CN104204765A - 数字密度计及流体度量系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于流体度量系统的数字密度计，包括：频率检测装置，其被配置为设置在流体罐内，其中由频率检测装置检测的频率指示流体罐内的流体密度；频率检测电路，其被配置为从频率检测装置获得频率并以数字形式输出频率；以及用于与电子控制器数字通信的接口，该数字通信包括用于电子控制器的频率的数字形式的传输。

Description

数字密度计及流体度量系统
相关申请的交叉引用
本申请要求当前未决的2012年3月21日提交的美国临时申请号No.61/613,762，以及当前未决的2013年3月15日提交的美国临时申请号No.61/791,120的权益，其两者通过引用并入本文，如同在此全部描述。
技术领域
本公开一般涉及流体度量系统及方法，包括用于确定与燃料罐，诸如飞机燃料罐相关联的燃料密度的燃料度量系统及方法。
背景技术
通常，确定或估计飞机燃料罐中的燃料密度，除此以外，以便确定飞机上的总燃料质量。采用美国联邦法规第14篇第25部分(14C.F.R.Part25)的飞机，燃料量可以按照质量而非体积来显示，因为燃料质量不随着温度变化，并且罐中可用能量的量与罐中的燃料质量成比例。因为密度计相比在燃料罐内侧的其它度量部件在传统上昂贵、沉重并且有时候不可靠，一些飞机燃料量度量系统可能仅基于燃料介电常数和/或燃料温度来推断燃料密度。在一些没有密度计的系统中，密度确定可能是燃料度量误差中的最大来源。
此外，一些根据与燃料接触的结构的谐振频率来测量密度的传统密度计包括振动卷轴(Vibrating spool)。已经采用振动卷轴式密度计用于大超过150位乘客的14C.F.R.Part25的运输工具。可进行该振动卷轴的操作并从得到的数据进行相应的密度计算。
应注意的是，振动卷轴密度计最初针对地基石油应用开发，随后被采用用于飞机燃料度量。在美国专利号No.4,802,360、4,546,641、4,495,818及4,215,566中描述了用于飞机的振动卷轴密度计，其全部通过引用并入本文，如同在此全部详述。
因此，可期望提供高度精确的燃料量度量系统，该度量系统尤其可以测量燃料密度并提高度量精度。
发明内容
流体度量系统的数字密度计的实施例可包括：频率检测装置，其被配置为设置在流体罐内，其中由频率检测装置检测的频率指示流体罐内的流体密度；频率检测电路，其被配置为从频率检测装置获得频率；模拟数字转换器，其被配置为将频率转换成数字形式；以及用于与电子控制器进行数字通信的接口，数字通信包括用于电子控制器的频率的数字形式的传输。流体度量系统的混合数字密度计的实施例可包括：频率检测装置，其设置在流体罐中，其中由频率检测装置检测的频率指示流体罐中的流体密度；计算机可读存储器，其被配置用于存储频率检测装置的相应密度校准系数；用于与电子控制器进行通信的接口，该通信包括密度校准系数与频率；以及开关，其被配置为将接口与频率检测装置或与计算机可读存储器选择性电耦接。
数字密度计系统的实施例可包括：频率检测装置，其设置在流体罐内，其中由频率检测装置检测的频率指示流体罐内的流体密度；频率检测电路，被配置为从频率检测装置获得频率；模拟数字转换器，被配置为将频率转化为数字形式；以及电子控制器，其设置在流体罐外侧，并被配置为接收数字形式的频率以及根据频率确定流体罐内的流体密度。
通过阅读以下说明及权利要求并参阅附图，本公开的前述与其它方面、特征、细节、应用及优点将变得显而易见。
附图说明
被包括以提供本发明的进一步理解并且并入并构成本说明一部分的附图与详细说明一起阐明本发明的实施例，用于解释本发明构思的各个方面和特征。在附图中：
图1一般示出具有数字密度计的燃料度量系统的实施例的方框图；
图2一般示出具有数字密度计的燃料度量系统的另一实施例的方框图；
图3一般示出具有数字密度计的燃料度量系统的另一实施例的方框图。
