DE10305003A1

DE10305003A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE10305003A1
Application number: DE2003105003
Authority: DE
Inventors: Frank-Michael Jaeger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-02-07
Filing date: 2003-02-07
Publication date: 2004-08-19

Abstract

Das Verfahren zur Feststellung und/oder Überwachung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter ist unabhängig von der Behälterform und dessen Mindestdurchmesser. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ohne Schwingelemente. Die Transmissionseigenschaften der Flüssigkeit werden überwacht. DOLLAR A Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Sendeimpuls die Membran des Wandlers zum Schwingen anregt. Mit einem ersten Fenster wird die Anwesenheit auch nichtschalltransparenter Flüssigkeiten detektiert. Ist die Flüssigkeit schalltransparent, werden in einem zweiten Zeitfenster mehrere Echos detektiert. Durch die bei einem Ultraschallsender auftretenden Nebenkeulen des Sendestrahles ergeben sich eine Vielzahl von Reflexionen. Dadurch sind nicht nur Behälter mit parallelen Wänden für die Anwendung dieses Verfahrens geeignet, sondern können beliebig gestaltete Formen haben. DOLLAR A Derartige Verfahren werden zur Behälterüberwachung, zur Prozesskontrolle allgemein, aber auch als Pumpenschutzeinrichtung und in Abwasserbehandlungsanlagen benötigt. Ein weiteres Einsatzgebiet der Erfindung ist die Überwachung von nichtmischbaren Flüssigkeiten und der Transport von Öl und seinen Produkten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter, beziehungsweise der Überwachung von vorbestimmten Füllständen von Rohrleitungen sowie der Ermittlung der Transrnissionseigenschaften einer Flüssigkeit wie zum Beispiel des Schlammgehaltes. Derartige Verfahren werden zur Behälterüberwachung, zur Prozesskontrolle allgemein, aber auch als Pumpenschutzeinrichtung und in Abwasserbehandlungsanlagen benötigt.
Die Transmissionseigenschaften geben Aufschluss über den Gehalt einer zweiten Phase in der zu untersuchenden Flüssigkeit. Gasblasen oder Feststoffe behindern die Ausbreitung der Ultraschallwelle. Neben der totalen Unterbrechung des Ultraschallsignals bei bestimmten Frequenzen kann es zu Echos durch Reflexionen an einzelnen Körpern wie Blasen oder Fremdkörpern kommen, die mit der Erfindung überwacht werden können. Ein weiteres Einsatzgebiet der Erfindung ist die Ölindustrie, zur Überwachung von nichtmischbaren Flüssigkeiten und der Transport von Öl und seinen Produkten. Neben der Kontrolle von Wasser in Öl oder umgekehrt können auch feste Phasen wie Paraffine im Gatsch oder kompakte Festkörper wie Molche festgestellt und/oder überwacht werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei einem aus der DE 197 14 973 bekannten Verfahren wird mittels eines oberhalb des höchstens zulässigen Füllstandes montierten Ultraschallwandler das Nachschwingen des Ultraschallwandlers nach dem abklingenden Ausgangssignal ausgewertet, um festzustellen ob der Ultraschallwandler von der Flüssigkeit bedeckt ist oder nicht. Die Wirkung dieses Verfahrens beruht darauf, dass das Nachschwingen des Ultraschallwandlers wegen der besseren Ankopplung an die Flüssigkeit wesentlich schneller abklingt, wenn er in eine Flüssigkeit eintaucht, als wenn er in Luft schwingt.

Das beschriebene Verfahren erfordert einen Ultraschallwandler zur Füllstandsmessung für nach dem Laufzeitverfahren arbeitende Füllstandsmesseinrichtungen für Flüssigkeiten. Die dazu benutzten Wandler besitzen auf Grund ihrer für Luft geeigneten Arbeitsfrequenz relativ große Abmessungen und sind für kleine Behälter und Rohre nicht anwendbar. Der Anwendung in kleinen Behältern steht das eigene Nachschwingen des Wandlers (auch Totzeit oder auch Blockdistanz genannt) entgegen, da die Laufzeit bei kleinen Behältern und Rohren kleiner als die Dauer des Nachschwingens ist. Technisch ist es nicht sinnvoll diese Wandler in ein Rohrsystem zu integrieren.

In DE 195 38 680 wird eine Anordnung beschrieben bei der außen am Behälter angebrachte Ultraschallwandler mit einer Sendefrequenz angeregt worden, die gleich der Dickenresonanzfreguenz der Behälterwand ist. Die beschriebene Anordnung erfordert einen frequenzvariablen piezoelektrischen Schwinger zur Anpassung an die Wanddicke und an das Wandmaterial.

