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Ultraschall-Höhenstandsmesser
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Anzeige des Standes einer Flüssigkeit in einem Tank oder ähnlichen Behälter
mit-Hilfe von Ultraschallwellenzügen. Es ist vorgeschlagen worden, ein Ultraschallechoverfahren
ähnlich der Echolotung zur Messung des Standes einer einem Behälter anzuwenden.
Dieses Verfahren benutzt jedoch einen am Boden des Behälters angeordneten elektro-akustischen
Wandler, der einen Strahl von Ultraschallschwingungen in Richtung auf die Oberfläche
ausstrahlt, oder aber einen schwimmenden Wandler. Bei einer solchen Anoranung ergeben
sich viele Schwierigkeiten, und zwar in. bezug auf die Installation, die Wartung,
auf Fehlsigaale in Folge von Blasen, Verunreinigungen, Rühr- oder Mischwerkzeugen
sowie auf Fehlanzeigen infolge einer bewegten oder schaumigen Oberfläche.
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Es sind auch Vorrichtungen zur Anzeige des Flüssigkeitsspiegels mit
Hilfe von Ultraschallwellen bekannt, bei denen eine Anzahl von reflektierenden Flächen
in vorbestimmten Abständen in
der Bahn der Wellen angeordnet sind,
um Echos hervorzurufen und auf diese Weise eine Abstandsskala zu erzeugen.
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Gemäß der Erfindung ist ein akustisch leitender Körper vor;gesehen,
der sich in die Flüssigkeit hinein erstreckt un.d die reflektierenden Flächen trägt,
wobei am oberen Ende des Körpers Oberflächenwellen hervorgerufen werden, die an
der Oberfläche des Körpers entlang laufen, bis sie von dem Flüssigkeitsspiegel gedämpft
werden, und wobei die von den über dem Flüssigkeitsspiegel liegenden Flächen reflektierten
Wellen aufgenommen werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile des Erfindungsgegenstandes gehen aus
der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels hervor. In der Zeichnung ist
Fig. 1 eine weitgehend schematische Ansicht einer Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes,
Fig. 2 ein Blockschaltbild, welches die Ein.rich tung zur Erzeugung der Wellenzüge
in einem Meßstreifen zeigt; Fig. 3 a> 3 b und 3@ sind schematische Da.rstelllungen
des Schirmes eines Oszillographen, welche verschiedene Anzeigen des Flüssigkeitsstandes
zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert wiedergeben, und Fig. 4 ist eine
Draufsicht, die die Halterung des Streifens auf dem Behälter zeigt.
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In Fig. I ist ein Flüssigkeitsbehälter 10 zarge; stellt, in dem eine
stetige Anzeige des Flüssigkeitsstandes erhalten werden soll. Bei dem Verfahren
wird ein Streifen 11 verwendet, der in. einer weiter unten beschriebenen Weise am
Oberteil des Behälters angebracht ist und sich nach unten bis zu einem Punkt erstreckt,
der unter dem niedrigsten zu messenden; Flüssigkeitspegel liegt. Der Streifen 11
besteht aus einem Material, das ein guter Leiter für IJltra1schallschwingungen und
gleichzeitig korrosionsfest gegenüber der umgebenden Flüssigkeit in dem Behälter
gegenüber der Atmosphäre ist. Auf der einen Seite des Streifens 11 ist in der Nähe
seines oberen Endes ein elektro-akustischer Wandler 12 angebracht, der so erregt
wird, daß r Oberflächenwellen züge erzeugt. Die charakteristische Eigenschaft solcher
Wellenzüge besteht darin, daß sie die Oberfläche des Streifens, an dem der Wandler
angebracht ist, erregen, und zwar auf eine Tiefe, die von der Oberfläche aus n.icht
größer als einige Wellenlängen ist. Sie laufen jedoch nicht auf die gegenüberliegende
Oberfläche des Streifens II, 50 daß sie dort reflektiert werden könnten. Die Bahn
der Ultraschalloberflächenwelle an der Oberfläche 15 des Streifens 11 entlang und.
im Abstand von. einigen Wellenlängen unterhalb der Oberfläche ist in Fig. 2 dargestellt.
