DE8412269U1

DE8412269U1 - Interferenzfreie ultraschall-fuellstandsmesssonde

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Publication number: DE8412269U1
Application number: DE19848412269
Authority: DE
Original assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Current assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Priority date: 1984-04-18
Filing date: 1984-04-18
Publication date: 1984-07-26

Description

Bh G 6 7 I 1 OE

INTERATOM 24.735.7

Internationale Atomreaktorbau GmbH D-5O6O Bergisch Gladbach 1

Interferenzfreie Ultraschall-FüllStandsmeßsonde

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschall-Füllstandsmeßsonde nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Für verschiedene Anwendungsfälle ist es bekannt, den Füllstand einer Flüssigkeit in einem Behälter aus der Laufzeit eines Ultraschallsignals von einem Ultraschallwandler bis zur Oberfläche und zurück zu bestimmen. Die Prinzipien dieser Messung sind beispielsweise in der DE-PS 32 07 305 beschrieben. Die für diese Messung verwendete.« Meßanordnungen und elektronischen Auswerteschaltungen sind sehr zahlreich. In einem Prospekt der INTERATOM, Internationale Atomreaktorbau GmbH, Bergisch Gladbach, vom November 1983, "Ultraschall-Füllstandsmeßeinrichtungen¹¹, wird beispielsweise eine Meßsonde beschrieben, welche von oben in einen Flüssigkeitsbehälter eingeführt werden kann. Bei dieser Sonde hängt ein Ultraschallwandler an einem Gestänge, wobei die elektrischen Zuleitungen durch das Gestänge geführt sind. Eine solche Sonde eignet sich zur Anbringungen mit Hilfe eines Flansches im Deckel eines Flüssigkeitsbehälters. Eine solche Sonde kann zusätzlich, wie ebenfalls in dem Prospekt beschrieben, mit einem Referenzelement versehen sein, mit dessen Hilfe sich eine Kalibrierung auch bei Änderungen der Schallgeschwindigkeit durch Temperatur- oder andere Einflüsse bewerkstelligen läßt.

Die bekannten Ultraschall-Füllstandsmeßeinrichtungen

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weisen für bestimmte Anwendungsfälle einen Nachteil ^

auf. Insbesondere bei langen schmalen Behältern oder bei der Verwendung eines glatten Schutzrohres für die Meßsonde tritt ein unerwünschter Nebeneffekt auf. Das vom Ultraschallwandler ausgestrahlte Ultraschallsignal kann wegen der nicht unendlich hohen Richtwir- Ϊ

kung des Ultraschallv/andlers sich in verschiedenen ξ

ff Richtungen ausbreiten. Deshalb gibt es einerseits -

ein direkt von der Oberfläche reflektiertes Signal und andererseits zusätzlich von den Behälter- bzw.

Hüllrohrwänden reflektierte Signale, welche später ί

als das Meßsignal zum Ultraschallwandler zurückkom- |

men. In erster Näherung kann dieser Effekt zwar durch £

Auswertung nur des ersten zurückkehrenden Signals |

eliminiert werden, jedoch treten Interferenzerschei- |

nungen auf, wenn die später zurückkehrenden Signale ^}

um das Vielfache einer halben Wellenlänge zu dem ü»

Hauptsignal verschoben sind. Dies führt zu einer An- k

derung der Meßgenauigkeit in Abhängigkeit von der I

I Füllstandshöhe, welche unerwünscht ist. ;■

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Ultraschall- | Füllstandsmeßsonde, welche bei der Messung keine Interferenzerscheinungen in Abhängikeit vom Füllstand hervorruft..

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Ultraschall-Füllstandsmeßsonde nach dem ersten Anspruch vorgeschlagen.

Erfindungsgemäß wird dazu der gedachte kürzeste Laufweg des Ultraschallsignals zur Flüssigkeitsoberfläche von einem Reflexionen verhindernden Hüllrohr umgeben, wodurch nur noch das direkte Meßsignal vom Ultraschallwandler zur Oberfläche und zurück gelangen kann. Alle Nebensignale, welche in anderer Richtung verlaufen, werden durch das Hüllrohr weitgehend unterdrückt. Bohrungen im Hüllrohr bewirken einen Druckausgleich und bewirken

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* gleichen Füllstand innerhalb und außerhalb des Hüllrohres,

