DE102016125614A1

DE102016125614A1 - Optische Füllstandsmesseinrichtung und Verfahren zum Messen eines Füllstandes

Info

Publication number: DE102016125614A1
Application number: DE102016125614.5A
Authority: DE
Inventors: Yan Zaripov
Original assignee: fos4X GmbH
Current assignee: fos4X GmbH
Priority date: 2016-12-23
Filing date: 2016-12-23
Publication date: 2018-06-28

Abstract

Eine Vorrichtung zum Messen eines Füllstandes eines Fluids in einem Behälter ist beschrieben. Die Vorrichtung beinhaltet eine optische Faser 110 mit einem in der optischen Faser zur Verfügung gestellten Sensor 120 zur Messung der Dehnung der optischen Faser; ein mit der optischen Faser verbundenes Gewicht 130; eine Lichtquelle, wobei Licht der Lichtquelle in die optische Faser eingekoppelt wird; ein Detektor zur Messung eines Antwortsignals des Sensors; und eine Auswerteeinheit zur Ermittlung eines mit dem Füllstand 20 korrespondierenden Signals basierend auf dem Antwortsignal.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen eines Füllstandes eines Fluids in einem Behälter. Insbesondere betreffen Ausführungsformen eine Vermessung eines Füllstandes eines Fluids, zum Beispiel eines Flüssigkeitsstandes, mittels einem in einer optischen Faser zur Verfügung gestellten Sensor, zum Beispiel die Vermessung des Flüssigkeitsstandes mittels eines Bragg-Gitters.
STAND DER TECHNIK
Für viele Anwendungen in der Industrie aber auch für den privaten Gebrauch ist die Messung eines Füllstandes in einem Behälter von Bedeutung. Bei der Messung eines Füllstandes kann grundsätzlich zwischen Schüttgütern und Fluiden unterschieden werden, da durch die Viskosität von Fluiden eine von Schüttgütern unterschiedliche Befüllung eines Behälters stattfindet.
Es ist eine Vielzahl alternativen Methoden zur Messung von Füllständen bekannt. Zum Beispiel können kapazitive Messungen vorgenommen werden, wobei das Schüttgut oder das Fluid ein Dielektrikum zwischen zwei Leitern bildet. Hierbei kann eine Kalibrierung jedoch schwierig sein und leitende Stoffe nicht oder nur schwer gemessen werden. Darüber hinaus existiert eine Stromzuführung in den Behälter. Weiterhin kann eine Messung mit Schwimmern, Ultraschall, Radar, ionisierter Strahlung, oder mittels magnetischer oder thermischer Messung durchgeführt werden. Auch radioaktive Messungen können eingesetzt werden. Viele dieser Messverfahren benötigen eine Stromzuführung innerhalb des zu befüllenden Behälters oder in die Nähe des zu befüllenden Behälters. Darüber hinaus kann eine Messung an beweglichen Behältern bei diesen Verfahren schwierig sein. Weiterhin können einige der Messverfahren für bestimmte Materialien ungeeignet sein. Zum Beispiel kann eine radioaktive Messung an Lebensmitteln zu unerwünschter Kontaminierung führen.
Auch die Verwendung mehrerer Bauteile zur Messung des Füllstandes kann hinsichtlich Beschädigung des Meßsystems und Korrosion des Messsystems nachteilig sein.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Vorrichtung zum Messen eines Füllstandes eines Fluids in einem Behälter, ein Behälter zur Aufbewahrung von Fluiden mit einer Messvorrichtung, und ein Verfahren zum optischen Messen eines Füllstandes eines Fluids in einem Behälter sind zur Verfügung gestellt. Bevorzugte Ausführungen und besondere Aspekte der Offenbarung ergeben sich aus der detaillierten Beschreibung, den Figuren und den Unteransprüchen.
Gemäß einer Ausführungsform ist eine Vorrichtung zum Messen eines Füllstandes eines Fluids in einem Behälter zur Verfügung gestellt. Die Vorrichtung beinhaltet eine optische Faser mit einem in der optischen Faser zur Verfügung gestellten Sensor zur Messung der Dehnung der optischen Faser; ein mit der optischen Faser verbundenes Gewicht; eine Lichtquelle, wobei Licht der Lichtquelle in die optische Faser eingekoppelt wird; ein Detektor zur Messung eines Antwortsignals des Sensors; und eine Auswerteeinheit zur Ermittlung eines mit dem Füllstand korrespondierenden Signals basierend auf dem Antwortsignal.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Behälter zur Aufbewahrung von Fluiden zur Verfügung gestellt. Der Behälter beinhaltet einen Boden des Behälters; eine Umrandung des Behälters mit einem oberen Ende und einem unteren Ende; und eine Vorrichtung gemäß einer der in der vorliegenden Offenbarung offenbarten Vorrichtungen zum Messen eines Füllstandes eines Fluids in einem Behälter, wobei das Gewicht von dem Boden des Behälters beabstandet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Verfahren zum optischen Messen eines Füllstandes eines Fluids in einem Behälter zur Verfügung gestellt. Das Verfahren beinhaltet einkoppeln von Licht in eine optische Faser, wobei die optische Faser einen Sensor zur Messung der Dehnung der optischen Faser beinhaltet; detektieren eines Antwortsignals des Sensors, um eine Differenz einer Gravitationskraft und einer Auftriebskraft zu ermitteln; und ermitteln eines mit dem Füllstand korrespondierenden Signals basierend auf dem Antwortsignals.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

1 eine optische Messeinrichtung zur Messung eines Füllstandes gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
2 eine Sensorfaser, welche ein als ein Faser-Bragg-Gitter ausgebildetes integriertes Sensorelement zur Messung einer Faserdehnung enthält;
3 eine Sensor-Reflexionsantwort, die hervorgerufen ist durch ein in 2 dargestelltes integriertes Sensorelement innerhalb der Faser;
4 ein schematisches Blockbild einer faseroptischen Messvorrichtung mit Lichtquelle, Faserkoppler und Detektionsanordnung, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5A eine weitere optische Messeinrichtung zur Messung eines Füllstandes gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung mit Auftriebsköpern;
5B eine weitere optische Messeinrichtung zur Messung eines Füllstandes gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung mit unterschiedlichen Ausgestaltungen einer Temperaturkompensation;
6 eine weitere optische Messeinrichtung zur Messung eines Füllstandes gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung mit einem Auftriebskörper;
7 eine weitere optische Messeinrichtung zur Messung eines Füllstandes gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung mit einem Führungselement;
8 eine weitere optische Messeinrichtung zur Messung eines Füllstandes gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung mit einem variablen Auftriebskörper; und
9 ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Messen eines Füllstandes veranschaulicht.