Zusätzlich zu der in einem ersten Zeitfenster erfassten Dämpfung der Nachschwingungen, wird in einem zweiten Zeitfenster ein reflektierter Echoimpuls erwartet und mit einem zugeordneten Schwellwert verglichen. Die Auswertung beider Zeitfenster soll die Sicherheit der Anordnung erhöhen. Das bekannte Verfahren für diese Anordnung beschränkt sich auf die Erfassung eines Echosignals von einer gegenüberliegenden Wand. In der Praxis führen aber nicht parallel verlaufende Behälterwände dazu, dass die Echosignale mit stark unterschiedlicher Amplitude empfangen werden. Das erste, zweite oder auch noch weitere nachfolgende Echos können unter einem Schwellenwert liegen oder bei gekrümmten Wänden ganz ausfallen, bzw. nicht mehr messbar sein. Irgend eine Mehrfachreflexion wird als stärkstes Signal bei nicht parallelen oder gekrümmten Behälterwänden empfangen Behälter und Rohre mit einem Durchmesser kleiner 200 mm können mit der erwähnten Anordnung nicht überwacht werden, damit wird die Anwendbarkeit dieser Anordnung, wie zum Beispiel zum Pumpenschutz, wesentlich eingeschränkt.

DE 197 18 965 beschreibt ein Verfahren zur Überwachung eines Füllgutes in einem Behälter mit Hilfe von zwei Ultraschallwandlern, die auf der Höhe des zu überwachenden Füllstandes derart am Behälter befestigt sind, dass zwischen ihnen ein Zwischenraum besteht, in den das Füllgut eintritt. Der eine Ultraschallwandler ist ein Sendewandler, während der zweite Ultraschallwandler ein Empfangswandler ist. Der entscheidende Nachteil einer Anordnung nach diesem Verfahren beruht darauf, das die Wandler als Körper in den Behälter oder die Rohrleitung hineinragen müssen und dabei als Störkörper für Strömungen und Reinigungsprozesse dienen.

In der DE 100 14 724 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben wo Schwingelemente in das Medium eintauchen und neben der Anwesenheit einer Flüssigkeit auch deren Dichte durch die Frequenzänderung feststellen. Diese Schrift soll stellvertretend für alle Verfahren und Vorrichtungen mit Schwingelementen, unabhängig von deren Ausgestaltung, stehen. Für alle Vorrichtungen, die in das Medium hineinragende Schwingelemente besitzen, gelten die schon oben genannten Nachteile.

DE 199 35 680 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Schlammkonzentration von Flüssigkeiten mit Ultraschall. Zur Dämpfungsmessung der Ultraschallwelle und der daraus geschlussfolgerten Schlammkonzentration werden mindestens zwei Ultraschallaufnehmer benötigt. Diese müssen in einer bestimmten Entfernung positioniert werden. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, dass mindestens zwei Systeme in eine Messstrecke eingebaut werden müssen. Ein Kompaktsensor ist mit einer Anordnung nach diesem Verfahren nicht realisierbar.

DE 196 43 956 beschreibt eine Anordnung zur Kontrolle des Füllstandes in mit Flüssigkeit gefüllten Behältern mit Ultraschall wo ein als Sender arbeitender Ultraschallwandler und ein als Empfänger arbeitender Ultraschallwandler so am Behälter angeordnet sind, dass ihre akustischen Achsen nicht senkrecht zur Behälterwand stehen. Diese Anordnung soll den störenden Einfluss der Reflexionen in der Rohrwand mindern. Damit die Anordnung funktioniert ist jedoch ein schalltransparentes Medium erforderlich und ist somit bei Suspensionen und gasbeladenen Flüssigkeiten nicht anwendbar. Bei Anwendungen, die Kompaktsensoren oder leicht von außen zu reinigende Systeme erfordern, ist diese Anordnung nicht praktikabel. Alle Verfahren und Vorrichtungen mit zwei Systemen benötigen erhöhten Fertigungs- und Inbetriebnahmeaufwand.

Es sind bereits Vorrichtungen bekannt, die mit einem Ultraschallwandler, der in der Behälterwand montiert ist und der ein piezoelektrisches Element enthält, das bei der Erregung durch einen Impuls mit einer vorgegebenen Länge und Amplitude einen Ultraschall-Sendeimpuls erzeugt, der über eine Membran auf die Behälterwand und damit auf die zu detektierende Flüssigkeit übertragen wird, und das Ultraschallschwingungen, die von der Membran auf den Ultraschallwandler übertragen werden, in elektrische Empfangssignale wandelt. Gleichzeitig werden aber auch über das Wandlergehäuse Ultraschallschwingungen auf die Behälterwand mit übertragen und in Empfangssignale vom piezoelektrischen Element umgewandelt. Ebenfalls führen Reflexionen von Schweißnähten oder Armaturen, die mit der Behälterwand verbunden sind, zu störenden Empfangsignalen.

