WO2014005896A1 - Füllstandmessung - Google Patents

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WO2014005896A1
WO2014005896A1 PCT/EP2013/063345 EP2013063345W WO2014005896A1 WO 2014005896 A1 WO2014005896 A1 WO 2014005896A1 EP 2013063345 W EP2013063345 W EP 2013063345W WO 2014005896 A1 WO2014005896 A1 WO 2014005896A1
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WO
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solid
signals
level
liquid
acoustic signals
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/063345
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English (en)
French (fr)
Inventor
Franz Gerhard BOSBACH
Stefan Laue
Gerhard Lindner
Frank OBERMAIR
Joachim Schullerer
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Ksb Aktiengesellschaft
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Publication date
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Priority to EP13733260.7A priority patent/EP2870436A1/de
Priority to US14/412,864 priority patent/US20150192452A1/en
Priority to CN201380035872.5A priority patent/CN104685326B/zh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/296—Acoustic waves
    • G01F23/2962—Measuring transit time of reflected waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
    • G01S15/06—Systems determining the position data of a target
    • G01S15/08—Systems for measuring distance only
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/521—Constructional features

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for determining the level of a liquid in a container with at least one element that sends and / or receives acoustic signals.
  • Lifting systems discharge waste water, which accumulates below the backflow level, backflow-proof. They are used to extract faecal wastewater from basements in residential buildings.
  • the level measurement and control takes place by means of a float switch.
  • a measuring method with moving mechanical components is used. These are prone to contamination, such as occur in waste water from lifting equipment.
  • a lifting system is described with a collecting container made of plastic.
  • the collecting tank flows at irregular intervals a Fluids to.
  • a pump pumps the liquid out of the container into a sewer system.
  • For measuring the liquid level in the container is an element which is arranged at the top of the container.
  • the element emits radar waves which are reflected by the surface of the liquid.
  • the reflected waves are in turn received by the element. From the running time of the waves, the level is determined.
  • the pump is switched on or off depending on the level. Methods for level detection with radar waves are expensive.
  • Ultrasonic level measurement is a non-contact process that operates on the runtime principle. Again, there is a risk of erroneous measurements of the liquid level due to floating foam, which reflects the ultrasonic waves.
  • the object of the invention is to provide a device for level measurement, which is insensitive to contamination and provides reliable measurements even when foam formation.
  • the device should be inexpensive to manufacture and be characterized by reliability and a long service life.
  • This object is achieved in that propagate the acoustic signals along a surface of a solid, which is arranged so that at least a portion of a surface of the solid is wetted by the liquid and the solid body in different container heights has areas that reflect acoustic signals ,
  • surface acoustic waves are used for level determination, abbreviated AOW (English: SAW for surface acoustic waves).
  • the acoustic signals propagate on the surface of a solid.
  • the solid may optionally consist of a composite material. Preferably, however, it is formed from a single material, and it proves to be particularly advantageous to use a solid body of a metal.
  • the solid body can have different geometric shapes, for example cuboidal or cylindrical.
  • a hollow body in particular, a hollow cylinder, ie a tube, proves to be advantageous.
  • the hollow body is closed with a bottom. Thus, it is prevented that liquid penetrates into the hollow body.
  • the elements that generate and / or detect the surface acoustic waves are mounted on the inside.
  • the acoustic signals propagate on the inner, dry surface of the tube and are reflected by areas that the tube has on its inside.
  • the measuring tube dips into the liquid, whereby only the outside is wetted.
  • the surface acoustic waves are more strongly attenuated, although they spread on the dry inside of the tube.
  • the prerequisite is that the wall thickness of the pipe is not too large.
  • the solid body is arranged such that at least part of a surface is wettable by the liquid.
  • This may be the surface of the solid on which the AOW spreads and / or another surface that, for example, is opposite to it.
  • the solid has areas that reflect the surface waves.
  • the solid body has suitable, in particular sharp-edged, geometry changes.
  • the areas are preferably recesses which are introduced into the surface.
  • elongated depressions that run approximately horizontally are suitable.
  • cuts are milled into the surface and / or hammered in, with particular notches prove to be beneficial. It can also be a groove as a recess in the solid a be brought.
  • the areas may also be formed as elevations of the surface of the solid.
  • the solid body is formed by a piece of the container wall.
