DE102010024058A1 - Device for determining filling level of container, has sound sensor attached to container, where sound sensor is connected to evaluation unit, and evaluation unit is arranged for determining helmholtz frequency of sound waves - Google Patents

Device for determining filling level of container, has sound sensor attached to container, where sound sensor is connected to evaluation unit, and evaluation unit is arranged for determining helmholtz frequency of sound waves Download PDF

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Abstract

The device has a sound sensor (10) attached to a container (2), where the sound sensor is connected to an evaluation unit (16). The evaluation unit is arranged for determining the Helmholtz frequency of the sound waves that are received by the sound sensor. The change in frequency is determined by the evaluation unit, where the frequency is generated during filling process of a container. Independent claims are also included for the following: (1) a method for determining filling level of a container; and (2) a sewage system for a vehicle, particularly an airplane.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen des Füllstands eines Behälters, ein Verfahren zum Erfassen des Füllstands eines Behälters und ein Schmutzwassersystem für ein Fahrzeug mit mindestens einer Vorrichtung zum Erfassen des Füllstands eines Behälters.The invention relates to a device for detecting the level of a container, a method for detecting the level of a container and a dirty water system for a vehicle with at least one device for detecting the level of a container.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Im Stand der Technik existieren eine Fülle von unterschiedlichen Vorrichtungen und Verfahren zum Erfassen von Füllständen in Behältern. Eine genaue Kenntnis über den Füllstand eines Behälters ist besonders in Fahrzeugen wichtig, um Sicherheit über ausreichende Mengen an Betriebsstoffen und vorhandene Aufnahmekapazitäten von Abwasserbehältern zu haben, so dass der sichere Betrieb des Fahrzeugs nicht gefährdet wird.The prior art has a wealth of different devices and methods for detecting levels in containers. Accurate knowledge of the level of a container is particularly important in vehicles in order to have security of sufficient quantities of supplies and existing holding capacity of waste water containers, so that the safe operation of the vehicle is not compromised.

Bei Schmutzwassersystemen und insbesondere Schwarzwassersystemen in Verkehrsflugzeugen, die nur eine begrenzte Menge an Schmutzwasser aufnehmen können und demzufolge eine Überfüllung verhindert werden muss, werden Füllstände im Stand der Technik über eine Druckmessung an einer Behälterunterseite, über eine Kapazitätsmessung zwischen einzelnen Messpunkten oder kapazitiv über eine beispielsweise im Behälter einlaminierte Metallfolie ermittelt. Besonders bei Schmutzwasserbehältern herrscht der Nachteil, dass Sensoren zum Erfassen eines Füllstands durch Kontakt mit der aufgenommenen Flüssigkeit in dem Behälter verschmutzen oder korrodieren können. Dies ist bei einlaminierten Folien oder Messpunkten zwar nicht der Fall, doch diese Vorkehrungen erhöhen den Fertigungsaufwand und damit die Herstellkosten des Behälters deutlich.In sewage systems and in particular black water systems in commercial aircraft, which can only absorb a limited amount of dirty water and consequently overfilling must be prevented, levels in the prior art via a pressure measurement on a container bottom, a capacitance measurement between individual measuring points or capacitive over a example in the Container laminated metal foil detected. Especially with dirty water tanks there is the disadvantage that sensors for detecting a level by contact with the liquid absorbed in the container can pollute or corrode. Although this is not the case with laminated films or measuring points, these precautions significantly increase the production costs and thus the manufacturing costs of the container.

DE 4 227 516 C2 und US 5 305 792 A zeigen ein Schmutzwassersystem in einem Flugzeug, das mit einem Sensor zum Detektieren des Füllstands eines Schmutzwasserbehälters ausgerüstet ist. DE 4 227 516 C2 and US 5,305,792 A show a dirty water system in an aircraft, which is equipped with a sensor for detecting the level of a dirty water tank.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen oder mehrere der oben genannten Nachteile zu verringern oder gänzlich zu eliminieren.The object of the invention is to reduce or eliminate one or more of the abovementioned disadvantages.

Insbesondere ist als Aufgabe der Erfindung anzusehen, eine Vorrichtung zum Erfassen des Füllstands eines Behälters vorzuschlagen, die auf eine möglichst einfache und kostengünstige Weise zuverlässig den Füllstand in einem Behälter erfassen kann und dabei gleichzeitig zuverlässig vor Verschmutzung und Korrosion geschützt ist.In particular, should be regarded as an object of the invention to propose a device for detecting the level of a container that can reliably detect the level in a container in the simplest and most cost-effective manner while being reliably protected from contamination and corrosion.

Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch dazu geeignet, möglichst einfach in bereits existierende Behälter nachgerüstet zu werden.Preferably, the device according to the invention is also suitable for being retrofitted as simply as possible into already existing containers.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.The object is achieved by a device having the features of independent claim 1. Advantageous further developments can be taken from the subclaims.

Gemäß einem ersten Aspekt weist die Vorrichtung mindestens einen Schallaufnehmer auf sowie mindestens eine mit dem Schallaufnehmer verbundene Auswerteeinheit. Die Auswerteeinheit ist dazu eingerichtet, die von dem Schallaufnehmer aufgenommenen Schallwellen zu analysieren, wobei das Analysieren die Ermittlung mindestens einer Helmholtz-Frequenz umfasst.According to a first aspect, the device has at least one sound pickup and at least one evaluation unit connected to the sound pickup. The evaluation unit is set up to analyze the sound waves recorded by the sound sensor, wherein the analysis comprises the determination of at least one Helmholtz frequency.