Damit eine Anordnung dieser Art zum Überwachen eines Füllstandes problemlos funktioniert, ist es wesentlich, dass eine gute akustische Kopplung zwischen dem piezoektrischen Element und der zu überwachenden Flüssigkeit besteht.

Die gute akustische Kopplung wird dadurch erreicht, dass die durch das piezoelektrisch angeregte Element angeregte Membran direkt das zu überwachende Medium berührt. Zwischen der Membran und der Flüssigkeit darf kein großer akustischer Sprung vorhanden sein. Luft oder Gaspolster dürfen nicht vor der Membran verbleiben.

Andere Vorrichtungen zur Überwachung eines Flüssigkeitsfüllstandes besitzen Schwingelemente, die von einem piezoelektrischem Element zu einer kontinuierlichen Schwingung angeregt werden dessen Frequenz und/oder Amplitude für die Erkennung des Füllstandzustandes ausgewertet werden.

Diese schon oben aufgeführten Anordnungen besitzen den Nachteil, dass bei Reinigungsvorgängen Toträume verbleiben. Für bestimmte Prozesse der Pharmazie und Biotechnologie ist damit die hohe Anforderung an die Reinheit der Produktionsprozesse nicht gewährleistet.

Ein weiterer Nachteil dieser Anordnungen ist die mechanische Größe dieser Schwingelemente, die einen Einbau in kleine Behälter oder Rohre behindert.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens der eingangs angegebenen Art, das die Feststellung des Füllstandes unabhängig von den Ultraschall-Übertragungseigenschaften der Flüssigkeit, auch Transmissionsverhalten benannt, ermöglicht. Eine weitere Ausführung des Verfahrens der Erfindung gestattet neben der Feststellung des Füllstandes der Flüssigkeit, auch die Überwachung der Flüssigkeit auf die Übertragungseigenschaften derselben. Diese Übertragungseigenschaften können dann als messbare Größe wie Schlammdichte zur Weiterverarbeitung einer Prozesssteuerung oder Prozessregelung zur Verfügung gestellt werden.

Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein festgelegter oder variabler Sendeimpuls die Membran des piezoelektrischen Wandlers zum Schwingen anregt und bei Anwesenheit einer Flüssigkeit stärker bedämpft wird. Mit einem ersten Fenster wird damit die Anwesenheit auch nichtschalltransparenter Flüssigkeiten detektiert. Ist die Flüssigkeit schalltransparent, werden in einem zweiten Zeitfenster mehrere Echos detektiert. Bei genügend großer Sendeamplitude werden viele Mehrfachreflexionen detektiert, die weit hinter dem nach der Laufzeit der Signale zu erwarteten Echo liegen. Die störenden Reflexionen durch die Behälterwand werden aber mit zunehmender Sendeamplitude größer und überdecken das erste und weitere Echos der gegenüberliegenden Behälterwand. Werden aber zeitlich weiter hinten liegende Echos zur Feststellung herangezogen ist ein sicheres Betreiben der Vorrichtung gewährleistet. Bei kleineren Behältern und Rohren ist damit überhaupt das Impuls-Echo-Verfahren sinnvoll anwendbar. Vorteilhafterweise wird die Sendimpulsgenerierung für die Zeitfenster getrennt durchgeführt. Dadurch kann die Sendeamplitude für das erste Zeitfenster kleiner als für das zweite Zeitfenster gehalten werden. Wird die Sendeamplitude zu groß gewählt fallen bei leerem Behälter Störechos in das zweite Zeitfenster und täuschen eine Flüssigkeit vor. Bei kleinen Behältern und Rohren muss im Zeitfenster 1 dabei nicht zwingend auch ein Echo erscheinen, wie zu vermuten ist. Mögliche Ursachen wurden nicht untersucht, die können mechanischer Art sein und auf Ursachen des gesamten schwingenden Systems beruhen oder aber elekrtrischer Natur sein und auf der Übersteuerung der Schwellwertschalter beruhen. Durch eine getrennte Sendeimpulserzeugung ist dieses Problem behebbar. Ein weiterer Nebeneffekt tritt bei hoher Sendeleistung zusätzlich auf, da die Nebenkeulen ebenfalls energiereicher abgestrahlt werden. Durch die bei einem Ultraschallsender auftretenden Nebenkeulen des Sendestrahles ergeben sich nicht nur ganze Vielfache der Ultraschalllaufzeit, sondern eine Vielzahl von Reflektionen, die sich auch schräg unter verschiedenen Winkeln vom Sender zum Reflektor ausbreiten. Es entstehen dadurch viele Reflexionen im Behälter, die den Behälter nicht nur auf einem Weg durchdringen, sondern auf sehr vielen unterschiedlichen Wegen die Flüssigkeit durchdringen. Dadurch sind nicht nur Behälter mit parallelen Wänden für die Anwendung dieses Verfahrens geeignet, sondern können beliebig gestaltete Formen haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs angegebenen Art so auszubilden, dass eine gute akustische Kopplung zwischen dem piezoelektrischen Element und dem zu überwachenden Medium über die Membran besteht und gleichzeitig alle Nachteile bekannter Anordnungen vermeidet.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Membran mit der Behälterwand eine Ebene bildet und keine mechanisch abstehenden Schwingelemente enthält..

