<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.
<Desc / Clms Page number 1>
"Method and device for measuring at least one parameter of a liquid in a tank".
The invention relates to a method for measuring at least one parameter such as the level, density, concentration and the like of a liquid in a tank, according to which an ultrasonic pulse is sent in the liquid, at the same time an initial electric signal to a time-lapse measuring circuit, receives the ultrasonic pulse which returns after reverberation and converts it into an electrical echo signal which is also sent to the time-lapse measuring circuit, detects the time lapse between the two signals and calculates the relevant parameter accordingly.
By ultrasonic pulse is meant here a wave emitted for a short period of time with a frequency in the ultrasonic region.
Such methods are of particular interest in the petrochemical industry in which liquid levels, transitions between liquids and the density and temperature of the liquids in a tank must be measured quite accurately. The volume and mass of each liquid in the tank can then be calculated from this at a standard temperature.
Measuring the level is also important to detect leaks in the tank, prevent the tank from overflowing during filling, etc.
Another of the parameters targeted may be the concentration of a solution such as alcohol in water.
Known methods of this type, particularly for measuring levels or transitions between liquids, use fixed-mount transceivers.
<Desc / Clms Page number 2>
For example, it is known to mount a transmitter receiver on the bottom of the tank. The transmitted ultrasonic pulse is reflected at a transition between two superposed liquids or at the top level and thus against the air.
In some cases, the transceiver is subject to strong corrosion. For example, in hydrocarbon tanks, a layer of water is often formed at the bottom by condensation or infiltration.
Acids or salts from the hydrocarbons are dissolved in this water, which makes this water very aggressive.
Also, a deposit of sludge or tar or an accumulation of dust at the bottom often occurs, which interferes with the proper functioning of the transmitter-receiver.
If there are several liquids one above the other in the tank, in which the speed of sound is different, a correct reference for calibration cannot be found.
The temperature measured at the bottom of the tank can differ markedly from temperatures at other levels in the liquid, so that a sound correction of the speed of sound as a function of the temperature is also impossible.
Since the pulse must travel a relatively long way, the transceiver must have a relatively high power and there is also a high risk of false reflections in the tank, for example on pipes or the like.
The density, temperature or concentration of one or more liquids cannot be measured at any height in the tank.
Some of the aforementioned problems are solved by mounting the transceiver on the inside of the top of the tank, so this is above the liquid. The emitted pulse is then reflected on the liquid surface. However, this way of doing things is not very accurate and here too the transmitter-receiver must have a high power
<Desc / Clms Page number 3>
inter alia, given the large difference between the acoustic impedance of the air and the transmitter-receiver. In this embodiment, too, false echoes can easily occur due to reflection on, for example, pipes and, moreover, any foam layer on the liquids falsifies the measurements.
Temperature corrections are difficult to make since the temperature of the air just above the liquid level can differ markedly from the temperature at the top of the tank, so this is at the location of the transmitter-receiver.
By using a reflector placed just below the transmitter-receiver, it is already possible to compensate for the variations in the speed of sound in the air, but here too the speed of sound at the top of the tank can differ from the speed of sound at the level of the liquid. Temperatures, densities or concentrations of the liquid or mixtures of liquids cannot be measured.
The measurement of the density or concentration of a liquid in a pipe by means of an emitted ultrasonic pulse that is received back is known per se, but these measurements also use a fixed transmitter-receiver.
Levels or transitions between liquids cannot be measured in this way, but this is not necessary in pipes either.
The object of the invention is to overcome these drawbacks and to provide a method for measuring at least one parameter of a liquid in a tank, wherein the level or the transition between two liquids can be measured with great accuracy and / or the density or concentration can be accurately calculated at different heights, whereby temperature influences can easily be compensated and false reflections of the acoustic signals on
<Desc / Clms Page number 4>
pipes and the like are excluded.
For this purpose, to transmit the ultrasonic pulse and receive the reflected pulse, a probe that can be moved up and down in the tank and which contains a transmitter-receiver and a vertically mounted reflector mounted between the receiver and the reflector is a measuring space. which is provided with access openings for the liquid to be measured and with outlet openings therefor, and this probe is brought to the desired depth in the liquid in the tank.
