<Desc/Clms Page number 1>
"Werkwijze en inrichting voor het meten van ten minste een parameter van een vloeistof in een tank".
De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het meten van ten minste een parameter zoals het niveau, de densiteit, de concentratie en dergelijke van een vloeistof in een tank, volgens dewelke men in de vloeistof een ultrasone puls zendt, men tegelijker tijd een initieel elektrisch signaal naar een tijdsverloop-meetcircuit stuurt, de na weerkaatsing terugkerende ultrasone puls terug opvangt en omzet in een elektrisch echosignaal dat men eveneens naar het tijdsverloopmeetcircuit stuurt, men het tijdsverloop tussen beide signalen detecteert en men in functie daarvan de gedoelde parameter berekent.
Door ultrasone puls wordt hier bedoeld een gedurende een korte tijdsspanne uitgezonden golf met een frequentie in het ultrasone gebied.
Dergelijke werkwijzen zijn vooral interessant in de petrochemische industrie waarin vrij nauwkeurig vloeistofniveaus, overgangen tussen vloeistoffen en de densiteit en temperatuur van de vloeistoffen in een tank moeten gemeten worden. Daaruit kan dan het volume en de massa van elke vloeistof in de tank berekend worden bij een standaardtemperatuur.
Het meten van het niveau is ook belangrijk om lekken in de tank vast te stellen, bij het vullen het overlopen van de tank te beletten enz..
Een andere van de gedoelde parameters kan de concentratie zijn van een oplossing zoals alcohol in water.
Bij bekende werkwijzen van deze soort, in het bijzonder voor het meten van niveaus of overgangen tussen vloeistoffen, maakt men gebruik van vast in de tank gemonteerde zender-ontvangers.
<Desc/Clms Page number 2>
Zo is het bekend op de bodem van de tank een zenderontvanger te monteren. De uitgezonden ultrasone puls wordt weerkaatst op een overgang tussen twee boven elkaar gelegen vloeistoffen of op het bovenste niveau en dus tegen de lucht.
In bepaalde gevallen is de zender-ontvanger aan sterke corrosie onderworpen. Bij voorbeeld in tanks voor koolwaterstoffen wordt onderaan nogal dikwijls een laagje water gevormd door condensatie of infiltratie.
In dit water worden zuren of zouten uit de koolwaterstoffen opgelost die dit water zeer agressief maken.
Ook ontstaat dikwijls een neerslag van slib of teer of een opstapeling van stof onderaan waardoor de goede werking van de zender-ontvanger gestoord wordt.
Wanneer zich in de tank verschillende vloeistoffen boven elkaar bevinden, waarin de geluidssnelheid telkens verschillend is, is een correcte referentie voor het calibreren niet te vinden.
De temperatuur gemeten ter plaatse van de bodem van de tank kan opmerkelijk verschillen van temperaturen op andere niveaus in de vloeistof zodat een degelijke correctie van de geluidssnelheid in functie van de temperatuur ook onmogelijk is.
Aangezien de puls een relatief lange weg moet afleggen, moet de zender-ontvanger een relatief groot vermogen bezitten en is ook het risico groot dat er valse weerkaatsingen in de tank ontstaan, bij voorbeeld op buizen of dergelijke.
De densiteit, temperatuur of concentratie van een of meer vloeistoffen kan niet op elke willekeurige hoogte in de tank gemeten worden.
Een gedeelte van de hiervoor gedoelde problemen worden wel opgelost door de zender-ontvanger op de binnenzijde van de top van de tank te monteren, dit is dus boven de vloeistof. De uitgezonden puls wordt dan weerkaatst op het vloeistofoppervlak. Deze manier van doen is evenwel niet erg nauwkeurig en ook hier dient de zender-ontvanger een groot vermogen te bezitten
<Desc/Clms Page number 3>
onder meer gezien het grote verschil tussen de akoestische impedantie van de lucht en de zender-ontvanger. Ook in deze uitvoeringsvorm kunnen gemakkelijk valse echo's ontstaan door weerkaatsing op bij voorbeeld pijpen en bovendien vervalst een eventuele schuimlaag op de vloeistoffen de metingen.
Temperatuurscorrecties zijn moeilijk uit te voeren aangezien de temperatuur van de lucht juist boven het vloeistofniveau merkelijk kan verschillen van de temperatuur bovenaan in de tank, dit is dus ter plaatse van de zender-ontvanger.
Door gebruik te maken van een reflector die juist onder de zender-ontvanger opgesteld is, kan men reeds de variaties van de geluidssnelheid in de lucht compenseren maar ook hier kan de geluidssnelheid bovenaan de tank verschillen van de geluidssnelheid ter hoogte van het vloeistofniveau. Temperaturen, densiteiten of concentraties van de vloeistof of mengsels van vloeistoffen kan men niet meten.
