NO145739B - Fremgangsmaate og anordning for maaling av fyllnivaaet i en beholder, henholdsvis massegodshoeyden paa en lagerplass - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte

av den type som er angitt i ingressen til patentkrav 1.

Oppfinnelsen vedrører også en anordning for utførelse av fremgangsmåten.

Det er kjent at den i krav l's ingress nevnte ekko-loddmåling finner anvendelse såvel for fyllnivåmåling i åpne og lukkede beholdere som for måling av massegodshøyden på lagerplasser. For enkelhets skyld skal i det følgende som et typisk eksempel fyllnivåmålingen i en beholder omtales.

De kjente fremgangsmåter av denne type utføres vanligvis med anordninger som inneholder en av en elektrisk pulsgenerator aktivert elektro- akustisk senderomvandler og en med en elektronisk tidsmåleranordning forbundet akustisk-elektrisk mottageromvandler, idet senderomvandleren og mottageromvandleren er montert over massegodset i beholderen. Senderomvandleren utsender en lyd- eller ultralydimpuls,

hvis varighet er så kort som mulig i forhold til den kortest forekommende totalløpetid (som motsvarer det høyeste fyllnivået i beholderen). Senderimpulsen treffer overflaten på fyllgodset, hvorfra en brøkdel av den utsendte energi reflekteres som en ekkopuls som går tilbake til mottageromvandleren. En tidsmåleanordning måler tidsperioden mellom begynnelsen av utsendingen av sendeimpulsen og begynnelsen av mottagelsen av ekkopulsen. Denne tidsperiode motsvarer totalløpetiden for pulsene fra senderomvandleren til overflaten på massegodset og tilbake til mottageromvandleren og utgjør et mål for den av pulsene tilbakelagte strekning, ettersom lydhastigheten er kjent. Befinner de to omvandlerne seg i samme høydenivå (eller er de sammenslått til en eneste omvandler), så er denne totalstrekning lik den dobbelte avstand mellom omvandlerne og massegodsets overflate). Da på den andre siden avstanden til omvandleren fra bunnen av beholderen er kjent,kan man med dette beregne fyllnivået i beholderen.

Ved disse kjente metoder og anordninger foreligger det en betydelig risiko for feilmålinger. I beholderen kan det oppstå forstyrrende pulser som når frem til mottageromvandleren og av denne vurderes som ekkopulser. Dersom det etter utsendingen av en senderpuls fremkommer en slik feilpuls ved mottageromvandleren før den riktige ekkopuls inn-kommer, så vil innretningen måle en altfor kort tidsperiode og dermed indikere et altfor høyt fyllnivå. Risikoen for at det skal forekomme slike feilpulser er spesielt stor når målingen av fyllnivået utføres under fylling eller tøm-ming av beholderen. Slik måling er spesielt nødvendig for styringen av automatiske fylle- og tømmeforløp, slik at man ved oppnåeIsen av en bestemt maksimal fylling kan avslutte fyllingen, eller kan starte fyllingen når et helt bestemt, minimalt fyllnivå er nådd under tømming. Ved slike forløp oppstår det vanligvis et betydelig støynivå som kan forår-sake feilpulser, med det resultat at man får de nevnte feilmålinger. Ettersom feilmålingen alltid vil angi en altfor høy fylling, har dette til følge at beskikkingen av beholderen avsluttes for tidlig, dvs. før det ønskede maksimale fyllnivået er nådd, eller at beskikkingen ikke settes igang ved en tømming, selv om det tillatte minste fyllnivå allerede er underskrevet.

Sannsynligheten for at det oppstår feilpulser ved mottageromvandleren er desto større jo større tidsperioden mellom sender- og mottagerpulsen er, dvs. jo lavere fyllnivået er. På den andre siden blir imidlertid også det ved fyllingsforløpet tilveiebragte støynivå desto større jo lavere fyllnivået er, fordi massegodset da jo har en større fallhøyde. Således oppstår det nettopp ved lavere fyllnivå en øket fare for feilmålinger som fører til indikering av et altfor høyt fyllnivå.