In a special embodiment of the method, the initial signal as well as the echo signal are generated by means of the transmitter-receiver and both signals are sent via the same electronic route to the time-lapse measuring circuit, so that the delay of both signals is the same.
In an effective embodiment of the method according to the invention, the height of the transmitter-receiver relative to the bottom of the tank is measured or calculated when the probe is displaced in a substantially vertical direction.
In particular, as a parameter, one measures a level of a liquid or a transition between this liquid and another liquid, the probe is moved in a substantially vertical direction until this level, respectively this transition, is located between the transmitter receiver and the reflector. If the time elapsed between the transmission by the transceiver of an ultrasonic pulse and the reception by the transceiver of the pulse reflected at the level or at the transition, the probe is moved until the first liquid is the measuring space between the transceiver and the reflector completely
<Desc / Clms Page number 5>
the time lag between the transmission by the transceiver of an ultrasonic pulse and the reception by the transceiver of the pulse reflected by the reflector is now detected,
Based on this time course and the known distance between the transmitter-receiver and the reflector, the sound speed in the target liquid is calculated and finally, based on this sound speed and the first time course, the actual height of the level, respectively the transition, is calculated. with respect to the transceiver and then based on the known location of the transceiver, the height of the level, respectively the transition, with respect to the bottom of the tank.
The invention also relates to a device which is particularly suitable for applying the method according to one of the previous embodiments.
The invention thus relates to a device for measuring at least one parameter, such as the level, density, concentration and the like of a liquid in a tank, which device comprises an ultrasonic transmitter receiver mounted in the tank containing an ultrasonic pulse can transmit and receive a reflected pulse, a reflector mounted opposite this transmitter-receiver in the tank and an electronic circuit to detect the time lag between transmitting the first-mentioned pulse and receiving the reflected pulse and, inter alia, in function thereof calculate the parameter.
As can already be deduced from the foregoing, known devices of this type comprise a transmitter-receiver fixed in the tank and a reflector fixed in the tank.
As has already been explained in connection with the method, such a device does not allow accurate measurement. Only the liquid level in the tank can be measured with such a device
<Desc / Clms Page number 6>
turn into.
The object of the invention is now also to remedy these drawbacks and to provide a device which allows a very accurate measurement, whereby it is possible that the same device, both for measuring a level or a density of a liquid in the tank and for measuring measuring a transition between two liquids or the concentration of a substance in a liquid in the tank can be used.
For this purpose, the device includes a probe in which the transmitter-receiver and the reflector are mounted together opposite each other, which probe is provided between the transmitter receiver and the reflector with a hollow measuring space on which open openings for the supply and discharge of the liquid or liquids of which the parameter is to be measured, and means for moving the probe up and down in the tank.
In a preferred embodiment of the invention, it includes means for detecting the depth of the transceiver in the tank.
This transceiver is preferably a transducer that can both transmit and receive ultrasonic pulses.
In a curious embodiment of the invention, the reflector is mounted above the transmitter-receiver and this reflector is convex towards the transmitter-receiver.
In this embodiment, the accumulation of obstructive air bubbles against the reflector is avoided.
In addition, the convex side of the reflector is expediently covered with a coating which prevents the adherence of air bubbles.
In another embodiment, the reflector is mounted above the transceiver and at the bottom
<Desc / Clms Page number 7>
hollow and in particular over its circumference provided with a projecting edge, such that the cavity is always filled with air.
In this embodiment, the reflector is a so-called air reflector and the ultrasonic pulses are reflected on this air layer.
In a curious embodiment of the invention, the device includes a temperature sensor mounted in the probe in the immediate vicinity of the transceiver.
Other particularities and advantages of the invention will become apparent from the following description of a method and apparatus for measuring at least one parameter of a liquid in a tank according to the invention; this description is given by way of example only and does not limit the invention; the reference numbers refer to the accompanying drawings.
Figure 1 is a schematic, partial block diagram, of a liquid tank provided with a device for measuring liquid parameters in a tank according to the invention.
Figure 2 is a side view with partial cutaway of the probe from the device of Figure 1, drawn to a larger scale.
Figure 3 represents a section according to the line 111-111 of Figure 2.
Figure 4 represents a portion of the probe of Figure 3 but related to another embodiment of this probe.