  • the solid body is formed as an independent component which is arranged in the container.
  • the solid at least partially immersed in the liquid and has in different container heights on reflective areas.
  • the acoustic signals are reflected undisturbed at the notches.
  • the reflected signals are detected by a detector formed either by the same element that generates the SAW or is formed as a discrete element.
  • the acoustic signals are strongly damped by the liquid. This is also referred to as "decoupling" of the signals, so that the signals reflected by the areas below the liquid level are greatly attenuated.
  • the reflected signals are analyzed or evaluated by a unit.
  • the unit is set up in such a way that it determines the fill level from the wave pattern of the reflected signals.
  • the wave pattern is a detection of the intensities of all reflected acoustic signals, depending on the transit times.
  • Acoustic signals which are reflected by reflections near the bottom of the container, have a longer transit time than acoustic signals from further above.
  • the acoustic signals reflected at the areas are also called echoes.
  • the unit can determine the filling level, since the signals of the reflection regions below the liquid level are greatly attenuated with respect to the reference values. In the method according to the invention, the following steps are carried out.
  • the solid body preferably has a longitudinal extent and is arranged vertically in the container. Decisive for the quality of the evaluation is also the location of the reflection areas. These can be arranged parallel to one another in the propagation direction of the acoustic signals. However, in such an arrangement, the reflected signals are superimposed. An evaluation of the wave pattern becomes more difficult.
  • the reflective regions are arranged laterally offset relative to the propagation direction of the acoustic signals. This reduces the superpositions of the reflected signals. At least a part of the reflected signals reaches the detector without multiple reflections. This gives a wave pattern in which the individual echoes are well distinguishable.
  • the excitation frequency is chosen such that Lamb waves or surface waves are preferably generated in the transition region between Lamb and Rayleigh waves.
  • the elements are arranged on the surface of the solid.
  • the piezolelektrer Subtrat is acoustically conductive connected to the solid. This can be done by an adhesive. The surface waves are transmitted from the piezoelectric substrate to the solid and propagate on a surface of the solid.
  • the echoes are detected by an element that serves as a detector.
  • This detector also comprises a piezoelectric substrate with a comb electrode. It acts as a receiver interdigital transducer (receiver IDT) and converts the received surface acoustic waves into electrical signals.
  • the detector is likewise fastened directly on the solid body, for example by means of an adhesive.
  • At least one of the elements is arranged on the surface of a head part.
  • This head part can be acoustically coupled to the solid body.
  • the coupling can be realized by a greased or glued Schlifasstassung.
  • the head part can be connected to different solids.
  • a plurality of measuring tubes with different lengths can be coupled to the head part, so that only once a transmitting or receiving electronics is necessary. With a headboard thus different measuring lengths can be realized.
  • the unit is set up via the wave pattern of the echoes to detect the type of the connected measuring tube, in the manner of a bar code.
  • a common electroacoustic converter can also be used, which is switched alternately as transmitter and receiver in multiplex mode.
  • FIG. 1 shows a section through a measuring tube for level measurement
  • FIG. 2 shows a wave diagram of a measurement
  • FIG. 3 shows a lifting system with a fill level measuring device
  • Fig. 4 shows an arrangement of the reflective areas.
  • FIG. 1 shows a device for determining the level of a liquid.
  • a first element 1 serves as a transmitter and generates acoustic signals.
  • a second element 2 serves as a detector and receives reflected acoustic signals.
  • IDT interdigital transducer
  • the elements 1, 2 are mounted on a solid body 3.
  • the solid 3 is designed as a cylindrical hollow body whose bottom is closed and which is open at the top and thus forms a measuring tube.
  • the measuring tube is arranged in a container 4, which is shown in Fig. 3.
  • the measuring tube is made of aluminum and is aligned vertically in the container 4.
  • the measuring tube On the inside of the measuring tube areas 5 are arranged, which reflect the acoustic signals.
  • the areas 5 are notches, which are milled into the measuring tube.
  • the regions 5 are arranged in parallel one above the other so that in the variant illustrated in FIG. 1 multiple reflections occur which interfere with one another.
  • five reflective regions 5 are shown, two of which are above the liquid level and three below the liquid level.
  • the echoes of the upper two areas show a high signal strength.
