[0001 ] Die Erfindung stammt aus dem technischen Gebiet der Ultraschall-Messtechnik. Sie betrifft eine Ultraschall-Niveausensorvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] In vielen Branchen z.B. Werkzeugmaschinenbau, Lebensmittel- und Chemieindustrie werden Flüssigkeiten wie beispielsweise - Wasser, Abwasser, Hydrauliköle; - Nahrungsmittel (Bier, Wein, Sekt, Säfte, Milch, Nahrungsmittelöle), oder - brennbare Flüssigkeiten (Benzin, Kerosin, Petroleum, Terpentin, Methanol, Äthanol, Azeton) in Tanks eingefüllt, gelagert, umgepumpt, abgezapft, verbraucht und verkauft.

[0003] Für die damit verbundenen Prozesse werden Sensoren benötigt, die den aktuelle Füllstand der Flüssigkeiten in den Tanks messen. Aus der Füllstandshöhe und deren zeitlicher Änderung werden dann unter anderem folgende Informationen abgeleitet: - Füllstandsmeldungen (Min, Max, Alarmschwellen); - Alarm- bzw. Zustandsmeldungen bei zwei- oder mehrphasigen Behälterinhalten; - Durchflüsse mit Zeitstempel für minimale und maximale Zustände, oder - Einfüllmengen, Abgabemengen und Verbrauchskontrollen mit Zeitstempel.

[0004] Vorrichtungen zur Füllstandsmessung oder Grenzflächenmessung zwischen Flüssigkeiten sind bekannt. Im Allgemeinen bestehen solche Vorrichtungen aus einem Sensor im Inneren eines Behälters und Mittel zum Senden von Daten von dem Sensor zu einer entfernt gelegenen Stelle, wo sie erfasst und in ein verwertbares Format umgewandelt werden, das für die Füllstandshöhe einer Flüssigkeit bzw. für die Grenzflächenhöhe zwischen Flüssigkeiten repräsentativ ist.

[0005] Als mechanisches Messsystem gelangen Schwimmer zu Einsatz, deren Mechanik aber anfällig ist und deren Messergebnisse nicht ohne weiteres fernübertragbar sind. Bekannte pneumatische Messsysteme reagieren empfindlich auf Druckstösse. Konduktive Messsysteme sind von der Leitfähigkeit eines Mediums abhängig. Wenn das Medium an seiner Oberfläche Schaum bildet, stört diese die konduktive Messung. Darüber hinaus ist dieses Messverfahren nur eingeschränkt in Medien nutzbar und zudem teuer bei einer Auslegung gemäss Explosionsschutzbedingungen. Vibrationsmessverfahren oder kapazitive Messsysteme finden bekanntermassen lediglich Verwendung bei Crenzstandsmeldungen.

[0006] Vorrichtungen unter Verwendung von akustischen Signalen und Ultraschallsignaleπ sind beim Einsatz „von oben" vergleichsweise ungenau. „Von oben" bedeutet hier, die Messsysteme sind beispielsweise an einer Innenseite eines Behälterdeckels montiert und senden ihre Signale durch die Luft auf eine Oberfläche des Mediums, wodurch Reflexionssignale zurück gesendet werden. Dieses Verfahren ist aber in dreifacher Hinsicht hinterfragenswert. Zum einen kann ein „Saunaeffekt" beobachtet werden, das heisst, dass aufgrund von bemerkenswerten Temperaturunterschieden in der Luft zwischen der Oberfläche des zu messenden Mediums und dem Messort die Schallgeschwindigkeit in Luft um mehr als 10 % differieren kann. Zum anderen behindert Schaumbildung auf einer Flüssigkeitsoberfläche die Ultraschallmessung, deren Reflexionssignale dann diffus werden. Ferner ist Luft sehr kompressibel, so dass mit relativ grossen Energiepegeln gesendet werden muss, z.B. 5 Watt, 5 mA, 24 V, 40 kHz, damit überhaupt auswertbare Signalamplituden entstehen. Hinsichtlich solcher Energiedichten ist es besonders schwierig, solche Ultraschallvorrichtungen explosionssicher auszugestalten.