Het meten van densiteit of concentratie van een vloeistof in een leiding met behulp van een uitgezonden ultrasone puls die terug opgevangen wordt, is op zichzelf wel bekend maar ook bij deze metingen maakt men gebruik van een vast opgestelde zender-ontvanger.
Niveaus of overgangen tussen vloeistoffen kunnen op deze manier niet gemeten worden maar in pijpen hoeft dit ook niet.
De uitvinding heeft tot doel deze nadelen te verhelpen en een werkwijze voor het meten van ten minste een parameter van een vloeistof in een tank te verschaffen waarbij het niveau of de overgang tussen twee vloeistoffen met grote nauwkeurigheid kan gemeten worden en/of de densiteit of concentratie op verschillende hoogten nauwkeurig kan berekend worden, waarbij temperatuursinvloeden gemakkelijk kunnen gecompenseerd worden en valse weerkaatsingen van de akoestische signalen op
<Desc/Clms Page number 4>
buizen en dergelijke uitgesloten zijn.
Tot dit doel gebruikt men voor het zenden van de ultrasone puls en het ontvangen van de weerkaatste puls een in de tank op en neer verplaatsbare sonde die een zender-ontvanger en een verticaal daartegenover gemonteerde reflector bevat welke sonde tussen de zenderontvanger en de reflector een meetruimte vertoont die van toegangsopeningen voor de te meten vloeistof en van uitlaatopeningen daarvoor is voorzien en brengt men deze sonde tot op de gewenste diepte in de vloeistof in de tank.
In een bijzondere uitvoeringsvorm van de werkwijze wekt men het initiële signaal evenals het echosignaal op door middel van de zender-ontvanger en zendt men beide signalen via eenzelfde elektronische weg naar het tijdsverloopmeetcircuit zodat de vertraging van beide signalen dezelfde is.
In een doeltreffende uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding meet of berekent men bij de verplaatsing van de sonde in nagenoeg verticale richting de hoogte van de zender-ontvanger ten opzichte van de bodem van de tank.
In het bijzonder meet men als parameter een niveau van een vloeistof, respectievelijk een overgang tussen deze vloeistof en een andere vloeistof, verplaatst men de sonde in nagenoeg verticale richting tot dit niveau, respectievelijk deze overgang, tussen de zenderontvanger en de reflector gelegen is, detecteert men het tijdsverloop tussen het uitzenden door de zenderontvanger van een ultrasone puls en het ontvangen door de zender-ontvanger van de op het niveau, respectievelijk op de overgang, weerkaatste puls, verplaatst men de sonde tot de eerstgenoemde vloeistof de meetruimte tussen de zender-ontvanger en de reflector volledig
<Desc/Clms Page number 5>
vult, detecteert men nu het tijdsverloop tussen het uitzenden door de zender-ontvanger van een ultrasone puls en het ontvangen door de zender-ontvanger van de door de reflector weerkaatste puls,
berekent men uitgaande van dit tijdsverloop en van de gekende afstand tussen de zender-ontvanger en de reflector de geluidssnelheid in de gedoelde vloeistof en berekent men ten slotte uitgaande van deze geluidssnelheid en het eerstgenoemde tijdsverloop de werkelijke hoogte van het niveau, respectievelijk de overgang, ten opzichte van de zenderontvanger en vervolgens uitgaande van de gekende ligging van de zender-ontvanger, de hoogte van het niveau, respectievelijk de overgang, ten opzichte van de bodem van de tank.
De uitvinding heeft ook betrekking op een inrichting die bijzonder geschikt'is voor het toepassen van de werkwijze volgens een van de vorige uitvoeringsvormen.
De uitvinding heeft aldus betrekking op een inrichting voor het meten van ten minste een parameter, zoals het niveau, de densiteit, de concentratie en dergelijke van een-vloeistof in een tank, welke inrichting een in de tank gemonteerde ultrasone zenderontvanger bevat die een ultrasone puls kan zenden en een weerkaatste puls kan ontvangen, een tegenover deze zender-ontvanger in de tank gemonteerde reflector en een elektronische schakeling om het tijdsverloop tussen het zenden van de eerstgenoemde puls en het ontvangen van de weerkaatste puls te detecteren en om onder meer in functie daarvan de parameter te berekenen.
Zoals reeds uit het voorgaande is af te leiden, bevatten bekende inrichtingen van deze soort een vast in de tank gemonteerde zender-ontvanger en een vast in de tank gemonteerde reflector.
Zoals hiervoor reeds uiteengezet werd in verband met de werkwijze, laat een dergelijke inrichting geen nauwkeurige meting toe. Alleen het vloeistofniveau in de tank kan met een dergelijke inrichting gemeten
<Desc/Clms Page number 6>
worden.