  • the echoes of the lower three areas show only a small signal strength, since the acoustic waves are damped by the liquid on the outside of the tube.
  • the AOW spreads on the inside of the measuring tube and the liquid wets the outside of the measuring tube, the damping is so clear that it can be used to determine the filling level.
  • Fig. 2 shows wave patterns of the reflected acoustic signals at different levels. The fill levels are indicated in centimeters in the top right corner next to the respective wave pattern.
  • the signal strengths are plotted as a function of the propagation times of the signals. Wave groups reflected from areas farther down the solid 3 have longer durations and are thus located further to the right in the diagrams. Wave groups, which are reflected by areas further up the solid 3, have shorter durations and are in the diagrams follow lent left.
  • the signal strength in the exemplary embodiment is given in mVpp since the detector converts the received acoustic signals into electrical signals which are recorded in millivolts from peak to peak.
  • the upper wave pattern with a level of 0 cm is used as a reference, since none of the reflected wave groups of liquid is attenuated. With a fluid level of 1 cm, the wave group is attenuated far right, so that their signal strength decreases. At a level of 2 cm, the two right-hand wave groups are damped, and at a level of 4 cm, the three right-hand wave groups are damped.
  • a unit 6 determines the fill level.
  • the unit 6 is shown schematically in FIG. It may be a computer, a control device or a control device. The unit 6 is set up to detect the signal strength of the reflected signals as a function of the transit times and to determine the fill level by comparison with reference values.
  • the unit 6 is also used for controlling and / or regulating the filling level.
  • Fig. 3 shows that the unit 6 is connected to a motor 7 of a pump located in the interior of the container 4.
  • an electric motor is used, which drives a centrifugal pump. The unit 6 switches the motor 7 on and off.
  • the pump is a check valve 8 downstream.
  • a feed pipe 9 is connected, flows through the liquid in the container 4.
  • the unit 6 stops the motor 7.
  • the unit 6 starts the motor 7, so that again liquid is pumped out.
  • Fig. 4 shows a variant in which the reflective regions are arranged offset.
  • a common electroacoustic converter is used here as element 1, 2, which is switched alternately as transmitter and receiver in multiplex mode.
  • the solid 3 is a plate of aluminum with a thickness of 1 mm. The plate can be rolled into a tube.
  • the elements 1, 2 are arranged in this case on the inside of the tube.
  • the IDT is glued to the solid and has a club-shaped radiation characteristic, which is shown as dashed lines and has an angle of approximately 30 °.
  • the areas 5 are in relation to the propagation direction of the acoustic Signals arranged laterally offset from one another, so that the emitted wave group reaches each area 5 directly. This ensures that the echoes again run directly back to the IDT, without causing multiple reflections.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter (4). Die Vorrichtung umfasst zumindest ein Element (1, 2) das akustische Signale sendet und/oder empfängt. Die akustischen Signale breiten sich entlang einer Oberfläche eines Festkörpers (3) aus. Der Festkörper (3) ist so angeordnet ist, dass zumindest ein Teil einer Oberfläche des Festkörpers (3) von der Flüssigkeit benetzbar ist. Der Festkörper (3) weist in unterschiedlichen Behälterhöhen Bereiche (5) auf, welche die akustischen Signale reflektieren.

Description

Beschreibung
Füllstandmessung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter mit zumindest einem Element das akustische Signale sendet und/oder empfängt.
Solche Vorrichtungen kommen beispielsweise bei Abwasserhebeanlagen zur Anwendung. Hebeanlagen leiten Abwasser, das unter der Rückstauebene anfällt, rückstausicher ab. Sie werden zur Förderung von fäkalienhaltigem Abwasser eingesetzt, das in Kellern von Wohngebäuden anfällt.
Bei herkömmlichen Hebeanlagen erfolgt die Füllstandmessung und Regelung mittels eines Schwimmschalters. Dabei kommt ein Messverfahren mit bewegten mechanischen Bauteilen zum Einsatz. Diese sind gegenüber Verschmutzungen anfällig, wie sie in Abwässern von Hebeanlagen auftreten.
