NO136861B - Anordning for m}ling av niv}et hos en v{ske. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrorer en anordning for måling

av nivået hos en væske av det slag som angis i ingressen av krav 1.

Det er allerede blitt foreslått anordninger for måling av væske-

nivå med ultralyd,hvilke anordninger utnytter ultralydens gang-

tid fra. en ultralydsender via et eller flere ultralydledende legemer og væskeoverflaten til mottakere som er folsomme for ultralyd. Av disse måleanordninger finnes det hovedsaklig to slag; dels slike hvor man ved målingen har et eneste ultralydledende legeme og utnytter ultralydbolger som reflekteres i væskeoverflaten, dels slike hvor man utnytter ultralydoverhoring ved væskeoverflaten mellom minst to ultralydledende legemer. Et

eksempel på en måleanordning av det forstnevnte slag beskrives i amerikansk patent nr. 3.394.589. I amerikansk patent nr. 3.080.752 beskrives en måleanordning av det sistnevnte slaget.

Kjente måleanordninger har imidlertid en så dårlig målenoyaktig-het at de ikke er kommet i bruk i nevneverdig utstrekning.

Istedet anvender man flottbrer og liknende måleanordninger.

Det som forringer målenoyaktigheten hos kjente ultralydvæske-nivåmålere,er hovedsaklig variasjoner og endringer i ultralydens for-plantningshastighet i legemene som folge av temperaturforskjeller langs legemene samt vanskeligheten med å holde en ultralydsen-

ders frekvens konstant.

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en anordning for måling av væskenivåer som arbeider med ultralyd og som ikke har de ovennevnte ulemper, og dette oppnås ved at oppfinnelsen har de i patentkravet angitte kjennetegn.

Oppfinnelsen skal i det folgende beskrives ytterligere med henvisning til vedlagte tegningsfigurer, av hvilke

fig. 1 skjematisk vi ser en måleanordning ifolge oppfinnelsen for måling av væskenivået i en tank.

Fig. 2a - c viser alternative måter å ifolge oppfinnelsen for-binde ultralydledende legemer i en viss innbyrdes avstand ved hjelp a<y> stive stag. Fig. 3a - 3 viser forskjellige måter å oke ultralydoverhoringen .mellom legemene på. • Fig. 4 er et blokkdiagram som viser inngående kretsblokk og kobling dem imellom hos et beregningsorgan for beregning av et væskenivå ifolge oppfinnelsen. Fig. 5 er et tidsdiagram som viser forlopet hos signaler i visse punkter som er angitt i blokkdiagrammet.

I fig. 1 er 1 en tank med væske 2, hvis nivå skal måles. :To langstrakte legemer 3 og 4 strekker seg meden viss innbyrdes avstand gjennom væskens 2 overflate 5 og loddrett ned i tanken.

Av legemene 3 og 4, som består av et materiale med god ultra-lydledningsevne, er legemet 3 ved sin utenfor væsken 2 befinnende ende forbundet med en ultralydsender 6,qg legemet 4 i samme ende koblet til en mottaker 7 som er folsom for ultralyd. Ultralyd-senderen er innrettet til å sende korte ultralydsvingninger inn i legemet 3,og ultralydmottåkeren har til oppgave å frembringe elektriske signaler som svarer til gjennom legemet innkommende ultralydsvingninger.

Ifolge oppfinnelsen er legemene 3 og 4 innbyrdes forbundet med vinkelrett mot disse anordnede stive sag 8. Formålet med stagene, som fortrinnsvis er plassert på lik avstand langs legemene 3

og 4, er dels å fiksere legemenes stilling og innbyrdes avstand, og dels å tjene som overhbringsveger mellom legemene 3

og 4 for ultralyden. Av de ultralydsvingningene som utgående fra senderen 6 forplanter seg langs legemet 3, kommer således en del til å nå legemet 4 via de ovenfor væskeoverflaten 5 beliggende stagene 8, mens resten sprer seg i væsken 2 i eller like under væskeoverflaten 5. Av de sistnevnte ultralydsvingningene treffer en del legemet 4 og fores gjennom dette til mottakeren 7. Det er åpenbart at de ultralydsvingninger som har passert stagene, når mottakeren tidligere enn de som har passert væsken 2. Senderen 6 og mottakeren 7 er koblet til et beregningsorgan 9 som ifolge oppfinnelsen er innrettet til, fra de elektriske signalene ved oppmåling av ultralydens gangtider "fra senderen 6 til mottakeren 7 via stagene 8 og væsken 2 med kjenn-skap til ultralydens spredningshastigheter i disse, å beregne væskenivået og herved referere målenivået til et av de ovenfor væskeoverflaten 5 beliggende stagene 8.