* In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird im An-

% 5 spruch 2 vorgeschlagen, daß das Reflexionen verhindern-

de Hüllrohr ein metallischer Wellschlauch ist. Wie anhand der Zeichnung noch näher erläutert wird, reflektiert zwar ein Wellschlauch im Prinzip auftreffende Ultraschallsignale, jedoch je nach dem Ort des Auftreffens, in unterschiedliche Richtungen. Dies führt dazu, daß Ultraschallsignale zumindest nur unter ganz erheblicher Schwächung an den Wänden des Wellschlauches reflektiert werden können. Bei mehrfachen Reflexionen wird das Nebensignal praktisch ausgelöscht. 15

Da ein metallischer Wellschlauch mit relativ dünnen Wänden im allgemeinen zusätzlich gehaltert werden muß, wird im Anspruch 3 vorgeschlagen, daß der metallische Wellschlauch durch das den Ultraschallwandler tragende Gestänge gehaltert und geführt sein soll. Auf diese einfache Weise ist es möglich, daß der Wellschlauch exakt gerade verläuft und das eigentliche Meßsignal nicht stört.

Im Anspruch 4 wird alternativ vorgeschlagen, daß das Reflexionen verhindernde Hüllrohr ein Ultraschall absorbierendes Rohr sein soll, beispielsweise ein Sintermetallrohr. Bei geeigneter Materialwahl wird an einem Sintermetallrohr nur ein ganz kleiner Anteil der auftreffenden Ultraschallenergie reflektiert, während der Rest in das Sintermetallrohr eindringt und dort absorbiert wird. Ein solches vergleichsweise stabiles Hüllrohr, welches auch aus einer geeigneten Keramik bestehen könnte, eignet sich unter Umständen sogar als Ersatz des Gestänges, so daß der

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Ultraschallwandler von diesem Rohr selbst getragen werden kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 5 vorgeschlagen, auch die erfindungsgemäßen Ultraschall^Füllstandssonden mit einem an sich bekannten Referenzelement s.'u versehen, welches in einer Aussparung des Hüllrohres angeordnet sein soll. Referenzelemente können entweder aus einem Reflektor oder aus einem Ultraschallsensor bestehen, und dienen zur Kalibrierung der Meßvorrichtung. Das Referenzelement befindet sich in einem bekannten Abstand vom Ultraschallsender, so daß aus der Laufzeit des Signals bis zum Referenzelement auf die für die übrige Messung relevante Schallgeschwindigkeit geschlossen werden kann. Die Anbringung des Referenzelementes in einer Aussparung des Hüllrohres ist eine einfache und sinnvolle zusätzliche Ausgestaltung.

Weitere spezielle Ausführungen der Erfindung werden in den Ansprüchen 6 und 7 beschrieben, welche anhand der Zeichnung noch näher erläutert werden. 25

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und prinzipielle Darstellungen zum Verlauf der Ultraschallsignale sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen Fig. 1 eine -arfindungsgemäße Ultraschall-Füllstandsmeßsonde mit einem Wellschlauch,

Fig. 2 den prinzipiellen Verlauf des Meßsignals und der Nebensignale bei der Füllstandsmessung in einem schmalen Behälter oder mit einem Schutzrohr,

Fig. 3 den Vorgang bei der Reflexion von Ultraschallsignalen an einer glatten Wand und

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Fig. 4 den. Vorgang bei der Reflexion von ültraschallsignalen an einer gewellten Wand.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Ultraschall-Füllstandsmeßs-nde, insbesondere für den Einsatz in heißen Flüssigkeiten. Ein Ultraschallwandler 1 hängt an einem Gestänge aus drei Haltestangen 2 an einem Flansch 3, welcher in dem Deckel eines Flüssigkeitsbehälters anbringbar ist. Im unteren Bereich der Sonde ist an einer der Haltestangen 2 ein Referenzelement 4 befestigt, welches durch eine Aussparung 5 in das Innere eines den gesamten Laufweg des Ultraschallsignales umgebenden Wellschiauches 6 ragt. Der Wellschlauch besteht vorzugsweise aus Edelstahl, wobei je nach der Art der umgebenden Flüssigkeit ein geeignetes Material für alle Bauteile der Sonde gewählt werden kann. Als Ultraschallwandler für besonders lange Meßwege eignen sich wegen ihrer höheren

2Q Leistung vorzugsweise magnetostriktive Wandler.