Die DE 10 2007 008 692 A1 beschreibt einen Behälter einer Hebeanlage, bei dem in unterschiedlichen Behälterhöhen außen an der Wand Sensoren zur Detektion des Flüssigkeitsstandes angebracht sind. Diese Messeinrichtung ist fest mit dem Behälter verbunden. Somit schließt sich ein flexibler Einsatz der Vorrichtung für eine Vielzahl von Behältern aus. Nachteilig bei diesem System ist die hohe Anzahl an Sensoren.
In der DE 199 13 530 A1 wird eine Hebeanlage mit einem Sammelbehälter aus Kunststoff beschrieben. Dem Sammelbehälter fließt in unregelmäßigen Abständen eine Flüs- sigkeit zu. Durch eine Pumpe wird die Flüssigkeit aus dem Behälter in ein Kanalnetz gefördert. Zur Messung des Flüssigkeitstandes im Behälter dient ein Element, das an der Oberseite des Behälters angeordnet ist. Das Element sendet Radarwellen aus, die von der Oberfläche der Flüssigkeit reflektiert werden. Die reflektierten Wellen werden wiederum von dem Element empfangen. Aus der Laufzeit der Wellen wird der Füllstand bestimmt. Die Pumpe wird in Abhängigkeit des Füllstandes ein- bzw. ausgeschaltet. Verfahren zur Füllstanderfassung mit Radarwellen sind aufwendig.
Weiterhin sind Vorrichtungen zur Füllstandmessung bekannt, bei denen ein Element an der Oberseite des Behälters angebracht ist, das Ultraschallsignale sendet. Diese akustischen Signale werden von der Flüssigkeitsoberfläche reflektiert und von dem Element detektiert. Bei der Ultraschall-Füllstandmessung handelt es sich um ein berührungsloses Verfahren, das nach dem Laufzeit Prinzip arbeitet. Auch hier besteht die Gefahr von fehlerhaften Messungen des Flüssigkeitstandes aufgrund von aufschwimmendem Schaum, der die Ultraschallwellen reflektiert.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Füllstandmessung anzugeben, die unempfindlich gegen Verschmutzungen ist und auch bei Schaumbildung zuverlässige Messwerte liefert. Zudem soll die Vorrichtung preiswert herzustellen sein und sich durch Zuverlässigkeit und eine hohe Lebensdauer auszeichnen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sich die akustischen Signale entlang einer Oberfläche eines Festkörpers ausbreiten, der so angeordnet ist, dass zumindest ein Teil einer Oberfläche des Festkörpers von der Flüssigkeit benetzbar ist und der Festkörper in unterschiedlichen Behälterhöhen Bereiche aufweist, die akustische Signale reflektieren.
Erfindungsgemäß werden zur Füllstandbestimmung akustische Oberflächenwellen eingesetzt, kurz AOW (engl. SAW für surface acoustic waves). Dabei breiten sich die akustischen Signale auf der Oberfläche eines Festkörpers aus. Der Festkörper kann gegebenenfalls aus einem Verbundwerkstoff bestehen. Vorzugsweise wird er jedoch aus einem einzigen Material gebildet, wobei es sich als besonders vorteilhaft erweist, einen Festkörper aus einem Metall einzusetzen. Der Festkörper kann unterschiedliche geometrische Formen haben, beispielsweise quaderförmig oder zylindrisch. Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung handelt es sich um einen Hohlkörper, wobei sich insbesondere ein Hohlzylinder, also ein Rohr, als vorteilhaft erweist. Bei einer Variante der Erfindung ist der Hohlkörper mit einem Boden verschlossen. Somit wird verhindert, dass Flüssigkeit in den Hohlkörper eindringt. Die Elemente welche die akustischen Oberflächenwellen erzeugen und/oder detektieren sind auf der Innenseite angebracht. Somit breiten sich die akustischen Signale auf der inneren, trockenen Oberfläche des Rohres aus und werden von Bereichen reflektiert, die das Rohr auf sei- ner Innenseite aufweist. Das Messrohr taucht in die Flüssigkeit ein, wobei nur die Außenseite benetzt wird. Erstaunlicherweise wurde festgestellt, dass unterhalb des Flüssigkeitsspiegels die akustischen Oberflächenwellen stärk gedämpft werden, obwohl sie sich auf der trockenen Innenseite des Rohres ausbreiten. Voraussetzung dafür ist, dass die Wandstärke des Rohres nicht zu groß ist.