Figure 5 represents a block diagram of the electronic circuitry from the probe of Figure 2.
Figure 6 is a diagram of the current in the cable of the probe of Figure 2 as a function of time.
<Desc / Clms Page number 8>
Figure 7 is a schematic representation of a portion of the liquid tank of Figure 1 along with a graph showing the measured time course between the emitted signal and the received signal depending on the location of the ultrasonic transceiver from the probe.
In the different figures, like reference numerals refer to like elements.
To measure the level 1 of a liquid 2 in a tank 4 or the transition 1 between two liquids 2 and 3 in this tank 4, a probe, generally indicated by the reference numeral 5, is placed in the tank 4. is suspended from an electrical cable 6 which connects the probe across a portion 7 of an electronic circuit to a microprocessor 8 as shown in Figure 1.
The microprocessor 8 is connected to a power supply 9.
The tank 4 can be open or closed at the top.
In the latter case, the cable 6 extends through an opening in the top of the tank 4.
One end of the cable 6 is wound around a drum 10 mounted above the tank 4 which is fixed on a shaft 12 mounted in bearings 11. The shaft 12 is driven by a gear motor 13 by a stepper motor 14. This motor is controlled by a control 15 which in turn is coupled over the line 16 to the microprocessor 8. The microprocessor 8 is connected via an interface 17 to a control panel with display unit 18.
<Desc / Clms Page number 9>
The cable 6 contains two electrical conductors, the ends of which connect to contacts 19 mounted on the bearings 11. By means of lines 20, these contacts are connected to the higher part 7 of the electronic circuit.
As is particularly evident from Figures 2 and 3, the probe 5 comprises a cylindrical housing 21 which is closed at the top but open at the bottom and which is suspended vertically in a usual manner by means of a strain relief 22 on the cable 6.
At the bottom of the housing 21 is arranged a short-range ultrasonic transmitter receiver, namely the transducer or transducer 23, which can transmit pulses through the liquid by vibrating and vibrate due to the pulses reflected from the liquid.
In turn, this converter 23 includes a horizontally disposed piezoelectric converter plate 24 mounted on a damper block 25 and pressed together with this block into a receptacle 26 of electrically insulating material and a strip 30 located on top of the converter plate 24 . The damper block 25 is made of a mixture of copper powder and epoxy resin so that it not only produces great acoustic damping but also has good electrical conductivity.
The damper block 25 largely dampens the ultrasonic vibration, which thus permits short measuring ranges. The block 25 also forms the first electrode of the transducer plate 24 and is connected by an end-threaded electrical wire 27 to a portion 28 of the electronic circuit, the portion 28 of which is mounted in epoxy resin 29 in the top of the housing 21.
The second electrode of the transducer plate 24 is formed by a strip 30 mounted on top of the transducer plate 24 between opposed
<Desc / Clms Page number 10>
parts of the housing 21. The strip 30 is also made of electrically conductive epoxy resin and provides an efficient acoustic coupling between the transducer plate 24 and the liquid contained in the measuring space 31 between this strip 30 and the epoxy resin 29 in the top of the house 21 is located.
This strip 30 is in contact with a metal strip 32 at the bottom except at the location of the transducer plate 24 and the tray 26 and also with the metal housing 21 so that this second electrode is grounded.
In the immediate vicinity of the transducer plate 24, a thermistor 33 is placed in openings through strips 30 and 32. This thermistor 33 is connected by an electric cable 34 to the aforementioned portion 28 of the electronic circuit.
The cable 34 and the aforementioned wire 27 extend through the measuring space 31 into a sheath 35 embedded in the epoxy resin 29.
Also the bottom end of the sleeve 35, like the bottom part of the thermistor 27 and the tray 26, is embedded in a strip of epoxy resin 36.
On either side of the epoxy resin strip, the remaining openings 37 in the lower end of the body 21 are closed by a net 38 of stainless steel which prevents coarse particles from entering the measuring space 31.
These openings 37 form the access openings to the measuring space 31, while four openings 39 arranged uniformly over the circumference of the probe 5 in the housing 21 against the epoxy resin 29 form the outlet openings through which the liquid can leave the measuring space 31.