Hvordan beregningen utfores, kommer til å beskrives mer inngående i forbindelse med fig. 4. I parentes kan nevnes at det tek-nisk sett naturligvis er slik at når det finnes bare et legeme med mottaker, må ultralydens forplantningshastigheter i stagene og væsken programmeres inn på en eller annen måte. Ettersom gangveiene i væsken og stagene i praksis holdes korte, f.eks. 10 - 30 mm, blir ved nivåbestemmingen innvirkningen av feil som folge av feilaktig antatt spredningshastighet, liten. Når mer enn et mottakerlegeme anvendes, kan forplantningshastighetene beregnes slik som i et likningssystem.

Det skal bemerkes at nivåmåling ved hjelp av ultralydens gangtid, der målenoyaktigheten forringes proporsjonalt med målestrekningens lengde, kun skjer på den forholdsvis korte strekningen mellom væskeoverflaten 5 og det ovenfor denne beliggende staget.

Som allerede nevnt kan man, med hensyn til variasjoner i ultralydens forplantningshastighet i væsken og legemene som folge av temperatur- og tetthetsvariasjoner, oke målenoyaktigheten be-tydelig ved å anvende fLere legemer som er forsynt med mottakere. Særlig fordelaktig er det, med hensyn til beregningsenhetens 9 oppbygning, å ha, ifolge et særlig kjennetegn for oppfinnelsen, to med mottakere forsynte legemer hvis avstand til det med senderen forbundne legemet forholder seg som 2:1. I fig. 2a - c vises på ovennevnte måte anordnede legemer der 10 betegner et med sender forbundet legeme, og 11, 12 betegner til mottakere koblede legemer, samt stag 13 som forbinder legemene 10 - 12.

I fig. 2a og c er legemene anordnet i et plan, og i fig. 2b i hjornene av et likebenet triangel slik som angitt i et særlig kjennetegn for oppfinnelsen. Ifolge et annet særlig kjennetegn utgår stagene 13 i det i fig. 2c viste utforelseseksempel vekselvis fra legemene 10 mot legemene 11, 12. Herved vinnes sær-lige fordeler når det gjelder' å tidmessig skille de via stagene 13 og legemene 11, 12 til respektive mottakere innkommende over-høringene, f ra hverandre.

Det er åpenbart at man bnsker at så stor del som.mulig av de ultralydsvingninger som forplanter seg i en væske og treffer et til en mottaker koblet legeme, skal nå mottakeren. Er overhoringen god kan man med opprettholdt noyaktighet minske ultra-lydsenderens effekt og beregningsorganets dynamikk. I fig.

3a - e, hvis henvisningsbetegnelser i anvendbare deler overensstemmer med de i fig. 1, vises forskjellige midler til å frembringe en slik forbedret overhoring. I fig. 3a er legemet 4

på sine mot-legemet 3 vendende sider i det minste delvis belagt

med et materiale hvis overflate er forsynt med utspring .14 med den oppgave å oke overhoringen mellom væsken 2 og legemet 4 samt å oke andelen av ultralyd som når mottakeren som er koblet til legemet 4. For å tilveiebringe dette med optimal virkning,

skal materialets akustiske impedans være hovedsaklig lik den geometriske middelverdi av væskens og legemenes impedanser. I fig. 3b er legemet 4 på sine fra legemets 3 vendte sider forsynt med riller 15 med den oppgave å oke overhoringen. Samme oppgave har i fig. 3c - e de reflekterende flater 16. I fig. 3c finnes det mellom hvert stagpar en reflekterende flate 16 som bæres av

en langs legemet 4 bevegelig flottor 17 som flyter i væsken slik at flaten 16 ligger like under væskeoverflaten 5. Alterna-tivt kan flaten 16 bæres av en eneste langs legemene 3, 4 bevegelig flottor 18 slik som vist i fig. 3d. I fig. 3e vises ytterligere en alternativ losning, der et flertall reflekterende flater 16 er fordelt langs et langstrakt organ 18 slik at flatene er lokalisert mellom legemene 3, 4.

