WO2006016224A2 - Ultraschall-niveausensorvorrichtung - Google Patents

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WO2006016224A2
WO2006016224A2 PCT/IB2005/002239 IB2005002239W WO2006016224A2 WO 2006016224 A2 WO2006016224 A2 WO 2006016224A2 IB 2005002239 W IB2005002239 W IB 2005002239W WO 2006016224 A2 WO2006016224 A2 WO 2006016224A2
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ultrasonic
level sensor
liquid
ultrasonic transducer
sensor device
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Franz-Georg Gärtner
Stephan Rother
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Landis+Gyr Gmbh
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Publication date
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    • G01F25/00—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume
    • G01F25/20—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume of apparatus for measuring liquid level

Definitions

  • the invention comes from the technical field of ultrasonic measurement technology. It relates to an ultrasonic level sensor device according to the preamble of claim 1.
  • - Food beer, wine, sparkling wine, juices, milk, food oils
  • - flammable liquids gasoline, kerosene, petroleum, turpentine, methanol, ethanol, acetone
  • Devices for level measurement or interface measurement between liquids are known.
  • such devices consist of a sensor in the
  • a "sauna effect” can be observed, which means that the speed of sound in air can differ by more than 10% due to remarkable temperature differences in the air between the surface of the medium to be measured and the measuring location
  • air is very compressible, so that with relatively large energy levels must be sent, for example, 5 watts, 5 mA, 24 V, 40 kHz, so that even evaluable signal amplitudes arise difficult to design such ultrasonic devices explosion-proof.
  • a conventional device for level measurement by means of ultrasound describes the DE 33 37 690 C2.
  • the DE 40 25 326 C2 shows an ultrasonic measuring device "from below", that is, the ultrasonic transducers are arranged from the outside of the container bottom or in the vicinity of a Cenosusewand, you send through the Cenosusewand or the Cenosuseboden and the liquid through These reflection signals must pass through the housing wall or the base of the housing before the actual transit time measurement for the ultrasonic signals can take place.
  • a disadvantage of this device is that ultrasonic signals twice - namely on the way and on the way back - must be sent through a CeHousewand or a case back before the measurement signal can be detected.
  • the device provides that the ultrasonic transducer is arranged either on a dipstick or on a dip tube, wherein the dipstick or the dip tube is inserted from above into the container.
  • the ultrasonic transmitting signals are coupled into the liquid; Subsequently, these signals are reflected at a liquid boundary layer and sent back to the previously transmitting ultrasonic transducer.
  • the arrangement of the ultrasonic transducer on the dipstick or the dip tube can be easily equipped with a container according to the invention, highly accurate level measuring device, both in a container re-installation or as a subsequent additional equipment. The installation from the top into the container is possible at any time and beyond retrofittable very quickly, since the entire level sensor device can be delivered pre-installed and only needs to be inserted and fixed in the container.
  • Ultrasonic transducer near the bottom of a container on the dipstick or the dip tube is arranged, and the transmission signal is sent from bottom to top through the liquid to the surface as a reflective boundary layer.
  • the ultrasonic signal thus remains throughout the measurement in the medium to be measured itself. Error signals that occur, for example, in surface foam, remain just as out of consideration as the reflection signals on container walls or container bottoms through which an ultrasonic signal is to be sent in conventional devices.
  • a second or further liquid layer on the first liquid can be detected by this inventive embodiment, as well as here at the second or further boundary layer reflection signals arise that can be detected with a time shift
  • the inventive level sensor device comprises a reflector which is installed at a defined distance near the ultrasonic transducer. By means of this reflector every single measurement is carried out self-calibrating.
  • Ultrasonic transducer by means of a float on the dipstick or in the dip tube out to arrange.
  • the ultrasound emitting transducer floats near the surface of a liquid and its signals are reflected from the container bottom as a liquid boundary layer. It also serves a float mounted on the reflector, which is defined spaced from the ultrasonic transducer for a reference signal for permanent self-calibration.
  • the embodiments of the measuring device described above are equipped with a data transmitting device for the purpose of measuring data transmission to a data processing device. If this data transmission device can also receive data, bidirectional communication is possible. Each communication variant is either wired or executable as a radio transmission.
  • the level sensor device is one or more
  • Temperature sensors provided, which detects and monitors the temperature in the liquid as well as in the air or in the gas mixture above the liquid. Such a “combination solution” allows a broad - hitherto unknown - range of use of the inventive level sensor device.