Erfindungsgemäß ist der Festkörper so angeordnet, dass zumindest ein Teil einer Oberfläche von der Flüssigkeit benetzbar ist. Dabei kann es sich um die Oberfläche des Festkörpers handeln, auf der sich die AOW ausbreiten und/oder um eine andere Oberfläche, die beispielsweise dieser gegenüberliegt.
Der Festkörper weist Bereiche auf, welche die Oberflächenwellen reflektieren. Dazu weist der Festkörper geeignete, insbesondere scharfkantige, Geometrieänderungen auf. Vorzugsweise handelt es sich bei den Bereichen um Vertiefungen, die in die Oberfläche eingebracht werden. Dabei eignen sich vor allem längliche Vertiefungen, die in etwa horizontal verlaufen. Bei einer besonders vorteilhaften Variante werden Einschnitte in die Oberfläche eingefräst und/oder eingehämmert, wobei sich insbesondere Kerben als günstig erweisen. Es kann auch eine Nut als Vertiefung in den Festkörper ein- gebracht sein. Die Bereiche können ebenfalls als Erhöhungen der Oberfläche des Festkörpers ausgebildet sein.
Prinzipiell ist es auch möglich, dass der Festkörper von einem Stück der Behälterwand gebildet wird. Als besonders günstig erweist es sich jedoch, wenn der Festkörper als eigenständiges Bauteil ausgebildet ist, das im Behälter angeordnet ist. Der Festkörper taucht zumindest teilweise in die Flüssigkeit ein und weist in unterschiedlichen Behälterhöhen reflektierende Bereiche auf. Bei dem Teil des Festkörpers, der nicht in die Flüssigkeit taucht, werden die akustischen Signale an den Kerben ungedämpft reflek- tiert. Die reflektierten Signale werden von einem Detektor erfasst, der entweder von dem gleichen Element gebildet wird, das die AOW erzeugt oder als eigenständiges Element ausbildet ist.
Bei dem Teil des Festkörpers, der in die Flüssigkeit taucht, werden die akustischen Sig- nale durch die Flüssigkeit stark gedämpft. Dabei spricht man auch von einem„Auskoppeln" der Signale. Somit sind die von den Bereichen unterhalb des Flüssigkeitsspiegels reflektierten Signale stark abgeschwächt.
Die reflektierten Signale werden von einer Einheit analysiert bzw. ausgewertet. Die Ein- heit ist so eingerichtet, dass sie aus dem Wellenbild der reflektierten Signale den Füllstand ermittelt. Unter dem Wellenbild versteht man eine Erfassung der Intensitäten aller reflektierten akustischen Signale, in Abhängigkeit der Laufzeiten. Akustische Signale, die von Reflexionsstellen in Bodennähe des Behälters reflektiert werden, haben eine größere Laufzeit als akustische Signale von weiter oberhalb. Die an den Bereichen re- flektierten akustischen Signale werden auch als Echos bezeichnet.
Unterhalb des Flüssigkeitsstandes sind die Echos stark abgeschwächt. Anhand eines Vergleichs mit Referenzmessungen, die beispielsweise mit einem vollständig leeren Behälter durchgeführt werden, kann die Einheit den Füllstand ermitteln, da die Signale der Reflexionsbereiche unterhalb des Flüssigkeitsspiegels gegenüber den Referenzwerten stark abgeschwächt sind. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden folgenden Schritte durchgeführt.
Erzeugung akustischer Signale,
Ausbreitung der akustischen Signale entlang einer Oberfläche eines Festkörpers, zumindest teilweise Reflektion von Signalen an Bereichen des Festkörpers, die in unterschiedlichen Behälterhöhen angeordnet sind,
Detektion der reflektierten Signale,
Ermittlung der Laufzeiten der reflektierten Signale,
Ermittlung der Signalstärken der reflektierten Signale,
Vergleich mit Referenzwerten,
- Bestimmung des Füllstandes.