<Desc / Clms Page number 11>
The dimensions of the transducer plate 24 and the measuring area are chosen such that the transducer operates in the "Fresnel zone". This zone is determined by the distance over which the elastic waves produced by the transducer plate 24 moving as a piston can move without diverging. In this way practically all the acoustic energy emitted by the transducer plate 24 is received back by this plate 24.
This capture of the ultrasonic or acoustic energy takes place after reflection on the surface 1 of the liquid 2 or the transition 1 between two liquids 2 and 3 and / or a reflector 40 just above the transducer plate 24 against the underside of the epoxy resin 29 is confirmed.
In order to prevent air bubbles from sticking to the reflector 40, especially if the probe 5 is not perfectly vertical, its underside is coated with a layer 41, for example of polytetrafluoroethylene, which promotes the removal of air bubbles. Moreover, this bottom side is situated lower than the bottom side of the epoxy resin 29 and thus of the top side of the measuring space 31, which bottom side is also slightly convex downwards. Liquid flowing through the measuring space 31 to the outlet openings 39 will entrain any air bubbles that are against the bottom of the reflector 40.
The reflector 40 may also be designed as an "air reflector" as shown in Figure 4.
The underside of the reflector 40 is then not covered with a layer 41 and not convex, but provided on its periphery with a downwardly directed edge, so that air is retained against the underside.
<Desc / Clms Page number 12>
This embodiment offers the advantage of greater reverberation efficiency that better
EMI12.1
is with a liquid / air discontinuity than with a liquid / solid transition. Moreover, at the location of the liquid / air transition, there is no phase shift of the ultrasonic waves, and with such a reflector, undesired air bubbles which can interfere with the measurement are also avoided.
In this embodiment, however, the probe 5 must always remain almost perfectly vertical so that a bubble will always remain against the underside of the reflector 40.
As shown in Figure 5, the portion 28 of the electronic circuitry of the metering device embedded in the epoxy resin 29 includes a cycle circuit 42 whose cycle period T2, represented in the diagram of Figure 6, is determined by the thermistor connected thereto via cable 34 33. This period is inversely proportional to the measured temperature. This period, and therefore the number of measurements per unit time, therefore depends on the temperature.
When a measurement is started, the cycle circuit 42 sends a signal via line 43 to a discriminator 44 to bring it into the output state and at the same time a signal via line 45 and a retarder 46 to an ultrasonic generator 47.
The retarder 46 transmits the signal only after about 2 microseconds. This delay is necessary to allow discriminator 44 to settle.
As a result of the received signal, the generator 47 generates a very short signal with a duration of about
<Desc / Clms Page number 13>
half of the resonance period of the ultrasonic transducer 23. This signal is passed on to the ultrasonic transducer 23, which therefore begins to vibrate at its resonant frequency for a short time and sends an acoustic or ultrasonic pulse in the measuring space 31 which, after reflection, returns the transducer 23 achieved, among other things, by the damper block 25 no longer vibrates. This received pulse causes converter 23 to vibrate again at its resonant frequency for a short time.
Both during the initial vibration and during the vibration due to the reflected acoustic pulse, the converter 23 generates an electric signal, referred to as the initial signal IS and the echo signal ES, respectively. The initial signal from converter 23 is amplified by a selective amplifier 48 which only amplifies the resonant frequency and thus filters out all unwanted vibrations. The signal is then forwarded to a converter 49 which converts the signal to a logic level before it is sent to the discriminator 44. which recognizes this signal as an initial signal. The discriminator 44 then sends a signal to a modulator 50, which is activated thereby, thereby shorting the two conductors in the cable 6.
A current stabilizer 51 is connected parallel to these conductors.
Due to the short circuit, the current in the two conductors in the cable 6 will rise sharply for about 1 microsecond.
The echo signal ES follows the same path as the initial signal IS and is thus selectively amplified in the same manner and after conversion is fed to the discriminator 44, which recognizes this signal as the first echo signal and reactivates the modulator 50, so that the two conductors of the cable 6 are reactivated. shorted,
<Desc / Clms Page number 14>
At the same time, the discriminator 44 is blocked so that signals generated as a result of secondary reflections are recognized as secondary echoes.
The discriminator 44 can only be unlocked by a signal from the cycle circuit 42. This signal is emitted from this circuit 42 just before the next measurement.
