DE10138360A1 - Füllstandsmesssystem - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Füllstandsmesssystem, umfassend mindestens ein Resonatorelement (3a, 3b), das zumindest einen Teil einer Außenwand (3) eines flüssigkeitsdichten Gehäuses (2) bildet; mindestens ein Aktuatorelement (5, 6), das an dem mindestens einen Resonatorelement (3a, 3b) in Richtung Gehäuseinnenseite weisend angeordnet ist, und welches das Resonatorelement (3a, 3b) in mechanische Eigenschwingungen versetzt; und wobei das Füllstandsmesssystem (1) derart in eine sich in einem Vorratsbehälter (10) befindenden Flüssigkeit (11) eintauchbar ist, dass sich die Resonanzfrequenz des Resonatorelements (3a, 3b) in Abhängigkeit der Benetzungshöhe des Resonatorelements (3a, 3b) durch die Flüssigkeit (11) ändert.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Füllstandsmesssystem, insbesondere zur Messung der Füllstandshöhe in einem Flüssigkeitstreibstofftank.
• Es sind zahlreiche Messvorrichtungen zum Bestimmen der Flüssigkeitshöhe in einem Tank bekannt, die beispielsweise auf mechanischen oder optischen Messverfahren basieren. Daneben kommen auch üblicherweise Ultraschallmessverfahren zum Einsatz.
• Bei den mechanischen Verfahren wird in der Regel eine Schwimmeranordnung zur Füllstandsanzeige des Tankes gewählt, wie das z. B. in DE 199 26 529 C1 beschrieben ist. Die Tauglichkeit derartiger mechanischer Systeme ist jedoch insbesondere beim Auftreten von Querbeschleunigungen begrenzt.
• Bei den optischen Verfahren wird z. B. die Laufzeitdifferenz eines optisch erzeugten Signals verwendet, um auf die Füllstandshöhe zurückzuschließen. Anstelle der optisch erzeugten Signale können auch mittels piezoelektrischer Elemente erzeugte akustische Wellen für eine derartige Messung verwendet werden. Dies ist beispielsweise in WO 98/04889 beschrieben. Weitere Ultraschall-Nachweiseinrichtungen, die ebenso auf einer Reflexion von Schallwellen basieren, sind z. B. in DE 301 74 465 A1 aufgeführt.
• Ferner ist in DE 33 19 001 C2 ein mit Flüssigkeitströpfchen arbeitendes Schreibgerät offenbart, bei dem gleichzeitig eine Erfassung des Schreibflüssigkeitsstandes erfolgt. Zum Ausstoßen der Flüssigkeitströpfchen ist ein kammartiger piezoelektrischer Wandler mit einzelnen Wandlerzähnen vorgesehen, die bei gefülltem Schreibgerät in die Schreibflüssigkeit eintauchen und bei elektrischer Spannungsänderung durch eine piezoelektrisch erzeugte Bewegung Flüssigkeitströpfchen ausstoßen. An dem Wandler ist ein zusätzlicher Wandlerzahn vorgesehen, der ebenso in die Schreibflüssigkeit eintaucht und zur Messung der Füllstandshöhe dient. Dieser zusätzliche Wandlerzahn beeinflusst die Frequenz in einem elektrischen Schwingkreis derart, dass die Frequenzänderung beim Absinken der Flüssigkeit zur Erzeugung eines Flüssigkeitsstandssignals ausnutzt wird.
• Das Problem bei den bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen liegt darin, dass sie zwar für ruhende Systeme gut geeignet sind und genaue Messwerte liefern, aber in bewegten oder beschleunigten Systemen kaum oder gar nicht verwendbar sind. Sobald die Flüssigkeitsoberfläche in Bewegung kommt, was sich z. B. durch ein Schwappen der Flüssigkeit oder durch Wellenbildung auf der Flüssigkeitsoberfläche zeigt, liefern die bekannten Messanordnungen lediglich ungenaue Werte. Dies bedeutet, dass derartige bekannte Anordnungen nicht einsetzbar sind, wenn stake Beschleunigungen auf einen mit Flüssigkeit gefüllten Tank oder Vorratsbehälter einwirken. Dabei ist es unerheblich, ob die Beschleunigung in Längs- und/oder Querrichtung erfolgt. Ähnliche Probleme treten auf, wenn auf den mit Flüssigkeit gefüllten Vorratsbehälter Vibrationen einwirken.
• Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen von Füllständen in einem Vorratsbehälter zu schaffen, die auch dann verwendbar ist und eine zuverlässige Messung liefert, wenn auf den Vorratsbehälter Beschleunigungskräfte und/oder Vibrationen einwirken.
