FI71839B - Vaetskenivaokaenselorgan - Google Patents

Description

71 839

Nesteenpinnan tason tuntoelin

Keksinnön kohteena on nestepinnan tason tuntoelin, joka käsittää mittapään, joka on valmistettu ultraääni-5 signaaleja johtavasta aineesta ja joka tuntoelin on sovitettu asetettavaksi nestesäiliöön, jolloin mittapään ulkopinta on säiliön sisätilassa paljaana; lähettävän anturin ja vastaanottavan anturin, jotka on kytketty mittapäähän niin, että voidaan lähettää ultraäänisignaali lähettävästä 10 anturista vastaanottavaan anturiin pitkin mittapään läpi kulkevaa kulkureittiä; välineet lähettävän anturin virroit-tamiseksi; ja detektorivälineet, jotka on kytketty vastaanottavaan anturiin niin, että erotetaan toisistaan vastaanotetun signaalin se taso, mikä vastaa kehäseinämän rajoit-15 tumista nesteeseen ja vastaanotetun signaalin se taso, mikä vastaa kehäseinämän rajoittumista kaasuun ja niin että aikaansaadaan tätä vastaava sähköinen ulostulo.

Historiallisesti on tällaiset anturit valmistettu kellukkeen käyttämän kytkimen muotoon, mutta tällaisiin 20 sisältyy liikkuvia osia, jotka ovat alttiina kitkalle ja kulumiselle. Viime aikoina on käytetty myös ultraääniantureita. Näihin sisältyy tyypillisessä tapauksessa ultraääni-merkin siirtäminen tietyn raon yli, jolloin tämä merkki siirretään lähetinanturista raon yli vastaanotinta kohden 25 ja merkki vastaanotetaan anturiin kun raossa on nestettä, mutta ei vastaanoteta, mikäli raossa on ilmaa. Yleisesti ottaen merkitsee elektroniikan, pietsosähköisen osan tai muun anturin tai johtimien pettäminen merkin puuttumista vastaanottavasta anturista, mikä on tällöin vian normaali 30 esiintymistapa ja tämä esittää näennäisesti kuivaa eli ilman nestettä olevaa tilaa. Tietyissä sovellutuksissa on edullista, että pettämistilanne vastaa samaa tilannetta kuin mikäli raossa olisi läsnä nestettä. Esim. pinnankor-keuden ylähälyttimiä varten astioissa ja höyrykattiloissa 35 on edullista saada vikatilanne vastaamaan hälytystilannetta. Tämä on erityisen tarpeellista ylätason hälyttimille kemiallisissa säiliöissä aluksilla.

2 71839

On jo aikaisemmin ehdotettu siirtää ultraäänen poi-kittaisvärähdyksen aaltoja nestettä kuljettavan putken seinämässä, jotta täten siirrettäisiin osa tästä merkistä nesteeseen ja aikaansaataisiin heijastunut merkki Doppler-5 ilmiön seurauksena liikkuvasta nesteestä ja täten saataisiin mitta-arvo virtausnopeudesta putkea pitkin. Tällainen tuntoelin on esitetty GB-patenttijulkaisussa 873 538, mutta tässä tapauksessa soestin on sauva, joka ulottuu kokonaan säiliön yläosasta alaosaan, jolloin anturit on kytketty 10 yksi sauvan kumpaankin päähän. Tämä on kömpelö, tilaavievä ja epäkäytännöllinen rakenne.

Toisenlaisella tuntoelimellä, joka on esitetty US-patenttijulkaisussa 2 713 263, on putkimainen koestin, joka upotetaan säiliön sisältämään nesteeseen siten, että neste 15 nousee ylös koestimen sisällä. Puristava paineaalto välitetään alas pitkin koestinta anturista, joka on asennettu koestimen yläosan ympärille säiliön ulkopuolelle, jolloin aalto heijastuu nestepinnasta takaisin anturiin, jolloin nestetaso määritetään kulkuajan perusteella. Tämä toimii 20 kuitenkin eri periaatteella kuin esillä oleva tuntoelin ja siitä ei ole mitään apua GB-patenttijulkaisun 873 538 mukaisen tuntoelimen parantamisessa.

