DE102017213432A1 - Method and device for determining the filling level in a tank for storing a fluid, tank - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Füllstands eines Tanks (1) zur Bevorratung eines Fluids (2), insbesondere eines tiefkalten verflüssigten Gases. Bei dem Verfahren werden ein im Tank (1) angeordneter und in seiner Kapazität vom Füllstand abhängiger erster Kondensator (3) sowie mindestens ein in seiner Kapazität vom Füllstand unabhängiger zweiter Kondensator (4) verwendet. Erfindungsgemäß werden die Kondensatoren (3, 4) mit weiteren Kondensatoren (5, 6), Widerständen und/oder Spulen zu einer Brückenschaltung, insbesondere zu einer Wien-Brücke, elektrisch verschaltet, an die Brückenschaltung wird eine Wechselspannung angelegt und zur Ermittlung des Füllstands wird eine Querspannung in einem Brückenzweig der Brückenschaltung gemessen. Das im Tank (1) bevorratete Fluid (2) wird dabei als Dielektrikum des zweiten Kondensators (4) verwendet, so dass die Kapazität des zweiten Kondensators (4) durch die Dielektrizitätskonstante des Fluids (2) vorgegeben ist.Ferner wird ein Tank (1), insbesondere ein Kryotank, mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben.The invention relates to a method and a device for determining the fill level of a tank (1) for storing a fluid (2), in particular a cryogenic liquefied gas. In the method, a first capacitor (3), which is arranged in the tank (1) and whose capacity depends on the fill level, and at least one second capacitor (4) which is independent of the fill level, are used. According to the invention, the capacitors (3, 4) are electrically connected to further capacitors (5, 6), resistors and / or coils to form a bridge circuit, in particular to a Wien bridge, an alternating voltage is applied to the bridge circuit and used to determine the fill level measured a transverse voltage in a bridge branch of the bridge circuit. The stored in the tank (1) fluid (2) is used as a dielectric of the second capacitor (4), so that the capacitance of the second capacitor (4) by the dielectric constant of the fluid (2) is vorge.Ferner is a tank (1 ), in particular a cryotank, with a device according to the invention.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Füllstands in einem Tank zur Bevorratung eines Fluids, insbesondere eines tiefkalten verflüssigten Gases, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to a method for determining the fill level in a tank for storing a fluid, in particular a cryogenic liquefied gas, with the features of the preamble of claim 1.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Ermittlung des Füllstands in einem Tank zur Bevorratung eines Fluids, insbesondere eines tiefkalten verflüssigten Gases, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 5.Moreover, the invention relates to a device for determining the filling level in a tank for storing a fluid, in particular a cryogenic liquefied gas, having the features of the preamble of claim 5.

Ferner wird ein Tank, insbesondere ein Kryotank für ein tiefkaltes verflüssigtes Gas, mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen.Further, a tank, in particular a cryotank for a cryogenic liquefied gas, proposed with a device according to the invention.

Bei dem tiefkalten verflüssigten Gas kann es sich insbesondere um Erdgas (NG, d. h. „Natural Gas“) handeln, das an Bord eines Kraftfahrzeugs zum Betrieb einer Brennkraftmaschine genutzt wird.The cryogenic liquefied gas may be, in particular, natural gas (NG, ie "natural gas") which is used on board a motor vehicle to operate an internal combustion engine.

Stand der TechnikState of the art

Erdgas (Hauptbestandteil ist Methan) ist oberhalb der sogenannten kritischen Temperatur selbst unter hohem Druck gasförmig (CNG, d. h. „Compressed Natural Gas“). Da flüssiges Erdgas (LNG, d. h. „Liquefied Natural Gas“) ein deutlich geringeres Volumen als gasförmiges Erdgas besitzt, wird es für mobile Anwendungen in der Regel in flüssiger Form vorgehalten. Hierzu wird das Erdgas auf Temperaturen von etwa -160°C heruntergekühlt, so dass es als tiefkaltes verflüssigtes Gas vorliegt.Natural gas (the main constituent is methane) is gaseous above the so-called critical temperature even under high pressure (CNG, ie "compressed natural gas"). As liquefied natural gas (LNG) has a much lower volume than gaseous natural gas, it is usually stored in liquid form for mobile applications. For this purpose, the natural gas is cooled down to temperatures of about -160 ° C, so that it is present as a cryogenic liquefied gas.