  • a particularly noteworthy embodiment provides to design the ultrasound transducer for lowest power consumption, so that a simple on-site supply by means of battery is possible.
  • the converter according to the invention requires so little energy that it readily permits a permanent service life of several years with conventional batteries.
  • the energy densities during operation are so small that the stored energy is smaller than the
  • the energy level makes the level sensor device according to the invention "intrinsically safe", ie the new level sensor device enjoys the intrinsic property of explosion protection approval.
  • FIG. 1 shows an ultrasonic level sensing device according to the invention with an in
  • Container bottom arranged transducers
  • Fig. 2 shows a variant of the level sensor device, wherein the transducer in
  • Fig. 1 denotes a container which is filled with a liquid 4.
  • the inventive ultrasonic level sensor device comprising an ultrasonic transducer 2, which is connected to a dipstick 7 in the vicinity of a container bottom. 8 is installed.
  • a liquid surface which acts as a liquid interface 5
  • a foam 18 and further upward air 19 is shown.
  • the container internal volume is denoted by 13.
  • a reflector 9 and one or more temperature sensors 21 is arranged on the dipstick 7.
  • the ultrasonic transducer 2 is connected to a local supply 14 and a data transmitting device 1 5.
  • This data transmission device 15 outputs its data via a data transmission connection 20 to a data processing device 16 and a
  • the data transmission connection 20 is shown with a broken line, since this connection can be made to a wire-bound and on the other hand as a radio link.
  • a transmission signal 3 which is directed upward through the liquid 4 to the reflector 9 to a reflection signal 10 and at the
  • a filling level FH of the container 1 consists of a transmitting height SH of the transducer 2 and a measuring height MH thereof. Furthermore, EH denotes the calibration height and thus the defined distance of the reflector 9 from the ultrasound transducer 2.
  • FIG. 2 differs only in a few
  • Points of the one in Fig. 1. The essential difference is that the ultrasonic transducer 2 is arranged by means of a float 1 1 in the vicinity of the liquid surface in a dip tube 7 floating.
  • a dip tube internal volume 12 communicates with a reservoir volume 13 via a plurality of openings 22.
  • the ultrasonic transducer 2 is in a transmission height SH ultrasonic pulses 3 in the
  • the ultrasonic velocity v of the fluid can be determined according to:
  • Liquid interface 5 is only reflected there and returns after a second time LZ2 as a second reflection signal 6 to the converter 2 back.
  • the measuring height MH measured in this way is then calculated as follows:
  • the foam 18 in any case has no influence on the measurement. It is thus stated that the device according to the invention is insensitive to foam 18 on the surface of a liquid 4.
  • Liquid 4 are located (not shown here), so with the embodiment of FIG. 1, a further discrete reflection signal can be received, with which a second or further liquid phase can be detected. The detection of one or each further liquid phase then leads to a message signal.
  • the sound velocities in liquids are relatively large and are on the order of about 1500m / s, the filling heights are generally less than 8m, so that at transmission frequencies of about 1 MHz and eg triple pulse packets integration times shorter than 0.25s result, which is fast is enough to be able to measure highly accurately even with moving liquid surfaces with a resolution of better than 5mm.
  • the energy consumption is so small that the ultrasonic transducer 2 together with the
  • Intrinsically safe means here that the stored energy of a device is smaller than the ignition energy of a liquid surrounding the device.
  • the device according to the invention increases at a supply voltage of 3 6V and a capacitor capacitance of 22DF
  • the ignition energy of hexane is 0 24mJ
  • propane is 0 26mJ
  • methane is 0 28mJ high.
  • the container can also be made top closable, so that the level sensor device can be introduced, for example, by a service opening of the container 1
  • the reflector 9 may also be arranged laterally next to the ultrasonic transducer 2, or in the case of the embodiment according to FIG. 1, moreover also below the transducer 2 LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Bei einer Ultraschall-Niveausensorvorrichtung ist vorgesehen, einen Ultraschallwandler (2) an einem Tauchrohr oder Tauchstab (7) anzuordnen und unmittelbar von oben in eine Flüssigkeit (4) in einem Behälter (1) einzuführen. Der Ultraschallwandler (2) sendet dann Ultraschallsignale (3) zu einem Reflektor (9) und einer Flüssigkeitsgrenzfläche (5) und empfängt daraufhin zunächst ein Reflexionssignal (10) vom Reflektor (9) und anschliessend ein Reflexionssignal (6) von der Flüssigkeitsgrenzfläche (5). Auf diese Weise ist die Messung selbstkalibrierend und die Vorrichtung eigensicher im Sinne des Explosionsschutzes ausgelegt; darüber hinaus misst die U.Itraschall-Niveausensorvorrichtung auch dann noch richtig, wenn sich ein Schaum (18) auf der Oberfläche der Flüssigkeit (4) ausgebildet hat.

