DE3621427A1 - Messsystem - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Meßsystem
zum Messen einer Flüssigkeitsmenge in einem Tank, in
welchem sich eine Phasengrenzfläche von Flüssigkeit zu
Gas oder Dampf einstellt, enthaltend eine Ultraschall
wandlereinheit, die Impulse akustischer Energie nach
oben durch die Flüssigkeit abgibt und die Impulse
empfängt, wenn sie von der Phasengrenzfläche reflek
tiert werden, und die am Boden des Tanks in einem
vertikalen Rohr oder "Ruhegefäß" untergebracht ist, das
Löcher für die Flüssigkeit aufweist, und weiterhin ent
haltend einen Geschwindigkeitsmesser zur Messung der
Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit über eine
Bezugsdistanz, einen Impulszählkreis, der zur Messung
des Zeitintervalls zwischen der Aussendung und dem Em
pfang des Impulses bestimmt ist, und einen Mikroprozes
sor zum Berechnen der Flüssigkeitsmenge aus dem
Zeitinterval.
Elektronisch gesteuerte Pegelmeßsysteme, die Ultra
schallimpulse von einer Ultraschallenergiequelle gegen
die Oberfläche einer Flüssigkeit in einem Tank richten
und die Zeit messen, die die reflektierte Energie
benötigt, um einen Ultraschallenergiesensor zu er
reichen, sind weithin bekannt. Ein solches System, das
zur Steuerung der Befüllung eines Behälters bestimmt
ist, offenbart beispielsweise die US-PS 44 37 497.
Die US-PS 42 29 798 beschreibt ein ähnliches System mit
einem Ultraschallwandler, der am Boden eines Tanks ange
ordnet ist und Impulse akustischer Energie vertikal
nach oben aussendet und die Impulse wieder aufnimmt, die
an der Phasengrenzfläche zwischen Flüssigkeit und Luft
oder einem anderen Gas im Tank reflektiert werden. Der
Ultraschallwandler ist in einem vertikalen Rohr
angeordnet, das Löcher für den Zutritt des Fluides
aufweist, und die Vorrichtung enthält einen
Impulszählkreis zum Messen des Intervalls zwischen der
Aussendung und dem Empfang des Impulses, einen Mikropro
zessor zum Berechnen des Volumens der Flüssigkeit auf
der vertikalen Höhe und eine Ausgabe-Anzeigeeinrichtung
für die Volumendaten.
Die US-PS 45 51 719 beschreibt ein Mikroprozessorsystem,
das einen Ultraschallwandler am Kopf eines Tanks
verwendet, um den Flüssigkeitspegel in dem Tank zu
messen, in welchem ein fester Reflektor in einer vorbe
stimmten Distanz von dem Ultraschallwandler als Quelle
für Bezugsdaten über die sich ändernde Geschwindigkeit
der Schallwellen im Dampf über dem Flüssigkeitsspiegel
wirkt.
Ultraschallmeßsysteme sind jedoch mit den bekannten Ar
ten elektrischer Verdrahtung, die zur Verbindung eines
jeden Sensors mit der elektronischen Steuervorrichtung
notwendig sind, schwierig in die Praxis sicher umzu
setzen. Die Verdrahtung kann Brände auslösen, wenn
die Sensoren innerhalb des Tanks montiert werden, und
bringt weitere Schwierigkeiten für außen angeordnete
Sensoren mit sich, speziell im Falle von Flügeltanks in
einem Flugzeug und im Hinblick auf unvorhersehbare Wir
kungen von Blitzeinschlägen.
Selbst wenn man ein optisches Meßsystem verwendet, wie
es beispielsweise in der US-PS 39 95 168 beschrieben
ist, werden elektrische Verbindungen dazu verwendet,
Daten zu übertragen, die von den optischen Pegelindi
katoren innerhalb des Tanks zu Summierkreisen und Pegel
anzeigern übertragen werden.
Das von der vorliegenden Erfindung zu lösende Problem
besteht darin, ein Flüssigkeitsmeßsystem anzugeben, in
welchem Brandrisiken, die aus der Verwendung elektri
scher Leitungen resultieren, beseitigt oder doch zumin
dest im Vergleich zu bekannten Systemen verringert sind.
Dieses Problem wird durch ein System gelöst, wie es im
kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 beschrieben ist.
Vorzugsweise hat die Ultraschallwandlereinheit einen
Photodetektor/Kondensator-Kreis, um einen Oszillator
kreis zu betreiben, der den Ultraschallsender erregt,
einen Triggerkreis, der mit dem Detektor verbunden ist,
um den Oszillatorkreis zu erregen und zu bewirken, daß
der Ultraschallsender einen Burst akustischer Energie
für eine vorbestimmte Zeit abgibt, und die Leuchtdiode
ist über einen Verstärker und einen Spannungs/Strom-
Wandler mit dem Ultraschallempfänger verbunden.
