DE3049949A1 - Sensor for measuring leakage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein hochempfindliches Verfahren zur Bestimmung der Leckrate von Flüssigkeiten aus einem Sammelbehälter und bezieht sich insbesondere auf die Bestimmung von Undichtigkeiten und Leckraten von Kraftstoff-Kohlenwasserstoffen in installierten unterirdischen Sammelbehältern oder Speichertanks.

Es gibt Tausende von unterirdischen Sammelbehältern in den zahlreichen Kraftstoff-Service-Stationen auf der ganzen Welt/ und über eine Zeitspanne .hinweg treten unvermeidlicherweise Lecks auf, die dazu führen, daß Kraftstoff-Kohlenwasserstoffe, wie z.B. Benzin, Dieselöl* oder dergleichen in den Boden fließen. Derartige Lecks stellen natürlich Umweltgefahren dar, da sie zur Grund- ** "

wasser-Verunreinigung führen können. Außerdem kann sich ·

das austretende Fluid in Gebäuden sammeln und zu gefährlichen und toxischen Kohlenwasserstoffdämpfen in begrenzten Lufträumen führen. Es treten auch in den Speichertank hineinführende Lecks auf, wobei es sich in den meisten Fällen um Wasser handelt, welches den Tankinhalt verunreinigt. Somit ist es wichtig, daß derartige Lecks sobald wie möglich festgestellt werden, um entsprechende Maßnahmen zu treffen. Damit eine frühe Abtastung oder Erfassung vorgenommen werden kann, ist es wichtig, daß das Meßverfahren extrem empfindlich ist (im Bereich von 0,05 Gallone pro Stunde oder ungefähr 3,1 cm³ pro Minute), um sehr kleine Lecks oder Undichtigkeiten in einer relativ kurzen Zeitspanne festzustellen. Dies ist aus verschiedenen Gründen erforderlich, einschließlich des Zeitwertes der Untersuchung selbst, des Erfordernisses, den Speichertank für einen minimalen Zeitraum aus dem Abgabe- oder Zapfbetrieb herauszunehmen usw.

Beim Stand der Technik ist es bekannt, die Masse einer Flüssigkeit in einem Speichertank unter Verwendung des Archimedischen Auftriebsprinzips zu messen, indem man einen Schwimmer in der Flüssigkeit verwendet. Keine der bekannten Anordnungen oder Verfahren sind jedoch bei einem hochempfindlichen, schnellen Verfahren zur Leckbestimmung bei schwierig zugänglichen Speichertanks anwendbar, z.B. :**··-' bei bereits installierten unterirdischen Tanks. Beispiels/?..:, weise beschreibt die US 967 378 einen Speichertank,

der mit einer Wiegeeinrichtung nach Art eines Hydrometers ·

ausgerüstet ist, um das Gewicht von im Tank gespeicherten*;*: Flüssigkeiten zu bestimmen. US 988 342 ,zeigt eine ähnliche Anordnung, die bei einem Speichertank vorgesehen - : ist, bei der aber die Waage wegen des leichten Zutritts :...-auf dem Boden angeordnet ist.

Die Erfindung beschreibt einen Meßfühler mit neuartiger Ausgestaltung und beschreibt seine Verwendung. Der Meßfühler ist an eine Meßeinrichtung angeschlossen, um die Massenverschiebung über eine Zeitspanne zu messen. Wie nachstehend näher erläutert, ist der Meßfühler so ausgelegt, daß Änderungen aufgrund der Verdampfung von Flüssigkeit kompensiert werden. Die Meßeinrichtung wird geeicht, um die Menge an Flüssigkeit pro Änderungseinheit zu bestimmen, und nach einer kurzen Zeitspanne, üblicherweise einigen Minuten, wird die Änderung der Massenverschiebung aufgrund des Lecks angegeben. Auf diese Weise kann die Rate des Flüssigkeitsverlustes durch eine einfache Rechnung bestimmt werden.