Dette fenomen gjør seg sterkere merkbart jo høyere beholderen er. Den til mottageromvandleren innkomne brøkdel av senderenergien blir nemlig desto mindre jo større den av senderpulsen og av ekkopulsen tilbakelagte strekning er. Følsomheten til mottageromvandleren og i de til denne knyt-tede koplinger må være så høy at man selv ved den største forekommende løpetid, dvs. ved lavest forekommende fyllnivå, kan få en sikker vurdering av ekkopulsen. Jo høyere denne følsomhet er, desto større blir imidlertid også risikoen for reagering på feilpulser. For å unngå en altfor høy følsomhet på mottagersiden anvender man en så stor energitetthet pr. tidsenhet. Utsendingen av lydpulser med stor energitetthet krever igjen omfattende anordninger på sendersiden.

Oppfinnelsen tar sikte på å tilveiebringe en fremgangsmåte og en anordning for måling av fyllnivået til en beholder henholdsvis massegodshøyden på lagerplasser ved hjelp av ekkoloddprinsippet, idet man særlig tar sikte på å eliminere faren for feilmålinger som følge av de gjennom støynivået forårsakede feilpulser, og målingen skal gjennomføres med relativ lav energitetthet i senderpulsene.

Dette oppnås ved hjelp av de kjennetegn som er fremhevet i patentkrav 1.

Ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen arbeider man med relativt lange pulser, hvis varighet er så stor at selv ved den største forekomne totalløpetid, dvs. det lavest forekommende fyllnivå, vil mottagelsen av ekkopulsen begynne før utsendingen av senderpulsen er avsluttet. Ekkopulsen har like stor varighet som senderpulsen, men den kommer til mottageromvandleren med en tidsforskyvning som svarer til den totalløpetid som skal måles. Som følge herav blir også tids-avstanden mellom avslutningen av senderpulsen og avslutningen av ekkopulsen like stor som totalløpetiden, og danner et mål for fyllnivået i beholdere henholdsvis for massegodset-høyden på lagerplassen. Ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen måles den tid som ekkopulsen forutsetter etter avslutningen av senderpulsen.

Man vil umiddelbart forstå at feilpulser som oppstår under utsendingen av senderpulsen ikke vil ha noen innvirk-ning på målingen, fordi det under denne tidsperiode ikke skjer noen tidsmåling. Imidlertid kan heller ikke feilpulser som opptrer under utførelsen av tidsmålingen forfalske måleresultatet. Det skyldes at disse feilpulser da vil overlagres på den forhåndenværende ekkopuls, men de kan ikke forveksles med avslutningen av ekkopulsen, som jo er avgjørende for avslutningen av tidsmålingen. På denne måten utelukker man praktisk talt feilmålinger som forårsakes av feilpulser, og fremgangsmåten egner seg spesielt for utførelse av nivåmål-inger hvor støynivået er betydelig, hvilke forhold man særlig har under fylling og tømming.

Som følge av ufølsomheten overfor feilpulser kan man arbeide med betydelig lavere energinivåer. Da dessuten puls-energien fordeler seg over en betydelig pulsvarighet, vil senderpulsene ha en lav energitetthet. Utsendelsen av pulser med større varighet og med relativ lav energitetthet er mulig ved hjelp av vesentlig enklere og billigere utstyr enn en utsendelse av meget korte pulser med høy energitetthet.

En spesiell fordel med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ligger videre i at den relativt lange sender<p>uls kan moduleres på en enkel måte. Dersom den på mottagersiden for vurdering av ekkopulsen anvendte anordning er slik utført at den reagerer selektivt på moduleringen, så oppnås ytterligere en mulighet for uteslutting av ikkeønskede feilsignaler.

Det er dessuten mulig uten vanskeligheter å tilpasse det for utførelse av fremgangsmåten anvendte arrangement til beholdere henholdsvis lagerplasser med meget ulike høyder. For dette kreves bare en innstilling av senderpulsens varighet i overensstemmelse med avstanden mellom omvandlerne og beholderens bunn. I motsetning hertil må man ved de kjente fremgangsmåter hvor man arbeider med korte pulser, anvende ulike omvandlere for høydeforskjeller på ca. 10 til 15 m, hvilke omvandlere er motsvarende avstemte.