Für diesen Zusammenhang wird davon ausgegangen, dass das freie Gasvolumen in dem Behälter, welches keine aufzunehmende Flüssigkeit beinhaltet und sich oberhalb der aufgenommenen Flüssigkeit befindet, als Helmholtz-Resonator aufgefasst werden kann. Dieser wird durch einen gasgefüllten Hohlraum mit einer engen Öffnung nach außen gekennzeichnet, wobei das Gasvolumen aufgrund der Kompressibilität des Gases innerhalb des Gasvolumens vibrieren kann. Durch die Elastizität des freien Gasvolumens in Kombination mit der trägen Masse des in der Öffnung befindlichen Gases entsteht ein mechanisches Masse-Feder-System mit einer ausgeprägten Eigenresonanz. Ein derartiges Phänomen kann beispielsweise bei Getränkeflaschen mit einem eine Öffnung aufweisenden Flaschenhals beobachtet werden. Beim Blasen über die Öffnung wird eine Schwingung in der Flasche erzeugt, welche unter günstigen Voraussetzungen einen wahrnehmbaren Ton entstehen lässt. Die charakteristische Frequenz dieser Schwingung ist eine Helmholtz-Frequenz und hängt von mehreren Faktoren ab, insbesondere von der Größe des freien Gasvolumens und den geometrischen Abmessungen des Einlaufbereichs zu dem freien Gasvolumen. Aus Kenntnis der Helmholtz-Frequenz kann bei vorbekanntem Strömungsverhalten an der Öffnung zu dem freien Gasvolumen dessen Größe bestimmt werden, so dass aus Kenntnis der Gesamtgröße des Behälters und damit des aufnehmbaren Volumens ermittelt werden kann, wie viel Flüssigkeit der Behälter bereits aufgenommen hat.For this connection, it is assumed that the free gas volume in the container, which contains no liquid to be absorbed and is located above the absorbed liquid, can be regarded as a Helmholtz resonator. This is characterized by a gas-filled cavity with a narrow opening to the outside, wherein the gas volume can vibrate due to the compressibility of the gas within the gas volume. The elasticity of the free gas volume in combination with the inert mass of the gas in the opening creates a mechanical mass-spring system with a pronounced self-resonance. Such a phenomenon can be observed, for example, in beverage bottles with a bottle neck having an opening. When blowing over the opening, a vibration is generated in the bottle, which creates a perceptible sound under favorable conditions. The characteristic frequency of this vibration is a Helmholtz frequency and depends on several factors, in particular the size of the free gas volume and the geometric dimensions of the inlet area to the free gas volume. From knowledge of the Helmholtz frequency, its size can be determined with known flow behavior at the opening to the free gas volume, so that from knowledge of the total size of the container and thus of the recordable volume can be determined how much liquid the container has already taken.

In Analogie dazu könnte bei einem Behälter, der durch eine Einlauföffnung mit einem Medium zu befüllen ist, durch eine vorangehende oder nachfolgende Gasströmung an der Einlauföffnung, einer offenen Leitung zu einer Einlauföffnung oder an einer innerhalb des Behälters angeordneten Strömungskante vorbei, eine Erregung stattfinden, die zu einer Helmholtz-Resonanz führt. Diese kann zur Ermittlung des aktuellen Füllstands verwendet werden.By analogy with this, in a container to be filled with a medium through an inlet opening, by a preceding or succeeding gas flow at the inlet opening, an open line to an inlet opening or at a flow edge disposed inside the container, an excitation could take place leads to a Helmholtz resonance. This can be used to determine the current level.

Bei einem formstabilen Behälter ist beim Einströmen eines Mediums ein Druckausgleich erforderlich, der durch ein eigenständiges Ausströmen oder kontrolliertes Ausleiten von Gas aus dem freien Gasvolumen durch eine Druckausgleichsöffnung vollzogen werden kann. Bei entsprechender Gestaltung dieser Druckausgleichsöffnung könnte ebenfalls eine Anregung einer Helmholtz-Resonanz erfolgen, die zur Bestimmung des Füllstands eingesetzt werden kann. In a dimensionally stable container, a pressure equalization is required when flowing in a medium, which can be performed by an independent outflow or controlled discharge of gas from the free volume of gas through a pressure equalization port. With appropriate design of this pressure compensation opening could also be a suggestion of a Helmholtz resonance done, which can be used to determine the level.

Da sowohl aus der Einlauföffnung als auch der Druckausgleichsöffnung eine Helmholtz-Resonanz erregt werden kann, die jeweils von den geometrischen Randbedingungen an der Einlauföffnung und der Druckausgleichsöffnung abhängen, könnten in einem solchen Fall zwei unterschiedliche Helmholtz-Frequenzen entstehen. Die Auswerteeinheit sollte bevorzugt dazu eingerichtet sein, zwei unterschiedliche Helmholtz-Frequenzen zu bestimmen, die von den charakteristischen Eigenschaften der beiden Öffnungsbereiche jeweils zu einer eigenständigen Berechnung des freien Gasvolumens eingesetzt werden können. Dies erlaubt eine Plausibilitätsprüfung oder Mittelwertbildung, was die Gefahr eines falsch bestimmten freien Gasvolumens verhindern oder zumindest verringern kann.Since a Helmholtz resonance can be excited both from the inlet opening and the pressure equalization opening, which in each case depend on the geometric boundary conditions at the inlet opening and the pressure equalization opening, two different Helmholtz frequencies could arise in such a case. The evaluation unit should preferably be set up to determine two different Helmholtz frequencies, which can each be used by the characteristic properties of the two opening areas for independent calculation of the free gas volume. This allows a plausibility check or averaging, which can prevent or at least reduce the risk of an incorrectly determined free gas volume.