Dabei handelt es sich um eine Prozedur die in regelmäßigen Zeitabständen wiederholt durchlaufen wird. Der Festkörper hat vorzugsweise eine Längserstreckung und ist vertikal im Behälter angeordnet. Entscheidend für die Qualität der Auswertung ist auch die Lage der Reflexionsbereiche. Diese können in Ausbreitungsrichtung der akustischen Signale parallel übereinander angeordnet sein. Allerdings überlagern sich bei einer solchen Anordnung die reflektierten Signale. Eine Auswertung des Wellenbildes wird dadurch schwieriger. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind die reflektierenden Bereiche in Bezug zu der Ausbreitungsrichtung der akustischen Signale seitlich versetzt zueinander angeordnet. Dadurch werden die Überlagerungen der reflektierten Signale reduziert. Zumindest ein Teil der reflektierten Signale gelangt zum Detektor, ohne dass Mehrfachreflexionen auftreten. Dadurch erhält man ein Wellenbild, bei dem die einzel- nen Echos gut unterscheidbar sind.
Die Elemente zur Erzeugung der akustischen Oberflächenwellen bestehen vorzugsweise aus einem piezoelektrischen Substrat auf dem als Sender eine Kammelektrode aufgebracht ist. Diese bildet einen Interdigitalwandler (IDT = interdigital transducer), den sogenannten Sender-Interdigitalwandler (Sender IDT), der auf dem piezoelektrischen Substrat eine Oberflächenwelle erzeugt. Die Anregungsfrequenz wird so gewählt, dass bevorzugt Lamb-Wellen oder Oberflächenwellen im Übergangsbereich zwischen Lamb- und Rayleigh-Wellen erzeugt werden. Bei einer Variante der Erfindung sind die Elemente auf der Oberfläche des Festkörpers angeordnet. Dazu ist das piezolelektrische Subtrat akustisch leitend mit dem Festkörper verbunden. Dies kann durch einen Kleber bewerkstelligt werden. Die Oberflächenwellen werden von dem piezoelektrischen Substrat auf den Festkörper übertragen und breiten sich auf einer Oberfläche des Festkörpers aus.
Die Echos werden von einem Element erfasst, das als Detektor dient. Dieser Detektor umfasst ebenfalls ein piezoelektrisches Subtrat mit einer Kammelektrode. Er fungiert als Empfänger-Interdigitalwandler (Empfänger-IDT) und setzt die empfangenen akustischen Oberflächenwellen in elektrische Signale um. Bei einer Variante der Erfindung ist der Detektor ebenfalls direkt auf dem Festkörper, beispielsweise mittels eines Klebers, befestigt.
Bei einer alternativen Ausführung der Erfindung ist zumindest eines der Elemente auf der Oberfläche eines Kopfteils angeordnet. Dieses Kopfteil ist mit dem Festkörper akus- tisch koppelbar. Die Kopplung kann durch eine gefettete oder geklebte Schlifffassung realisiert werden. Das Kopfteil ist dabei an verschiedene Festkörper anschließbar. So können beispielsweise mehrere Messrohre mit unterschiedlichen Längen mit dem Kopfteil gekoppelt werden, so dass nur einmal eine Sende- bzw. Empfangselektronik nötig ist. Mit einem Kopfteil sind somit verschiedene Messlängen realisierbar. Bei einer be- sonders günstigen Variante, ist die Einheit dazu eingerichtet über das Wellenbild der Echos, die Art des angeschlossenen Messrohrs zu erkennen, in der Art eines Strichcodes.
Anstelle getrennter AOW-Sender und Empfänger kann auch ein gemeinsamer elektroa- kustischer Wandler eingesetzt werden, der im Multiplex-Betrieb abwechselnd als Sender und Empfänger geschaltet wird. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.
Dabei zeigt
Fig. 1 einen Schnitt durch ein Messrohr zur Füllstandmessung,
Fig. 2 ein Wellenbild einer Messung, Fig. 3 eine Hebeanlage mit einer Füllstandmessvorrichtung,
Fig. 4 eine Anordnung der reflektierenden Bereiche.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes einer Flüssigkeit darge- stellt. Ein erstes Element 1 dient als Sender und erzeugt akustische Signale. Ein zweites Element 2 dient als Detektor und empfängt reflektierte akustische Signale. Beide Elemente 1 , 2 umfassen ein piezoelektrisches Substrat in das jeweils eine Kammelektrode eingefügt ist. Sie bilden Interdigitalwandler (IDT = interdigital transducer) zur Umwandlung von elektrischen Signalen in akustische Signale beim Sender bzw. zur Um- Wandlung von akustischen Signalen in elektrische Signale beim Empfänger.
