SE427711B - Anordning for bestemning av vetskeniva genom ekolodning med en ultraljudgivare for sendning av akustiska vagor in i en gasatmosfer - Google Patents

Description

7809990-9 bakre stödelement för att dämpa ringning hos kristallen, d.v.s. dämpa fortsatt vibration.hos kristallen efter excitering. Ma- ' terialen, av vilka mediet och stödelementet består, begränsar temperaturområdet, inom vilket mediet effektivt överför akus- tisk energi och stödelementet effektivt dämpar ringning.

I amerikanska patentskriften 2 430 013 föreslås ett an- passningsmedium, som befinner sig mellan en kristall och en vätska såsom vatten, som omger densamma. Härvid föreslås en tjocklek hos mediet av en udda multipel av kvartsvåglängder, varvid mediets akustiska impedans bibringas lämpligt värde ge- nom att tillfoga finfördelat material såsom glas.

I amerikanska patentskriften 3 995 179 föreslås ett bak- re stödelement, bestående av epoxiharts, i vilket ett antal spetsiga stålstavar är ingjutna.

Uppfinningen är baserad på uppgiften att utveckla en ultraljudgivare för noggran detektering av nivån för en vätske- yta i ett kärl oberoende av variationer i ljudhastighetsegen- skaperna hos gasatmosfären i kärlet mellan givaren och vätske- ytan och dessutom att utveckla ett anpassningsmedium, som an- passar den piezoelektriska kristallens impedans till gasatmos- fären, varvid detta medium skall ha jämförelsevis konstanta egenskaper med hänsyn till akustisk impedans och ljudhastighet inom ett stort temperaturområde.

En anordning av inledningsvis angiven art kännetecknas för ändamålet enligt uppfinningen av att givaren omfattar dels en i ett hölje anordnad piezoelektrisk kristall, dels ett föns- terskikt inuti höljet för överföring av akustiska vågor från kristallen till gasatmosfären, dels ett membran för att separe- ra kristallen från gasatmosfären utanför höljet, dels ett an- tal öppningar nedanför membranet i höljets sidovägg, dels ett långsträckt rör, som med en ände är infört i höljet till kort avstånd från membranet, så att ett gap uppstår, som tillsam- mans med öppningarna i sidoväggen bildar en strömningskanal mellan gasrummet vid ändan av röret och atmosfären, så att gas ej blir instängd i detta rum, varvid röret bildar ett knippa av från kristallen härrörande akustiska vågor, och dels en re- ferensreflektor, som sträcker sig från i närheten av höljet och 7809090-9 reflekterar en del av den sända vågen tillbaka mot kristallen, och att en elektronisk koppling ingår för manövrering av giva- ren på sådant sätt, att den avger akustiska vågor i form av periodiska pulser, och mätning av avstånd till vätskenivån.

Uppfinningen beskrives närmare nedan i exempelform med ledning av åtföljande ritning, där fig. 1 visar en tvärsnittsvy av en ultraljudgivare en- ligt uppfinningen, fig. 2 ett tvärsnitt genom den i fig. 1 visade givaren längs linjen 2 - 2, fig. 3 ett tvärsnitt genom givaren enligt fig. 1 längs linjen 3 - 3 i fig. 4, varvid olika detaljer är uteslutna, fig. 4 ett tvärsnitt genom den i fig. 1 visade givaren längs linjen 4 - 4 och fig. 5 ett blockschema för givarens elektroniska kopp- ling.

Enligt fig. 1 omfattar en ultraljudgivare 10 för en an- ordning för bestämning av vätskenivå i ett kärl, en kanal osv. genom ekolodning i stort ett hölje 12, som innehåller en piezo- elektrisk kristall 15 för alstring av akustiska vågor, ett långsträckt rör 13 som är fäst vid höljet för att bilda ett knippe-av akustiska vågor, som fortplantas från kristallen, och en referensreflektor 14, som reflekterar en del av vågorna i knippet tillbaka till kristallen i och för kalibreringsända- mål. Höljet 12 består av ett material, som förhindrar ring- ning, t.ex. klorerad polyvinylklorid. I praktiken kan givaren 10 vara monterad vid en stomme eller liknande konstruktionsdel medelst en vid höljet fäst fläns ll.

Inuti höljet 12 är akustiskt aktiva element monterade.

De visade elementen inbegriper den skivformade kristallen 15 och akustiskt ledande skikt 16 och 17, som anpassar kristal- lens 15 akustiska utstorhet till gasatmosfären utanför giva- ren 10, jämte ett vägdämpande bakre stödelement 18. Kristallen 15 är monterad på sådant sätt, att fortplantningsprimärrikt- ningen för vågorna från kristallen 15, som sträcker sig i rät vinkel mot kristallens 15 båda huvudytor, är parallell med rö- 7809090-'9 rets 13 längdaxel. Lämpligt material för kristallen 15 är bly- zirkonat-titanat med en karakteristisk radiell frekvens av cir- ka 50 kñz. I praktiken är huvudytorna åtminstone delvis belag- da med ett ledande material såsom silver. Det här använda ut- trycket "kristall" inbegriper både den piezoelektriska kroppen och den ledande beläggningen.

