DE10207278B4

DE10207278B4 - Verfahren zur Füllstandsbestimmung und Füllstandsmessvorrichtung

Info

Publication number: DE10207278B4
Application number: DE10207278A
Authority: DE
Inventors: Michael Arndt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-02-21
Filing date: 2002-02-21
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2022-02-22
Also published as: US20030213299A1; JP2003254812A; FR2836216A1; DE10207278A1; US6910378B2; FR2836216B1

Abstract

Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung des Füllstandes eines Mediums (4) in einem Behälter (5), gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
A) Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes in dem das Medium (4) enthaltenden Behälter (5),
B) Anregung eines in dem Behälter (5) einseitig befestigten, senkrecht zur Flüssigkeitsoberfläche ausgerichteten und ein magnetostriktives Material enthaltenden Sensorelementes in Form eines Streifens aus einer amorphen Metalllegierung zu Längsschwingungen durch einen außerhalb des Behälters (5) befindlichen Magneten (9) zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetfeldes, wobei die untere Seite (2) des Streifens eingespannt ist und die obere Seite (3) frei schwingt,
C) Messung der Resonanzfrequenz des Sensorelementes aufgrund der teilweisen Bedeckung durch Flüssigkeit mittels der sich periodisch ändernden Magnetisierung des Sensorelements in dem konstanten Magnetfeld durch die außerhalb des Behälters (5) befindliche Messvorrichtung (10) und
D) Bestimmung des Füllstandes aus der Resonanzfrequenz oder Dämpfung der Längsschwingungen.

Description

Technisches Gebiet
Füllstandsmessvorrichtungen werden eingesetzt, um die Füllhöhe eines Füllstoffes in einem Behälter zu überwachen. Sie finden zum Beispiel in Kraftfahrzeugen oder in der chemischen Verfahrenstechnik Anwendung. Beispielsweise dienen sie zur Messung des Kraftstoff-Füllstands im Kraftstofftank, des Brems- oder des Kühlflüssigkeits-Füllstandes in Kraftfahrzeugen.

Seit vielen Jahren sind Füllstandsmessvorrichtungen für Tanks bekannt, bei denen der Auftriebskörper eines drehbar gelagerten Schwimmers auf der in dem Tank befindlichen Flüssigkeit schwimmt. Die vom Füllstand der Flüssigkeit abhängige Winkelstellung des Schwimmers wird dabei zum Beispiel auf einen Magneten übertragen, dessen Winkelstellung dann ein Maß für den Füllstand ist. Solche Füllstandsmessvorrichtungen mit Schwimmerhebeln sind beispielsweise aus der DE 28 30 518 B1 oder der DE 199 25 185 A1 bekannt.

In US 3,256,738 wird ein magnetostriktiver Messwertgeber beschrieben, der auch als Flüssigkeitsstandssensor eingesetzt werden kann. Der Sensor besteht aus einem Gehäuse, welches durch eine Membran abgeschlossen wird. In der Membran ist das magnetostriktive Material befestigt. Innerhalb des Gehäuses befinden sich weiter magnetostriktives Material durch eine Isolierung getrennt eine Anregungsspule, eine Empfangsspule und ein Magnet zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes. Zur Messung wird zunächst ein konstantes Magnetfeld im Gehäuse aufgebracht, weiterhin ein Wechselmagnetfeld erzeugt, welches das konstante Magnetfeld überlagert und mit dem das magnetostriktive Material angeregt wird und schließlich die Resonanzfrequenz des magnetostriktiven Materials gemessen wird.

Das Messsignal beruht auf der Änderung der Amplitude durch die Dämpfung an der Membran durch die umgebende Flüssigkeit. Hierdurch lässt sich mit dem beschriebenen Sensor nur bestimmen, ob er von Flüssigkeit bedeckt ist oder nicht.

DE 33 04 223 C2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Feststellung der Füllstandshöhe bzw. der An- oder Abwesenheit eines Stoffes in einem Behälter. Zur Füllstandsmessung wird ein einseitig eingespannter Stab, der vom zu messenden Stoff teilweise bedeckt ist, zum Beispiel piezoelektrisch, magnetostriktiv oder elektromagnetisch angeregt. Anhand der Änderung der Eigenfrequenz der schwingungsfähigen Einrichtung bei unterschiedlicher Bedeckung wird die Füllstandshöhe gemessen. Weiterhin sind das Mess-, Kalibrier- und Auswerteverfahren und die dafür notwendigen Einrichtungen beschrieben.

