DE102004028547B4

DE102004028547B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung des Füllstandes in einem Tank

Info

Publication number: DE102004028547B4
Application number: DE200410028547
Authority: DE
Inventors: Ralf Dr. Behrensmeier
Original assignee: Werner Turck GmbH and Co KG
Current assignee: Werner Turck GmbH and Co KG
Priority date: 2004-06-12
Filing date: 2004-06-12
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2024-06-13
Also published as: DE102004028547A1

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes (1) einer Flüssigkeit (2) in einem Tank (3) mit einem Sender/Empfänger (4) für akustische Signale und einem ersten und einem zweiten, im Tank (3) oberhalb der tankinnenseitigen Bodenfläche (5) des Tankes (3) in jeweils einem anderen Referenzabstand (S₁, S₂) zur Bodenfläche (5) angeordneten Referenzsignal-Reflektor (6, 7) zur Reflexion eines vom Sender (4) abgesandten akustischen Signals zum Empfänger (4) zum Messen jeweils einer zugehörigen Referenzschalllaufzeit (t₁, t₂) und mit einer elektronischen Auswerteeinrichtung (9), die die Laufzeit (t₃) des an der Oberfläche der Flüssigkeit (2) reflektierten akustischen Signals mit den Referenzschalllaufzeiten (t₁, t₂) in Beziehung setzt, um den Füllstand (S₃) oberhalb der tankinnenseitigen Bodenfläche zu berechnen, wobei der Sender/Empfänger (4) unterhalb der Bodenwandung (8) des Tankes (3) angeordnet ist, wobei die zweite Referenzschalllaufzeit (t₂) mit der ersten Referenzschalllaufzeit (t₁) in Beziehung gesetzt wird, um den Abstand (S₀) zwischen Sender/Empfänger und tankinnenseitiger Bodenfläche (5) oder die Schalllaufzeit...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Bestimmung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Tank.
Eine Vorrichtung mit einem Sender/Empfänger für akustische Signale und einem im Tank oberhalb einer tankinnenseitigen Bodenfläche in einem Referenzabstand zum Boden angeordneten Referenzsignal-Reflektor zur Reflektion eines vom Sender abgesandten akustischen Signals zum Empfänger zum Messen einer zugehörigen Schalllaufzeit ist aus der DE 40 25 326 C2 bekannt. Dort ist eine elektronische Auswerteeinrichtung vorgesehen, die die Laufzeit des an der Oberfläche der Flüssigkeit reflektierten akustischen Signals zu der Referenzschallaufzeit in Beziehung setzt, um den Füllstand zu berechnen, wobei der Sender/Empfänger unterhalb einer Bodenwandung des Tankes angeordnet ist. Oberhalb des Bodens, also der Bodenfläche des Tanks, befindet sich in einem Abstand zur tankinnenseitigen Bodenfläche ein Referenzsignalreflektor. Unter Annahme, dass der Quotient der beiden Laufzeiten dem Quotienten von Füllstand und Referenzabstand entspricht, wird der Füllstand berechnet. Mit dieser Methode kann zwar die von der Temperatur und der Zusammensetzung der Flüssigkeit abhängige Schallgeschwindigkeit kompensiert werden. Unberücksichtigt bleibt aber die Dicke der Behälterwandung bzw. die Schalllaufzeit zwischen Sender/Empfänger und Bodenfläche des Tanks. Es wäre zwar möglich, diesen Offset von der Referenzschalllaufzeit bzw. von der Schalllaufzeit des an der Oberfläche reflektierten akustischen Signals abzuziehen. Dies setzt aber voraus, dass es sich hier um eine echte Konstante handelt. Wegen der Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit auch in der Tankwandung und deren toleranzbehafteten Materialstärke bzw. des toleranzbehafteten Abstandes vom Sender/Empfänger zum Boden des Tankes wird auch diese Methode nicht zu der geforderten Genauigkeit führen.
Die DE 43 07 635 A1 beschreibt eine Füllstandsmessvorrichtung mit einer Vielzahl von Reflektoren, die innerhalb des Messrohres mit gleichem Abstand zueinander angeordnet sind. Die Höhe der Flüssigkeit wird aus dem Verhältnis der Differenz zwischen den Ankunftszeiten der von den beiden obersten eingetauchten Reflektoren und der Differenz zwischen den Ankunftszeiten der Pulse von der Oberfläche der Flüssigkeit und dem obersten eingetauchten Reflektor berechnet.