Keksinnön mukainen tuntoelin on tunnettu siitä, että mittapää on ontto ja sillä on putkimainen kehäseinämä, jos-25 sa mittapäässä anturit on erotettu säiliön sisustasta, ja että anturit on kytketty kehäseinämän sisäpinnalle kulmittain välimatkan päässä toisistaan oleviin kohdiin niin, että signaalitie kulkee seinämän ympäri.

Tämä keksintö perustuu sen asian huomaamiseen, että 30 kiinteän aineen ja nesteen rajapinnassa esiintyy ultraääni-impedanssin hajasovitus näissä kahdessa väliaineessa. Mikäli kiinteässä aineessa on tällaisella rajapinnalla läsnä ultraäänen aalto siirtyy jonkin verran ultraäänienergiaa nesteeseen. Kiinteän aineen ja kaasun rajapinnalla on ult-35 raääni-impedanssien eroavaisuus kahdessa väliaineessa paljon suurempi kuin mitä se on kiinteän aineen ja nesteen 3 71839 rajapinnalla. Virtuaalisesti ei mitään energiaa siirry rajapinnan läpi ilmaan tai muuhun kaasuun. Keksinnön mukaisella rakenteella saadaan täten alhainen merkin taso vastaanottavaan anturiin osoittamaan nesteen läsnäoloa koes-5 timen ulkopuolella ja saadaan korkeahko merkki nesteen puuttuessa, niin että vikatilanteessa, missä normaalisti vastaanotettu merkki puuttuu, tämä anturi ilmaisee näennäisesti nesteen läsnäoloa. Tämä on haluttu toimintatapa ylätason hälyttimille. Voidaan käyttää tavanomaisen raken-10 teen elektroniikkaosia havaitsemaan erotus merkeissä, jotka vastaanotetaan, kun koestimen seinämä on ilmassa ja upoksissa nesteessä ja kun tämä erotus on riittävän suuri ollakseen suurempi kuin mikä tahansa muu ilmiö, mikä aiheutuu elektronisten komponenttien ominaisuuksien, lämpötilan ja 15 anturin vanhentumisen aiheuttamasta ryöminnästä. Tämä systeemi on myös vian tapauksessa oleellisesti turvallinen mitä tulee mihin tahansa ryömintään tai jäännösmäärään koestimen ulkopuolisella seinällä ja myös mitä tulee epäjatkuvuuksiin nesteessä.

20 Ultraäänimerkki suunnataan lähettävästä anturista laitteen säteen suunnassa sisemmän pinnan läpi kehäseinä-mästä ja sitä siirretään kehän ympäri tässä seinämässä. Merkin etenemisen tarkka tapa ei ole täysin selvää, mutta nykyisin uskotaan, että se tapahtuu levyaallon eli Lamb-25 aallon muodossa, mikä vastaa pinta-aaltoja sekä sisemmän että ulomman pinnan ympäri tässä seinämässä. Levyaaltoihin voidaan ajatella sisältyvän sekä pitkittäissuuntaisia että poikittaissuuntaisen aallon komponentteja ja teorian mukaisesti muuntuu kumpikin näistä muodoista osittain toisekseen 30 rajapinnalta tapahtuvassa heijastumisessa. Etenemisteorian monimutkaisuudesta huolimatta voidaan kehäseinämän havaita tehollisesti toimivan aaltojohtimena, mistä ultraääniener-giaa joutuu hukkaan sellaisessa määrin, mikä riippuu väliaineesta, mikä on kosketuksissa seinämän ulomman pinnan 35 kanssa. Puhtaasti havainnollistavana esityksenä on kuitenkin helppoa kuvitella ultraäänimerkki siirrettävänä seinämän ympäri pitkin poimuttelevaa kulkurataa, mihin sisältyy 71839 4 lukuisia sisäisiä heijastuksia säteen suunnassa sisemmästä ja ulommasta pinnasta seinämässä.