Ein Meßsystem, das die vorliegende Erfindung beinhaltet,
wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die
begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine Schaltung des Meßsystems nach der
vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Schaltung eines optischen Leistungs
kreises für die Verwendung in dem Meßsystem nach Fig. 1;
Fig. 3 eine Schaltung eines Sendertriggerkreises
zur Verwendung in dem Meßsystem nach Fig. 1 und
Fig. 4 eine Schaltung eines Empfängerkreises für
die Verwendung in dem Meßsystem nach Fig. 1.
Bezugnehmend auf Fig. 1 enthält das dargestellte
Meßsystem einen oder mehrere Tanks 12, die Kraftstoff
oder eine andere Flüssigkeit enthalten, die eine
Phasengrenzfläche 250 zwischen Flüssigkeit und Luft oder
einem anderen Gas ausbilden, und eines oder mehrere
Ruhegefäße 20 und 41 (vorzugsweise zwei solcher Gefäße
wie hier dargestellt, um aus Sicherheitsgründen
Redundanz zu erzeugen). Diese Ruhegefäße erstrecken
sich vom Boden des Tanks 12 aufrecht nach oben. Das
"Ruhegefäß" ist ein Rohr, das dazu dient, die Bewegung
der Flüssigkeit zu begrenzen. Am Boden eines jeden
Rohrgefäßes ist eine Ultraschallwandlereinheit 30 und
40, die Elemente des Meßsystems gemäß der vorliegenden
Erfindung sowie eine Ultraschallsender- und -empfänger
kombination enthält, die Impulse akustischer Energie
nach oben aussendet und die Impulse ermittelt, wenn sie
von der Phasengrenzfläche 250 zwischen Flüssigkeit und
Luft reflektiert werden. Jedes Ruhegefäß hat Löcher 252
für den Durchlaß von Flüssigkeit.
Eine Detektoreinheit, die von der gestrichelten Linie 14
umgeben ist, ist mit den Ultraschallwandlereinheiten 30
und 40 durch optische Leitungen verbunden und enthält
Schaltkreiselemente, einschließlich eines Demultiplexers
74, eines Signalaufbereiters 76, einer Stromversorgung
94 (von der Hauptstromversorgungsquelle 98 des Flugzeugs
betrieben), eines Mikroprozessors (CPU und Speicher) 82
und eines Dateninterface 89, das mit einer Anzeigeein
richtung 92 verbunden ist. Diese elektrischen Schalt
kreiselemente sind durch entsprechende Leitungen 78, 80,
84, 86, 90, 96 und 100 miteinander verbunden.
Das Meßsystem nach der Erfindung enthält eine optische
Leistungsquelleneinheit, die in Fig. 2 mit der gestri
chelten Linie 38 bezeichnet ist. Die optische Leistungs
quelleneinheit 38 bildet einen Teil der Detektoreinheit,
die mit gestrichelten Linien 14 dargestellt ist und
liegt daher außerhalb der Ultraschallwandlereinheiten 30
und 40. Die Stromversorgung 94 ist mit einer Lampe 104,
die beispielsweise eine Leistungsaufnahme von 10 W hat
über eine Leitung 106 verbunden. Das Licht 107 von der
Lampe 104 durchläuft eine Linse 108 und gelangt in
gebündelte optische Faserenden 110. Optische Fasern 36,
46 und 56 erstrecken sich von den Faserenden 110 jeweils
zu Photodioden 120 und 122, die in den Ultraschallwand
lereinheiten 30 bzw. 40 angeordnet sind. Eine optische
Faser 56 erstreckt sich von den Faserenden 110 zu
einer Photodiode 123, die in einer dritten Ultra
schallwandlereinheit 50 angeordnet ist, die weiter
unten als Teil einer bevorzugten Ausführungsform eines
Geschwindigkeitsmessers beschrieben ist. Die Photodioden
120, 122 und 123 sind über eine Leitung 126 in Serie mit
einander geschaltet und mit Masse verbunden.
Die Photodioden 120, 122 und 123 sind parallel zu einem
Kondensator 128 über Leitungen 134 und 132 geschaltet,
und der Kondensator 128 ist über eine Leitung 130 mit
Masse verbunden. Die Leitung 134 führt eine Spannung +V
vom Kondensator 128, um den akustischen Sende- und
Empfangskreisen innerhalb der Ultraschallwandlerein
heit Spannung zuzuführen.
Ein bevorzugter akustischer Senderkreis ist in Fig. 3
dargestellt. Ein bevorzugter akustischer Empfängerkreis
ist in Fig. 4 gezeigt.