Ähnlich verhält es sich mit Wasserstoff, der zur Speicherung auf Temperaturen unter -253°C heruntergekühlt wird.The same is true of hydrogen, which is cooled down to temperatures below -253 ° C for storage.

Die Bevorratung derartiger tiefkalter verflüssigter Gase erfolgt in so genannten Kryotanks, die besonders gut isoliert sind, so dass auf eine Kühlung verzichtet werden kann.The storage of such cryogenic liquefied gases takes place in so-called cryotanks, which are particularly well insulated, so that can be dispensed with a cooling.

Soll der Füllstand in einem solchen Tank gemessen werden, kann ein kapazitiver Füllstandssensor in Form eines Kondensators eingesetzt werden. Der Kondensator wird in der Weise im Tank angeordnet, dass zwei in einem Abstand zueinander angeordnete Elektroden mit steigendem oder fallendem Flüssigkeitsspiegel unterschiedlich tief in die Flüssigkeit eintauchen. Die Flüssigkeit wird dabei als Dielektrikum eingesetzt, das die Kapazität des Kondensators bestimmt. Ändert sich der Flüssigkeitssäule zwischen den beiden Elektroden, ändert sich auch die Kapazität des Kondensators, so dass hierüber auf den Füllstand im Tank geschlossen werden kann.If the level in such a tank to be measured, a capacitive level sensor can be used in the form of a capacitor. The condenser is arranged in the tank in such a way that two electrodes arranged at a distance from one another diverge at different depths into the liquid with increasing or decreasing liquid level. The liquid is used as a dielectric, which determines the capacitance of the capacitor. If the liquid column changes between the two electrodes, the capacitance of the capacitor also changes so that the level in the tank can be closed.

Da tiefkalte verflüssigte Gase aufgrund der geringen Polarität jedoch eine geringe Dielektrizitätskonstante aufweisen, ist die Messgenauigkeit häufig unbefriedigend. Aus dem Stand der Technik wurden daher bereits Vorrichtungen und Verfahren zur Erhöhung der Messgenauigkeit kapazitiver Füllstandssensoren vorgeschlagen.However, since cryogenic liquefied gases have a low dielectric constant due to the low polarity, the measurement accuracy is often unsatisfactory. Devices and methods for increasing the measuring accuracy of capacitive level sensors have therefore already been proposed in the prior art.

Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf die WO 2009/132437 A1 verwiesen. Die hierin offenbarte Vorrichtung umfasst einen im Tank angeordneten Kondensator als kapazitiven Füllstandssensor, einen Messkreis und einen Mikroprozessor. Der Messkreis beinhaltet mindestens einen außerhalb des Tanks angeordneten weiteren Kondensator mit kalibrierter Kapazität. Ferner ist ein Schalter vorgesehen, um den Messkreis abwechselnd mit dem im Tank angeordneten Messkondensator oder mit dem mindestens einen weiteren Kondensator zu verbinden. Wird an den im Tank angeordneten ersten Kondensator zur Messung der Kapazität eine Spannung angelegt, kann über den mindestens einen weiteren Kondensator mit kalibrierter Kapazität im Wege eines Abgleichs eine Spannungskorrektur vorgenommen werden, so dass die Messgenauigkeit gesteigert wird.By way of example, in this context, the WO 2009/132437 A1 directed. The device disclosed herein comprises a tank-mounted capacitor as a capacitive level sensor, a measuring circuit and a microprocessor. The measuring circuit includes at least one capacitor of calibrated capacity located outside the tank. Furthermore, a switch is provided in order to connect the measuring circuit alternately with the measuring capacitor arranged in the tank or with the at least one further capacitor. If a voltage is applied to the first capacitor arranged in the tank for measuring the capacitance, a voltage correction can be carried out via the at least one further capacitor with calibrated capacitance by means of a compensation, so that the measuring accuracy is increased.

Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Füllstands in einem Tank, insbesondere in einem Kryotank, im Wege der Kapazitätsmessung dahingehend zu verbessern, dass eine noch höhere Messgenauigkeit erreicht wird.Based on the above-mentioned prior art, the present invention has the object to improve a method and a device for determining the level in a tank, in particular in a cryotank, by way of capacitance measurement to the effect that an even higher accuracy of measurement is achieved.

Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.To solve the problem, the method with the features of claim 1 and the device with the features of claim 5 are proposed. Advantageous developments of the invention can be found in the respective subclaims.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden ein im Tank angeordneter und in seiner Kapazität vom Füllstand abhängiger erster Kondensator sowie mindestens ein in seiner Kapazität vom Füllstand unabhängiger zweiter Kondensator verwendet, die erfindungsgemäß mit weiteren Kondensatoren, Widerständen und/oder Spulen zu einer Brückenschaltung, insbesondere zu einer Wien-Brücke, elektrisch verschaltet werden. An die Brückenschaltung wird eine Wechselspannung angelegt und zur Ermittlung des Füllstands im Tank wird eine Querspannung in einem Brückenzweig der Brückenschaltung gemessen. Das im Tank bevorratete Fluid wird dabei als Dielektrikum des zweiten Kondensators verwendet, so dass die Kapazität des zweiten Kondensators durch die Dielektrizitätskonstante des Fluids vorgegeben ist.In the proposed method a arranged in the tank and in its capacity dependent on the level of the first capacitor and at least one independent in its capacity of the second capacitor is used according to the invention with other capacitors, resistors and / or coils to a bridge circuit, in particular to a Vienna Bridge, electrically interconnected. An alternating voltage is applied to the bridge circuit and, to determine the fill level in the tank, a transverse voltage is measured in a bridge branch of the bridge circuit. The stored in the tank fluid is used as a dielectric of the second capacitor, so that the capacitance of the second capacitor is determined by the dielectric constant of the fluid.

Damit die Kapazität des zweiten Kondensators unabhängig vom Füllstand im Tank ist, muss sichergestellt sein, dass der zweite Kondensator selbst bei niedrigem Füllstand stets vollständig in das Fluid eingetaucht ist. Die Kapazität des zweiten Kondensators verändert sich demnach nicht. Idealerweise wird hierzu der zweite Kondensator in Bodennähe des Tanks angebracht, so dass er unterhalb eines Flüssigkeitsspiegels zu liegen kommt, der einen Mindestfüllstand definiert. Der zweite Kondensator kann auch in einer Vertiefung im Tank angebracht werden. Darüber hinaus kann der zweite Kondensator in einer kombinierten Bauform elektrisch getrennt als Verlängerung des ersten Kondensators ausgeführt werden, wenn er in einer genügend großen Vertiefung des Tanks untergebracht ist. In order for the capacity of the second capacitor is independent of the level in the tank, it must be ensured that the second capacitor is always immersed completely in the fluid even at low level. The capacity of the second capacitor does not change accordingly. Ideally, for this purpose, the second capacitor is mounted near the bottom of the tank, so that it comes to rest below a liquid level, which defines a minimum level. The second condenser can also be mounted in a recess in the tank. In addition, the second capacitor in a combined structure can be electrically separated as an extension of the first capacitor when it is accommodated in a sufficiently large recess of the tank.

Gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, bei dem die Kapazität eines einzelnen Messkondensators gemessen und mit mindestens einer kalibrierten Kapazität abgeglichen wird, kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens die Empfindlichkeit der Messung weiter gesteigert werden. Dies wirkt sich insbesondere bei der Ermittlung des Füllstands in einem Kryotank als Vorteil aus, da in einem Kryotank bevorratete Gase in der Regel eine vergleichsweise kleine Dielektrizitätskonstante aufweisen.Compared to the known from the prior art method in which the capacity of a single measuring capacitor is measured and adjusted with at least one calibrated capacity, the sensitivity of the measurement can be further increased by means of the method according to the invention. This has an advantage, in particular when determining the fill level in a cryotank, since gases stored in a cryotank generally have a comparatively small dielectric constant.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dient die Brückenschaltung zudem nicht der Messung einer Kapazität, sondern der Ermittlung eines Füllstands über die Änderung der Dielektrizitätseigenschaft εr im Kondensator, wobei die Querspannung in einem Brückenzweig der Brückenschaltung das Maß für die Befüllung darstellt. Das heißt, dass die Querspannung gemessen wird und aus der Querspannung der Füllstand berechnet wird, wobei der Tank leer ist, wenn die Querspannung maximal ist.In the method according to the invention, the bridge circuit also serves not the measurement of a capacitance, but the determination of a level on the change of the dielectric property ε r in the capacitor, wherein the transverse voltage in a bridge branch of the bridge circuit represents the measure of the filling. This means that the transverse voltage is measured and the level is calculated from the transverse voltage, the tank is empty when the transverse voltage is maximum.