Ein Füllstandsgeber für einen Flüssigkeitsbehälter und ein Verfahren zur Ermittlung des Füllstandes in einem Flüssigkeitsbehälter wird in DE 199 33 044 A1 beschrieben. Der Füllstandsgeber umfasst mehrere Sensoren aus einem magnetostriktiven Material, die durch ein von einer Sende- und Empfangseinheit ausgesandten magnetischen Wechselfeld zu Schwingungen angeregt werden. Aufgrund verschiedener geometrischer Abmessungen schwingen die Sensoren in unterschiedlichen Frequenzen, die von der Sende- und Empfangseinheit detektiert werden. Die gewonnenen Signale werden einer Auswerteeinheit zugeführt und zur Bildung eines Signals für den Füllstand verwendet.

DE 699 00 047 T2 hat einen vibrierenden Füllstandsdetektor zum Gegenstand. Der Detektor besteht aus einer Hülse, deren eines Ende abgeschlossen ist und an dem ein Stab befestigt ist, an dessen Ende sich ein Magnet befindet. Gegenüber diesem Magneten ist in der Hülse ein Elektromagnet angebracht, dessen Polung gewechselt werden kann. Durch Abstossung beginnt der Stab zu schwingen. Durch eine Vorrichtung zur Ermittlung der Verzerrung wird die Schwingung erkannt. Wenn der Sensor von Flüssigkeit umgeben ist, ändert sich die Dämpfung des Sensors, wodurch sich wiederum die Amplitude der Auslenkung bei einem wechselnden Magnetfeld ändert.

Andere Füllstandssensoren im Stande der Technik basieren auf der Nutzung von Tastplatten, Kapazitäts- oder Widerstandsänderungen, thermischen, radiometrischen, optischen oder akustischen Messungen, Radarmessungen, Kraft- oder Druckmessungen oder Messungen mit vibrierendem piezoelektrischem Aufnehmer.

Ein Nachteil der Sensoren im Stand der Technik ist, dass zwischen dem Sensorelement und der Auswerteelektronik zumeist eine elektrische, mechanische oder optische Verbindung vorhanden sein muss. Dadurch muss zum Beispiel ein erhöhter konstruktiver Aufwand betrieben werden, die Verbindung kann durch den Füllstoff verschmutzt und/oder der Behälter durch die Verbindung undicht werden.

Wenn keine elektrische, mechanische oder optische Verbindung benötigt wird, so muss im Stand der Technik zumindest das Sensorelement von einer Energiequelle (zum Beispiel Batterie) versorgt werden, die nach einiger Zeit gewechselt werden muss. Dies ist insbesondere nachteilig bei Anwendungen, bei denen der Zugang zum Sensorelement schwierig ist.

Darstellung der Erfindung

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass ein alternatives Verfahren und eine alternative Vorrichtung zur kontinuierlichen Füllstandsbestimmung bereitgestellt werden, wobei weder eine elektrische, mechanische oder optische Verbindung zwischen dem Sensorelement und der Auswerteelektronik, noch eine Energiequelle direkt an dem Sensorelement benötigt werden. Dies ermöglicht die Messung des Füllstands eines Mediums in einem abgeschlossenen Tank oder Behälter. Das Sensorelement muss dabei von außerhalb des abgeschlossenen Behälters nicht zugänglich sein. Das Füllstandssignal wird durch die Wandung des Behälters hindurch übertragen, wobei das Sensorelement während der Messung von außerhalb des Behälters mit Energie versorgt wird.