Bei Anbringung einer Anzahl von Löchern oder Bohrungen PI, P2, P3 usw. in regelmäßigen
Abstimmen in Längsrichtung des Streifens, die quer zur Fortpflanzungsrichtung der
Oberflächenwelle, die durch den Pfeil A angedeutet ist, liegen, reflektieren diese
Löcher oder Bohrungen die Oberflächenwellen nacheinander auf den Ausgangspunkt zurück,
und die aufeinanderfolgenden Löcher ergeben daher eine Folge von Refoektioncen,
die vom Empfänger aufgenommen werden Die Löcher sind vorzugsweise versch.lossen,
damit keine Flüssigkeit eindringt.
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Die Anordnung zur Ausstrahlung der Oberflächenwellenzüge und zur
Anzeige des Empfanges von Reflektionen, die an den aufeinanderfolgenden Bohrungen
erzeugt werden, ist in. Fig. 2 dargestellt. Ein Impulsgenerator20 kann. periodisch
von einer geeigneten Wechselstromquelle von beispielsweise 6o Hz über ein Synchronisiergerät
21 gesteuert werden, das. den Impnlsgenerator sechzigmal pro Sekunde auslöst. Gleichzeitig
mit der Auslösung des Impulsgenerators 20 speist das Syn.chronisiergerät auch einen
Ablenkkreis 22, um eine Ablenkung des Kathodenstrahls zwischen den horizontalen
Platten 23 des Oszillographen 24 hervorzurufen. Die Impulse werden einem piezo-elektischen
Kristall 32 zugeführt, das auf einem keilförmigen Träger 33 angebracht ist, so daß
die Impulse oder Wellenzüge in den Streifen 11 über die Oberfläche 15 unter einen
Winkel gelangen, der größer ist als der kritische Winkel sowohl für Längs- als auch
Querwellienb so daß nur Oberflächenwellen entstehen können. Die Oberflächenwellen
wandern. an dem Streifen nach unten, und wenn der Wellenzug auf eine der aufeinanderfolgenden
Öffnungen trifft, wird er auf den Wandler 32 reflektiert und erzeugt eine EMK, die
durch einen Verstärker 35 verstärkt und den vertikalen Ablenkplatten, 36 des Oszillographen
zugeführt wird, um eine Ablenkung auf der waagerechten Zeitlinie zu ergeben Auf
d.iese Weise wird eine Reihe von Anzeigen P1, P2, P3 usw. erzeugt, die den Öffnungen
P1, P2, P3 entsprechen. Da der ursprünglich erzeugte Impuls P auch dem Verstärker
35 zugeleitet wird, erscheint er auch als Anfangsanzeige auf dem Schirm des Oszillographen.
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Das Prinzip, welches die Verwendung der Vorrichtung für die Messung
des Flüss.igkeitsstandes ermöglicht, besteht darin, daß die Energie einer Oberflächenwelle
auf ein enges Band begrenzt ist, das nur eine Eindringstufe von. wenigen Wellenlängen
hat und daß ferner die Maximalamplitude der Oberflächenwelle an der freien Grenze
des Materials, welches Träger der Welle ist, auftritt, während die Oberflächenwelle
durch eine in Berührung mit der Oberfläche stehende Flüssigkeit sehr stark gedämpft
wird. Dies bedeutet, daß, wenn der Streifen. II zum Teil in die Flüssigkeit des
Behälters eintaucht, die Oberflächenwelle bis zum oberen Pegel der Flüssigkeit ungedämpft
ist, während sie weiter unten. sehr stark gedämpft ist.