• Die Aufgabe wird durch ein Füllstandsmesssystem gelöst, dass erfindungsgemäß mindestens ein Resonatorelement, das zumindest teilweise die Außenwand eines Gehäuses bildet, sowie mindestens ein Aktuatorelement aufweist, das an dem mindestens einen Resonatorelement in Richtung Gehäuseinnenseite weisend angeordnet ist, und welches das Resonatorelement in mechanische Eigenschwingungen versetzt, wobei das Füllstandsmesssystem derart in eine sich in einem Vorratsbehälter befindenden Flüssigkeit eintauchbar ist, dass sich die Resonanzfrequenz des Resonatorelements in Abhängigkeit der Benetzungshöhe des Resonatorelements durch die Flüssigkeit ändert.
• Das erfindungsgemäße Füllstandsmesssystem hat den Vorteil, dass es unabhängig von einer Bewegung der Flüssigkeit universell einsetzbar ist, und auch bei starker Bewegung oder schwappender Flüssigkeitsoberfläche eine genaue Aussage über die Füllstandshöhe in einem Vorratsbehälter angibt. Durch ein Anbringen der Aktuatorelemente auf der Innenseite der Resonatorelemente, d. h. auf der in Richtung Gehäuseinnerem weisenden Seite, werden die Aktuatorelement wirksam vor einem Kontakt mit der Flüssigkeit geschützt. Damit ist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch dann einsetzbar, wenn die Füllstandshöhe von brennbaren oder chemisch aggressiven Flüssigkeiten zu bestimmen ist.
• Zweckmäßig ist hierbei, dass das Gehäuse aus einer im wesentlichen zylindrischen Außenwand besteht, die durch einen Deckelbereich sowie einen Bodenbereich - wenn möglich flüssigkeitsdicht - abgeschlossen ist. Durch das Abdichten wird erreicht, dass beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung keine Flüssigkeit ins Innere des Gehäuses eindringt. Dies ist von Vorteil, da somit die im Inneren des Gehäuses angeordneten Komponenten (z. B. Aktuatorelemente, Leitungen, Elektronik etc.) vor einem schädlichen Einwirken der Flüssigkeit wirksam geschützt sind. Dadurch ist die Vorrichtung nahezu verschleißfrei.
• Besonders vorteilhaft ist es, wenn das in der Außenwand des Gehäuses vorgesehene mindestens eine Resonatorelement membranförmig ausgebildet ist, wobei die Membran aus hartelastischem Material, vorzugsweise aus medienbeständigem Stahlwerkstoff besteht und eine Dicke von 0,1 bis 1 mm aufweist. Dadurch wird einerseits eine ausreichende Stabilität erzielt, andererseits sind derartige membranförmige Resonatorelemente zur Ausführung von mechanischen Eigenschwingungen besonders gut geeignet.
• Es ist ferner zweckmäßig, wenn die Außenwand einen elektrisch leitenden Ring aufweist. Dieser Ring dient sowohl der Halterung des membranförmigen mindestens einen Resonatorelements als auch der Kontaktierung der Aktuatorelemente, so dass ein einfacher Aufbau sowie eine zuverlässige Kontaktierung erzielt wird.
• Es ist besonders vorteilhaft, dass das Aktuatorelement aus einer piezoelektrischen Keramik besteht, die mittels Aufkleben, Sputtern oder dergleichen an dem Aktuatorelement angebracht ist. Derartige piezoelektrische Elemente sind zum Anregen des mindestens einen Resonatorelements besonders gut geeignet und dienen gleichzeitig zum Erfassen einer Resonanzfrequenzänderung. Dabei weist die piezoelektrische Keramik geringe Abmessungen auf, was zu einer platzsparenden und handlichen Ausführungsform führt.
• Daneben ist es vorteilhaft im Inneren des Gehäuses einen separaten Innenraum vorzusehen, in dem eine Auswerte-/Steuerelektronik angeordnet ist. Dadurch wird die Elektronik geschützt und abgeschirmt. Zudem kann die Elektronik durch Austauschen des gesamten Innenraums im Bedarfsfall leicht ausgewechselt werden. Auch der Zusammenbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird auf diese Weise durch Zusammenfügen entsprechender Komponenten erleichtert.
• Es ist ferner von Vorteil, dass die Auswerte-/Steuerelektronik über innerhalb des Gehäuses verlaufende Leitungen mit dem mindestens einen Aktuatorelement sowie über eine weitere Leitung mit einer außerhalb des Gehäuses angeordneten Strom- /Spannungsversorgung verbunden ist. Somit besteht nur eine einzige nach außen führende Leitung. Gleichzeitig sind die Zuleitungen für die Aktuatorelemente geschützt, so dass einer Beschädigung wirksam vorgebeugt wird.
• Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es ferner zweckmäßig, dass die Auswerte- /Steuerelektronik das mindestens eine Aktuatorelement anregt, dass das mindestens eine Aktuatorelement eine Resonanzfrequenzänderung des mindestens einen Resonatorelements erfasst und an die Auswerte-/Steuereinheit weiterleitet, so dass die Auswerte-/Steuerelektronik ein von der Füllstandshöhe abhängiges Messsignal ausgibt.
• Vorzugsweise wird des Füllstandsmesssystems zur Messung der Füllstandshöhe in einem Fahrzeug-, Flugzeug- oder Raumfahrzeugvorratsbehälter, insbesondere zur Messung des Füllstandes eines Flüssigkeitstreibstofftankes verwendet.
• Im folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Abbildungen in näheren Einzelheiten erläutert. In denen zeigt:
• Fig. 1 einen schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
• Fig. 2 schematisch die Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung.
• Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Füllstandsmesssystems 1. Das Füllstandsmesssystem 1 umfasst ein Gehäuse 2, das eine Außenwand 3, einen Deckelbereich 4a sowie einen Bodenbereich 4b aufweist. Das Gehäuse 2 ist vorzugsweise dosenförmig ausgestaltet. Es kann aber auch eine eckige oder eine beliebig andere Form gewählt werden. Der Bodenbereich 3b sowie der Deckelbereich 3a sind beispielsweise aus Stahl hergestellt und schließen die vorzugsweise zylindrisch ausgebildete Außenwand 3 derart ab, dass in das Innere des Gehäuses 2 keine Flüssigkeit eindringt. Die Außenwand 3 des Gehäuses 2 ist dabei derart ausgebildet, dass zumindest ein Teilbereich der Außenwand 3 als mechanisches Resonatorelement dient. Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsform weist zwei membranförmig ausgebildete Resonatorelemente auf, die mit Bezugsziffern 3a bzw. 3b bezeichnet sind. Selbstverständlich kann die Außenwand 3 auch als Ganzes membranförmig ausgebildet sein oder eine Vielzahl von membranförmigen Bereichen aufweisen. Die Membran besteht typischerweise aus hartelastischem Material, vorzugsweise aus medienbeständigem Stahlwerkstoff und weist eine Dicke von typischerweise 0,1 bis 1 mm auf. Sie ist also derart ausgestaltet, dass eine ausreichende Stabilität der Außenwand als auch ausreichende Flexibilität für die Schwingungsbewegung gewährleistet ist.
• Auf der Innenseite der in Fig. 1 schematisch dargestellten mechanischen Resonatorelemente 3a bzw. 3b, d. h. auf der in Richtung Gehäuseinnerem weisenden Seite, sind jeweils Aktuatorelemente angeordnet, die mit Bezugsziffern 5 und 6 bezeichnet sind. Die Aktuatorelemente 5, 6 bestehen aus einer piezoelektrischen Keramik und sind z. B. mittels Aufkleben auf den mechanischen Resonatoren aufgebracht. Alternative kann das piezoelektrische Material in Form einer dünnen Schicht auf die Innenseite der membranförmig ausgebildeten Resonatorelemente 3a, 3b aufgedampft oder aufgesputtert sein. Selbstverständlich können auch andere geeignete Anbringungsarten verwendet werden.
• Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann das dösenförmige Gehäuse bzw. die im wesentlichen zylindrische Außenwand 3 auch durch einen Ring (nicht dargestellt) mit zwei Membranen aufgebildet sein. Der Ring dient dabei nicht nur zum Befestigen der Membran sondern auch zur vereinfachten Kontaktierung der Elektroden der Aktuatorelemente.
• Der Fig. 1 ist ferner zu entnehmen, dass im Inneren des Gehäuses 2 ein zusätzlicher, abgeschlossener Innenraum 7 vorgesehen ist. Dieser Innenraum 7 dient zur Aufnahme einer nicht dargestellten Auswerte-/Steuerelektronik und wird beispielsweise durch geeignetes Anordnung eines blechförmigen Materials gebildet. Die im Innenraum 7 abgeschirmt angeordnete Elektronik ist über Leitungen 8 mit den jeweiligen Aktuatorelementen 5, 6 verbunden, um sowohl das Steuersignal an das piezoelektrische Element als auch das von den piezoelektrischen Elementen empfangene Signal an die Steuer-/Auswerteelektronik weiterzuleiten. Die Auswerte- /Steuerelektronik wird wiederum über eine durch den Deckel 4a nach außen führende Zuleitung 9 elektrisch versorgt. Dazu ist die Auswerte-/Steuereinheit mit einer außerhalb des Gehäuses 2 angeordneten (nicht dargestellten) Strom- /Spannungsversogung verbunden.