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
1 das Blockschaltbild einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung
2 das Blockschaltbild einer weiteren Ausbildungsform der Vorrichtung
3 eine schematische Darstellung der Zeitdiagramme zur Funktionsweise der Vorrichtung gemäß der Erfindung
4 eine schematische Darstellung des Einbaues der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Behälterwand
5 eine schematische Darstellung des Schnittes der erfindungsgemäßen Vorrichtung
6 eine Schnittdarstellung einer möglichen Weiterbildung der Erfindung Das in l dargestellte Blockschaltbild einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung enthält einen Ultraschallwandler i der über den Sende-Empfangs-Umschalter 3 mit dem Sendegenerator 4 und dem Empfangsverstärker 5 verbunden ist. Eine Steuerschaltung 2 steuert den Sendeimpulsgenerator 4 so, dass jeweils für jedes aktive Tor (6 und 7) die dazugehörende Sendeimpulshöhe abgegeben wird. Gleichzeitig wird der Empfangsverstärker 5 auf eine vorbestimmte Verstärkung eingestellt. In den Torschaltungen 6 und 7 wird jeweils geprüft ob die Laufzeiten T in die Tore 6 oder 7 fallen. Treffen zum Zeitpunkt T₁ Echos vom Wandler ein, wird zur Steuerschaltung 2 signalisiert, dass keine Flüssigkeit am Wandler 1 ansteht. Damit in das Tor 7 kein störendes Signal mit einer Laufzeit T₃ bis T_N fällt, muss die Sendeamplitude einen entsprechend kleinen Wert annehmen. Für den Fall, dass keine Flüssigkeit vorhanden ist, soll im Tor 7 auch kein Echosignal vorhanden sein. Wird das Tor 7 so eingestellt, dass es zum Zeitpunkt T₂ ein Echo erwartet, kommt es bei kleinen Behältern und Rohrleitungen schnell zu Fehlinterpretationen beziehungsweise ein Echo ist nicht feststellbar, weil die Sendeimpulshöhe zu niedrig eingestellt ist um ein Übersprechen der störenden Reflexionen zu vermeiden. Die Laufzeit T₃ bis T_N kann realistischer Weise zum Beispiel die Mehrfachechos 20 bis 30 einschließen. Dazu ist jedoch wiederum eine höhere Sendeleistung notwendig. Die logische Verknüpfung 8 der Ergebnisse der Torschaltungen (6 und 7) liefert das Ausgangssignal für die Feststellung, ob Flüssigkeit vorhanden ist oder nicht. Das Auftreten der Echos auch Ereignisse genannt wird im einfachsten Fall gleich bewertet, bzw. bei pulsierenden oder stochastischen Auftreten geglättet. Das kann in der bekannten weise über Zeitglieder oder digital erfolgen. Entsprechend der Flüssigkeit und deren Eigenschaften erfolgt die Bewertung vorteilhaft in der Steuerschaltung.
Die Funktionen der einzelnen Schaltungsteile können natürlich auch mit einem elektronischen Schaltkreis realisiert werden. Ebenso kann statt der Sendeimpulse die Verstärkung variiert werden.
Die Möglichkeit einer variablen Schwellwertschaltung wird als selbstverständlich betrachtet.
2 zeigt eine weitere Ausbildungsform der Vorrichtung. Zusätzlich zu der oben beschriebenen Funktion der einzelnen Schaltungsteile werden die im Tor 7 erfassten Echos mit der Laufzeit T₃ bis T_N mit einem Zähler und/oder Schwellwertschalter 10 gezählt und/oder hinsichtlich ihrer Impulshöhe bewertet. In einer Regelschaltung 9 wird der Sendeimpulsgenerator so geregelt, dass eine vorbestimmte Anzahl von Echoimpulsen vorhanden ist. Über einen D/A-Wandler 11 wird ein analoges Signal ausgegeben. Kriterium für die Regelung kann außer der Anzahl der Impulse auch deren Höhe bzw. beides sein. Die Regelschaltung 9 liefert einen elektrischen Wert für Größen, die die Transmission der Ultraschallwellen beeinflussen. Die notwendige Sendeleistung ist damit zum Beispiel gegenüber der Schlammkonzentration der zu untersuchenden Flüssigkeit umgekehrt proportional. Statt der Sendeimpulshöhe kann selbstverständlich auch die Verstärkung geregelt werden.