De uitvinding heeft nu ook tot doel deze nadelen te verhelpen en een inrichting te verschaffen die een zeer nauwkeurige meting toelaat waarbij de mogelijkheid bestaat dat een zelfde inrichting, zowel voor het meten van een niveau of een densiteit van een vloeistof in de tank als voor het meten van een overgang tussen twee vloeistoffen of de concentratie van een stof in een vloeistof in de tank kan gebruikt worden.
Tot dit doel bevat de inrichting een sonde waarin de zender-ontvanger en de reflector samen tegenover elkaar gemonteerd zijn, welke sonde tussen de zenderontvanger en de reflector van een holle meetruimte voorzien is waarop openingen uitgeven voor de toevoer en afvoer van de vloeistof of vloeistoffen waarvan de parameter te meten is, en middelen om de sonde op en neer in de tank te verplaatsen.
In een bij voorkeur toegepaste uitvoeringsvorm van de uitvinding bevat ze middelen om de diepte van de zender-ontvanger in de tank te detecteren.
Deze zender-ontvanger is bij voorkeur een omzetter die zowel ultrasone pulsen kan zenden als ontvangen.
In een merkwaardige uitvoeringsvorm van de uitvinding is de reflector boven de zender-ontvanger gemonteerd en staat deze reflector naar de zender-ontvanger toe bol.
Bij deze uitvoeringsvorm wordt het opstapelen van hinderende luchtbelletjes tegen de reflector vermeden.
Doelmatig is daarenboven de bolle zijde van de reflector bekleed met een bekleding die het aanhechten van luchtbelletjes tegenwerkt.
In een andere uitvoeringsvorm is de reflector boven de zender-ontvanger gemonteerd en onderaan
<Desc/Clms Page number 7>
hol en met name over zijn omtrek voorzien van een uitstekende rand een en ander zo dat de holte steeds met lucht gevuld is.
In deze uitvoeringsvorm is de reflector een zogenoemde luchtreflector en worden de ultrasone pulsen op deze luchtlaag gereflecteerd.
In een merkwaardige uitvoeringsvorm van de uitvinding bevat de inrichting een temperatuurssensor die in de sonde in de onmiddellijke omgeving van de zender-ontvanger gemonteerd is.
Andere bijzonderheden en voordelen van de uitvinding zullen blijken uit de hier volgende beschrijving van een werkwijze en inrichting voor het meten van ten minste een parameter van een vloeistof in een tank, volgens de uitvinding ; deze beschrijving wordt enkel als voorbeeld gegeven en beperkt de uitvinding niet ; de verwijzingscijfers betreffen de hieraan toegevoegde tekeningen.
Figuur 1 is een schematische voorstelling, gedeeltelijk blokschema, van een vloeistoftank voorzien van een inrichting voor het meten van vloeistofparameters in een tank volgens de uitvinding.
Figuur 2 is een zijaanzicht met gedeeltelijke wegsnijding van de sonde uit de inrichting uit figuur 1, op grotere schaal getekend.
Figuur 3 stelt een doorsnede voor volgens de lijn 111-111 uit figuur 2.
Figuur 4 stelt een gedeelte voor van de sonde uit figuur 3 maar met betrekking op een andere uitvoeringsvorm van deze sonde.
Figuur 5 stelt een blokschema voor van de elektronische schakeling uit de sonde uit figuur 2.
Figuur 6 is een diagramma van de stroomsterkte in de kabel van de sonde uit figuur 2 in functie van de tijd.
<Desc/Clms Page number 8>
Figuur 7 is een schematische voorstelling van een gedeelte van de vloeistoftank uit figuur 1 met daarnaast een grafiek die het gemeten tijdsverloop tussen het uitgezonden signaal en het ontvangen signaal weergeeft in functie van de ligging van de ultrasonezender-ontvanger uit de sonde.
In de verschillende figuren hebben dezelfde verwijzingscijfers betrekking op dezelfde elementen.
Voor het meten van het niveau 1 van een vloeistof 2 in een tank 4 of de overgang 1 tussen twee vloeistoffen 2 en 3 in deze tank 4, brengt men in de tank 4 een sonde, in het algemeen aangeduid met het verwijzingscijfer 5 aan, die opgehangen is aan een elektrische kabel 6 die de sonde over een gedeelte 7 van een elektronische schakeling met een microprocessor 8 in verbinding stelt zoals voorgesteld in figuur 1.
De microprocessor 8 is op een stroomvoeding 9 aangesloten.
De tank 4 kan bovenaan open of gesloten zijn.