Aus der US 5,793,705 A ist eine Vorrichtung bekannt, bei der unterhalb des Bodens eines Behälters ein Ultraschallsender/-empfänger angeordnet ist. Die Laufzeit eines an der Flüssigkeitsoberfläche reflektierten Signals wird zur Ermittlung der Pegelhöhe der Flüssigkeit verwendet. Es sind Thermoelemente vorgesehen, mit denen die Flüssigkeitstemperatur gemessen wird, um die Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit der Flüssigkeit zu berücksichtigen.
Aus der DE 878 723 B ist eine Vorrichtung bekannt, um den Pegelstand einer Flüssigkeit zu ermitteln. Unterhalb eines Behälterbodens sitzt ein Ultraschallgeber/-empfänger. Innerhalb des Behälters sind eine Vielzahl von Reflektoren angeordnet. Zur Ermittlung der Pegelhöhe wird die Laufzeit eines an der Oberfläche der Flüssigkeit reflektierten Schallsignals mit der Laufzeit eines an einem Reflektor reflektierten Schallsignals in Beziehung gesetzt. Hierzu werden die empfangenen Signale mit einer Schreibvorrichtung aufgeschrieben.
Ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln die Genauigkeit der Füllstandsermittlung zu verbessern.
Gelöst wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebene Vorrichtung bzw. durch das im Anspruch 6 angegebene Verfahren.
Zunächst und im Wesentlichen sind zwei Referenzsignal-Reflektoren vorgesehen, die jeweils in einem Referenzabstand zur tankinnenseitigen Bodenfläche angeordnet sind. Es werden zwei Referenzschalllaufzeiten gemessen. Zur Berechnung des Füllstandes aus der gemessenen Laufzeit des an der Flüssigkeitsoberfläche reflektierten akustischen Signals wird der Abstand zwischen Sender/Empfänger und Boden des Tanks bzw. die Schalllaufzeit zwischen Sender/Empfänger und Boden des Tanks im Wege eines aus den gemessenen Referenzschalllaufzeiten ermittelten Korrekturwerts abgezogen. Die beiden Referenzschalllaufzeiten werden zur Kompensation des Abstandes zwischen Sender/Empfänger und tankinnenseitiger Bodenfläche und zur Ermittlung einer aktuellen Schallgeschwindigkeit innerhalb der Flüssigkeit in Beziehung gesetzt.
Dies kann dadurch erfolgen, dass zur Berechnung des Füllstandes eine offsetkompensierte Schalllaufzeit berechnet wird. Denkbar ist auch, dass ein aus der unkompensierten Schalllaufzeit des an der Oberfläche reflektierten Schallsignals eine unkompensierte Füllstandshöhe ermittelt wird, von welcher der berechnete Abstand zwischen Boden des Tanks und Sender/Empfänger abgezogen wird. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, unabhängig von der stofflichen Zusammensetzung der Flüssigkeit, also deren aktuellen Schallgeschwindigkeit einen Füllstandswert zu ermitteln, der dem tatsächlichen Flüssigkeitspegel entspricht, also eine echte Proportionalität aufweist.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Bestimmen des Füllstandes in einem Tank, wobei wesentlich ist, dass drei Schalllaufzeitwerte miteinander in Beziehung gesetzt werden, wobei eine erste und eine zweite Schalllaufzeit den Schallreflektionen an in unterschiedlichen Referenzabständen zum Boden angeordnete Referenzsignal-Reflektoren entsprechen und durch Inbeziehungsetzen dieser beiden Schalllaufzeiten der Abstand des Senders/Empfängers vom Boden des Tankes bzw. die Schalllaufzeit zwischen Sender/Empfänger und Boden des Tankes kompensiert wird und die Füllstandshöhe aus der durch das Inbeziehungsetzen ermittelten temperatur- und medienabhängigen Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit und der kompensierten Schalllaufzeit des an der Oberfläche reflektierten Signals ermittelt wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand beigefügter Zeichnung erläutert, welche 1 grob schematisch einen Tank mit einer Flüssigkeit und einer elektronischen Auswerteeinrichtung darstellt.
Der in der 1 dargestellte Tank 3 besitzt eine Bodenwandung 8, deren tankinnenseitige Bodenfläche mit der Bezugsziffer 5 bezeichnet ist. Dieser Boden 5 wird von der im Tank befindlichen Flüssigkeit 2 benetzt. Die Bodenwandung 8 kann aus einem x-beliebigen, aber schallleitenden Material bestehen.