Natürlich kann das Signal auch mit einem Signalprozessor digital bewertet werden. Sei Ausfall der Regelschaltung 9 zum Beispiel bei Unter- oder Überschreitung des Regelbereiches wird über die logische Verknüpfung 8 noch die Anwesenheit von Flüssigkeit festgestellt.
Die Arbeitsweise einer Vorrichtung nach 1 gemäß der Erfindung zeigt 3. Im Zeitdiagramm 3a wird zum Zeitpunkt T₀ ein Sendeimpuls S vom Wandler 1 in die Flüssigkeit abgegeben. Bei einer geringen Sendeleistung werden vor dem Eintreffen des Echos Er zum Zeitpunkt T₂ noch Störechos R empfangen. Diese resultieren nicht nur aus der gedämpften Schwingung der Membran des Wandlers 1 mit oder ohne Behälterwand, sondern auch durch Befestigungselemente oder Ablagerungen. Die Arbeitsweise einer Vorrichtung in dieser Arbeitsweise ist sehr instabil und schon kleine Transmissionsänderungen der Flüssigkeit können das Echo E₁ beseitigen. In der Praxis sind geringe Gasbeladungen der Flüssigkeit, Mikroblasen an der Behälter- und Membranoberfläche nach Reinigungsprozessen, Ausgasungen wässriger HCL-Lösungen an Edelstahlwänden, Flüssigkeitsturbulenzen und Kavitationen Ursachen, die eine höhere Sendeleistung erfordern.
Diagramm 3b zeigt wie mit steigender Sendeimpulsleisturtg weiter Echoimpulse E₂ und E₃ bei den Zeiten T₂ und T₃ erscheinen. Die Zeiten T₂ und T₃ sind ganzzahlige Vielfache der Impulslaufzeit. Das Echo Er wird dabei von den Störechos R überdeckt. Die Auswertung des ersten Echos E₁ mit der Laufzeit T₁ in einem Tor ist für die Feststellung der Flüssigkeit nicht geeignet.
In Diagramm 3c wird gezeigt wie mit steigender Sendeleistung eine Vielzahl von Echos bis E_N erscheinen. Die Störechos R reichen weit in die ganzzahligen Echos hinein. In einem Bereich von E_N__X bis E_N sind Echos mit ganzzahligen Laufzeiten bis T_N vorhanden ohne dass Störechos R vorhanden sind. In einem Tor mit vielen Echos kann auch bei sich verändernden Transmissionseigenschaften der Flüssigkeit die Feststellung sicher getroffen werden. Über eine Hüllkurve H kann die Flüssigkeit überwacht werden.
Legt man das Zeitfenster FE in diesen Bereich ist außer der Feststellung auch die Transmission über das Auszählen der Echos möglich, wie Diagramm 3d zeigt.
Den Einfluss der Sendeleistung auf die Störechos R bei einem Behälter ohne Flüssigkeit zeigen Diagramm 3e und 3f.
Für eine redundante Aussage beider Zeitfenster FR und FE zur Feststellung sollte die Sendeleistung nicht so groß wie in Diagramm 3e sein.
Die Störechos R zur Detektion mit FR sollten sich noch vor T₁ befinden.
Für einfache Anwendungen wie ein Pumpenschutz sollte nur mit dem Zeitfenster FE gearbeitet werden. Dadurch können auch Messungen in Wänden von Kunststoffrohren oder durch die Wand erfolgen.
4 zeigt die schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 30 zur Feststellung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter oder Rohr.
Die Behälterform und das Medium sind in 4 nicht näher dargestellt.
