DE1623971A1

DE1623971A1 - Ultraschall-Fuellstandsmessanordnung

Info

Publication number: DE1623971A1
Application number: DE19671623971
Authority: DE
Inventors: Pierre Franchi
Original assignee: Electronique Appliquee SA
Current assignee: Electronique Appliquee SA
Priority date: 1966-02-08
Filing date: 1967-01-27
Publication date: 1970-09-24
Also published as: DE1623971B2; US3486377A; FR1504446A; GB1169821A

Description

TJLtrasoh.alL-i'üllstandsmessaiiordnung

Die Erfindung betrifft Ultrasciiallsonden zur liessung des Plüssigkeitsstandes mit wenigstens einem Ultraschallviandler, der entweder in der flüssigen Phase (unter dem Spiegel) oder in der .-gasförmigen Phase ( oberhalb des Spiegels) angeordnet ist und UltraschallWellen aussendet, die nach der lieflexion an der Srennflache zwischen der gasförmigen und der flüssigen !Phase zu ihretn_ Ausgangspunkt aurückkehren.Iiie Jjaufzeit zwischen dem yendezeitpunkt und dem i'mpfangsaeitpunkt der Ultraschallwellen ist dem gesuchten Abstand proportional. Das Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung einer Anordnung, mit welcher daraus eine wirksame Messung der gesuchten G-rösse, d.h. des Füllstands, gewonnen werden kann.

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-Z-

Ferner soll mit der erfindungsgemässen Anordnung die erhaltene information 'so ausgewertet werden, dass die Anzeige der G-rosse sowohl in analoger Form wie in quantisierter oder numerischer Form erfolgen kann, wobei diese Ausdrücke entsprechend der üblichen '.Terminologie der datenverarbeitung zu verstehen sind.

Da ferner für eine richtige Messung der durch die Schallgeschwindigkeit in dem betreffenden Medium gebildete Parameter zu berücksichtigen ist und somit die zu messende Zeit durch ie folgende Beziehung ausgedrückt ist:

(1.)'.. t =■ 2L/c

wobei L der Abstand und c die Dchallgeschwindigkeit sind, ist es auf jeden Fall notwendig, die Messanordnung zu eichen. Bin weiteres Ziel der Erfindung besteht daher darin, eine automatische Eichung der Messanordnung zu gewährleisten, soweit -iese erforderlich ist.

i-ine nach der Erfindung ausgeführte Ultraschall-I^rtLllstandsmessänordnung ist gekennzeichnet durch eine Eippscriwingungsanordnung zur Speisung des Wandlers mit periodischen Impulsen, -leren Folgefrequenz durch den zu messenden Abstand selbst be- ^; stimmt ist, eine Schaltung zur abnähme dieser Impulse mit einer elektronischen torschaltung, e'inen Impulsgenerator zur Srzeu-' giing von Impulsen fester Periode für die Steuerung der !uorschaltung in Verbindung mit den von der Kippschwingungsauordnung

gelieferte ti

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BAD ORiQiNAL

gelieferten Impulsen,.und durch Schaltungen zur I ormung der Ausgangssignale der Torschaltung für die direkte Anzeige des Ergebnisses der durchgeführten Kessung.

Zur Erzielung einer gleichzeitigen automatischen Eichung der Anordnung ist der impulsgenerator erfindungsgemäss aus einem Wandler-Kippschwinger^System gebildet, das dem ersten System gleich let, bei dem aber der Wandler mit einer konstanten Schallentfernung in einem Medium arbeitet, das gleich dem Medium ist, in welchem der erste Wandler mit veränderlichem Abstand arbeitet.

Zur Verarbeitung und Anzeige der Information in Analogform ist .die Frequenz des Impulsgenerators in allen Fällen kleiner als ' die Frequenz der Messkippschwingungsanordnung, und ihre Impulse bewirken das wiederholte öffnen der Torschaltung, während die Signalformerschaltungen Einrichtungen enthalten, welche das Schliessen der Torschaltung auf Grund- der somit übertragenen Messimpulse bewirken.

Für eine Verarbeitung und 'nzeige der Information in quantisiert^r Form ist dagegen die Frequenz des Impulsgenerators in allen Fällen grosser als die Frequenz der Kippschwingungsr'nordnung, wobei in diesem lall die Impulse der iZjppschwingungsanordnung das wiederholte Offnen der Torschaltung bewirken, dauifc die Impulse des -Impulsgenerators zu den Gignal-f ormer-

"■ac-.-altunjea ubertrajen werden.