[0007] Eine herkömmliche Vorrichtung zur Füllstandsmessung mittels Ultraschall „von oben" beschreibt die DE 33 37 690 C2.

[0008] Die DE 40 25 326 C2 hingegen zeigt eine Ultraschallmessvorrichtung „von unten", dass heisst die Ultraschallwandler sind von Aussen am Behälterboden oder in dessen Nähe an einer Cehäusewand angeordnet, Sie senden durch die Cehäusewand bzw. den Cehäuseboden und die Flüssigkeit hindurch bis zu einer Flüssigkeitsoberfläche, an der das Ultraschallsignal dann reflektiert wird. Auch diese Reflexionssignale müssen die Gehäusewand bzw. den Cehäuseboden passieren, bevor die eigentliche Laufzeitmessung für die Ultraschallsignale erfolgen kann. [0009] Nachteilig an dieser Vorrichtung ist, dass Ultraschallsignale zweimal - nämlich auf dem Hinweg und auf dem Rückweg - durch eine Cehäusewand bzw. einen Gehäuseboden gesendet werden müssen, bevor das Messsignal erfasst werden kann. Das bedeutet, dass auch hier - wie bei der Messung „von oben" - mit entsprechend grossen Energiepegeln gearbeitet werden muss. Entsprechend umfangreich sind auch hier die Massnahmen bei erforderlichem Explosionsschutz. Darüber hinaus ist diese Vorrichtung wohl bevorzugt für die Neuinstallation eines Behälters sinnvoll, da der Behälter selbst mit Ultraschallwandlern bestückt ist. Eine nachträgliche Montage von Ultraschallwandlern ist genauso aufwendig und kostenintensiv, wie ein späterer Austausch bei möglichem Defekt.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung eine kostengünstige, robuste, einfache, universell einsetzbare Niveausensorvorrichtung mit Ultraschall bereit zu stellen, - mit der die Füllstandshöhe von Flüssigkeiten kontinuierlich hochgenau erfasst werden kann, - die selbstkalibrierend sich den unterschiedlichsten Flüssigkeiten anpasst, - die auch bei Schaumbildung richtig misst, - die so wenig Messengerie benötigt, dass eine Explosionsschutzzulassung durch Eigensicherheit erreicht wird, - die einen langjährigen Dauerbetrieb bei Batteriebetrieb erlaubt, - bei der das Ergebnis elektronisch zur vielfältigen Weiterverarbeitung zur Verfügung steht und - die einfach nachrüstbar ist,

[0010] Erfindungsgemäss wird die genannte Aufgabe durch die Merkmale des Anspruch 1 gelöst. Die die Erfindung weiterbildenden vorteilhaften Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 1 1.

[001 1 ] Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch eine Niveausensorvorrichtung gelöst, bei der ein Ultraschallwandler unmittelbar Kontakt mit der Flüssigkeit hat, deren Füllstandshöhe er zu messen hat. Dabei sieht die Vorrichtung vor, dass der Ultraschallwandler entweder an einem Tauchstab oder an einem Tauchrohr angeordnet ist, wobei der Tauchstab bzw. das Tauchrohr von oben in den Behälter eingeführt wird. Die Ultraschallsendesignale werden in die Flüssigkeit eingekoppelt; anschliessend werden diese Signale an einer Flüssigkeitsgrenzschicht reflektiert und zum zuvor aussendenden Ultraschallwandler zurückgesendet. [0012] Durch die Anordnung des Ultraschallwandlers an dem Tauchstab bzw. dem Tauchrohr kann auf einfache Weise jeder Behälter mit einer erfindungsgemässen, hochgenauen Füllstandsmessvorrichtung ausgerüstet werden, und dies sowohl bei einer Behälterneuinstallation oder als spätere Zusatzausrüstung. Die Installation von oben in den Behälter ist jederzeit möglich und darüber hinaus sehr rasch nachrüstbar, da die gesamte Niveausensorvorrichtung vorinstalliert geliefert werden kann und lediglich in den Behälter eingeführt und befestigt werden muss.