Die Elemente 1 , 2 sind auf einem Festkörper 3 befestigt. Der Festkörper 3 ist als zylindrischer Hohlkörper ausgeführt, dessen Boden verschlossen ist und der nach oben offen ist und somit ein Messrohr bildet. Das Messrohr ist in einem Behälter 4 angeordnet, der in Fig. 3 dargestellt ist. Das Messrohr besteht aus Aluminium und ist lotrecht im Behälter 4 ausgerichtet.
Auf der Innenseite des Messrohrs sind Bereiche 5 angeordnet, welche die akustischen Signale reflektieren. Bei den Bereichen 5 handelt es sich um Kerben, die in das Messrohr eingefräst werden. Die Bereiche 5 sind parallel übereinander angeordnet, so dass es bei der in Fig. 1 dargestellten Variante zu Mehrfachreflexionen kommt, die miteinander interferieren. In Fig. 1 sind exemplarisch fünf reflektierende Bereiche 5 dargestellt von denen sich zwei oberhalb des Flüssigkeitsspiegels und drei unterhalb des Flüssigkeitsspiegels befinden. Die Echos der oberen beiden Bereiche zeigen eine hohe Signalstärke. Die Echos der unteren drei Bereiche zeigen nur noch eine geringe Signalstärke, da die akustischen Wellen durch die Flüssigkeit an der Außenseite des Rohres gedämpft werden. Obwohl sich die AOW an der Innenseite des Messrohres ausbreiten und die Flüssigkeit die Außenseite des Messrohres benetzt, ist die Dämpfung so deutlich, dass sie zur Bestimmung des Füllstandes herangezogen werden kann.
Fig. 2 zeigt Wellenbilder der reflektierten akustischen Signale bei unterschiedlichen Füllständen. Die Füllstände sind in Zentimeterangaben jeweils rechts oben neben dem jeweiligen Wellenbild vermerkt. Bei den Wellenbildern sind jeweils die Signalstärken in Abhängigkeit der Laufzeiten der Signale aufgetragen. Wellengruppen, die von Bereichen weiter unten am Festkörper 3 reflektiert werden, haben höhere Laufzeiten und befinden sich in den Diagrammen folglich weiter rechts. Wellengruppen, die von Bereichen weiter oben am Festkörper 3 reflektiert werden, haben kürzere Laufzeiten und befinden sich in den Diagrammen folg- lieh weiter links.
Die Signalstärke wird im Ausführungsbeispiel in mVpp angegeben, da der Detektor die empfangenen akustischen Signale in elektrische Signale umwandelt, die in Millivolt von Peak zu Peak erfasst werden.
Das obere Wellenbild mit einem Füllstand von 0 cm wird als Referenz herangezogen, da keine der reflektierten Wellengruppen von Flüssigkeit gedämpft wird. Bei einem Flüssigkeitsstand von 1 cm wird die Wellengruppe ganz rechts gedämpft, so dass deren Signalstärke abnimmt. Bei einem Füllstand von 2 cm werden die beiden rechten Wel- lengruppen, bei einem Füllstand von 4 cm die drei rechten Wellengruppen gedämpft. Durch einen Vergleich des ermittelten Wellenbildes mit Referenzwerten bestimmt eine Einheit 6 den Füllstand. Die Einheit 6 ist in Fig. 3 schematisch dargestellt. Dabei kann es sich um einen Rechner, eine Regeleinrichtung oder einer Steuereinrichtung handeln. Die Einheit 6 ist dazu eingerichtet, die Signalstärke der reflektierten Signale in Abhän- gigkeit der Laufzeiten zu erfassen und durch Vergleich mit Referenzwerten den Füllstand zu ermitteln. Je mehr reflektierte Wellengruppen gedämpft werden, desto höher ist der Füllstand. Über die Anzahl der ungedämpften und/oder der gedämpften Wellengruppen lässt sich der Füllstand berechnen. Bei einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung wird die Einheit 6 auch zur Steuerung und/oder Regelung des Füllstandes herangezogen. Fig. 3 zeigt, dass die Einheit 6 mit einem Motor 7 einer im Innenbereich des Behälters 4 befindlichen Pumpe verbunden ist. Im Ausführungsbeispiel wird dabei ein Elektromotor eingesetzt, der eine Kreiselpumpe antreibt. Die Einheit 6 schaltet den Motor 7 ein und aus.