• Im folgenden wird an Hand der Fig. 2 die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Füllstandsmesssystems genauer beschrieben. Fig. 2 zeigt ein in einem Tank 10 angeordnetes Füllstandsmesssystem 1. In dem Tank 10 befindet sich eine Flüssigkeit 11, deren Füllstandshöhe zu erfassen ist. Der Pegel der Flüssigkeit 11 variiert hierbei je nach Füllstandshöhe zwischen einem Pegel 0 und einem Pegel V. Dabei bezeichnet der Pegel 0 einen leeren Tank und der Pegel V einen vollen. Die in Fig. 2 eingezeichnete Oberfläche 11a des momentanen Flüssigkeitsspiegels zeigt einen ungefähr zur Hälfte gefüllten Tank, so dass das Füllstandsmesssystem 1 zum Großteil in die Flüssigkeit eintaucht.
• Im aktiven Zustand werden die piezokeramischen Aktuatorelemente 5, 6 über die sich im separaten Innenraum 7 des Gehäuses 2 befindende Auswerte-/Steuerelektronik angesteuert. Dies bewirkt, dass die membranförmig ausgebildeten Resonatorelemente 3a, 3b aufgrund der Anregung durch das entsprechende Aktuatorelement 5, 6 zum Schwingen in mechanischer Eigenfrequenz angeregt werden. Die Schwingung die die Membran 3a bzw. 3b aufgrund der Anregung durch das jeweilige Aktuatorelement erfährt, verläuft senkrecht zur Oberfläche der Gehäuseaußenwand 3. Diese Richtung ist in Fig. 2 mit Pfeil A bezeichnet und die Auslenkung der schwingenden Membran ist durch gestrichelte Linien angedeutet. Sobald das Füllstandsmesssystem 1 in die Flüssigkeit 11 eintaucht bzw. sich der Flüssigkeitspegel 11a in dem Tank ändert, ändert sich auch die Resonanzfrequenz der schwingenden Membran. Diese Frequenzänderung A f wird wiederum durch die Aktuatorelemente 5, 6 erfasst und an die Auswerte- /Steuerelektronik weitergeleitet. Die Elektronik gibt daraufhin ein Messsignal in Abhängigkeit der Füllstandshöhe aus. Dabei ist die Erfassung der Füllstandshöhe unabhängig davon, ob die Flüssigkeitsoberfläche in Ruhe oder in Bewegung ist bzw. unabhängig von der Lage des Tanks. Das erfindungsgemäße System liefert auch bei schrägem Flüssigkeitspegel oder welliger Flüssigkeitsoberfläche eine zuverlässige Messung der Füllstandshöhe. Ein schräger Flüssigkeitspegel ist in Fig. 2 schematisch durch die mit Bezugszeichen 11b eingezeichnete Linie dargestellt.
• Derartige Situationen kommen beispielsweise in Fahrzeugen, Flugzeugen etc. vor, die sich aufgrund von einwirkenden Querbeschleunigungen in einer Schräglage befinden. Daneben liefert das erfindungsgemäße System auch dann zuverlässige Messergebnisse, wenn derartige Fahr- und Flugzeuge Vibrationen ausgesetzt sind. Dies kommt beispielsweise bei Rallye- Formel I- oder Off-Road-Fahrzeugen vor, sowie bekannterweise bei Hubschraubern. Gleichzeitig ist das erfindungsgemäße Füllstandsmesssystem in stark linear beschleunigten Systemen einsetzbar, wie das beispielsweise beim Start einer Rakete oder eines anderen Raumfahrzeuges der Fall ist.
• Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Füllstandsmesssystem nicht nur zur Füllstandsmessung von Treibstofftanks verwendet werden, sondern auch bei Vorratsbehältern die andere Flüssigkeiten (z. B. Wasser, Kühlflüssigkeit etc.) beinhalten. Aufgrund der geschützten Anordnung der piezoelektischen Aktuatorelemente kann das Füllstandsmesssystem auch für eine Bestimmung der Füllstandshöhe von brennbaren oder chemisch aggressive Flüssigkeiten verwendet werden.
• Ferner sei darauf hingewiesen, dass die beschriebene Ausgestaltung mit zwei Aktuatorelementen dahingehend vorteilhaft ist, das auf diese Weise eine redundante Auslegung des erfindungsgemäßen Systems möglich ist. Dies bedeutet, dass beim etwaigen Ausfall eines einzelnen Aktuatorelements das Füllstandsmesssystem 1 weiterhin voll funktionsfähig ist. Eine derartige redundante Auslegung ist insbesondere für Verwendungen in den oben bereits erwähnten Anwendungsbereichen sinnvoll.