具体实施方式
现将详细参考本公开的实施例，本公开的示例在本文描述并在附图中说明。然而将结合实施例描述本发明，应理解这些实施例不旨在将本公开限制为这些实施例。相反，本公开旨在覆盖可包括在本公开的精神和范围内的替代、修改及等效。
所包括的附图一般说明改进的流体度量系统的两个实施例。更具体且没有限制地，图1与图2一般示出数字密度计(其可以被称为“纯”数字密度计)的实施例。图3一般示出具有远程驱动器的数字密度计(其可被称为“混合”数字密度计)。虽然可在飞机燃料度量的环境中讨论实施例，但本公开用于说明和解释目的，并且不应被解释为实质限制。本领域技术人员将理解的是，在此公开的实施例的各方面可应用于期望确定与容器或罐中的流体相关联的参数的许多液体度量应用中。
图1一般示出数字密度计系统10，其包括设置在燃料罐内的纯数字密度计12的实施例。数字密度计12通过电子通信接口16与设置在罐外部的外部电子控制器14(例如计算机或可编程逻辑控制器)耦接。在实施例中，数字密度计12可包括电源电压调节器18、非易失性计算机可读存储器20、温度传感器22、频率检测电路23和频率检测装置28，其中频率检测电路23包括频率计数器24及驱动与监测电路26。
频率检测装置28可包括被配置成在流体中振动的结构或可与其耦接。可确定并监测该结构的谐振频率以确定流体密度，其中该结构的谐振频率与在其中放置该结构的流体密度对应或与其相关联。频率检测装置28在实施例中可包括振动卷轴。在其它实施例中，频率检测装置28可包括包含频率读数的其它形式的密度计，该其它形式的密度计包括但不限于振动盘(Vibrating disk)及音叉式密度计。可采用或配置密度计12(以及在此描述的其它部件)用于任意类型的运载工具(飞机、火箭、地面车辆等)中的任意类型流体罐(例如燃料、油、液压、水等)，或者甚至是任意类型的地面/固定存储罐。
频率检测电路23可类似于与传统密度计连接提供的频率检测电路。如所知的，驱动与监测电路26可驱动频率检测装置28(即，导致频率检测装置的一个或多个部件或结构振动)以及可监测频率检测装置28以生成指示频率检测装置28的振动频率的模拟信号。驱动与监测电路26可类似于传统密度计的驱动与监测电路，并且可类似于如上所引用的与美国专利号No.4,802,360和/或4,996,656关联示出和描述的驱动与监测电路，其通过引用并入本文如同在此完全陈述，并且其两者解决在长线长度上驱动卷轴。频率计数器24可接受该模拟信号并输出指示由频率检测装置28检测的频率的数字信号。在实施例中，频率计数器24可参考时钟(即，图1所示的4MHz的谐振器)对模拟信号的脉冲计数，从而确定频率检测装置28的频率。
频率计数器24可在内部通信接口30上输出数字信号，该内部通信接口30可包括数字数据总线(例如I2C总线)32、EMI/边缘电路34以及连接器36。在实施例中，连接器36可具有采用通信接口16的4个引脚(即4电线)连接。
存储器20可以是或可包含电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)或其它已知的存储器类型。存储器20可被配置为存储频率检测装置28相应的校准系数、频率检测装置28相应的配置标识符和/或其它数据。所有这些数据可由电子控制器14在数字数据总线32上从存储器20读取。
在实施例中，可在独立集成电路(IC)上提供温度传感器22，即可以是专用温度传感器22。温度传感器22可包括在本领域中已知的一个或多个传感器或其它部件。与存储器20一样，温度传感器22可被配置用于在数字数据总线32上与电子控制器14通信。