Generell ist für eine Helmholtz-Anregung eine Strömung eines kompressiblen Mediums, insbesondere eines Gases, erforderlich, deren Strömungsrichtung und -geschwindigkeit durch eine Querschnittsänderung eine Änderung erfährt und dadurch in Schwingung versetzt wird, was zu einer Anregung des gesamten freien Gasvolumens führt. Das in den Behälter zu füllende Medium kann ferner einen beliebigen Aggregatzustand aufweisen, so lange gewährleistet werden kann, dass vor, während oder nach des Einfüllens eine Gasströmung herrscht, die zumindest kurzzeitig eine detektierbare Helmholtz-Resonanz verursacht.In general, for a Helmholtz excitation, a flow of a compressible medium, in particular a gas required, whose flow direction and velocity undergoes a change by a change in cross section and is thereby vibrated, resulting in an excitation of the total free gas volume. The medium to be filled into the container can furthermore have any state of aggregation, as long as it can be ensured that a gas flow prevails before, during or after filling, which causes a detectable Helmholtz resonance, at least for a short time.

Dies wäre beispielsweise bei Schmutzwasserbehältern in Verkehrsflugzeugen der Fall, die gegenüber den Schmutzwasser sammelnden Einrichtungen einen Unterdruck aufweisen und durch ein Schaltventil oder dergleichen eine Luftströmung in den Behälter induzieren, der zum Leiten des Schmutzwassers in den Behälter führt. Der anfänglich einsetzende Luftstrom kann bei modernen Schmutzwassersystemen eine Geschwindigkeit von bis zu 150–200 m/s erreichen, was für die Anregung eine Helmholtz-Schwingung deutlich ausreichend ist. Es ist hierbei zu beachten, dass bei einer derartigen Luftströmung innerhalb einer Zuleitung zu einer Einlauföffnung des Schmutzwasserbehälters die gesamte Zuleitung zur Anregung der Helmholtz-Schwingung führt und demnach der gesamte Luft durchströmte Abschnitt der Zuleitung als ”Flaschenhals” betrachtet werden kann.This would be the case, for example, with dirty water tanks in commercial aircraft, which have a negative pressure relative to the dirty water collecting devices and induce through a switching valve or the like an air flow into the container, which leads to the discharge of dirty water into the container. The initial air flow can reach a speed of up to 150-200 m / s in modern sewage systems, which is clearly sufficient for the excitation of a Helmholtz vibration. It should be noted here that in such an air flow within a supply line to an inlet opening of the dirty water tank, the entire supply line for excitation of the Helmholtz vibration leads and therefore the entire air-flow section of the supply line can be considered as a "bottleneck".

Die Auswerteeinheit ist als ein elektronisches Gerät zu verstehen, welches bevorzugt einen A/D-Wandler aufweist, der dazu befähigt ist, aus analogen Signalen des Schallwandlers verarbeitbare digitale Daten zu erzeugen. Diese können mit geeigneten Algorithmen und Verarbeitungsverfahren analysiert und verarbeitet werden, um zu dem gewünschten erfindungsgemäßen Effekt zu gelangen.The evaluation unit is to be understood as an electronic device which preferably has an A / D converter which is capable of generating digital data which can be processed from analog signals of the sound transducer. These can be analyzed and processed with suitable algorithms and processing methods to achieve the desired effect according to the invention.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Analyseeinheit dazu eingerichtet, eine Änderung einer Helmholtz-Frequenz zu ermitteln, die zwischen zwei nacheinander stattfindenden Befüllvorgängen des Behälters eintritt oder während der Dauer eines einzelnen Befüllvorgangs, wenn gewährleistet werden kann, dass eine anfängliche oder kontinuierliche Gasströmung zu einer Erregung des Gasvolumens führt. Dadurch ist nicht zwangsläufig erforderlich, die exakte Größe des freien Gasvolumens zu ermitteln, sondern es kann bereits aus einer Steigerung der Helmholtz-Frequenz auf eine bevorstehende und zu erwartende vollständige Befüllung des Behälters hingewiesen werden, etwa durch Erreichen oder Überschreiten einer vorgegebenen Helmholtz-Frequenz.According to an advantageous embodiment of the device according to the invention, the analysis unit is adapted to detect a change in a Helmholtz frequency, which occurs between two successive filling operations of the container or during the duration of a single filling operation, if it can be ensured that an initial or continuous gas flow leads to an excitation of the gas volume. As a result, it is not necessarily necessary to determine the exact size of the free gas volume, but it can already be pointed out an increase in the Helmholtz frequency to an imminent and expected full filling of the container, such as by reaching or exceeding a predetermined Helmholtz frequency.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Schallaufnehmer als ein Körperschall-Aufnehmer ausgeführt, der an einer Außenseite des zu befüllenden Behälters angeordnet werden kann. Dies führt dazu, dass innerhalb des Behälters keine speziellen Vorrichtungen, Aufnahmen oder Befestigungsmittel geschaffen werden müssen, die den Schallaufnehmer innerhalb oder oberhalb des freien Gasvolumens befestigen können. Dies schützt weiterhin den Schallaufnehmer vor Verschmutzung oder Korrosion.In an advantageous embodiment of the device according to the invention, the sound pickup is designed as a structure-borne sound pickup, which can be arranged on an outer side of the container to be filled. As a result, no special devices, receptacles or fasteners need to be created within the container that can secure the transducer within or above the free volume of gas. This further protects the transducer from contamination or corrosion.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Analyseeinheit dazu eingerichtet, ein Frequenzspektrum zu erfassen, das von dem Schallaufnehmer registriert wird. Mit Hilfe eines Filters können deutlich wahrnehmbare, d. h. eine ausreichende Amplitude aufweisende Schallwellen mit einer oder mehreren diskreten Frequenzen innerhalb des Frequenzspektrums detektiert und zur Berechnung des freien Gasvolumens verwendet werden. Die Analyse könnte mit Verfahren oder Filtern basierend auf Fourier-Transformationen oder Wavelet-Analysen durchgeführt werden.In an advantageous embodiment of the device according to the invention, the analysis unit is set up to detect a frequency spectrum that is registered by the sound pickup. With the help of a filter clearly perceptible, d. H. detected sufficient amplitude sound waves with one or more discrete frequencies within the frequency spectrum and used to calculate the free gas volume. The analysis could be done with methods or filters based on Fourier transforms or wavelet analyzes.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung könnte eine zusätzliche, separate Erregeranordnung vorgesehen sein, die dazu eingerichtet ist, eine Helmholtz-Anregung innerhalb des freien Gasvolumens durchzuführen. Diese Erregeranordnung könnte durch einen Schallwandler realisiert werden, der ein Rauschen in Form von Schallwellen in das freie Gasvolumen oder in einen öffnungsnahen Bereich, etwa bei der Einlauföffnung oder bei einer Druckausgleichsöffnung, einleitet.According to an advantageous embodiment of the invention, an additional, separate excitation arrangement could be provided, which is set up to carry out a Helmholtz excitation within the free gas volume. This exciter arrangement could be realized by a sound transducer, the noise in the form of sound waves in the free gas volume or in an opening near Area, such as at the inlet opening or at a pressure equalization opening, initiates.

