DE4014990A1

DE4014990A1 - Liquid lever measurement arrangement - uses ultrasonic pulse reflection from surface and transition time measurement for use with moving or static liquid e.g. in vehicle fuel tank

Info

Publication number: DE4014990A1
Application number: DE4014990A
Authority: DE
Inventors: Herbert Prof Dr Zott; Joachim Schmid
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-05-10
Filing date: 1990-05-10
Publication date: 1991-11-14

Abstract

The arrangement for measuring the level of a liquid in a container (1) contains a system (5) with at least one transmitter and receiver of ultrasonic waves which determines the instantaneous position of a point on the liquid surface in the path of propagation of the ultrasound. - The system contains a pulse generator (27) for periodic transmission of ultrasonic pulses. The transition time of the pulses from the transmitter to the liquid surface and back to the receiver is measured by an evaluation unit (6).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Flüssigkeitsstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter.The invention relates to a device for determining the Liquid level of a liquid in a container.

Es ist bekannt, den Flüssigkeitsstand in einem Behälter, bei spielsweise in einem Kraftstofftank, mittels eines in einem vertikalen, mit dem Behälter verbundenen Rohr schwimmenden Schwimmers zu erfassen. Da das Rohr mit dem Behälter verbunden ist, entspricht der Flüssigkeitsstand im Rohr dem Flüssigkeits stand im Behälter, solange nicht eine sich ständig verändernde, stark unruhige freie Oberfläche der Flüssigkeit im Behälter vorhanden ist. Diese Meßmethode besitzt daher lediglich eine ausreichende Genauigkeit bei ruhigen Flüssigkeiten.It is known to check the liquid level in a container for example in a fuel tank, by means of one in one vertical tube floating to the container Capture swimmers. Because the pipe is connected to the container the liquid level in the pipe corresponds to the liquid stood in the container as long as there was no constantly changing very agitated free surface of the liquid in the container is available. This measurement method therefore only has one sufficient accuracy with calm liquids.

Häufig sind jedoch Flüssigkeiten innerhalb eines Behälters in Bewegung, sei es durch Bewegungen des Behälter selbst oder bei einem ruhenden Behälter durch eine induzierte Bewegung der Flüssigkeit, beispielsweise durch Umrühren der Flüssigkeit mit Hilfsmitteln oder ähnliches. Dadurch entstehen an der Ober fläche der Flüssigkeit im Behälter zeitlich veränderte, wel lenförmige oder anders geartete geometrische Niveauzustände. Solche Zustände treten beispielsweise in Kraftfahrzeugen bei Ölbehältern, Kraftstoff-, Bremsflüssigkeitstanks und Scheiben waschbehälter, aber auch in der Verfahrenstechnik beim Mischen von Flüssigkeiten sowie bei Flüssigkeit führenden Hausgeräten auf. Häufig ist es hierbei notwendig, das Flüssigkeitsvolumen innerhalb des Behälters auch während der Bewegung der Flüssig keit zu erfassen, um zu überprüfen, ob das momentane Flüssig keitsvolumen noch mit den vorgegebenen Werten übereinstimmt.However, liquids are often in within a container Movement, be it by moving the container itself or during a resting container by an induced movement of the Liquid, for example by stirring the liquid with Tools or the like. This creates on the upper area of the liquid in the container changed over time, wel Len-like or other geometrical level states. Such conditions occur, for example, in motor vehicles Oil tanks, fuel, brake fluid tanks and discs wash containers, but also in process engineering when mixing of liquids and liquid-carrying household appliances on. It is often necessary to determine the volume of fluid inside the container even during the movement of the liquid to check whether the current liquid volume still corresponds to the specified values.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sowohl bei ruhigen als auch bei bewegten Flüssigkeiten eines Behälters eingesetzt werden kann.The object of the invention is a device of the type mentioned at the outset, both in calm as well as for moving liquids in a container can be.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß wenigstens ein einen Sender und einen Empfänger enthaltenden System zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen an dem Behälter angeordnet ist, das eine momentane Lage eines Punktes der Flüssigkeits oberfläche im Bereich der Ausbreitungsbahn der Ultraschallwel len erfaßt. Die Erfindung nutzt aus, daß Ultraschallwellen an der freien Oberfläche einer Flüssigkeit eine Reflexion er fahren, durch die von einem Sender ausgesandte Ultraschall wellen zu einem Empfänger reflektiert werden. Durch Auswerten der Differenz zwischen gesendetem Signal und empfangenem Signal läßt sich dann das Flüssigkeitsniveau ermitteln.This object is achieved in that at least one Transmitter and a system containing a receiver for transmission and receiving ultrasonic waves arranged on the container which is a current location of a point of fluid surface in the area of the propagation path of the ultrasonic wave len recorded. The invention takes advantage of ultrasonic waves a reflection of the free surface of a liquid drive through the ultrasound emitted by a transmitter waves are reflected to a receiver. By evaluating the difference between the transmitted signal and the received signal the liquid level can then be determined.