The portion 7 of the electronic circuit, which is not in the probe 5 but above the tank 4, contains, as shown in figure 1, a demodulator 52 and a time-lapse measuring circuit 53.
By means of the measuring circuit 53, the demodulator 52 is coupled to the microprocessor 8. The demodulator 52, on the other hand, is coupled to the two lines 20 which connect to the two conductors of the cable 6.
Figure 6 shows a variation of the current I in the circuit formed by the two conductors of the cable 6 and, on the one hand, the two conductors 20 and the demodulator 52 and on the other the modulator 50, in function of time.
During most of the time, the current is quite low, namely about 3 mA.
Both the initial signal and the first echo signal cause a markedly higher current of about 22 mA for about 1 µs. The time course between the two signals is indicated by T1, while the time course between two initial signals and thus the time between successive measurements is indicated by T2.
The frequency of the successive measurements is determined by the cycle circuit 42 in function of the temperature at which T2 is inversely proportional to the temperature. The microprocessor can derive the temperature from T2.
<Desc / Clms Page number 15>
As mentioned above, both the initial signal and the first echo signal from the converter 23 travel the same path through the circuit. This means that the measurement should not take into account the delay of the signals or changes in this delay as a function of time or temperature.
The time span T1 measured by the time-lapse measuring circuit 53 is thus an exact measure of the period between the emission of the ultrasonic acoustic pulse and the collection of the reflected pulse after reflection.
When the microprocessor 8 orders the descending of the probe 5 from above the upper liquid 2 into a tank 4 containing two liquids 2 and 3 one above the other, the following happens, as illustrated in figure 7.
As long as the measuring space 31 of the probe 5 is above the level 1 of the upper liquid 2 and is thus filled with air, the ultrasonic pulse emitted by the transducer is reflected against the reflector 40, but the reflected pulse will be in acoustic impedance between air and solid, the converter 23 does not vibrate, so that it will not send an echo signal to the microprocessor 8.
The microprocessor will not receive a signal and interpret this as the probe is in air.
The microprocessor 8, via the stepping motor 14, orders the probe 5 to drop further until an ultrasonic pulse is received by this converter 23 as a result of the signal transmitted by the converter 23.
This takes place as soon as the converter 23 falls below the liquid level 1 of the liquid 2. The acoustic signal from transducer 23 is reflected on the liquid surface. In the beginning, the time span between sending and receiving the acoustic pulse, in other words, the time span between the initial signal and the echo signal is very small. As the converter 23 becomes deeper below the liquid level 1,
<Desc / Clms Page number 16>
this time span Tl is greater.
The microprocessor 8 lowers the probe 5 sufficiently until the reflector 40 is also below the liquid level 1, that is at the height H1, so that the converter 23 is at the height H2 in figure 7.
As can be seen from this figure, the time course T1 is then maximum and this time course remains at a maximum as the probe 5 further descends until the transducer 23 transitions 1 between the liquids 2 and 3, so the height H3 is reached.
Once the reflector 40 is immersed in the liquid 2, the acoustic signal from the transducer 23 is reflected on this reflector 40.
If the known fixed distance between the converter 23 and the reflector is 40 HR, the velocity of the sound in the liquid l for each position of the converter 23 between H2 and H3 is equal to: (2 x HR) / Tl measured between H2 and H3.
For the converter 23 at a height between H1 and H2, the height of the layer of liquid above the converter plate 23 can be calculated at any time as being half the product of the aforementioned speed and the time course T1 between the initial signal and the echo signal at the moment of measurement.
The height thus calculated added to the distance between the transducer 23 and the bottom of the tank, which distance thus depends on the distance over which the probe 5 has descended through the stepper motor and which is thus known by the microprocessor 8, gives the exact height of the liquid level 1.
Because the speed of sound is measured in the vicinity of the surface of the liquid 1, the calculated height is independent of the temperature, density and concentration of the liquid 1, of changes of these parameters in function of the height and also independent of the presence
<Desc / Clms Page number 17>
from other liquids.
As long as the converter 23 is in the liquid 2, the time course T1 can only change to a very small extent by possible vertical gradients in the properties of the liquid 2.