数字数据总线32可包括类似于数字探针总线的改进数字总线(例如I2C总线)，并进一步可采用类似的四电线接口以用于从存储器20读取、从温度传感器22读取，以及用于频率检测装置28相应的频率通信(以数字形式)。在实施例中，数字数据总线32可与数字探针总线组合。为了该组合，可修改电源，因为驱动与监测电路26可在12V吸收12mA，而数字探针电源可以是具有12mA电流限制的4.75V。采用本公开的实施例，在流体罐内侧，密度计12不需要板载微处理器、可编程逻辑装置(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程硬件。进一步地，与数字探针相反，密度计12不需要提供数字寻址的内部多工器。关于用于在类似环境下使用的系统的公共或类似相关部件的额外公开包括但不限于，在2009年4月3日提交的美国专利申请序列号No.12/418,172(公开为美国专利号No.8,281,655)中包括的到数字形式的信号转换以及在诸如探针总线的数字总线上的通信，其通过引用并入本文如同在此全部陈述。
在实施例中，如果适用，存储器20、温度传感器22及频率检测电路23都可具有唯一指定的地址(例如I2C地址)或子地址，该地址对于任意数字探针同样唯一。因此，根据本公开的装置和系统不需要多工器，正如同传统数字探针。
电子控制器14可与纯数字密度计12电耦接，被配置为向纯数字密度计12提供电力并与其通信。电子控制器14可被配置为接收数据，诸如例如但不限于，频率检测装置28的频率(以数字形式)、频率检测装置28相应的校准参数(例如存储在存储器20中)，以及来自温度传感器22的温度。根据频率及校准参数，电子控制器14可确定罐中的流体密度。
与已知的密度计相比，纯数字密度计12可通过仅需4电线连接来简化与电子控制器14的接口16，已知的密度计在控制器和密度计之间需要多达8条线用于供电和模拟通信。此外，纯数字密度计12可以不需要屏蔽罐线束，因为接口16可不需要屏蔽充分操作。
图2示出包括纯数字密度计12’的替代实施例的数字密度计系统10’。图2的密度计12’与图1的密度计12基本上相同(并呈现相同的优点)，除了图2的密度计12’包括与频率计数器24’集成的温度传感器22’—即可在相同的IC上提供频率计数器24’与温度传感器22’。
图3中一般示出包括混合密度计42的实施例的数字密度计系统40。与在此公开的纯数字密度计12、12’相比，图示的混合密度计42从流体罐移除负责驱动与监测频率检测装置28以及用于计数、确定和/或数字化所得频率的电路。因此，混合密度计42可被配置为设置于流体罐内，并可包括频率检测装置28、非易失性计算机可读存储器20、温度传感器22、电源电压调节器18及EMI/边缘电路34。混合密度计42可与设置于流体罐外侧的电子控制器44电耦接。
频率检测装置28、温度传感器22及存储器20可包括关于纯数字密度计12、12’基本上如上所述的部件及功能。在混合数字密度计42中，频率检测装置28、温度传感器22及存储器20可通过分别设置在电子控制器44与密度计42上的补充开关46EC与46D(并且其可共同或单独被简称为开关46)与电子控制器44选择性电耦接。开关46例如可包括固态开关。在第一状态，开关46可经由数字数据总线48将存储器20和温度传感器22与电子控制器44电耦接，并且在第二状态，开关46可经由模拟连接50将频率检测装置28与电子控制器44电耦接。
在实施例中，电子控制器44可包括上文提及的开关46EC中的一个、驱动与监测电路46和微处理器52。驱动与监测电路26可包括基本上如上文所述的部件与功能。
在实施例中，微处理器52可被配置为接收指示频率检测装置28的频率的来自驱动与监测电路26的模拟信号以及包括在数字数据总线48上传送的通信的数字信号。在实施例中，微处理器52可包括频率计数器以基于来自驱动与监测电路26的模拟信号来确定频率，或者是可被设置在驱动与监测电路26与微处理器52之间的频率计数器。微处理器52可包括关于图1与图2的电子控制器14基本上如上所述的编程与功能。