Bei der Ermittlung des Füllstands aus der gemessenen Querspannung kann ähnlich einer DMS-Viertelbrücke verfahren werden.When determining the filling level from the measured transverse voltage, it is possible to move similar to a strain gauge quarter-bridge.

Bevorzugt wird die Brückenschaltung als nichtabgeglichene Wien-Brücke ausgebildet, so dass über die angelegte Wechselspannung eine Potentialdifferenz zwischen einem ersten Kondensatorpaar und einem zweiten Kondensatorpaar bewirkt wird. Erster und zweiter Kondensator bilden dabei ein erstes Kondensatorpaar der Brückenschaltung aus.Preferably, the bridge circuit is designed as a non-balanced Wien bridge, so that a potential difference between a first capacitor pair and a second capacitor pair is effected via the applied AC voltage. First and second capacitor form a first capacitor pair of the bridge circuit.

Weiterhin bevorzugt kann die Wechselspannung als bistabile Kippstufe aufgebaut werden, beispielsweise unter Verwendung eines NE555 Bausteins. Es liegt dann nicht notwendigerweise ein Sinus als Spannungsverlauf vor. Der Spannungsverlauf als Funktion der Tankfüllhöhe kann durch eine Parabel beschrieben werden.Further preferably, the AC voltage can be constructed as a bistable flip-flop, for example using a NE555 device. There is then not necessarily a sinus as a voltage waveform. The voltage curve as a function of the tank filling level can be described by a parabola.

Vorteilhafterweise wird die gemessene Querspannung mittels eines Analog-DigitalWandlers digitalisiert. Diese Maßnahme erleichtert die weitere Verarbeitung der Messdaten.Advantageously, the measured transverse voltage is digitized by means of an analog-digital converter. This measure facilitates the further processing of the measured data.

Die darüber hinaus vorgeschlagene Vorrichtung zur Ermittlung des Füllstands eines Tanks, insbesondere Kryotanks, umfasst einen im Tank angeordneten und in seiner Kapazität vom Füllstand abhängigen ersten Kondensator sowie mindestens einen in seiner Kapazität vom Füllstand unabhängigen zweiten Kondensator. Erfindungsgemäß ist der zweite Kondensator im Tank angeordnet und selbst bei niedrigem Füllstand vollständig von dem Fluid überdeckt. Des Weiteren erfindungsgemäß sind die beiden Kondensatoren gemeinsam mit weiteren Kondensatoren, Widerständen und/oder Spulen zu einer Brückenschaltung, insbesondere zu einer Wien-Brücke, elektrisch verschaltet. Ferner sind eine Wechselspannungsquelle zum Anlegen einer Wechselspannung und ein Messgerät zum Messen einer Querspannung in einem Brückenzweig der Brückenschaltung vorgesehen.The furthermore proposed device for determining the fill level of a tank, in particular cryotank, comprises a tank arranged in the tank and in its capacity dependent on the level of the first capacitor and at least one independent in its capacity of the second capacitor. According to the invention, the second condenser is arranged in the tank and is completely covered by the fluid even at a low filling level. Furthermore, according to the invention, the two capacitors are electrically connected together with further capacitors, resistors and / or coils to a bridge circuit, in particular to a Wien bridge. Furthermore, an AC voltage source for applying an AC voltage and a measuring device for measuring a transverse voltage in a bridge branch of the bridge circuit are provided.

Dadurch, dass der zweite Kondensator selbst bei niedrigem Füllstand stets vollständig von dem Fluid überdeckt ist, ist seine Kapazität konstant. Die Anordnung des zweiten Kondensators erfolgt hierzu bevorzugt in Bodennähe des Tanks, so dass sich der Flüssigkeitsspiegel stets oberhalb des zweiten Kondensators befindet. Um dies zu gewährleisten, kann vorab ein Mindestfüllstand definiert werden.Because the second capacitor is always completely covered by the fluid even at a low level, its capacity is constant. The arrangement of the second capacitor is for this purpose preferably close to the bottom of the tank, so that the liquid level is always above the second capacitor. To ensure this, a minimum level can be defined in advance.