Nivåmålingsanordningen ifolge foreliggende oppfinnelse skal nå forklares mer i detalj på en slik måte at funksjonen hos beregningsorganet 9 gjennomgås med henvisning til figurene 4 og 5. Rent generelt gjelder det, ved hjelp av beregningsorganet 9, dels å bestemme antallet overhoringer via stag 8, som befinner seg over væskeoverflaten 5, dels å bestemme tiden mellom siste stagoverhoring og overhoring via væsken 2. Ved herved å relatere den nevnte tiden til tiden mellom to uavbrutte stagoverhoringer, fortrinnsvis de to nærmest væskeoverflaten, oppnås kompensering for variasjoner i ultralydens forplantningshastighet langs legemene 3, 4. En i digital sammenheng vanlig metode for å måle tidsintervall bygger nbye på at man i lopet av tidsintervallet forbinder en teller med en pulsgenerator med kjent, fast puls-frekvens. Ved tidsintervallets slutt inneholder telleren et antall pulser som svarer til tidsintervallets lengde. Det i fig.

4 viste utforelseseksemplet på et beregningsorgan arbeider på denne måte når det gjelder å bestemme tiden mellom siste stagoverhoring og væskeoverhoringen samt tiden mellom to stagoverhoringer. Slik det vil fremgå av det folgende, gjelder det i fbrste rekke å frembringe et signal som tilsvarer de nevnte tidsintervallene og å deretter fastslå hvilket tidsintervall som svarer til tiden mellom den siste stagoverhoringen og væske-overhbri ngen,

I fig. 4 er 20 en pulsgenerator som via en effektforsterker 21 og et filter 22 er koblet til den i forbindelse med fig. 1 beskrevne senderen 6. Pulsgeneratoren har til oppgave å frembringe et pulssignal a som inneholder pulser med en bestemt repetisjons-frekvens. I fig. 5 vises en slik puls av pulssignalet a. I forsterkeren 21 forsterkes signalet a, og ved hjelp av filtret 22 tilpasses det således forsterkede signalet til ultralyd-senderen 6. Styrt av pulsen i pulssignalet a, sender ultralyd-senderen 6 en kort ultralydsvingning inn i legemet 3.

Som tidligere beskrevet, forplanter ultralyden seg i legemet 3 og når legemet 4 dels via stagene 8, dels via overhoringen i væsken 2, samt gir i ultralydmottåkeren 7 opphav til et signal som elektrisk sender tilbake de innkommende ultralydsvingningene. Etter filtrering og forsterkning i et filter 23 og en forsterker 24 oppnås et signal b hvis utseende fremgår av fig. 5. Signalet b har i figuren tre kortvarige svingninger 25 - 27 som stammer fra overhbring via stagene 8 og en langvarig svingning 28 som stammer fra overhbring via væsken 2. For å lette den fortsatte

beregningen, som dels går ut på å telle antallet kortvarige svingninger 25 - 27 , og dels på å bestemme tiden mellom sving-ningene 27 og 28, må signalet b passere en til forsterkeren 24 koblet AKR-krets 29, dvs. en forsterkerkrets med automatisk for-sterknings regulering, hvis utsignal c er normert relativt signalet b, hvilket innebærer at de fra stagoverhbring stammende sving-ningene 25 - 27 får innbyrdes like amplituder.