In dit laatste geval strekt de kabel 6 zich doorheen een opening in de bovenkant van de tank 4 uit.
Een einde van de kabel 6 is gewonden rond een boven de tank 4 gemonteerde trommel 10 die vast is op een in legers 11 gelegerde as 12. De as 12 is door middel van een tandwieloverbrenging 13 gedreven door een stapmotor 14. Deze motor wordt bestuurd door een besturing 15 die op haar beurt over de leiding 16 gekoppeld is aan de microprocessor 8. Via een interface 17 is de microprocessor 8 verbonden met een bedieningspaneel met afleeseenheid 18.
<Desc/Clms Page number 9>
De kabel 6 bevat twee elektrische geleiders waarvan de einden aansluiten op op de legers 11 gemonteerde contacten 19. Door middel van leidingen 20 staan deze contacten in verbinding met het hogergedoelde gedeelte 7 van de elektronische schakeling.
Zoals vooral blijkt uit de figuren 2 en 3, bevat de sonde 5 een cilindrisch huis 21 dat bovenaan dicht is maar onderaan open is en dat op een gebruikelijke manier verticaal opgehangen is door middel van een trekontlasting 22 aan de kabel 6.
Onderaan in het huis 21 is een ultrasone zenderontvanger met kleine reikwijdte opgesteld, namelijk de omzetter of transducer 23, die door te trillen pulsen door de vloeistof kan zenden en gaat trillen ingevolge de doorheen de vloeistof teruggekaatste pulsen.
Op zijn beurt bevat deze omzetter 23 een horizontaal opgestelde piëzo-elektrische omzetterplaat 24 die op een demper-blok 25 gemonteerd is en samen met dit blok in een bakje 26 van elektrisch isolerend materiaal geperst is en een strook 30 die bovenop de omzetterplaat 24 gelegen is. Het demper-blok 25 is van een mengsel van koperpoeder en epoxyhars vervaardigd zodat het niet alleen een grote akoestische demping veroorzaakt maar ook een goede elektrische geleidbaarheid bezit.
Het demper-blok 25 dempt in hoge mate de ultrasone trilling, hetgeen dus korte meetbereiken toelaat. Het blok 25 vormt ook de eerste elektrode van de omzetterplaat 24 en is door de er met een einde ingeperste elektrische draad 27 verbonden met een gedeelte 28 van de elektronische schakeling, welk gedeelte 28 in epoxyhars 29 in de bovenkant van het huis 21 is gemonteerd.
De tweede elektrode van de omzetter-plaat 24 is gevormd door een strook 30 die bovenop de omzetterplaat 24 is gemonteerd, tussen tegenover elkaar liggende
<Desc/Clms Page number 10>
gedeelten van het huis 21. De strook 30 is eveneens van elektrisch geleidend epoxyhars vervaardigd en zorgt voor een efficiënte akoestische koppeling tussen de omzetter-plaat 24 en de vloeistof die zieh in de meetruimte 31 tussen deze strook 30 en het epoxyhars 29 in de bovenkant van het huis 21 bevindt.
Deze strook 30 is onderaan in contact met een metalen strook 32 behalve ter plaatse van de omzetterplaat 24 en het bakje 26 en tevens met het metalen huis 21 zodat deze tweede elektrode geaard is.
In de onmiddellijke nabijheid van de omzetterplaat 24 is een thermistor 33 in openingen doorheen stroken 30 en 32 geplaatst. Deze thermistor 33 is door een elektrische kabel 34 verbonden met het hogergenoemde gedeelte 28 van de elektronische schakeling.
De kabel 34 en de hogergenoemde draad 27 strekken zich doorheen de meetruimte 31 uit in een koker 35 die in het epoxyhars 29 ingebed is.
Ook het onderste einde van de koker 35 is evenals het onderste gedeelte van de thermistor 27 en het bakje 26 ingebed in een reep epoxyhars 36.
Aan weerszijden van de reep epoxyhars zijn de overblijvende openingen 37 in het onderste einde van het lichaam 21 afgesloten door een net 38 van roestvast staal dat grove deeltjes belet in de meetruimte 31 binnen de dringen.
Deze openingen 37 vormen de toegangsopeningen tot de meetruimte 31 terwijl vier, gelijkmatig over de omtrek van de sonde 5, in het huis 21 tegen het epoxyhars 29 aangebrachte openingen 39 de uitlaatopeningen vormen waarlangs de vloeistof de meetruimte 31 kan verlaten.
<Desc/Clms Page number 11>
De afmetingen van de omzetter-plaat 24 en het meetgebied zijn zo gekozen dat de omzetter in de"Fresnel- zone" werkt. Deze zone wordt bepaald door de afstand waarover de door de als een zuiger bewegende omzetterplaat 24 geproduceerde elastische golven zich kunnen bewegen zonder te divergeren. Op deze manier wordt praktisch al de door de omzetter-plaat 24 uitgezonden akoestische energie door deze plaat 24 terug opgevangen.