In Ausgestaltung der Erfindung ist das System mit einem Puls geber zum periodischen Aussenden von Schallimpulsen verbunden. Der Sender sendet mithin einen Ultraschallimpuls aus, der an der Oberfläche der Flüssigkeit reflektiert wird und vom Empfänger empfangen wird. Damit ist es möglich, die Laufzeit des Ultraschallimpulses zu messen und auszuwerten.In one embodiment of the invention, the system is with a pulse connected for periodic transmission of sound pulses. The transmitter therefore sends an ultrasonic pulse to the is reflected from the surface of the liquid and from Receiver is received. This makes it possible to run the time to measure and evaluate the ultrasonic pulse.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine Auswerteeinheit an das System angeschlossen ist, die Mittel zum Erfassen der Laufzeit eines Ultraschallimpulses vom Sender zu einer Oberfläche der Flüssigkeit und weiter zum Empfänger aufweist. Mit Hilfe der Erfassung der Laufzeit des Schallimpulses kann die momentane Lage des Flüssigkeitsspiegels ermittelt werden.In a further embodiment of the invention it is provided that an evaluation unit is connected to the system Means for detecting the transit time of an ultrasonic pulse from Transmitter to a surface of the liquid and on to Has receiver. With the help of recording the term of the Sound impulse can change the current position of the liquid level be determined.

In weiterer Ausgestaltung ist der Pulsgeber an die Auswerteein heit angeschlossen.In a further embodiment, the pulse generator is connected to the evaluation connected.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Auswerteeinheit an einen Datenspeicher angeschlossen. Dadurch können der Aus werteeinheit Daten über die Lage oder Bewegung des Behälters, über die Art der in die Flüssigkeit eingebrachten Bewegung und ähnliches übermittelt werden, um ihr eine Berechnung des Flüssigkeitsvolumens zu ermöglichen.The evaluation unit is a further embodiment of the invention connected to a data storage device. This can be the end unit of value data about the position or movement of the container, about the type of movement introduced into the liquid and Similar to be sent to her a calculation of the To allow liquid volume.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das System als piezoelektrischer Wandler ausgeführt, der sowohl als Sender, als auch als Empfänger von Schallimpulsen einsetzbar ist. Die Ultraschallwellen werden dabei mit Hilfe piezoelektrischer Materialien erzeugt. In der Betriebsweise "Sender" wird elek trische Energie in mechanische umgewandelt. Bei Anlegen einer entsprechenden Wechselspannung schwingen die piezoelektrischen Scheiben bei ihrer Eigenfrequenz und strahlen die entsprechen den Schallwellen senkrecht zur Oberfläche ab. In der Betriebs weise "Empfänger" wird die mechanische in die elektrische Energie umgeformt. Die ankommende Schallwelle regt die piezo elektrische Scheibe zu Schwingungen an, durch die eine elek trische Spannung hervorgerufen wird. Diese Spannung wird zur Auswertung herangezogen. Damit kann dasselbe Bauteil ab wechselnd als Sender und als Empfänger benutzt werden.In a further embodiment of the invention, the system is as piezoelectric transducer, which is used both as a transmitter, and can also be used as a receiver of sound impulses. The Ultrasonic waves are made using piezoelectric Materials. In the "transmitter" mode, elec trical energy converted into mechanical. When creating one the corresponding alternating voltage vibrate the piezoelectric Discs at their natural frequency and radiate the corresponding the sound waves perpendicular to the surface. In the operating wise "receiver" becomes the mechanical in the electrical Energy transformed. The incoming sound wave excites the piezo electrical disc to vibrate through which an elec trical tension is caused. This tension becomes Evaluation used. This means that the same component can be removed alternately used as a transmitter and a receiver.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere, in Ab stand zueinander an einer Wandung des Behälters angebrachte Systeme vorgesehen. Mit Hilfe der durch diese Systeme erfaßten unterschiedlichen Lagepunkte des gesamten Flüssigkeitsspiegels ist es möglich, den Lagezustand der Oberfläche im Behälter zu ermitteln und damit das Flüssigkeitsvolumen im Behälter zu be rechnen, dessen Volumen bekannt ist. In a further embodiment of the invention, several, in Ab stood against each other on a wall of the container Systems provided. With the help of those captured by these systems different locations of the entire liquid level it is possible to check the position of the surface in the container determine and thus the liquid volume in the container calculate, whose volume is known.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist um den Bereich der Ausbreitungsbahn der Schallimpulse eines Systems in der Flüs sigkeit ein an seinen beiden Stirnseiten offenes, über die freie Oberfläche der Flüssigkeit hinausragendes Rohr angeord net, das im Bereich des Flüssigkeitsstandes wenigstens eine in seiner Wandung vorgesehene Öffnung aufweist. Ein solches Rohr dient zur Führung der Ultraschallwellen, insbesondere dann, wenn die Gefahr besteht, daß die Reflexion der Ultraschall wellen an einer glatten freien Oberfläche der Flüssigkeit nicht zum Empfänger zurückführt. Durch die in der Wandung des Rohrs vorgesehene Öffnung steht die Flüssigkeit innerhalb des Rohrs mit der Flüssigkeit außerhalb des Rohres in Verbindung. Die Anordnung eines solchen Rohres ist beispielsweise auch zweck mäßig, wenn der Behälter sich in Schräglage befindet und die zur freien Oberfläche gelangenden Ultraschallwellen schräg reflektiert werden. Trifft der Ultraschallstrahl auf die Rohrwand, so wird der Strahl an der Rohrwand erneut reflektiert und trifft auch nach mehrfacher Reflexion immer auf den Empfänger. Die durch den nicht direkten Weg hervorgerufene Laufzeitverlängerung kann in das System eingeeicht werden.In a further embodiment of the invention is the area of Path of propagation of the sound impulses of a system in the river liquid on both sides of the face, over the free surface of the liquid projecting pipe arranged net that in the area of the liquid level at least one in has its opening provided wall. Such a pipe serves to guide the ultrasonic waves, especially if there is a risk that the reflection of the ultrasound do not wave on a smooth free surface of the liquid returns to the recipient. By in the wall of the pipe The intended opening is the liquid inside the tube in contact with the liquid outside the pipe. The Arrangement of such a tube is also useful, for example moderate if the container is in an inclined position and the ultrasonic waves reaching the free surface at an angle be reflected. Does the ultrasound beam hit the Pipe wall, the beam is reflected again on the pipe wall and always comes across after several reflections Receiver. The one caused by the not direct path Extension of the term can be calibrated into the system.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die anhand der Zeichnungen darge stellt sind.Further advantages and features of the invention result from the subclaims and from the description below of embodiments that Darge with reference to the drawings represents are.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Erfindung mit einem Behälter, an dessen Boden vier Systeme in Abstand zueinander angeordnet sind und die an eine mit einem Datenspeicher verbundene Auswerteeinheit angeschlossen sind, Fig. 1 shows schematically an embodiment of the invention with a container at the bottom thereof four systems in spaced each other and which are connected to an associated evaluation unit with a data memory,