Diese Vorteile werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter erreicht, mit folgenden Verfahrensschritten:

A) Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes in dem das Medium enthaltenden Behälter,
B) Anregung eines in dem Behälter einseitig befestigten, senkrecht zur Flüssigkeitsoberfläche ausgerichteten und ein magnetostriktives Material enthaltenden Sensorelementes in Form eines Streifens aus einer amorphen Metalllegierung zu Längsschwingungen durch einen außerhalb des Behälters befindlichen Magneten zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetfeldes, wobei die untere Seite des Streifens eingespannt ist und die obere Seite frei schwingt,
C) Messung der Resonanzfrequenz des Sensorelementes aufgrund der teilweisen Bedeckung durch Flüssigkeit mittels der sich periodisch ändernden Magnetisierung des Sensorelementes in dem konstanten Magnetfeld durch die außerhalb des Behälters befindliche Messvorrichtung und
D) Bestimmung des Füllstandes aus der Resonanzfrequenz oder aus der Dämpfung der Längsschwingungen.

Die Magnetostriktion ist eine Eigenschaft, die man bei ferromagnetischen Materialien wie Eisen, Nickel, Cobalt und deren Legierungen findet. Werden Ferromagnetika in den Bereich eines magnetischen Feldes gebracht, so erfolgt eine mikroskopische Verformung ihrer Molekularstruktur, die eine Änderung ihrer Dimensionen bewirkt. Bringt man beispielsweise einen Streifen aus fenomagnetischem Material in ein Magnetfeld, das parallel zur Längsrichtung des Streifens verläuft, so erfahrt dieser Streifen eine mechanische Längenänderung. Die relative Längenänderung ΔL/L, die durch einen magnetostriktiven Effekt, den Joule-Effekt, erzielt werden kann, liegt im Allgemeinen in der Größenordnung von 10^–5. In hochmagnetostriktiven Werkstoffen, zum Beispiel aus Seltenerd-Eisen-Legierungen, können jedoch Werte bis zu 10^–3 erreicht werden. Magnetostriktives Material ist ferner auch magnetoelastisch. Als magnetoelastischer Effekt findet der Villary-Effekt Anwendung in einigen Messverfahren. Er behandelt die Änderungen der longitudinalen magnetischen Eigenschaften, zum Beispiel der Permeabilität eines ferromagnetischen Streifens, die durch seine mechanische Verformung in Längsrichtung hervorgerufen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt in Schritt C) den magnetoelastischen Effekt und gegebenenfalls im Schritt B) den magnetostriktiven Effekt. Es dient zur Bestimmung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter. Bei dem Medium kann es sich um eine Flüssigkeit oder um feinkörniges Schüttgut handeln. Bei Passivierung des Sensorelements (z. B. Beschichtung) sind Wasser, wässrige Lösungen, Öle, Kraftstoffe, Alkohole, Lösungsmittel, Stäube und Sande Beispiele für das Medium, dessen Füllstand mittels der vorliegenden Erfindung bestimmt werden kann. Der Behälter ist zum Beispiel ein Tank in einem Kraftfahrzeug oder ein Reaktor in einem chemischen Verfahren. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein in dem Behälter einseitig befestigtes und ein magnetostriktives Material enthalten es Sensorelement zu Längsschwingungen mit seiner Resonanzfrequenz angeregt (B). Das Sensorelement ist streifenförmig ausgebildet. Es besitzt eine charakteristische mechanische Resonanzfrequenz, die von seiner Länge, dem Vorhandensein und der Position einer Einspannstelle, Materialparametern des magnetostriktiven Materials und der Stärke und Richtung eines umgebenden Magnet feldes abhängt. Die Längsschwingungen des Sensorelements bewirken eine sich periodisch ändernde mechanische Spannung, welche aufgrund des Villary-Effektes zu einer periodischen Änderung der longitudinalen magnetischen Eigenschaften des Sensorelements führt. Das Sensorelement befindet sich in einem statischen Magnetfeld H_B geringerer Stärke (vorzugsweise H_B < 1 kA/m) (Schritt A), so dass eine Magnetisierungsänderung des Sensorelementes in einigem Abstand detektiert werden kann. Befindet sich das Sensorelement in einem in dem Behälter enthaltenen Medium senkrecht zur Oberfläche des Mediums, so hängt die für die Schwingung relevante Länge des Sensorelementes von der Position der Oberfläche entlang des Sensorelements ab. Diese Position wird durch den Füllstand des Behälters festgelegt. Somit wird sowohl die Resonanzfrequenz als auch die Dämpfung der Schwingung des Sensorelements von dem Füllstand beeinflusst. In Schritt C) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Messung der Resonanzfrequenz und/oder der Dämpfung der Längsschwingungen mittels der sich periodisch ändernden Magnetisierung des Sensorelements in dem konstanten Magnetfeld. Die Schwingung des das Sensorelement umgebenden und von ihm erzeugten Magnetfeldes erfolgt ebenfalls mit der Resonanzfrequenz des Sensorelements und weist die gleiche Dämpfung auf. Beide Größen können folglich indirekt von außerhalb des Behälters gemessen (Schritt C) und daraus der Füllstand bestimmt werden (Schritt D).