Description

Ultraschall-Niveausensorvorrichtung
[0001 ] Die Erfindung stammt aus dem technischen Gebiet der Ultraschall-Messtechnik. Sie betrifft eine Ultraschall-Niveausensorvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
[0002] In vielen Branchen z.B. Werkzeugmaschinenbau, Lebensmittel- und Chemieindustrie werden Flüssigkeiten wie beispielsweise
- Wasser, Abwasser, Hydrauliköle;
- Nahrungsmittel (Bier, Wein, Sekt, Säfte, Milch, Nahrungsmittelöle), oder - brennbare Flüssigkeiten (Benzin, Kerosin, Petroleum, Terpentin, Methanol, Äthanol, Azeton) in Tanks eingefüllt, gelagert, umgepumpt, abgezapft, verbraucht und verkauft.
[0003] Für die damit verbundenen Prozesse werden Sensoren benötigt, die den aktuelle
Füllstand der Flüssigkeiten in den Tanks messen. Aus der Füllstandshöhe und deren zeitlicher Änderung werden dann unter anderem folgende Informationen abgeleitet: - Füllstandsmeldungen (Min, Max, Alarmschwellen);
- Alarm- bzw. Zustandsmeldungen bei zwei- oder mehrphasigen Behälterinhalten;
- Durchflüsse mit Zeitstempel für minimale und maximale Zustände, oder
- Einfüllmengen, Abgabemengen und Verbrauchskontrollen mit Zeitstempel.
[0004] Vorrichtungen zur Füllstandsmessung oder Grenzflächenmessung zwischen Flüssigkeiten sind bekannt. Im Allgemeinen bestehen solche Vorrichtungen aus einem Sensor im
Inneren eines Behälters und Mittel zum Senden von Daten von dem Sensor zu einer entfernt gelegenen Stelle, wo sie erfasst und in ein verwertbares Format umgewandelt werden, das für die Füllstandshöhe einer Flüssigkeit bzw. für die Grenzflächenhöhe zwischen Flüssigkeiten repräsentativ ist.
[0005] Als mechanisches Messsystem gelangen Schwimmer zu Einsatz, deren Mechanik aber anfällig ist und deren Messergebnisse nicht ohne weiteres fernübertragbar sind. Bekannte pneumatische Messsysteme reagieren empfindlich auf Druckstösse. Konduktive Messsysteme sind von der Leitfähigkeit eines Mediums abhängig. Wenn das Medium an seiner Oberfläche Schaum bildet, stört diese die konduktive Messung. Darüber hinaus ist dieses Messverfahren nur eingeschränkt in Medien nutzbar und zudem teuer bei einer Auslegung gemäss Explosionsschutzbedingungen. Vibrationsmessverfahren oder kapazitive Messsysteme finden bekanntermassen lediglich Verwendung bei Crenzstandsmeldungen.
[0006] Vorrichtungen unter Verwendung von akustischen Signalen und Ultraschallsignaleπ sind beim Einsatz „von oben" vergleichsweise ungenau. „Von oben" bedeutet hier, die Messsysteme sind beispielsweise an einer Innenseite eines Behälterdeckels montiert und senden ihre Signale durch die Luft auf eine Oberfläche des Mediums, wodurch Reflexionssignale zurück gesendet werden. Dieses Verfahren ist aber in dreifacher Hinsicht hinterfragenswert. Zum einen kann ein „Saunaeffekt" beobachtet werden, das heisst, dass aufgrund von bemerkenswerten Temperaturunterschieden in der Luft zwischen der Oberfläche des zu messenden Mediums und dem Messort die Schallgeschwindigkeit in Luft um mehr als 10 % differieren kann. Zum anderen behindert Schaumbildung auf einer Flüssigkeitsoberfläche die Ultraschallmessung, deren Reflexionssignale dann diffus werden. Ferner ist Luft sehr kompressibel, so dass mit relativ grossen Energiepegeln gesendet werden muss, z.B. 5 Watt, 5 mA, 24 V, 40 kHz, damit überhaupt auswertbare Signalamplituden entstehen. Hinsichtlich solcher Energiedichten ist es besonders schwierig, solche Ultraschallvorrichtungen explosionssicher auszugestalten.
