DE10103056A1

DE10103056A1 - Mengenmeßsystem und -sonde

Info

Publication number: DE10103056A1
Application number: DE10103056A
Authority: DE
Inventors: Harry Atkinson
Original assignee: Smiths Group PLC
Current assignee: ONTIC ENGINEERING & MANUFACTURING UK LTD., GB
Priority date: 2000-01-27
Filing date: 2001-01-24
Publication date: 2001-08-02
Also published as: GB0001746D0; GB2362468A; GB2362468B; FR2804506B1; GB0100362D0; US6598473B2; FR2804506A1; JP2001228010A; US20010010171A1

Abstract

Ein Flugzeug-Kraftstoffmengenmeßsystem weist eine Anzahl von Sonden 10 und 11 innerhalb eines Tanks 1 auf, um die Höhe des Kraftstoffs 2 an verschiedenen Orten zu messen. Jede Sonde 10 und 11 umfaßt ein Standrohr 12 und einen Ultraschallwandler 15 und 14, die auf der Oberseite und Unterseite des Standrohrs montiert sind. Der untere Wandler 14 sendet Impulse mit Schallenergie durch den Kraftstoff 2 nach oben zu seiner Oberfläche 3 und mißt die Zeit bis zum Zurücklaufen des reflektierten Impulses zum Wandler zurück. Dies wird verwendet, um einen ersten Meßwert der Kraftstoffhöhe von unten nach oben abzuleiten. Ebenso sendet der obere Wandler 15 Impulse durch Luft 4 nach unten zur Kraftstoffoberfläche 3, um einen zweiten Meßwert von oben nach unten abzuleiten. Diese werden verglichen, um den korrekten Betrieb der Sonden zu prüfen.

Description

Diese Erfindung betrifft Mengenmeßsysteme der Art mit einem ersten Sensor zum Ermitteln des Abstands einer Grenzfläche zwischen zwei Fluiden unter einem ersten Ort.

Die Erfindung betrifft Systeme und Verfahren zur Mengenmessung und insbesondere, aber nicht ausschließlich, Kraftstoffmeßsysteme und -verfahren.

Herkömmliche Kraftstoffmeßsysteme können einen Kapazitätssensor verwenden, der aus einer röhrenförmigen äußeren Elektrode und einer konzentrischen inneren Elektrode besteht. Der Sensor ist auf dem Boden des Kraftstofftanks nach oben stehend montiert, wobei die äußere Elektrode mit Kraftstoff auf derselben Höhe wie im Tank gefüllt ist. Die Kapazität zwischen den zwei Elektroden ändert sich, wenn sich der Kraftstoffpegel ändert, und durch Messen der Kapazität kann eine Angabe der Kraftstoffhöhe erhalten werden. Alternativ kann das System einen Ultraschallsensor verwenden, wobei ein Ultraschallwandler auf dem Boden des Tanks montiert ist. Der Wandler sendet Ultraschallimpulse nach oben durch den Kraftstoff hindurch zu seiner Grenzfläche mit dem Gas oberhalb des Kraftstoffs, wo die Impulse reflektiert werden. Durch Messen der Zeit, die es zwischen dem Senden eines Impulses und dem Empfang seiner Reflexion dauert, kann die Höhe des Kraftstoffs berechnet werden. Dies wird manchmal als Verfahren "von unten nach oben" bezeichnet. Gewöhnlich verwenden Ultraschallmesser dieser Art ein Standrohr, das heißt ein Rohr, in das die Schallimpulse eingeschränkt werden. Ultraschallmesser werden auch in einem Verfahren "von oben nach unten" verwendet, wo der Wandler über dem Pegel der gemessenen Substanz montiert ist und die Impulse durch Luft hindurch nach unten zur Oberfläche der Substanz übertragen werden, wo sie zum Wandler zurückreflektiert werden. Beispiele von Ultraschallmeßsystemen sind in GB 2311373, GB 2290141, GB 2270160, GB 2265005, GB 2265219 und GB 2340603 beschrieben.