Auch die Dicke der Bodenwandung 8 kann weitestgehend eine x-beliebige Größe besitzen. Insbesondere kann die Dicke der Bodenwandung 8 zufolge Fertigungstoleranzen unterschiedlich dick sein. Unterhalb der Bodenwandung 8 befindet sich ein Sender/Empfänger 4 für akustische Signale, insbesondere Ultraschallsignale. Der Sender/Empfänger 4 kann unmittelbar an die Bodenwandung 8 angebracht sein. Er kann aber auch von dieser beabstandet sein. Der Sender/Empfänger 4 wird von einer elektronischen Auswerteeinrichtung 9 besteuert. Die vom Sender/Empfänger 4 empfangenen Signale werden der elektronischen Auswerteeinrichtung 9 zugeführt.
Innerhalb des Tankes befinden sich nahe des Bodens 5 zwei Referenzsignal-Reflektoren 6, 7. Die Referenzsignal-Reflektoren 6, 7 sind in Abständen S₁, S₂, die voneinander verschieden sind, derart im Tank 3 angeordnet, dass vom Sender/Empfänger 4 abgesandte Schallsignale dort reflektieren. Die zugehörigen Schalllaufzeiten, also diejenigen Zeiten, die zwischen Absenden und Empfangen des Signales vergehen, werden im Weiteren mit t₁ und t₂ bezeichnet.
Die Dicke der Bodenwandung 8 im Bereich des Senders/Empfängers 4 wird mit S₀ bezeichnet. Im Ausführungsbeispiel besitzt der Tank der Einfachheit halber eine über seine gesamte Bodenfläche 5 gleichbleibende Bodenwandstärke. Der Füllstand der Flüssigkeit 2, also der Abstand zwischen Boden 5 und Oberfläche 1 wird mit S₃ bezeichnet.
Wird ein Schallsignal vom Sender/Empfänger 4 abgesandt, so werden zumindestens drei Reflektionswerte empfangen. Diese kommen zu unterschiedlichen Zeiten am Sender/Empfänger 4 an. So kommt beim Empfänger zunächst das vom ersten Referenzsignal-Reflektor 6 reflektierte Signal nach einer Zeit t₁, dann das am zweiten Referenzsignal-Reflektor 7 reflektierte Signal nach einer Zeit t₂ und schließlich das an der Oberfläche 1 reflektierte Signal nach einer Zeit t₃ am Sender/Empfänger 4 an. Diese Betrachtung gilt für Flüssigkeitsstände, bei denen der Füllstand größer ist als S₂.
Aus den beiden nachfolgenden Beziehungen S1 = v(t1 – t0)/2 (1) S2 = v(t2 – t0)/2 (2)läßt sich die Schalllaufzeit t₀ zwischen Bodenfläche 5 und Sender/Empfänger 4 wie folgt ermitteln: t0 = (S2t1 – S1t2)/(S2 – S1) (3)
Daraus läßt sich die Schallgeschwindigkeit v in der Flüssigkeit 2 berechnen. v = (t1 – t0)/(2S1) (4)
Mit diesen beiden Werten läßt sich über die Beziehung S3 = v(t3 – t0)/2 (5)über die Schalllaufzeit t₃ des an der Oberfläche 1 reflektierten Schallsignals die Pegelhöhe S₃ berechnen.
Für den Fall, dass der Pegelstand S₃ unterhalb der Referenzsignalhöhe S₂ des zweiten Referenzsignal-Reflektors 7 liegt, kann die elektronische Auswerteeinrichtung 9 ein Alternativverfahren verwenden, bei dem die Schalllaufzeiten t_1,2 nicht in Beziehung gesetzt werden, um die Schallgeschwindigkeit zu bestim men. Die elektronische Auswerteeinrichtung 9 besitzt hierfür einen Speicher, um die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit 2 und die Schalllaufzeit t₀ zwischen Boden 5 und Sender/Empfänger 4 abzuspeichern. Die Pegelhöhe S₃ wird dann auch nach Gleichung (5) berechnet, wobei die Werte v und t₀ aber einem Speicher entnommen werden. Es kann sich hierbei um zeitlich gemittelte Werte handeln.
Es ist möglich, dass die Strecke S₁ den Wert Null annimmt. Dann befindet sich der Referenz-Signalreflektor 6 unmittelbar auf der Oberfläche der Tankwand 8. Alternativ ist aber auch möglich, dass das Material der Tankwandung 8 schallreflektierende Eigenschaft aufweist. Bei dieser Variante ist die Schalllaufzeit t₀ identisch mit der Laufzeit des am Boden 5 reflektierten Schallsignals.
