DE10244772A1

DE10244772A1 - Akustisches Fluidmesssystem

Info

Publication number: DE10244772A1
Application number: DE10244772A
Authority: DE
Inventors: Harry Atkinson
Original assignee: Smiths Group PLC
Current assignee: ONTIC ENGINEERING & MANUFACTURING UK LTD., GB
Priority date: 2001-10-02
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2003-05-15
Also published as: US20030061876A1; GB0123598D0; FR2830321A1; JP2003121241A; GB2380795A; FR2830321B1; GB0220868D0; JP4202083B2; US6968738B2; GB2380795B

Abstract

Ein Flugzeug-Ultraschall-Kraftstoffmeßsystem weist eine Verarbeitungseinheit 7 auf, die Sonden 3 speist und Signale von Wandlern 4 empfängt, die aus einer an der Kraftstoffoberfläche 10 zurückreflektierten Energie entstehen. Zusätzlich zum Ermitteln der Zeit zwischen dem Senden eines Signals vom Wandler 4 und dem Empfangen seiner Reflexion von der Kraftstoffoberfläche ermittelt die Verarbeitungseinheit 7 auch die Zeit des Empfangs von anschließenden Reflexionen, die durch eine Rückreflexion am unteren Ende der Sonde verursacht werden. Die Verarbeitungseinheit 7 stellt fest, ob die anschließend reflektierten Signale innerhalb vorbestimmter Grenzen des Zeitintervalls zwischen dem Senden und dem Empfangen des ersten reflektierten Signals liegen, um die Gültigkeit des ersten Signals zu bestätigen. Die Verarbeitungseinheit 7 zählt auch die Anzahl von anschließenden reflektierten Signalen, die innerhalb vorbestimmter Zeitintervalle empfangen werden, um ein Vertrauensniveau zuzuweisen, und dies wird verwendet, um zwischen verschiedenen inkompatiblen Signalen auszuwählen, wie z. B. Signalen von dieser Sonde zu verschiedenen Zeiten oder Signalen von verschiedenen Sonden.

Description

Diese Erfindung betrifft Verfahren zum Messen von Fluid der Art mit den Schritten des Sendens eines Schallsignals von einem ersten Ort zu einer Fluidgrenzfläche, des Empfangens eines an der Grenzfläche zurückreflektierten Signals und des Ermittelns eines ersten Zeitintervalls zwischen dem Senden und dem Empfangen des reflektierten Signals.
Die Erfindung betrifft insbesondere, aber nicht ausschließlich Ultraschall- Kraftstoffmeßsysteme für ein Flugzeug.

Die Kraftstoffmenge in einem Flugzeug-Kraftstofftank kann durch Ultraschallsonden gemessen werden. Diese bestehen aus einem Ultraschallwandler, der am unteren Ende eines Rohrs oder Kolonnenschachts montiert ist. Die Sonde ist in irgendeinen vorhandenen Kraftstoff eingetaucht, so daß der Kraftstoff den Kolonnenschacht bis auf die gleiche Höhe wie im Tank füllt. Eine an den Wandler angelegte Spannung erzeugt einen Impuls von Ultraschallenergie, der durch den Kraftstoff hindurch nach oben übertragen wird. Wenn das Signal auf die Kraftstoffoberfläche, das heißt seine Grenzfläche mit der Luft oberhalb des Kraftstoffs, trifft, wird ein Teil der Energie zum Wandler zurückreflektiert. Die vom Wandler empfangene Energie erzeugt eine Spannung; diese wird zu einem geeigneten Prozessor geliefert, um die Zeit zwischen dem Senden und dem Empfangen zu messen. Die Höhe des Kraftstoffs über dem Wandler kann dann aus der bekannten Geschwindigkeit des Ultraschallimpulses im Kraftstoff berechnet werden. Das Kraftstoffvolumen im Tank wird aus den Ausgangssignalen von mehreren Sonden und mit Kenntnis der Form des Tanks berechnet. Es gibt verschiedene Probleme bei Ultraschallmeßsystemen. Insbesondere kann es schwierig sein, zwischen dem Signal, das von der wahren Reflexion an der Kraftstoffoberfläche erzeugt wird, und Rauschsignalen wie z. B. Reflexionen von der Oberfläche der Sonde zu unterscheiden. Dieses Problem kann schlimmer gemacht werden, wenn die Kraftstoffoberfläche in einem Winkel liegt, wenn sie durch Wellen oder Schaum gestört wird, sich schnell bewegt oder anderweitig gestört wird.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives akustisches Meßsystem und -verfahren bereitzustellen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren der vorstehend angegebenen Art bereitgestellt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die Schritte des Empfangens eines anschließenden reflektierten Signals, das aus der Rückreflexion des reflektierten Signals zur Fluidgrenzfläche entsteht, und des Verwendens der Information, die aus dem anschließenden Signal abgeleitet wird, bei der Ermittlung der Fluidmenge umfaßt.