[0007] Eine herkömmliche Vorrichtung zur Füllstandsmessung mittels Ultraschall „von oben" beschreibt die DE 33 37 690 C2.
[0008] Die DE 40 25 326 C2 hingegen zeigt eine Ultraschallmessvorrichtung „von unten", dass heisst die Ultraschallwandler sind von Aussen am Behälterboden oder in dessen Nähe an einer Cehäusewand angeordnet, Sie senden durch die Cehäusewand bzw. den Cehäuseboden und die Flüssigkeit hindurch bis zu einer Flüssigkeitsoberfläche, an der das Ultraschallsignal dann reflektiert wird. Auch diese Reflexionssignale müssen die Gehäusewand bzw. den Cehäuseboden passieren, bevor die eigentliche Laufzeitmessung für die Ultraschallsignale erfolgen kann. [0009] Nachteilig an dieser Vorrichtung ist, dass Ultraschallsignale zweimal - nämlich auf dem Hinweg und auf dem Rückweg - durch eine Cehäusewand bzw. einen Gehäuseboden gesendet werden müssen, bevor das Messsignal erfasst werden kann. Das bedeutet, dass auch hier - wie bei der Messung „von oben" - mit entsprechend grossen Energiepegeln gearbeitet werden muss. Entsprechend umfangreich sind auch hier die Massnahmen bei erforderlichem Explosionsschutz. Darüber hinaus ist diese Vorrichtung wohl bevorzugt für die Neuinstallation eines Behälters sinnvoll, da der Behälter selbst mit Ultraschallwandlern bestückt ist. Eine nachträgliche Montage von Ultraschallwandlern ist genauso aufwendig und kostenintensiv, wie ein späterer Austausch bei möglichem Defekt.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung eine kostengünstige, robuste, einfache, universell einsetzbare Niveausensorvorrichtung mit Ultraschall bereit zu stellen,
- mit der die Füllstandshöhe von Flüssigkeiten kontinuierlich hochgenau erfasst werden kann,
- die selbstkalibrierend sich den unterschiedlichsten Flüssigkeiten anpasst,
- die auch bei Schaumbildung richtig misst,
- die so wenig Messengerie benötigt, dass eine Explosionsschutzzulassung durch Eigensicherheit erreicht wird,
- die einen langjährigen Dauerbetrieb bei Batteriebetrieb erlaubt,
- bei der das Ergebnis elektronisch zur vielfältigen Weiterverarbeitung zur Verfügung steht und
- die einfach nachrüstbar ist,
[0010] Erfindungsgemäss wird die genannte Aufgabe durch die Merkmale des Anspruch 1 gelöst. Die die Erfindung weiterbildenden vorteilhaften Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 1 1.
[001 1 ] Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch eine
Niveausensorvorrichtung gelöst, bei der ein Ultraschallwandler unmittelbar Kontakt mit der Flüssigkeit hat, deren Füllstandshöhe er zu messen hat. Dabei sieht die Vorrichtung vor, dass der Ultraschallwandler entweder an einem Tauchstab oder an einem Tauchrohr angeordnet ist, wobei der Tauchstab bzw. das Tauchrohr von oben in den Behälter eingeführt wird. Die Ultraschallsendesignale werden in die Flüssigkeit eingekoppelt; anschliessend werden diese Signale an einer Flüssigkeitsgrenzschicht reflektiert und zum zuvor aussendenden Ultraschallwandler zurückgesendet. [0012] Durch die Anordnung des Ultraschallwandlers an dem Tauchstab bzw. dem Tauchrohr kann auf einfache Weise jeder Behälter mit einer erfindungsgemässen, hochgenauen Füllstandsmessvorrichtung ausgerüstet werden, und dies sowohl bei einer Behälterneuinstallation oder als spätere Zusatzausrüstung. Die Installation von oben in den Behälter ist jederzeit möglich und darüber hinaus sehr rasch nachrüstbar, da die gesamte Niveausensorvorrichtung vorinstalliert geliefert werden kann und lediglich in den Behälter eingeführt und befestigt werden muss.
[0013] Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass ein
Ultraschallwandler in Bodennähe eines Behälters an dem Tauchstab bzw. dem Tauchrohr angeordnet ist, und das Sendesignal von unten nach oben durch die Flüssigkeit zu deren Oberfläche als Reflexionsgrenzschicht gesendet wird. Das Ultraschallsignal verbleibt somit während der gesamten Messung im zu messenden Medium selbst. Fehlersignale, die beispielsweise bei Oberflächeschaumbildung auftreten, bleiben genauso ausserhalb jeder Betrachtung wie die Reflexionssignale an Behälterwänden oder Behälterböden, durch die ein Ultraschallsignal in herkömmlichen Vorrichtungen zu senden ist.