— — * B-AP ORIGINAL

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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielshalber beschrieben. Darin zeigen:

Fig.1 das i-chema des Informati'onsgewinnungsteils der erfindungsgemässen Anordnung,.

Fig.2 Diagramme zur Erläuterung der Schaltung von Fig.3, Fig. 3 das Blockschaltbild einer Ausführungsform für die -

Analogverarbeitung der Information in einfacher Form,

Fig.4 eine teilweise J-bänderung der Anordnung von Fig.3 für eine automatische Eichung,

Fig.5 eine andere teilweise Abänderung der Anordnung von Fig.3 und 4-,

Fig.6 eine. Ausführungsforra für die quantisierte Verarbeitung der Information in einfacher 1 orm,

Fig.7 Diagramme zur Jrläterung der v.'iricungsweise der Anordnung von Fig.6 und

Fig.8 die Ausfuhrungsform von Fig.6 mit einer zusätzlichen automatischen Eichung.

Fig.1

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■Pig.1 zeigt einen Wandler 1, der in einen Behälter 6 eingetaucht" . ist. Er ist mit einem Kippsehwinger 2!verbunden, der so ausgeführt ist, dass er eine gewisse Verstärkung bei der liegpaeration der Impulse bewirkt, die ihm vom ,-Wandler. T zugeführt werden, damit diese Impulse nach einer konstanten inneen Verzögerung des JCippschwingers dem V/andler wieder zugeführt werden. Die Kippschwingung'erfolgt also gemeinsam durch den Wandler, das flüssige feedium in dem Behälter (bei dem dargestellten Beispiel) und die Verstärker-, Impuls foroaer- und Verzögerungsschaltung 2. Man erhält somit an dem Ausgang eine I'olge von periodischen Impulsen:, wie sie in dem Diagramm (A) von J¹Ig.2 dargestellt sind. Dabei hängt die iolgeperiode t dieser Impulse von der Strecke I ab, welche von dem Ultraschallimpuls oder kurzen Wellenzug von dem Wandler 1 bis zu dem Flüssigkeitsspiegel im Behälter 6 und zurück zu dem Wandler zurückgelegt wird, und'zwar ist sie dieser •^trecke proportional. G-emäss einer, üblichen Massnahme bei Impulssendern und -Empfängern aller Art sind natürlich die in der Anordnung 2 enthaltenen Schaltungen so ausgeführt, dass eine relbstsyhchronisierung verhindert wird, beispielsweise dadurch, dass die in der Anordnung 2 enthaltene Empfangsschaltung während der Wiederaussendung für eine bestimmte Zeit blockiert wird (R 'ckWirkung vom Ausgang zur Sperrung des .. Eingangs) . _; -.. -.■'.-■ - _,

Das

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Das '-nlaufen erfolgt von einem Impulsgenerator 3 aus, und um zu -verhindern, dass* sie ti in dem Klppschwingungskreis - ".-..., · durch, irgendeine ursprüngliche Störung eine oder mehrere . -ndere fmpulsarten ausbilden, die sich in störender weise der gewünschten ersten Impulsart überlagern, erfolgt die ii-ückführung von dem Wandler zu der Schaltung 2 "über eine l'orschaltung 4, die jedesmal- dann "blockiert wird, wenn die Schaltung 3 einen Impuls zur erregung des Kippschwingers 2 abgibt.Die Ausgänge der Schaltungen 3 und 4- sind am ^yuukt 5 -ur Ansteuerung der ^fchaltung 2 zusammengeführt. Der G-onerator 3 braucht nicht mit grosser Iolgefrec[uenz zu arbeiten, ä'£ kann beispielsweise so ausgeführt sein, dass^r alle zwei Sekunden einen Impuls abgibt. 3r kann also, falls gewünscht, ein elektrOmechaniseher Impulserzeuger sein.