Ainakin lähettävä anturi on edullisimmin P-aallon anturi, se tahtoo sanoa sellainen, mikä lähettää ensisi-5 jaisesti pitkittäissuuntaisia aaltoja.

Keksinnön mukainen koestimen putkimainen rakenne on erityisen edullinen. Täten koestin on itsestään toimeentuleva yksikkö, mikä on umpinainen ja voidaan ripustaa esim. säiliön yläpinnasta niin, että sillä aikaansaadaan suljetit) tu, puhdas ja tukeva kotelo antureille ja niiden sisääntulo johtimille , mitkä normaalisti kulkevat suljetussa putkessa ulos tämän säiliön yläseinämän läpi tähän liittyvään elektroniseen laitteistoon. Ultraäänimerkin siirtyminen koestimen kehänseinämän ympäri mahdollistaa suhteellisen 15 pitkän siirtotien pienehkössä rakenteessa, niin että koestin vaatii suhteellisen vähän tilaa säiliön sisältä. Täten lähettävä ja vastaanottava anturi saattavat olla sijoitettu kulmittain siten, että kulkureitti ulottuu 180° tai enemmän kehän suunnassa tämän koestimen kehänsuuntaisen 20 seinämän ympäri lähettävästä anturista vastaanottavaan anturiin. Molemmat anturit voivat olla suljettuna yhteiseen suojakappaleeseen valmistettuna esim. epoksihartsista ja liimattuna kehäseinämän sisemmälle pinnalle. Tämä saattaa maksimiinsa yksittäisen siirtotien pituuden lähettävästä 25 anturista vastaanottavaan anturiin. Vaihtoehtoisesti voidaan kuitenkin lähettävä ja vastaanottava anturi asentaa toisistaan erikseen, lävistäjän suunnassa vastakkaisiin kohtiin kehäseinämän sisemmälle pinnalle, niin että aikaansaadaan kaksi samankaltaista siirtotietä erilaisiin suun-30 tiin tämän seinämän ympäri lähettävästä anturista vastaanottavaan anturiin. Seinämän koko kehänpituutta käytetään täten hyväksi merkin siirtämiseen, mikä täten aikaansaa suuremman herkkyyden merkin vaimentumiselle.

Lähettävä ja vastaanottava anturi ovat edullisimmin 35 molemmat pietsosähköisiä kiteitä ja ne saattavat olla toinen toisiinsa nähden keskenään identtisiä. Kun merkkiä tulee siirtää pitkin yhtä ainoata tietä määrättyyn suun- 5 71839 taan kehän seinämän ympäri liimataan molemmat anturit edullisimmin kehäseinämän sisäpinnalle sellaisiin suhteellisiin asentoihin toisiinsa nähden, että ne lähettävät ultraäänimerkin edullisimmin kehäseinämään pitkin 5 tiettyä kulkureittiä ja vastaanottavat ultraäänimerkin, mikä lähestyy pitkin vastaavaa kulkureittiä. Toisin sanoen anturit asennetaan siten, että niiden merkin lähettämisen ja vastaanottamisen akseli sijaitsee viistossa tämän kehäseinämän sisäpinnan normaalin suhteen tasossa, 10 mikä on kohtisuorassa putkimaisen kehäseinämän akselille. Ainakin lähettävä anturi on edullisimmin suunnattu siten, että ultraäänimerkki lähtee anturista kulmassa, mikä on väliltä 2 - 15°, edullisimmin oleellisesti 5° kulmassa säteen suunnassa sisennän seinämäpinnan vieressä olevan 15 osan normaalin suhteen mitattuna. Parhaat tulokset näytetään saavuttavan kun kehäseinämä on valmistettu ruostumattomasta teräksestä, minkä paksuus on alueelta 1,5-7,5 mm ja lähettävä anturi aikaansaa ultraäänimerkin taajuudella 0,5-5 MHz. Kehäseinämä saataa tällöin ulkopuoliselta 20 halkaisijamitaltaan olla niinkin pieni kuin väliltä 2-10 cm. Tämä järjestely takaa, että ei esiinny liian harvoja heijastuskohtien solmuja, jotta voitaisiin aikaansaada tyydyttävä merkin vaimentuminen, eikä myöskään esiinny niin montaa heijastuksen solmukohtaa, että vas-25 taanottavan anturin vastaanottama merkki omaisi liian alhaisen merkin ja kohinan välisen suhteen.