Alternativ oder zusätzlich zu einer derartigen Erregeranordnung könnte auch eine Einblasvorrichtung eingesetzt werden, die einen kurzen Luftimpuls über eine Störkante in das freie Gasvolumen einleitet, um damit die resultierende Helmholtz-Schwingung zu verursachen.As an alternative or in addition to such an excitation arrangement, it would also be possible to use a blowing device which introduces a short air pulse into the free volume of gas via an interfering edge in order to cause the resulting Helmholtz oscillation.

Gleichermaßen könnte eine Störkante vorgesehen sein, die im Bereich der Einlauföffnung angeordnet werden könnte, wenn davon auszugehen ist, dass nicht nur reine Flüssigkeit, sondern auch ein Gasvolumen in den Behälter einströmen kann. Mit einer geeignet ausgelegten Störkante könnte der Effekt der Erregung einer Helmholtz-Resonanz verstärkt werden, um eine exakte Ermittlung des freien Gasvolumens zu ermöglichen.Equally, an interfering edge could be provided which could be arranged in the region of the inlet opening if it can be assumed that not only pure liquid but also a gas volume can flow into the container. With a suitably designed interfering edge, the effect of exciting a Helmholtz resonance could be enhanced to allow for an accurate determination of the free gas volume.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung könnte auch alternativ oder zusätzlich eine Störkante an einer Luftauslassöffnung des Behälters angeordnet werden, um ausströmende Luft zum Erregen einer Helmholtz-Schwingung zu veranlassen.According to an advantageous development of the invention, alternatively or additionally, an interfering edge could be arranged on an air outlet opening of the container in order to cause escaping air to excite a Helmholtz vibration.

Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Ermitteln des Füllzustands eines Behälters, welches im Wesentlichen die nachfolgend aufgeführten Schritte umfasst.The object is further achieved by a method for determining the filling state of a container, which essentially comprises the steps listed below.

Nach dem Öffnen einer Einlauföffnung zum Verursachen einer Gasströmung in einem Einlaufbereich und einer dadurch hervorgerufenen Helmholtz-Resonanz innerhalb des freien Gasvolumens werden die innerhalb des freien Gasvolumens vorliegenden Schallwellen erfasst. Anschließend wird eine Helmholtz-Frequenz aus den erfassten Schallwellen ermittelt und daraus das freie Gasvolumen in dem Behälter bestimmt.After opening an inlet opening for causing a gas flow in an inlet region and a resulting Helmholtz resonance within the free gas volume, the sound waves present within the free gas volume are detected. Subsequently, a Helmholtz frequency is determined from the detected sound waves and used to determine the free gas volume in the container.

Die Aufgabe wird ferner durch ein Schmutzwassersystem für ein Fahrzeug gelöst, das einen unter einem Unterdruck stehenden Behälter aufweist, der eine verschließbare Einlauföffnung besitzt, durch die Schmutzwasser in den Behälter gesogen werden kann. Beim Öffnen der Einlauföffnung wird die Schmutzwasserleitung vor dem Behälter mit einem Unterdruck beaufschlagt, so dass Schmutzwasser durch die Schmutzwasserleitung zu dem Behälter fließt. Anfänglich kann es jedoch zu einer Strömung von in der Schmutzwasserleitung befindlichem Gas in den Behälter kommen, durch den bei ausreichender Strömungsgeschwindigkeit eine Helmholtz-Resonanz stattfinden kann, welche durch den Schallaufnehmer registriert und zur Ermittlung der Helmholtz-Frequenz verwendet werden kann.The object is further achieved by a dirty water system for a vehicle having a vacuum under a container having a closable inlet opening through which dirty water can be sucked into the container. When opening the inlet opening the dirty water pipe is subjected to a negative pressure in front of the container, so that dirty water flows through the dirty water pipe to the container. Initially, however, there may be a flow of gas present in the dirty water line into the container, through which a Helmholtz resonance can take place with sufficient flow velocity, which can be registered by the sound pickup and used to determine the Helmholtz frequency.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbeziehungen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.Other features, advantages and applications of the present invention will become apparent from the following description of the embodiments and the figures. All described and / or illustrated features alone and in any combination, the subject matter of the invention, regardless of their composition in the individual claims or their relationships. In the figures, the same reference numerals for identical or similar objects.