Mit spezieller Bezugnahme auf Fig. 3 und mit der Photo
diode 120 als ein Beispiel zur Erläuterung der Funktion
und des Betriebs aller drei Photodioden 120, 122 und 123
ist die Diode 120 über eine Leitung 142 mit einem
optisch betriebenen Schalter 140 verbunden. Der optisch
betriebene Schalter 140 ist über einen gesteuerten
Gleichrichter (SCR-Trigger) 144 über eine Leitung 146
verbunden, um einen Sendertrigger- und Erregerkreis zu
bilden. Letzterer ist über einen Widerstand 172 und
einen Kondensator 178 über Leitungen 174, 180 und 182
geerdet und ist mit dem optisch betriebenen Schalter 140
über eine Leitung 184 verbunden und durch eine Leitung
176 zu dem SCR-Trigger 144 parallelgeschaltet. Der SCR-
Trigger 144 ist mit einem Hochstromschalter 148 über
eine Leitung 150 verbunden. Der Schalter ist mit Hilfe
von Leitungen 166 und 154 einer Oszillatorschaltung
parallelgeschaltet, die über einen Widerstand 170 von
der Spannung +V vom Kondensator 128 versorgt wird.
Die Oszillatorschaltung enthält einen Kondensator 156
und eine Induktionsspule 160 und ist einem Ultraschall
sender 152 durch Leitungen 162, 164 und 158 parallel
geschaltet und außerdem geerdet.
Der optisch betriebene Schalter 140 ist weiterhin über
eine Leitung 186 mit einer Bezugsspannungseinheit 188
verbunden, wie in Fig. 4 gezeigt, in welcher Figur der
Verstärkerkreis für den akustischen Empfänger 194 eben
falls dargestellt ist.
Die Einheit 188 ist über eine Leitung 192 mit einem Be
grenzerverstärker 190 verbunden, der von dem Empfänger
194 parallel zur Induktionsspule 200 über Leitungen 196
und 198 Strom empfängt. Der Begrenzerverstärker 190, der
von der +V-Spannungsquelle über die Leitung 210 versorgt
wird, ist über eine Leitung 104 mit einem Spannungs-/
Stromwandler 202 verbunden, der ebenfalls von der +V-
Stromquelle über eine Leitung 208 betrieben wird. Eine
Infrarot-Leuchtdiode 212 empfängt das Ausgangssignal von
dem Spannungs-/Strom-Wandler 202 über eine Leitung 214.
Das Licht von der Infrarot-Leuchtdiode 212 wird über ein
optisches Faserkabel (Fig. 1 und 2) zu einem der
optischen Detektoren 34 übertragen, der in der Detektor
einheit angeordnet ist, die mit gestrichelten Linien 14
angedeutet ist.
Akustische Impulse werden von der Ultraschallwandler
einheit 40 in der gleichen Weise abgegeben, wie von der
Ultraschallwandlereinheit 30 und werden durch ein opti
sches Faserkabel 42 zu einem weiteren der optischen De
tektoren 34 übertragen, um, sofern notwendig, Redundanz
zu erzeugen.
Die optischen Detektoren 34 sind mittels elektrischer
Leitungen 70, 71 und 72 mit dem Demultiplexer 74 in der
Detektoreinheit verbunden.
Ein bevorzugter Geschwindigkeitsmesser enthält die drit
te Ultraschallwandlereinheit 50, die in Fig. 1 darge
stellt ist. Ein Rohr 51 ähnlich den vertikalen
Ruhegefäßen 20 und 41, jedoch mit einem Plattenreflektor
57 als Kappe versehen, erstreckt sich horizontal in den
Tank 12, wobei die Wandlereinheit 50 an seinem Boden an
geordnet ist. Die Platte 57 ist in einer vorbestimmten
Distanz von der Wandlereinheit 50 angeordnet. Akustische
Impulse, die auf die gleiche Weise, wie jene von den
Ultraschallwandlereinheiten 30 und 40 erzeugt werden,
jedoch den Ausgang der Photodiode 123 verwenden, werden
von der Platte 57 anstelle von der Phasengrenzfläche 250
zwischen Flüssigkeit und Luft (oder einem anderen Gas
oder Dampf) reflektiert, um Bezugsgeschwindigkeitsdaten
zu erzeugen, die durch ein optisches Faserkabel 42 zu
einem dritten der genannten optischen Detektoren
übertragen wird.
Die Ultraschallwandlereinheiten 30, 40 und 50 sind vor
zugsweise in Hohlräumen im unteren Teil eines Flugzeug
flügeltanks montiert, um einfach ausgebaut und ersetzt
werden zu können. Die optischen Fasern können innerhalb
des Tanks montiert sein und sich durch den Hohlraum er
strecken.