[0013] Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass ein Ultraschallwandler in Bodennähe eines Behälters an dem Tauchstab bzw. dem Tauchrohr angeordnet ist, und das Sendesignal von unten nach oben durch die Flüssigkeit zu deren Oberfläche als Reflexionsgrenzschicht gesendet wird. Das Ultraschallsignal verbleibt somit während der gesamten Messung im zu messenden Medium selbst. Fehlersignale, die beispielsweise bei Oberflächeschaumbildung auftreten, bleiben genauso ausserhalb jeder Betrachtung wie die Reflexionssignale an Behälterwänden oder Behälterböden, durch die ein Ultraschallsignal in herkömmlichen Vorrichtungen zu senden ist.

[0014] Schliesslich ist durch diese erfindungsgemässe Ausführung auch eine zweite oder weitere Flüssigkeitsschicht auf der ersten Flüssigkeit erfassbar, da auch hier an der zweiten oder weiteren Grenzschicht Reflexionssignale entstehen, die mit zeitlicher Verschiebung erfasst werden können,

[0015] Zur Selbstkalibrierung umfasst die erfindungsgemässe Niveausensorvorrichtung einen Reflektor, der in einem definierten Abstand nahe dem Ultraschallwandler installiert ist. Mittels diesem Reflektor wird jede einzelne Messung selbstkalibrierend durchgeführt.

[0016] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, den Ultraschallwandler mittels eines Schwimmers an dem Tauchstab bzw. in dem Tauchrohr geführt anzuordnen. Jedenfalls schwimmt der Ultraschall aussendende Wandler in Oberflächennähe einer Flüssigkeit und seine Signale werden vom Behälterboden als Flüssigkeitsgrenzschicht reflektiert. Dabei dient ebenfall ein am Schwimmer befestigter Reflektor, der definiert vom Ultraschallwandler beabstandet ist für ein Referenzsignal zur permanenten Selbstkalibrierung. [0017] Mit Vorteil sind die oben beschriebenen Ausführungsformen der Messvorrichtung mit einer Datensendevorrichtung zwecks Messdatenübertragung zu einer Datenverarbeitungsvorrichtung ausgestattet. Wenn diese Datensendevorrichtung ebenfalls Daten empfangen kann, so ist eine bidirektionale Kommunikation möglich. Jede Kommunikationsvariante ist dabei entweder Draht gebunden oder als Funkübertragung ausführbar.

[0018] Mit Vorteil ist die Niveausensorvorrichtung mit einem oder mehreren Temperatursensoren versehen, die die Temperatur sowohl in der Flüssigkeit sowie in der Luft bzw. in dem Gasgemisch über der Flüssigkeit erfasst und überwacht. Eine derartig „Kombilösung" ermöglicht ein breites - bisher nicht bekanntes - Einsatzspektrum der erfindungsgemässen Niveausensorvorrichtung.

[0019] Eine besonders hervorzuhebende Ausführungsform sieht vor, den Ultraschallwandler für geringsten Energieverbrauch auszulegen, so dass eine einfache Vorortversorgung mittels Batterie möglich ist. Der erfindungsgemässe Wandler benötig so wenig Energie, dass er mit herkömmlichen Batterien ohne weiteres eine permanente Einsatzdauer von mehren Jahren zulässt. Dabei sind die Energiedichten während des Betriebs so klein, dass die gespeicherte Energie kleiner als die Zündenergie der zu messenden Flüssigkeit ist, Diese Energiebilanz macht die erfindungsgemässe Niveausensorvorrichtung „eigensicher"; das heisst, die neue Niveausensorvorrichtung geniesst als intrinsische Eigenschaft die Explosionsschutzzulassung. In Sinne der Erfindung sind natürlich auch die Zusatzinstallationen, wie beispielsweise die Kommunikationseinheit, eigensicher ausgestaltet.

