DE19710599A1 - Füllstandsmeßsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Füllstandsmeßsystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei Füllstandsmeßsystemen, welche mit Ultraschall arbeiten, ist ein Ultraschallmeßwandler am Boden einer vertikalen Röhre bzw. eines Meßschachtes angeordnet. Diese Röhre ist mit Flüssigkeit gefüllt, welche die gleiche Höhe aufweist, wie die Flüssigkeit außerhalb der Röhre. Der Meßwandler erzeugt Stöße von Ultraschallenergie nach oben in Richtung des Flüssigkeitsspiegels, von wo diese Energie zum Meßwandler zurückreflektiert wird. Durch Messen der Wegzeit zwischen dem Aussenden des Energiestoßes und des Empfangs der reflektierten Welle ist es möglich, die Höhe des Flüssigkeitsspiegels zu errechnen. Die Schallgeschwindigkeit ändert sich jedoch mit Änderungen der Flüssigkeitsdichte. Um dies zu kompensieren, ist es übliche Praxis, daß der Meßschacht eine Reihe von Reflektoren aufweist, die im Abstand zueinander längs des Meßschachtes angeordnet sind. Da die Höhe dieser Reflektoren bekannt ist, können die Ultraschallreflexionen, die die Reflektoren erzeugen, dazu verwendet werden, das System zu kalibrieren und die Berechnung der Höhe und des Volumens der Flüssigkeit zu verbessern. Die Amplitude der Reflexion von einem der unteren feststehenden Reflektoren kann unter bestimmten Umständen diejenige vom Flüssigkeitsspiegel übersteigen, beispielsweise wenn der Flüssigkeitsspiegel hoch ist, falls der Meßwandler und der Flüssigkeitsspiegel zueinander geneigt sind oder falls der Flüssigkeitsspiegel gekräuselt ist oder Wellen oder Schaum aufweist. Hierdurch kann es schwierig sein, zu identifizieren, welche Reflexionen vom Flüssigkeitsspiegel und welche von den Reflektoren stammen. Dies wird weiterhin kompliziert durch die Tatsache, daß der Flüssigkeitsspiegel falsche Reflexionen erzeugen kann beim mehrfachen der Höhe des Flüssigkeitsspiegels.

Falsche Reflexionen vom Flüssigkeitsspiegel können unter bestimmten Umständen identifiziert werden, da keine Reflexionen von den feststehenden Reflektoren zwischen dem tatsächlichen Flüssigkeitsspiegel und der Stellung der falschen Reflexion auftreten.

Sind beispielsweise die festen Reflektoren im Abstand von 5 cm zueinander angeordnet und die tatsächliche Höhe des Flüssigkeitsspiegels beträgt 12 cm, dann treten Reflexionen bei den beiden feststehenden Reflektoren auf, die bei 5 cm und 10 cm angeordnet sind, sodann eine Reflexion von der tatsächlichen Höhe des Flüssigkeitsspiegels bei 12 cm und sodann eine falsche Reflexion von einer Höhe eines scheinbaren Flüssigkeitsspiegels bei 24 cm. Da keine Reflexionen beim dritten und vierten Reflektor in Höhe von 15 cm und 20 cm vorhanden sind, kann das System identifizieren, daß das vierte Signal ein falsches Echo ist und somit nicht beachtet wird.

Ein Problem tritt jedoch auf, wenn der Flüssigkeitsspiegel sich nahe dem ersten Reflektor in Höhe von 5 cm befindet. Es tritt somit eine falsche Reflexion auf, welche auch eine tatsächliche Reflexion am zweiten Reflektor in Höhe von 10 cm sein könnte. Unter diesen Umständen ist es für das System schwierig zu bestimmen, ob das erste Reflexionssignal vom tatsächlichen Flüssigkeitsspiegel oder vom ersten Reflektor stammt und ob die falsche Reflexion wirklich eine falsche Reflexion ist oder eine Reflexion am Flüssigkeitsspiegel oder eine Reflexion vom zweiten Reflektor. Treten hohe Rauschsignale auf, dann kann das System die Höhe des Flüssigkeitsspiegels so mißinterpretieren, als ob dieser sich in Höhe des zweiten Reflektors befindet.

Es besteht die Aufgabe, das System so auszubilden, daß falsche Echos erkannt werden.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ein Füllstandsmeßsystem zum Messen des Kraftstoffstands bei einem Flugzeug und dessen Arbeitsweise wird nachfolgend als Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Systems und

Fig. 2 ein Längsschnitt durch eine beim System verwendete Meßsonde.

Gemäß der Fig. 1 umfaßt das Kraftstoff-Füllstandsmeßsystem einen Tank 1, der typischerweise im Flügel des Flugzeugs angeordnet ist und eine unregelmäßige Form aufweist, sowie mehrere Ultraschallmeßsonden, von denen drei Meßsonden 2, 3, 4 gezeigt sind. Die Meßsonden 2, 3, 4 sind über Leitungen mit einer Steuereinheit 10 verbunden, so daß die Steuereinheit 10 elektrische Signale zum Anregen der Meßsonden diesen zuführen kann und elektrische Signale von den Meßsonden empfängt. Die Steuereinheit 10 erzeugt ein die Füllmenge angebendes Ausgangssignal, das einer Anzeigevorrichtung 11 zugeführt wird.