Es gibt verschiedene Schwierigkeiten, die mit einer Ultraschall- oder Schall-Pegelmessung verbunden sind. Die Messungen können ungenau werden, wenn die Oberfläche der Flüssigkeit in irgendeiner Weise gestört ist, wie z. B. durch die Anwesenheit von Schaum, Wellen, oder wenn sie in einem Winkel liegt. Es ist wichtig, daß man feststellen kann, ob eine Messung einer Höhe von einem Sensor genau ist und ob der Sensor korrekt funktioniert oder nicht.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Mengenmeßsystem, eine Sonde und ein Verfahren bereitzustellen.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Mengenmeßsystem der vorstehend angegebenen Art bereitgestellt, dadurch gekennzeichnet, daß das System einen zweiten Sensor zum Ermitteln des Abstands der Grenzfläche über einem zweiten Ort und eine Verarbeitungseinheit zum Liefern einer Angabe der Menge von einem der Fluide gemäß den Ausgangssignalen der zwei Sensoren umfaßt.

Einer oder beide des ersten und des zweiten Sensors erzeugt vorzugsweise Impulse mit Schallenergie in Richtung der Grenzfläche. Der erste und der zweite Sensor können an entgegengesetzten Enden eines Standrohrs montiert sein. Der zweite Sensor kann kapazitive Elektroden umfassen. Alternativ kann der zweite Sensor einen Impuls mit Schallenergie nach oben in Richtung der Grenzfläche erzeugen, wobei der erste Sensor kapazitive Elektroden umfaßt. Der erste und der zweite Sensor können Impulse mit Schallenergie von entgegengesetzten Seiten in Richtung der Grenzfläche erzeugen, wobei das System zusätzlich kapazitive Elektroden zum Liefern einer Angabe der Position der Grenzfläche umfaßt. Die kapazitiven Elektroden sind vorzugsweise ein Paar von konzentrischen röhrenförmigen Elektroden, wobei der oder jeder Schallsensor zum Leiten eines Impulses mit Schallenergie entlang der Mitte der inneren Elektrode angeordnet ist. Die Verarbeitungseinheit kann zum Vergleichen der Ausgangssignale der zwei Sensoren eingerichtet sein, um festzustellen, ob das System genau arbeitet.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Mengenmeßsonde mit zwei Sensoren zum Liefern von separaten Angaben der Position einer Fluidgrenzfläche entlang der Sonde bereitgestellt.

Ein Flugzeug-Kraftstoffmeßsystem und -verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung werden nun anhand eines Beispiels mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in welchen gilt:

Fig. 1 zeigt das System schematisch; und

Fig. 2 bis 4 sind vereinfachte Schnittansichten von alternativen Sonden.

Mit Bezug zunächst auf Fig. 1 weist das System einen Tank 1, typischerweise mit einer unregelmäßigen Form, welcher Kraftstoff 2 enthält, auf. Die obere Oberfläche 3 des Kraftstoffs bildet eine Grenzfläche mit einem Volumen von Luft 4 oder einem anderen Gas über dem Kraftstoff. Der Tank 1 enthält zwei identische Kraftstoffmeßsonden 10 und 11, obwohl eine beliebige Anzahl von Sonden nach Bedarf entsprechend der Form des Tanks verwendet werden könnte.

Die Sonden 10 und 11 könnten von mehreren unterschiedlichen Arten sein, die in der Lage sind, die Position der Kraftstoffoberfläche von sowohl unter als auch über der Kraftstoffoberfläche zu messen. Im vorliegenden Beispiel weist jede Sonde ein Standrohr 12 in Form einer an ihrem unteren Ende 13 offenen Röhre auf, so daß sie mit Kraftstoff in derselben Höhe wie außerhalb der Sonde gefüllt ist. Jede Sonde 10 und 11 umfaßt auch zwei akustische Ultraschallsensoren oder -wandler, wobei sich ein Wandler 14 am unteren Ende 13 der Sonde befindet und sich der andere Wandler 15 am oberen Ende 16 der Sonde befindet. Der untere Wandler 14 ist in Kraftstoff 2 eingetaucht, außer wenn der Tank 1 leer ist, und leitet Impulse mit Schallenergie durch den Kraftstoff entlang des Inneren des Standrohrs 12 nach oben. Die Impulse werden aufgrund der unterschiedlichen Schallfortpflanzungseigenschaften des Kraftstoffs 2 und des Gases 4 durch die Kraftstoffoberfläche 3 nach unten zurückreflektiert. Dieser Wandler 14 liefert daher eine Messung "von unten nach oben". Der obere Wandler 15 liegt über der Kraftstoffoberfläche 3 frei, außer wenn der Tank 1 voll ist, und leitet Impulse mit Schallenergie durch das Gas 4 entlang des Inneren des Standrohrs 12 nach unten. Die Impulse werden durch die Kraftstoffoberfläche 3 nach oben zurückreflektiert. Der obere Wandler 15 liefert daher eine Messung "von oben nach unten". Es ist zu erkennen, daß die Impulse von den zwei Wandlern 14 und 15 typischerweise zu verschiedenen Zeiten übertragen werden oder verschiedene Frequenzen aufweisen, um eine Unterscheidung zu Signalen, die über die Grenzfläche übertragen werden könnten, zu ermöglichen.