Zur Überwachung eines Füllstandes bestimmt der geometrische Anbau die Höhe oder Lage des zu überwachenden Pegels des Mediums. Die Einbaulage der Vorrichtung 30 ist für die Funktion der selben nicht von Bedeutung. Der piezoelektrische Wandler 31 mit der zugehörenden Membran 47 schließt mit der Behälterwand im wesentlichen eben ab.
Die Membran 47 ist eine Metallscheibe, eine modifizierte handelsübliche Verschlussplatte oder kann wie ein pharmatauglicher Anschluss ausgebildet sein.
Die Vorrichtung 30 weist ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse auf. An der Mantelfläche des Wandlergehäuses 46 ist ein Bereich 33 mit Gewinde vorgesehen. Das Gewinde dient zur Befestigung des der Vorrichtung 30 auf der Höhe des vorbestimmten Füllstandes und ist in einer entsprechenden Öffnung des Behälters angeordnet. Andere Ausführungen können, wie oben aufgeführt, selbstverständlich auch mittels Befestigungen wie clamp on oder Flansche befestigt werden.
Das Wandlergehäuse 46 ist an seinem mit der Behälterwand abschließenden Ende von der Membran 47 abgeschlossen, wobei die Membran 47 in ihrem Randbereich 48 im ganzen oder teilweise in das Wandlergehäuse 46 eingespannt ist. Die Einspannungen können vielgestaltet sei. Ein besonderes Merkmal ist nicht erforderlich. Die Membran 47 kann zur besseren Übertragung der Ultraschallschwingungen und zur Verhinderung von akustischen Sprüngen durch Lufteinschlüsse mit einem Film aus einem geeignetem Koppelmittel versehen werden. Zur Minimierung von störenden Reflexionen ist die Dicke dieser Schicht minimal zu gestalten. Aus fertigungstechnischen Gründen kann die Membran 47 auch mittels einer Klebschicht 49 direkt mit dem piezokeramischen Element 41 verbunden werden ohne das spezielle Formgebungen im Randbereich 48 vorgesehen sind.
Die Schnittansicht von 5 zeigt eine erste Möglichkeit des Aufbaues der Vorrichtung 30. In dem Wandlergehäuse 46 sind die für die Vorrichtung 30 notwendigen Baugruppen und Einzelteile angeordnet. Die Vorrichtung 30 enthält als aktives Bauteil ein piezoelektrisches Element 41, das eine Scheibe aus bekannter Piezokeramik ist. Die mit zwei metallisierten Elektroden versehene Scheibe ist vorteilhaft mit einer Umkontaktierung einer Elektrode versehen. Diese bekannte Ausführung ermöglicht ein problemloses Verkleben des piezoelektrischen Elementes 41 mit dem Wandlergehäuse 46, dessen Wandstärke am vorderen Teil 53 wesentlich dünner gehalten werden kann als der Randbereich 54 des Wandlergehäuses 46. Ein erfindungsgemäßes Merkmal dieser Ausführung ist der absolute Schutz der Bauelementeplatine 43 und des piezoelektrischen Elementes 41 gegen Eindringen von Flüssigkeit in das Wandlergehäuse 46 durch die topfförmige Form.
Die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung 30 und auch die Sicherheit des zu überwachenden technischen Prozesses wird damit allein durch die Dichtheit der Gewindeverbindung zwischen Wandlergehäuse 46 und Behälterwand 34 bestimmt. Die Gewährleistung der Dichtheit des Prozessanschlusses wird als bekannt vorausgesetzt.
Die rückwärtige Seite des piezokeramischen Elementes 41 wird mit einer bekannten Dämpfungsmasse 42 und/oder Schaumstoffscheibe bedeckt. Die sich im Wandlergehäuse 46 befindliche Bauelementeplatine 43 ist vollkommen mit der Vergussmasse 45 umgeben.
Der Einbau des piezokeramischen Elementes 41 und der Bauelementeplatine 43 wird wesentlich erleichtert, wenn diese in einer nichtmetallischen Montagehülse 44 aus Kunststoff oder Hartpapier montiert werden.