[0014] Schliesslich ist durch diese erfindungsgemässe Ausführung auch eine zweite oder weitere Flüssigkeitsschicht auf der ersten Flüssigkeit erfassbar, da auch hier an der zweiten oder weiteren Grenzschicht Reflexionssignale entstehen, die mit zeitlicher Verschiebung erfasst werden können,
[0015] Zur Selbstkalibrierung umfasst die erfindungsgemässe Niveausensorvorrichtung einen Reflektor, der in einem definierten Abstand nahe dem Ultraschallwandler installiert ist. Mittels diesem Reflektor wird jede einzelne Messung selbstkalibrierend durchgeführt.
[0016] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, den
Ultraschallwandler mittels eines Schwimmers an dem Tauchstab bzw. in dem Tauchrohr geführt anzuordnen. Jedenfalls schwimmt der Ultraschall aussendende Wandler in Oberflächennähe einer Flüssigkeit und seine Signale werden vom Behälterboden als Flüssigkeitsgrenzschicht reflektiert. Dabei dient ebenfall ein am Schwimmer befestigter Reflektor, der definiert vom Ultraschallwandler beabstandet ist für ein Referenzsignal zur permanenten Selbstkalibrierung. [0017] Mit Vorteil sind die oben beschriebenen Ausführungsformen der Messvorrichtung mit einer Datensendevorrichtung zwecks Messdatenübertragung zu einer Datenverarbeitungsvorrichtung ausgestattet. Wenn diese Datensendevorrichtung ebenfalls Daten empfangen kann, so ist eine bidirektionale Kommunikation möglich. Jede Kommunikationsvariante ist dabei entweder Draht gebunden oder als Funkübertragung ausführbar.
[0018] Mit Vorteil ist die Niveausensorvorrichtung mit einem oder mehreren
Temperatursensoren versehen, die die Temperatur sowohl in der Flüssigkeit sowie in der Luft bzw. in dem Gasgemisch über der Flüssigkeit erfasst und überwacht. Eine derartig „Kombilösung" ermöglicht ein breites - bisher nicht bekanntes - Einsatzspektrum der erfindungsgemässen Niveausensorvorrichtung.
[0019] Eine besonders hervorzuhebende Ausführungsform sieht vor, den Ultraschallwandler für geringsten Energieverbrauch auszulegen, so dass eine einfache Vorortversorgung mittels Batterie möglich ist. Der erfindungsgemässe Wandler benötig so wenig Energie, dass er mit herkömmlichen Batterien ohne weiteres eine permanente Einsatzdauer von mehren Jahren zulässt. Dabei sind die Energiedichten während des Betriebs so klein, dass die gespeicherte Energie kleiner als die
Zündenergie der zu messenden Flüssigkeit ist, Diese Energiebilanz macht die erfindungsgemässe Niveausensorvorrichtung „eigensicher"; das heisst, die neue Niveausensorvorrichtung geniesst als intrinsische Eigenschaft die Explosionsschutzzulassung. In Sinne der Erfindung sind natürlich auch die Zusatzinstallationen, wie beispielsweise die Kommunikationseinheit, eigensicher ausgestaltet.
[0020] Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der folgenden detaillierten Beschreibung, in der bevorzugte Ausgestaltungen unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:
[0021 ] Fig. 1 eine erfindungsgemässe Ultraschall-Niveauseπsorvorrichtung mit einem in
Behälterbodennähe angeordneten Wandler, und
[0022] Fig. 2 eine Ausführungsvariante der Niveausensorvorrichtung, bei der der Wandler in
Oberflächennähe einer Flüssigkeit schwimmend angeordnet ist. [0023] In Fig. 1 ist mit 1 ein Behälter bezeichnet, der befüllt ist mit einer Flüssigkeit 4. In diese Flüssigkeit 4 ist die erfindungsgemässe Ultraschall-Niveausensorvorrichtung eingesetzt, umfassend einen Ultraschallwandler 2, der an einem Tauchstab 7 in der Nähe eines Behälterbodens 8 installiert ist. Oberhalb einer Flüssigkeitsoberfläche, die als Flüssigkeitsgrenzfläche 5 fungiert, ist ein Schaum 18 und weiter nach oben Luft 19 dargestellt. Das Behälterinnenvolumen ist mit 13 bezeichnet.