I?ig-. 3 " zeigt wieder den Ausgang 8 für die Impulse ,mit der-Folgeperiode t. Diese werden dem Eingang einer Torschaltung j zugeführt, deren Öffnungszeiten P und Sperrzeiten B, die im Diagramm (D) von J?ig.2 dargestellt sind, folgenderuassen bestimmt werden: Ein Tsktgeber 11 gibt Impulse axt der iolgeperiode T (Diagramm (B) von Fig.2) ab, die grosser al3 diejenige der vom Ausgang 8 stammenden Impulse Ist. Jeder vom Taktgeber 11 kommende Impuls öffnet die To^3chaLtung 9, die beispielsweise eine Übertragungsstufe enthält, die durch den Zustand einer bistabilen Kippschaltung gesteuert wird, welche durch einen Impuls des Taktgebers 11in den Arbeitszustand gebracht wird.und dann die Übertragungsstufe öffnet, der die Impulse vom Ausgang 8 zugeführt werden. Der erste Impuls, der dann nach dem Öffnen der !Eorschaltung

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vom Ausgang 8 abgegeben wird, bringt eine "bistabile Eccles-Jordan-Kippschaltung; 10 in--den Ar-be its zustand, und der zweite Impuls bringt diese Kippschaltung 10 in den Ruhezustand, wobei dann über die Ilüekverbindung 12 die Tofschaltung 9 wieder geschlossen wird, wie aus dem Diagramm (C) von 3J¹Ig.2 zu erkennen ist, Injlera die in der Γehaltung 9 enthaltene Kippschaltung In den Ruhezustand zurückgebracht wird. Die von der Kippschaltung 10 abgegebenen rechteckigen Stromimpulse haben den Mittelwert:

(2)

Ein Anzeigegerät 13, beispielsweise ein Drehspulgalvanometer mit mechaaiseher oder elektrischer Integration ermöglicht dann die Anzeige des Ausgangsstrom⁵ i_ffl, dessen Wert der Strecke L· proportional ist.

Zur Berücksichtigung des Wertes der Schallgeschwindigkeit c in der PlÜssigkeit kann manentweder die Periode T oder die Amplitude, des Rechteeklmpulses mit der Dauer t entsprechend bemessen oder auch den Wert des Koeffizienten K verändern (beispielsweise durch Einstellung eines Potentiometers am Ausgang der Schaltung "10).ungeachtet des oder der so eingestälten Faktoren Ist jedoctt unmittelbar zu erkennen, dass das System bei jedem Wechsel des Schallausbreitungsmediums vor jedem Püllstandsmesszyklus geeicht werden muss.

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Zur Vermeidung dieser Tinschränkung und zur Erzielung einer automatischen Eichung kann dann so vorgegangen werden, wie in dem Teilschaitbild von Pig.4 dargestellt ist. Jilin zweiter Wandler 14, der dem Wandler 1 gleieh oder zumindest analog ist, ist mit einem Kippschwinger 15 verbunden,der dem Kippschwinger 7 gleieh ist. Dieser Wandler 14 ist in das gleiche akustische Medium wie der Wandler 1 eingebracht, und er arbeitet mit einer festen Schallstrecke L . Das

Äusgangssignal des Kippschwingers 15wird einem Eolgefreq.uenz-' teiler 16 zugeführt. Somit wird anstelle der Impulse, die bei dervAnordnung von Pig.3 vom Taktgeber 11 kommen, nur jeder n-te Impuls der Torschaltung 9 zugeführt. Im übrigen ist die Anordnung in der gleichen Weise wie in J?ig» 3 ausgeführt.

Unter diesen Bedingungen ist das Zeitintervall T:

(3) T = n.2L_o/c

und die von der Kippschaltung 10 abgegebenen rechteckigen

ötroraimpulse haben den Mittelwert : " ·■

¹Oi ^{= K}.(2i/c).(i/n).(c/2L_o) = (K/n).(L/L_o>

der unabhängig von der Schallgeschwindigkeit c ist.

Bei

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.Bei dieser Anordnung muss, ebengo wie bei derjenigen von Fig·3, die Periode T stets grosser als das doppelte maximale Zeitintervall t zwischen zwei am Ausgang 8 der Anordnung 7 erhaltenen Impulsen sein. Die Skala des Anzeigegeräts wird im Pail von I?ig.4 durch Einstellung des Koeffizienten K mit Hilfe einer Eatentiometerschaltung am Ausgang der bistabilenKippschaltung 10 einreguliert, wie für die Anordnung yon" J¹Ig.3 bereits angegeben wurde.