Dit terugopvangen van de ultrasone of akoestische energie geschiedt na weerkaatsing op het oppervlak 1 van de vloeistof 2 of de overgang 1 tussen twee vloeistoffen 2 en 3 en/of een reflector 40 die juist boven de omzetter-plaat 24 tegen de onderzijde van het epoxyhars 29 bevestigd is.
Om te vermijden dat luchtbellen tegen de reflector 40 zouden blijven hangen, vooral indien de sonde 5 zich niet perfect verticaal bevindt, is de onderzijde ervan bekleed met een laagje 41, bij voorbeeld van polytetrafluoroethyleen, dat het afvoeren van luchtbellen bevordert. Daarenboven is deze onderzijde lager gelegen dan de onderzijde van het epoxyhars 29 en dus van de bovenzijde van de meetruimte 31, welke onderzijde tevens naar onder enigszins bol is. Vloeistof die doorheen de meetruimte 31 stroomt naar de uitlaatopeningen 39 zal eventuele luchtbellen die zich tegen de onderzijde van de reflector 40 bevinden, meenemen.
De reflector 40 kan ook, zoals voorgesteld in figuur 4 als een "lucht-reflector" uitgevoerd zijn.
De onderzijde van de reflector 40 is dan niet bekleed met een laagje 41 en niet bol maar op zijn omtrek van een naar onder gerichte rand voorzien zodat tegen de onderzijde lucht vastgehouden wordt.
<Desc/Clms Page number 12>
Deze uitvoeringsvorm biedt het voordeel van een grotere doelmatigheid van de weerkaatsing die beter
EMI12.1
is bij een vloeistof/luchtdiscontinuiteit dan bij een vloeistof/vaste stof overgang. Ter plaatse van de overgang vloeistof/lucht ontstaat er daarenboven geen fase- verschuiving van de ultrasone golven en met een dergelijke reflector worden ook ongewenste luchtbelletjes die de meting kunnen verstoren, vermeden.
Bij deze uitvoeringsvorm moet evenwel de sonde 5 steeds nagenoeg perfect verticaal blijven opdat er steeds een luchtbel tegen de onderzijde van de reflector 40 zou blijven.
Zoals voorgesteld in figuur 5 bevat het zich in het epoxyhars 29 ingebedde gedeelte 28 van de elektronische schakeling van de meetinrichting een cycluscircuit 42 waarvan de cyclusperiode T2, voorgesteld in het diagramma van figuur 6, bepaald wordt door de er via de kabel 34 mee verbonden thermistor 33. Deze periode is omgekeerd evenredig met de gemeten temperatuur. Deze periode en dus het aantal metingen dat er per tijdseenheid verricht wordt, hangt dus af van de temperatuur.
Bij het starten van een meting stuurt het cycluscircuit 42 via de leiding 43 een signaal naar een discriminator 44 om deze in de uitgangstoestand te brengen en tegelijker tijd een signaal via de leiding 45 en een vertrager 46 naar een ultrasone generator 47.
De vertrager 46 stuurt het signaal pas na ongeveer 2 microseconden door. Deze vertraging is nodig om toe te laten dat de discriminator 44 zich instelt.
Ingevolge het ontvangen signaal genereert de generator 47 een zeer kort signaal met een duur van ongeveer de
<Desc/Clms Page number 13>
helft van de resonantieperiode van de ultrasone omzetter 23. Dit signaal wordt doorgegeven aan de ultrasone omzetter 23 die daardoor gedurende korte tijd op zijn resonantiefrequentie begint te trillen en in de meetruimte 31 een akoestische of ultrasone puls stuurt die na weerkaatsing terug de omzetter 23 die inmiddels onder meer door het demperblok 25 niet meer trilt, bereikt. Deze ontvangen puls doet de omzetter 23 opnieuw gedurende korte tijd bij zijn resonantiefrequentie trillen.
Zowel bij het initiële trillen als bij het trillen ingevolge de weerkaatste akoestische puls, genereert de omzetter 23 een elektrisch signaal, respectievelijk initieel signaal IS en echosignaal ES genoemd. Het initiële signaal van de omzetter 23 wordt versterkt door een selectieve versterker 48 die enkel de resonantiefrequentie versterkt en aldus alle ongewenste trillingen uitfiltert. Het signaal wordt vervolgens doorgestuurd naar een omvormer 49 die het signaal tot een logisch niveau omzet alvorens dit signaal naar de discriminator 44 gestuurd wordt. die dit signaal als initieel signaal herkent. De discriminator 44 stuurt vervolgens een signaal naar een modulator 50 die hierdoor geactiveerd wordt en daardoor de twee geleiders in de kabel 6 kortsluit.