[0020] Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der folgenden detaillierten Beschreibung, in der bevorzugte Ausgestaltungen unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:

[0021 ] Fig. 1 eine erfindungsgemässe Ultraschall-Niveauseπsorvorrichtung mit einem in Behälterbodennähe angeordneten Wandler, und

[0022] Fig. 2 eine Ausführungsvariante der Niveausensorvorrichtung, bei der der Wandler in Oberflächennähe einer Flüssigkeit schwimmend angeordnet ist. [0023] In Fig. 1 ist mit 1 ein Behälter bezeichnet, der befüllt ist mit einer Flüssigkeit 4. In diese Flüssigkeit 4 ist die erfindungsgemässe Ultraschall-Niveausensorvorrichtung eingesetzt, umfassend einen Ultraschallwandler 2, der an einem Tauchstab 7 in der Nähe eines Behälterbodens 8 installiert ist. Oberhalb einer Flüssigkeitsoberfläche, die als Flüssigkeitsgrenzfläche 5 fungiert, ist ein Schaum 18 und weiter nach oben Luft 19 dargestellt. Das Behälterinnenvolumen ist mit 13 bezeichnet.

[0024] An dem Tauchstab 7 ist ein Reflektor 9 und ein oder mehrere Temperatursensoren 21 angeordnet. Der Ultraschallwandler 2 ist mit einer Vorortversorgung 14 und einer Datensendevorrichtung 1 5 verbunden. Diese Datensendevorrichtung 15 gibt ihre Daten via eine Datenübertragungsverbindung 20 an eine Datenverarbeitungsvorrichtung 16 und eine Anzeigevorrichtung 17 ab. Die Datenübertragungsverbindung 20 ist mit einer unterbrochenen Linie dargestellt, da diese Verbindung zum einen Draht gebundene ausgeführt sein kann und zum anderen aber auch als Funkverbindung.

[0025] Von dem Ultraschallwandler 2 geht ein Sendesignal 3 aus, das nach oben gerichtet durch die Flüssigkeit 4 an dem Reflektor 9 zu einem Reflexionssignal 10 und an der Flüssigkeitsgrenzfläche 5 zu einem Reflexionssignal 6 führt. Eine Füllhöhe FH des Behälters 1 besteht aus einer Sendehöhe SH des Wandlers 2 und einer Messhöhe MH desselben. Des weiteren ist mit EH die Eichhöhe und damit der definierte Abstand des Reflektors 9 von dem Ultraschallwandler 2 bezeichnet.

[0026] Die weitere Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidet sich lediglich in wenigen Punkten von derjenigen in Fig. 1. Wesentlicher Unterschied ist, dass der Ultraschallwandler 2 mittels eines Schwimmers 1 1 in der Nähe der Flüssigkeitsoberfläche in einem Tauchrohr 7 schwimmend angeordnet ist. Ein Tauchrohrinnenvolumen 12 kommuniziert mit einem Behältervolumen 13 über eine Vielzahl von Öffnungen 22.

[0027] Das von dem Ultraschallwandler 2 in Fig. 2 ausgesendete Signal 3 ist nach unten gerichtet und wird reflektiert an dem Reflektor 9 und an dem Behälterboden 8, der hier als Flüssigkeitsgrenzfläche 5 fungiert. [0028] Da beide Fig. 1 und 2 lediglich Ausführungsvarianten der erfindungsgemässen Ultraschall-Niveausensorvorrichtung darstellen, wird ihre Funktion im folgenden unter Bezugnahme auf beide Fig. gleichzeitig beschrieben. Nur dort, wo Abweichungen auftreten, wird explizit auf eine der beiden Figuren verwiesen.