Das Verfahren kann die Schritte des Ermittelns des Zeitintervalls zwischen dem Empfang des ersten reflektierten Signals und des anschließenden reflektierten Signals und des Ermittelns, ob das Zeitintervall des anschließenden reflektierten Signals innerhalb vorbestimmter Grenzen des ersten Zeitintervalls liegt, umfassen. Das Verfahren kann den Schritt des Ermittelns der Anzahl von solchen anschließenden reflektierten Signalen, die innerhalb vorbestimmter Zeitgrenzen erfaßt werden, umfassen. Der Wandler ist vorzugsweise am unteren Ende einer Sonde montiert und das untere Ende der Sonde ist vorzugsweise so angeordnet, daß es die Energie nach oben reflektiert. Das Verfahren kann den Schritt des Zuweisens eines Vertrauensniveaus zu einem Signals umfassen, wobei das Vertrauensniveau größer ist, je größer die Anzahl von diesem Signal zugeordneten Reflexionen ist. Das Verfahren kann den Schritt des Auswählens zwischen verschiedenen inkompatiblen Signalen gemäß dem Vertrauensniveau jedes Signals umfassen. Die inkompatiblen Signale können Signale vom gleichen Wandler zu verschiedenen Zeiten sein oder sie können Signale von verschiedenen Wandlern sein. Das Verfahren kann die Schritte des Ermittelns der Verhältnisse von Ankunftszeiten von aufeinanderfolgenden Reflexionen und des Verwendens der Information über die Verhältnisse, um die Zahl einer Reflexion zu identifizieren, umfassen.