Die Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer Ultraschallmeßsonde 2, wie sie beispielsweise beschrieben ist in GB 2265219, GB 2265005 oder GB 2270160. Die Meßsonde 2 weist ein äußeres Rohr oder Meßschacht 12 auf, welches bzw. welcher oben und unten offen ist, so daß der Kraftstoff in der Meßsonde die gleiche Höhe aufweist, wie außerhalb der Meßsonde. Ein Ultraschallmeßwandler 13 ist am Boden des Meßschachtes 12 angeordnet und erzeugt Stöße von Ultraschallenergie nach oben längs des Meßschachtes, wenn er dazu von der Steuereinheit 10 angesteuert wird. Die Meßsonde 2 weist neun Reflektoren 14 bis 22 auf, welche an der Innenseite des Meßschachtes im Abstand zueinander angeordnet sind. Die Reflektoren 14 bis 22 weisen die Form von kurzen Stiften oder Bolzen auf, welche seitlich von der Meßschachtwand abstehen und etwa ein Drittel des Durchmessers des Meßschachtes lang sind. Ultraschallenergie wird reflektiert am Flüssigkeitsspiegel und an denjenigen Reflektoren, welche in die Flüssigkeit eintauchen. Da diese reflektierten Signale von Reflektoren erzeugt werden, deren Höhe bekannt ist, ist es möglich, Kalibriersignale für die Meßsonden zu erzeugen, wie dies in der OB 2265219 beschrieben ist. Die reflektierte Ultraschallenergie wird vom Meßwandler 13 empfangen, der diese in elektrische Signale umsetzt und der Steuereinheit 10 zuführt.

Bei konventionellen Ultraschallmeßsonden sind die Reflektoren in gleichen Abständen längs der Höhe der Meßsonde angeordnet. Bei der vorliegenden Meßsonde dagegen sind die Reflektoren 14 bis 22 nicht alle im gleichen Abstand längs des Meßschachtes angeordnet. Im Speziellen ist der zweite Reflektor 15 in einer Höhe oberhalb des Meßwandlers 13 montiert, welche geringer ist als das Zweifache der Höhe des benachbarten ersten Reflektors 14 oberhalb des Meßwandlers. Die Stellen aller Reflektoren 14 bis 22 sind bevorzugt so gewählt, daß kein Reflektor in einer Höhe angeordnet ist, die lediglich ein Mehrfaches der Höhe eines darunter angeordneten Reflektors ist.

Ein Beispiel der Anordnung der Reflektoren wird nachstehend wiedergegeben.

Die Steuereinheit 10 enthält Informationen über die Höhe jedes Reflektors 14 bis 22. Die Füllstandshöhe wird bestimmt durch Messen der Höhe des obersten in den Kraftstoff eintauchenden Reflektors, um in bekannter Weise die Effekte der Temperaturschichtung im Kraftstoff zu kompensieren.

Falls beispielsweise der Flüssigkeitsspiegel zwischen dem dritten Reflektor 16 und dem vierten Reflektor 17 angeordnet ist, empfängt der Meßwandler 13 Reflexionen von den untersten drei Reflektoren 14, 15 und 16, welche einwandfrei identifiziert werden können, da die reflektierten Signale an bekannten Stellen auftreten. Selbst wenn das Echo vom Flüssigkeitsspiegel eine relativ geringe Amplitude aufweist, so kann seine Stelle näherungsweise abgeleitet werden von der Tatsache, daß keine Reflexionen von den Reflektoren 17 bis 22 empfangen werden, die sich oberhalb des Kraftstoffspiegels befinden. Von diesen Informationen bestimmt die Steuereinheit 10, daß der Kraftstoffspiegel zwischen dem dritten Reflektor 16 und dem vierten Reflektor 17 liegen muß. Das erste falsche Echo vom Kraftstoffspiegel würde an einer Stelle sein, welche gleich dem Zweifachen der Höhe des Kraftstoffspiegels ist oder etwa dem Zweifachen der Höhe des dritten Reflektors 16. Die Steuereinheit 10 identifiziert jedoch ein Reflexionssignal mit dieser Höhe als ein falsches Reflexionssignal, da Reflexionen von Reflektoren zwischen der Höhe des tatsächlichen Flüssigkeitsspiegels und der Stelle der falschen Reflexion fehlen. Das Gleiche gilt für falsche Reflexionen höherer Ordnung. Das System identifiziert somit diese falschen Echos und schließt sie von der Verarbeitung aus.

Bei geringen Füllstandshöhen kann jedoch, wie vorerwähnt ein Problem auftreten, falls die Reflektoren in gleichen Abständen angeordnet sind. Falls die Füllstandshöhe sich etwa in der gleichen Höhe befindet wie der erste unterste Reflektor, würde die falsche Reflexion beim Zweifachen dieser Höhe sein. Diese falsche Reflexion würde eine relativ hohe Amplitude aufweisen, da sie sich in der Nähe des Meßwandlers befindet und würde näherungsweise übereinstimmen mit einer Reflexion vom zweiten Reflektor. Diese zu der Steuereinheit gelangenden Signale sind somit im wesentlichen solche Signale, die auftreten, wenn der Kraftstoffspiegel sich beim zweiten Reflektor befinden würde.