[0029] Der Ultraschallwandler 2 gibt in einer Sendehöhe SH Ultraschallimpulse 3 in die Flüssigkeit 4 ab. Da Flüssigkeiten inkompressibel sind, genügen dabei kleine Sendeleistungen (z.B. 5mW, 5mA, IV, 1 ,25MHz), um Ultraschallimpulse 3 in die Flüssigkeit 4 einzukuppeln. Ein Teil wird an dem an der Vorrichtung in der bekannten Eichhöhe EH angebrachten Reflektor 9 reflektiert und zum Ultraschallwandler 2 zurück geschickt, der dadurch das erste Reflexionssignal 10 empfängt. Durch Messung einer ersten zugehörigen Laufzeit LZl kann die Ultraschallgeschwindigkeit v der Flüssigkeit ermittelt werden nach:

(Gleichung ! ) v = 2 x EH / LZl .

[0030] Der grossere Teil der Ultraschallimpulse 3 läuft aber weiter bis zur Flüssigkeitsgrenzfläche 5, wird erst dort reflektiert und gelangt nach einer zweiten Laufzeit LZ2 als zweites Reflexionssignal 6 zum Wandler 2 zurück. Die messtechnisch so erfasste Messhöhe MH errechnet sich dann aus:

(Gleichung 2) MH = v x LZ2 / 2.

[0031 ] Wenn SH die durch die Konstruktion bekannte Sendehöhe des Wandlers 2 ist, dann ergibt sich für die Füllhöhe FH der Flüssigkeit:

(Gleichung 3) FH = SH + v x LZ / 2.

[0032] Mit Gleichung 1 ergibt sich aus dieser Gleichung 3:

(Gleichung 4) FH = SH + 2 x EH / LZl x LZ2 / 2 = SH + EH x LZ2 /LZ 1. [0033] Die Werte in dieser Gleichung 4 für die Eichhöhe EH und die Sendehöhe SH sind konstruktionsbedingt und damit bekannt. Die Laufzeiten LZl und LZ2 sind reine Messgrössen; somit stellt die neue Niveausensorvorrichtung ein sich selbst kalibrierendes Messsystem für die unterschiedlichsten Flüssigkeiten dar,

[0034] Bei der Ausführungsvariante gemäss Fig. 1 treten durch den Schaum 18 weitere diffuse Reflexe auf, die aber zeitlich nach dem Reflexionssignal 6 auf dem Wandler 2 eintreffen und damit die Niveausensorvorrichtung trotz Schaum 18 richtig misst. Bei der Ausführungsvariante nach Fig. 2 nimmt der Schaum 18 ohnehin keinen Einfluss auf die Messung. Somit wird festgehalten, dass die erfindungsgemässe Vorrichtung unempfindlich gegenüber Schaum 18 an der Oberfläche einer Flüssigkeit 4 ist.

[0035] Sollte sich hingegen eine zweite oder weitere Flüssigkeitsschicht auf der ersten Flüssigkeit 4 befinden (hier nicht dargestellt), so ist mit der Ausführungsvariante nach Fig. 1 ein weiteres diskretes Reflexionssignal empfangbar, mit dem eine zweite oder weitere Flüssigkeitsphase detektiert werden kann. Die Detektion einer oder jeder weiteren Flüssigkeitsphase führt dann zu einem Meldesignal.

