DE3724411A1 - Vorrichtung zum kontinuierlichen messen des fuellstandes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Messen des Füllstands von einem Medium in einem Behälter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise aus der DE-AS 21 52 675, der DE-AS 22 53 958 oder der DE-OS 33 30 063 bekannt.

Bei Vorrichtungen, bei denen zum kontinuierlichen Messen des Füllstands von einem Medium in einem Behälter die Laufzeit von Ultraschall-Impul­ sen bestimmt wird, besteht allgemein das Problem, einen Referenz-Ultra­ schallimpuls bereitzustellen, dessen gemessene Laufzeit die Korrektur von Fehlern ermöglicht, mit denen der Meß-Ultraschallimpuls aufgrund von Temperaturschwankungen etc. behaftet ist.

Hierzu ist gemäß der DE-AS 22 53 958 ein Ultraschall-Eichempfänger vorgesehen, der in kurzer (genau bekannter) Entfernung unterhalb des Ultraschall-Senders angeordnet ist. Die Laufzeit eines Ultraschall-Im­ pulses vom Ultraschall-Sender zum Ultraschall-Eichempfänger soll nun zur Bestimmung der (temperaturabhängigen) Schallgeschwindigkeit in dem gasförmigen Medium zwischen Ultraschall-Sender und Medium-Oberfläche dienen. Gemäß der DE-OS 33 30 063 sind in dem Ultraschall-Hohlleiter Diskontinuitäten vorgesehen, deren Ultraschall-Reflexion ebenfalls die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit und damit eine Korrektur von Fehlern bei der Bestimmung des Medium-Niveaus erlauben soll.

Weiter ist in der DE-AS 21 52 675 vorgeschlagen, zusätzlich zu dem Ultraschall-Hohlleiter, der bis zum Boden des Behälters reicht, einen zweiten, kurzen Ultraschall-Hohlleiter vorzusehen, der eine genaue Messung des Füllstands im Bereich des höchsten vorkommenden Füllstands ermöglicht.

Alle bekannten Vorrichtungen zum kontinuierlichen Messen des Füllstands von einem Medium in einem Behälter weisen jedoch - wie erfindungsgemäß erkannt worden ist - folgenden Nachteil auf:

Bei vielen Einsatzfällen, beispielsweise bei Bodentanks, Flugzeugtanks oder dgl. tritt ein stark schwankender Temperaturgradient längs des Ultraschall-Hohlleiters auf. Dieser Temperaturgradient wird jedoch bei der Referenzmessung nicht berücksichtigt. Damit nimmt bei den bekannten Vorrichtungen insbesondere bei sehr tiefem Medium-Niveau die Meß­ genauigkeit stark ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum kontinu­ ierlichen Messen des Füllstands von Medium in einem Behälter anzugeben, bei der auch bei stark schwankendem Temperaturgradienten längs der Meßstrecke der Füllstand insbesondere bei geringen Füllständen genau gemessen werden kann.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiter­ bildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Überraschenderweise kann die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst werden, daß weiterhin von einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgegangen wird. Diese bekannte Vorrichtung wird erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, daß parallel zu dem Ultraschall-Hohlleiter ein gleichartiger Ultraschall-Hohlleiter angeordnet ist, der ebenfalls in das Medium eintaucht, jedoch nicht mit Medium gefüllt ist. Damit beeinflussen Temperatur-und/oder Druck­ gradienten längs der Ultraschall-Hohlleiter über die gesamte mögliche Füllstands-Höhe die Laufzeit von Ultraschall-Impulsen in diesem zu­ sätzlich vorgesehenen Hohlleiter.

Erfindungsgemäß bestimmt deshalb die Steuereinheit die Laufzeitdifferenz zwischen der Laufzeit eines an der Medium-Oberfläche reflektierten Ultraschall-Impulses und einem am Boden des gleichartigen Ultraschall- Hohlleiters reflektierten Impulses. Damit sind erfindungsgemäß gerade niedrige Medium-Niveaus mit hoher Genauigkeit meßbar. Dies ist ins­ besondere bei Flugzeugtanks, aber auch in vielen anderen Anwendungen von besonderer Bedeutung.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen vorgesehen.

