200508. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és kapcsolási elrendezés az ultrahangos távolságmérés hatótávolságának növelésére
1 HU 200508 B 2 A találmány tárgya eljárás, valamint ultrahang generátort és érzékelőt tartalmazó kapcsolási elrendezés az ultrahangos távolságmérés hatótávolságának növelésére. A szintmérés távolságmérésen alapuló módszerének legbonyolultabb feladata a darabos, ill. por alakú anyagok folyamatos szintmérésének megoldása. Az ismert megoldások a feladatot különféle elveken, különböző megbízhatósággal és jelentős költségráfordítással valósítják meg. A kapacitív szintmérést a tárolóba benyúló szonda, amely általában nagy terhelhetőségű kötélszonda, nagymértékben megdrágítja. A poranyagok nagyrésze nedvszívó és a szonda felületén való feltapadásuk a mérést meghamisítja. Az izotópos szintmérés bonyolult és költséges, alkalmazását a környezetvédelmi előírások betartása rendkívül körülményessé teszi. A mintegy két évtizedes múltra visszatekintő visszhangos, ultrahangos szintmérés tekinthető a legszélesebb körben alkalmazhatónak. Ezzel a módszerrel a mérés az adott közegben 10-30 kHz frekvencia tartományban, különleges hangsugárzó és hangvevő alkalmazásával történik (HU 183 757). Ez utóbbi megoldás számos alkalmazási korlátozást és nehézséget rejt magában, mert a szilárd - darabos, ill. por - anyagok szintmérésénél a feladatok jóval bonyolultabbak, mint a jó visszaverő felületet adó folyadék szintmérésénél. A leglényegesebb eltérés a visszaverő felületek rosszul definiálható alakja, szabálytalan elhelyezkedése, aminek következménye a számos különböző mérési távolság, továbbá a felület nagymérvű hangelnyelő tulajdonsága, a tartályoknak a folyadéktartályokét többszörösen meghaladó magassága és végül a tartály töltését kísérő erős porzás, valamint a töltés során a hangsugárzás útjába kerülő bezúduló anyag. A felsorolt zavaró körülmények következtében egyrészt a visszhangkép kiértékelhetetlen, másrészt a hangrezgés amplitúdója az elméletihez képest több nagyságrenddel kisebb lehet. Az említett nehézségek áthidalására több részmegoldás ismert. A mérőátalakítók teljesítményét nagymértékben - esetenként több ezer W-ra - megnövelték. Ezáltal a hatótávolság 20-40 m-re volt növelhető, de az ezt meghaladó hatótávolság, valamint a porzás és a bezúduló anyag okozta nehézségek ellen nem eredményezett használható megoldást. Az érzékelők elektromechanikai tulajdonsága, a lecsengés okozta hatótávolság csökkenés elhárítására ismert megoldás (DE 3 032 177), valamint frekvencia-szelektív kiértékelő alkalmazása az álló és a mozgó közegről visszaverődő hangrezgés megkülönböztetésére a Doppler-elv alapján, sem váltotta be a hozzá fűzött reményeket. Valamennyi ismert megoldású visszhangos szintmérés eredménytelennek bizonyult az alapvető nehézség, a visszavert energiának a környezeti tényezők okozta nagymérvű csökkenése és ezáltal az elérhető méréstávolságnak a csökkenése ellen. A visszhang felismerhetőségének gyakorlati feltétele a hagyományos megoldások eseteiben, hogy a visszhang Uv amplitúdója egy meghatározott értékkel nagyobb legyen egy komparálási küszöbszintnél, amely meghatározott értékkel az Uz zajamplitúdó szintje felett van. A biztonságos kiértékelés feltétele hogy Uv > 2UZ legyen. Javulás érhető el az ismert megoldások esetében, a kiértékeléshez fáziszárt hurok (PLL Phase Locked Loop) használatával, amely csak az adásfrekvencia egy diszkrét környezetében fogadja el a jelet visszhangként. A kiértékeléshez így elegendő a zajban eltűnő visszhangjel is. A PLL hatékony működéséhez szükséges, hogy a jelfeldolgozó áramkörben ne legyenek rezonanciára hangolt elemek, vagy, ha rezgőkör jellegű elem szükséges, ennek csillapítása nagy legyen. Az érzékelők, amelyek általában hangolt elemek, csak hatásfok-csökkenéssel tehetők erősen csillapítottá. A nagyjóságú hangolt kör által okozott korlátozás abban nyilvánul meg, hogy a hangolt kört a zajok gerjesztik és az a széles spektrumú zajból az önfrekvenciájának megfelelő részt kiválasztja. A zajok ezáltal az adásfrekvencián jelennek meg megnehezítve, ill. lehetetlenné téve a frekvencia szétválasztását. Találmányunk célja olyan eljárás és eszköz kidolgozása, amely egyszerű és megbízható távolság-, ill. szintmérést tesz lehetővé a por- és darabos szilárdanyag tárolókban uralkodó környezeti viszonyok között is. A találmány azon a felismerésen alapul, hogy a kitűzött cél igen kicsiny visszhangamplitúdó és zajszintviszony mellett is elérhető a frekvenciasíkon való diszkriminálás helyett statisztikus alapon nyugvó jelfeldolgozás alkalmazásával. A zajjal fedett visszhangjelet tartalmazó jelegyüttest oly módon dolgozzuk fel, hogy a jelfeldolgozás eredményeként kapott jel a zajt már nem, vagy csak igen kis mértékben tartalmazza. A zajtól megtisztított jel kiértékelése hagyományos módon történik, a futási idő mérése alapján. Míg tehát az ismert módszerrel egymás utáni mérésekből megállapítják a zajos jel alapján a visszaverődés helyét és a mérési eredményeket átlagolják, addig a találmány szerint egy méréssorozat időfüggvényét átlagoljuk, ami zavarszűrést eredményez, és a visszaverődés helyét ennek alapján állapítjuk meg. A találmány szerinti eljárás lényege, hogy az egymás után ismételt mérési ciklusok - előnyösen legalább négy mérési ciklus - mindegyikének időtartamát - célszerűen egymás között egyenlő - időszakokra osztjuk. Az egyes időszakokban visszavert jelek amplitúdóinak felerősített mását demoduláljuk és analóg-digitális átalakítás után a digitális értékeket egyenként tároljuk oly módon, hogy minden egyes mérési ciklusból eredő digitális értékeket időszakonként az előzőleg már betárolt digitális értékekhez hozzáadjuk. A mérés befejezése után az időszakonként elkülönítve tárolt digitális értékösszegeket a mérési ciklusok számával elosztva, kiválasztjuk a legnagyobb - kiugró értékű - értékösszeg időszakaszának helyét. A mérés kezdete és a kiválasztott időszakasz között eltelt időtartamnak a hang terjedési sebességével való sorozatából kiszámítjuk a visszaverődés távolságát. A találmány szerinti kapcsolási elrendezés lényege, hogy fix tárral, operatív tárral és megjelenítővel bíró központi vezérlője van, amely lehet számítógép, mikroprocesszor stb. A központi vezérlővel generátoron és érzékelőn át távolságfüggő erősítő, demodulátor és az operatív tárhoz csatlakozó analóg-digitális átalakító van sorbakapcsolva. A központi vezérlő a függvénygenerátoron át az erősítőhöz és az analóg-5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 3