Die Meßeinrichtung gemäß der Erfindung weist einen Hauptkörper mit Aufhängeeinrichtungen zur Anbringung an einem Waagearm oder an einer anderen Massenverschiebungs-Meßeinrichtung sowie ein Flüssigkeitshalteteil in dem Körper auf, wobei die Querschnittsfläche des Flüssigkeitshalteteiles

im wesentlichen gleich der Querschnittsfläche des Körpers im Kontakt mit der Flüssigkeit im Tank ist. Diese spezielle Eigenschaft des Flüssigkeitshalteteiles ist es, die es ermöglicht, Verdampfungsverluste zu kompensieren.

Im folgenden wird auf die Zeichnung Bezug genommen :

Fig. 1 zeigt eine Gesamtansicht eines unterirdischen Kohlenwasserstoff-Speichertanks, wobei sich der ^:* Meßfühler und die Meßeinrichtung in ihrer Positiqabefinden. l'

Fig. 2 zeigt eine Detailansicht des Meßsystems. Fig. 3 und 4 zeigen detaillierte Darstellungen von bevor*-- zugten Meßfühlern. ■ "·

Fig. 5 und 6 zeigen das Einsetzen eines bevorzugten Meß-f"""

fühlers in einen Tank.

Fig. 7 und 8 zeigen das Entfernen eines bevorzugten Meßfühlers aus dem Tank.

Fig. 1 zeigt einen unterirdischen gefüllten Kohlenwasserstoff-Speichertank 11, wobei sich der Meßfühler 12 in seiner Position in der Flüssigkeit befindet. Die Oberseite des Meßfühlers ist oberhalb des Flüssigkeitsspiegels, und der Boden des Meßfühlers befindet sich in einem Bereich von ungefähr 1 bis 2 Inch, d.h. 2,54 bis 5,0 cm, vom Boden des Tanks. Der Meßfühler hat eine Kappe 13 und außerdem ein Becherteil 14 (im einzelnen in Fig. 3 dargestellt), an dem Halterungen aus Draht oder Seil angebracht sind, die ihrerseits mit einer Leine 16 verbunden sind, die den Meßfühler an einem Waagearm 17 einer allgemein mit 18 bezeichneten Waage trägt. Eine Kupplung 22 kann zweckmäßigerweise verwendet werden, um die Leine 16 mit dem Waagearm zu verbinden. Jede Änderung der Masse im Tank wird zu einer Änderung des Flüssigkeitspegels führen, was wiederum zu

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einer Änderung des Gewichtes des Meßfühlers führt. Diese Massenänderung, die vom Meßfühler abgetastet wird, wird auch von einem Differentialumformer 24 abgetastet, der die tragende Leine 16 umgibt. Die Waage 18 kann auf einem Kasten 19 gehaltert sein, der seinerseits von einer Basis mit Ausgleichsschrauben 21 getragen ist. Der Kasten 19 kann auch gewünschte Instrumente enthalten und/oder mit Eingangsund Ausgangsbuchsen zur Verbindung mit geeigneten Ein- ;.„„;, richtungen versehen sein, die nachstehend erläutert sind^. Die Waage kann gegenüber Wind mittels einer Abdeckung 23* abgeschirmt sein, wie es in 3er Zeichnung dargestellt ist".*'.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist die Leine 16 am Waagearm--17 mit einer lösbaren Kupplung 22 angebracht und geht durch"-_-_ einen Differentialumwandler 24, d.h. einen VerSchiebungsumwandler hindurch. An der Leine 16 und zwischen den Spulen des Umwandlers ist ein ferromagnetisches Material 25 angebracht, dessen Bewegung den elektromagnetischen Fluß des Umwandlers ändert, was von der elektronischen Schaltung abgetastet wird, die von einer Spannungsversorgung 27 versorgt ist. Es erscheint einsichtig, daß der Umwandler nicht notwendigerweise um die Leine 16 angeordnet zu sein braucht, sondern in irgendeiner geeigneten Position angeordnet sein kann, wobei das einzige Erfordernis darin besteht, daß er auf die Bewegung des Waagearmes anspricht. Ein geeigneter Umwandler ist in der US-PS 3 179 193 beschrieben, wo er zusammen mit einer auslegerartigen Halterung für einen Kraftstofftank verwendet wird, um Kraftstoff zu wiegen, der auf dem Tank abgezogen und einer Brennkraftmaschine zugeführt wird. Die elektronische Schaltung 26 wird auch einen Verstärker enthalten, um ein verstärktes Signal einer digitalen Lasereinrichtung 28 zu übermitteln, die gewünschtenfalls einen Streifenblattschreiber oder anderen Drucker 29 haben·kann, der dabei vorgesehen ist, um eine gedruckte Aufzeichnung der Messungen zu erhalten.