In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten oder Schritte.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden wird detaillierter Bezug genommen auf verschiedene Ausführungsformen der Offenbarung, wobei ein oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen veranschaulicht sind.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, die hierin beschrieben sind, betreffen unter anderem eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen eines Füllstandes eines Fluids in einem Behälter. Insbesondere betreffen Ausführungsformen eine Vermessung des Flüssigkeitsstandes mittels einem in einer optischen Faser zur Verfügung gestellten Sensor, zum Beispiel die Vermessung des Flüssigkeitsstandes mittels eines Bragg-Gitters.
Es wird eine optische Faser, die an ihrem freien Ende mit einem Gewicht versehen ist, in ein Behälter, zum Beispiel eine Zisterne, eingetaucht. In Abhängigkeit des Füllstandes ändert sich die Auftriebskraft auf die optische Faser. Ein Bragg Gitter, das über dem freien Ende der optischen Faser zur Verfügung gestellt ist, misst die Dehnung der optischen Faser. Über die Veränderung einer Wellenlänge des reflektierten Lichts oder des transmittierten Lichts kann somit der Füllstand ermittelt werden.
1 zeigt ein Behälter mit einem Boden 11 und einer Umrandung 10. weiterhin kann der Behälter in manchen Ausführungsformen einen Deckel 12 oder eine Decke aufweisen. Diese können ein Teil des Behälters sein. In dem Behälter ist ein Fluid 22 dargestellt, das einen Füllstand 20 aufweist. Das Messsystem 100 beinhaltet eine optische Faser 110. Gemäß manchen Ausführungsformen kann die optische Faser 110 in einem Kabel zur Verfügung gestellt sein, d.h. die optische Faser 110 kann eine Ummantelung aufweisen. Die optische Faser 110 kann, wie in 1 dargestellt, an einer Halterung 140 befestigt sein. Die Halterung 140 ist in 1 an dem Deckel 12 zur Verfügung gestellt.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist die Halterung bzw. der Befestigungspunkt der optischen Faser 110 am oberen Ende des Behältnisses zur Verfügung gestellt. Die Halterung bzw. der Befestigungspunkte der optischen Faser kann zumindest in einem oberen Bereich des Behälters zur Verfügung gestellt sein, zum Beispiel oberhalb des maximalen Füllstandes.
An oder in der Nähe des unteren Endes der optischen Faser 110 ist ein Gewicht 130 zur Verfügung gestellt. Ferner beinhaltet die optische Faser 110 einen Sensor 120 zum Beispiel in Form eines Bragg Gitters. Der Sensor 120 kann in der Nähe des Gewichts 130 zur Verfügung gestellt sein, zum Beispiel in einem Abstand von weniger als 1 m. Gemäß manchen Ausführungsformen kann die Reihenfolge der Elemente von unten nach oben derart sein, dass zunächst die Masse und dann der Sensor angeordnet sind. Der Sensor 120 kann jedoch auch an einer beliebigen Position unterhalb des Befestigungspunktes der optischen Faser 110, d.h. unterhalb der Halterung 140 zur Verfügung gestellt sein.
Wie in 1 dargestellt befindet sich ein Spalt 111 bzw. ein Abstand zwischen dem Boden 11 des Behälters und dem Gewicht 130. Das Gewicht berührt den Boden des Behälters nichts. Somit wirkt die Gewichtskraft 134 auf die optische Faser 110. Wie in Bezug auf die 2 und 3 näher erläutert, kann die daraus resultierende Dehnung optisch gemessen werden. Weiterhin wirkt auf das Gewicht bzw. die optische Faser 110, oder auf Auftriebskörper, wie sie in den 5A-8 beschrieben sind, eine Auftriebskraft 136. Die Auftriebskraft beeinflusst die Dehnung der optischen Faser 110. Die Dehnung der optischen Faser wird beeinflusst durch eine Differenz zwischen der Gewichtskraft 134 und der Auftriebskraft 136. Weiterhin ist die Auftriebskraft abhängig von dem Füllstand 20 des Fluid innerhalb des Behälters. Durch die Abhängigkeit der Auftriebskraft vom Füllstand und der daraus resultierenden Abhängigkeit der Dehnung der optischen Faser vom Füllstand, kann der Füllstand optisch gemessen werden.
Bei einem leeren Behälter, zum Beispiel einem Tank oder einer Zisterne, ist die optische Faser maximal gespannt. Die Auftriebskraft ist minimal. Die Differenz zwischen der Gewichtskraft und der minimalen Auftriebskraft ist somit maximal. Fühlt sich der Behälter, das heißt steigt der Füllstand 20 des Fluid innerhalb des Behälters an, steigt die Auftriebskraft, wodurch die Differenz der beiden Kräfte abnimmt. Gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, ist das Messsystem 100 angepasst, so dass die Gewichtskraft 134 stets größer ist als die Auftriebskraft 136. Die optische Faser 110 hat auch bei maximalen Füllstand eine Restspannung.