Die vorgeschlagene Vorrichtung zur Ermittlung des Füllstands in einem Tank, insbesondere in einem Kryotank, ist insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Das heißt, dass über die Wechselspannungsquelle eine Wechselspannung angelegt wird und mittels des Messgeräts die Querspannung im Brückenzweig gemessen wird, wobei die gemessene Querspannung als Maß der Befüllung herangezogen wird.The proposed device for determining the fill level in a tank, in particular in a cryotank, is particularly suitable for carrying out the method according to the invention described above. This means that an AC voltage is applied via the AC voltage source and the transverse voltage in the bridge branch is measured by means of the measuring device, wherein the measured transverse voltage is used as a measure of the filling.

Variiert die Dielektrizitätskonstante des Fluids, beispielsweise, weil der Tank mit einem anderen Fluid befüllt wird, kann über den zweiten Kondensator eine Kompensierung bewirkt werden.If the dielectric constant of the fluid varies, for example because the tank is filled with another fluid, compensation can be effected via the second capacitor.

Vorteilhafterweise ist mindestens ein Kondensator der Vorrichtung als Zylinderkondensator ausgeführt. Vorzugsweise ist zumindest der erste Kondensator als Zylinderkondensator ausgeführt und derart im Tank orientiert, dass die Eintauchtiefe der beiden zylinder- bzw. hohlzylinderförmigen Elektroden des Zylinderkondensators in Abhängigkeit vom Füllstand im Tank variiert. Mit der Eintauchtiefe variiert auch die Kapazität des Kondensators, wobei nicht die Kapazität, sondern die von der Kapazität abhängige Querspannung im Brückenzweig der Brückenschaltung gemessen wird. Es müssen aber nicht notwendigerweise Zylinderkondensatoren sein. Entscheidend ist, dass beide Kondensatoren wegen des Abgleichs identisch sind. Wenn die Brücke abgeglichen ist, ist der Tank voll.Advantageously, at least one capacitor of the device is designed as a cylindrical capacitor. Preferably, at least the first capacitor is designed as a cylindrical capacitor and oriented in the tank such that the immersion depth of the two cylindrical or hollow-cylindrical electrodes of the cylindrical capacitor varies depending on the fill level in the tank. With the depth of immersion, the capacitance of the capacitor also varies, and it is not the capacitance but the capacitance-dependent transverse voltage in the bridge branch of the capacitor Bridge circuit is measured. But they do not necessarily have to be cylinder capacitors. It is crucial that both capacitors are identical because of the adjustment. When the bridge is balanced, the tank is full.

Der zweite Kondensator ist vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht in Bezug auf den ersten Kondensator ausgerichtet. Das heißt, dass er vorzugsweise liegend in Bezug auf den Tankboden angeordnet ist, so dass er selbst bei niedrigem Füllstand von dem Fluid vollständig überdeckt ist.The second capacitor is preferably aligned substantially perpendicular with respect to the first capacitor. That is, it is preferably disposed lying with respect to the tank bottom, so that it is completely covered by the fluid even at a low level.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der zweite Kondensator eine hohlzylinderförmige außenliegende Elektrode mit mindestens einer mantelseitigen Durchströmöffnung aufweist. Diese Durchströmöffnung sollte vorzugsweise auch der erste Kondensator haben, damit Baugleichheit gegeben ist. Das heißt, dass vorzugsweise auch der zweite Kondensator als Zylinderkondensator ausgeführt ist, wobei die mindestens eine mantelseitige Durchströmöffnung der außenliegenden Elektrode verhindert, dass im Kondensator Gasblasen eingeschlossen werden. Denn diese würden die Genauigkeit des Messergebnisses beeinträchtigen. Der erste Kondensator sollte in der Mitte (am Schwerpunkt) des Tanks angebracht sein, damit ein Schrägstehen des Fahrzeugs nur geringen Einfluss auf die ermittelte Füllhöhe des Tanks hat.In a further development of the invention, it is proposed that the second capacitor has a hollow cylindrical outer electrode with at least one shell-side flow opening. This flow-through opening should preferably also have the first capacitor, so that construction is equal. This means that preferably also the second capacitor is designed as a cylindrical capacitor, wherein the at least one shell-side throughflow opening of the outer electrode prevents gas bubbles from being trapped in the condenser. Because these would affect the accuracy of the measurement result. The first condenser should be located in the center (at the center of gravity) of the tank, so that the vehicle is prevented from tilting to the determined level of the tank.

Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner ein Tank, insbesondere ein Kryotank, mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung des Füllstands vorgeschlagen. Da ein Kryotank der Bevorratung eines tiefkalten verflüssigten Gases dient, dessen Dielektrizitätskonstante vergleichsweise klein ist, treten in dieser Anwendung die Vorteile der Erfindung besonders deutlich zum Vorschein.To solve the problem mentioned above, a tank, in particular a cryogenic tank, further proposed with a device according to the invention for determining the level. Since a cryotank serves to store a cryogenic liquefied gas whose dielectric constant is comparatively small, the advantages of the invention are particularly evident in this application.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:

  • 1 eine schematische räumliche Darstellung eines Tanks mit einem tiefkalten verflüssigten Gas und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung des Füllstands im Tank,
  • 2 ein Schaltschema einer Brückenschaltung zur elektrischen Verschaltung der Kondensatoren der Vorrichtung der 1 und
  • 3 einen schematischen Querschnitt durch einen Tank 1 gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung.
Preferred embodiments of the invention are described below with reference to the accompanying drawings. These show:
  • 1 a schematic spatial representation of a tank with a cryogenic liquefied gas and a device according to the invention for determining the level in the tank,
  • 2 a circuit diagram of a bridge circuit for electrically interconnecting the capacitors of the device 1 and
  • 3 a schematic cross section through a tank 1 according to an alternative embodiment of the invention.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

1 zeigt einen Tank 1 (nur durch gestrichelte Linien angedeutet), in dem ein Fluid 2 aufgenommen ist. Bei dem Fluid 2 handelt es sich um ein tiefkaltes verflüssigtes Gas, insbesondere um flüssiges Erdgas (LNG), mit dem eine Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) eines Kraftfahrzeugs betrieben wird. Das Gas wird hierzu im Tank 1 an Bord des Kraftfahrzeugs mitgeführt. 1 shows a tank 1 (indicated only by dashed lines), in which a fluid 2 is included. With the fluid 2 it is a cryogenic liquefied gas, in particular liquid natural gas (LNG), with which an internal combustion engine (not shown) of a motor vehicle is operated. The gas is in the tank 1 carried on board the motor vehicle.

Um den Füllstand im Tank 1 zu ermitteln, sind im Tank 1 ein erster Kondensator 3 und ein zweiter Kondensator 4 angeordnet, die jeweils als Zylinderkondensatoren ausgeführt sind. Der erste Kondensator 3 weist eine Längsachse A1 auf, die im Wesentlichen senkrecht in Bezug auf einen Flüssigkeitsspiegel 11 des im Tank 1 aufgenommenen Fluids 2 ausgerichtet ist, wenn das Kraftfahrzeug auf einer ebenen Fläche abgestellt ist oder sich über eine ebene Fläche bewegt. Der zweite Kondensator 4 weist eine Längsachse A2 auf, die senkrecht zur Längsachse A1 des ersten Kondensators 3 ausgerichtet ist. Der erste Kondensator 3 weist somit eine vom jeweiligen Füllstand abhängige Kapazität auf, während der zweite Kondensator 4 derart angeordnet ist, dass er stets von dem Fluid 2 überdeckt ist, so dass sich seine Kapazität nicht füllstandsabhängig verändert. Hierzu kann der zweite Kondensator 4 - wie beispielhaft in der 3 dargestellt - auch in einer im Bodenbereich des Tanks 1 ausgebildeten Vertiefung 14 angeordnet werden.To the level in the tank 1 to determine are in the tank 1 a first capacitor 3 and a second capacitor 4 arranged, which are each designed as a cylinder capacitors. The first capacitor 3 has a longitudinal axis A 1 on, which is substantially perpendicular with respect to a liquid level 11 in the tank 1 absorbed fluid 2 is aligned when the motor vehicle is parked on a flat surface or moves over a flat surface. The second capacitor 4 has a longitudinal axis A 2 on, perpendicular to the longitudinal axis A 1 of the first capacitor 3 is aligned. The first capacitor 3 thus has a dependent on the respective level capacity, while the second capacitor 4 is arranged so that it always from the fluid 2 is covered, so that its capacity does not change depending on the level. For this purpose, the second capacitor 4 as exemplified in the 3 shown - even in a bottom of the tank 1 trained depression 14 to be ordered.