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In Fig. 3, die einen Schnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 1 darstellt, ist der Meßfühler mit seiner Kappe 13 und seinem Becherteil 14 im einzelnen dargestellt. Der Meßfühler ist mit Flüssigkeit aus dem Tank gefüllt und erstreckt sich von einer Stelle oberhalb der Oberseite der Flüssigkeit im Füllrohr 31 bis unmittelbar oberhalb des Bodens des :...: Speichertanks 11. Wie sich ganz deutlich aus der Zeichnung ergibt, ist der Innendurchmesser des Becherteiles 14 im wesentlichen gleich dem Außendurchmesser des Meßfühlers, . um eine Kompensation der Verdampfung von Kohlenwasserstoff-.-im Tank zu erhalten. Das gesamte Meßsystem wird ohne weiteres von der Leine 16 mit geeigneten Seilen oder Drähten, 15 über Kupplungen 22 getragen.

Die Kompensation der Verdampfung resultiert aus der Tatsache, daß dann, wenn der Kohlenwasserstoff im Becherteil ist, jede auftretende Verdampfung sowohl an der Oberfläche der Flüssigkeit im Tank als auch an der Oberfläche der Flüssigkeit im Becherteil auftreten wird. Der Auftrieb der Kohlenwasserstoff-Flüssigkeit hinsichtlich des Meßfühlers ist eine Funktion des Meßfühlerdurchmessers, da aber der Innendurchmesser des Becherteiles im wesentlichen der gleiche wie der Außendurchmesser des Meßfühlers ist, werden sich die Verdampfungsverluste der Flüssigkeit aus dem Becherteil mit der Auftriebsänderung aufgrund der Verdampfung der Flüssigkeit im Tank kompensieren. Wenn somit der flüssige Kohlenwasserstoff im Tank verdampft, wird seine Auftriebskraft verringert, und der Meßfühler wird schwerer. Die Verdampfung der Flüssigkeit im Becherteil verringert aber das Gewicht des Meßfühlers um genau den gleichen Wert der verlorenen Auftriebskraft, und somit tritt keine Gewichtsänderung des Meßfühlers ein. Es versteht sich von selbst, daß' anstelle eines rohrförmigen

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Meßfühlers, d.h. mit kreisförmigem Querschnitt, der Meßfühler auch eine andere Konfiguration haben kann, wobei das Becherteil dann so ausgelegt wird, daß es die gleiche Querschnittsform besitzt.