De akustiskt ledande skikten 16 och 17 bildar ett anpass- ningsmedium, som anligger mot den mot röret 13 vända huvudytan på kristallen 15. Skikten består av ett membran 17 och ett föns- terskikt 15, som befinner sig mellan membranet 17 och kristal- len 15. För att uppnå maximal energiöverföring har mediet en tjocklek i vågornas fortplantningsriktning, som är lika med en additiv vågfördröjning i mediet av cirka en udda multipel, före- ' trädesvis en multipel av en fjärdedel av kristallens 15 egen- period.

Skiktet 16 består av syntetiskt polymermaterial, före- trädesvis polyuretan, i vilket ihåliga glaskulor är homogent finfördelade för bildande av ett ämne med jämförelsevis kon- stanta egenskaper med hänsyn till akustisk impedans och ljud- hastighet inom ett temperaturområde över cirka 100° C, t.ex. från cirka -300 C till 70° C. Dessa egenskaper torde härröra från de ihåliga glaskulornas deformationsförmåga. Företrädes- vis utgör glaskulorna cirka 10 viktprocent av skiktet 16 och har diametrar inom området 20 - 300 mikron. Ett särskilt lämp- ligt material för glaskulorna är natriumborsilikat. Särskilt väggtjocklek för kulorna är cirka 2 mikron. För att bibringa anpassningsmediet nämnda jämförelsevis konstanta egenskaper ut- gör skiktet 16 cirka 90 % av mediets totala tjocklek eller cir- ka nio gånger tjockleken av membranet 17. Membranet 17 är fäst vid skiktet 16 på dess från kristallen 15 vända sida. Membra- nets 17 främsta uppgift är att skydda innerdelarna av höljet 12 från innehållet i kärlet. Membranet 17 består företrädes- vis av samma material som höljet 12.

Det dämpande stödelementet 18 anligger mot kristallen 15 på dess från anpassningsmediet vända yta och sträcker sig fö- reträdesvis omkring kanterna på kristallens 15 övre huvudyta för att även dämpa fortplantning från kristallens 15 sidovägg. - ?8u909n-9 Stödelementet 18 innehåller lämpligen ett antal solida blyku- lor 21 med en diameter av cirka 2 - 3 mm, vilka är anordnade i beröring med eller omedelbart intill kristallen 15 och varand- ra för att absorbera akustisk energi från kristallen 15. Mel- lanrummen mellan sfärerna är fyllda med ett syntetiskt poly- mermaterial såsom polyureten. I praktiken förhindrar elementet 18 kristallens 15 ringning inom ovannämnda temperaturområde mellan cirka -3o° c till 7o° c. vid den visade utföringsformen är höljet 12 upptill tillslutet medelst en huv 25. Två trådar 23 och 24 är dragna genom huven 25 i och för anslutning till kristallens 15 huvud- ytor. De ofyllda rummen i höljet 12 är vidare fyllda med poly- uretanskum 26, och solitt polyuretanmaterial 27.

Eöljet 12 har en rörformad sidovägg, som sträcker sig nedanför membranet 17 och bildar organ för montering av röret 13. I sidoväggen är tvâ slitsar 19 utformade på diametralt motsatta ställen och tre cirkulära öppningar 20 med lika mel- lanrum runt sidoväggen.

Det långsträckta röret 13 sträcker sig vertikalt nedåt från höljet 12 och består av ett material, som förhindrar vib- rationer hos röret 13. Plastmaterial såsom klorerad polyvinyl- klorid är lämpliga. Röret 13 är i sin övre avfasade ände 30 teleskopformigt infört i höljet 12 och befinner sig på kort av- stånd nedanför membranet 17, så att ett gap 31 bildas omkring rörets 13 överdel. Gapet 31 bildar tillsammans med den avfasa- de änden 30 och de tre öppningarna 20 i sidoväggen på höljet 12 en kanal för strömningsförbindelse mellan gasrummet, som är inneslutet vid änden 30 av röret 13, och atmosfären utanför röret 13.

Den i givaren 10 ingående referensreflektorn 14 omfattar en U-formad stång, som sträcker sig vertikalt nedåt från i när- heten av höljet 12 på sådant sätt, att röret 13 och reflektorn 14 oberoende kan vidga och sammandraga sig med temperatur.