Bei einer nicht dargestellten Variante der Erfindung sind ein oder mehrere zusätzliche Referenzsignal-Reflektoren vorgesehen. Mit einem zusätzlichen Referenzsignal-Reflektor ist es möglich, eventuelle auf dem Boden 5 des Tanks 3 liegende Ablagerungen, zum Beispiel einen Ölschlamm mit zu berücksichtigen. Während bei der oben angegebenen Lösung ein Gleichungssystem mit zwei Gleichungen (1), (2) zu lösen ist, um die Unbekannten v und t₀ zu ermitteln, besitzt in diesem Falle das Gleichungssystem drei Gleichungen mit einer zusätzlichen dritten Unbekannten, die dem Betrag der Ablagerung entspricht, sofern dort die Schallgeschwindigkeit von der Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit abweicht.

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes (1) einer Flüssigkeit (2) in einem Tank (3) mit einem Sender/Empfänger (4) für akustische Signale und einem ersten und einem zweiten, im Tank (3) oberhalb der tankinnenseitigen Bodenfläche (5) des Tankes (3) in jeweils einem anderen Referenzabstand (S₁, S₂) zur Bodenfläche (5) angeordneten Referenzsignal-Reflektor (6, 7) zur Reflexion eines vom Sender (4) abgesandten akustischen Signals zum Empfänger (4) zum Messen jeweils einer zugehörigen Referenzschalllaufzeit (t₁, t₂) und mit einer elektronischen Auswerteeinrichtung (9), die die Laufzeit (t₃) des an der Oberfläche der Flüssigkeit (2) reflektierten akustischen Signals mit den Referenzschalllaufzeiten (t₁, t₂) in Beziehung setzt, um den Füllstand (S₃) oberhalb der tankinnenseitigen Bodenfläche zu berechnen, wobei der Sender/Empfänger (4) unterhalb der Bodenwandung (8) des Tankes (3) angeordnet ist, wobei die zweite Referenzschalllaufzeit (t₂) mit der ersten Referenzschalllaufzeit (t₁) in Beziehung gesetzt wird, um den Abstand (S₀) zwischen Sender/Empfänger und tankinnenseitiger Bodenfläche (5) oder die Schalllaufzeit (t₀) zwischen Sender/Empfänger und tankinnenseitiger Bodenfläche (5) zu kompensieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch in Beziehung setzen der beiden Referenzschalllaufzeiten (t₁, t₂) die aktuelle, insbesondere temperatur- und stoffabhängige Schallgeschwindigkeit (v) der Flüssigkeit ermittelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung des Füllstandes (S₃) aus der gemessenen Laufzeit (t₃) des an der Flüssigkeitsoberfläche reflektierten akustischen Signals die Schalllaufzeit (t₀) zwischen Sender/Empfänger (4) und Boden fläche (5) des Tankes (3) von der unkorrigierten Laufzeit (t₃) des an der Oberfläche reflektierten akustischen Signals abgezogen wird.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung des Füllstandes (S₃) aus der gemessenen Laufzeit (t₃) des an der Oberfläche (1) reflektierten akustischen Signals ein aus den gemessenen Referenzschalllaufzeiten (t₁, t₂) berechneter Wert für die aktuelle Schallgeschwindigkeit (v) in der Flüssigkeit verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen weiteren Referenzsignal-Reflektor.
Verfahren zur Bestimmung des Füllstandes (1) einer Flüssigkeit (2) in einem Tank (3) mit einem Sender/Empfänger (4) für akustische Signale und einem ersten und einem zweiten, im Tank (3) oberhalb der tankinnenseitigen Bodenfläche (5) in jeweils einem anderen Referenzabstand (S₁, S₂) zur Bodenfläche (5) angeordneten Referenzsignal-Reflektor (6, 7) zur Reflexion eines vom Sender (4) abgesandten akustischen Signals zum Empfänger (4) zum Messen jeweils einer zugehörigen Referenzschalllaufzeit (t₁, t₂), wobei die dem jeweiligen Referenzsignal-Reflektor (6, 7) zugeordneten Referenzschalllaufzeiten (t₁, t₂) mit einer Schalllaufzeit (t₃) des vom Sender/Empfänger (4) abgesandten, an der Oberfläche der Flüssigkeit (2) reflektierten und vom Sender/Empfänger (4) empfangenen Signals in Beziehung gesetzt werden, um den Füllstand (S₃) oberhalb der tankinnenseitigen Bodenfläche (5) zu berechnen, wobei durch in Beziehung setzen der Referenzschalllaufzeiten (t₁, t₂) der Abstand (S₀) zwischen Sender/Empfänger (4) und tankinnenseitiger Bodenfläche (5) oder die Schallaufzeit (t₀) zwischen Sender/Empfänger (4) und tankinnenseitiger Bodenfläche (5) des Tanks kompensiert wird.