 gemessenen Zeit liegt, dann wird das letzte reflektierte Signal unberück sichtigt gelassen und es wird der nächsttiefere Reflektor als der oberste, eingetauchte Reflektor angesehen. Da der Abstand vom Wandler 22 zu jedem der Reflektoren bekannt ist, kann die Temperatur der Flüssigkeit zwischen zwei eingetauchten Reflekto ren von dem Computer unter Verwendung der gemessenen Zeit und der Geschwindigkeit gegenüber der im Computer gespeicherten Temperaturdaten berechnet werden. Wenn mehr als ein Reflektor eintaucht, ist es zweckmäßig, die vom Wandler zum ersten Reflek tor R1 zurückgelegte Zeit unberücksichtigt zu lassen, da dieser Wert durch Schnittstelleneffekte wie Cavitation an der Wandler oberfläche und/oder der Anwesenheit einer zweiten Flüssigkeit wie Wasser verzerrt werden kann, das in hinreichender Menge vorhanden ist, um den Wandler zu überdecken, was somit zu einer Flüssigkeit/Flüssigkeit-Schnittstelle zwischen dem Wandler und dem Reflektor R1 führt. Da die tatsächliche Geschwindigkeit des akustischen Signals zwischen dem Wandler 22 und jedem der Re flektoren aus den gemessenen Zeiten berechnet werden kann und da die Abstände bekannt sind, kann die mittlere Flüssig keitstemperatur zwischen jedem der Reflektoren bestimmt werden und diese Temperaturen können verwendet werden, um eine mittlere Flüssigkeitstemperatur auf der Höhe des obersten eintauchenden Reflektors zu berechnen. Diese mittlere Temperatur stellt eine enge Annäherung an die mittlere Temperatur jeder Flüssigkeits säule im Kanal 1 sowie im Kanal 2 dar. Es kann also ein Tempera turkorrekturfaktor für jede Flüssigkeitssäule ermittelt werden. Durch Anlegen des Temperaturkorrekturfaktors, wie er durch die Messungen im Kanal 2 ermittelt wird, kann die im Kanal 1 gemes sene Laufzeit verwendet werden, um genau den Flüssigkeitspiegel im Kanal 1 zu bestimmen.

Da das System die Zeit mißt, in der ein Signal von dem Wandler zur Oberfläche und zurück zum Wandler läuft, läßt sich der tat sächliche Flüssigkeitsspiegel wie folgt berechnen:

wobei
d = Abstand vom Wandler zur Flüssigkeitsoberfläche
v = Signalgeschwindigkeit in der Flüssigkeit
c = Taktzyklen
f = Taktfrequenz.

Sobald der Flüssigkeitsspiegel bestimmt ist, läßt sich das Brut tovolumen der Flüssigkeit durch Bezugnahme auf die Tanktabelle oder durch Anwenden eines bekannten Tankgeometriefaktors bestim men. Das Nettovolumen kann dann durch Anwendung der TAB 6B Sub routine oder durch irgendeinen anderen geeigneten Umwandlungs faktor ermittelt werden.

Es kann vorkommen, daß zwei sich nicht vermischende Flüssigkei ten in dem gleichen Tank enthalten sind. In diesem Fall schwimmt die weniger dichte Flüssigkeit auf der dichteren Flüssigkeit und bildet eine Flüssigkeit/Flüssigkeit-Grenzschicht. Die Geschwin digkeit eines akustischen Signals ist in den meisten Fällen dann in den beiden Flüssigkeiten unterschiedlich.

Eine derartige Situation mit zwei Flüssigkeiten tritt häufig in Tanks für Erdölprodukte wie Benzin durch Kondensation von Wasser oder Einleitung von anderen Verunreinigungen ein. Die Ermittlung des Volumens einer derartigen zweiten Flüssigkeit ist somit für die genaue Berechnung des Nettovolumens und für eine genaue Leckerkennung kritisch.

Wie bereits erwähnt hängt die Sonde 10 im Tank in einer Weise, daß die Wandler 21, 22 in der Nähe des Tankbodens liegen. Da das akustische Signal von der Oberseite der Wandler nach oben ge richtet wird, wird ein Flüssigkeitsniveau unter der Oberseite der Wandler nicht erkannt. Wenn die Wandler so nahe wie möglich zum Tankboden angeordnet sind, dann kann der Flüssigkeitsanteil, der unter der Oberseite der Wandler liegt, normalerweise ver nächlässigt werden. Wenn der Spiegel der zweiten Flüssigkeit jedoch über den aktiven Oberflächen der Wandler liegt, dann kann ihr Volumen auf verschiedene Weise ermittelt werden. Wenn bei spielsweise das Volumen der unteren Flüssigkeit groß genug ist, so kann es, wie zuvor erwähnt, in der Weise ermittelt werden, daß man die Flüssigkeit/Flüssigkeit-Grenzschicht als die Ober fläche der Flüssigkeit ansieht.