Parallel op deze geleiders is nog een stroomstabilisator 51 aangesloten.
Door de kortsluiting zal de stroomsterkte in de twee geleiders in de kabel 6 gedurende ongeveer 1 microseconde sterk stijgen.
Het echosignaal ES volgt dezelfde weg als het initiële signaal IS en wordt dus op dezelfde manier selectief versterkt en na omvorming aan de discriminator 44 toegevoerd die dit signaal als eerste echosignaal herkent en opnieuw de modulator 50 activeert waardoor dus de twee geleiders van de kabel 6 opnieuw kortgesloten worden,
<Desc/Clms Page number 14>
Terzelfder tijd wordt de discriminator 44 geblokkeerd zodat ten gevolge van secundaire weerkaatsingen ontstane signalen als secundaire echo's herkend worden.
De discriminator 44 kan enkel gedeblokkeerd worden door een signaal van het cycluscircuit 42. Dit signaal wordt door dit circuit 42 uitgezonden juist voor de volgende meting.
Het gedeelte 7 van de elektronische schakeling dat zich niet in de sonde 5 maar boven de tank 4 bevindt, bevat, zoals voorgesteld in figuur l een demodulator 52 en een tijdsverloop-meetcircuit 53.
Door middel van het meetcircuit 53 is de demodulator 52 gekoppeld aan de microprocessor 8. De demodulator 52 is anderzijds gekoppeld aan de twee leidingen 20 die aansluiten op de twee geleiders van de kabel 6.
In figuur 6 is een verloop voorgesteld van de stroomsterkte I in de stroomkring die gevormd is door de twee geleiders van de kabel 6 en, aan het ene einde, de twee geleiders 20 en de demodulator 52 en aan de andere kant de modulator 50, in functie van de tijd.
Gedurende het grootste gedeelte van de tijd is de stroomsterkte vrij laag, namelijk ongeveer 3 mA.
Zowel het initieel signaal als het eerste echosignaal veroorzaken gedurende ongeveer l us, een merkelijk hogere stroomsterkte van ongeveer 22 mA. Het tijdsverloop tussen beide signalen is aangeduid door Tl, terwijl het tijdsverloop tussen twee initiële signalen en dus de tijd tussen opeenvolgende metingen, aangeduid is door T2.
De frequentie van de opeenvolgende metingen wordt bepaald door het cyclus-circuit 42 in functie van de temperatuur waarbij T2 omgekeerd evenredig is met de temperatuur. Uit T2 kan de microprocessor de temperatuur afleiden.
<Desc/Clms Page number 15>
Zoals reeds hoger vermeld, leggen zowel het initiële signaal als het eerste echosignaal van de omzetter 23 doorheen de schakeling dezelfde weg af. Dit betekent dat bij de meting geen rekening moet gehouden worden met vertraging van de signalen of veranderingen van deze vertraging in functie van de tijd of de temperatuur.
De door het tijdsverloop-meetcircuit 53 gemeten tijdsspanne Tl is dus een exacte maat voor de periode tussen het uitzenden van de ultrasone akoestische puls en het na weerkaatsing terug opvangen van de weerkaatste puls.
-Wanneer de microprocessor 8 het dalen van de sonde 5 beveelt van boven de bovenste vloeistof 2 in een tank 4 die twee vloeistoffen 2 en 3 boven elkaar bevat, gebeurt het volgende, zoals geillustreerd in figuur 7.
Zolang de meetruimte 31 van de sonde 5 zich boven het niveau 1 van de bovenste vloeistof 2 bevindt en dus met lucht gevuld is, wordt de ultrasone puls, uitgezonden door de omzetter, tegen de reflector 40 weerkaatst doch de weerkaatste puls zal door het grote verschil in akoestische impedantie tussen lucht en vaste stof, de omzetter 23 niet tot trilling brengen waardoor deze dus geen echosignaal naar de microprocessor 8 zal sturen.
De microprocessor zal geen signaal ontvangen en dit interpreteren als bevindt de sonde zich in lucht.
De microprocessor 8 beveelt onder tussenkomst van de stapmotor 14 het verder dalen van de sonde 5 tot ingevolge het door de omzetter 23 uitgezonden signaal een ultrasone puls door deze omzetter 23 wordt ontvangen.