Ultraäänimerkki saattaa olla jatkuva tai pulssimainen merkki. Vastaanottava ja lähettävä anturi saattavat olla kytketty toisiinsa takaisinkytkentäsilmukalla, mihin 30 sisältyy vahvistin tämän taatessa lähettävän anturin itsevirittymisen tilanteessa, jolloin neste puuttuu.

Eräs esimerkki anturista valmistettuna tämän keksinnön mukaisesti on haviannollistettuna kaavamaisesti oheisissa piirustuksissa.

6 71839

Kuvio 1 on pystysuora leikkaus otettuna pitkin viivaa I-I kuviossa 2.

Kuvio 2 on leikkaus pitkin viivaa II-II kuviossa 1.

Kuvio 3 on leikkaus otettuna pitkin viivaa III-III 5 kuviossa 1.

Kuviot 4 ja 5 esittävät vaihtoehtoisia, tähän liit-viä sähköisiä piirikaavioita.

Koestinanturi sisältää painetiiviin, ruostumatonta terästä olevan kotelon r missä on putkimainen kehäseinä-10 mä 6 paksuudeltaan noin 5 nm, pohjaseinämä 7 ja yläseinä-mä 8, mikä on muodostettu yhtenä kappaleena tai hitsattu kiinni ruuvikierteitettyyn nippaan 9. Koestin on tarkoitettu tiivistettäväksi kiinni tai ripustettavaksi nes-tesäiliön yläseinämästä esim. kiertämällä nippa 9 kiinni 15 vastaavasti ruuvikierteitettyyn reikään, mikä kulkee säiliön yläseinämän läpi tai kiertämällä nippa 9 kiinni ripus-tusputken alapäähän, mikä itsessään on tiivistetty kiinni ja kulkee läpi säiliön yläseinämästä tai hitsaamalla nippa säiliön yläseinämään tai ripustinputkeen. Johdinlan-20 gat 10 kulkevat sitten säiliön yläseinämän ja nipan 9 läpi kotelon sisätilaan, mikä on täysin eristettynä säiliön nestettä sisältävästä sisustasta.

Kotelon sisällä on johtimet 10 kytketty anturiraken-nelmaan, mihin kuuluu epoksihartsikappale, mikä on lii -25 mattu samantapaisella aineella kehäseinämän 6 sisäpinnalle ja mihin on upotettuna lähettävä ja vastaanottava piet-sosähköinen anturi 12 ja vastaavasti 13.

Kuten on erityisesti esitettynä kuviossa 3 ovat antureiden akselit viistossa kehäseinämän 6 sisäpinnan 30 normaalin suhteen. Tästä seurauksena kun lähettävä anturi 12 saa virtaa se aikaansaa ultraäänimerkin edullisimmin vain toiseen suuntaan kehäseinämän 6 ympäri tämän merkin seuratessa merkittyä poimuttelevaa reittiä 14 lukuisine sisäisine heijastumineen tämän seinämän sisemmässä ja 35 ulommassa pinnassa. Kulmalähetettävän anturin akselin, toisin sanoen se suunta, mihin merkki aluksi lähetetään, 7 71839 ja sisemmän seinämän normaalin välillä on likimäärin 5°. Vastaanottava anturi 13 on vastaavalla tavoin suunnattu vastaanottamaan edullisimmin merkki lähettämisen jälkeen kehäseinämän 6 kehänpituuden suuremman osuuden 5 ympäri saapuneena. Kuviossa 3 esitetty heijastusten lukumäärä ja erityisesti kuviossa 2 esitetty määrä on oleellisesti pienempi kuin mitä käytännössä esiintyy. Kuten on esitetty kuviossa 2 siirtyy osa akustisesta energiasta 15 pois seinämän 6 ulomman pinnan läpi ympäröivään 10 nesteeseen ]6 kun koestin on upoksissa nesteessä. Kun kuitenkin nesteen taso säiliössä laskee koestimen alapuolelle niin että koestimen kehäseinämä antureiden 12 ja 13 korkeudella on paljaana kaasussa heijastuu merkki lähes kokonaisuudessaan sisäisesti kehäseinämän ulkopin-15 noilta ja esiintyy vain minimimäärä akustisen energian häviöitä.