Gemäß Anspruch 2 ist für jeden der Hohlleiter ein Ultraschall-Wandler vorgesehen. Hierdurch können keine störenden nicht zuordenbaren Impulse auftreten wie dies unter Umständen bei einer Variante, bei der beide Hohlleiter von einem einzigen Ultraschall-Sender und -empfänger beauf­ schlagt werden, der Fall sein könnte.

Eine besonders einfache Ausführungsform erhält man durch die im Anspruch 3 gekennzeichnete Weiterbildung, gemäß der jeder Ultraschall-Wandler gleichzeitig Sender und Empfänger ist.

Die Genauigkeit der erfindungsgemäß bereits sehr genauen Messung kann durch die Merkmale des Anspruchs 4 weiter verbessert werden, durch die Schwapp-Bewegungen oder dgl. von Flüssigkeiten in Tanks elliminiert werden.

Die im Anspruch 5 gekennzeichnete Ausbildung stellt sicher, daß in beiden Hohlleitern die gleichen Temperatur- und Druckbedingungen herr­ schen, so daß die Laufzeit von Ultraschall-Impulsen in beiden Hohl­ leitern gleich beeinflußt wird. Selbstverständlich ist es gemäß Anspruch 6 möglich, zusätzlich auch in an sich bekannter Weise in dem zweiten Hohlleiter eine Relfexionsmarke oder dgl. vorzusehen, durch die die Genauigkeit bei hohen Füllstands-Niveaus erhöht wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, daß die Steuereinheit und das in dem Behälter befindlichen Medium, beispielsweise eine brenn­ bare Flüssigkeit galvanisch getrennt sind. Damit kann die erfindungs­ gemäße Vorrichtung ohne besonderen Aufwand explosionssicher ausgelegt werden.

Diese Explosionssicherheit kann noch dadurch verstärkt werden, daß ein flexibler Hohlleiter verwendet und die Steuerelektronik im "Funken­ schatten" des Tanks angeordnet wird. Eine weitere Verbesserung der Explosionssicherheit erhält man durch den Einbau von Membranen, die elektrisch nicht leitend, aber die Ultraschallimpulse übertragen. Hierdurch wird auch eine vollständige galvanische Trennung zwischen Ultraschall-Wandler und Medium erreicht.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der zwei gleichartige Hohlleiter verwendet werden, hat aufgrund des erfindungsgemäß angewandten Dif­ ferenzmeßverfahrens den Vorteil, daß nahezu beliebig geformte Hohlleiter verwendet werden können. Insbesondere ist es möglich flexible Hohlleiter zu verwenden, die eine Anpassung auch an komplizierte Tankformen er­ möglichen (Anspruch 7).

Einen besonders einfachen Aufbau erhält man gemäß Anspruch 8, wenn man einen Schlauch als Hohlleiter verwendet. Dieser Schlauch kann beispiels­ weise gemäß Anspruch 9 ein handelsüblicher Teflonschlauch sein.

Dennoch erhält man, wenn das im Anspruch 11 gekennzeichnete Eich­ verfahren angewandt wird, ein sehr genaue Messung des Füllstands.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, in der zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, und

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Steuereinheit.

Die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung weist zwei gleichzeitig als Sender und Empfänger dienende Ultraschall-Wandler 1 bzw. 2 auf, an denen Ultraschall-Hohlleiter 3 und 4 angebracht sind. Der Ultraschall-Hohlleiter 3 dient als Referenz-Hohlleiter, d.h. er ist nicht mit dem Medium, beispielsweise einer Flüssigkeit, gefüllt. Der Ultraschall-Hohlleiter 4 dient als Meß-Hohlleiter, d.h. in ihm befindet sich das Medium entsprechend der Füllstandshöhe in dem Behälter, dessen Füllstand ermittelt werden soll. Hierzu weist der Meß-Hohlleiter 4 wenigstens einen Flüssigkeitseinlaß 8 auf, durch den das Medium bzw. die Flüssigkeit in das Innere des Ultraschall-Hohlleiters 4 eindringen kann.