Det således normerte signalet c påfbres via en likeretter 30 to sammenliknere 31, 32, hvilke på inngangen er koblet til hvert sitt organ 33, 34 for manuell innstilling av komparatorenes 31, 32 klippenivåer. Likeretteren 30 er en helbblgelikeretter og har til oppgave å gjore de negative delene av signalet c positive. Ved hjelp av innstillingsorganet 33 velges klippeni-vået hos sammenlikneren 35 slik at dennes utsignal, som sammen med signalet a påfbres en ELLER-port 35, representerer overhbring via såvel stagene 8 som væsken 2. Formålet med ELLER-porten 35 er å addere til komparatorens utsignal også signalet a, hvorved det fra porten 35 oppnås et signal d hvis forlop fremgår av fig. 5. Ved hjelp av innstillingsorganet 34 velges på liknende måte sammenliknerens 32 klippenivå slik at dennes utsignal e kun har utspring fra væskeoverhoringen 28.

Ved hjelp av en monostabil vippe 36 omformes signalet d til et signal f, se fig. 5, som for hver overhbring 25 - 27 inneholder en puls hvis bredde for det meste overensstemmer med respektive overhorings varighet. Hensikten med dette er å befri overhorings-signalene fra multipelpulser. Signalet f , som ved at det kun kan anta en av to verdier kan betraktes som et binærsignal, påfbres deretter et av en oscillator 37 styrt skift-register 38 som har til oppgave å virke som en tidsforlengelse slik at skift-registerets utsignal h, relativt signalet f blir forlenget en forutbestemt tid t^, slik som vist i fig. 5. Formålet med tids-forlengelsen er, som vist nedenfor, å tilveiebringe et signal som til forskjell fra signalene f og h savner bidrag fra væske overhoringen 28.

Signalet e fra sammenlikneren 26 påfbres den ene inngangen av en såkalt R-S-(Reset-Set)-vippe 39 med to innganger og en utgang. En slik vippe arbeider på en slik måte at logisk "1" på den ene inngangen gir "1" på utgangen,og "1" på den andre inngangen gir logisk "0" på utgangen. Vippen 39 er koblet således at utgangen "l"-stilles av signalet a og "0M<->stilles av signalet e. RS-vippens 39 utsignal g er som vist i fig. 5 logisk "1" på grunn av at senderpulsen i signalet a avgis til væskeoverhoringen 28 detekteres. Signalene g og h fra RS-vippen 39,respektivt fra

. skifteregistret 38 fores til en OG-port 40 hvis utsignal j,

se fig. 5, inneholder dels en puls 41 som stammer fra senderpulsen i signalet a, dels pulser 42 - 44 som stammer fra over-høringene 25 - 27, men som savner bidrag fra væskeoverhoringen 28. Signalet j som inneholder informasjon om antallet stag ovenfor væskeoverflaten og tiden mellom overboringené, virker på

en såkalt J-K-vippe 45. En slik vippe har tre innganger, J-, K-, klokke(Q)-inngang og to komplementære utganger. Angående mer detaljerte opplysninger om vippene 39 og 45, skal det vises til f.eks. The Integrated Circuits Catalog for Design Engineers,

Texas Instruments Inc.

Signalet j fores til vippens 45 klokkeinngang, hvis J- og K-innganger ligger på et konstant logisk nivå, og fra denne oppnås to signaler k og 1, som ligger 180° faseforskjøvet i fbrhold til hverandre, dvs. de er vekselvis "0" respektive "1". Signalet k er "1" mellom startpulsen i signalet a og overhoringen 25 og mellom overhøringene 26, 27, samt "0" i det ovrige. Signalet 1 er "1" mellom overhøringene 25, 26 og fra overhoringen

27 til neste startpuls i signalet a. Ved hjelp av signalene k

og 1 samt g finnes det nå tilstrekkelig grunnlag til å bestemme de tidligere nevnte tidsintervallene mellom overhøringene 26, 27 respektivt 27, 28. Hvordan dette skjer, skal nå beskrives.

Ved hjelp av en monostabil vippe 46, hvis utsignal benevnes m, detekteres forkantene av signalet k, hvilke i signalet m gir opphav til pulser med en viss varighet. Pulsene i signalet m, som via en ELLER-port 47, til hvilken også signalet a mates, anvendes for å forinnstille en teller 48. På liknende måte kan signalet 1 via en monostabil vippe 49, hvis utsignal benevnes p og en

ELLER-port 50, til hvilken også signalet a mates, forinnstille

en teller 51. Den forinnstillingsverdi som utløses ved ut-signalene fra ELLER-portene 47, 50, finnes lagret i to til telleren 48 respektivt 51 koblede innstillingsorgan 52 respektivt 53.