En anordning for utførelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen inneholder på vanlig måte en av en elektrisk pulsgenerator aktivert elektro-akustisk senderomvandler og en akustisk-elektrisk mottageromvandler, hvis utgang er forbundet med en elektronisk tidsmåleanordning, hvor senderomvandleren og mottageromvandleren er montert over fyllgodset i beholderen henholdsvis over massegodset på lagerplassen,

og denne anordning kjennetegnes ifølge oppfinnelsen av at det er anordnet en styrekrets som ved slutten av senderpulsen setter igang tidsmåleanordningen og stopper tidsmåleanordningen ved slutten av ekkopulsen.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere nedenfor under henvisning til tegningen hvor

fig. 1 viser et skjematisk riss av en beholder hvor målingen av fyllnivået skjer med ekkoloddprinsippet,

fig. 2 viser et diagram for den kjente fyllnivåmåling med korte pulser og fyllnivåmåling ifølge oppfinnelsen, og

fig. 3 viser et blokkskjerna for en utførelsesform av anordningen ifølge oppfinnelsen.

Fig. 1 viser et skjematisk snitt gjennom en lukket beholder 1 som inneholder en fyllmasse 2. Man kan her eksempelvis anta at der er kornformet massegods som befinner seg i beholderen. Godset kan innføres i beholderen gjennom en i beholderens lokk anordnet fyllestuss 3, og tas ut gjennom en tømmestuss 4 anordnet nederst i beholderen.

For måling av fyllnivået i beholderen er det øverst

i beholderen anordnet en elektro-akustisk omvandler 5 som ved aktivering ved hjelp av en ikke vist elektrisk pulsgenerator tilveiebringer en senderpuls S i form av en lyd-eller ultralydbølge som fra omvandleren 5 brer seg ut til overflaten på godset 2. Ved godsoverflaten reflekteres en brøkdel av senderpulsens energi og går tilbake som en ekkopuls E til omvandleren 5. En til omvandleren 5 tilknyttet, ikke vist tidsmåleanordning måler totalløpetiden fra begynnelsen av utsendingen av sendepulsen S og frem til begynnelsen av mottagelsen av ekkopulsen E. Denne totalløpetid er åpenbart dobbelt så stor som den enkle løpetid for sendepulsen S fra omvandleren 5 og frem til overflaten på godset 2. Lydhastigheten i rommet over godset 2, hvilket rom er fylt med gass, er kjent. Fra den målte tid kan man således regne ut den av senderpulsen frem til overflaten på godset tilbakelagte strekning L^. På den andre siden er avstanden LM mellom omvandleren 5 og referanseplånet 6 som svarer til fyllnivået 0, kjent. Man kan derfor beregne det fyllnivået som man er interessert i å måle, ut ifra følgende ligning:

I diagrammet a og b i fig. 2 er de forhold vist som oppstår om man utfører den i fig. 1 viste fyllnivåmåling ved senderpulser hvis varighet er kort sammenlignet med den løpe-tid som skal måles. Som diagrammet a i fig. 2 viser, begynner ved tidspunktet tQutsendingen av senderpulsen S, og ved tidspunktet t begynner ekkopulsen E å komme inn til omvandleren 5. Tidsmåleanordningen kan måle den tidsperiode T som er proposjonal med strekningen L . Tidsmåleanordningen

X A

igangsettes for dette formål under begynnelsen av sendepulsen S og skal stoppes når ekkopulsen E begynner.

Da man imidlertid ikke vil måle strekningen L^, men fyllnivået H^, innstilles tidsmåleanordningen før målingen begynner på en verdi som svarer til avstanden L^. Tidsmåleanordningen er utført slik at den etter igangsettingen minsker indikeringen av denne begynnelsesverdi lineært med en hastighet som er avpasset slik at indikeringsverdien 0 oppnås etter en til avstanden L svarende totalløpetid TM

(ved tidspunktet tM) . Dette er i diagram b i fig. 2

vist med stiplede linjer. Stoppes tidsmåleanordningen ved tidspunktet txved hjelp av ekkopulsen E, er indikeringen minsket med en verdi som svarer til strekningen L^, man har således fått en direkte indikering av fyllnivået Hv.