Claims (10)

1. Füllstandsmesssystem, gekennzeichnet durch
mindestens ein Resonatorelement (3a, 3b), das zumindest einen Teil einer Außenwand (3) eines Gehäuses (2) bildet,
mindestens ein Aktuatorelement (5, 6), das an dem mindestens einen Resonatorelement (3a, 3b) in Richtung Gehäuseinnenseite weisend angeordnet ist, und welches das Resonatorelement (3a, 3b) in mechanische Eigenschwingungen versetzt,
wobei das Füllstandsmesssystem (1) derart in eine sich in einem Vorratsbehälter (10) befindenden Flüssigkeit (11) eintauchbar ist, dass sich die Resonanzfrequenz des Resonatorelements (3a, 3b) in Abhängigkeit der Benetzungshöhe des Resonatorelements (3a, 3b) durch die Flüssigkeit (11) ändert.

2. Füllstandsmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) aus einer im wesentlichen zylindrischen Außenwand (3) besteht und durch einen Deckelbereich (4a) sowie einen Bodenbereich (4b) abgeschlossen ist.

3. Füllstandsmesssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) flüssigkeitsdicht ist.

4. Füllstandsmesssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Außenwand (3) vorgesehene mindestens eine Resonatorelement (3a, 3b) membranförmig ausgebildet ist, wobei die Membran aus hartelastischem Material, vorzugsweise aus medienbeständigem Stahlwerkstoff besteht und eine Dicke von 0,1 bis 1 mm aufweist.

5. Füllstandsmesssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwand (3) einen elektrisch leitenden Ring aufweist oder einen Ring, der mit einer separaten elektrischen Leitung versehen ist, an dem das membranförmige mindestens eine Resonatorelement (3a, 3b) befestigt ist und der die Aktuatorelemente (5, 6) kontaktiert.

6. Füllstandsmesssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Aktuatorelement (5, 6) ein piezoelektrisches Element ist und mittels Aufkleben, Aufsputtern und dergleichen auf dem mindestens einen Resonatorelement (3a, 3b) angebracht ist.

7. Füllstandsmesssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Gehäuses (2) ein separater Innenraum 7 angeordnet ist, in dem eine Auswerte-/Steuerelektronik angeordnet ist.

8. Füllstandsmesssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte-/Steuereinheit über innerhalb des Gehäuses (2) verlaufende Leitungen 8 mit dem mindestens einen Aktuatorelement (5, 6) sowie über eine weitere Leitung 9 mit einer außerhalb des Gehäuses (2) angeordneten Strom-/Spannungsversorgung verbunden ist.

9. Füllstandsmesssystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte-/Steuerelektronik das mindestens eine Aktuatorelement (5, 6) anregt, dass das mindestens eine Aktuatorelement (5, 6) eine Resonanzfrequenzänderung (Δf) des mindestens einen Resonatorelements (3a, 3b) erfasst und an die Auswerte- /Steuereinheit weiterleitet, so dass die Auswerte-/Steuerelektronik ein von der Füllstandshöhe abhängiges Messsignal ausgibt.

10. Verwendung des Füllstandsmesssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Messung der Füllstandshöhe in einem Fahrzeug-, Flugzeug- oder Raumfahrzeugvorratsbehälter, insbesondere zur Messung des Füllstandes eines Flüssigkeitstreibstofftankes.