Der obere Abschluss des Wandlergehäuses 46 kann mit einem unterschiedlichen Sensoranschluss 52 versehen werden. Dieser kann als fest mit dem Wandlergehäuse verbundene Kabelverbindung oder als lösbare Verbindung ausgeführt werden. Auf eine weitere Erläuterung kann verzichtet werden.
6 zeigt die Schnittdarstellung einer möglichen Weiterbildung der Erfindung bei der die Membran 50 nicht direkt über besondere Formgebungen des Randes mit dem Wandlergehäuse 46 verbunden ist. Zwischen Wandlergehäuse 46 und der Membran 50 ist eine Dichtung 51 angeordnet. Diese Dichtung 51 kann aus Vergussmasse oder einem Formteil bestehen. Das Wandlergehäuse 46 kann aus Metall gefertigt werden. Die akustische Entkopplung zwischen empfangenen Signalen aus dem Medium und dem Wandlergehäuse 46 erfolgt durch die Dichtung 51.
Eine andere, nicht mit einer Figur dargestellten Weiterbildung der Erfindung ist die Ausführung des Wandlergehäuses und/oder der Membran aus Keramik oder Glas. Wird eine schalltransparente Keramik oder Glas verwendet, ist die Feststellung und/oder Überwachung von aggressiven Flüssigkeiten, die Metalle oder Kunststoffe angreifen, möglich. Ein Überzug von Metallen mit Emaille ermöglicht ebenfalls die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Mit einer Weiterbildung der Erfindung ist die Unterscheidung von Bestandteilen innerhalb der Flüssigkeit möglich. Besonders beim Rohöltransport sind nicht nur Molche als Festkörper zu erkennen, sondern auch mittransportierter Gatsch. Eine Weiterbildung der Erfindung gestattet neben der Feststellung der Anwesenheit der Flüssigkeit oder des Molches. Dabei wird die Unterbrechung eines oder mehrere Echos ausgewertet. Da Rohöl die Membran und/oder die Behälterwand dämpft zeigt sich ein Zeitdiagramm ähnlich dem in 3a oder 3b. Da bei dieser Anwendung Rohre größeren Durchmesser haben und mit höherer Sendeleistung gearbeitet werden kann, sind weitere Echos nach E₁ festzustellen ohne dass E₁ schon mit Störechos R bedeckt sein muss. Beim Auftreten von Gatsch können diese Echos ganz oder teilweise verschwinden. Über eine Regelung der Sendeleistung wird geprüft, ob der Transmissionsweg nur durch Gatsch geändert oder durch einen Molch unterbrochen wurde. In der Praxis sind Gatschanhäufungen länger als Molche, da sich beide mit gleicher Geschwindigkeit von ca. 1m/s bewegen, verbleibt genügend Zeit um bei einer Impulsfolgefrequenz von z.B. 1 kHz die Impulshöhe zu Regeln und eine Überwachung der Transmissionseigenschaften der Flüssigkeit zu ermöglichen. Größere Gas lasen werden durch Verändern der Störechos R innerhalb des Zeitfensters CR erkannt (3d). Bestimmte Molche können durch ihren Aufbau Reflexionen hervorrufend deren Mehrfachechos in das Zeitfenster FE fallen. Der Aufbau und die Konstruktion dieser Molche ist im allgemeinen bekannt, so das besondere Echamuster dieser Molche mit den festgestellten Echofolgen verglichen werden. Damit kann mit so einem sagenannten intelligenten Molchdetektor die Passage auch komplizierter Molche, d. h. Molche besondere Geometrie und Länge oder Gruppen von Molchen, die vor und hinter Reinigungsmittel eingesetzt werden, aber auch Geelmolche sicher festgestellt werden. Die Erkennung solcher Molche erfolgt in einer entfernten Kontrollstelle in dem die Daten über verschiedene Telekommunikationsmittel online übertragen werden.

