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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen des Füllgrads eines teilweise mit imkompressiblem Füllgut befüllten geschlossenen Behälters mit einem Leerbereich, mit festen bekannten Behältervolumen und dem Volumina des Füllguts und dem Volumen eines Leerbereichs.
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Nahezu überall dort, wo mit Füllgut befüllte Behälter eingesetzt werden, ist die Bestimmung des – unbekannten – Füllstandes des Füllguts im Behälter von großer Bedeutung, insbesondere wenn es sich bei dem Füllgut um Schüttgüter oder Flüssigkeiten handelt. Jener Raum des Behälters, welcher nicht durch das Füllgut ausgefüllt wird, als Leerbereich bezeichnet, der zunächst – vor – Messung ebenso unbekannt ist, wie die Füllmenge. Durch die Bestimmung des Füllstandes in dem Behälter lassen sich wichtige Parameter für verschiedenste Prozesse ableiten, wie beispielsweise verbleibendes Volumen des Füllgutes im Behälter, Entnahmegeschwindigkeit des Füllgutes vom Behälter sowie das eingenommene Volumen des Füllgutes im Behälter.
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Ein gängiges Verfahren zur Füllstandsmessung insbesondere von mit imkompressiblen Flüssigkeiten befüllte Behältern, ist die Füllstandsmessung mittels eines Schwimmers. Die Bestimmung des Füllstandes reduziert sich dabei auf die Bestimmung der Höhe des Schwimmkörpers des Schwimmers über dem Behälterboden. Diese wird z. B. elektrisch, magnetisch oder optisch durch Sensoren erfasst. Dabei kann der Schwimmkörper in einem Rohr geführt sein, um laterale Bewegungen, also Bewegungen an und in Richtung der Oberfläche des Füllgutes, auszuschließen. Der Füllstand des Füllgutes wird durch eine Positionsvermessung des Schwimmkörpers entlang einer Achse senkrecht zur Flüssigkeitsoberfläche durchgeführt.
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Diese wesentlich mechanische Messweise des Füllstandes ist ungenau und kann zu einem falschen Ergebnis führen. Insbesondere im Falle von Kraftstofftanks an Kraftfahrzeugen oder Arbeitsmaschinen auf dem Land, im oder auf dem Wasser und in der Luft führt eine Füllstandsmessung durch einen Schwimmer sowohl durch Fahrbewegungen und die Trägheit des Schwimmers als auch bei Schwingstellung zu falschen Ergebnissen. Dies kann beispielsweise zu gravierenden Fehleinschätzungen des Fahrzeugführers aufgrund einer falsch eingeschätzten Kraftstoffreserve führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Verbesserung der genannten Nachteile ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen des Füllgrads eines geschlossenen Behälters zu schaffen, wobei die o. g. Nachteile beseitigt werden sollen. Insbesondere schließt dies ein, dass das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Bestimmung des Füllstandes eines geschlossenen Behälters ermöglichen, dabei aber unanfällig gegenüber Bewegungen und Neigungen des Behälters sein sollen.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass das Volumen des Leerbereichs des Behälters um ein vorgegebenes Differenzvolumen verändert wird, dass der Druck des Leerbereichs vor der Volumenänderung und der Druck des geänderten Volumens des Leerbereichs gemessen wird und aus den Messungen die Füllmenge des Füllguts im Behälter bestimmt wird. Zur Lösung der Erfindung ist eine gattungsgemäße Vorrichtung gekennzeichnet durch mindestens eine Volumenänderungseinheit zur Änderung des Leervolumens des Behälters um ein vorgegebenes Differenzvolumen, mindestens ein den Druck in einem der Behälter messender Drucksensor im oder am Behälter zur Messung des Druckes im Leerbereich vor der Volumenänderung und des Innendruckes nach der Volumenänderung und mindestens eine Auswerte- und Kontrolleinheit zur Auswertung der Messwerte des Drucksensors unter Berücksichtigung des um das bekannte Differenzvolumen geänderten Leervolumen des Behälters.
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Durch die Messung der Füllmenge anhand Messungen bei geändertem Volumina des Leerbereichs wird eine Unabhängigkeit der Füllgradbestimmung gegenüber Bewegungen und Neigungen des Behälters erreicht. Der Druck sowie das Volumen der entsprechenden Bereiche werden nicht durch Verkippen des Behälters beeinflusst, sondern bleiben dabei konstant.