继续参考图3，在实施例中，开关46可允许电子控制器44驱动/监测频率检测装置28的频率，或者例如取决于由电子控制器44在GPIO端口处选择的开关位置来读取温度和校准系数。如图3所示，当开关46在第一状态时，电子控制器44可在上电时在数字数据总线48上读取存储器20，并且例如确定是否是具有校准参数的数字密度计，并且同样从温度传感器22读取温度。如果是数字密度计，则电子控制器44可激励或激活开关46至第二状态，使得驱动与监测电路26可被直接用于确定频率检测装置28的频率。
与公开的系统10、10’、40相关联的密度计12、12’、42的实施例可提供大量有利特征。例如，在此公开的密度计可不使用微处理器或自定义代码的微型部件(诸如PLD，FPGA或专用集成电路(ASIC))提供数字信号输出，可提供在密度计上的校准数据的数字存储，使得可通过接口连接的电子控制器以数字读取数据以然后再计算流体密度，并且可提供在密度计处的数字温度数据，使得可通过接口连接电子控制以数字读取数据。在此公开的密度计与系统还可有利地由电子控制器在不同/远程位置处以数字寻址，在不同/远程位置处向电子控制器提供数字校准和/或配置识别，并且在燃料罐中与数字探针共享一组公共线(至少关于所公开的“纯”密度计)。这样的数字探针可在如上引用的美国专利号No.8,281,655中找到。
可由根据本公开的实施例提供许多潜在益处。例如，可在飞机中提供简化线束，例如包括在燃料罐中，在密度计与电子控制器(例如燃料度量计算机/PLC)之间。典型的传统密度计使用8条屏蔽线来读取密度计(2条用于驱动传感器头，2条用于监测传感器头，4条用于读取自定义选择的电阻器，这些电阻器代表每个生产的传感器唯一的校准系数K0与K2)。所公开密度计的实施例可在燃料罐中仅使用4条未屏蔽的线(与数字探针类似)。然而，应注意诸如图3所示，对于“混合”密度计，取决于需求和期望结果(其可由EMI测试部分确定)可需要或期望屏蔽4条线。
根据本公开的实施例可提供的其它优点为在密度计处的温度读数。传统的密度计一般缺少温度传感器。增加这样的传感器通常将在线束上增加两条或更多电线。采用所公开的实施例，数字数据总线的使用允许在密度计处读取温度，例如通过建在模拟数字转换电路内的温度传感器或通过专用I2C温度传感器(诸如ADT7410)。包括温度传感器允许在密度计处的温度经由分离温度传感器或作为数字探针(例如Digital ProbeTM)固有的温度传感器与在罐中各种位置处的温度相比较。
由根据本公开的实施例可提供的其它优点为改进的数字接口。使用数字接口(诸如I2C)与寻址允许密度计与数字探针共享电子控制器内部的电路。除此之外，这可以减小在计算机的复杂度(例如在纯数字和混合数字密度计两者的实施例中)并且允许总线电线(例如I2C总线)与数字探针共享(例如在纯数字密度计实施例中)。
可通过根据本公开的实施例提供的其它优点为安装时功能测试的促进。已经注意到振动卷轴不可以在空气中持续振荡。一些从生产线上随机下线的振动卷轴有能力这样做，但其它的振动卷轴不能。由于头可能不能在空气(空气点)中可靠振动，所以测试密度计安装正确是个挑战，尤其在密度计与电子控制器之间的线束正确安装的情况下(例如密度计从电子控制器接收电力并且可传送回去)。所公开的密度计的实施例提供这样的能力，因为在不考虑卷轴是否接触到振荡点与否，就可发生数字通信。
通过根据本公开的实施例可提供的其它优点为抗电磁干扰(EMI)。诸如那些所公开的数字接口可以抗EMI。
通过根据本公开的实施例可提供的其它优点为简化的信号驱动。例如在纯数字密度计的实施例中，包括数字接口能简化并能解决在长电线长度上驱动密度计的挑战。
通过根据本公开的实施例可提供的其它优点为数字校准系数。振动式密度计传感器头一般都需要单独校准以帮助确保精度。得到的校准系数(例如K0和K2)一般传递给处理电子装置以确定燃料密度。在实施例中，可针对校准系数提供电阻器作为在此公开的计算机可读存储器的替代。可根据如上所引用的美国专利号No.4,802,360的公开包括这种基于电阻器的校准系数。可单独选择电阻器以代表校准系数，并可与频率检测装置永久配对以由电子控制器读取。在运行前这一般需要在计算机和密度计之间的线束中的额外专用电线。