Claims

Verfahren zur Feststellung und/oder Überwachung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter, sowie der Ermittlung der Transmissionseigenschaften einer Flüssigkeit in einem Behälter mit einem Ultraschallwandler, der in der Höhe des festzustellenden oder zu überwachenden Füllstandes liegenden Messstelle in oder an der Behälterwand montiert ist und ein piezoelektrisches Element enthält, das bei Erregung mit einem Impuls vorgegebener Länge und Amplitude einen Ultraschall-Sendeimpuls erzeugt, der über eine Membran mit oder ohne zwischenliegende Behälterwand den dahinter liegenden Raum auf Anwesenheit einer Flüssigkeit überwacht und bei Anwesenheit einer Flüssigkeit dessen Transmissionseigenschaften untersucht, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element mit einer vorgegebenen oder variablen Sendefrequenz und/oder Impulslänge und einer vorgegebenen oder variablen Amplitude einen Ultraschallimpuls erzeugt und als Sender arbeitet und gleichzeitig in den Sendepausen Ultraschallimpulse empfängt und in elektrische Empfangssignale umwandelt, die einen Vielfachen der Laufzeit des ersten reflektierten Impulses entsprechen müssen und deren Anwesenheit und Anzahl je einzeln oder über eine Hüllkurve bewertet werden und das neben den in der Flüssigkeit transportierten Ultraschallwellen, hervorgerufen durch die Reflexionen der gegenüberliegenden Wand sowie von in der Flüssigkeit sich befindenden Gasblasen oder Feststoffen herrührende Echos, auch die in der Membran und/oder im Wandlergehäuse und/oder in der Behälterwand entstehenden von der Anwesenheit der Flüssigkeit abhängigen Reflexionen und deren Echos empfängt, die ebenfalls in elektrische Empfangsimpulse umgewandelt werden und durch Kombination der Bewertungen der Zeitfenster ein Medium feststellt und überwacht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der empfangenen Echos umgekehrt proportional der Schalltransparenz einer Flüssigkeit ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der empfangenen Echos umgekehrt proportional der Schalltransparenz einer Flüssigkeit ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl und oder die Amplitude der empfangenen Echos durch Veränderung der Sendeimpulslänge und/oder der Sendeimpulshöhe auf eine vorbestimmte Anzahl und/oder Höhe mittels einer elektronischen Regelschaltung gehalten wird und daraus ein elektrisches Signal zur Charakterisierung der Transmissionseigenschaften gewonnen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die notwendige Sendimpulshöhe und oder Impulslänge proportional zur Schalltransparenz der Flüssigkeit ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die notwendige Sendimpulshöhe und oder Impulslänge getrennt für die Zeitfenster erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitfenster nicht permanent zur Feststellung und/oder Überwachung ausgewertet werden, sondern die Dauer der Gültigkeit der getroffenen Auswertung veränderbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plausibilität der in den Zeitfenstern getroffenen Aussagen einzeln bewertet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Wandler die Ultraschallenergie mit einem erheblichen Anteil von Nebenkeulen sendet und empfängt.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Ultraschallwandler, der in Höhe des zu überwachenden Füllstandes liegenden Messstelle in oder auf der Behälterwand montiert ist und ein piezokeramisches Element enthält, das bei Erregung mit einem Impuls vorgegebener Länge und Amplitude einen Ultraschall-Sendeimpuls erzeugt, der über eine Membran mit oder ohne zwischenliegende Behälterwand auf das zu überwachende Medium übertragen wird, und das Ultraschallschwingungen bei Anwesenheit eines ultraschalltransparenten Mediums Mehrfachechos des Sendeimpulse von der gegenüberliegenden Wand innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls empfängt oder bei Anwesenheit eines ultraschallabsorbierenden und/oder streuenden Mediums, wie Suspensionen oder gasbeladene Flüssigkeiten, die durch den Sendeimpuls erzeugte erzwungene gedämpfte Schwingung des Schwingelementes aus dem mit der Membran verbunden piezoelektrischen Elements hervorgerufene Impulse empfängt oder aber auch Kombinationen von beiden erkennt und damit die Anwesenheit oder Anwesenheit eines Mediums ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran auf der der Behälterwand zugewandten Seite eine ebene Fläche besitzt und keine Schwingelemente in das Medium hineinragen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran aus Metall einer Dicke zwischen 0,05 mm und 50 mm besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran aus dem gleichen Material wie das Wandlergehäuse besteht und eine Dicke zwischen 0,05 mm bis 50 mm besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran am Randbereich formschlüssig und an dem übrigen Bereich stoffschlüssig mit dem topfförmigen zur mediumgewandten Seite voll geschlossenen Wandlergehäuse verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran mit einer Dichtung mit dem Wandlergehäuse verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran und/oder das Wandlergehäuse aus Keramik, Glas oder einem Verbundwerkstoff mit einem oder zwei dieser Bestandteile ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran als ebenes Element ohne Schwingkörper ausgebildet ist und einen größeren Durchmesser als das piezoelektrische Element aufweist und mit im Behälter- und Rohrleitungsbau üblichen Verbindungselementen am Behälter angebracht werden kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Wandler die Ultraschallenergie mit einem erheblichen Anteil von Nebenkeulen sendet und empfängt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie in eine die Rohrwand von außen berührende Anordnung eingebaut ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran Teil einer Absperreinheit oder eines Verschlusses ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauelementeplatine in die Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung des Füllstandes im Wandlergehäuse integriert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass optisch eine Bereitschaftsmeldung im Wandlergehäuse integriert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulslänge und Impulsamplitude einzeln oder gemeinsam analog oder digital über eine Datenleitung von einer entfernten Kontrollstelle einstellbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Transmissionseigenschaften als analoge oder digitale Werte über eine Datenleitung von einer entfernten Kontrollstelle lesbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die empfangenen Impulse über eine Datenleitung zu einer entfernten Kontrollstelle übertragen werden.