Stången omfattar två ben 32a och 32b, som vid ena änden vid slitsarna 19 är förbundna med höljet 12 och röret 13. Benen 32a och 32b är i glidbar beröring med utsidan av rörets 13 si- dovägg, som är försedd med två diametralt motsatta spår 33, i 78Û909Ü“9 vilka benen 32a och 32b passar i och för stöd i sidled.

En skena 34, över vilken ett rör av plastmaterial 35 är fört för att uppnå större yta för reflektion av akustiska vågor, sammanbinder de båda benen 32a och 32b i deras ytter- ändar. Skenan 34 sträcker sig i rät vinkel mot riktningen för vågornas fortplantning i röret 13 på ett avstånd av cirka 36 cm från kristallen. Ett extra minimumavstånd av cirka 9 om mellan skenan 34 och vätskeytan erfordras för detektering av ytan och för att skilja densamma från skenan 34. Benen 32a och 32b består av ett material med låg värmeutvidgningskoefficient, så att skenan 34 kvarstannar på jämförelsevis konstant bestämt avstånd från kristallen 15 inom ovan angivna temperaturområde.

Flertalet metaller såsom rostfritt stål är lämpliga.

Den i fig. 5 visade elektroniska kopplingen för drift av givaren 10 omfattar en anordning 40 för sändning av akus- tiska vågor från kristallen 15 såsom periodiska pulser, en an- ordning 4l för detektering av från skenan 34 reflekterade pul- ser och detektering av från en yta reflekterade pulser, en första digital anordning 43 för räkning, som utlöses med de pe- riodiska pulserna, en anordning 44 för inställning av räkne- hastigheten vid anordningen 43 på sådant sätt, att tidsperio- den, under vilken pulserna flyttas från kristallen till skenan 34 och åter, representerar ett konstant räknetillstånd, och en ' andra digital anordning 45 för räkning med en hastighet, som varierar proportionellt mot anordningens 43 räknehastighet, under tidsperioden mellan detekteringen av de reflekterade pul- serna från skenan 34 och detekteringen av de reflekterade pul- serna från ytan.

Den elektroniska kopplingen kan t.ex. innehålla en ge- mensam förstärkarkedja 41 för behandling av de reflekterade pulserna från skenan 34 och ytan. Inställning av den första di- gitala anordningen kan ske medelst en faslâsningsslinga 44, i vilken den första digitala anordningen räknar upp till ett kon- stant värde. En enda digital tidgivare kan bilda den första och den andra digitala anordningen.

I praktiken är ultraljudgivaren l0 monterad upptill på en sluten behållare, innehållande en vätska. Röret l3 sträcker 7809090-9 sig vertikalt nedanför höljet 12 in i gasatmosfären i den slut- na behållaren. Den elektroniska kopplingen matar periodiskt en elektrisk spänning för excitering av kristallen för sänd- ning av en puls av akustiska vågor genom anpassningsmediet och ned i röret 13 i riktning mot ytan på vätskan i behållaren.

Stödelementet 18 dämpar de akustiska vågorna, som utsändes från kristallens 15 övre huvudyta. Reflexer av pulsen från skenan 34 och vätskeytan detekteras medelst kristallen 15, in nan denna åter aktiveras medelst kopplingen.

När pulsen förflyttas ned längs röret 13, träffar en del vågfronten skenan 34 och reflekteras tillbaka i riktning mot kristallen l5. Denna reflekterade puls aktiverar kristal- len l5 när den träffar densamma, så att den alstrar en elekt- risk spänning, som detekteras medelst kopplingen. Den första digitala anordningen, som tidigare blivit utlöst, när kristal- len 15 ursprungligen aktiverades, har vid detekteringen eller har ej nått ett förutbestämt konstantvärde. Om konstantvärdet uppnås av den första digitala anordningen 43 före detektering- en, reduceras räknehastigheten, medan räknehastigheten ökas, om konstantvärdet uppnås efter detekteringen. I beroende av inställning utlöses räkningen omedelbart åter från noll. Pul- sen fortsätter nedåt förbi skenan 34, träffar vätskeytan och en del av vågfronten reflekteras tillbaka. Om röret 13 antages bilda en vinkel av flera grader i förhållande till vertikal- linjen, återinträder en tillräckligt reflekterad puls från vätskeytan i röret 13 och aktiverar kristallen l5 genom att träffa densamma, så att den alstrar en elektrisk spänning, som detekteras av kopplingen. Räkningen stoppas åter och detta and- ra räknetillstånd är proportionellt mot det kända avståndet mellan kristallen 15 och skenan 34. Räknetillståndet kan sedan omvandlas till en spänning och indikeras på en voltmeter 46 för att ange en speciellt ytnivå. Beroende av variationer i ljud- hastigheten i behållaren ger samma nivå upphos till samma and- ra räknetillstånd. variationer i ljudhastigheten kompenseras genom inställning av hastigheten för den första och den andra räkningen.