1 zeigt ein Schmutzwassersystem, das mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestattet ist. 1 shows a dirty water system, which is equipped with a device according to the invention.

2 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren. 2 shows a method according to the invention.

3 zeigt ein Flugzeug, welches ein Schmutzwassersystem aufweist, das mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestattet ist. 3 shows an aircraft having a dirty water system, which is equipped with a device according to the invention.

DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS

1 zeigt einen Schmutzwasserbehälter 2, der eine Einlauföffnung 4 aufweist, über die Schmutzwasser in den Behälter 2 gelangen kann. Zum Erfassen des Füllstands von Schmutzwasser 6 wird erfindungsgemäß die Größe des freien Gasvolumens 8 oberhalb des Schmutzwassers 6 in dem Behälter 2 ermittelt. Hierzu wird ein Schallaufnehmer 10 eingesetzt, der exemplarisch an der Außenseite, möglichst dicht am Behälter 2 angeordnet ist und dadurch Körperschall aufnehmen kann. Der Schallaufnehmer 10 könnte als keramischer Schallaufnehmer ausgeführt sein. Die Anordnung des Schallaufnehmers 10 kann aber muss nicht zwangsläufig an einer Oberseite des Behälters 2 erfolgen, auch Seitenflächen oder eine Unterseite des Behälters 10 würden für die Anordnung in Frage kommen. 1 shows a dirty water tank 2 that has an inlet opening 4 has, over the dirty water in the container 2 can get. For detecting the level of dirty water 6 According to the invention, the size of the free gas volume 8th above the dirty water 6 in the container 2 determined. For this purpose, a sound pickup 10 used, the exemplary on the outside, as close as possible to the container 2 is arranged and thereby can absorb structure-borne sound. The sound pickup 10 could be designed as a ceramic Schallaufnehmer. The arrangement of the sound pickup 10 but may not necessarily be on a top of the container 2 take place, also side surfaces or a bottom of the container 10 would be eligible for the arrangement.

In dem Behälter 2 herrscht relativ zu dessen Umgebung ein Unterdruck, wie dies beispielsweise in einem Schmutzwassersystem eines Flugzeugs üblich ist. Der Unterdruck kann entweder durch Einrichtungen wie eine Vakuumpumpe, etwa ein Radialkompressor, oder aber durch ein niedrigeres Umgebungsdruckniveau erreicht werden, wenn die Erfindung beispielsweise in einem Flugzeug eingesetzt wird.In the container 2 There is a negative pressure relative to its environment, as is common, for example, in a dirty water system of an aircraft. The vacuum may be achieved either by means such as a vacuum pump, such as a centrifugal compressor, or by a lower ambient pressure level, for example, when the invention is used in an aircraft.

Durch Öffnen eines Ventils 12 wird eine an der Einlauföffnung angeschlossene Schmutzwasserleitung mit dem Unterdruck beaufschlagt, was zu einer Sogwirkung führt, durch die Schmutzwasser in die Einlauföffnung 4 eingesaugt wird. Anschließend sammelt sich das Schmutzwasser in dem Behälter 2.By opening a valve 12 a vacuum connected to the inlet opening dirty water line is subjected to the negative pressure, resulting in a suction effect, through the dirty water in the inlet opening 4 is sucked in. Subsequently, the dirty water collects in the container 2 ,

Durch die Anordnung der Einlauföffnung 4 an einer Oberseite des Behälters 2 ist davon auszugehen, dass die Einlauföffnung 4 nicht dauerhaft in direktem Kontakt mit Schmutzwasser steht, sondern zumindest im Bereich der Einlauföffnung 4 Luft oder ein anderes Gas vorliegt, welches unmittelbar nach Öffnen des Ventils 12 durch die Sogwirkung beschleunigt wird und in den Behälter 2 einströmt. Durch den unstetigen Querschnitt im Bereich der Einlauföffnung 4 kann das einströmende Gas in Schwingung versetzt werden und eine Helmholtz-Resonanz in dem freien Gasvolumen 8 induzieren, die mit Hilfe des Schallaufnehmers 10 detektiert werden kann. Weiterhin wird hier eine zusätzliche Störkante 14 gezeigt, die zur Steigerung der Zuverlässigkeit einer Schwingungserregung des Gases dient.By the arrangement of the inlet opening 4 at an upper side of the container 2 is assumed that the inlet opening 4 not permanently in direct contact with dirty water, but at least in the region of the inlet opening 4 Air or other gas is present, which immediately after opening the valve 12 is accelerated by the suction effect and into the container 2 flows. Due to the discontinuous cross section in the area of the inlet opening 4 For example, the incoming gas can be vibrated and a Helmholtz resonance in the free gas volume 8th induce with the help of the sound pickup 10 can be detected. Furthermore, here is an additional interfering edge 14 shown, which serves to increase the reliability of a vibration excitation of the gas.