Die beiden Hohlleiter 3 und 4 sind ferner über Querverbindungen 6 miteinander verbunden, die für einen Temperatur- und Druckangleich sowie für einen Gasaustausch sorgen.

In dem pauschal mit 5 bezeichneten Sensorkopf, der die Auswerte­ elektronik aufnimmt, ist ferner eine Lüftungsöffnung 11 mit einer Reflexions-Stufe für Ultraschall-Impulse vorgesehen. Diese Reflexions- Stufe dient als Kalibrierstrecke bei großen Füllständen, während bei niedrigen Füllständen, bei denen die Laufzeit der Ultraschall-Impulse durch eventuell längs der Ultraschall-Hohlleiter 3 und 4 vorhandene Temperatur- und/oder Druckgradienten beeinflußt wird, als Referenzimpuls zur Laufzeitbestimmung der am Boden des Ultraschall-Hohlleiters 3 reflektierte Ultraschall-Impuls herangezogen wird.

Als Hohlleiter kann beispielsweise ein Teflonschlauch verwendet. Typi­ scherweise hat der Teflonschlauch einen Innendurchmesser 8 mm. Mit einem derartigen Ultraschall-Hohlleiter lassen sich Meßstrecken von typischerweise 2 Metern mit einer Genauigkeit von 1 mm realisieren. Der Biegeradius des Hohlleiters beträgt bei einem Innendurchmesser von ca. 8 mm typischerweise minimal 6 cm.

Der Innendurchmesser des Hohlleiters wird dadurch bestimmt, daß sich bei einer hohen Oberflächenspannung zwischen dem Medium, dessen Füllstand bestimmt werden soll, und dem Material des Hohlleiters keine Tropfen bilden, die den Innendurchmesser des Hohlleiters verschließen können. Die Vermeidung von Tropfenbildung kann auch durch eine spezielle Be­ schichtung der Innenwand des Hohlleiters, in Abhängigkeit von den zu vermessenden Flüssigkeiten, erfolgen. Das Problem der Reflexion des Ultraschall-Impulses an kleinen an der Wandung anhaftenden Tröpfchen kann durch Erniedrigung der Frequenz von 200 kHz, wie sie beim Stand der Technik verwendet wird auf ca. 40 kHz vermieden werden. Hierdurch erhält man auch eine geringere Dämpfung der Helle durch die Biegung des Hohl­ leiters.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Steuereinheit.

Dabei sind gleiche Teile wie in Fig. 1 mit den selben Bezugszeichen bezeichnet. Ein Tank 12 ist mit einem Medium, beispielsweise einer Flüssigkeit 13 gefüllt, deren Füllstand bestimmt werden soll. Hierzu tauchen in den Tank 12 der Referenz-Hohlleiter 3 und der Meß-Hohlleiter 4 ein, in dem die Flüssigkeit mit dem gleichen Niveau wie im Tank steht.

Die Ultraschall-Wandler 3 bzw. 4 sind mit Ultraschall-Sendern 14 ₁ und 14 ₂ sowie Empfängern 15 ₁ und 15 ₂ verbunden, die die Ultraschall- Wandler zum Aussenden von Ultraschallwellen anregen bzw. die empfangenen Signale an eine Steuer- und Auswerteelektronik 16 anlegen, die die Zeitdifferenz zwischen dem vom Empfänger 15 ₁ und dem vom Empfänger 15 ₂ empfangenen Signal ermittelt. Aus der Zeitdiffernz kann dann - wie bereits beschrieben - der Füllstand im Behälter 12 berechnet werden.