In den Fig. 2-4 wird die prinzipielle Wirkung der Erfindung erläutert. In Fig. 2 ist eine Ultraschall-Füllstandsmessung nach dem Stand der Technik dargestellt. Ein Ultraschallsignal wird von einem Ultraschallwandler 21 ausgesandt und erreicht auf dem kürzesten Weg 24 die Oberfläche 23 und wird dort zum Ultraschallwandler 21 zurückreflektiert. Die Laufzeit, die das Signal auf diesem Weg benötigt, ist

3C der Füllstandshöhe proportional. Entsprechend der Richtcharakteristik des Ultraschallwandlers 21 werden jedoch zusätzlich auch Signale in andere Richtungen abgestrahlt, welche beispielsweise auf dem Weg 25 ebenfalls die Oberfläche 23 erreichen und von dieser zurück zum Ultraschallwandler 21 qolei-

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tet werden. Je näher sich dabei eine Behälterwand 22 bzw. ein Schutzrohr an dem Weg 24 des Hauptsignals befindet, desto stärkere Interferenzerscheinungen können auftreten. Dabei verstärken oder schwächen die Nebensignale je nach ihrer zeitlichen Verzögerung und der benutzten Wellenlänge das Hauptsignal und ändern damit die Genauigkeit der Messung. Fig. 3 zeigt im Detail den Vorgang bei der Totalreflexion eines Ultraschallsignals an einer glatten Wand 22. Demgegenüber zeigt Fig. 4 die Wirkung bei der erfindungsgemäßen Verwendung eines Wellschlauches. Auf eine gewellte Oberfläche treffende Ultraschallsignale werden je nach dem genauen Auftreffpunkt in verschiedene Richtungen reflektiert. Ein einheitlicher Weg für das Nebensignal kann nicht mehr entstehen. Durch die erhebliche Schwächung des Nebensignals wird die Interferenzerscheinung entsprechend verringert bzw. ganz verhindert.

Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders für Fälle, bei denen es auf eine große Sicherheit und Genauigkeit der Füllstandsmessung ankommt.

Claims

• · ■ m · · 84 G 6 7 1 1 DE INTERATOM "7- 24,735.7 Internationale AtomreaJctorbau GmbH D-5060 Bargisch. Gladbach 1 Interferenzfreie Ultraschall-Füllstandsmeßsonde Schutzansprüche

1. Ultraschall-Füllstandsmeßsonde zur Messung des Flüssigkeitsstandes in einem Behälter nach dem Laufzeitprinzip, wobei ein Ultraschallwandler (1) an einem Gestänge (2) oder dergleichen in die Flüssigkeit einbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler (1) an dem einen Ende eines Reflexionen verhindernden Hüllrohres (6) angeordnet ist, wobei dieses Hüllrohr (6) den gedachten kürzesten Laufweg (24) des Ultraschallsignals zur Flüssigkeitsoberfläche und zurück zumindest teilweise umgibt. 20

% 2. Ultraschall-Füllstandsmeßsonde nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet; daß das Reflexionen verhindernde Hüllrohr ein metalli-

, scher Wellschlauch (6) ist.

t^: 25

^ri 3.

Ultraschall-Füllstandsmeßsonde nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Wellschlauch (6) durch das den Ultraschallwandler (1) tragende Gestänge (2) gehalten und geführt ist«

4, Ultraschall-Füllstandsmeßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reflexionen verhindernde Hüllrohr ein Ultraschall absorbierendes Rohr ist, beispielsweise ein Sintermetallrohr,

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5. Ultraschall-Füllstandsmeßsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem an sich bekannten Κει er en ζ element (4) ,
dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzelement (4) in einer Aussparung (5) des Reflexionen verhindernden Hüllrohres (6) angeordnet ist.

6. Ultraschall-Füllstandsmeßsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß an einem Flansch (3) ein Gestänge aus mindestens drei Haltestangen (2) befestigt ist, welches an seinem unteren Ende einen Ultraschallwandler (1) trägt, wobei ein metallischer Wellschlauch (6) zwischen den Haltestangen (2) angeordnet ist, der zumindest in einem Teilbereich zwischen Ultrapchallwandler (1) und Flansch (3) verläuft.

7. Ultraschall-Füllstandsmeßsonde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Bereich der Sonde an einer Haltestange (2) ein Referenzelement (4), vorzugsweise ein Ultraschallsensor, angebracht ist, wobei das Referenzelement ^4) durch eine Aussparung (5) in das Innere des Wellschlauches (6) ragt.