Der Pumpe ist eine Rückschlagklappe 8 nachgeschaltet. Am Behälter 4 der Hebeanlage ist ein Zulaufrohr 9 angeschlossen, durch das Flüssigkeit in den Behälter 4 fließt.
Der als Messrohr ausgeführte Festkörper 3 erfasst gemäß dem oben beschriebenen Prinzip den Füllstand. Bei einem unteren Grenzwert des Flüssigkeitsstandes stoppt die Einheit 6 den Motor 7. Bei einem oberen Grenzwert des Flüssigkeitsstandes startet die Einheit 6 den Motor 7, so dass wieder Flüssigkeit abgepumpt wird.
Fig. 4 zeigt eine Variante, bei der die reflektierenden Bereiche versetzt angeordnet sind. Anstelle getrennter AOW-Sender und Empfänger wird hier ein gemeinsamer elektroa- kustischer Wandler als Element 1 , 2 verwendet, der im Mulitplex-Betrieb abwechselnd als Sender und Empfänger geschaltet wird. Bei dem Festkörper 3 handelt es sich um eine Platte aus Aluminium mit einer Dicke von 1 mm. Die Platte kann zu einem Rohr gerollt werden. Die Elemente 1 , 2 sind in diesem Fall auf der Innenseite des Rohrs an- geordnet. Der IDT ist auf dem Festkörper aufgeklebt und besitzt eine keulenförmige Abstrahlcharakteristik, die als gestrichelte Linien dargestellt ist und einen Winkel von ca. 30 ° besitzt. Die Bereiche 5 sind in Bezug zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Signale seitlich versetzt zueinander angeordnet, so dass die ausgesendete Wellengruppe jeden Bereich 5 direkt erreicht. Somit ist sichergestellt, dass die Echos wieder direkt zurück zum IDT laufen, ohne dass es zu Mehrfachreflexionen kommt.

Claims

Patentansprüche Füllstandmessung
1 . Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter (4) mit zumindest einem Element (1 , 2), das akustische Signale sendet und/oder empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass sich die akustischen Signale entlang einer Oberfläche eines Festkörpers (3) ausbreiten, der so angeordnet ist, dass zumindest ein Teil einer Oberfläche des Festkörpers (3) von der Flüssigkeit benetzbar ist und der Festkörper (3) in unterschiedlichen Behälterhöhen Bereiche (5) aufweist, welche die akustischen Signale reflektieren.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Elemente (1 , 2) mit einer Einheit (6) in Verbindung steht, die dazu eingerichtet ist, die Signalstärke der reflektierten Signale in Abhängigkeit der Laufzeiten zu erfassen und durch Vergleich mit Referenzwerten den Füllstand zu ermitteln.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörper (3) als Bauteil ausgeführt ist, das im Innern des Behälters (4) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil als Hohlkörper ausgeführt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper mit einem Boden verschlossen ist, der ein Eindringen der Flüssigkeit in den Hohlkörper verhindert.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (5) als Vertiefungen in der Oberfläche des Festkörpers (3) ausgebildet sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (5) als Erhöhungen der Oberfläche des Festkörpers (3) ausgebildet sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (5) in Bezug zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Signale seitlich versetzt zueinander angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Elemente (1 , 2) auf der Oberfläche des Festkörpers (3) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Elemente (1 , 2) auf der Oberfläche eines Kopfteils angeordnet ist, das mit dem Festkörper (3) akustisch koppelbar ist.
1 1 . Verfahren zur Bestimmung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter (4), insbesondere mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit folgenden Schritten:
Erzeugung akustischer Signale,
Ausbreitung der Signale entlang einer Oberfläche eines Festkörpers (3), zumindest teilweise Reflexion von Signalen an Bereichen (5) des Festkörpers (3), die in unterschiedlichen Behälterhöhen angeordnet sind,
Detektion der reflektierten Signale.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Laufzeiten der reflektierten Signale ermittelt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalstärken der reflektierten Signale ermittelt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalstärken der reflektierten Signale in Abhängigkeit der Laufzeiten erfasst werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Vergleich mit Referenzwerten der Füllstand bestimmt wird.
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