Fig. 2 den Verlauf von durch einen Ultraschallsender ausgesandten Ultraschallimpulsen in einem horizon talen Behälter, in dem die Flüssigkeit eine glatte, horizontale Oberfläche bildet, Fig. 2 shows the profile of light emitted by an ultrasonic transmitter ultrasonic pulses in a horizon tal container in which the liquid forms a smooth, horizontal surface,

Fig. 3 eine Ansicht ähnlich Fig. 2, bei der sich der Be hälter jedoch in Schräglage befindet und der Flüssig keitsspiegel im Behälter eine wellenförmige Ober fläche bildet,Forming surfactant Fig. 3 is a view similar to FIG. 2, at which the loading container is, however, in an oblique position and the liquid in the container keitsspiegel an undulating top,

Fig. 4 einen Zustand der Flüssigkeit in einem Behälter im Augenblick einer horizontalen Beschleunigung des Behälters, Fig. 4 shows a state of the liquid in a container at the moment of a horizontal acceleration of the container,

Fig. 5 eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Ultraschallimpulse des Systems innerhalb eines in die Flüssigkeit eingebrachten Rohres verlaufen und Fig. 5 shows an embodiment of the invention, in which the ultrasonic pulses of the system run inside a tube introduced into the liquid and

Fig. 6 eine Anordnung gemäß Fig. 5, bei der sich jedoch der Boden des Behälters in Schräglage befindet und dadurch die Ultraschallimpulse von der Innenwand des Rohres zum Empfänger reflektiert werden. Fig. 6 shows an arrangement according to Fig. 5, but in which the bottom of the container is in an inclined position and thereby the ultrasonic pulses are reflected from the inner wall of the tube to the receiver.

In Fig. 1 ist beispielhaft ein im wesentlichen quaderförmiger Behälter (1) dargestellt, der allseitig geschlossen ist. Der Behälter (1) ist teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt, auf deren Darstellung jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet wurde. Solche Behälter (1), die selbstverständlich auch andere geometrische Formen haben können, befinden sich beispielsweise in Kraftfahrzeugen, in denen sie und die aufge nommene Flüssigkeit durch Beschleunigen, durch Abbremsen, durch Kurvenlage des Fahrzeugs oder ähnlichem unterschiedlichen Zu ständen ausgesetzt sind. Entsprechend dem jeweiligen Zustand stellt sich die Flüssigkeit in dem Behälter (1) ein, d. h. der Flüssigkeitsspiegel ändert sich, ohne daß sich jedoch das Volumen der Flüssigkeit ändern muß.In Fig. 1, an essentially cuboid container ( 1 ) is shown as an example, which is closed on all sides. The container ( 1 ) is partially filled with a liquid, but the illustration has been omitted for reasons of clarity. Such containers ( 1 ), which of course can also have other geometric shapes, are for example in motor vehicles in which they and the liquid taken up are exposed to accelerating, braking, cornering of the vehicle or similar different conditions. The liquid in the container ( 1 ) adjusts itself according to the respective state, ie the liquid level changes without the volume of the liquid having to change.