Gemäß einigen Ausführungsformen ist die optische Faser bzw. ein Kabel mit der optischen Faser 110 lediglich oberhalb des maximalen Füllstandes, zum Beispiel an der Halterung 140 am Deckel 12, oder an einer Halterung im Bereich des oberen Endes der Umrandung 10 befestigt.
Gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen eignet sich ein Messsystem 100 für die Messung eines Füllstandes in Fluiden. Insbesondere eine Messung von Flüssigkeiten erlaubt eine Ausgestaltung mit einer günstigen Abhängigkeit der Auftriebskraft vom Füllstand. Zum Beispiel können Füllstandsmessungen an Treibstoffen, Ölen oder viskosen Lebensmitteln, zum Beispiel flüssigen Lebensmitteln vorgenommen werden. Messungen können ebenfalls für den Füllstand eines Behälters mit Gasen, zum Beispiel in einer Raffinerie, vorgenommen werden. Da eine Messung im Behälter auf einem optischen Prinzip beruht, kann eine Stromquelle innerhalb des Behälters oder in der Nähe des Behälters vermieden werden. Somit existiert ein sehr großer Schutz bzw. ein absoluter Schutz vor Explosion. Dies kann für eine Füllstandsmessung mancher Fluide von großer Bedeutung sein.
Zur Messung wird in einer Einheit 150 des Meßsystems 100 Licht einer Lichtquelle, zum Beispiel eines Lasers, in die optische Faser 110 ein gekoppelt. Die Einheit 150, die zum Beispiel eine Lichtquelle, einen Detektor, und eine Auswerteeinheit beinhaltet, kann weit entfernt von dem Behälter, zum Beispiel in einem Schaltschrank 50 zur Verfügung gestellt werden. Durch die Führung des Meßsignals über die optische Faser 110 können große Entfernungen zwischen der Einheit 150 und dem Sensor 120, zum Beispiel 10 m oder größer, zur Verfügung gestellt werden. Somit können elektrische Bauteile weit entfernt von einem potenziell explosionsgefährdeten Bereich innerhalb oder in der Nähe des Behälters zur Verfügung gestellt werden, was die Explosionsgefahr des Messsystems minimiert.
2 veranschaulicht einen in einer optischen Faser bzw. in einen Lichtwellenleiter integrierten Sensor 120 bzw. eine Sensoreinheit, welche zum Beispiel ein Faser-Bragg-Gitter 220aufweist. Obwohl in 2 nur ein einziges Faser-Bragg-Gitter gezeigt ist, ist zu verstehen, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf eine Messung aus einem einzelnen Faser-Bragg-Gitter beschränkt ist, sondern dass längs einer Übertragungsfaser bzw. einer optischen Faser eine Vielzahl von Faser-Bragg-Gittern angeordnet sein können. 2 zeigt somit nur einen Abschnitt eines optischen Wellenleiters, welcher als Sensorfaser bzw. optische Faser ausgebildet ist, wobei diese optische Faser empfindlich auf eine Faserdehnung 230 ist.
Es sei hier darauf hingewiesen, dass der Ausdruck „optisch“ bzw. „Licht“ auf einen Wellenlängenbereich im elektromagnetischen Spektrum hinweisen soll, welcher sich vom ultravioletten Spektralbereich über den sichtbaren Spektralbereich bis hin zu dem infraroten Spektralbereich erstrecken kann.
Eine Mittenwellenlänge des Faser-Bragg-Gitters 220, d.h. eine so genannte Bragg-Wellenlänge λ_B, wird durch die folgende Gleichung erhalten: λ_B = 2 · n_k · Λ. Hierbei ist n_k die effektive Brechzahl des Grundmodus des Kerns der Sensorfaser und A die räumliche Gitterperiode (Modulationsperiode) des Faser-Bragg-Gitters 220.
Eine spektrale Breite, die durch eine Halbwertsbreite der Reflexionsantwort gegeben ist, hängt von der Ausdehnung des Faser-Bragg-Gitters 220 längs der optischen Faser 120 ab. Die Lichtausbreitung innerhalb der optischen Faser ist somit durch die Wirkung des Faser-Bragg-Gitters 220 abhängig von physikalischen Größen wie z.B. Kräften, Momenten und mechanischen Spannungen sowie Temperaturen, mit der die optische Faser und insbesondere der Sensor 120 innerhalb der Sensorfaser beaufschlagt werden.
Wie in 2 gezeigt, tritt Messlicht 204 von links in die Sensorfaser 304 ein, wobei ein Teil des Messlichts 204 als ein transmittiertes Licht 206 mit einem im Vergleich zum Messlicht 204 veränderten Wellenlängenverlauf austritt. Ein eingestrahlter Wellenlängenbereich, der durch den integrierten Sensor 120 verändert wird, ist im Folgenden als ein erster Wellenlängenbereich bezeichnet. Ferner ist es möglich, reflektiertes Licht 205 am Eingangsende der Faser (d.h. an dem Ende, an welchem auch das Messlicht 204 eingestrahlt wird) zu empfangen, wobei das reflektierte Licht 204 ebenfalls eine modifizierte Wellenlängenverteilung, wie sie beispielsweise in 3 dargestellt ist (Reflexionsantwort), aufweist.
In einem Fall, in dem das Messlicht 204, das heißt das in die Phase ein gekoppelte Licht einer Lichtquelle, in einem breiten Spektralbereich eingestrahlt wird, ergibt sich in dem transmittierten Licht 206 an der Stelle der Bragg-Wellenlänge ein Absorptionsminimum (im Vergleich zu dem in 3 gezeigten Verlauf invertierter Verlauf). In dem reflektierten Licht ergibt sich an dieser Stelle ein Reflexionsmaximum, welches unten stehend unter Bezugnahme auf 3 erläutert wird. Im weiteren wird die Messvorrichtung in Reflektion beschrieben, da hierzu lediglich ein Faserende in dem Behälter ist. Wir die optische Faser vom Boden des Behälters wieder nach oben geleitet, kann auch eine Transmissionsantwort gemessen werden. Ein Antwortsignal kann somit eine Reflexionsantwort und/oder eine Transmissionsantwort sein.