Die elektrische Energie, die jeder Wandlereinheit zuge
führt wird, kann in Form eines 1 ms-Impulses vorliegen,
um den Oszillatorkreis zu erregen, gefolgt von einem
kurzen 1 MHz-Burst (vorzugsweise etwa 10 Impulse), um
den Ultraschallsender zu betreiben. Der Ultraschall
empfänger empfängt das reflektierte akustische Signal
einen Bruchteil einer Millisekunde später zur Umwand
lung in Licht für die Übertragung durch das optische
Faserkabel zurück zum Multiplexer.
Die von jeder Wandlereinheit abgestrahlte Leistung liegt
in der Größenordnung von etwa 200 mW für Sendung und
Empfang von Zyklen von 10 µs. Der Zyklus kann etwa alle
200 ms wiederholt werden.
Claims (7)
1. Meßsystem zum Messen einer Flüssigkeitsmenge in einem
Tank, in welchem sich eine Phasengrenzfläche zwischen
Flüssigkeit und Gas oder Dampf ergibt, enthaltend eine
Ultraschallwandlereinheit (30 oder 40), die Impulse
akustischer Energie nach oben durch die Flüssigkeit
aussendet und Impulse empfängt, wenn sie von der Phasen
grenzfläche reflektiert werden und die am Boden des
Tanks (12) in einem vertikalen Rohr oder "Ruhegefäß" (20
oder 41) angeordnet ist, das Löcher (252) für die
Flüssigkeit aufweist, einen Geschwindigkeitsmesser (50,
51) in einer Wand des Tanks zur Messung der Schallaus
breitungsgeschwindigkeit in der Flüssigkeit über eine
Bezugsdistanz, einen Impulszählkreis, der zur Messung
des Zeitintervalls zwischen der Aussendung und dem
Empfang eines jeden gegebenen Impulses eingerichtet
ist und einen Mikroprozessor (82) zum Berechnen der
Flüssigkeitsmenge im Tank aus dem gemessenen Zeit
intervall, gekennzeichnet durch eine Detektoreinheit
(14), die den Impulszählkreis und den Mikroprozessor
(829) enthält und die mit der Ultraschallwandlereinheit
(30 oder 40) durch optische Fasern verbunden ist, wobei
die Detektoreinheit weiterhin eine optische Leistungs
quelleneinheit (38) aufweist, enthaltend eine Lichtquel
le (104), deren Licht von einer der optischen Fasern zu
Photodetektoreinrichtungen (120 oder 123) in der Ultra
schallwandlereinheit (30 oder 40) übertragen wird,
wobei die Photodetektoreinrichtung dazu dient, das Licht
in elekrische Energie umzuwandeln, um einen Ultraschall
sender (Fig. 3) zu aktivieren, die Ultraschallwandler
einheit (30 oder 40) eine Leuchtdiode (212) enthält,
die von einem Ultraschallempfänger (Fig. 4) erregt wird
und dazu dient, Licht zu einem optischen Detektor (34)
in der Detektoreinheit (14) über eine der optischen
Fasern (32, 42) zu übertragen, und der optische Detek
tor (32, 34) elektrisch mit der Impulszählschaltung (14)
und dem Mikroprozessor (82) verbunden ist.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ultraschallwandlereinheit (30 oder 40) einen
Photodetektorkondensatorkreis enthält, der eine Spannung
zum Betreiben eines Oszillatorkreises (158, 160)
liefert, um den Ultraschallsender (Fig. 3) zu erregen,
eine Triggerschaltung (144) aufweist, die mit dem Photo
detektor verbunden ist, um den Oszillatorkreis (156,
160) zu erregen und zu bewirken, daß der Ultraschallsen
der (Fig. 3) einen Burst akustischer Energie für eine
vorbestimmte Zeit abgibt, und daß eine Leuchtdiode (212)
über einen Verstärker und einen Spannungs-/Strom-Wandler
(202) mit dem Ultraschallempfänger (Fig. 4) verbunden
ist.
3. System nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch
gekennzeichneet, daß der Geschwindigkeitsmesser (Fig. 4)
eine zusätzliche Ultraschallwandlereinheit (40) auf
weist, die akustische Energie gegen einen Reflektor
(57) aussendet, der in einer definierten Distanz zur
Wandlereinheit angeordnet ist.
4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeich
net durch eine Ausgabeanzeigeeinrichtung (92) für
Volumendaten.
5. System nach einem der Ansprüche 1 bis , gekennzeich
net durch eine Kondensatorschaltung, die dazu dient, das
von dem Photodetektor empfangene Licht in elektrische
Energie umzuwandeln, und der mit einer Spannungsquelle
(V+) verbunden ist.
6. System nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen
Oszillatorkreis, der von der Spannungsquelle (V+) be
trieben ist, um den Ultraschallsender zu erregen.
7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Tank (12) zwei Ultraschall
wandlereinheiten (30, 40) enthält.
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