Der Behälter weist an einer Bodenfläche (17) vier in Abstand zueinander angeordnete Systeme (5) auf, die jweils Ultraschall wellenimpulse aussenden und empfangen können. Im Ausführungs beispiel sind die Systeme (5) auf der Innenseite der Boden fläche (17) angebracht.The container has on a bottom surface ( 17 ) four spaced systems ( 5 ), each of which can transmit and receive ultrasonic wave pulses. In the execution example, the systems ( 5 ) on the inside of the floor surface ( 17 ) are attached.

Jedes System (5) steht mittels elektrischer Leitungen (3) mit einer Wechselspannungsquelle (2) in Verbindung und wird von dieser gespeist. Zusammen mit der Spannunqsquelle (2) ist an die elektrischen Leitungen (3) zu den Systemen (5) ein Puls geber (27) angeschlossen, der periodische Wechselspannungs impulse mit einer Frequenz in der Größenordnung von 1 kHz bildet. Jedes System (5) ist ausgangsseitig mittels Leitungen (4) mit einer Auswerteeinheit (6) verbunden, auf die später noch näher eingegangen wird. Die Auswerteeinheit (6) ist zudem an den Pulsgeber (27) und an einen Datenspeicher (7) ange schlossen.Each system ( 5 ) is connected to an AC voltage source ( 2 ) by means of electrical lines ( 3 ) and is supplied by it. Together with the voltage source ( 2 ), a pulse generator ( 27 ) is connected to the electrical lines ( 3 ) to the systems ( 5 ), which forms periodic AC pulses with a frequency of the order of 1 kHz. Each system ( 5 ) is connected on the output side by means of lines ( 4 ) to an evaluation unit ( 6 ), which will be discussed in more detail later. The evaluation unit ( 6 ) is also connected to the pulse generator ( 27 ) and to a data memory ( 7 ).

Jedes System (5) besteht aus einem piezoelektrischen Wandler, der zugleich als Sender und als Empfänger von Ultraschall impulsen dient. Um die Laufzeiten gut messen zu können, ist es zweckmäßig, schnell anschwingende Ultraschallwandler einzu setzen, die Impulse mit steilen Flanken liefern. Die piezo elektrischen Scheiben der Wandler schwingen je nach Auf lösungsforderung bei einer Ultraschalleigenfrequenz im Bereich von 1 MHz bis 50 MHz. Die Wechselspannung der Wechselspannungs quelle (2) ist so ausgelegt, daß die Scheiben der Wandler diese Eigenfrequenz erreichen. Da den Wandlern mit Hilfe des Puls gebers (27) immer nur kurze Spannungsimpulse zugeführt werden, senden sie entsprechend auch nur kurze Ultraschallimpulse aus. Die Frequenz dieser Wechselspannungsimpulse hängt von der Größe des Behälters und den Eigenschaften der Flüssigkeit ab und befindet sich im Ausführungsbeispiel in der Größenordnung von 1 kHz. Mit entsprechender Frequenz strahlt jeder Wandler Ultraschallimpulse ab, wobei diese Impulse durch die Scheiben der Wandler immer senkrecht zu ihrer Oberfläche abgestrahlt werden. Each system ( 5 ) consists of a piezoelectric transducer, which serves as a transmitter and a receiver of ultrasound pulses. In order to be able to measure the transit times well, it is advisable to use ultrasound transducers that start up quickly and provide impulses with steep flanks. The piezoelectric disks of the transducers vibrate at an ultrasonic natural frequency in the range of 1 MHz to 50 MHz, depending on the resolution requirement. The AC voltage of the AC voltage source ( 2 ) is designed so that the disks of the transducers reach this natural frequency. Since only short voltage pulses are fed to the transducers with the aid of the pulse generator ( 27 ), they also send out only short ultrasonic pulses accordingly. The frequency of these AC voltage pulses depends on the size of the container and the properties of the liquid and is in the order of magnitude of 1 kHz. Each transducer emits ultrasound pulses at the appropriate frequency, these pulses always being radiated through the disks of the transducers perpendicular to their surface.