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Anregung des Sensorelementes zu Längsschwingungen durch ein (möglicherweise frequenzgewobbeltes) magnetisches Wechselfeld. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Anregung durch einen Magnetfeldimpuls. Beide Ausführungsformen machen sich den magnetostriktiven Effekt zunutze. Vorteilhaft ist dabei, dass die Anregung des Sensorelementes zu mechanischen Längsschwingungen von außerhalb des geschlossenen Behälters erfolgen kann.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Füllstandsmessvorrichtung für einen mit einem Medium befüllbaren Behälter, umfassend ein Sensorelement, das ein magnetostriktives Material enthält, mindestens einen Magneten zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes, mindestens einen Magneten zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetfeldes und mindestens eine Messvorrichtung zur Messung charakteristischer Größen eines sich periodisch ändernden Magnetfeldes.

Der mindestens eine Magnet zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetfeldes kann beispielsweise ein magnetisches Wechselfeld oder einen Magnetfeldimpuls erzeugen, so dass das Sensorelement durch dieses veränderliche Magnetfeld zu Schwingungen mit seiner Resonanzfrequenz angeregt wird. Die mit der Messvorrichtung gemessenen charakteristischen Größen eines periodisch sich ändernden Magnetfeldes sind zum Beispiel die Fre quenz oder die Dämpfung, die der Resonanzfrequenz und der Dämpfung der mechanischen Schwingungen des Sensorelementes entsprechen. Dabei befindet sich das Sensorelement in dem Magnetfeld, das durch den mindestens einen Magneten zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes erzeugt wird. Mit der erfindungsgemäßen Füllstandsmessvorrichtung kann der Füllstand eines Mediums in einem Behälter gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das magnetostriktive Material, das das Sensorelement enthält, eine eisen-, cobalt- oder nickelreiche amorphe Metalllegierung. Bevorzugte Materialien mit sehr guten magnetoelastischen Eigenschaften sind beispielsweise Vitrovac^® der Vacuumschmelze in Hanau, Deutschland oder Metglas^® der Honeywell Electronic Materials in Sunnyvale, Californien, USA. Metglas^® hat z. B. die Zusammensetzung 82.17% Co, 8.6% Si, 4.45% Fe, 3.15% B und 1.63% Ni. Vitrovac^® ist beispielsweise in der Zusammensetzung Fe₆₂Ni₂₀Si₂Bi₆ als Material für die vorliegende Erfindung geeignet. Weitere für die vorliegende Erfindung geeignete amorphe Metalle haben beispielsweise die Zusammensetzung T_70-85M_30-15, wobei T einem oder mehreren der Elemente Fe, Co, Ni und M einem oder mehreren der Elemente B, C, Si entspricht.

Die erfindungsgemäße Füllstandsmessvorrichtung wird verwandt zur Füllstandsbestimmung einer Flüssigkeit in einem Behälter in einem Kraftfahrzeug. Bei Kraftfahrzeugen ist es vorteilhaft, den Füllstand verschiedener Behälter zu kennen, zum Beispiel den Kraftstoff-Füllstand im Kraftstofftank oder den Füllstand von Kühl- oder Bremsflüssigkeitsbehältern. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Füllstandsmessvorrichtung sind jedoch zur Bestimmung des Füllstandes beliebiger Behälter geeignet.

Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
Es zeigt:
1 einen einseitig eingespannten Streifen, der zu mechanischen Schwingungen angeregt werden kann,
2 eine erfindungsgemäße Füllstandsmessvorrichtung,
3 einen gekrümmten, einseitig eingespannten Streifen,
4 Draufsicht und Schnitt durch eine erfindungsgemäße Füllstandsmessvorrichtung und
5 die graphische Darstellung des Schwingungsverhaltens eines Streifens.
Ausführungsvarianten
1 zeigt einen eingespannten Streifen aus einem magnetostriktiven Material, der zu mechanischen Schwingungen angeregt wird.
Der magnetostriktive Streifen 1 ist auf einer Seite 2 eingespannt und kann auf der anderen Seite 3 frei schwingen. Er besitzt eine Länge L, einen mechanischen Elastizitätsmodul E_H (in Abhängigkeit von dem umgebenden Magnetfeld) und eine Dichte ρ. Für die Resonanzfrequenz f_r eines einseitig eingespannten Streifens 1 gilt:
Der amorphe Metallstreifen 1 kann aufgrund seiner magnetoelastischen Eigenschaften mit Hilfe eines magnetischen Wechselfeldes oder eines Magnetimpulses zu mechanischen Längsschwingungen mit dieser für ihn charakteristischen Resonanzfrequenz f_r angeregt werden.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Füllstandsmessvorrichtung Sie dient zum Messen des Füllstands eines Mediums 4 in einem abgeschlossenen Behälter 5. Dazu ist ein magnetostriktiver Streifen 1 in einer Einspannung 6 einseitig eingespannt, so dass er senkrecht zu der Oberfläche 7 des Mediums 4 ausgerichtet ist. Es sind aber auch Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung möglich, bei denen der magnetostriktive Streifen schräg durch das Medium verläuft und folglich auch schräg über die Oberfläche des Mediums hinausragt. In 2 verläuft er jedoch senkrecht und besitzt eine Gesamtlänge L, die sich in zwei Teillängen L_F und L_eff unterteilen lässt. Dabei ist L_F die Länge des magnetostriktiven Streifens 1, die von dem Medium 4 umgeben ist und sich folglich unter der Oberfläche 7 des Mediums befindet (zu messende Füllstandshöhe) und L_eff die Länge des Streifens 1, die über die Oberfläche 7 hinausragt (für die Schwingung relevante Länge). In der in 2 dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung befindet sich die Einspannung 6 am unteren Ende des Behälters 5.
An der Außenseite des Behälters 5 sind drei Spulen 8, 9, 10 angebracht. Eine Bias-Spule 8 dient zur Erzeugung eines konstanten schwachen Magnetfeldes. Mit Hilfe der Anregungsspule 9 wird ein Magnetfeld erzeugt, das zur Anregung des magnetostriktiven Streifens 1 in der eingezeichneten Schwingungsrichtung 11 dient. Die Messspule 10 dient zur Detektion des Signals, aus dem die Füllstandshöhe L_F bestimmt wird.
In dieser bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Magneten und die Messvorrichtung als Spulen 8, 9, 10 ausgebildet. Die Spulen können Helmholtzspulen oder einzelne Spulenringe sein. Der mindestens eine Magnet zur Erzeugung des konstanten Magnetfeldes muss nicht als Spule ausgeführt sein, sondern es kann sich auch um einen Permanentmagneten handeln.
Die Resonanzfrequenz des magnetostriktiven Streifens 1 und die Dämpfung seiner Schwingung entsprechen der Frequenz und Dämpfung des mit der Messspule 10 gemessenen Signals. Die Resonanzfrequenz des magnetostriktiven Streifens 1 hängt wie folgt von dem Füllstand in dem Behälter 5 ab:
Bei einer bestimmten Füllstandshöhe beträgt die Resonanzfrequenz f_r,1 relativ zur Resonanzfrequenz ohne Medium f_r,0 (L_F = 0):
Damit lässt sich der aktuelle Füllstand aus der aktuellen Resonanzfrequenz bestimmen zu