Dit geschiedt zodra de omzetter 23 onder het vloeistofniveau 1 van de vloeistof 2 komt te liggen. Het akoestisch signaal van de omzetter 23 wordt op het vloeistofoppervlak weerkaatst. In het begin is de tijdsspanne tussen het zenden en ontvangen van de akoestische puls, met andere woorden de tijdsspanne tussen het initiële signaal en het echosignaal zeer klein. Naarmate de omzetter 23 dieper onder het vloeistofniveau 1 komt te liggen,
<Desc/Clms Page number 16>
is deze tijdsspanne Tl groter.
De microprocessor 8 laat de sonde 5 voldoende dalen tot ook de reflector 40 zieh onder het vloeistofniveau 1 bevindt, dat is op de hoogte Hl, waarbij dus de omzetter 23 zieh op de hoogte H2 in figuur 7 bevindt.
Zoals uit deze figuur blijkt, is het tijdsverloop Tl dan maximaal en dit tijdsverloop blijft maximaal bij verder dalen van de sonde 5 tot de omzetter 23 de overgang 1 tussen de vloeistoffen 2 en 3, dit is dus de hoogte H3 bereikt.
Eenmaal de reflector 40 in de vloeistof 2 ondergedompeld is, wordt het akoestische signaal van de omzetter 23 op deze reflector 40 weerkaatst.
Indien de gekende, vaste afstand tussen de omzetter 23 en de reflector 40 HR bedraagt, is de snelheid van het geluid in de vloeistof l voor elke positie van de omzetter 23 tussen H2 en H3 gelijk aan : (2 x HR)/ Tl gemeten tussen H2 en H3.
Voor de omzetter 23 op een hoogte tussen Hl en H2 kan de hoogte van de laag vloeistof boven de omzetterplaat 23 op elk ogenblik berekend worden als zijnde de helft van het produkt van de hogergenoemde snelheid en het tijdsverloop Tl tussen het initiële signaal en het echosignaal op het ogenblik van de meting.
De aldus berekende hoogte toegevoegd aan de afstand tussen de omzetter 23 en de bodem van de tank, welke afstand dus afhangt van de afstand waarover de sonde 5 door de stapmotor gezakt is en die dus door de microprocessor 8 gekend is, geeft de exacte hoogte van het vloeistofniveau 1.
Doordat de geluidssnelheid gemeten wordt in de nabijheid van de oppervlakte van de vloeistof 1, is de berekende hoogte onafhankelijk van de temperatuur, de densiteit en de concentratie van de vloeistof 1, van wijzigingen van deze parameters in functie van de hoogte en ook onafhankelijk van de aanwezigheid
<Desc/Clms Page number 17>
van andere vloeistoffen.
Zolang de omzetter 23 zich in de vloeistof 2 bevindt, kan het tijdsverloop Tl enkel in heel kleine mate veranderen door eventuele verticale gradiënten in de eigenschappen van de vloeistof 2.
Zodra evenwel de onderkant van de sonde 6 in de vloeistof 3 komt, zal vloeistof 3 via de openingen 37 in de sonde stromen en zal zich in de sonde dus een overgang vormen tussen de vloeistoffen 2 en 3.
Zodra de omzetter 23 onder deze overgang komt te liggen, en dus zich onder de hoogte H3 bevindt, zal de weerkaatsing van de akoestische pulsen van de omzetter 23 nu geschieden op deze overgang waarbij dus het tijdsverloop tussen het initiële signaal en het eerste echosignaal eerst plots daalt en vervolgens geleidelijk aan stijgt naarmate de overgang in de meetruimte 31 stijgt of met andere woorden de omzetter 23 verder daalt. Wanneer ook de reflector 40 zich in de vloeistof 3 bevindt, geschiedt de weerkaatsing van de akoestische ultrasone puls van de omzetter 23 op de reflector 40 en is de tijdsspanne tussen het initiële signaal en het eerste echosignaal gelijk aan de maximale waarde T1' die verder behouden blijft bij verder daling van de sonde 6.
Doordat de vloeistof 3 verschilt van de vloeistof 2, is ook de geluidssnelheid daarin verschillend en is bijgevolg ook het tijdsverloop Tl'verschillend van Tl.
Aangezien, wanneer de overgang 1 tussen de vloeistoffen 2 en 3 zich tussen de omzetter 23 en de reflector 40 bevindt, de volledige meetruimte 31 met vloeistof gevuld is, zij het dan met twee verschillende vloeistoffen, zal een gedeelte van de door de omzetter 23 uitgezonden puls ook weerkaatst worden door de reflector 40. Dit zal een tweede weerkaatste puls met zieh meebrengen
<Desc/Clms Page number 18>
die, gezien de langere weg, later ontvangen wordt dan de eerste ultrasone puls ten gevolge van de weerkaatsing van de puls op de overgang 1. Zoals reeds hoger vermeld, is de schakeling zo gebouwd dat met deze secundaire puls en eventuele volgende secundaire pulsen geen rekening wordt gehouden.