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Aufgrund des Wärmekapazität des Behälters und des Füllguts sowie bei Wärmeaustausch in der Umgebung erfolgt das Verfahren im wesentlichen isotherm. Hierdurch ist eine Messung der Temperatur(änderung) nicht notwendig. Grundsätzlich kann eine solche aber erfolgen und es können die Messwerte in üblicher Weise in die Bestimmung eingehen.
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Der Behälter wird zumindest während des Messvorgangs nach außen hin hermetisch abgeschlossen. Hierdurch wird erreicht, dass die Gasmasse im Behälter während des Verfahrens konstant bleibt. Dieser Umstand erlaubt eine Vereinfachung des Verfahrens zur Bestimmung des Füllstandes.
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Die Druckmessung erfolgt durch Drucksensoren, die vorzugsweise an der oberen Innenseite des Behälters angebracht sind. In dieser Position ist eine einfache und zuverlässige Druckmessung möglich, welche weitestgehend unabhängig von Neigungen des Behälters und des Füllguts durchgeführt werden kann.
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Die Frequenz der Messung hängt von verschiedenen Voraussetzungen ab, wobei Behältervolumen, Entnahmefrequenz, Entnahmemenge bei jedem Vorgang, etc.. Bei dem Tank eines Kraftfahrzeugs kann es durchaus möglich sein, zunächst nur alle 30 bis 60 min zusammen und ab einer genaueren Tankfüllung von beispielsweise 10% die Frequenz zu verzehnfachen. Durch diesen zeitlichen Abstand zweier ist stets gewährleistet, dass im Inneren des Behälters ein Gleichgewichtszustand der vorhandenen Phasen und Materialien herrscht auch bei flüssigem Füllgut. Dies erhöht die Stabilität und Zuverlässigkeit der Ergebnisses.
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Bei einem flüssigen Medium in einem abgeschlossenen Behälter liegt das Medium nach einer endlichen Zeit nicht nur in der flüssigen, sondern auch teilweise als Dampf in einer gasförmigen Phase vor. Das Verhalten des Dampfes entspricht jedoch nicht jenem eines idealen Gases, denn durch eine Druckerhöhung im Behälter nimmt der Anteil des Dampfes ab und jener der flüssigen Phase zu. Zu einer genaueren Berechnung des Füllstandes kann daher der Einfluss des Dampfdrucks auf die Berechnung des Füllstandes berücksichtigt werden. Insbesondere unter der vorzugsweisen Berücksichtigung, dass die Messung erst dann durchgeführt wird, wenn der Dampfdruck der gasförmigen Phase des Füllgutes den Wert des Sättigungsdampfdruckes erreicht hat, was in der Regel auch bei Füllgutänderungen innerhalb deutlich weniger als einer Minute gegeben ist. Dann stehen die flüssige und die gasförmige Phase des Füllguts im Gleichgewicht und die Anteile beider Phase bleiben konstant. Dadurch werden Schwankungen der Anteile der gasförmigen und flüssigen Phase des Füllgutes weitestgehend vermieden, was eine Steigerung der Zuverlässigkeit der erhaltenen Ergebnisse beinhaltet.
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Vorzugsweise sehen Weiterentwicklungen der Erfindung vor, dass die Volumenänderung des Leerbereichs und die damit verbundene Druckänderung durch eine Volumenänderungseinheit hervorgerufen wird. Dies hat den Vorteil einer definierten Volumenänderung und damit einer erhöhten Präzision der erhaltenen Messwerte. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Volumenänderungseinheit durch eine Pumpe mit einem definierten Über- und/oder Unterdruck angesteuert wird. In dieser Weiterentwicklung der Erfindung kann die Volumenänderung gezielt eingestellt werden, wodurch sich das Verfahren auf die jeweiligen Umstände im Behälter dimensionieren lässt.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sehen vor, dass das Volumen des Füllguts aufgrund der Messung bestimmt wird durch: VF = VB – P / DP·DV, (1) wobei gilt
- VF
- Füllgutvolumen
- VB
- Behältervolumen
- DV
- Differenzvolumen
- P
- gemessener Druck
- DP
- Druckänderung.
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Hierdurch ist ein expliziter und einfacher Ausdruck für die Bestimmung des Füllstandes als Volumen der Füllmenge gegeben. Dies ermöglicht eine einfache und zuverlässige Auswertung der Messergebnisse und dadurch eine robuste Bestimmung des Füllgutes im Behälter, insbesondere bei festem Füllgut, wie Schüttgut.