Strömningskanalen genom gapet 31 och öppningarna 20 för- 'ZSÛ9Û9Û-9 F hindrar, att mindre täta komponenter i gasatmosfären blir in- stängda i röret 13. Dessa instängda gaskomponenter kan ge upp- hov till egenskaper med hänsyn till ljudhastigheten i röret 13, som ej är utmärkande för atmosfären och därmed förhindra, att inställningsanordningen 44 noggrant kompenserar variationer i atmosfärens egenskaper med avseende på ljudhastighet.

Skenan 34 i referensreflektorn 14 förblir på jämförelse- vis konstant avstånd från kristallen 15 oberoende av tempera- turvariationer. Detta beror på benens 32a och 32b låga värme- utvidgningskoefficient och deras infästning i närheten av höl- jet. Ä andra sidan har röret 13 möjlighet att vidga och samman- draga sig med temperaturändringar i enlighet med dess värmeut- vidgningskoefficient, som för plastmaterial är avsevärt högre än som är acceptabelt för benen 32a och 32b och hög noggrann- het skall uppnås.

Givaren 10 kan även användas för mätning av avståndet till ett fast föremål, i vilket fall röret 13 ej behöver vara orienterat vertikalt.

Claims (5)

7809099-9 Patentkrav

1. Anordning för bestämning av vätskenivâ genom ekolod- ning med_en ultraljudgivare (10) för sändning av akustiska vå- gor in i en gasatmosfär, k ä n n e t e c k n a d av att givaren (10) omfattar dels en i ett hölje (12) anordnad piezo- elektrisk kristall (15), dels ett fönsterskikt (16) inuti höl- jet för överföring av akustiska vågor från kristallen till gas- atmosfären, dels ett membran (l7) för att separera kristallen från gasatmosfären utanför höljet, dels ett antal öppningar (20) nedanför membranet i höljets sidovägg, dels ett långsträckt rör (13), som med en ände är infört i höljet till kort avstånd från membranet, så att ett gap (31) uppstår, som tillsammans med Föppningarna i sidoväggen bildar en strömningskanal mellan gas- rummet vid änden av röret och atmosfären, så att gas ej blir instängd i detta rum, varvid röret bildar ett knippe av från kristallen härrörande akustiska vågor, och dels en referens- reflektor (14), som sträcker sig från i närheten av höljet och reflekterar en del av den sända vågen tillbaka mot kristallen, och att en elektronisk koppling fig. 5) ingår för manövre~ ring av givaren på sådant sätt, att den avger akustiska vågor i form av periodiska pulser, och mätning av avstånd till väts- kenivân.

2. Anordning enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k ~ n a d av att fönsterskiktet (16) är sammansatt av akustiskt ledande material, i vilket ihåliga glaskulor med en diameter av 20 - 300 mikron är finfördelade, så att detta skikt har jänw förelsevis konstanta egenskaper med avseende på akustisk impe- dans och ljudhastighet inom ett bestämt temperaturområde.

3. Anordning enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k - n a d av att glaskulorna utgör cirka l0 viktprocent av skik- tet (16). 7809990-9 10

4. Anordning enligt patentkrav l, 2 eller 3, k ä_n n e t e«c k n a d av att referensreflektorn (14) består av en U-formad del med tvâ ben (32a, 32b) av ett material med låg värmeutvidgningskoefficient, som är i glidbar beröring med rörets (13) sidovägg längs en avsevärd del av sin längd, och med ett element (34), som förbinder de båda benen inbördes och sträcker sig i rät vinkel mot vågornas fortplantning i röret, så att detta element reflekterar en del av den sända vågen till- baka mot kristallen (15) och avståndet mellan kristallen och elementet förblir i huvudsak konstant inom ett bestämt tempera- turområde.

5. Anordning enligt patentkrav 4, k ä n n e t e c k - n a d av att den elektroniska kopplingen omfattar dels ett sändarsteg (40) för sändning av akustiska vågor från kristallen (15) såsom periodiska pulser i röret (13), dels ett mottagar- steg (41) för detektering av pulser, som reflekterats av ele- mentet (34) och av en yta tillbaka in i röret, dels en första räknare (43), som räknar upp till ett konstantvärde och är ut- lösbar medelst de periodiska pulserna, dels ett inställnings- steg (44) för inställning av räknaren (43) på sådant sätt, att tidsperioden, under vilken de periodiska pulser fortplantas från kristallen (15) till elementet (34), representerar konstant- värdet, och dels en andra räknare (45) för räkning med en has- tighet, som varierar proportionellt mot den första räknarens (43) räknehastighet under en tidsperiod mellan detekteringen av reflekterade pulser från elementet (34) och detekteringen av de från ytan reflekterade pulserna.