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Da ferner die Bohrungen um den Bruchteil einer Wellenlänge unter der
Oberfläche liegen, bedeutet dies, daß die Bohrungen P1, P2, P3 uSw. bis zum oberen
Pegel der Flüssigkeit die ungedämpften Wellenzüge reflektieren, während die Bohrungen,
die in die Flüssigkeit eintauchen, die Oberflächenwelle nur verhältnismäßig schwach
reflektieren, da der größte Teil der Energie durch die Flüssigkeit gedämpft ist.
Die Darstellungen des Oszillo-
graphen in Fig. 3 zeigen daher, daß,
wenn der Behälter nur Flüssigkeit unterhalb des Pegels C" enthält, auf dem Schirm
eine vollständige Reihe von Marken P1, P2, P3 usw. erscheint, die der gesamten Zabl
der Bohrungen in. dem Streifen II von unten bis oben entspricht. Wenn jedoch der
Behälter bis zum Pegel C gefüllt ist, dann erzeugen nur die Öffnungen oberhalb des
Pegels C vollständige ReflektionenPI, P2, P3 usw., während Reflektionen unterhalb
des Pegels C durch Dämpfung im wesentlichen unterdrückt sind. In Fig. 3 c ist der
Zustan.d gezeigt, bei dem der Behälter bis zum höchsten Pegel C' gefüllt ist. In.
diesem Fall bewirkt nur die Bohrung P 1 eine Reflektion des ausgestrahlten Wellenzuges.
Der Schirm des Oszillographen kann daher von rechts nach links geeicht sein, um
den Flüssigkeitsstand vom Mindeststand bis zum Höchststand, je nach, dem Abstand
der ersten wesentlichen Reflektion vom rechten Endpunkt anzuzeigen. Der Schirm kann
mit beliebiger Genauigkeit für die besonderen Anwendungszwecke geeicht sein, .indem
die Zahl und der Abstand der Bohrungen in. dem Streifen entsprechend gewählt wird.
Die absolute Genauigkeit ist unabhängig von der Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit
oder in dem Streifen, solange eine endliche Anzahl von Meßöffnungen verwendet wird.
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An Stelle einer vertikalen Auslenkung der waagerechten Zeitlinle
kann. auch eine Helligkeitssteuerung der Zeitablenkung verwendet werden, um helle
Punkte an den StellenP 1, P2, P3 usw. zu erzeugen.
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Wie oben erwähnt, ist die Energie der Oberflächenwelle auf ein schmales.
Band beschränkt, dessen Tiefe nur wenige Wellenlängen beträgt. Die Amplitude des
von einer Meßöffnung erzeugten Echos ist umgekehrt proportional zu ih.rer Tiefe
unterhalb der Oberfläche und dem Abstand von der Meßanordnung. Wenn daher die Öffnungen
stufenartig angeordnet werden, inden die näheren Öffnungen weiter unterhalb der
Oberfläche und die entfernteren Öffnungen näher an dir Oberfläche liegen, können
Signale im wesentlichen. konstanter Größe erhalten werden, die den Reflektionen
des Wellenzuges über die gesamte Länge des Streifens entsprechen.
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Der Streifen 11 un.d der Wandler I2 können auf dem Behälter so angebracht
werden, daß die elektrischen Verbindungen; des Wandlers sich außerhalb des Behälters
befinden. Eine Ausführung dieser Art ist in Fig. 4 dargestellt, aus der ersichtlich
ist, daß der Streifen II von der Wandung des Behälters 10 durch elektrisches Isoliermaterial
40 isoliert ist, welches den Streifen auf drei Seiten umgibt. Die Isolation kann
nicht an der Oberfläche Ij angebracht werden, weil dies das Eintreten der Oberflächenwellenzüge
in den Streifen. verhindern würde. Der Keil 33, der den Kristall 32 trägt, kann
jedoch ebenso breit gemacht werden, wie die Fläche 15 und aus einem elektrisch isolierenden
Material bestehen, das gleichzeitig ein. guter Leiter für Ultraschallschwingungen
ist. Das Material für den Keil kann z. B. ein plastischer Kunststoff, wie Teflon,
Nylon, Pylon, oder ein ähnliches Material sein.