Im Normalgebrauch bei der Anzeige von Brennstofftanks bemerkt man eine allmähliche Ansammlung von Wasser, sofern dies über haupt vorkommt, noch bevor davon ein großes Volumen vorhanden ist. Da eine Wasseransammlung erwartet wird, wird im Computer speicher auch die Temperatur/Geschwindigkeitsinformation für Wasser abgespeichert.

Wenn der Wasserspiegel über dem ersten festen Reflektor liegt, dann kann er ohne weiteres durch Reflexion von der Wasser/Brenn stoff-Grenzfläche als Flüssigkeitsoberfläche ermittelt werden. Wenn der Wasserspiegel jedoch tiefer als der erste Reflektor liegt, dann verwendet man zweckmäßigerweise andere Verfahren zur Ermittlung des Wasserspiegels.

Bei einem Brennstofftank wird angenommen, daß jede Reflexion von einem Spiegel unter dem ersten Reflektor eine Reflexion an der Grenzschicht Wasser/Brennstoff ist. Der Wasserspiegel wird leicht durch Multiplikation der gemessenen Zeit mit der Schall geschwindigkeit im Wasser berechnet. Die Schallgeschwindigkeit im Wasser ist

Vw = A+(B) (T)

worin
A = 138979,5 cm/sek
B = 137,82 cm/sek°F
T = Temperatur in °F

bedeuten.

Bei Verwendung dieses Verfahrens kann die letzte gemessene oder berechnete mittlere Flüssigkeitstemperatur im Tank als gegen wärtige Wassertemperatur genommen werden, wenn die gegenwärtige Wassertemperatur nicht direkt bestimmt werden kann.

Andererseits kann ein Zählungsvariationsverfahren verwendet werden, um den Spiegel der zweiten Flüssigkeit zu ermitteln, wenn sich die Schallgeschwindigkeit in den zwei Flüssigkeiten unterscheidet. Dieses Verfahren erfordert, daß zumindest zwei Reflektoren in das gesamte Flüssigkeitsvolumen eintauchen und daß der Spiegel der tieferen Flüssigkeit unter dem tiefsten Reflektor liegt. Die Abstände vom Wandler zu jedem der einge tauchten Reflektoren sind natürlich auch bekannt. Nimmt man an, daß die untere Flüssigkeit Wasser und die obere Flüssigkeit Benzin ist, dann lassen sich die Zählungen je 2,5 cm im Benzin ausdrücken als:

darin ist
CR1 = Zählwert für Reflexion vom tiefsten Reflektor
CR2 = Zählwert für Reflexion vom zweittiefsten Reflektor
DR1 = Abstand vom Wandler zun tiefsten Reflektor
DR2 = Abstand vom Wandler zum zweittiefsten Reflektor.

Die Zählungen je 2,5 cm im Bereich zwischen dem Wandler und dem tiefsten Reflektor lassen sich ausdrücken als

Unter Verwendung der bekannten Werte für die Schallgeschwindig keit im Wasser und der Wassertemperatur und unter Berücksichti gung, daß die Reflexionzählungen die zweifache Laufzeit des akustischen Signals darstellen, kann die Anzahl von Zählungen, die der doppelten Laufzeit des akustischen Signals durch 2,5 cm Wasser bei der gegenwärtigen Temperatur zuzurechnen sind, be rechnet und als Cw ausgedrückt werden. Der Pegel der Wasser/ Brennstoff-Grenzschicht kann dann als

ausgedrückt werden.

Man erkennt ohne weiteres, daß das oben beschriebene Zählungs variationsverfahren nicht von einer Erkennung einer Reflexion von einer Flüssigkeits/Flüssigkeits-Grenzschicht abhängt. Es kann daher verwendet werden, wenn der Flüssigkeitspiegel der zweiten Flüssigkeit sehr nahe der Oberfläche des Wandlers liegt. Die Schallgeschwindigkeit in jeder Flüssigkeit muß allerdings bei der gegebenen Temperatur unterschiedlich sein.

Man erkennt aus dem Vorstehenden, daß das erfindungsgemäße Ver fahren und die Vorrichtung verwendet werden können, um das Flüs sigkeitsvolumen in einem Behälter genau zu bestimmen und ein Nettovolumen zu ermitteln, das hinsichtlich der Temperatur kom pensiert ist, ohne daß tatsächlich die Flüssigkeitstemperatur im Behälter gemessen werden muß. Ferner kann auch das tatsächliche Volumen für jede der beiden unmischbaren Flüssigkeiten bestimmt werden. Die Vorrichtung kann somit verwendet werden, um sehr kleine Lecks zu ermitteln, indem die Veränderungen des Nettovo lumens mit der Zeit ermittelt werden.