Denne virkning kan eksempelvis oppnås ved at man som tidsmåleanordning anvender en digital bakoverregnemaskin som før målingens begynnelse innstilles i en til strekningen LM svarende begynnelsesregnestilling og etter igangsettingen minsker sin regnestilling gjennom en regning av taktpulser med konstant frekvens. Samme virkning kan også oppnås ved hjelp av en analog hukommelse som eksempelvis inneholder en kondensator, idet kondensatoren før målingens begynnelse lades opp til en begynnelsesspenning, og etter igangsettingen av tidsmåleanordningen utlades lineært.

Om det ved denne metodikk mellom utsendelsen av senderpulsen S og mottagelsen av ekkopulsen E ved mottageromvandleren forekommer forstyrrende pulser P med en slik styrke og av en slik beskaffenhet at de behandles som ekkopulser, vil tidsmåleanordningen stoppes ved tidspunktet t , dvs. når den første feilpulsen P forekommer.Tidsmåleanordningen har da bare målt en totalløpetid T som svarer til en strekning L^, og man vil derfor få en feilaktig indikering, dvs. et feilaktig fyllnivå H .

Denne feilkilde utelukkes med den metodikk som fremgår av diagrammene c-f i fig. 2. Diagrammet c viser den med denne fremgangsmåte utsendte senderpuls S. Dennes varighet Tg er større enn den største forekommende totalløpetid TM

Senderpulsen opphører således på et tidspunkt t ssom ligger etter tidspunktet tM>

Mottagelsen av den motsvarende ekkopuls E, som vist i diagrammet d, begynner etter den til den angjeldende fyllnivå svarende totalløpetid Txved tidspunktet tx>Ekkopulsen har naturligvis like stor varighet Tg som senderpulsen, og den slutter ved det tidspunkt t 6 , som med en tidsperiode TA<*>.

ligger etter tidspunktet tg, hvilket svarer til senderpulsens avslutning.

Det innses umiddelbart at tidsperioden T<A>'er nøyaktig

like stor som tidsperioden T .

rx

Tidsmåleanordningen er videre anordnet slik at den med utgang fra en til strekningen LM svarende begynnelsestilstarid

lineært minsker sin indikering-(diagram f). Den kommer imidlertid i dette tilfellet til å igangsettes ved slutten av senderpulsen ved tidspunktet t sog stoppes ved slutten av ekkopulsen ved tidspunktet t . Det ved stoppingen oppnådde sluttnivå svarer da nøyaktig til det fyllnivå H A som skal måles.

For styringen av tidsmåleanordningen anvendes fortrinns-vis en styreanordning som tilveiebringer en senderpuls C (diagram e) som begynner med avslutningen av senderpulsen S og opphører med avs.lutningen av ekkopulsen E. Styrepulsen C har således varigheten .

Man innser umiddelbart at feilpulser som opptrer under varigheten av senderpulsen S, overhodet ikke får noen inn-flytelse på målingen, fordi det under denne tidsperiode ikke skjer noen tidsmåling.

Feilpulser som opptrer under tidsmålingen mellom tids-punktene tg og t , kan ikke forfalske måleresultatet, idet de bare overlagres på ekkopulsen E og ikke kan forveksles

Feilpulser som opptrer under tidsmålingen mellom tids-punktene t og t , kan ikke forfalske måleresultatet, idet de bare overlagres på ekkopulsen E og ikke kan forveksles med slutten av ekkopulsen. Det er jo bare slutten av ekkopulsen som er avgjørende for opphøringen av tidsmålingen.

Feilpulser som oppstår etter opphøringen av tidsmålingen kan lett gjøres uvirksomme ved hjelp av tiltak som forhindrer ny igangsetting av tidsmålingen. Den eneste feilkilde som foreligger ved denne fremgangsmåte, er forlengelse av tidsmålingen som følge av en feilpuls som overlagres ved slutten av ekkopulsen. Sannsynligheten for oppståelsen av en slik feilpuls er imidlertid relativt liten. Den her igjen-nom forårsakede feil vil også bare være liten, fordi varigheten til feilpulsen vanligvis er meget kort. Med den beskrevne fremgangsmåte kan man også bortkople denne feilkilde ved å

gi senderpulsen en modulering og utforme mottageranordningene på en slik måte at de bare reagerer på signal som oppviser denne modulering.