Die Wandler 14 und 15 jeder Sonde 10 und 11 sind durch Kabel 20 mit einer Ansteuer- und Verarbeitungseinheit 21 verbunden. Die Verarbeitungseinheit 21 ermittelt die Höhe h des Kraftstoffs 2 über dem Ort des unteren Wandlers 14 und den Abstand d der Kraftstoffoberfläche 3 unter dem Ort des oberen Wandlers 15. Der Abstand H zwischen den Orten der zwei Wandler 14 und 15 ist bekannt, so daß der Prozessor den folgenden Vergleich durchführen kann:

H-t₁ < d + h < H + t₂

wobei t₁ und t₂ die zweckmäßigen Toleranzen sind.

Wenn der Vergleich zeigt, daß die Sonden 10 und 11 beide korrekt innerhalb der Toleranzen arbeiten, verwendet die Verarbeitungseinheit 21 die Angabe h der Höhe des Kraftstoffs 2 von den untergetauchten Wandlern 14 in jeder Sonde 10 und 11, um die Position der Kraftstoffoberfläche 3 zu ermitteln. Aus der Position der Kraftstoffoberfläche 3 und der bekannten Form des Tanks 1 berechnet die Verarbeitungseinheit 21 das Volumen des Kraftstoffs in üblicher Weise. Dieses Volumen wird gewöhnlich in eine Angabe der Masse umgewandelt und diese wird als Mengenangabe zu einer Anzeige oder einer anderen Verwendungsvorrichtung 22 geliefert.

Das Ausgangssignal der untergetauchten Wandler 14 liefert normalerweise eine bessere Angabe der Kraftstoffhöhe als jenes der freiliegenden Wandler 15, da die Schallenergie durch Flüssigkeit mit geringerer Dämpfung übertragen wird als durch Gas. In einigen Anwendungen könnte es jedoch bevorzugt sein, das Ausgangssignal des freiliegenden Wandlers vielmehr bei der eigentlichen Berechnung der Menge als einfach als Bestätigung des Ausgangssignals des untergetauchten Wandlers zu verwenden. Das Ausgangssignal des freiliegenden Wandlers könnte anstelle von jenem des untergetauchten Wandlers verwendet werden oder ein Mittelwert oder gewichtetes Mittel der zwei Ausgangssignale könnte verwendet werden.

Wenn die Verarbeitungseinheit 21 anzeigt, daß die Ausgangssignale der zwei Wandler nicht innerhalb der gebilligten Toleranzen liegen, zeigt sie einen Fehler an und kann die Kraftstoffmenge unter Verwendung von nur irgendwelchen verbleibenden korrekt arbeitenden Sonden berechnen. Wenn die Verarbeitungseinheit 21 feststellt, daß das Ausgangssignal des freiliegenden Wandlers 15 ein Ausgangssignal liefert, das mit höherer Wahrscheinlichkeit korrekt ist (wie z. B. durch Vergleich mit benachbarten Sonden oder mit vorherigen Ausgangssignalen aus der Sonde), kann sie zur Verwendung des Ausgangssignals des freiliegenden Wandlers 15 anstelle jenes des untergetauchten Wandlers 14 eingerichtet sein.

Es gibt viele Arten, in denen das System modifiziert werden könnte. Der obere und der untere Wandler müssen beispielsweise nicht in derselben Sonde montiert sein, sondern könnten sich in verschiedenen zueinander benachbarten Sonden befinden. Andere Sensoren, die Verfahren abseits von akustischen Verfahren anwenden, könnten verwendet werden, um eine oder beide der Messungen von oben nach unten oder von unten nach oben durchzuführen.

Mit Bezug auf Fig. 2 ist eine alternative Sonde 100 mit einem Sensor in Form von zwei konzentrischen röhrenförmigen kapazitiven Elektroden 101 und 102 und einem Ultraschallwandler 103, der am oberen Ende der inneren Elektrode montiert ist, um Schallimpulse entlang der Mitte der Elektrode zu leiten, dargestellt. Wenn sich der Pegel des Kraftstoffs 104 ändert, ändert sich die Kapazität zwischen der inneren und der äußeren Elektrode 101 und 102, was eine erste Ausgangsangabe der Kraftstoffhöhe liefert. Der Ultraschallwandler 103 leitet Impulse entlang des Inneren der inneren Elektrode 101 nach unten und liefert eine zweite, separate Angabe der Kraftstoffhöhe.