Sobald der Ultraschallimpuls auf einen Punkt einer freien Oberfläche der Flüssigkeit trifft, wird er von dort zum System (5) zurückreflektiert. Die Zeitspanne und damit die Frequenz des Pulsgebers (27) zwischen zwei Schallimpulsen ist so be messen, daß die Wellen des ersten Schallimpulses zum System (5) zurückgelangen, bevor der nächste Ultraschallimpuls von diesem ausgestrahlt wird. Daher dient das System (5) nach Aussenden eines Impulses als Empfänger. Die ankommende Schallwelle regt die piezoelektrische Scheibe zu Schwingungen an, durch die in bekannter Weise eine elektrische Spannung entsteht, die mittels der Leitungen (4) zur Auswerteeinheit (6) gelangt und dort ausgewertet wird.As soon as the ultrasound pulse hits a point on a free surface of the liquid, it is reflected back from there to the system ( 5 ). The time span and thus the frequency of the pulse generator ( 27 ) between two sound pulses is so measured that the waves of the first sound pulse return to the system ( 5 ) before the next ultrasonic pulse is emitted by this. Therefore, the system ( 5 ) serves as a receiver after sending out a pulse. The incoming sound wave excites the piezoelectric disk to vibrate, which in a known manner creates an electrical voltage, which reaches the evaluation unit ( 6 ) by means of the lines ( 4 ) and is evaluated there.

In manchen Fällen wird nicht jeder ausgestrahlte Ultraschall impuls an der Oberfläche der Flüssigkeit derart zurückreflek tiert, so daß er auf den Empfänger trifft. Es ist jedoch ausreichend, wenn innerhalb einer vorgegebenen Zeiteinheit wenigstens einer der mit der Pulsfrequenz abgestrahlten Signal pulse auf den Empfänger zurückreflektiert wird, um eine Aus wertung zu ermöglichen. Dies ist dann gewährleistet, wenn die Flüssigkeit eine "unruhige" Oberfläche bildet, d. h. keine glatte Oberfläche.In some cases, not every emitted ultrasound so reflect back on the surface of the liquid animals so that it meets the recipient. However, it is sufficient if within a given unit of time at least one of the signals radiated with the pulse frequency pulse is reflected back to the receiver to make an off enable evaluation. This is guaranteed if the Liquid forms a "rough" surface, i.e. H. no smooth surface.

Die Auswerteeinheit (6) mißt die Laufzeit eines einzelnen Ultraschallimpulses von dem Moment an, in dem er abgestrahlt wird, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem der Reflexionsstrahl des Impulses auf den Empfänger trifft. Das Auslösen des Beginnes des Meßvorgangs erfolgt durch die mittels einer Leitung (28) vom Pulsgeber (27) zugeführte Information, so daß ein Span nungsimpuls gleichzeitig eine Laufzeitmessung auslöst. Sobald das elektrische Spannungssignal vom Auftreffen des Reflexions strahls auf die piezoelektrische Scheibe an die Auswerteeinheit (6) übermittelt ist, wird der Meßvorgang gestoppt. Der Daten speicher (7) übermittelt der Auswerteeinheit (6) zudem Informa tionen über die geometrische Form und die Beschaffenheit des Behälters (1) sowie über Eigenschaften der Flüssigkeit, und über die momentanen Bewegungen oder Lagen des Behälters (1).The evaluation unit ( 6 ) measures the transit time of an individual ultrasound pulse from the moment in which it is emitted until the time at which the reflection beam of the pulse hits the receiver. The start of the measuring process is triggered by the information supplied by means of a line ( 28 ) from the pulse generator ( 27 ), so that a voltage pulse simultaneously triggers a transit time measurement. As soon as the electrical voltage signal from the impact of the reflection beam on the piezoelectric disk is transmitted to the evaluation unit ( 6 ), the measuring process is stopped. The data memory ( 7 ) transmits the evaluation unit ( 6 ) information about the geometric shape and the nature of the container ( 1 ) and properties of the liquid, and about the current movements or positions of the container ( 1 ).

Mittels der vom Datenspeicher (7) gelieferten Daten ist es der Auswerteeinheit (6) möglich, die Lage des Punktes der Ober fläche der Flüssigkeit relativ zum Behälter (1) zu ermitteln, der die Reflexion des Schallimpulses bewirkt hat. Da im Aus führungsbeispiel der Fig. 1 vier Systeme (5) rechteckförmig auf dem Boden (17) angebracht sind, erhält die Auswerteeinheit (6) vier Informationen von vier verschiedenen Lagepunkten des Flüssigkeitsspiegels im Moment der Messung. Mit Hilfe der Daten des Datenspeichers (7) ist es der Auswerteeinheit daher mög lich, annähernd die Form und Lage der Oberfläche der Flüssig keit im Behälter (1) zu berechnen und mittels der ebenfalls eingegebenen Daten der geometrischen Form des Behälters das momentane Flüssigkeitsvolumen zu bestimmen. Selbstverständlich ist es möglich, mittels einer noch größeren Anzahl von Systemen (5) auch mehr Meßpunkte zu erhalten, um beispielsweise stark wellige Oberflächen zuverlässig ermitteln zu können. Treten an der Oberfläche der Flüssigkeit im Behälter (1) kaum Verände rungen auf, so sind bereits zwei Systeme (5), in manchen Fällen sogar nur ein System (5) ausreichend. Der Datenspeicher (7) enthält zudem Informationen, welche Oberflächenformen eine Flüssigkeit in einem Behälter bei bestimmten Bewegungen oder Schräglagen des Behälters aufgrund physikalischer Grundsätze üblicher Weise annimmt.By means of the data supplied by the data memory ( 7 ), the evaluation unit ( 6 ) is able to determine the position of the point of the upper surface of the liquid relative to the container ( 1 ), which has caused the reflection of the sound pulse. Since four systems ( 5 ) are attached to the floor ( 17 ) in the exemplary embodiment from FIG. 1, the evaluation unit ( 6 ) receives four pieces of information from four different positions of the liquid level at the moment of the measurement. With the help of the data in the data memory ( 7 ) it is therefore possible for the evaluation unit to approximately calculate the shape and position of the surface of the liquid in the container ( 1 ) and to determine the instantaneous liquid volume by means of the likewise entered data of the geometric shape of the container . Of course, it is also possible to obtain more measuring points by means of an even larger number of systems ( 5 ), in order, for example, to be able to reliably determine strongly undulating surfaces. If hardly any changes occur on the surface of the liquid in the container ( 1 ), two systems ( 5 ), in some cases even only one system ( 5 ), are sufficient. The data memory ( 7 ) also contains information as to which surface shapes a liquid in a container usually takes on certain movements or inclined positions of the container due to physical principles.