Positioniert man den Meßfühler in der Nähe des Bodens des vollständig mit Flüssigkeit gefüllten Speichertanks und ··-· sorgt man dafür, daß sich der Meßfühler im wesentlichen ;... über die gesamte Höhe der Flüssigkeit im Tank und Füllrohrerstreckt, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, so werden die,,_v Wirkungen von irgendwelchen Temperaturänderungen minimal.: : Dies deswegen, weil die Meßfühler-Fluidternperatur im we- sentlichen die gleiche wie die Tank-Fluidtemperatur ist, ^:_J gegebenenfalls mit dem gleichen Gradienten. Wie bereits :... angedeutet, ist es erwünscht, daß das System eine Änderung von ungefähr 0,05 Gallonen pro Stunde mißt, was ungefähr 200 cm³ pro Stunde entspricht. Da die Messungen, die gemäß der Erfindung durchgeführt werden, innerhalb von einigen Minuten erfolgen, ist es unwahrscheinlich, daß eine Temperaturänderung auftreten wird, die mehr als den Bruchteil von einem Grad ausmacht. Untersuchungen zeigen, daß das bei einem mit Benzin gefüllten Tank unter Verwendung eines Meßfühlers mit einem 5/8 Inch-Durchmesser (1,59 cm) in einem 2 Inch-Füllrohr (5,0 cm) eine Temperatur änderung um 1° Fahrenheit oder 0,55° C eine äquivalente Massenänderung von ungefähr 0,3 cm³ hervorruft, wobei diese Änderung von 0,3 cm³ einen unerheblichen Fehler von 0,15 % bedeutet. Somit sind Temperaturänderungen nicht von Bedeutung, wenn die Messungen bei einem im wesentlichen vollen Tank und unter Verwendung eines Meßfühlers durchgeführt werden, der sich im wesentlichen bis zum Boden erstreckt. Selbstverständlich ist einsichtig, daß dort, wo keine Temperaturprobleme erwartet werden, der Meßfühler sich

nicht bis in die Nähe des Tankboden zu erstrecken braucht und ein kürzerer Meßfühler verwendet werden kann. Auch wenn eine Temperaturkompensation nicht erwünscht ist, ist es nicht erforderlich, die Messung bei einem vollen Flüssigkeitstank durchzuführen.

Bei der Durchführung des Leckmessungsverfahrens mit ......

Temperaturkompensation ist es wünschenswert, irgendwelche,,.:. Leitungen im Tanksystem, wie z.B. Steigleitungen oder dergleichen zu verschließen, um die Fläche von derartigen ·„.„.-. Steigleitungen zu verringern, um die Empfindlichkeit wahr*;'; rend der Leckmessung aufrechtzuerhalten. Nachdem die er- forderlichen Verschlußarbeiten durchgeführt sind, wird die-* : Waage über dem Füllrohrloch, Meßloch oder einem änderen-^^ Zutrittsloch zum Tank aufgebaut, der Meßfühler mit Flüssigkeit aus dem Tank gefüllt und durch das Loch eingesetzt. Der Meßfühler-Aufhängungsdraht wird dann am Arm der Waage angebracht. Dabei muß dafür gesorgt werden, daß der Meßfühler und sein Aufhängungsdraht nicht das Rohr oder den Tank berühren. Dann wird die Waage ausgeglichen und geeignete elektrische Korrekturen bei der Spannungsversorgung, dem Umwandler und der Aufzeichnungseinrichtung vorgenommen. Oft ist es auch wünschenswert, die Waage abzudecken, um sie gegenüber Windstössen oder anderen Störungen zu schützen. Dann wird eine Eichung durchgeführt, indem man eine bekannte Flüssigkeitsmenge zusätzlich in den Tank einfüllt und die Änderung beim Aufzeichnungsgerät beobachtet. Dann wird das Aufzeichnungsgerät beobachtet, um die Änderungen festzustellen. Bei einem Streifenblattschreiber, der bevorzugt ist, wird der Schreiber eine gerade Linie aufzeichnen, wenn keine Lecks vorhanden sind. Wenn ein Leck vorhanden ist, wird der Schreiber oder Stift eine Ablenkung zeigen, und der Ablenkungswinkel ist ein Maß für die Leckrate. Aus der Anzahl von Teilungen auf dem Papierblatt, um die der

Schreibstift abgelenkt worden ist, der Aufzeichnungszeit und der Ablenkung pro Flüssigkeitseinheit, die aus dem Eichungsvorgang erhalten wird, lä-ßt sich ohne weiteres die Leckrate berechnen. Läßt man den Schreibstift in der Mitte des Papiers starten und standardisiert man die Richtung der Ablenkung, so kann außerdem bestimmt werden, ob es sich um ein Leck handelt, das in den Tank hinein oder aus dem Tank heraus geht.