[0024] An dem Tauchstab 7 ist ein Reflektor 9 und ein oder mehrere Temperatursensoren 21 angeordnet. Der Ultraschallwandler 2 ist mit einer Vorortversorgung 14 und einer Datensendevorrichtung 1 5 verbunden. Diese Datensendevorrichtung 15 gibt ihre Daten via eine Datenübertragungsverbindung 20 an eine Datenverarbeitungsvorrichtung 16 und eine
Anzeigevorrichtung 17 ab. Die Datenübertragungsverbindung 20 ist mit einer unterbrochenen Linie dargestellt, da diese Verbindung zum einen Draht gebundene ausgeführt sein kann und zum anderen aber auch als Funkverbindung.
[0025] Von dem Ultraschallwandler 2 geht ein Sendesignal 3 aus, das nach oben gerichtet durch die Flüssigkeit 4 an dem Reflektor 9 zu einem Reflexionssignal 10 und an der
Flüssigkeitsgrenzfläche 5 zu einem Reflexionssignal 6 führt. Eine Füllhöhe FH des Behälters 1 besteht aus einer Sendehöhe SH des Wandlers 2 und einer Messhöhe MH desselben. Des weiteren ist mit EH die Eichhöhe und damit der definierte Abstand des Reflektors 9 von dem Ultraschallwandler 2 bezeichnet.
[0026] Die weitere Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidet sich lediglich in wenigen
Punkten von derjenigen in Fig. 1. Wesentlicher Unterschied ist, dass der Ultraschallwandler 2 mittels eines Schwimmers 1 1 in der Nähe der Flüssigkeitsoberfläche in einem Tauchrohr 7 schwimmend angeordnet ist. Ein Tauchrohrinnenvolumen 12 kommuniziert mit einem Behältervolumen 13 über eine Vielzahl von Öffnungen 22.
[0027] Das von dem Ultraschallwandler 2 in Fig. 2 ausgesendete Signal 3 ist nach unten gerichtet und wird reflektiert an dem Reflektor 9 und an dem Behälterboden 8, der hier als Flüssigkeitsgrenzfläche 5 fungiert. [0028] Da beide Fig. 1 und 2 lediglich Ausführungsvarianten der erfindungsgemässen
Ultraschall-Niveausensorvorrichtung darstellen, wird ihre Funktion im folgenden unter Bezugnahme auf beide Fig. gleichzeitig beschrieben. Nur dort, wo Abweichungen auftreten, wird explizit auf eine der beiden Figuren verwiesen.
[0029] Der Ultraschallwandler 2 gibt in einer Sendehöhe SH Ultraschallimpulse 3 in die
Flüssigkeit 4 ab. Da Flüssigkeiten inkompressibel sind, genügen dabei kleine Sendeleistungen (z.B. 5mW, 5mA, IV, 1 ,25MHz), um Ultraschallimpulse 3 in die Flüssigkeit 4 einzukuppeln. Ein Teil wird an dem an der Vorrichtung in der bekannten Eichhöhe EH angebrachten Reflektor 9 reflektiert und zum Ultraschallwandler 2 zurück geschickt, der dadurch das erste Reflexionssignal 10 empfängt. Durch Messung einer ersten zugehörigen Laufzeit LZl kann die Ultraschallgeschwindigkeit v der Flüssigkeit ermittelt werden nach:
(Gleichung ! ) v = 2 x EH / LZl .
[0030] Der grossere Teil der Ultraschallimpulse 3 läuft aber weiter bis zur
Flüssigkeitsgrenzfläche 5, wird erst dort reflektiert und gelangt nach einer zweiten Laufzeit LZ2 als zweites Reflexionssignal 6 zum Wandler 2 zurück. Die messtechnisch so erfasste Messhöhe MH errechnet sich dann aus:
(Gleichung 2) MH = v x LZ2 / 2.
[0031 ] Wenn SH die durch die Konstruktion bekannte Sendehöhe des Wandlers 2 ist, dann ergibt sich für die Füllhöhe FH der Flüssigkeit:
(Gleichung 3) FH = SH + v x LZ / 2.