Wird beispielsweise eine solchermaßen beschriebene Ultraschall messung in einem mit Flüssigkeit gefüllten zylindrischen Be hälter durchgeführt, in dem die Flüssigkeit umgerührt wird, so entsteht durch die rotierende Flüssigkeit eine paraboloidartige Vertiefung in der Flüssigkeit. Anhand zweier Meßpunkte ist es somit möglich, das Volumen der rotierenden Flüssigkeit im Be hälter (1) zu bestimmen. If, for example, an ultrasound measurement described in this way is carried out in a cylindrical container filled with liquid, in which the liquid is stirred, the rotating liquid creates a paraboloid-like depression in the liquid. Using two measuring points, it is thus possible to determine the volume of the rotating liquid in the container ( 1 ).

Je nach Anwendungsgebiet und nach Art der Anforderung werden die Ergebnisse der Auswerteeinheit (6) weiter verarbeitet und zur Steuerung weiterer Betriebsgrößen herangezogen.Depending on the area of application and the type of request, the results of the evaluation unit ( 6 ) are processed further and used to control further operating variables.

Es spielt keine Rolle, ob die Systeme (5) auf der Innenseite oder auf der Außenseite des Bodens (17) des Behälters (1) ange bracht sind. Treten beispielsweise bei der Durchstrahlung der Behälterwand mehrere Reflexionen auf, insbesondere an der Grenzfläche des Behälters zur Flüssigkeit, so kann der zeit liche Abstand zwischen dem Eintrittsimpuls in die Flüssigkeit und der Reflexion an der Flüssigkeitsoberfläche selektiert werden. Gleiches gilt im übrigen, falls die Systeme (5) an der Oberseite des Behälters (1) angebracht sind und die Schall impulse zuerst den Luft- oder Gasraum oberhalb der Flüssigkeit durchstrahlen.It does not matter whether the systems ( 5 ) on the inside or on the outside of the bottom ( 17 ) of the container ( 1 ) are introduced. If, for example, several reflections occur when the container wall is irradiated, in particular at the interface of the container with the liquid, the time interval between the entry pulse into the liquid and the reflection at the liquid surface can be selected. The same applies for the rest if the systems ( 5 ) are attached to the top of the container ( 1 ) and the sound pulses first radiate through the air or gas space above the liquid.

In den Fig. 2 bis 4 sind beispielhaft einige typische Formen von freien Oberflächen einer Flüssigkeit (10) im Behälter (1) bei unterschiedlichen Lagen und Bewegungen des Behälters (1) gezeigt. In Fig. 2 befindet sich der Behälter (1) in einer ruhenden, horizontalen Lage. Die freie Oberfläche (9) der Flüssigkeit (10) ist glatt, so daß senkrecht abgestrahlte Schallimpulse (8) der Systeme (5) auch senkrecht auf das jeweilige System (5) zurückreflektiert werden.In Figs. 2 to 4 are some typical forms of free surfaces of a liquid (10) in the container (1) are exemplified in different positions and movements of the container (1). In Fig. 2 the container ( 1 ) is in a resting, horizontal position. The free surface ( 9 ) of the liquid ( 10 ) is smooth, so that perpendicularly emitted sound pulses ( 8 ) from the systems ( 5 ) are also reflected perpendicularly back to the respective system ( 5 ).