Es ist hier zu bemerken, dass selbst im lall einer automatischen Eichung die Informationsverarbeitung erforderlichenfalls auch über eine grössere Entfernung: erfolgen kann, wie als Beispiel in dem Schaltbild von 2?'ig»5 angedeutet ist. In^- diesem ffall bewirkt ein*e Mischstufe 21 die gleichzeitige "Übertragung; der die Information enthaltenden Impulse"und der von der automatischen Eichanordnung stammenden Impulse über ein Kabelpaar zu einer entfernt angeordneten Schaltung 22, welche die beiden Impulsfolgen wieder voneinander trennt und der Torschaltung 9 zuführt. Eine Qleichspannungsquelle 25 ermöglicht dagegen die Übertragung der für die Kippschwinger und die übrigen Schaltungen an der Messstelle erforderlichen öleichspannungsversorgung über das Kabel* ■ Die Verteilung dieser Gleichspannung ist zur Vereinfachung der Zeichnung nicht dargestellt* \ ,."■.-·■■

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DIe Übertragung eier Schaltungen von S¹Ig. 5 und 4 auf die Anzeige des M_essergebnisses in q.uantisierter Form ist,unmittelbar erkennbar, wie in Fig.6 bis 8 dargestellt ist. Es genügt, den Taktgeber 11 von Fig.3 durch, einen Taktgeber 17 zu. ersetzen, dessen-Impulse eine Folgeperlode T haben, die merklich, kleiner als (die dem kleinsten Füllstand entsprechende) kleinste iolgeperiode % der auf,A_usgang" 8 erhaltenen Informationsimpulse, unöjdle Aufgaben dieser beiden Impulsfolgen für die Steuerung der Torschaltung umzukehren. In diesem Fall werden die vom Taktgeber 17 stammenden Impulse der Übertragungsstufe der Torschaltung zugeführt, und die vom Ausgang 8 abgegebenen Impulse steuern eine Kippschaltung so, dass die Übertragungsstufe wahrend ,jeder zweiten Periode t geöffnet wird, was unmittelbar erhalten wird, wenn zu diesem Zweck eine Eceles-Jordan-Kippschaltung verwandet wird. Der " usgang der Torschaltung steuert einen Impulszähler 18, der periodisch abgelesen wird, damit in einer Decodierschaltung 19, deren Aufbau an sich bekannt ist, eine numerische Anzeige erfolgt. Der * Impulszähler 18 wird beispielsweise dann abgelesen, wenn, ■; jeder zweite Impuls vom Ausgang 18 die Kippschaltung der Torschaltung 9 In den Zustand gebracht hat, in welcher ihre Übertragungsstufe gesperrt ist. Zu diesem Zweck genügt es, eine nicht dargestellte Verbindung von dieser Kipp- ^ schaltung zu dem Zähler 18 zu legen, der im übrigen in .gleichfalls an sich bekannter Weise bei jedem Ablesen auf KuIl zurückgestellt wird» Pjvö numerische /inzeige in der Anordnung" 19 kann eine lichtanzeige sein and/oder ein ' Druckwerk enthalten* .

O0»

Bei der ϊehaltung von Fig.6, deren Hauptsächliche Signale in Mg.7 dargestellt sind, kann die Jiichung durch Einstellung

des Y/ertes T, also des !Taktgebers 17 erfolgen. ·

Bei der Schaltung von Fig.8 wird eine automatische Eichung dadurch erhalten, dass eine Bezugsaiiordnung- mit einem Wandler 14 und einein Kippschwinger 19 vorgesehen wird, wie bereits für den Fall von 3?ig.4 erläutert worden ist.

Auf den Kippschwinger 19 folgt, falls erforderlich, ein ' -Impulsfrequenzvervielfacher 20. Die Periode ί hängt also von der Schallgeschwindigkeit/t> in dem betreffenden Medium ab*

Bei der Anordnung von Fig*6 ist die periodisch in der Anordnung 19 angezeigte Eshl IT offensichtlich:

(5)

dagegen ist ißl Systeia von Fig.8 diese Zahl Ii t

(6)' H = C2L/e).(.a,fi/23i_o) = n.(l/L_o)

also unabhängig von c. Die Eichung des Geräts erfolgt-■beiu Beginn durch die Wahl der Zahl n, da giltι

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Da die Zahl π eine ganze Zahl ist, mass man offensichtlich den "Wert der festen Strecke L so wählen, dass in allen FäLlen der kleinste Wert von t ein ganzzahliges Vielfaches von T ist..