For å tilveiebringe et signal med hvis hjelp man kan styre mat-ningen av klokkepulser til teilerne 48, 51 for måling av de tidligere nevnte intervallene, mates signalene h og a til en R-S-vippe 54 av samme slag som vippen 39. Vippens 54 utsignal q er som det fremgår av fig. 5, logisk "1" fra og med pulsen 42 som svarer til den tiden ^ forsinkede startpulsen i signalet a.

Ved hjelp av en OG-port 55 hvis tre innganger er tilkoblet oscillatoren 37 og R-S-vippene 39 og 54, tilveiebringes et signal r som inneholder klokkepulser fra og med den forsinkede startpulsen i signalet a til væskeoverhoringsindikering oppnås ved hjelp av signalet g. Ved hjelp av to OG-porter 56 og 57, hvis utsignaler benevnes s respektive t, tilveiebringer signalene k respektive 1 at klokkepulsene i signalet r telles vekselvis i telleren 48 respektive 51 til væskeoverhoringsindikering oppnås når signalet r opphorer. I dette byeblikk antas det i telleren 48 å finnes n, pulser, og i telleren 51 n2 pulser. Å av-gjore hvilken av tellerne som inneholder det til avstanden mellom to stag svarende antall pulser og hvilken teller som inneholder det til avstanden mellom det siste staget ovenfor væskeoverflaten og væskeoverflaten svarende antall pulser, oppnås ved hjelp av en såkalt multiplekser 58 som styres av signalet 1. Etter at multiplekseren 58 således har bestemt den aktuelle innbyrdes ordningen mellom n1 og n2, dannes kvotienten mellom nevnte tall i en divisjonskrets 59. Denne kvotienten er ifolge det foregående et noye mål av avstanden mellom siste stag og væskeoverflaten 5. I kvotienten inngår imidlertid en konstant feil som hovedsaklig forårsakes av at signalet g ikke som signalet er for-sinket tiden t^. Denne feil elimineres senere.

Ved hjelp av en teller 60 som nullstilles av startpulsen i signalet a bestemmes av signalet j antallet stag ovenfor væskeoverflaten 5. Telleren 60 og divisjonskretsen 59 er via en subtrak-sjonskrets 61 koblet til et presentasjonsorgan 62. Subtraksjons-kretsen har til oppgave å dels summere den til antallet stag svarende avstanden med tidligere nevnte anstander mellom det siste staget og væskeoverflaten, og dels å subtrahere en på et innstillingsorgan 63 manuelt innstillbar korreksjonsterm ved hjelp av hvilken nivåmålingens nullnivå refereres til et egnet fast punkt, f .eks. tankens 1 tak. Ved hjelp av korreks jonst ermer: kan også hensyn tas til ovennevnte konstante systematiske feil i beregningsrutinen.

Presentasjonsorganet er innrettet til, med den noyaktighet som

er onsket med hensyn til tilpasningen, å indikere væskeover-flatens 5 beliggenhet i forhold til det ovennevnte faste punktet. For mer detaljerte opplysninger om de funksjonsblokkvipper, tel-lere osv. som er nevnt ved redegjbreisen for beregningsorganets 9 funksjon, skal det vises til tidligere nevnte håndbok.

Det er åpenbart at beregningsorganet 9 kan realiseres på mange andre måter enn de som nå er beskrevet. Den beskrevne funksjonen bygger på den forutsetning at væskeoverhoringen har hbyere amplitude enn stagoverhbringene. Også andre kriterier for

separasjon av stag- og væskeoverhdring kan anvendes, f.eks.

fase, frekvens og bolgeformsforskjeller.

Når flere til mottakere koblede legemer anvendes, blir beregnings-

organet noe modifisert i forhold til det ovenfor beskrevne beregningsorgan, men funksjonen blir stort sett uforandret.