Ein Flugzeug-Kraftstoffmeßsystem und -verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun anhand eines Beispiels mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in denen gilt:
Fig. 1 stellt das System schematisch dar; und
Fig. 2 stellt Signale an einer Sonde in dem System dar.
Mit Bezug zunächst auf Fig. 1 umfaßt das System einen Kraftstofftank 1, der flüssigen Kraftstoff 2 enthält, und drei Ultraschallmeßsonden 3, die im wesentlichen vertikal im Tank 2montiert sind. Es ist zu erkennen, daß verschiedene Zahlen von Sonden verwendet werden könnten.
Die Sonden 3 können von einer herkömmlichen Art sein, einschließlich eines piezoelektrischen Ultraschallwandlers 4, der sowohl zum Senden als auch Empfangen von Ultraschallenergie funktioniert. Der Wandler 4 ist am Boden eines zylindrischen Rohrs oder Kolonnenschachts 5 montiert, der an der Unterseite und der Oberseite offen ist, um Kraftstoff in den und aus dem Kolonnenschacht fließen zu lassen, so daß er dieselbe Höhe annimmt wie außerhalb der Sonde. Der Wandler 4 jeder Sonde 3 ist durch einen Draht 6 elektrisch mit einer Verarbeitungseinheit 7 verbunden, die zum Liefern von Signalen sowohl zu als auch von den Sonden wirkt. Insbesondere liefert die Verarbeitungseinheit 7 Spannungsimpulse zu den Wandlern 4, um zu bewirken, daß sie Impulse von Ultraschallenergie ausbreiten lassen. Die Verarbeitungseinheit 7 empfängt Spannungssignale von den Wandlern 4, die durch Ultraschallenergie entstehen, die von den Wandlern empfangen wird, und führt verschiedene Berechnungen durch, um die Höhe des Kraftstoffs in jeder Sonde 3 zu messen, wie nachstehend genauer erläutert. Aus den Höhenmessungen an den drei Sonden 3 und aus gespeicherter Information hinsichtlich der Form des Tanks 1 berechnet die Verarbeitungseinheit 7 das Volumen von Kraftstoff im Tank. Diese Volumenmessung wird gewöhnlich unter Verwendung einer Information von einem Densitometer 8 in eine Masse umgewandelt. Die Verarbeitungseinheit 7 stellt eine Angabe der Kraftstoffmenge auf einer Anzeige 9 oder einer anderen Verwendungseinrichtung bereit.
Mit Bezug auch auf Fig. 2 ist das Ausgangssignal des Wandlers 4 gegen die Zeit entlang der horizontalen Achse gezeigt. Der erste Impuls von Ultraschallenergie ist der gesendete Impuls T1, der durch eine Spannung erzeugt wird, die durch die Verarbeitungseinheit 7 an den Wandler 4 angelegt wird. Dieser Energieimpuls bewegt sich im Kraftstoff 2 zur Kraftstoffoberfläche oder Kraftstoff/Luft-Grenzfläche 10 nach oben, wo ein Teil der Energie zum Wandler 4 nach unten zurückreflektiert wird. Die vom Wandler 4 von dieser ersten Reflexion empfangene Energie ist durch den Impuls R₁ dargestellt. Die Größe des reflektierten Impulses R₁ ist geringer als jene des gesendeten Impulses T₁, da einiges der Energie durch den Kraftstoff 2 und die Wand des Kolonnenschachts 5 absorbiert wird, einiges in die Luft über dem Kraftstoff an der Grenzfläche 10 durchgelassen wird und einiges vom Wandler 4 weggestreut wird. Das reflektierte Signal R₁ wird in einem Zeitintervall t₁ nach dem Senden empfangen, wobei diese Zeit von der Übertragungsgeschwindigkeit der Energie im Kraftstoff 2 und von der zurückgelegten Strecke abhängt, die gleich zweimal der Höhe des Kraftstoffs ist. Ein Teil der reflektierten Ultraschallenergie, die auf den Wandler 4 und seine Trägerstruktur am Boden des Kolonnenschachts 5 einfällt, wird zur Kraftstoffoberfläche 10 nach oben zurückreflektiert, wo ein Teil der Energie zum Wandler nach unten zurückreflektiert wird, um ein zweites reflektiertes Signal R₂ mit einer Größe, die gegenüber jener der Energieimpulse T₁ und R₁ weiter verringert ist, zu erzeugen. Das zweite reflektierte Signal R₂ wird in einem Zeitintervall t₂ nach dem Empfang des ersten reflektierten Signals R₁ empfangen. Ein Teil des zweiten reflektierten Signals wird vom Wandler 4 wieder den Kolonnenschacht 5 hinauf zurückreflektiert, um ein drittes reflektiertes Signal R₃ in einem Zeitintervall t₃ nach dem Empfang des zweiten reflektierten Signals R₂ zu erzeugen. Es ist zu erkennen, daß die Anzahl von reflektierten Signalen im Anschluß an das erste, die das System identifizieren kann, von ihrer Größe und ihren Rauschpegeln abhängt. Die Größe der reflektierten Signale ändert sich gemäß verschiedenen Faktoren, wie z. B. der Höhe und dem Oberflächenzustand des Kraftstoffs.
Der Empfang und die Identifikation der anschließenden reflektierten Signale wird vom System verwendet, um die Gültigkeit des ersten reflektierten Signals zu bestätigen, wobei die Zeitintervalle t₂ und t₃ der anschließenden Reflexionen gleich dem Zeitintervall t₁ der ersten Reflexion sind oder innerhalb vorbestimmter Grenzen des ersten Zeitintervalls liegen, das heißt:
t₂, t₃ = t₁ +/- δt.
Diese Toleranz oder Grenze δt gestattet kleine Schwankungen bei der Signalpegelerfassung zwischen den verschiedenen reflektierten Signalen und den Zeitsteuerungsauflösungen. Die Verarbeitungseinheit 7 zählt die Anzahl von anschließenden Reflexionen an der Kraftstoffoberfläche, die innerhalb der vorbestimmten Grenzen für jede Höhenmessung identifiziert werden. Je größer die Anzahl von identifizierten anschließenden Reflexionen ist, desto größer ist das Vertrauensniveau bei dieser Höhenmessung. Das System kann diese Information in verschiedenen Weisen verwenden. Wenn beispielsweise ein Signal von einer Sonde 3 nicht mit einem ausreichenden Vertrauensniveau identifiziert wird, kann dieses Signal bei der Messung ignoriert werden und frühere oder spätere Signale von dieser Sonde statt dessen verwendet werden. Wenn zwischen den Höhenausgangssignalen von zwei Sonden eine Unstimmigkeit besteht, das heißt ihre Signale inkompatibel sind, kann die Sonde mit Signalen auf einem hohen Vertrauensniveau bevorzugt vor der anderen Sonde mit Signalen auf einem niedrigeren Vertrauensniveau verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung kann verwendet werden, um das Risiko zu verringern, daß ein falsches Signal, wie es z. B. aus einer Reflexion an der Wand des Kolonnenschachts oder aus einem anderen Grund entsteht, verwendet wird, um ein Kraftstoffpegel-Ausgangssignal vorzusehen, da ein solches Signal nicht mit ausreichend hohem Vertrauen identifiziert wird. Unter einigen Umständen kann das aus der ersten Reflexion entstehende Signal nicht identifiziert werden. Dies kann beispielsweise geschehen, wenn in dem System elektrisches Rauschen vorhanden ist. Anschließende Mehrfachreflexionen können jedoch identifiziert werden. Durch Vergleich der Ankunftszeiten der anschließenden Reflexionen ist es möglich, festzustellen, ob die Reflexion die erste, zweite, dritte oder vierte Mehrfachreflexion und so weiter ist. Die Ankunftszeit der ersten und der zweiten Mehrfachreflexion ist beispielsweise 2t₁ bzw. 3t₁ (siehe Fig. 2), wobei t₁ die Laufzeit für die erste, nicht erfaßte Reflexion ist. Das Verhältnis zwischen diesen zwei Zeiten 2t₁ und 3t₁ ist daher 1,500 +/- δr₂ (das heißt 3/2), siehe Fig. 2. Das Verhältnis für die zweite und die dritte Mehrfachreflexion ist beispielsweise 1,333 +/- δr₃ (das heißt 4/3), siehe Fig. 2. Diese Differenz ermöglicht, daß die verschiedenen Mehrfachreflexionen identifiziert werden, und ermöglicht daher, daß die Fluidhöhe berechnet wird, wenn die erste Reflexion nicht identifiziert wird. Die Toleranzgrenzen δr₂, δr₃ etc. gestatten kleine Schwankungen bei der Signalpegelerfassung zwischen den verschiedenen reflektierten Signalen und den Zeitsteuerungsauflösungen.
Die vorherige Sonden waren gewöhnlich dazu ausgelegt, Mehrfachreflexionen am unteren Ende der Sonde zu minimieren. Bei der vorliegenden Erfindung kann das untere Ende der Sonde speziell entworfen sein, um Mehrfachreflexionen zu optimieren.
Es ist zu erkennen, daß die vorliegende Erfindung nicht auf das Messen von Kraftstoff begrenzt ist, sondern zum Messen anderer Fluide verwendet werden könnte.