Bei der Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Flugzeug, dort speziell in einem Schmutzwassersystem, könnte die Störkante 14 bereits durch ein Spülventil (auch ”Flushventil” bezeichnet) der Toilette realisiert sein, die sich an einem dem Behälter 2 entgegengesetzten Ende einer Leitung zu der Einlauföffnung 4 befindet. Die Störkante weist bevorzugt eine scharfe geometrische Begrenzung oder eine andere Unstetigkeit auf, um eine lokale Änderung des Strömungsverhaltens des einströmenden Gases zu erzwingen und die Rauschbandbreite zu erhöhen, um so eine Resonanzschwingung zu verursachen.In the realization of the device according to the invention in an aircraft, there especially in a dirty water system, the Störkante could 14 already be realized by a flush valve (also called "flush valve") of the toilet, which is located on a the container 2 opposite end of a line to the inlet opening 4 located. The interfering edge preferably has a sharp geometric boundary or other discontinuity to force a local change in the flow behavior of the incoming gas and to increase the noise bandwidth so as to cause resonant vibration.

Mit dem Schallaufnehmer 10 ist eine Analyseeinheit 16 verbunden, beispielsweise über eine Datenleitung 18 und einen Dateneingang 20. Die Analyseeinheit 16 ist dazu eingerichtet, erfasste Schallwellen mit einem Filteralgorithmus 22 zu filtern, so dass eine Helmholtz-Frequenz identifiziert werden kann. Mit Hilfe dieser Helmholtz-Frequenz und Kenntnis über den betreffenden öffnungsnahen Bereich wie etwa eine Resonatorhalslänge, kann grundsätzlich nach folgender Gleichung ein freies Gasvolumen ermittelt werden:

Figure 00090001
wobei c die Schallgeschwindigkeit, S die Querschnittsfläche der betrachteten Öffnung („Resonatorhalsöffnungsquerschnitt”), beispielsweise der Einlauföffnung 4, V das freie Gasvolumen und L die effektive Länge effektive Länge des schwingungserregten Gasvolumens (”Resonatorhalslänge”), analog zu einer Länge eines Flaschenhalses. Die Querschnittsfläche S kann durch Messen bestimmt werden, während die effektive Länge L durch experimentelle Versuche ermittelt werden könnte, bei bekanntem freiem Gasvolumen V. Die obige Gleichung ist über Korrekturfaktoren und dergleichen an die real vorliegenden Bedingungen anzupassen, etwa durch die Form
Figure 00100001
wobei der Ausdruck 2ΔL auch als Mündungskorrektur bezeichnet wird.With the sound pickup 10 is an analysis unit 16 connected, for example via a data line 18 and a data input 20 , The analysis unit 16 is adapted to detect detected sound waves with a filter algorithm 22 to filter so that a Helmholtz frequency can be identified. With the aid of this Helmholtz frequency and knowledge of the respective opening-near region, such as a resonator neck length, a free gas volume can in principle be determined according to the following equation:
Figure 00090001
where c is the speed of sound, S is the cross-sectional area of the considered opening ("resonator neck opening cross-section"), for example the inlet opening 4 , V the free gas volume and L the effective length effective length of the vibration excited gas volume ("resonator neck length"), analogous to a length of a bottleneck. The cross-sectional area S can be determined by measuring, while the effective length L could be determined by experimental tests, with known free gas volume V. The above equation is to be adjusted via correction factors and the like to the actual conditions, such as the shape
Figure 00100001
where the term 2ΔL is also referred to as the orifice correction.

An einem Datenausgang 24 kann dann das ermittelte Volumen in Form von Daten oder Signalen an weitere Systeme oder dergleichen gesandt werden.At a data output 24 Then, the determined volume in the form of data or signals to other systems or the like can be sent.

Die Analyseeinheit 16 muss nicht zwangsläufig als eine separate Einheit ausgeführt sein, sondern sie könnte beispielsweise auch in einer Steuer- oder Regelvorrichtung integriert sein, die einem Schmutzwassersystem oder dergleichen angehört und beispielsweise das Ventil 12 ansteuert. Unerheblich, ob die Analyseeinheit 16 eine separate Einheit ist oder nicht, kann an einem Statuseingang 26 ein Status des Ventils 12 erfasst werden, so dass die Analyseeinheit 16 nur dann erfassten Schall einer Analyse unterzieht, sobald das Ventil 12 geöffnet ist und Schmutzwasser in den Behälter 2 strömt.The analysis unit 16 does not necessarily have to be designed as a separate unit, but it could for example also be integrated in a control or regulating device belonging to a dirty water system or the like and, for example, the valve 12 controls. Irrelevant, whether the analysis unit 16 is a separate unit or not, can be at a status input 26 a status of the valve 12 be captured, so that the analysis unit 16 Only then does sound undergo an analysis as soon as the valve 12 is open and dirty water in the container 2 flows.

Das Ventil 12 kann ferner über eine beliebige Verbindung 28 mit einer Steuer- oder Regeleinrichtung verbunden werden, die in der vorliegenden Darstellung nicht berücksichtigt wird.The valve 12 can also be via any connection 28 be connected to a control or regulating device, which is not taken into account in the present presentation.

Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass der Behälter 2 eine Druckausgleichsöffnung 30 aufweist, durch die überschüssige Luft entweichen kann. Gleichermaßen könnte an dieser Abluftöffnung 30 auch ein Vakuumgenerator 32 angeordnet sein, der den Behälter 2 stets unter Unterdruck setzt, sobald Schmutzwasser in den Behälter 2 eingefüllt werden soll oder konstant während der Betriebszeit des betreffenden Fahrzeugs. Sollte dies der Fall sein ist es notwendig, die Auswerteeinheit darüber in Kenntnis zu setzen, dass ein Vakuumgenerator für den Unterdruck sorgt, da sich durch diesen Betriebszustand die relevanten Gasvolumina und die effektive Länge L beispielsweise durch ein zusätzliches, geöffnetes Ventil ändern können.For completeness, it should be mentioned that the container 2 a pressure compensation opening 30 has, through which excess air can escape. Equally could be at this exhaust port 30 also a vacuum generator 32 be arranged, the container 2 always under negative pressure, as soon as dirty water in the container 2 should be filled or constant during the period of operation of the vehicle concerned. Should this be the case, it is necessary to inform the evaluation unit that a vacuum generator provides for the negative pressure, since the relevant gas volumes and the effective length L can change as a result of this operating state, for example through an additional, open valve.

Weiter sei an dieser Stelle erwähnt, dass eine Schwingungserregung auch an der Abluftöffnung 30 erfolgen könnte, die zu einer Helmholtz-Resonanz führt. Es wäre auch möglich, dass sowohl die Einlauföffnung 4 als auch die Druckausgleichsöffnung 30 eine Helmholtz-Resonanz induzieren und der Schallaufnehmer 16 zwei unterschiedliche Helmholtz-Resonanzen erfassen und auswerten kann, etwa durch eine Fourier-Transformation, in der beide Resonanzfrequenzen als Frequenzspitzen ersichtlich sind.It should also be mentioned at this point that a vibration excitation at the exhaust port 30 could lead to a Helmholtz resonance. It would also be possible for both the inlet opening 4 as well as the pressure equalization opening 30 induce a Helmholtz resonance and the transducer 16 Two different Helmholtz resonances can be detected and evaluated, for example by a Fourier transformation in which both resonant frequencies are visible as frequency peaks.

Es ist darauf hinzuweisen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht auf die Verwendung in einem Fahrzeug beschränkt ist, sondern in jedem System und in jeder Anlage eingesetzt werden kann, in der zumindest kurzzeitig eine Luftströmung in einen Behälter zu erwarten ist. It should be noted that the device according to the invention is not limited to use in a vehicle, but can be used in any system and in any system in which at least for a short time an air flow into a container is to be expected.

In 2 wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erfassen eines Füllstands eines Behälters dargestellt. Auf ein Öffnen 34 einer Einfüllöffnung 4 werden Schallwellen innerhalb eines freien Gasvolumens 8 des Behälters erfasst 36. Anschließend wird eine Helmholtz-Frequenz aus den erfassten Schallwellen ermittelt 38 und daraus das freie Gasvolumen in dem Behälter bestimmt 40. Die Bestimmung kann dabei eine relative oder absolute Bestimmung umfassen, d. h. es wird entweder das absolute freie Gasvolumen 6 ermittelt oder eine Änderung des freien Gasvolumens 6 auf Basis einer registrierten Änderung der ermittelten Helmholtz-Frequenz.In 2 an embodiment of a method according to the invention for detecting a level of a container is shown. On opening 34 a filling opening 4 Sound waves are within a free gas volume 8th of the container detected 36 , Subsequently, a Helmholtz frequency is determined from the detected sound waves 38 and determines the free gas volume in the container 40 , The determination can include a relative or absolute determination, ie it is either the absolute free gas volume 6 determined or a change in the free gas volume 6 based on a registered change of the determined Helmholtz frequency.

Schließlich zeigt 3 ein Flugzeug 42, das mit einem Schmutzwassersystem 44 ausgestattet ist, welches einen Behälter 2 mit einer Einlauföffnung 4 umfasst. Zum Zwecke einer besonders leichten Konstruktion kann der Behälter 2 aus einem Faserverbundstoff hergestellt sein, etwa einem CFK oder GFK, welcher zusätzlich mit einer Innenverkleidung aus einer dünnen Lage Edelstahl versehen sein kann. Durch Verwendung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Erfassen des Füllstands in einem derartigen Behälter kann der Behälter 2 ausschließlich vor dem Hintergrund idealer mechanischer Eigenschaften ausgelegt werden, da ein Schallaufnehmer leicht nachgerüstet werden kann und auf einer Außenseite des Behälters 2 Platz finden könnte. Die Position des Behälters 2 ist lediglich exemplarisch gewählt. Es bietet sich neben der gezeigten Position auch an, den Einbauart des Behälters 2 in Form eines Abwassertanks möglichst in das Heck des Flugzeugs 42 zu legen, so dass vermieden werden kann, dass mit dem Gasstrom austretende Keime während des Flugs beispielsweise mit Frischwasser-Armaturen in Kontakt geraten.Finally shows 3 an airplane 42 That with a dirty water system 44 equipped, which is a container 2 with an inlet opening 4 includes. For the purpose of a particularly lightweight construction of the container 2 be made of a fiber composite, such as a CFRP or GRP, which may be additionally provided with an inner lining of a thin layer of stainless steel. By using a device according to the invention for detecting the level in such a container, the container 2 be designed exclusively against the background of ideal mechanical properties, as a sound pickup can be easily retrofitted and on an outside of the container 2 Could find space. The position of the container 2 is chosen only as an example. In addition to the position shown, it is also suitable for the type of installation of the container 2 in the form of a sewage tank as possible in the stern of the aircraft 42 so that it can be avoided that come out with the gas flow germs during the flight, for example, with fresh water fittings in contact.

Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „aufweisen” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt, und „ein” oder „eine” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.In addition, it should be noted that "comprising" does not exclude other elements or steps, and "a" or "an" does not exclude a plurality. It should also be appreciated that features described with reference to any of the above embodiments may also be used in combination with other features of other embodiments described above. Reference signs in the claims are not to be considered as limiting.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (10)

Vorrichtung zum Erfassen des Füllstands eines Behälters (2), aufweisend – mindestens einen an dem Behälter (2) befestigbaren Schallaufnehmer (10), – mindestens eine mit dem Schallaufnehmer (10) verbundene Auswerteeinheit (16), wobei die Auswerteeinheit (16) dazu eingerichtet ist, mindestens eine Helmholtz-Frequenz aus von dem Schallaufnehmer (10) aufgenommenen Schallwellen zu ermitteln und aus der Helmholtz-Frequenz ein freies Gasvolumen in dem Behälter zu bestimmen.Device for detecting the level of a container ( 2 ), comprising - at least one on the container ( 2 ) attachable sound sensor ( 10 ), - at least one with the sound sensor ( 10 ) associated evaluation unit ( 16 ), whereby the evaluation unit ( 16 ) is arranged to emit at least one Helmholtz frequency from the transducer ( 10 ) and to determine from the Helmholtz frequency a free gas volume in the container. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Auswerteeinheit (16) dazu eingerichtet ist, eine Änderung der Helmholtz-Frequenz zu ermitteln, die zwischen zwei nacheinander stattfindenden Befüllvorgängen des Behälters (2) eintritt.Apparatus according to claim 1, wherein the evaluation unit ( 16 ) is adapted to determine a change in the Helmholtz frequency, which occurs between two successive filling operations of the container ( 2 ) entry. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Auswerteeinheit (16) dazu eingerichtet ist, während der Dauer eines einzelnen Befüllvorgangs des Behälters (2) eine Änderung einer Helmholtz-Frequenz zu bestimmen.Apparatus according to claim 1, wherein the evaluation unit ( 16 ) is set up during the period of a single filling operation of the container ( 2 ) to determine a change in a Helmholtz frequency. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schallaufnehmer (10) als ein an einer Außenseite des Behälter (2) befestigbarer Körperschallaufnehmer ausgeführt ist.Device according to one of the preceding claims, wherein the sound sensor ( 10 ) as an on an outside of the container ( 2 ) attachable structure-borne sound pickup is executed. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (16) dazu eingerichtet ist, ein Ton-Frequenzspektrum zu erfassen, das von dem Schallaufnehmer (10) registriert wird und aus dem erfassten Frequenzspektrum mindestens eine Helmholtz-Frequenz zu bestimmen.Device according to one of the preceding claims, wherein the evaluation unit ( 16 ) is adapted to detect a sound frequency spectrum which is emitted by the sound sensor ( 10 ) and to determine at least one Helmholtz frequency from the detected frequency spectrum. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine zusätzliche Erregeranordnung zur Anregung einer Helmholtz-Resonanz.Apparatus according to any one of the preceding claims, further comprising an additional exciter assembly for exciting a Helmholtz resonance. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend mindestens eine Störkante zum Erregen einer Helmholtz-Resonanz in dem freien Gasvolumen des Behälters (2)Device according to one of the preceding claims, further comprising at least one interfering edge for exciting a Helmholtz resonance in the free gas volume of the container ( 2 ) Verfahren zum Ermitteln des Füllzustands eines Behälters (2), aufweisend die Schritte: – Öffnen einer Einfüllöffnung (4); – Erfassen von Schallwellen innerhalb eines freien Gasvolumens (8) des Behälters (2); – Ermitteln mindestens einer Helmholtz-Frequenz aus den erfassten Schallwellen und – Ermitteln des freien Gasvolumens (8) in dem Behälter (2).Method for determining the filling state of a container ( 2 ), comprising the steps: - opening a filling opening ( 4 ); - Detecting sound waves within a free gas volume ( 8th ) of the container ( 2 ); Determining at least one Helmholtz frequency from the detected sound waves and determining the free gas volume ( 8th ) in the container ( 2 ). Schmutzwassersystem für ein Fahrzeug, aufweisend: – mindestens einen Behälter (2) zum Aufnehmen von Schmutzwasser; – mindestens einen an dem Behälter (2) befestigbaren Schallaufnehmer (10), – mindestens eine mit dem Schallaufnehmer (10) verbundene Auswerteeinheit (16), wobei die Auswerteeinheit (16) dazu eingerichtet ist, mindestens eine Helmholtz-Frequenz aus von dem Schallaufnehmer (10) aufgenommenen Schallwellen zu ermitteln und aus der Helmholtz-Frequenz ein freies Gasvolumen in dem Behälter zu bestimmen.Dirty water system for a vehicle, comprising: - at least one container ( 2 ) for receiving dirty water; At least one on the container ( 2 ) attachable sound sensor ( 10 ), - at least one with the sound sensor ( 10 ) associated evaluation unit ( 16 ), whereby the evaluation unit ( 16 ) is arranged to emit at least one Helmholtz frequency from the transducer ( 10 ) and to determine from the Helmholtz frequency a free gas volume in the container. Verwendung eines Schmutzwassersystems nach Anspruch 9 in einem Flugzeug.Use of a dirty water system according to claim 9 in an aircraft.
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