Fig. 3 zeigt eine Sonde 200 ähnlich der von Fig. 2, außer daß der Ultraschallwandler 203 auf der Unterseite der Sonde montiert ist, so daß er in Kraftstoff 204 eingetaucht ist, und Impulse innerhalb der inneren Elektrode 201 nach oben leitet. Wieder liefert diese Sonde zwei separate Angaben der Kraftstoffhöhe, wobei eine kapazitiv gewonnen wird und die andere akustisch gewonnen wird.

Die in Fig. 4 gezeigte Sonde 300 weist eine innere und eine äußere Elektrode 301 und 302 und zwei Ultraschallwandler 303 und 303' auf, die auf der Oberseite und Unterseite der inneren Elektrode montiert sind. Diese Sonde 300 kann für zusätzliche Unverfälschtheit drei separate Angaben der Kraftstoffhöhe liefern, nämlich eine kapazitive Angabe, eine akustische Angabe von unten nach oben und eine akustische Angabe von oben nach unten.

Obwohl ein akustisches Verfahren zum Messen der Position des Fluids von oben nach unten bevorzugt ist, könnten andere Verfahren, wie z. B. optische Verfahren, verwendet werden.

Es ist zu erkennen, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die Messung der Menge von Kraftstoff begrenzt ist, sondern zum Messen der Menge von irgendeinem anderen Fluid, einschließlich Pulvern, Granulatmaterialien, Pasten oder einem anderen fließfähigen Material, verwendet werden könnte. Sie könnte zum Messen der Mengen von zwei verschiedenen Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Dichten in einem Tank verwendet werden.

Claims

1. Mengenmeßsystem mit einem ersten Sensor (15, 103, 201 und 202, 303') zum Ermitteln des Abstands einer Grenzfläche (3) zwischen zwei Fluiden (2 und 4) unter einem ersten Ort, dadurch gekennzeichnet, daß das System einen zweiten Sensor (14, 101 und 102, 203, 303 und 301, 302) zum Ermitteln des Abstands der Grenzfläche (3) über einem zweiten Ort und eine Verarbeitungseinheit (21) zum Liefern einer Angabe der Menge von einem der Fluide (2, 104, 204, 304) gemäß den Ausgangssignalen der zwei Sensoren (15, 103, 201 und 202, 303' und 14, 101 und 102, 203, 303 und 301, 302) umfaßt.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Sensor (15, 103, 303') Impulse mit Schallenergie nach unten in Richtung der Grenzfläche (3) erzeugt.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Sensor (14, 203, 303) Impulse mit Schallenergie nach oben in Richtung der Grenzfläche (3) erzeugt.

4. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Sensor (15 und 14, 303 und 303') an entgegengesetzten Enden eines Standrohrs (12, 301) montiert sind.

5. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Sensor kapazitive Elektroden (101 und 102) umfaßt.

6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Sensor (203) einen Impuls mit Schallenergie nach oben in Richtung der Grenzfläche erzeugt und der erste Sensor kapazitive Elektroden (201 und 202) umfaßt.

7. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Sensor (303 und 303') Impulse mit Schallenergie von entgegengesetzten Seiten in Richtung der Grenzfläche erzeugen und daß das System außerdem kapazitive Elektroden (301 und 302) zum Liefern einer Angabe der Position der Grenzfläche umfaßt.

8. System nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitiven Elektroden ein Paar von konzentrischen röhrenförmigen Elektroden (101 und 102, 201 und 202, 301 und 302) sind und daß der oder jeder Schallsensor (103, 203, 303 und 303') angeordnet ist, um einen Impuls mit Schallenergie entlang der Mitte der inneren Elektrode (101, 201, 301) zu leiten.

9. Mengenmeßsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinheit (21) zum Vergleichen der Ausgangssignale der zwei Sensoren angeordnet ist, um festzustellen, ob das System genau arbeitet.

10. Mengenmeßsonde (10, 11, 100, 200, 300), dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (10, 11, 100, 200, 300) zwei Sensoren (14 und 15, 103 und 101, 102, 203 und 201, 202, 303 und 303' und 301, 302) zum Liefern von separaten Angaben der Position einer Fluidgrenzfläche (3) entlang der Sonde umfaßt.