[0032] Mit Gleichung 1 ergibt sich aus dieser Gleichung 3:
(Gleichung 4) FH = SH + 2 x EH / LZl x LZ2 / 2 = SH + EH x LZ2 /LZ 1. [0033] Die Werte in dieser Gleichung 4 für die Eichhöhe EH und die Sendehöhe SH sind konstruktionsbedingt und damit bekannt. Die Laufzeiten LZl und LZ2 sind reine Messgrössen; somit stellt die neue Niveausensorvorrichtung ein sich selbst kalibrierendes Messsystem für die unterschiedlichsten Flüssigkeiten dar,
[0034] Bei der Ausführungsvariante gemäss Fig. 1 treten durch den Schaum 18 weitere diffuse Reflexe auf, die aber zeitlich nach dem Reflexionssignal 6 auf dem Wandler 2 eintreffen und damit die Niveausensorvorrichtung trotz Schaum 18 richtig misst. Bei der Ausführungsvariante nach Fig. 2 nimmt der Schaum 18 ohnehin keinen Einfluss auf die Messung. Somit wird festgehalten, dass die erfindungsgemässe Vorrichtung unempfindlich gegenüber Schaum 18 an der Oberfläche einer Flüssigkeit 4 ist.
[0035] Sollte sich hingegen eine zweite oder weitere Flüssigkeitsschicht auf der ersten
Flüssigkeit 4 befinden (hier nicht dargestellt), so ist mit der Ausführungsvariante nach Fig. 1 ein weiteres diskretes Reflexionssignal empfangbar, mit dem eine zweite oder weitere Flüssigkeitsphase detektiert werden kann. Die Detektion einer oder jeder weiteren Flüssigkeitsphase führt dann zu einem Meldesignal.
[0036] Bei schwankender oder vibrierender Flüssigkeitsoberfläche kann das Reflexionssignal
6 an der Flüssigkeitsgrenzschicht 5 ausfallen, da beim Eintreffen eines Ultraschallimpulses die Flüssigkeit gerade nicht parallel zur Oberfläche des Ultraschallwandlers 2 stehen kann und der Ultraschallimpuls 6 z.B. an die Wände, nicht aber zurück zum Wandler 2 reflektiert wird. Im statistischen Mittel wird aber die Reflexionsbedingung eingehalten, so dass nur über mehrere Sende, und Empfangsvorgänge gemittelt werden muss, um auch unter diesen Bedingungen einen auswertbaren Reflex zu erhalten. Die Schallgeschwindigkeiten in Flüssigkeiten sind relativ gross und liegen in der Grössenordnung von ca, 1500m/s, die Füllhöhen sind im allgemeine kleiner 8m, so dass sich bei Sendefrequenzen von ca. 1 MHz und z.B. dreifach Impulspaketen Integrationszeiten kürzer als 0.25s ergeben, was schnell genug ist, um auch bei bewegten Flüssigkeitsoberflächen hochgenau mit einer Auflösung von besser als 5mm messen zu können. [0037] Die Energieaufnahme ist so klein, dass der Ultraschallwandler 2 zusammen mit der
Datensendevorπchtung 1 5 auch durch eine Batterie als Vorortversorgung 14 vorsorgt werden kann Eine Lithiumbatterie mit z B 13Ah reicht aus, um eine sechsjährige Betriebsdauer zu gewahrleisten Somit wird die Installation teurer Spannungsversorgungen (230V/24V AC/DC) vermieden Die Energieaufnahme ist auch so klein, dass die gesamte Niveausensorvorrichtung die Bedingungen für Explosionsschutz erreicht und somit als eigensicher ist Eigensicher bedeutet hier, dass die gespeicherte Energie eines Gerätes kleiner ist, als die Zundenergie einer das Gerat umgebenden Flüssigkeit Die erfindungsgemasse Vorrichtung nimmt bei einer Versorgungsspannung von 3 6V und einer Kondensatorkapazitat von 22DF eine maximale Energie von 0 14mJ auf Vergleichsweise dazu liegen die Zundenergie von Hexan mit 0 24mJ, die von Propan mit 0 26mJ und von Methan mit 0 28mJ hoher Dies bedeutet, das ohne kostenintensive Massnahmen für ein explosionssicheres Gehäuse, die erfindungsgemasse Ultraschall-Niveausensorvorrichtung eigensicher einsetzbar ist
[0038] In vielen Anwendungsfallen wird zusätzlich zur Flussigkeitshohe auch die
Flussigkeitstemperatur benotigt Diese wird auf einfache Weise mittels der installierten Temperatursensoren 21 gemessen, wobei die Versorgung ebenfalls durch die Vorortversorgung 14 erfolgen kann Die gesamte Vorrichtung wird somit zum „Kombisensor" für den Füllstand und die Temperatur einer Flüssigkeit