In Fig. 3 befindet sich der Behälter (1) in Schräglage und ist zugleich rüttelartigen Bewegungen ausgesetzt, so daß die Flüs sigkeit (10) eine zwar im wesentlichen horizontale Oberfläche (11) besitzt, die jedoch einer Wellenbildung unterworfen ist. Innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne wird in jedem Fall ein Schallimpuls (8) von einem Punkt (12 bzw. 14) der "unruhigen" Oberfläche (11) zurück zum System (5) reflektiert. Innerhalb dieser vorgegebenen Zeitspanne werden bereits erfaßte Meßwerte eines Systems (5) so lange in der Auswerteeinheit (6) ge speichert, bis von jedem System (5) ein entsprechendes Signal empfangen wurde. Es ist daher nicht notwendig, daß alle vier Systeme (5) gleichzeitig die reflektierten Schallimpulse empfangen, was insbesondere bei einer bewegten Oberfläche (11) nahezu unmöglich wäre.In Fig. 3 the container ( 1 ) is in an inclined position and is at the same time subjected to vibratory movements, so that the liquid ( 10 ) has a substantially horizontal surface ( 11 ), but which is subject to wave formation. Within a predetermined period of time, a sound pulse ( 8 ) is reflected from a point ( 12 or 14 ) of the "restless" surface ( 11 ) back to the system ( 5 ). Within this predetermined period of time, measured values of a system ( 5 ) that have already been recorded are stored in the evaluation unit ( 6 ) until a corresponding signal has been received from each system ( 5 ). It is therefore not necessary for all four systems ( 5 ) to receive the reflected sound pulses at the same time, which would be almost impossible, especially with a moving surface ( 11 ).

Der Behälter (1) in Fig. 4 unterliegt einer horizontalen Beschleunigung nach einer Seite, so daß die Flüssigkeit (10) an die der Beschleunigungsrichtung entgegengesetzte Seite des Behälters (1) gedrückt wird. Die im Querschnitt der Fig. 4 parabelartige Oberfläche (13) ist anhand der Beschleunigungs werte des Behälters (1) sowie anhand der Kennwerte der Flüssig keit (10) annähernd berechenbar, so daß durch die Ermittlung der Punkte (15 und 16) der Oberfläche (13) ihre Lage im Behäl ter (1) und damit das momentane Volumen der Flüssigkeit (10) ermittelt werden kann.The container ( 1 ) in Fig. 4 is subject to a horizontal acceleration to one side, so that the liquid ( 10 ) is pressed to the opposite side of the container ( 1 ) from the acceleration direction. The parabolic surface ( 13 ) in the cross section of FIG. 4 can be roughly calculated on the basis of the acceleration values of the container ( 1 ) and on the basis of the characteristic values of the liquid ( 10 ), so that by determining the points ( 15 and 16 ) of the surface ( 13 ) their position in the container ter ( 1 ) and thus the instantaneous volume of the liquid ( 10 ) can be determined.

Um völlig glatte Oberflächen (26 und 25) gemäß den Fig. 5 und 6 auch bei Schräglagen des Behälterbodens (17) erfassen zu können, wird eine sogenannte "Strahlführung" für einen Ultra schallimpuls (21) vorgenommen. Dazu ist ein Rohr (18) vor gesehen, das in der Flüssigkeit (10) so am Behälterboden (17) angebracht ist, daß es das System (5) mit seiner unteren Stirn seite umschließt. Zu seiner freien, oberen Stirnseite ragt das Rohr (18) über die freie Oberfläche (26) der Flüssigkeit (10) hinaus. Im unteren Bereich des Rohres (18) knapp oberhalb des Systems (5) sind zwei Öffnungen (19) vorgesehen, durch die die Flüssigkeit (10) im Rohr (18) mit der außerhalb des Rohres befindlichen Flüssigkeit (10) in Verbindung steht. Dadurch ist eine Form einer kommunizierenden Röhre geschaffen, durch die die Höhe des Flüssigkeitsspiegels (20) im Rohr (18) der Höhe des Flüssigkeitsspiegels (26) im Behälter (1) entspricht. Das Rohr (18) ist lotrecht zum Behälterboden (17) angeordnet, so daß es bei einer Schrägstellung des Bodens (17) sich ebenfalls in einer Schräglage gemäß Fig. 6 befindet. Da sich der Flüssig keitsspiegel (25) sowie der Flüssigkeitsspiegel (22) innerhalb des Rohres (18) gemäß Fig. 6 jedoch weiterhin in einer horizon talen Lage befinden, ist es nicht möglich, einen vom System (5) ausgestrahlten Schallimpuls (24) direkt wieder auf das System (5) zurück zu reflektieren. Der Reflexionsstrahl (23) des Schallimpulses wird vielmehr an der Wandung des Rohres (18) reflektiert und von dort aus zum System (5) zurückgeführt. Um eine solche Reflexion von der Rohrwand zu ermöglichen, muß das Rohr aus einem Material bestehen, dessen Schallgeschwindigkeit gegenüber der der Flüssigkeit (10) verschieden ist. Eine Aus führungsform sieht beispielsweise ein doppelwandiges Rohr vor, das einen Luft- oder Gasmantel in sich trägt. Wird der Re flexionsstrahl (23) von der Oberfläche (22) aus ein- oder mehrmalig an der Wandung des Rohres (18) reflektiert, so trifft er dennoch immer auf das System (5). Die durch den nicht direkten Weg hervorgerufene Laufzeitverlängerung des Re flexionsstrahls (23) wird in die Auswerteeinheit (6) mittels des Datenspeichers (7) eingeeicht.In order to be able to detect completely smooth surfaces ( 26 and 25 ) according to FIGS. 5 and 6 even when the container bottom ( 17 ) is in an inclined position, a so-called “beam guidance” is carried out for an ultrasonic pulse ( 21 ). For this purpose, a tube ( 18 ) is seen before, which is attached to the container bottom ( 17 ) in the liquid ( 10 ) in such a way that it encloses the system ( 5 ) with its lower end face. On its free, upper end face, the tube ( 18 ) projects beyond the free surface ( 26 ) of the liquid ( 10 ). In the lower area of the tube ( 18 ) just above the system ( 5 ), two openings ( 19 ) are provided through which the liquid ( 10 ) in the tube ( 18 ) communicates with the liquid ( 10 ) outside the tube. This creates a form of a communicating tube, through which the height of the liquid level ( 20 ) in the tube ( 18 ) corresponds to the height of the liquid level ( 26 ) in the container ( 1 ). The tube (18) is arranged perpendicularly to the container bottom (17), so that it is at an inclined position of the floor (17) also in an inclined position according to Fig. 6. However, since the liquid level mirror ( 25 ) and the liquid level ( 22 ) within the tube ( 18 ) according to FIG. 6 are still in a horizontal position, it is not possible to transmit a sound pulse ( 24 ) emitted by the system ( 5 ) directly to reflect back on the system ( 5 ). Rather, the reflection beam ( 23 ) of the sound pulse is reflected on the wall of the tube ( 18 ) and returned from there to the system ( 5 ). In order to allow such reflection from the tube wall, the tube must be made of a material whose speed of sound is different from that of the liquid ( 10 ). From one embodiment, for example, a double-walled tube is provided that carries an air or gas jacket. If the reflection beam ( 23 ) is reflected from the surface ( 22 ) once or several times on the wall of the tube ( 18 ), it always strikes the system ( 5 ). The runtime extension of the reflection beam ( 23 ) caused by the non-direct path is calibrated in the evaluation unit ( 6 ) by means of the data memory ( 7 ).