Claims

1. Verfahren zum Messen von Fluid mit den Schritten des Sendens eines Schallsignals von einem ersten Ort (4) zu einer Fluidgrenzfläche (10), des Empfangens eines Signals (R₁), das an der Grenzfläche (10) zurückreflektiert wird, und des Ermittelns eines ersten Zeitintervalls (t₁) zwischen dem Senden und dem Empfang des reflektierten Signals, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die Schritte des Empfangens eines anschließenden reflektierten Signals (R₂), das aus der Rückreflexion des reflektierten Signals zur Fluidgrenzfläche (10) entsteht, und des Verwendens der Information, die aus dem anschließend Signal abgeleitet wird, bei der Ermittlung der Fluidmenge umfaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die Schritte des Ermittelns des Zeitintervalls (t₂) zwischen dem Empfang des ersten reflektierten Signals (R₁) und des anschließenden reflektierten Signals (R₂) und des Ermittelns, ob das Zeitintervall (t₂) des anschließenden reflektierten Signals innerhalb vorbestimmter Grenzen des ersten Zeitintervalls (t₁) liegt, umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren den Schritt des Ermittelns der Anzahl von solchen anschließenden reflektierten Signalen, die innerhalb vorbestimmter Zeitgrenzen erfaßt werden, umfaßt.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (4) an einem unteren Ende einer Sonde (3) montiert ist und daß das untere Ende der Sonde (3) so angeordnet ist, daß es die Energie nach oben reflektiert.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren den Schritt des Zuweisens eines Vertrauensniveaus zu einem Signal umfaßt und daß das Vertrauensniveau größer ist, je größer die Anzahl von Reflexionen ist, die diesem Signal zugeordnet sind.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren den Schritt des Auswählens zwischen verschiedenen inkompatiblen Signalen gemäß dem Vertrauensniveau jedes Signals umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die inkompatiblen Signale Signale vom gleichen Wandler (4) zu verschiedenen Zeiten sind.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die inkompatiblen Signale Signale von verschiedenen Wandlern (4) sind.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die Schritte des Ermittelns der Verhältnisse der Ankunftszeiten von aufeinanderfolgenden Reflexionen und des Verwendens der Information über die Verhältnisse, um die Zahl einer Reflexion zu identifizieren, umfaßt.