[0039] Ohne den Eήndungsgedanken zu verlassen kann der Behalter auch oben verschliessbar ausgeführt sein, so dass die Niveausensorvorrichtung beispielsweise durch eine Serviceoffnung des Behalters 1 eingeführt werden kann
[0040] Darüber hinaus kann der Reflektor 9 auch seitlich neben dem Ultraschallwandler 2 angeordnet sein, oder im Fall der Ausfuhrungsform nach Fig 1 darüber hinaus auch unterhalb des Wandlers 2 Bezugszeichenliste
1 Behälter
2 Ultraschallwandler
3 Sendesignal
4 Flüssigkeit
5 Flüssigkeitsgrenzfläche
6 Reflexionssignal
7 Tauchrohr/Tauchstab
8 Behälterboden
9 Reflektor
10 Reflexionssignal
1 1 Schwimmer
1 2 Tauchrohrinnenvolumen
13 Behälterinnenvolumen
14 Vorortversorgung
1 5 Datensendevorrichtung
16 Datenverarbeitungsvorrichtung
17 Anzeigevorrichtung
18 Schaum
19 Luft
20 Datenübertragungsverbindung
21 Temperatursensor
22 Öffnung
SH Sendehöhe
EH Eichhöhe
MH Messhöhe
FH Füllhöhe

Claims

Patentansprüche
1. Ultraschall-Niveausensorvorrichtung zur Messung einer Flüssigkeitshöhe (FH) in einem Behälter (1 ) wobei ein Ultraschallwandler (2) derart angeordnet ist, dass ein Sendesignal (3) durch eine Flüssigkeit (4) zu mindestens einer Flüssigkeitsgrenzschicht (5) sendbar ist und mindestens ein Reflexionssignal (6) durch die Flüssigkeit (4) von dem Ultraschallwandler (2) empfangbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (2) an einem Tauchstab oder in einem Tauchrohr (7) angeordnet ist, wobei dieser Tauchstab oder dieses Tauchrohr (7) von oben in den Behälter (1 ) einführbar ist.
2. Ultraschall-Niveausensorvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (2) mittels einer Halterung in der Nähe eines Behälterbodens (8) am Tauchstab bzw. im Tauchrohr (7) angeordnet ist, derart, dass eine Senderichtung des Sendesignals (3) des Ultraschallwandlers (2) zu einer als Flüssigkeitsgrenzfläche (5) fungierenden Oberfläche der Flüssigkeit (4) weist.
3. Ultraschall-Niveausensorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reflektor (9) zwecks Kalibrierung des Ultraschallwandlers (2) an dem Tauchstab bzw. an dem Tauchrohr (7) angeordnet ist.
4. Ultraschall-Niveausensorvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (2) an einem Schwimmer (1 1 ) angeordnet ist und an dem Tauchstab bzw. in dem Tauchrohr (7) geführt gehalten ist, wobei gegebenenfalls ein Tauchrohrinnenvolumen (1 2) und ein Behälterinnenvolumen (13) kommunizierbar zueinander ausgestaltet sind, und dass eine Senderichtung des Sendesignals (3) des Ultraschallwandlers (2) zu einem Behälterboden (8) weist.
5. Ultraschall-Niveausensorvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reflektor (9) zwecks Kalibrierung des Ultraschallwandlers (2) an dem Schwimmer (1 1 ) angeordnet ist,
6. Ultraschall-Niveausensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Ultraschallwandler (2) eine Datensendevorrichtung (1 5) zwecks einer Messdatenübertragung zu einer Datenverarbeitungsvorrichtung (16) und/oder Anzeigevorrichtung (17) angeordnet ist.
7. Ultraschall-Niveausensorvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Datensendevorrichtung (1 5) derart ausgebildet ist, dass Daten von der Datenverarbeitungsvorrichtung (16) empfangbar sind.
8. Ultraschall-Niveausensorvorrichtung nach den Ansprüchen 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Datensendevorrichtung (1 5) und der Datenverarbeitungsvorrichtung (1 6) eine Draht gebundene und/oder eine drahtlose Datenübertragungsverbindung (20) besteht.
9. Ultraschall-Niveausensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Temperatursensoren (21 ) vorgesehen sind, der bzw. die an dem Tauchstab oder dem Tauchrohr angeordnet ist bzw. sind.
10. Ultraschall-Niveausensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (2) zum Betrieb mit einer Vorortversorgung (14) mit geringstem Stromverbrauch versehen ist.
1 1. Ultraschall-Niveausensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (2) eigensicher im Sinne des Explosionsschutzes ausgebildet ist.
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