Wird der Durchmesser des Rohres (18) und die Materialpaarung Flüssigkeit-Rohrinnenwandung so gewählt, daß die Ausbildung der Oberfläche (22) im Rohr (18) durch die Kapillarwirkung beein flußt wird, so ist es möglich, den Ultraschall analog der Führung in einem Lichtleiter auf das System (5) zurückzuführen.If the diameter of the tube ( 18 ) and the material pairing of liquid and tube inner wall are chosen so that the formation of the surface ( 22 ) in the tube ( 18 ) is influenced by the capillary action, it is possible to carry out the ultrasound analogously to the guidance in a light guide attributed to the system ( 5 ).

Es ist selbstverständlich auch möglich, die Systeme (5) so anzuordnen, daß die Ultraschallimpulse von oben auf die je weilige Oberfläche der Flüssigkeit treffen und dann auch nach oben reflektiert werden, d. h. die Auswertung nicht durch die Schallgewindigkeit in der jeweiligen Flüssigkeit beeinflußt ist.It is of course also possible to arrange the systems ( 5 ) so that the ultrasonic pulses hit the respective surface of the liquid from above and are then also reflected upwards, ie the evaluation is not influenced by the speed of sound in the respective liquid.

Claims

1. Device for determining the liquid level of a liquid in a container, characterized in that at least one transmitter and a receiver containing system ( 5 ) for transmitting and receiving ultrasonic waves is provided, which is a current position of a point of the liquid surface in the area the path of propagation of the ultrasonic waves.

2. Device according to claim 1, characterized in that the system ( 5 ) is provided with a pulse generator ( 27 ) for periodically emitting ultrasonic pulses.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that an evaluation unit ( 6 ) is connected to the system ( 5 ), which has means for detecting the transit time of an ultrasonic pulse from the transmitter to a free surface of the liquid and further to the receiver.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the pulse generator ( 27 ) is connected to the evaluation unit.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the evaluation unit ( 6 ) is connected to a data memory ( 7 ).

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the system ( 5 ) is designed as a piezoelectric transducer, which can be used both as a transmitter and as a receiver of ultrasonic pulses.

7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the system ( 5 ) on the container ( 1 ) is angeord net that the ultrasonic wave pulses substantially perpendicular to a container surface ( 17 ) on which the system ( 5 ) is appropriate, radiated and received.

8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that around the region of the propagation path of the ultrasonic pulses of a system ( 5 ) in the liquid ( 10 ) is arranged an open tube ( 18 ) on its two end faces.

9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that several, at a distance from each other on one side ( 17 ) of the container ( 1 ) attached systems ( 5 ) are provided.