3 stellt schematisch eine Sensorreflexionsantwort 300 dar, die empfangen wird, wenn breitbandiges Messlicht 204 eingestrahlt wird, und wenn die Mittenwellenlänge des Faser-Bragg-Gitters 220 (2), d.h. die Bragg-Wellenlänge λ_B, der gestrichelten Linie 303 entspricht.
Die Sensor-Reflexionsantwort 300 kann einen bezüglich der Mittenwellenlänge 303 symmetrischen Verlauf aufweisen, wobei der Verlauf eine Halbwertsbreite 304 (FWHM, Full Width at Half Maximum), d.h. eine spektrale Breite bei der Hälfte der Maximalintensität aufweist. Bei dem in 4 gezeigten Anwendungsbeispiel wird diese Sensorreflexionsantwort 300 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung spektral abgetastet.
Schematisch sind in 3 hierbei Abtastpunkte 305 (Kreise) gekennzeichnet. Durch die Auswertung des mit einer Detektoreinheit, d.h. einem Detektor, aufgenommenen modifizierten Sekundärlichts, zum Beispiel das reflektierte Licht 205, ist es nunmehr möglich, den in 3 gezeigten Verlauf, d.h. die Reflexionsantwort 300 des Sensors 120 als Funktion einer Wellenlänge λ zu erhalten. In 3 ist eine Intensitätsverteilung I(λ), d.h. die von dem Sensor 120 zurückgeworfene Intensität als Funktion der Wellenlänge λ dargestellt. Im Fall einer spektralen Auflösung kann das Spektrum durch die Zahl der Abtastpunkte quasikontinuierlich oder wie in 3 durch Interpolation zwischen oder Regression einer Kurve an den Abtastpunkten ermittelt werden. Gemäß manchen Ausführungsformen, die mit hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, kann alternative ein Messsystem ohne spektrale Auflösung verwendet werden.
Eine durch die Messvorrichtung zu erfassende Wellenlängenverteilung ergibt sich durch einen Wellenlängen-Ansprechbereich 306, der durch den Doppelpfeil in 3 dargestellt ist. Modifiziertes Sekundärlicht, zum Beispiel das reflektierte Licht 205, weist in diesem Bereich Wellenlängenkomponenten auf, wenn das Faser-Bragg-Gitter 220 vermessen wird. Das modifizierte Sekundärlicht entspricht dann der in 3 dargestellten Sensor-Reflexionsantwort 300, d.h., eine Reflexionsintensität 302 wird als Funktion der Wellenlänge 401 aufgenommen.
4 veranschaulicht ein Blockbild einer faseroptischen Messvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Wie in 4 gezeigt, ist eine Lichtquelle 401 bereitgestellt, die an einen Faserkoppler 403 über eine Übertragungsfaser, d.h. einen Übertragungs-Lichtwellenleiter, gekoppelt ist. In dem hier gezeigten Beispiel ist der Faserkoppler 403 als eine Lichtkopplungseinrichtung ausgelegt, die eine einfallende Lichtintensität im Verhältnis 50:50 auf entsprechende Ausgangskanäle aufteilt. Somit wird über die Sensorfaser 110 Lichtintensität zu dem in der Sensorfaser integrierten Sensor 120 geführt, in welchem das einfallende Licht, wie oben stehend unter Bezugnahme auf 2 und 3 erläutert, modifiziert wird.
Das von dem integrierten Sensor 120 rückreflektierte Licht wird wiederum über den Faserkoppler 403 und einen weiteren Faserkoppler 403' geleitet, um aufgeteilt zu werden in zwei Detektionsstrahlengänge, wobei ein erster Detektionsstrahlengang eine erste Detektoreinheit 405 und eine erste Filtereinheit 407 enthält, und wobei ein zweiter Detektionsstrahlengang eine zweite Detektoreinheit 406 und eine zweite Filtereinheit 408 enthält.
Die ersten Detektionseinheit 405 und die zweiten Detektoreinheit 406 weisen zugeordnete optische Detektoren auf, welche einfallende Lichtintensität in ein elektrisches Signal umsetzen. Ferner können die ersten und zweiten Detektoreinheiten zugeordnete Verstärkereinheiten aufweisen, welche das aus den optischen Detektoren ausgegebene elektrische Signal verstärken und in entsprechende elektrische Detektor-Ausgangssignale umsetzen.
Die Sensor-Reflexionsantwort wird zwei unterschiedlichen Filtereinheiten, der ersten Filtereinheit 407 und der zweiten Filtereinheit 408, zugeführt, welche zum Beispiel gegenläufige Filterflanken aufweisen. Durch eine derartige Anordnung kann eine Intensitätsschwankung, z.B. ein Jitter oder ähnliches, in dem Ausgangssignal des Sensors 120, d.h. in der Sensorreflexionsantwort kompensiert werden.
Gemäß weiteren Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kombiniert werden können, kann auch eine im Vergleich zu 4 einfachere Messvorrichtung bzw. ein einfacheres Messsystem mit lediglich einer Detektionseinheit zur Verfügung gestellt werden. Der einen Detektionseinheit kann eine Filtereinheit vorgeschaltet sein, um Teile der Reflexionsantwort aus zu filtern bzw. um eine Intensität der Reflexionsantwort in Abhängigkeit der Mittelwellenlänge (siehe gestrichelte Linie 303 in 3) des Sensors 120 bzw. des Faser-Bragg Gitters 220 zu variieren.