Merkki estetään oikosulkeutumasta ylemmän ja alemman seinämän 8 ja 7 kautta käyttämällä kahta rengasmaista uraa 26 kehäseinämän 6 säteensuunnassa sisemmällä pinnal-20 la. Nämä urat pienentävät seinämän paksuuden näiltä alueilta tasolle noin 1 mm.

Kuten on esitettynä kuviossa 3 on epoksihartsin kappale 11 jonkin verran U-muotoinen niin että aikaansaadaan syvennys 17 sen säteettäisesti ulompana olevalle 25 pinnalle tämän auttaessa kahden anturin 12 ja 13 eristämistä toinen toisistaan.

Kuvio 4 esittää erästä koestimeen liittyvän säätöpiirin muotoa. Tässä tapauksessa on vastaanottava anturi 13 kytketty lähettävään anturiin 12 takaisin kytkentäsil-30 mukan 18 välityksellä, mihin sisältyy johtimet 10 sekä myös vahvistuskertoimeltaan säädettävä vahvistin 19. Vahvistimen vahvistuskerroin asetetaan siten, että kun koestin on kaasussa, on ultraäänimerkin 14 vaimennus pieni, niin että vastaanottavan anturin 13 sähköisen mer-35 kin ulostulo on riittävä virroittamaan lähettävän anturin 12, jolloin piiri on itsensä virittävä. Vastaavasti kun koestin on nesteessä upoksisa on ultraäänimerkin 14 s 71839 vaimennus niin suuri, että vastaanottavasta anturista 13 lähtevä sähkömerkki on riittämätön ylläpitämään piirin värähtelyä. Värähtelyn läsnäolo tai puuttuminen piiristä havaitaan ilmaisimella 20, mikä aikaansaa kytketyn ulos-5 tulon 21.

Kuvio 5 esittää vaihtoehtoista säätöpiiriä ilman takaisinkytkennän silmukkaa. Tässä tapauksessa lähettävä anturi 12 virroitetaan syöttölähteestä 22, mikä saattaa olla jatkuva tai pulssimainen syöttölähde, niin että 10 ultraäänimerkki, mikä kulkureittiä pitkin lähetetään on vastaavasti jatkuva tai pulssimainen.Ulostulo vastaanottavasta anturista 13 syötetään vahvistuskertoimeltaan säädettävän vahvistimen 23 kautta ilmaisimeen 24, mikä havaitsee sähkömerkin tason ja eroittelee sen tason, mikä vas-15 taa merkin 14 vaimentamista kun koestin on upoksissa nesteessä ja sen vastaavan vaimennuksen välillä merkille 14, kun koestin on kaasussa. Ilmaisin 24 aikaansaa tällöin kytketyn ulostulon 25 osoittamaan nesteen läsnäoloa tai puuttumista koestimen fesolla.

Claims (10)