虽然已参考附图在此详细描述了本发明的特定实施例，但是应理解本发明不限于这些特定实施例，并且在不偏离如在所附权利要求中限定的本发明的范围或精神的情况下，可由本领域技术人员在其中作出各种改变和修改。

Claims (20)

1.一种数字密度计，用于流体度量系统，该密度计包括：
频率检测装置，其被配置为设置在流体罐内，其中由所述频率检测装置检测的频率指示在所述流体罐内的流体密度；
频率检测电路，其被配置为设置在所述流体罐内，从所述频率检测装置获得所述频率并且以数字形式输出所述频率；
用于与电子控制器数字通信的接口，所述数字通信包括所述电子控制器的频率的数字形式的传输。
2.如权利要求1所述的数字密度计，其中所述接口被配置用于在I2C总线上的通信。
3.如权利要求1所述的数字密度计，进一步包括温度传感器。
4.如权利要求3所述的数字密度计，其中所述温度传感器包括集成电路，所述集成电路与所述频率检测电路及模拟数字转换器分离。
5.如权利要求3所述的数字密度计，其中所述温度传感器集成在所述模拟数字转换器中。
6.如权利要求1所述的数字密度计，其中所述频率检测装置包括振动卷轴。
7.如权利要求1所述的数字密度计，其中所述频率检测装置包括振动盘。
8.如权利要求1所述的数字密度计，其中所述频率检测装置包括音叉。
9.如权利要求1所述的数字密度计，其中所述频率检测装置被配置为检测与所述流体罐中与流体接触的结构的谐振频率。
10.如权利要求1所述的数字密度计，其中所述接口包括四电线连接器。
11.如权利要求1所述的数字密度计，进一步包括计算机可读存储器，其被配置为存储所述频率检测装置相应的密度校准系数，其中所述数字通信进一步包括所述电子控制器的所述密度校准系数的传输。
12.如权利要求11所述的数字密度计，其中所述存储器被配置为设置在所述流体罐内侧。
13.一种混合数字密度计，用于流体度量系统，该密度计包括：
频率检测装置，其设置于流体罐内，其中由所述频率检测装置检测的频率指示在所述流体罐内的流体密度；
计算机可读存储器，其被配置为存储所述频率检测装置相应的密度校准系数；
用于与电子控制器通信的接口，所述通信包括所述密度校准系数与所述频率；以及
开关，其被配置为将所述接口与所述频率检测装置或与所述计算机可读存储器选择性电耦接。
14.如权利要求13所述的混合数字密度计，进一步包括温度传感器，其中固态开关被配置为将所述接口与所述频率检测装置或与所述计算机可读存储器以及所述温度传感器选择性电耦接。
15.如权利要求13所述的混合数字密度计，其中所述密度计被配置为设置于所述流体罐内侧。
16.如权利要求13所述的混合数字密度计，其中所述接口被配置为用于与设置在所述流体罐外侧的频率检测电路电耦接，被配置为从所述频率检测装置和设置在所述流体罐外侧的模拟数字转换器获得所述频率，并被配置为将所述频率转换成数字形式。
17.一种数字密度计系统，包括：
频率检测装置，其设置在流体罐内部，其中由所述频率检测装置检测的频率指示所述流体罐内的流体密度；
频率检测电路，其被配置为从所述频率检测装置获得所述频率以数字形式输出所述频率；以及
电子控制器，设置在所述流体罐外侧，被配置为接收所述频率以及根据所述频率确定在所述流体罐内的流体密度。
18.如权利要求17所述的数字密度计系统，其中所述频率检测电路设置在所述流体罐内。
19.如权利要求17所述的数字密度计系统，进一步包括计算机可读存储器，其设置在所述流体罐内并被配置为存储所述频率检测装置相应的密度校准系数。
20.如权利要求19所述的数字密度计系统，其中所述电子控制器被配置为根据所述频率并根据所述密度校准系数确定所述流体罐内的流体密度。
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