Der Faserkoppler 403 koppelt das Primärlicht in die optische Faser 110. Die Quelle 401 kann zum Beispiel eine Breitbandlichtquelle, einen Laser, eine LED (light emitting diode), eine SLD (Superluminizenzdiode), eine ASE-Lichtquelle (Amplified Spontaneous Emission-Lichtquelle) oder ein SOA (Semiconductor Optical Amplifier) sein. Es können für hier beschriebene Ausführungsformen auch mehrere Quellen gleichen oder unterschiedlichen Typs (s.o.) verwendet werden.
5A illustriert weitere Details und Aspekte von Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können. In einem Behälter mit einer Umrandung 10 befindet sich ein Fluid 22 mit einem Füllstand 20. Ein Messsystem ist durch eine optische Faser 110, ein mit der optischen Faser verbundenes Gewicht 130, und ein Sensor 120, zum Beispiel ein Bragg Gitter, zur Verfügung gestellt. Eine Halterung 540 kann im oberen Bereich oder am oberen Ende der Umrandung 10 zur Verfügung gestellt sein.
Gemäß einigen Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, ist die Verbindung 532 des Gewichts 130 mit der optischen Faser 120 lösbar verbindbar. Somit kann das Gewicht, bzw. die Masse zur Dehnung der optischen Faser 110 austauschbar bzw. einstellbar sein. Zum Beispiel kann der Sensor 120 an das zu überwachende Fluid angepasst werden.
Weiterhin zeigt 5A eine Mehrzahl von Auftriebskörper 510. Die Auftriebskörper sind in Abständen an der optischen Faser 110 befestigt. Diese Abstände können in Abhängigkeit der Größe des Behälters, d.h. der Zisterne oder des Tanks, und in Abhängigkeit der gewünschten Genauigkeit der Füllstandsmessung zur Verfügung gestellt werden. Zum Beispiel kann ein Auftriebskörper 510 ungefähr 100 cm, ungefähr 10 cm oder ungefähr 1 cm von einem benachbarten Auftriebskörper beanstandet sein. In 5A befindet sich der unterste Auftriebskörper 510 unterhalb des Füllstandes 20 des Fluids 22. Die weiteren Auftriebskörper 510 in 5A befinden sich oberhalb des Füllstandes 20. Somit trägt der Auftriebskörper unterhalb des Füllstandes 20 zur Auftriebskraft bei. Steigt der Füllstand 20, so bewegt sich dieser oberhalb des nächsten höheren Auftriebskörpers, sodass auch dieser eine Auftriebskraft für das Messsystem zur Verfügung stellt. Somit vergrößert sich die Auftriebskraft und die Differenz zwischen der Auftriebskraft und der Gewichtskraft wird kleiner. Bei einer Anordnung, wie sie exemplarisch 5A dargestellt ist, kann der Füllstand somit insbesondere in diskreten Werten gemessen werden.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann die Reihenfolge der Elemente von unten nach oben derart sein, dass zunächst die Masse, dann der Sensor, und im Anschluss der oder die Auftriebsköper angeordnet sind. Gemäß weiteren Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, kann ein Sensor 520 (siehe 5A) zusätzlich oder alternativ zum Sensor 120 auch am oberen Ende der optischen Faser zur Verfügung gestellt sein. Der Sensor 520 kann zum Beispiel in Form eines Bragg-Gitters ausgestaltet sein. Der Sensor 520 kann unterhalb der Halterung bzw. der Halteposition und/oder oberhalb des obersten Auftriebskörpers bzw. oberhalb des maximalen Füllstandes angeordnet sein.
5B illustriert weitere Details und Aspekte von Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können. In einem Behälter mit einer Umrandung 10 befindet sich ein Fluid 22 mit einem Füllstand 20. Ein Messsystem ist durch eine optische Faser 110, ein mit der optischen Faser verbundenes Gewicht 130, und ein Sensor 120, zum Beispiel ein Bragg Gitter, zur Verfügung gestellt. Eine Halterung 540 kann im oberen Bereich oder am oberen Ende der Umrandung 10 zur Verfügung gestellt sein. Ein oder mehrere Auftriebsköper 510 können eine Auftriebskraft für die optische Faser zur Verfügung stellen.
5B dient zur Illustration unterschiedlicher Verfahren und Vorrichtungen zur Temperaturkompensation für Vorrichtungen zum Messen eines Füllstandes eines Fluid in einem Behälter. Jede der in Bezug auf 5B dargestellten und beschriebenen Optionen von Verfahren und Vorrichtungen kann unabhängig voneinander oder in einer beliebigen Kombination der dargestellten Verfahren und Vorrichtungen zur Temperaturkompensation zur Verfügung gestellt sein.
Gemäß einer ersten Option wird die Temperatur im Behälter, insbesondere die Temperatur des Fluids 22, erfasst, um thermische Effekte im Sensor 120, zum Beispiel einem Faser-Bragg Gitter (FBG), auszugleichen. Zusätzlich oder alternativ können thermische Effekte im Sensoraufbau ausgeglichen werden. Im Rahmen von Ausführungsformen der ersten Option wird die optische Faser 110 unterhalb des Gewichts 130 weitergeführt. In dem Faserbereich unterhalb des Gewichts 130 ist ein Temperatursensor 534 in Form eines Faser-Bragg Gitters zur Verfügung gestellt. Der Faserbereich unterhalb des Gewichts 130 ist nicht durch mechanische Größen, zum Beispiel die Gewichtskraft, beansprucht. Das Faser-Bragg Gitter unterhalb des Gewichts 130 kann zur Temperaturmessung eingesetzt werden. Licht, das in der Einheit 150 zur Messung und Erzeugung eines Meßsignals in die optische Faser 110 eingekoppelt wird, wird teilweise am Sensor 120 reflektiert. Ein verbleibender, transmittierter Teil des Lichts wird am Temperatursensor 534, zum Beispiel einem weiteren Faser-Bragg Gitter, reflektiert. Dieses weitere reflektierte Licht kann einem Detektor in der Einheit 150 zugeführt werden, um eine Temperatur am Temperatursensor 534 zu messen. Mit Hilfe der Temperaturdaten, d.h. der gemessenen Temperatur, kann ein Temperatureffekt, d.h. thermische Effekte des Sensors 120, softwareseitig ausgeglichen werden.