Damit im „liegenden“ zweiten Kondensator 4 keine Gasblasen eingeschlossen werden, weist der zweite Kondensator 4 eine außenliegende hohlzylinderförmige Elektrode 9 auf, die mindestens eine mantelseitige Durchströmöffnung 10 besitzt. Dadurch ist sichergestellt, dass ein Zwischenraum 12 zwischen der außenliegenden Elektrode 9 und einer innenliegenden Elektrode 13 stets mit dem tiefkalten verflüssigten Gas gefüllt ist. So in the "lying" second capacitor 4 no gas bubbles are trapped, the second condenser has 4 an outer hollow cylindrical electrode 9 on, the at least one shell-side flow opening 10 has. This ensures that there is a gap 12 between the external electrode 9 and an internal electrode 13 always filled with the cryogenic liquefied gas.

Wie der 2 zu entnehmen ist, bilden der erste Kondensator 3 und der zweite Kondensator 4 ein erstes Kondensatorpaar einer Brückenschaltung aus. Ein weiteres Kondensatorpaar wird aus zwei weiteren Kondensatoren 5, 6 gebildet. Ferner ist eine Wechselspannungsquelle 7 vorgesehen, mittels welcher eine Wechselspannung anlegbar ist. Die Kondensatoren 3, 4, 5 und 6 der beiden Kondensatorpaare bilden komplexe elektrische Widerstände Z1 , Z2 , Z3 und Z4 aus. Zudem sind sie derart verschaltet, dass die Brückenbedingung Z1/Z2 = Z3/Z4 gilt.Again 2 it can be seen form the first capacitor 3 and the second capacitor 4 a first capacitor pair of a bridge circuit. Another pair of capacitors will consist of two more capacitors 5 . 6 educated. Furthermore, an AC voltage source 7 provided by means of which an AC voltage can be applied. The capacitors 3 . 4 . 5 and 6 The two pairs of capacitors form complex electrical resistances Z 1 . Z 2 . Z 3 and Z 4 out. In addition, they are connected in such a way that the bridge condition Z 1 / Z 2 = Z 3 / Z 4 applies.

Bei angelegter Wechselspannung wird eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Kondensatorpaaren bewirkt, die als Querspannung im Brückenzweig messbar ist. Die Messung wird mittels eines Messgeräts 8 durchgeführt. Über die Querspannung kann dann die Befüllung bzw. der Füllstand im Tank 1 ermittelt werden.When applied AC voltage, a potential difference between the two pairs of capacitors is effected, which is measurable as a transverse voltage in the bridge branch. The measurement is done by means of a measuring device 8th carried out. About the transverse stress then the filling or the level in the tank 1 be determined.

Der messbare Spannungsbereich bewegt sich vorzugsweise im Bereich von dU = 1V bei 5V Wechselspannung und 1000 1/s. Es sind auch andere Spannungen und Frequenzen denkbar.The measurable voltage range preferably ranges from dU = 1V at 5V AC voltage and 1000 1 / s. Other voltages and frequencies are conceivable.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2009/132437 A1 [0010]WO 2009/132437 A1 [0010]

Claims (10)