Für die Dämpfung des magnetostriktiven Streifens 1 lässt sich eine ähnliche Rechnung durchführen. Sie hängt zum einen von der Viskosität des Mediums ab und steigt zum anderen mit größer werdender Eintauchtiefe des Streifens in das Medium an.
3 zeigt einen gekrümmten, einseitig eingespannten Streifen
Der magnetostriktive Streifen 1 mit der Länge L, dem Elastizitätsmodul E_H und der Dichte ρ weist in seiner Querrichtung eine Krümmung auf. Vorzugsweise beträgt die Krümmungshöhe h 0,1 mm bis 5 mm. Die Funktion der Krümmung ist eine Erhöhung der mechanischen Stabilität des magnetostriktiven Streifens 1, der zum Beispiel dem Auffüllen des Behälters mit dem Medium, insbesondere mit Schüttgut, standhalten soll.
In 4 ist eine Draufsicht und ein Schnitt durch eine erfindungsgemäße Füllstandsmessvorrichtung mit gekrümmtem magnetostriktivem Streifen dargestellt.
Im oberen Teil der 4 ist ein Schnitt durch eine erfindungsgemäße Füllstandsmessvorrichtung dargestellt, der entlang der in der Draufsicht im unteren Teil der 4 eingezeichneten Linie A-B verläuft. Der Aufbau der Füllstandsmessvorrichtung entspricht weitgehend dem in 2 abgebildeten. In 4 ist ein rechteckiger Behälter 5 mit einem mittig mittels Einspannung 6 befestigten magnetostriktiven Streifen 1 und außen angebrachten drei Spulen 8, 9, 10 abgebildet. In dem Behälter befindet sich zusätzlich eine Schutzröhre 12, die den magnetostriktiven Streifen 1 umgibt. Die Schutzröhre 12 verhindert ein Knicken des magnetostriktiven Streifens 1 aufgrund von Strömungen des (in 4 nicht dargestellten) Mediums 4 in dem Behälter 5. Zusätzliche Stabilität erhält der Streifen 1 durch seine Krümmung, die in der unten in 4 dargestellten Draufsicht erkennbar ist. Um sicherzustellen, dass die Füllstandshöhe des Mediums 4 in der Schutzröhre 12 der Füllstandshöhe in dem gesamten Behälter 5 entspricht, weist die Schutzröhre 12 an ihrem unteren Ende Öffnungen 13 auf, die ein leichtes Eindringen und Ausströmen des Mediums aus der Schutzröhre 12 erlauben. Dadurch ist ein ständiger Ausgleich des Füllstandes zwischen der Schutzröhre 12 und dem sie umgebenden Behälter 5 gewährleistet.
Die Erzeugung des konstanten Magnetfeldes erfolgt bei der in 4 dargestellten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mittels einer Bias-Spule 8. Alternativ dazu kann der mindestens eine Magnet zur Erzeugung des konstanten Magnetfeldes als ein auf der Schutzröhre 12 befestigter permanentmagnetischer Streifen ausgeführt sein.
5 zeigt eine graphische Darstellung des Schwingungsverhaltens eines magnetostriktiven Streifens.
Dabei ist auf der Y-Achse die Amplitude A des schwingenden Streifens und auf der X-Achse die Frequenz des anregenden Magnetfeldes aufgetragen. Die zwei Resonanzkurven 14, 15 zeigen das Schwingungsverhalten des magnetostriktiven Streifens bei kontinuierlicher Anregung mit einem frequenzgewobbelten Magnetfeld bei zwei verschiedenen Füllständen in einem Behälter. Die Amplitude wird dabei maximal, wenn das anregende Magnetfeld die Resonanzfrequenz des Streifens erreicht. Die erste Resonanzkurve 14 weist eine maximale Amplitude A₀ bei der Resonanzfrequenz f_r,0 auf. Sie wurde für einen Behälter ohne Medium (Füllstand = 0) aufgenommen. Die zweite Resonanzkurve 15 wurde für einen Behälter mit Medium (Füllstand = L_F ≠ 0) gemessen. Sie zeigt eine Amplitude A₁ bei der Resonanzfrequenz f_r,1. Die Resonanzfrequenz f_r,1 mit Füllstand unterscheidet sich deutlich von der Resonanzfrequenz f_r,0. Zur erfindungsgemäßen Füllstandsbestimmung muss die Resonanzfrequenz f_r,0 ohne Füllstand bekannt sein, so dass bei einer beliebigen gemessenen Resonanzfrequenz f_r,1 (wie oben ausgeführt) zurückgerechnet werden kann. Ebenso kann der aktuelle Füllstand aus dem Verhältnis der Amplituden A₀ zu A₁ berechnet werden.