Gemäß einer zweiten Option wird ebenfalls die Temperatur im Behälter, insbesondere die Temperatur des Fluids 22, erfasst, um thermische Effekte im Sensor 120, zum Beispiel einem Faser-Bragg Gitter (FBG), auszugleichen. Zusätzlich oder alternativ können thermische Effekte im Sensoraufbau ausgeglichen werden. Im Rahmen von Ausführungsformen der zweiten Option ist eine zweite optische Faser 511 zur Verfügung gestellt, die einen Temperatursensor 532, zum Beispiel in Form eines weiteren Faser-Bragg Gitters, aufweist. Die zweite optische Faser 511 bzw. der Bereich des den Temperatursensor 532 ausbildenden Faser-Bragg Gitters ist derart ausgestaltet, um nicht durch mechanische Größen, zum Beispiel eine Dehnung oder Biegung, beansprucht zu sein. Das Faser-Bragg Gitter des Temperatursensors 532 kann zur Temperaturmessung eingesetzt werden. Licht, das in der Einheit 150 zur Messung und Erzeugung eines Meßsignals in die optische Faser 511 ein gekoppelt wird, wird am Temperatursensor 532 reflektiert. Dieses reflektierte Licht kann einem Detektor in der Einheit 150 zugeführt werden, um eine Temperatur am Temperatursensor 532 zu messen. Mit Hilfe der Temperaturdaten, d.h. der gemessenen Temperatur, kann ein Temperatureffekt, d.h. thermische Effekte des Sensors 120, softwareseitig ausgeglichen werden.
Gemäß einer dritten Option wird ebenfalls die Temperatur im Behälter, insbesondere die Temperatur des Fluids 22, erfasst, um thermische Effekte im Sensor 120, zum Beispiel einem Faser-Bragg Gitter (FBG), auszugleichen. Zusätzlich oder alternativ können thermische Effekte im Sensoraufbau ausgeglichen werden. Im Rahmen von Ausführungsformen der dritten Option ist einen Temperatursensor 536 in einer allgemeinen Bauform, insbesondere mit einer nicht-optischen Messung, die durch ein Thermometer symbolisiert ist, zur Verfügung gestellt. Gegebenenfalls kann die nicht-optische dritte Option in Bezug auf eine Explosionsgefährdung im Gegensatz zu den ersten beiden Optionen als nachteilig angesehen werden; führt aber dennoch zu einer möglichen Temperaturkompensation. Eine Temperatur wird am Temperatursensor 536 gemessen, und einem Messsystem 535 zugeführt. Mit Hilfe der Temperaturdaten, d.h. der gemessenen Temperatur, kann ein Temperatureffekt, d.h. thermische Effekte des Sensors 120 softwareseitig ausgeglichen werden.
Ein Temperatursensor, zum Beispiel ein Temperatursensor 534 in Form eines Faser-Bragg Gitters, ein Temperatursensor 532 in Form eines weiteren Faser-Bragg Gitters, und/oder ein anderweitiger Temperatursensor 536, kann direkt am Sensor 120 oder in der Nähe des Sensors 120, zum Beispiel einem FBG des Füllstands-Sensors, zur Verfügung gestellt sein, oder entfernt vom Sensor 120, an einer weiteren Position im oder am Behälter, angebracht sein. Die in 5B dargestellten Temperaturmessungen sind innerhalb des Fluids 22 dargestellt und erläutert. Eine Temperaturmessung kann gegebenenfalls auch am Behälter 10, zum Beispiel außerhalb am Behälter 10, zur Verfügung gestellt sein. Die in Bezug auf 5B erläuterten Optionen einer Temperaturmessung können jeweils getrennt voneinander oder in einer beliebigen Kombination für ein Verfahren oder eine Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwendet werden.
6 illustriert weitere Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kombiniert werden können. Das Messsystem in 6 beinhaltet einen Auftriebskörper 610 der sich entlang der optischen Faser 110 erstreckt. Somit ändert sich die Auftriebskraft an der optischen Faser 110 kontinuierlich oder quasi kontinuierlich bei einem Ansteigen oder Absenken des Füllstandes 20. Es kann eine kontinuierliche oder quasi kontinuierliche Messung des Füllstandes in einem Fluid zur Verfügung gestellt werden.
7 illustriert weitere Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbar kombiniert werden können. Das Messsystem in 7 beinhaltet Verbindungen 612, mit denen die Auftriebskörper 510 mit der optischen Faser 110 verbunden sind. Somit können die Auftriebskörper ausgetauscht werden bzw. eingestellt werden, um den Sensor 120 an das zu überwachende Fluid anzupassen. Darüber hinaus können über Halterungen 612 Auftriebskörper 510 entnommen werden oder hinzugefügt werden. Zum Beispiel kann der Abstand zwischen einzelnen Auftriebskörper durch Hinzufügen von Auftriebskörper verringert werden.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann eine Halterung für die Masse, wie sie in 5A dargestellt ist, mit Halterungen für die Auftriebskörper oder eine Halterung für den Auftriebskörper kombiniert werden, um eine Austauschbarkeit bzw. Einstellbarkeit für die Gewichtskraft und/oder die Auftriebskraft zur Verfügung zu stellen.