Verfahren zur Ermittlung des Füllstands eines Tanks (1) zur Bevorratung eines Fluids (2), insbesondere eines tiefkalten verflüssigten Gases, bei dem ein im Tank (1) angeordneter und in seiner Kapazität vom Füllstand abhängiger erster Kondensator (3) sowie mindestens ein in seiner Kapazität vom Füllstand unabhängiger zweiter Kondensator (4) verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren (3, 4) mit weiteren Kondensatoren (5, 6), Widerständen und/oder Spulen zu einer Brückenschaltung, insbesondere zu einer Wien-Brücke, elektrisch verschaltet werden, an die Brückenschaltung eine Wechselspannung angelegt und eine Querspannung in einem Brückenzweig der Brückenschaltung zur Ermittlung des Füllstands gemessen wird, wobei das im Tank (1) bevorratete Fluid (2) als Dielektrikum des zweiten Kondensators (4)verwendet wird, so dass die Kapazität des zweiten Kondensators (4) durch die Dielektrizitätskonstante des Fluids (2) vorgegeben ist.Method for determining the fill level of a tank (1) for storing a fluid (2), in particular a cryogenic liquefied gas, in which a first capacitor (3), which is arranged in the tank (1) and whose capacity depends on the fill level, and at least one in its Capacitance independent of the level of the second capacitor (4) are used, characterized in that the capacitors (3, 4) with further capacitors (5, 6), resistors and / or coils to a bridge circuit, in particular to a Wien bridge electrically connected be applied to the bridge circuit, an AC voltage and a transverse voltage in a bridge branch of the bridge circuit for determining the level is measured, wherein in the tank (1) stockpiled fluid (2) is used as a dielectric of the second capacitor (4), so that the capacity of the second capacitor (4) is predetermined by the dielectric constant of the fluid (2). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenschaltung als nichtabgeglichene Wien-Brücke ausgebildet wird, so dass über die angelegte Wechselspannung eine Potentialdifferenz zwischen einem ersten Kondensatorpaar und einem zweiten Kondensatorpaar bewirkt wird.Method according to Claim 1 , characterized in that the bridge circuit is formed as an unbalanced Wien bridge, so that a potential difference between a first capacitor pair and a second capacitor pair is effected via the applied AC voltage. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannung als bistabile Kippstufe aufgebaut wird, beispielsweise unter Verwendung eines NE555 Bausteins.Method according to Claim 1 or 2 , characterized in that the AC voltage is constructed as a bistable flip-flop, for example using a NE555 device. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene Querspannung mittels eines Analog-Digital-Wandlers digitalisiert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the measured transverse voltage is digitized by means of an analog-to-digital converter. Vorrichtung zur Ermittlung des Füllstands eines Tanks (1) zur Bevorratung eines Fluids (2), insbesondere eines tiefkalten verflüssigten Gases, umfassend einen im Tank (1) angeordneten und in seiner Kapazität vom Füllstand abhängigen ersten Kondensator (3) sowie mindestens einen in seiner Kapazität vom Füllstand unabhängigen zweiten Kondensator (4), dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kondensator (4) im Tank (1) angeordnet ist und selbst bei niedrigem Füllstand vollständig von dem Fluid (2) überdeckt ist, wobei die Kondensatoren (3, 4) gemeinsam mit weiteren Kondensatoren (5, 6), Widerständen und/oder Spulen zu einer Brückenschaltung, insbesondere zu einer Wien-Brücke, elektrisch verschaltet sind, und wobei eine Wechselspannungsquelle (7) zum Anlegen einer Wechselspannung und ein Messgerät (8) zum Messen einer Querspannung in einem Brückenzweig der Brückenschaltung vorgesehen sind.Device for determining the filling level of a tank (1) for storing a fluid (2), in particular a cryogenic liquefied gas, comprising a first condenser (3) arranged in the tank (1) and dependent in its capacity on capacity and at least one in its capacity independent from the level of the second capacitor (4), characterized in that the second capacitor (4) in the tank (1) is arranged and is completely covered even at low level of the fluid (2), wherein the capacitors (3, 4) in common with further capacitors (5, 6), resistors and / or coils to a bridge circuit, in particular to a Wien bridge, are electrically connected, and wherein an AC voltage source (7) for applying an AC voltage and a measuring device (8) for measuring a transverse voltage are provided in a bridge branch of the bridge circuit. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 geeignet ist.Device after Claim 5 , characterized in that the device for carrying out the method according to one of Claims 1 to 4 suitable is. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kondensator (3, 4) als Zylinderkondensator ausgeführt ist.Device after Claim 5 or 6 , characterized in that at least one capacitor (3, 4) is designed as a cylindrical capacitor. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kondensator (4) im Wesentlichen senkrecht in Bezug auf den ersten Kondensator (3) ausgerichtet ist.Device according to one of Claims 5 to 7 characterized in that the second capacitor (4) is oriented substantially perpendicular with respect to the first capacitor (3). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kondensator (4) eine hohlzylinderförmige außenliegende Elektrode (9) mit mindestens einer mantelseitigen Durchströmöffnung (10) aufweist.Device according to one of Claims 5 to 8th , characterized in that the second capacitor (4) has a hollow cylindrical outer electrode (9) with at least one shell-side flow opening (10). Tank (1), insbesondere Kryotank, mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9.Tank (1), in particular Kryotank, with a device according to one of Claims 5 to 9 ,
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2009132437A1 (en) 2008-04-28 2009-11-05 Westport Power Inc. Apparatus and method for improving the accuracy of measurements taken with a capacitance- type sensor

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