Da das akustische Signal vom Wandler, das für die Lokalisierung des Flüssigkeitsspiegels herangezogen wird, in einem Kanal läuft, der keine Reflektoren aufweist, kann ein von der Flüssig keitsoberfläche reflektiertes Signal leicht erhalten werden. Das Einschließen des Signals in einem Vertikalkanal schaltet äußere Reflexionen und zufälliges Rauschen praktisch aus. Dadurch, daß das Signal vom zweiten Wandler 22 ebenfalls in einem isolierten Kanal eingeschlossen ist, können Reflexionen von jedem Reflektor leicht identifiziert werden. Da ferner der Abstand zu jedem Reflektor ebenso wie die ungefähre Signalgeschwindigkeit in der Flüssigkeit bekannt ist, kann die Signalerkennungsschaltung so ausgelegt werden, daß sie zu bestimmten Zeiten aktiviert wird, die den abgeschätzten Zeiten entsprechen, welche vergehen, bis ein Signal von jedem Reflektor zurückkommt, wodurch die Signal erkennungsselektivität weiter verbessert wird. Durch ein geeig netes automatisches Wiedereinsetzen der Impulssequenz kann eine statistische Mittelwertbildung erfolgen, die extrem genaue Ab standsmessungen ergibt.

Das erfindungsgemäße System kann programmiert werden, um eine große Anzahl von Aufgaben basierend auf volumetrischen Bestim mungen durchzuführen. So können beispielsweise Leckuntersuchun gen durchgeführt werden, indem genaue Nettovolumenmessungen zu verschiedenen Zeiten über eine Periode vorgenommen werden, in der Flüssigkeit weder zu dem Tank zugeführt noch von ihm abge führt wird. Auch kann das Volumenanzeigesystem für eine automa tische Inventarsteuerung, automatisches Bestellen usw. durch ge eignete Programmierung des Computers verwendet werden.

Claims

1. Vorrichtung zur Ermittlung des Abstandes von einem Flüssig keitsspiegel (15) zu einem bekannten Bezugspegel unter der Flüssigkeitsoberfläche, gekennzeichnet durch:

a) einen länglichen Körper, der einen ersten und zweiten länglichen und zueinander parallelen Kanal (1, 2) auf weist, von denen jeder ein oberes und ein unteres Ende besitzt;
b) einen akustischen Wandler (21, 22), der akustische Signale aussenden und reflektierte akustische Signale empfangen kann und der am unteren Ende jedes Kanals (1, 2) angebracht ist; und
c) eine Anzahl von Reflektoren (R1-R5) die in Abständen in dem zweiten Kanal (2) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der längliche Körper aus Glasfaser hergestellt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Kanäle (1, 2) die Form von Zylindern (11, 12) haben.

4. Vorrichtung, nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mit tel (14) zur Aufrechterhaltung des Flüssigkeitspegels in den parallelen Kanälen (1, 2) auf dem Niveau des Flüssigkeits spiegels (15) außerhalb der parallelen Kanäle (1, 2), wenn der längliche Körper vertikal angeordnet ist und teilweise in eine Flüssigkeit taucht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der längliche Körper in dem Flüssigkeitsbehälter im wesentlichen senkrecht aufgehängt ist und daß die akustischen Wand ler (21, 22) auf einem bekannten Bezugspegel in dem Behälter angeordnet sind.

6. Verfahren zum Ermitteln des Abstandes zwischen dem Flüssig keitsspiegel und einem bekannten Bezugspegel unter der Ober fläche der Flüssigkeit, mit den Schritten:

a) eine Sonde (10) wird im wesentlichen senkrecht in der Flüssigkeit aufgehängt und taucht in diese zumindest teilweise ein, sie besitzt einen länglichen Körper, der erste (1) und zweite (2) längliche parallele Kanäle aufweist, von denen jeder ein oberes und ein unteres Ende hat, ein akustischer Wandler (21, 22) ist am unte ren Ende jedes Kanals (1, 2) angeordnet und kann aku stische Signale aussenden und empfangen; und eine An zahl von Reflektoren (R1-R5) ist in Abständen in dem zweiten Kanal (2) derart angeordnet, daß die Oberseiten der Wandler (21, 22) auf einem bekannten Bezugspegel liegen und mindestens einer der Reflektoren (R1-R5) unter der Oberfläche der Flüssigkeit liegt;
b) Messen der Zeit, die ein akustisches Signal von dem Wandler (21) in dem ersten Kanal (1) zu dem Flüssig keitsspiegel (15) läuft;
c) Messen der Zeit, die ein akustisches Signal von dem Wandler (22) in dem zweiten Kanal (2) bis zumindest einem der eingetauchten Reflektoren (R1-R5) läuft, um die mittlere Geschwindigkeit des akustischen Signals in der Flüssigkeit zu ermitteln; und
d) Heranziehen der ermittelten mittleren Geschwindigkeit in dem zweiten Kanal (2) und der Laufzeit für ein aku stisches Signal vom Wandler (21) in dem ersten Ka nal (1) zu dem Flüssigkeitsspiegel (15), um den Abstand des Wandlers (21) von dem Flüssigkeitsspiegel (15) festzustellen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß min destens zwei Reflektoren (R1-R5) in die Flüssigkeit einge taucht werden und die mittlere Geschwindigkeit des akusti schen Signals in der Flüssigkeit ermittelt wird, indem man die Zeit heranzieht, die das akustische Signal zwischen den zwei eingetauchten Reflektoren läuft.