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Während vorstehende Bestimmung vorzugsweise auch bei flüssigem Füllgut verwendet werden kann, ist bei einer solchen zu einer genaueren Bestimmung insbesondere vorgesehen, dass bei einer Flüssigkeit des Füllguts (2) das Volumen (VF) als Füllgut (2) aufgrund der Messung bestimmt wird durch VF = VB – ( P / DP – 1)·DV, (2) wobei gilt
- VF
- Füllgutvolumen
- VB
- Behältervolumen
- DV
- Differenzvolumen
- P
- gemessener Druck
- DP
- Druckänderung.
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Darüber hinaus kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, den Prozess so auszugestalten, dass das Volumen des Füllgutes im Behälter mit einem Fehler von maximal 1% bestimmt wird. Diese Fehlertoleranz bestimmt sich aus den Toleranzen der Prozessparameter bei der Formel (1) allerdings nur bei festem Füllgut. Die Fehlertoleranzen können im Rahmen der Erfindung so gesteuert werden, dass eine hoch-präzise Bestimmung des Füllgutes im Behälter ermöglicht wird.
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Als Element zur Volumenänderung kann die Volumenänderungseineinheit grundsätzlich einen Kolben, einen Ballon (in einem definierten Gehäuse) eine Membran oder dergleichen aufweisen. Das Medium zur Änderung des Volumens im Tank oder Behälter kann neben Gas, insbesondere Luft, grundsätzlich auch eine Flüssigkeit (Wasser) sein.
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Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Volumenänderungseinheit eine Membran aufweist. Diese Art der Ausgestaltung vermag in besonders einfacher Weise die erforderliche Volumenänderung im Behälter zu bewerkstelligen. Insbesondere dann, wenn besonders bevorzugt vorgesehen ist, dass die Volumenänderungseinheit auf einer Seite der Membran eine zum Leerbereich perforierte Anlagewand für eine Membran aufweist und/oder die Volumenänderungseinheit auf der dem Füllgut abgewandten Seite der Membran eine durch eine Pumpe beaufschlagbare Druckkammer aufweist. Auf diese Art wird eine definierte Ansteuerung der Membran und damit eine definierte Volumenänderung umsetzbar.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert ist. Dabei zeigen:
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1 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung,
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2 eine Volumenänderungseinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit vergrößertem Leervolumen zur Druckmessung; und
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3 eine Volumenänderungseinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit verkleinertem Leervolumen zur Druckmessung.
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In 1 ist ein Behälter 1 ersichtlich, welcher als Tank ausgebildet ist. Dieser ist befüllt mit einem Füllgut 2. Der nicht durch das Füllgut ausgefüllte Teil des Tankes 1 ist der Leerbereich 3. An der Oberseite des Tanks 1 ist ein Drucksensor 4 angebracht. Daneben befindet sich ebenfalls an der Oberseite des Tanks 1 eine Volumenänderungseinheit. Diese weist eine Druckkammer 7 auf, die – hier beispeilhaft – durch eine gasdichte Membran 5.1 in zwei Bereiche getrennt ist. In der Einlassleitung 7.1 ist eine Pumpe 6 angeordnet. Sowohl die Pumpe 6 als auch der Drucksensor 4 sind über Signalleitungen mit einer Auswerte- und Kontrolleinheit 9 verbunden. Diese steuert die Pumpe 6 und den damit durch diese bewirkten Über- oder Unterdruck in der Druckkammer 7. Sie empfängt auch die in dem Leerbereich 3 gemessenen Druckwerte des Drucksensors 4. Auf der Unterseite des Tanks 1 befindet sich ein Ausflussventil 8, durch das Füllgut 2 in den Tank 1 hinein- oder heraus fließen kann. Es können auch separate Einlass- und Auslassleitungen vorhanden sein.