Pat e ntansprüche

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Claims

P a t e η t a η s ρ r ti c he

1. Ultrasciiall-Pullstandsmessan Ordnung mit einem im Abstand von dem zu messenden _i piegel angebrachten Schal !wandler, welcher Schallwellen aussendet, die nach Reflexion an diesem Spiegel zu ihrem Ausgangspunkt zurückkehren und die Laufzeit dieser ,'schallwellen als Mass für den zu messenden Füllstand verwendet wird, gekennzeichnet durch eine Kippschwingungsschaltung, welche dem Wandler periodische Impulse' mit einer durch den zu messenden Abstand bestimmten !•'requenz zuführt, eine Schaltung zur Abnahme dieser Impulse mit einer Torschaltung, einen Impulsgenerator zur Erzeugung von Impulsen mit fester Folge£BEiode_; für die Steuerung dieser Torschaltung in Verbindung mit dem von der Kippschwingungsschaltung stammenden Impulsen , und durch Signalformerschaltungen zur Formung der Ausgangssignale der Torschaltung für eine direkte Anzeige des Messergebnisses.

2. Ultrasehall-Fillstandsmessanordnung. nach ^Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Torschaltung eine Übertragungsötufe "Una. eine bis-iäiile Igpschaltung für die Steuerung dieser Übertragungsstufe enthält:, dass die eine der beiden Impulsfolgen der iibertragungssiiufe zugeführt wird, und dasö die andere Impttlsfolge die Kippschaltung wenigstens so eteuert, dass ladux'ch die übertragungsstufe entsperrt wird. ·

3. UltraschallrFüllstandsmessanordnung nach. Ansprach 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den '" us gang der Torschaltung in der Signalformerschalfcung eine Kippschaltung βο angeschlossen ist, dass sie durch den ersten ihr zugeführten Impuls in en Arbeitszustand und durch den nächsten . Impuls in den Ruhezustand gebracht wird, wobei durch dfe ii'ckkehr in den Ruhezustand die Kippschaltung der '.Torschaltung so betätigt wird, dass sie die Übertragungsstufe sperrt, und dass die Impulse der Kippschwingungsschaltung der tTbertraguagsrrbufe zugeführt werden.

4. Ultraschall-Füllstandsine.ssanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die -BOlgefrequeüz des Irapuls-generators kleiner als jede vorkorarnende üolgefreajienz der . Kippschwingungsschaltung ist.

5* TJltraschall-lüllstandsmessanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den Ausgang -der iorscualtung in den Signalformerschaltungen ein Inpulszähler angeschipssen/ ist, dass die Ausgaigsimpulse des lapulsgeneratörs der _;j t-bertragungsstufe zugeführt werden,..dass die toe der _: .-_-■_>-■ Kippschwingungsschältüng abgegebenen Impulse die Kippscaaltung der iorschaltung abwechselnd in den einen und in den anderen Zustand bringen, und dass die Polgefreauenz des Impulsgenerators merklich grosser als jede vorkommende Eolgefrequeaz der Kippschwingungsschaltung ist. \ ,-

6. Ultraschall—Füllstandsmessanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zähler unter gleichzeitiger loschung in Zeitpunkten abgelesen wird, welche in einen) festgelegten Zusammenhang ait den: Auftreten der Impulse der ILippschwingungssclialtuug stellen.

7. Ultraschall—liillstandsmessaiiordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulsgenerator ein Taktgeber ist.

8. Ultraschall—i'üllstandsmessanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, da3s der Impulsgenerator eine zweite Kippschwingungsschaltung enthält, welche mit einem festen Schallweg für den zugeordneten Wandler in einem Medium arbeitet, dessen tlbertragungskenngr'össen, in Abhängigkeit yon den Übertragungskenngrössen des Mediums bestiinmt si ad» in welchem der V,andler der ersten Kippschwingungsschaltung arbeitet.

9. Ultraschall-lüllstandsmessanordtiung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulsgenerator am Ausgang der zweiten kippschwingungsschaltung eine I reciue'nzvervielfacher-oder Prequenzteilerschaltung für die Impulsfrequenz enthält.

l. Ultraschall-F"llstandsmessanordnung nach einemder vorhergehenden *· ns prüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden impulsfolgeu für die Fernübertragung geaiischt und zur . Zuführung zu der Torschaltung wieder getrennt werden. ' '. . ■'■.; ■'. ; ■.-.' ■ ■ . . - . ■■ ■ QAD ORIGINAL

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L e e r s e i t e