Weiter kann gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen eine Führung 730 zur Verfügung gestellt sein. Die Führung 730 kann zum Beispiel durch ein Rohr ausgebildet sein. Die optische Faser 110 verläuft durch das Rohr, wodurch Strömungen oder Schwankungen des Fluid 22 in dem Behälter einen geringeren Einfluss auf das Messsystem haben. Die Führung 730 umgibt die optische Faser 110. Gemäß weiteren Ausführungsformen, kann eine Führung auch die optische Faser 110 und zusätzlich das Gewicht 130 umgeben. Gemäß manchen Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, kann das Rohr Öffnungen beinhalten, durch die das Fluid, zum Beispiel eine Flüssigkeit, in das Rohr eindringen kann.
Die optische Faser kann somit in einem Rohr mit Ausgleichsöffnungen verbaut sein. Durch die Führung 730 kann eine Bewegung des Meßsystems bzw. des Sensors 120 in einem bewegten Behälter oder beim Befüllen des Behälters reduziert oder verhindert werden. Durch den Einbau der optischen Faser, bzw. der optischen Faser und des Gewichts, in die Führung, zum Beispiel ein Rohr, kann das Messsystem auch in Tankwagen, die auf der Straße oder auf der Schiene bewegt werden, zur Verfügung gestellt werden. Weiterhin führen Strömungen oder Schwankungen des Füllstandes 20 beim Befüllen eines Behälters, zum Beispiel einer Zisterne oder einem Tank, nicht zu einer Bewegung des Messsystems. Hierdurch können Messungenauigkeiten verhindert oder reduziert werden bzw. eine Beschädigung des Systems verhindert werden.
8 illustriert weitere Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kombiniert werden können. In 8 ist zusätzlich zu dem Gewicht 130 ein Auftriebskörper 830 zur Verfügung gestellt. Der Auftriebskörper 830 ist schematisch in zwei Zuständen gezeichnet, als Auftriebskörper 830 und Auftriebskörper 830'. Der Auftriebskörper ist ein variabler Auftriebskörper und kann als variables Volumen, zum Beispiel eine mit Gas gefüllte flexible Hülle, zur Verfügung gestellt sein. Die mit Gas gefüllte flexible Hülle kann ein Ballon oder ein anderes Material sein, das mit einem Gasvolumen, zum Beispiel Luft oder Argon, gefüllt ist. Für ein Füllstand von 10 m, beträgt der Druck auf den Auftriebskörper ca. 2 bar, was zu einer Halbierung des Volumens des Auftriebskörpers führt. Hierdurch ergibt sich eine Halbierung der Auftriebskraft, die zu einer Dehnungsänderung der optischen Faser führt. Im Falle von Auftriebskörpern mit variablem Volumen reduziert sich die Auftriebskraft bei steigendem Füllstand, sodass hier bei der Betrachtung der Auftriebskraft und der Gewichtskraft eine andersgeartete Kalibrierung des Füllstandes im Vergleich zu Auftriebskörper mit konstantem Volumen stattfindet.
Gemäß weiteren Ausführungsformen, kann ein Auftriebskörper 830 mit einem variablen Volumen zusätzlich oder alternativ auch als ein Auftriebskörper entlang der Faser (ähnlich des in 6 dargestellten Auftriebskörpers 610) bzw. auch als mehrere Auftriebskörper entlang der Faser (ähnlich der in 5A dargestellten Auftriebskörper 510) zur Verfügung gestellt werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erlauben es darüber hinaus ein Messsystem nachträglich an einer Decke oder einem Deckel in einem Tank oder einer Zisterne zu installieren. Hierzu muss lediglich die optische Faser mit dem Gewicht 130 im oberen Bereich des Behälters befestigt werden und in den Tank oder die Zisterne (einen Behälter) abgesenkt werden. Eine Nachrüstung existierender Behälter mit Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist somit einfach.
Darüber hinaus haben Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gegenüber herkömmlichen Füllstandsmesssystemen den Vorteil, dass lediglich Glas bzw. eine Glasfaser als optischer Sensor verwendet wird. Dies führt im Vergleich zu anderen Materialien wie Metall zu geringen temperaturbedingten Ausdehnungen. Es kann eine vergleichsweise gute Temperaturstabilität des Messsystems erzielt werden. Weiterhin befindet sich im Wesentlichen die optische Faser, bzw. ein Kabel mit der optischen Faser in Kontakt mit dem Fluid. Im Vergleich zu mehrteiligen Messsystemen, die mehrere Komponenten innerhalb des Tanks benötigen, kann ein verbesserter Schutz vor Beschädigung und Korrosion durch die hier beschriebenen Vorrichtungen zum Messen eines Füllstandes erzielt werden. Ferner führt der Sensor, zum Beispiel in Form eines Bragg-Gitters, ohne bewegliche Teile zu einer besseren Langzeitstabilität und einer größeren Lebensdauer des Messsystems.