[0036] Bei schwankender oder vibrierender Flüssigkeitsoberfläche kann das Reflexionssignal 6 an der Flüssigkeitsgrenzschicht 5 ausfallen, da beim Eintreffen eines Ultraschallimpulses die Flüssigkeit gerade nicht parallel zur Oberfläche des Ultraschallwandlers 2 stehen kann und der Ultraschallimpuls 6 z.B. an die Wände, nicht aber zurück zum Wandler 2 reflektiert wird. Im statistischen Mittel wird aber die Reflexionsbedingung eingehalten, so dass nur über mehrere Sende, und Empfangsvorgänge gemittelt werden muss, um auch unter diesen Bedingungen einen auswertbaren Reflex zu erhalten. Die Schallgeschwindigkeiten in Flüssigkeiten sind relativ gross und liegen in der Grössenordnung von ca, 1500m/s, die Füllhöhen sind im allgemeine kleiner 8m, so dass sich bei Sendefrequenzen von ca. 1 MHz und z.B. dreifach Impulspaketen Integrationszeiten kürzer als 0.25s ergeben, was schnell genug ist, um auch bei bewegten Flüssigkeitsoberflächen hochgenau mit einer Auflösung von besser als 5mm messen zu können. [0037] Die Energieaufnahme ist so klein, dass der Ultraschallwandler 2 zusammen mit der Datensendevorπchtung 1 5 auch durch eine Batterie als Vorortversorgung 14 vorsorgt werden kann Eine Lithiumbatterie mit z B 13Ah reicht aus, um eine sechsjährige Betriebsdauer zu gewahrleisten Somit wird die Installation teurer Spannungsversorgungen (230V/24V AC/DC) vermieden Die Energieaufnahme ist auch so klein, dass die gesamte Niveausensorvorrichtung die Bedingungen für Explosionsschutz erreicht und somit als eigensicher ist Eigensicher bedeutet hier, dass die gespeicherte Energie eines Gerätes kleiner ist, als die Zundenergie einer das Gerat umgebenden Flüssigkeit Die erfindungsgemasse Vorrichtung nimmt bei einer Versorgungsspannung von 3 6V und einer Kondensatorkapazitat von 22DF eine maximale Energie von 0 14mJ auf Vergleichsweise dazu liegen die Zundenergie von Hexan mit 0 24mJ, die von Propan mit 0 26mJ und von Methan mit 0 28mJ hoher Dies bedeutet, das ohne kostenintensive Massnahmen für ein explosionssicheres Gehäuse, die erfindungsgemasse Ultraschall-Niveausensorvorrichtung eigensicher einsetzbar ist

[0038] In vielen Anwendungsfallen wird zusätzlich zur Flussigkeitshohe auch die Flussigkeitstemperatur benotigt Diese wird auf einfache Weise mittels der installierten Temperatursensoren 21 gemessen, wobei die Versorgung ebenfalls durch die Vorortversorgung 14 erfolgen kann Die gesamte Vorrichtung wird somit zum „Kombisensor" für den Füllstand und die Temperatur einer Flüssigkeit

[0039] Ohne den Eήndungsgedanken zu verlassen kann der Behalter auch oben verschliessbar ausgeführt sein, so dass die Niveausensorvorrichtung beispielsweise durch eine Serviceoffnung des Behalters 1 eingeführt werden kann

[0040] Darüber hinaus kann der Reflektor 9 auch seitlich neben dem Ultraschallwandler 2 angeordnet sein, oder im Fall der Ausfuhrungsform nach Fig 1 darüber hinaus auch unterhalb des Wandlers 2 Bezugszeichenliste

1 Behälter 2 Ultraschallwandler 3 Sendesignal 4 Flüssigkeit 5 Flüssigkeitsgrenzfläche 6 Reflexionssignal 7 Tauchrohr/Tauchstab 8 Behälterboden 9 Reflektor 10 Reflexionssignal 1 1 Schwimmer 1 2 Tauchrohrinnenvolumen 13 Behälterinnenvolumen 14 Vorortversorgung 1 5 Datensendevorrichtung 16 Datenverarbeitungsvorrichtung 17 Anzeigevorrichtung 18 Schaum 19 Luft 20 Datenübertragungsverbindung 21 Temperatursensor 22 Öffnung SH Sendehöhe EH Eichhöhe MH Messhöhe FH Füllhöhe