Bei der Meßsonde gemäß der vorliegenden Erfindung weist der zweite Reflektor 15 oberhalb des ersten Reflektors 14 einen Abstand auf, der geringer ist als der Abstand des ersten Reflektors vom Meßwandler 13. Befindet sich der Kraftstoffspiegel in Höhe des ersten Reflektors 14 und empfängt der Meßwandler 13 zwei Signale von signifikanter Amplitude, nämlich ein Reflexionssignal gleich der Höhe von 10,16 cm vom Flüssigkeitsspiegel und vom ersten Reflektor und ein zweites Signal geringerer Amplitude, bewirkt durch eine falsche Reflexion, das eine Höhe des Flüssigkeitsspiegels von 20,32 cm vortäuscht. Da jedoch der Meßwandler 13 kein Reflexionssignal von einem Reflektor oberhalb des ersten Reflektors 14 empfängt, insbesondere kein Signal vom Reflektor 15 entsprechend einer Höhe von 17,78 cm, erkennt die Steuereinheit, daß die tatsächliche Füllstandshöhe zwischen dem ersten Reflektor und unterhalb des zweiten Reflektors liegen muß und weist daher Signale außerhalb dieses Bereichs zurück.

Es gibt einen Bereich von Füllstandshöhen, z. B. 8,84 cm, bei welchem eine falsche Reflexion eine Höhe des Flüssigkeitsspiegels entsprechend der Höhe des zweiten Reflektors 15 vortäuscht. Bei dieser Höhe empfängt die Steuereinheit 10 zwei Signale von signifikanter Amplitude, nämlich ein Signal von der tatsächlichen Füllstandshöhe und ein falsches harmonisches Signal entsprechend der doppelten Füllstandshöhe. Da jedoch kein Signal vom ersten Reflektor 14 auftritt, erkennt die Steuereinheit 10, daß das erste Signal echt ist und weist alle Signale oberhalb des unteren Signals zurück.

Bei höheren Flüssigkeitsspiegeln ist das Problem nicht so bedeutend, da falsche Reflexionen entsprechend dem Zweifachen der tatsächlichen Höhe jeweils an einer Stelle auftreten, wo sich mindestens ein Reflektor zwischen der tatsächlichen Füllstandshöhe und der Höhe der falschen Reflexion befindet. Falls beispielsweise der Flüssigkeitsspiegel sich in Höhe des zweiten Reflektors 15 befindet, würde die falsche Reflexion eine Füllstandshöhe zwischen dem vierten und fünften Reflektor vortäuschen. Da jedoch Signale vom dritten und vierten Reflektor fehlen, erkennt die Steuereinheit 10 die falsche Reflexion als solche. Bei Vorhandensein eines hohen Rauschpegels kann es von Vorteil sein, daß alle Reflektoren so angeordnet sind, daß keiner eine Höhe aufweist, welche ein Zwei- oder Mehrfaches der Höhe der darunter angeordneten Reflektoren ist.

Die Meßsonde kann auf verschiedene Weise modifiziert sein. Beispielsweise ist es möglich, daß der Meßwandler getrennte Sender und Empfänger aufweist. Auch ist es nicht erforderlich, daß ein Meßschacht vorhanden ist, da die Reflektoren auch auf andere Weise gehalten werden können. Das System ist anstelle von Kraftstoff auch bei anderen Flüssigkeiten verwendbar. Verwendbar sind anstelle von Ultraschall auch andere akustische Frequenzen.

Claims (4)

1. Füllstandsmeßsystem mit einer akustischen Meßsonde, welche mehrere längs der Meßsonde im Abstand zueinander angeordnete Reflektoren und einen akustischen Meßwandler im Bereich des unteren Endes der Meßsonde aufweist, wobei der Meßwandler akustische Energie in Richtung eines Flüssigkeitsspiegels aussendet und von dem Flüssigkeitsspiegel und von den in die Flüssigkeit eingetauchten Reflektoren reflektierte Energie empfängt, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Reflektor (15) oberhalb des Meßwandlers (13) in einer Höhe angeordnet ist, die geringer ist als das Zweifache der Höhe des ersten Reflektors (14).

2. Füllstandsmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Reflektoren (14 bis 22) jeweils in einer Höhe angeordnet sind, die von der zweifachen Höhe der darunter angeordneten Reflektoren abweicht.

3. Füllstandsmeßsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde (2) einen vom Meßwandler (13) sich vertikal nach oben erstreckenden Träger (12) aufweist, von welchem die Reflektoren (14 bis 22) seitlich abstehen.

4. Füllstandsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde (2) einen Meßschacht (12) umfaßt, bei dem der Meßwandler (13) am unteren Ende angeordnet ist und die Reflektoren (14 bis 22) vom Meßschacht getragen werden.