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Der Tank 1 ist gegenüber der Außenwelt hermetisch abgedichtet. Ferner ist der Tank 1 so ausgestaltet, dass ein Temperaturwechsel für die Dauer der Messung näherungsweise vernachlässigt werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Füllmenge im Behälter 1 gestaltet sich folgendermaßen: Das gesamte Innenvolumen VB des Behälters 1 ist bekannt. Dieser ist entweder maßgenau gefertigt oder das Volumen ist vorab bestimmt worden. Bei einer bestimmten Menge des Füllguts 2 des Behälters 1 teilt sich das Volumen VB in das Volumen VF des Füllguts 2 und das Volumen VL des Leerbereichs 3 auf. Ihre Summe ergibt jeweils das Volumen VB. Entsprechendes gilt für das Druckkammer- oder Differenz-Volumen DV der Druckkammer. Zur Bestimmung der Füllmenge des Füllguts 2 im Behälter 1 zu einem bestimmten Zeitpunkt wird zunächst über die Pumpe 6 ein Unterdruck an die Druckkammer 7 angelegt. Die Membran 5 legt sich im oberen Bereich an die Wände der Druckkammer 7 an (2), so dass das Druckkammervolumen DV mit dem Behältervolumen VB in Verbindung steht. Es erfolgt eine erste Druckmessung, die einen Druck P1 ergibt. Unmittelbar danach beaufschlagt die Pumpe 6 die Druckkammer 7 mit Überdruck, so dass sich die Membran 5 an die Unterseite der Druckkammer 7 anlegt und deren Volumen von dem Behältervolumen fortgenommen wird. Wiederum wird der Druck gemessen zu P2 wobei P2 < P1. Die Differenz wird mit DP bezeichnet. Die Temperatur im Behälter 1 erhöht sich bei diesen schnell aufeinanderfolgenden Messungen nicht; die Druck- und Volumenänderung ist isotherm.
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Unter Berücksichtigung der Zustandsgleichung für ideale Gase lässt sich näherungsweise eine Gleichung für die Bestimmung des Füllstandes als Volumen VF des Füllguts 2 im Tank 1 herleiten: VF = VB – VL VF = VB – P· DV / DP.
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Diese Gleichung basiert insbesondere darauf, dass Druck und Volumen eines idealen Gases in einem geschlossenen System bei teilweise Druck-Volumenänderungen antiproportional zu einander sind. Die Bedingungen sind zum Einen gegeben durch die entsprechenden thermischen Eigenschaften des Tanks 1 und zum Anderen über das Schließen des Abflussventils 8.
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Der Wert des Füllstandes wird durch die Auswerte- und Kontrolleinheit 9 berechnet und kann weitergegeben werden an Elemente einer ggf. übergeordneten Prozesskette.
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Der oben dargestellte Sachverhalt gilt für Schüttgut als in fester Phase vorliegendem Füllgut 2. Im Falle von Flüssigkeiten als Füllgut 2 im Tank 1 bildet sich in einem abgeschlossenen Tank 1 neben der flüssigen Phase des Füllguts 2 auch eine gasförmige Phase, der Dampf des Füllguts entsprechend dessen Sättigungsdrucks. Dieser breitet sich neben der vorherrschenden Luft im Leerbereichs 3 aus. Im Gegensatz zur vorhandenen Luft verhält sich der Dampf nicht nach den Gesetzmäßigkeiten eines idealen Gases. Insbesondere verringert sich der Dampfanteil im Behälter 1 bei einer Erhöhung des Druckes. Das Verhalten des Dampfes und die Auswirkungen auf den Druck im Leerbereich 3 sind dabei lediglich abhängig vom Material des Füllgutes 2 sowie dessen Temperatur und lassen sich einschlägigen Tabellen entnehmen. Die Ausgestaltung der Auswerte- und Kontrolleinheit 9 kann dies über ggf. vorhandene Temperatursensoren berücksichtigen und gelangt somit zu einer präzisen Bestimmung des Füllstandes analog zum oben angeführten Verfahren für Schüttgut. Sie berücksichtigt dabei lediglich in einem zusätzlichen Verfahrensschritt die Auswirkung der gasförmigen Phase des Füllgutes 2 im Behälter 1 auf den Druck im Leerbereich 3.
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Die Ausbildung der gasförmigen Phase des Füllgutes 2 im Behälter 1 geschieht über die Zeit mit exponentiellen Verlauf. Um einen weitestgehend ausgeprägten Gleichgewichtszustand zwischen gasförmiger und flüssiger Phase des Füllgutes 2 im Behälter 1 zu erhalten, wird daher zwischen der Änderung des Volumens durch die Membran 5 im Behälter 1 und dem nächsten Schritt, der Messung des Druckes durch den Drucksensor 4 im Behälter 1, eine hinreichende Zeit gewartet. Diese Zeit kann bis zu ungefähr 60 Sekunden betragen, was zu einer Messfrequenz von einer Messung pro Minute führt. Hierdurch ist gewährleistet, dass die Anteile von gasförmiger und flüssiger Phase des Füllgutes 2 sich dem geänderten Volumen des Behälters durch die Bewegung der Membran 5 angepasst und einen Gleichgewichtszustand eingenommen haben. Dadurch ist auch im Falle einer Flüssigkeit als vorhandenen Füllgut 2 im Behälter eine präzise Bestimmung des Füllstandes möglich.