1: magnetostriktiver Streifen
2: eingespannte Seite
3: freischwingende Seite
4: Medium
5: Behälter
6: Einspannung
7: Oberfläche des Mediums
8: Magnet, Bias-Spule
9: Magnet, Anregungsspule
10: Messvorrichtung, Messspule
11: Schwingungsrichtung
12: Schutzröhre
13: Öffnungen
14: erste Resonanzkurve
15: zweite Resonanzkurve
L: Länge
E_H: Elastizitätsmodul
ρ: Dichte
L_F: Füllstandshöhe
L_eff: für die Schwingung relevante Länge
A₀: Amplitude ohne Füllung
A₁: Amplitude mit Füllung
f_r,0: Resonanzfrequenz ohne Füllung
f_r,1: Resonanzfrequenz mit Füllung
A: Amplitude eines schwingenden Streifens
f: Frequenz eines gewobbelten Anregungsmagnetfeldes
h: Krümmungshöhe

Claims

Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung des Füllstandes eines Mediums (4) in einem Behälter (5), gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: A) Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes in dem das Medium (4) enthaltenden Behälter (5), B) Anregung eines in dem Behälter (5) einseitig befestigten, senkrecht zur Flüssigkeitsoberfläche ausgerichteten und ein magnetostriktives Material enthaltenden Sensorelementes in Form eines Streifens aus einer amorphen Metalllegierung zu Längsschwingungen durch einen außerhalb des Behälters (5) befindlichen Magneten (9) zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetfeldes, wobei die untere Seite (2) des Streifens eingespannt ist und die obere Seite (3) frei schwingt, C) Messung der Resonanzfrequenz des Sensorelementes aufgrund der teilweisen Bedeckung durch Flüssigkeit mittels der sich periodisch ändernden Magnetisierung des Sensorelements in dem konstanten Magnetfeld durch die außerhalb des Behälters (5) befindliche Messvorrichtung (10) und D) Bestimmung des Füllstandes aus der Resonanzfrequenz oder Dämpfung der Längsschwingungen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregung des Sensorelements zu Längsschwingungen durch einen Magnetfeldimpuls erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregung des Sensorelementes zu Längsschwingungen durch ein magnetisches Wechselfeld erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Wechselfeld frequenzgewobbelt ist.
Füllstandsmessvorrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung des Füllstandes für einen mit einem Medium (4) befüllbaren Behälter (5), die ein Sensorelement, das ein magnetostriktives Material enthält und das einseitig im Behälter (5) senkrecht zur Oberfläche (7) des Mediums (4) befestigt ist, mindestens einen Magneten (8) zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes, mindestens einen Magneten (9) zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetfeldes und mindestens eine Messvorrichtung (10) zur Messung der Resonanzfrequenz oder der Dämpfung des Sensorelementes umfasst, wobei sich der Magnet (9) und die Messvorrichtung (10) außerhalb des Behälters (5) befinden, und wobei das Sensorelement ein Streifen (1) aus einer amorphen Metalllegierung ist, dessen untere Seite (2) eingespannt ist und dessen obere Seite (3) frei schwingt.
Füllstandsmessvorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetostriktive Material eine eisen-, cobalt- oder nickelreiche amorphe Metalllegierung ist.
Füllstandsmessvorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement ein in Querrichtung gekrümmter Streifen (1) ist.
Füllstandsmessvorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneten und die Messvorrichtung Spulen (8, 9, 10) sind.
Füllstandsmessvorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (8, 9, 10) Helmholtzspulen oder einzelne Spulenringe sind.
Füllstandsmessvorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Magnet (8) zur Erzeugung des konstanten Magnetfeldes ein Permanentmagnet ist.
Füllstandsmessvorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Magnet (8) zur Erzeugung des konstanten Magnetfeldes außerhalb des Behälters (5) angeordnet ist.
Füllstandsmessvorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement sich in dem Behälter (5) in einer Schutzröhre (12) mit Öffnungen (13) befindet.
Füllstandsmessvorrichtung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Magnet (8) zur Erzeugung des konstanten Magnetfeldes ein auf der Schutzröhre (12) befestigter permanentmagnetischer Streifen ist.