De hiervoor beschreven inrichting kan gebruikt worden om automatisch het niveau 1 of de overgang 1 te volgen. Het niveau 1 of de overgang 1 wordt door de microprocessor 8 gemeten op de hiervoor beschreven manier voor de stand van de sonde 5 waarbij het niveau 1 of de overgang 1 zich juist halverwege tussen de omzetter 23 en de reflector 40 bevindt. Het tijdsverloop Tl wordt voor deze stand gemeten en elke wijziging in Tl wordt door de microprocessor 8 omgerekend in een verschil in niveau die samengevoegd bij de hoogte van de omzetter 23 ten opzichte van de bodem van de tank 4 het echte niveau op elk ogenblik geeft.
Het meten van de snelheid van de ultrasone puls in de vloeistof, dit is dus de kalibrering, dient enkel van tijd tot tijd uitgevoerd te worden gezien de karakteristieken van de vloeistoffen slechts traag veranderen, De temperatuur verandert van uur tot uur maar de compensatie van de temperatuurswijziging gebeurt continu en automatisch.
De hiervoor beschreven inrichting kan ook gebruikt worden voor het meten van de dichtheid of de concentratie van de vloeistof op elke willekeurige hoogte.
Hiertoe wordt de sonde 5 in de vloeistof tot op de gewenste hoogte neergelaten. zodat de meetruimte 31 volledig met de te meten vloeistof gevuld is. Uit het gemeten tijdsverloop Tl tussen het initiële signaal en het eerste echosignaal kan op de hiervoor beschreven manier de geluidssnelheid in de vloeistof berekend worden.
Met behulp van de thermistor 33 wordt de temperatuur gemeten. Voor de meeste vloeistoffen bestaat er een relatie tussen de densiteit en de geluidssnelheid bij een gegeven temperatuur.
<Desc/Clms Page number 19>
Met behulp van tabellen of grafieken die deze relaties weergeven, kan de densiteit berekend worden uitgaande van de geluidssnelheid en de temperatuur. Voor een oplossing is de gemeten geluidssnelheid bij een bepaalde temperatuur een maat van de concentratie van een van de bestanddelen van de oplossing. Zo kan bij voorbeeld uit grafieken, die de concentratie van methanol in water geven in functie van de geluidssnelheid voor verschillende temperaturen, deze concentratie afgeleid worden uit de metingen van temperatuur en geluidssnelheid.
In samenhang met de kalibratie-tabel van de tank 4 (tanktabel) kan het precieze volume van de vloeistof in de tank berekend worden uitgaande van het gemeten niveau, aangezien ook de temperatuur nauwkeurig gemeten wordt. Uitgaande van de temperatuur kan de thermische uitzetting berekend worden onafhankelijk van een eventuele gelaagdheid van de vloeistof in de tank. Hetzelfde geldt voor het berekenen van de massa die op verschillende hoogten van de vloeistof kan berekend worden.
De hiervoor beschreven inrichting is vrij eenvoudig van constructie en laat een nauwkeurige meting toe van heel wat parameters die rechtstreeks of onrechtstreeks afhangen van de geluidssnelheid in de vloeistoffen.
Doordat de geluidsgolven slechts een heel kleine weg moeten afleggen, zijn storende invloeden op deze golven tot het minimum beperkt en is de meting zeer nauwkeurig. De elektronische schakeling is aangepast om dergelijke korte tijdsverlopen te detecteren doordat zowel het initiële als het echosignaal die de omzetter 23 doorheen de elektronische schakeling 7, 28 stuurt dezelfde weg volgen en ze dus dezelfde elektronische vertraging ondergaan.
<Desc/Clms Page number 20>
De uitvinding is geenszins beperkt tot de hiervoor beschreven uitvoeringsvorm en binnen het raam van de octrooiaanvrage kunnen aan de beschreven uitvoeringsvorm vele veranderingen worden aangebracht, onder meer wat betreft de vorm, de samenstelling en de schikking van het aantal van de onderdelen die voor het verwezenlijken van de uitvinding worden gebruikt.
In het bijzonder kan men in plaats van een omzetter een afzonderlijke ultrasone zender en ontvanger gebruiken of twee omzetters, in zoverre een signaal bij het zenden en een signaal bij het ontvangen van de weerkaatste puls in de elektronische schakeling via dezelfde weg naar de microprocessor gestuurd worden.
De sonde moet ook niet noodzakelijk aan een kabel opgehangen zijn. Ze kan bij voorbeeld ook op het einde van een staaf of stijve buis gemonteerd zijn, welke staaf of buis verticaal verplaatsbaar is en in bepaalde standen ten opzichte van de tank kan geblokkeerd worden.