Fig. 3 viser blokkskjemaet for en koplingsanordning

for utførelse av den ovenfor beskrevne fremgangsmåte.

I denne figur er beholderen 1 med gods 2 og omvandleranordningen 5 inntegnet. En elektrisk generator 10 tilveiebringer pulser med denønskede frekvens av lyd- eller ultra-lydbølger. Lengden av denne puls bestemmes gjennom en inn-stillbar tidsgiver 11. Pulsgeneratorens 10 utgang er via en forsterker 12 forbundet med senderomvandleren i omvandleranordningen 5, hvilken således i beholderen 1 sender ut en lyd- eller ultralydpuls som har den i diagram c i fig. 2

viste varighet Tg.

Den av mottageromvandleren i omvandleranordningen 5 mottatte ekkopuls E mates til en forsterker 13 med styrbar forsterkning, til hvis utgang en firkantpulsformer 14 er tilknyttet. Forsterkningsstyreinngangen på den styrbare forsterker 13 er tilsluttet en forsterkningsstyrekrets 15, som på den ene siden via en firkantpulsformer 16 er forbundet med pulsgeneratorens 10 utgang og på den andre siden er forbundet med firkantpulsformeren 14.

Forsterkningsstyrekretsen 15 er utført slik at den under varigheten til den av firkantpulsformeren 16 avgitte firkantpuls således under senderpulsens S varighet holder forsterkerens 13 forsterkning på verdien 0 eller på en meget liten verdi, slik at over denne tidsstrekning vil forsterkeren 13 praktisk talt ikke avgi noe utsignal. Etter senderpulsens S slutt (dvs. ved tidspunktet t i fig. 2) bringer forsterkningsstyrekretsen 15 forsterkerens 13 forsterkning opp til en for behandlingen av ekkopulsen tilstrekkelig høy verdi, slik at forsterkeren 13 nå under varigheten til ekkopulsen E avgir et utsignal som av firkantpulsformeren 14 bringes til formen av en firkantpuls . Denne firkantpuls opphører med slutten av ekkopulsen og svarer således til styrepulsen C som vist i diagrammet e i fig. 2.

Den av firkantpulsformeren 14 avgitte firkantpuls styrer en digital bakoverregnemaskin 17 som før hver måling gjennom en forinnstillingskrets 18 innstilles på en begynnelsesregnestilling og under firkantpulsens varighet bakover-regner de av de taktgiver 19 avgitte taktpulser med konstant frekvens.

Til bakoverregnerens 17 trinnutgaver er en dekoder 20 tilknyttet. Denne avgir et til den rådende regnestilling svarende utsignal. Dette utsignal kan indikeres i en digital indikeringsanordning 21 eller i en analog indikeringsanordning 22, og avgir etter stoppingen av bakoverregnemaskinen direkte det fyllnivå H A som skal måles, slik det fremgår av diagrammet f i fig. 2.

For tilpassing av denne kopling til beholderen 1 med ulike stois høyder behøver man bare innstille varigheten av senderpulsen i tidsgiveren 11 og begynnelsesregnestillingen i forinnstillingskretsen 18 i motsvarighet til den største forekommende løpetid.

En modifisering av denne koplingen kan bestå i at den digitale bakoverregnemaskin 17 erstattes med en analog hukommelse som inneholder en kondensator som før målingens begynnelse gis en begynnelsesladning, og som under varigheten til den av firkantpulsformeren 14 avgitte firkantpuls utlades lineært. Den ved slutten av tidsmålingen oppnådde kondens-atorspenning kan indikeres direkte i en analog indikeringsanordning. Ønsker man en digital indikering, tilsluttes analoghukommelsen en analog-digital-omvandler.

Ytterligere en fordelaktig utforming av koplingsan-ordningen i fig. 3 består i at senderpulsene gis en modulering, og at mottageranordningen utformes på en slik måte at den bare reagerer på mottagersignaler som har denne modulering. For dette formål kan pulsgeneratoren 10 styres ved hjelp av den i fig. 3 antydede moduleringssignalkilde 23, og forsterkeren 13 kan forkoples med en med stiplede linjer antydet demodulator 24. Moduleringen kan være amplitud-modulering eller frekvensmodulering.