However, as soon as the bottom of the probe 6 enters the liquid 3, the liquid 3 will flow through the openings 37 in the probe and thus a transition will form in the probe between the liquids 2 and 3.
As soon as the transducer 23 falls below this transition, and is therefore below the height H3, the reflection of the acoustic pulses from the transducer 23 will now take place on this transition, so that the time lag between the initial signal and the first echo signal is suddenly and then gradually increases as the transition in the measuring space 31 increases or, in other words, the converter 23 further decreases. When the reflector 40 is also in the liquid 3, the reflection of the acoustic ultrasonic pulse from the transducer 23 takes place on the reflector 40 and the time span between the initial signal and the first echo signal is equal to the maximum value T1 'which are further retained. remains with further drop of the probe 6.
Because the liquid 3 is different from the liquid 2, the speed of sound therein is also different and, therefore, the time course T1 is also different from T1.
Since when the transition 1 between the liquids 2 and 3 is between the transducer 23 and the reflector 40, the entire measuring space 31 is filled with liquid, albeit with two different liquids, a part of the transducer emitted by the transducer 23 pulse will also be reflected by reflector 40. This will involve a second reflected pulse
<Desc / Clms Page number 18>
which, because of the longer path, is received later than the first ultrasonic pulse as a result of the reflection of the pulse on the transition 1. As already mentioned above, the circuit is built in such a way that this secondary pulse and any subsequent secondary pulses are not taken into account is being held.
The device described above can be used to automatically follow level 1 or transition 1. The level 1 or junction 1 is measured by the microprocessor 8 in the manner described above for the position of the probe 5, the level 1 or junction 1 being just halfway between the transducer 23 and the reflector 40. The time course T1 is measured for this mode, and any change in T1 is converted by the microprocessor 8 into a difference in level which, added to the height of the converter 23 relative to the bottom of the tank 4, gives the real level at any time.
The measurement of the velocity of the ultrasonic pulse in the liquid, so this is the calibration, should only be performed from time to time as the characteristics of the liquids change only slowly, The temperature changes from hour to hour but the compensation of the temperature change is continuous and automatic.
The device described above can also be used to measure the density or the concentration of the liquid at any height.
For this purpose, the probe 5 is lowered into the liquid to the desired height. so that the measuring space 31 is completely filled with the liquid to be measured. From the measured time course T1 between the initial signal and the first echo signal, the speed of sound in the liquid can be calculated in the manner described above.
The temperature is measured with the aid of the thermistor 33. For most liquids, there is a relationship between the density and the speed of sound at a given temperature.
<Desc / Clms Page number 19>
The density can be calculated from the speed of sound and the temperature using tables or graphs that show these relationships. For a solution, the measured speed of sound at a given temperature is a measure of the concentration of one of the components of the solution. For example, from graphs, which give the concentration of methanol in water as a function of the speed of sound for different temperatures, this concentration can be derived from the measurements of temperature and speed of sound.
In connection with the calibration table of the tank 4 (tank table), the exact volume of the liquid in the tank can be calculated from the measured level, since the temperature is also accurately measured. Based on the temperature, the thermal expansion can be calculated independently of any stratification of the liquid in the tank. The same goes for calculating the mass that can be calculated at different heights of the liquid.
The device described above is quite simple in construction and allows an accurate measurement of many parameters that directly or indirectly depend on the speed of sound in the liquids.
Because the sound waves only have to travel a very small distance, disturbing influences on these waves are minimized and the measurement is very accurate. The electronic circuit is adapted to detect such short time courses in that both the initial and echo signals that the converter 23 sends through the electronic circuit 7, 28 follow the same path and thus experience the same electronic delay.
<Desc / Clms Page number 20>
The invention is by no means limited to the above-described embodiment and within the scope of the patent application many changes can be made to the described embodiment, including as regards the shape, the composition and the arrangement of the number of the parts used to realize the invention.
In particular, instead of a transducer, one can use a separate ultrasonic transmitter and receiver or two transducers, insofar as a signal when transmitting and a signal when receiving the reflected pulse in the electronic circuit are sent to the microprocessor via the same route .
The probe should not necessarily be suspended from a cable. For example, it can also be mounted on the end of a rod or rigid pipe, which rod or pipe can be moved vertically and can be blocked in certain positions relative to the tank.