Die Auswerteelektronik 16 weist ferner eine Schnittstelle 17 zu einem Steuerrechner 18 auf, der zum Eichen der Vorrichtung und zum Abspeichern der Eichwerte z.B. in Festwertspeichern angeschlossen werden kann.

Der Eichvorgang kann dabei beispielsweise folgendermaßen ablaufen:

Ein Flüssigkeitsgeber füllt den Behälter 12 bzw. das Behältersystem und liefert parallel eine der abgegebenen Flüssigkeitsmenge entsprechende Mengengröße an den Steuerrechner 18. Diese Mengengröße wird mit der ermittelten Laufzeitdifferenz korreliert und in der Steuerelektronik 17 beispielsweise in einem Festwertspeicher abgelegt. Damit ist bei einer Messung jederzeit einer Laufzeitdifferenz nicht nur eine Füllhöhe, sondern auch eine Füllmenge zuordenbar.

Damit ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur eine genaue Füllstandsmessung bei hohen Füllständen, sondern auch eine hochgenaue Füllstandsmessung bei nahezu leerem Behälter.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich aufgrund dieser Ausbildung insbesondere zur Messung in unregelmäßig geformten Behältern.

Vorstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens beschrieben worden, innerhalb dessen selbstverständlich die verschiedensten Modifikationen möglich sind:

Beispielsweise kann die Kalibrierstrecke auch durch ein in einem Ultra­ schall-Hohlleiter vorgesehene Reflexions-Marke oder dgl. gebildet werden. Ferner können die Ultraschall-Hohlleiter nahezu beliebige Querschnitte haben, die die Leitung von Ultraschall-Impulsen erlauben.

Auch können die Ultraschall-Hohlleiter zur Anpassung an komplexe Be­ hälterformen nicht nur gerade, sondern auch gekrümmt sein. Insbesondere bei gekrümmten Hohlleitern ist das vorstehend beschriebene Kali­ brierverfahren, mit dem einer Laufzeit eine Füllmenge zugeordnet werden kann, von besonderem Vorteil.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum kontinuierlichen Messen des Füllstands eines Mediums in einem Behälter, mit einem entsprechend dem Niveau des Mediums gefüllten Ultraschall-Hohlleiter, Ultraschall-Wandlern sowie einer Steuereinheit, die die Laufzeit von Impulsen bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem Ultraschall-Hohlleiter ein gleichartiger Ultraschall-Hohlleiter angeordnet ist, der ebenfalls in das Medium eintaucht, jedoch nicht mit dem Medium gefüllt ist, und daß die Steuereinheit die Laufzeitdifferenz zwischen der Laufzeit eines an der Medium-Oberfläche reflektierten Ultraschall-Impulses und einem an dem Boden des gleichartigen Ultraschall-Hohlleiters reflektierten Impulses erfaßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden der Hohlleiter ein Ultraschall-Wandler vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ultraschall-Wandler gleichzeitig Sender und Empfänger ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Füllstandsmessung von einem sich bewegenden Medium und insbesondere von sich bewegenden Flüssigkeiten die Steuer­ einheit über mehrere in kurzen Zeitabständen durchgeführte Messungen mittelt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hohlleiter gut wärmeleitend verbunden sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem gleichartigen Ultraschall-Hohlleiter zusätzlich wenigstens eine Ultraschall-Reflexionsmarke oder dgl. vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Hohlleiter flexibel sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Schlauch einen Hohlleiter bildet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Schlauchmaterial Teflon ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur galvanischen Trennung von Ultraschall-Wandlern und dem in dem Behälter befindlichen Medium wenigstens in dem mit Medium gefüllten Hohlleiter eine Membran oberhalb des höchsten Füllstand- Niveaus vorgesehen ist.

11. Verfahren zum Eichen einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium in den Behälter eingefüllt und in Korrelation zur Füllmenge die Laufzeitdifferenz des an der Oberfläche des im Hohlleiter befindlichen Mediums und des am Boden des gleichartigen Ultraschall-Hohlleiters reflektierten Impulses gemessen wird.