9 zeigt ein Flussdiagramm zur Illustration eines Verfahrens zum optischen Messen eines Füllstandes eines Fluids in einem Behälter gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. In Block 902 wird Licht in eine optische Faser eingekoppelt. Die optische Faser beinhaltet zur Messung der Dehnung einen Sensor, zum Beispiel ein Bragg-Gitter. Eine Reflexionsantwort des Sensors als Antwort auf das eingekoppelte Licht wird detektiert (siehe Block 904). Die Reflexionsantwort bzw. ein Antwortsignal dient zum Ermitteln einer Differenz einer Gravitationskraft und einer Auftriebskraft. Gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen, führt die Differenz der Gravitationskraft und der Auftriebskraft zu einer Dehnung einer optischen Faser, zum Beispiel der optischen Faser in die der Sensor eingebracht ist. Eine Änderung der Differenz der Kräfte ändert die Dehnung der optischen Faser und somit die Reflexionsantwort bzw. das Antwortsignal. Gemäß Block 906 wird aus der Reflexionsantwort bzw. dem Antwortsignal ein mit dem Füllstand korrespondierendes Signal ermittelt. Dies kann durch eine Auswerteeinheit, die ein Signal eines Detektors, der auf die Lichtentität der Reflexionsantwort bzw. des Antwortsignals reagiert, zur Verfügung gestellt werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ermöglichen die Vermessung eines Flüssigkeitsstandes bzw. eines Füllstandes von Fluiden in Behältern, insbesondere in explosionsgefährdeten Behältern oder Zisternen. Durch die optische Messung und/oder die Verwendung einer optischen Faser können elektrische Bauteile, zum Beispiel eine Auswerteeinheit oder eine Stromquelle, an einem Ort außerhalb des Behälters bzw. weit entfernt vom Behälter zur Verfügung gestellt sein. Somit kann eine Explosionsgefahr minimiert bzw. verhindert werden. Eine Nachrüstung des Systems auf bestehende Umgebungen ist minimalinvasiv. Es kann eine hohe Messgenauigkeit erzielt werden. Ferner ist eine Beschädigungsgefahr, zum Beispiel eine Abrissgefahr, niedrig, da das Messsystem bzw. die Messeinrichtung als komplettes System konstruiert werden kann. Die Möglichkeit das Messsystem in einer Führung, zum Beispiel einem Rohr, zu verwenden ermöglicht ferner die Verwendung in bewegten Behältern, zum Beispiel bewegten Tanks, und/oder reduziert eine Gefahr der Beschädigung bzw. verbessert die Messgenauigkeit beim Befüllen des Behälters.
Obwohl die Ausführungsformen der vorliegende Erfindung vorstehend anhand typischer Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Auch ist die Erfindung nicht auf die genannten Anwendungsmöglichkeiten beschränkt.

Claims

Eine Vorrichtung zum Messen eines Füllstandes (20) eines Fluids (22) in einem Behälter, umfassend: eine optische Faser (110) mit einem in der optischen Faser zur Verfügung gestellten Sensor (120) zur Messung der Dehnung der optischen Faser; ein mit der optischen Faser verbundenes Gewicht (130); eine Lichtquelle (401), wobei Licht der Lichtquelle in die optische Faser eingekoppelt wird; ein Detektor (405, 406) zur Messung eines Antwortsignals des Sensors; und eine Auswerteeinheit zur Ermittlung eines mit dem Füllstand korrespondierenden Signals basierend auf dem Antwortsignal.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Sensor zur Messung der Dehnung der optischen Faser ein Faser Bragg Gitter (220) ist.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die optische Faser ein erstes Ende und ein zweites Ende hat, wobei das Licht der Lichtquelle an dem ersten Ende eingekoppelt wird, und wobei das Gewicht (130) und der Sensor (120) dem zweiten Ende zugewandt sind, insbesondere wobei das Gewicht und der Sensor mit einem maximalen Abstand von 1 m zum zweiten Ende zur Verfügung gestellt sind.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin umfassend: einen oder mehrere Auftriebskörper (510, 610, 830), die an der optischen Faser zur Verfügung gestellt sind, um einen Auftrieb für die optische Faser in dem Fluid zu erzeugen.
Die Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der eine oder mehrere Auftriebskörper angepasst ist, bei maximalem Füllstand eine Auftriebskraft zu erzeugen die kleiner ist als die Gewichtskraft des mit der optischen Faser verbundenen Gewichts.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 5, wobei der eine oder mehrere Auftriebskörper einen veränderlichen Auftriebskörper (830) umfasst, dessen Volumen sich in Abhängigkeit eines Umgebungsdrucks ändert.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der eine oder mehrere Auftriebskörper einen länglichen Auftriebskörper (610) umfasst, der sich entlang der optischen Faser erstreckt.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4-7, wobei der eine oder mehrere Auftriebskörper lösbar verbindbar mit der optischen Faser zur Verfügung gestellt ist
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiterhin umfassend: eine Führung (730), in der die optische Faser zur Verfügung gestellt ist.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Gewicht lösbar verbindbar der optischen Faser verbunden ist.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, weiterhin umfassend: einen Temperatursensor (532, 534, 536) zur Messung einer Temperatur in oder an dem Behälter; und eine Auswerteinheit zur Temperaturkompensation der Temperatur des Sensors (120) mittels der gemessenen Temperatur.
Ein Behälter zur Aufbewahrung von Fluiden, umfassend: einen Boden (11) des Behälters; eine Umrandung (10) des Behälters mit einem oberen Ende und einem unteren Ende; und eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Gewicht von dem Boden des Behälters beabstandet ist.
Der Behälter nach Anspruch 12, wobei die optische Faser lediglich oberhalb der Mitte der Umrandung oder oberhalb des maximalen Füllstandes mit dem Behälter verbunden ist, insbesondere wobei die optische Faser auf einer Höhe nahe dem oberen Ende der Umrandung mit dem Behälter verbunden ist.
Der Behälter nach Anspruch 13, weiterhin umfassend: eine Decke oder eine Deckel (12) des Behälters, wobei die optische Faser lediglich an der Decke oder dem Deckel des Behälters mit dem Behälter verbunden ist.
Ein Verfahren zum optischen Messen eines Füllstandes (20) eines Fluids in einem Behälter; umfassend: einkoppeln von Licht in eine optische Faser (110), wobei die optische Faser einen Sensor (120) zur Messung der Dehnung der optischen Faser beinhaltet; detektieren eines Antwortsignals des Sensors, um eine Differenz einer Gravitationskraft (134) und einer Auftriebskraft (136) zu ermitteln; und ermitteln eines mit dem Füllstand korrespondierenden Signals basierend auf dem Antwortsignal.
Das Verfahren nach Anspruch 15, weiterhin umfassend; messen einer Temperatur in oder an dem Behälter; kompensieren der Temperatur des Sensors (120) mit der gemessenen Temperatur.