Anvendelsen av frekvensmodulering byr på ekstra mulig-heter. Således kan man eksempelvis markere slutten av senderpulsen gjennom en moduleringsendring, for derigjennom å oppnå at den uunngåelige ettersvinging i omvandleren ikke skal ha noen påvirkning på måleren. Også nøyaktig kjennskap til senderpulsens varighet og ekkopulsens varighet mulig-gjøres gjennom frekvensmodulering av den langvarige bølge-puls av denne type. Dette innebærer i sin tur at man ved hjelp av egnet elektronikk kan hoppe over det analoge mellomtrinn i vurderingen og gå direkte til en digital vurdering, hvilket i sin tur innebærer en redusering av føl-somheten overfor forstyrrelser i anordning. Likeledes vil man ved hjelp av en slik direkte digital regning automatisk få en angivelse av gjennomsnittsverdien.

Ytterligere en fordel med en slik modulering av bølgepulsen ligger i at man med enkel faseavfølning kan dele opp den store målingen i fine digitalseparate avsnitt.

Dessuten muliggjør utsendelsen av en lang bølgepuls en utnyttelse av Doppler-effekten gjennom en bestemmelse av frekvensforskyvningen i ekkoet, som av det fallende gods gjenspeiles som feilpulser. Herigjennom blir det mulig å skille det fra godsets overflate utsendte nyttige ekko ifra de forstyrrende ekkoer.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for måling av fyllnivået i en beholder (1) henholdsvis massegodshøyden på en lagerplass ved hjelp av ekkoloddprinsippet gjennom måling av totalløpetiden til en mot overflaten på massegodset (2) nedoverrettet lyd- eller ultralydpuls (5) og den fra massegodsets overflate reflek-terte ekkopuls (E),karakterisert vedat den lyd- eller ultralydpuls som utsendes, har varighet i det minste like stor som den til det lavest forekommende fyllnivå svarende totalløpetid, og at tidsperioden mellom slutten av sendepulsen og slutten av ekkopulsen måles som mål på fyllnivået i beholderen eller massegodshøyden på lagerplassen.

2. Anordning for utførelse av fremgangsmåten ifølge krav 1, ved hjelp av en av en elektrisk pulsgenerator (10) aktivert elektroakustisk senderomvandler og en akustisk-elektrisk mottageromvandler (5), hvis utgang er forbundet med en elektronisk tidsmåleanordning (17,...22), idet senderomvandleren og mottageromvandleren (5) er montert over fyllgodset i beholderen henholdsvis over massegodset på lagerplassen,karakterisert vedat en styrekrets (13, 14, 15, 16) er anordnet, hvilken styrekrets ved slutten av senderpulsen igangsetter tidsmåleanordningen (17, 18, 19, 20, 21, 22) og ved slutten av ekkopulsen stopper tidsmåleanordningen.

3. Anordning ifølge krav 2,karakterisertved at tidsmåleanordningen (17, 18, 19, 20, 21, 22) inneholder en digital bakoverregnemaskin (17) som før hver måling innstilles på en begynnelsesregnestilling og hvis bakover-regning innledes og avsluttes gjennom styrekretsen (13, 14, 15, 16) .

4. Anordning ifølge krav 2,karakterisertved at tidsmåleanordningen (17, 18, 19, 20, 21, 22) inneholder en analog hukommelse (17) som inneholder en kondensator som før hver måling opplades til en begynnelses-tilstand, og hvis utladning innledes og avsluttes gjennom styrekretsen (13, 14, 15, 16).

5. Anordning ifølge krav 2-4,karakterisertved at styrekretsen (13, 14, 15, 16) inneholder en til mottageromvandleren tilsluttet forsterker (13) med styrbar forsterkningsfaktor, samt en forsterkningsstyrekrets (15) som under senderpulsens varighet holder forsterkerens (13) forsterkningsfaktor på verdien 0 eller på en meget liten verdi, og under ekkopulsens varighet holder nevnte forsterkningsfaktor på en større verdi.