Claims (9)

1. Anordning for måling av nivået hos en væske i en tank eller liknende, innbefattende minst to langstrakte legemer hvilke strekker seg loddrett ned i tanken i en viss innbyrdes avstand, og av hvilke et er operativt forbundet med en ultralydsender som er innrettet til å sende gjentatte, korte ultralydsvingninger inn i legemet, mens det andre respektive hvert og et av de andre legemene er koblet til en for ultralydsvingninger folsom mottaker som er innrettet for å forvandle mottatte ultralydsvingninger til elektriske signaler og et til senderen og mottakeren respektive mottakerne koblet beregningsorgan med den oppgave å,av de elek-

triske signalene slik som en funksjon av ultralydens gangtid fra senderen via legemene og væsken til mottakeren, beregne væskenivået, karakterisert ved at legemene er innbyrdes forbundet ved hjelp av fortrinnsvis ekvidistante, vinkelrett mot legemene anordnede stive stag, hvilke er innrettet til dels å fiksere legemenes beliggenhet og innbyrdes avstand, dels til å tjene som overforingsveger mellom legemene for ultralyden, og at beregningsorganet er innrettet til, ved hjelp av signaler, hvilke stammer fra slike ultralydsvingninger som via overhorings-vegene når mottakeren respektive mottakerne, å referere nivå-målingen til et av de ovenfor væskeoverflaten beliggende stagene, fortrinnsvis til det nærmest ovenfor væskeoverflaten beliggende staget.

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at legemene er tre i antall og plassert slik at avstanden mellom det med senderen operativt forbundne legemet og de til mottakere koblede legemene er forskjellige, fortrinnsvis slik at de forholder seg som 2:1, hvorved måleresultatet kan korrigeres for variasjoner i ultralydens forplantningshastighet i stag og væske.

3. Anordning som angitt i krav 2, karakterisert ved at legemene er plassert i hjornene av et likebent triangel .

4. Anordning som angitt i krav 1 eller 2, omfattende minst tre legemer, karakterisert ved at stagene langs det med senderen forbundne legemet utgår vekselvis til de til mottakerne koblede legemene.

5. Anordning som angitt i ett av de foregående krav, karakterisert ved at det eller de til mottakere koblede legemene langs sine mot det med senderen operativt forbundne legemet vendende sider i det minste delvis er belagt med et materiale hvis akustiske impedans hovedsaklig er den geometriske middelverdien av væskens og legemenes akustiske impedanser, og hvis flate er forsynt med utspring, eksempelvis i dråpeform, med den oppgave å oke andelen av ultralyd med forplantningsret-ning mot mottakeren respektive mottakerne.

6. Anordning som angitt i ett av kravene 1-4, karak-, terisert ved at det eller de med mottakere forbundne legemene langs sine fra det med senderen operativt forbundne legemet vendte sider er forsynt med fordypninger som f.eks. riller med den oppgave å oke den mengde av ultralydsvingninger som når mottakeren respektive mottakerne.

7.. Anordning som angitt i ett av de foregående krav, karakterisert ved at det mellom det med senderen operativt forbundne legemet og det eller de til mottakere kobledé legemene finnes et parallelt med legemene anordnet langstrakt organ innbefattende fortrinnsvis regelmessig langs organet og hovedsaklig vinkelrett mot dette anordnede flater innrettet til å reflektere av det forstnevnte legemet til væsken utsendte ultralydsvingninger mot det eller de til mottakere koblede legemene .

8. Anordning som angitt i ett av kravene 1-4, karakterisert ved at ett eller flere av legemene mellom hvert stag har en mellom stagene bevegelig flottor innbefattende en flate anbragt hovedsaklig vinkelrett mot legemene, hvilken flate er innrettet til å reflektere i væsken utsendte ultralydsvingninger fra det med senderen operativt forbundne legemet mot det eller de med mottakere forbundne legemene.

9. Anordning som angitt i ett av kravene 1-4, karakterisert ved at anordningen innbefatter en eneste langs legemenes hele lengde bevegelig flottor som har en flate anbragt hovedsaklig vinkelrett mot legemene, hvilken flate er innrettet til å reflektere i væsken utsendte ultralydsvingninger fra det med senderen operativt forbundne legemet mot det eller de med mottakere forbundne legemene.