1. Nestepinnan tason tuntoelin, joka käsittää mittapään, joka on valmistettu ultraäänisignaaleja johta-5 vasta aineesta ja joka tuntoelin on sovitettu asetettavaksi nestesäiliöön, jolloin mittapään ulkopinta on säiliön sisätilassa paljaana; lähettävän anturin (12) ja vastaanottavan anturin (13), jotka on kytketty mittapäähän niin, että voidaan lähettää ultraäänisignaali lähettävästä an-10 turista vastaanottavaan anturiin pitkin mittapään läpi kulkevaa kulkureittiä (14); välineet (19, 22) lähettävän anturin virroittamiseksi; ja detektorivälineet (20, 24), jotka on kytketty vastaanottavaan anturiin niin, että erotetaan toisistaan vastaanotetun signaalin se taso, mikä 15 vastaa kehäseinämän rajoittumista nesteeseen ja vastaanotetun signaalin se taso, mikä vastaa kehäseinämän rajoittumista kaasuun ja niin että aikaansaadaan tätä vastaava sähköinen ulostulo (21, 25), tunnettu siitä, että mittapää on ontto ja sillä on putkimainen kehäseinämä (6), 20 jossa mittapäässä anturit (12, 13) on erotettu säiliön sisustasta, ja että anturit (12, 13) on kytketty kehäseinämän (6) sisäpinnalle kulmittain välimatkan päässä toisistaan oleviin kohtiin niin että signaalitie kulkee seinämän (6) ympäri.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen tuntoelin, tunnettu siitä, että kehäseinämä (6) on valmistettu ruostumattomasta teräksestä, että seinän paksuus on välillä 1,5 - 7,5 mm ja että lähettävä anturi (12) aikaansaa ultraäänisignaalin, jonka taajuus on välillä 0,5 - 5 30 MHz.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen tuntoelin, tunnettu siitä, että kehäseinämän (6) ulkopuolinen halkaisija on välillä 2-10 cm.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen 35 tuntoelin, tunnettu siitä, että kehäseinämä (6) on varustettu rengasmaisilla urilla (26) , jotka pienentävät seinämän paksuutta signaalin kulkutien molemmilta puolilta 10 71839 laitteen akselin suunnassa katsottuna.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen tuntoelin, tunnettu siitä, että lähettävä (12) ja vastaanottava anturi (13) ovat pietsosähköisiä kide- 5 antureita, ja että ainakin lähettävä pietsosähköinen anturi on P-aallon anturi.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen tuntoelin, tunnettu siitä, että lähettävä (12) ja vastaanottava anturi (13) on kiinnitetty kehäseinämän 10 (6) sisäpinnalle sellaisiin suuntausasentoihin toisiinsa verrattuna, että ne lähettävät ultraäänisignaalia kehäsei-nämään (6) edullisimmin pitkin tiettyä tietä ja vastaanottavat edullisimmin ultraäänisignaalia, joka lähestyy vastaavasti pitkin haluttua kulkutietä.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen tuntoelin, tunnettu siitä, että lähettävä anturi (12) on suunnattu ja kytketty kehäseinämään (6) niin, että ultra-äänisignaali lähtee anturista välillä 2-15° olevassa kulmassa säteittäisesti sisemmän seinämän pinnan vieressä 20 olevan kohdan normaaliin verrattuna.

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen tuntoelin, tunnettu siitä, että lähettävä (12) ja vastaanottava anturi (13) on sijoitettu kulmittain toistensa läheisyyteen ja että kulkutie ulottuu kehänsuunnassa 25 yli 180° kehäseinämän (6) ympäri lähettävästä anturista (12) vastaanottavaan anturiin (13).

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen tuntoelin, tunnettu siitä, että lähettävä (12) ja vastaanottava anturi (13) on upotettu yhteiseen epoksiharsia ole- 30 vaan kappaleeseen (11).

9 71839

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen tuntoelin, tunnettu siitä, että virroitusvälineet (19, 22) ja tason erottavat välineet (20, 24) on sovitettu aikaansaamaan ulostulo, joka edustaa nesteen kosketuksen 35 läsnäoloa kehäseinämän (6) ulkopinnalla tai sen puuttumista 11 71839 siitä ja aikaansaamaan takaisinkytkentäsilmukka (18), joka yhdistää vastaanottavan (13) ja lähettävän anturin (12) toisiinsa, ja että takaisinkytkentäsilmukka (18) sisältää vahvistimen (19), joka on sovitettu varmistamaan lähettä-5 van anturin (12) virroittamisen silloin, kun nestettä ei ole mittapään ympärillä. i2 71 839