Wie bereits angedeutet, ist es möglich, die Messung mit " teilweise gefüllten Tanks durchzuführen, wenn eine Temper^-" turkompensation nicht als wesentlich erachtet wird. Bei solchen Messungen ist es nicht erforderlich, die Steigleitungen und andere Leitungen aus dem Tank zu verschließen, und es wird bevorzugt, einen anders -- geformten Meßfühler zu verwenden. Es darf darauf hinge- :* — wiesen werden, daß die Empfindlichkeit des Meßfühlers vom Flüssigkeitspegel im Tank und der Form des Tanks abhängt. Je kleiner die Fläche der Flüssigkeit ist, desto größer ist das Ansprechen auf Änderungen des Meßfühlers. Wenn somit der Tank mit Flüssigkeit in einem Steigleitungsbereich gefüllt ist, ist der Meßfühler am empfindlichsten. Bei einem mittleren Punkt eines zylindrischen Tanks, wo die Fläche des Flüssigkeitspegels größer ist, ist die Empfindlichkeit am geringsten, und die Empfindlichkeit wird an anderen Stellen zwischen diesen beiden Extremen liegen. Wenn somit ein teilweise gefüllter Tank gemessen wird, ist ein Meßfühler mit einer relativ großen Verschiebung erwünscht, um die Empfindlichkeit zu erhöhen. Außerdem kann eine empfindlichere Waage verwendet Werden, um·die Empfindlichkeit zu erhöhen.

Ein bevorzugter Meßfühler für weniger als einen vollen Tank ist in Fig. 4 dargestellt und kann die Form äner flachen Platte 32 mit einer ausgehöhlten oberen Oberfläche 33 und mit tragenden drähten 34 und 35 haben. Die Platte 32

wird ausreichend schmal sein, damit sie durch ein Rohr hindurch in die Flüssigkeit im Tank gelangen kann. Der Meßfühler ist auf der Flüssigkeitsoberfläche in horizontaler Haltung aufgehängt, wobei sich etwas Flüssigkeit in der ausgehöhlten Oberfläche 33 befindet und die Querschnittsfläche der Flüssigkeit in der ausgehöhlten Oberfläche im wesentlichen die gleiche ist wie die Querschnittsfläche in Kontakt mit der Flüssigkeit im Tank. Auf diese Weise " ' wird eine Verdampfungskompensation in gleicher Weise Jo..:. wie oben beschrieben erreicht. Die Einrichtung, mit der _*_ der schmale Meßfühler in den Tank eingeführt und wieder *.-.," aus diesem entfernt wird, ist in den Figuren 4 bis 8 l^l 2 dargestellt. Der Meßfühler ist mit Mitteln versehen, um in den Tank zu gelangen und in einer horizontalen ',..v Position auf der Oberfläche der Flüssigkeit zu funktionIe-.:. ren. Diese Mittel müssen es dem Meßfühler auch ermöglichen, durch die gleiche Öffnung wieder aus dem Tank entfernt zu werden, durch die er eingeführt worden ist. Eine solche Einrichtung ist in Fig. 4 und 4a allgemein mit 48 bezeichnet und weist einen rasch lösbaren Mechanismus auf, damit der Meßfühler ohne weiteres entfernt werden kann. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, weist eine geeignete Auslöseeinrichtung ein festes zylindrisches Kernstück 36 auf, das von einer Außenabdeckung 37 aus Metallblech, Kunststoff oder einem anderen geeigneten Material umgeben ist. Ein unter einem Winkel angeordnetes Bohrungsloch im Kernstück ist mit einer Druckfeder 38 und einer Schubstange 39 ausgerüstet. Die tragende Leine 16 geht durch das mittlere Oberteil der Außenabdeckung 37 hindurch und ist an einem kleinen zylindrischen Anschlußstück 40 mit einer Ringnut 41 befestigt, die in einer festen Position innerhalb des Kernstückes 36 mit einer haltenden Stellschraube 42 gehalten ist. Das Kernstück ist außerdem mit einer Schrauböse 43 oder einer anderen Einrichtung ausgerüstet, an der der Tragdraht 34 angebracht ist. Eine konische Feder 42 ist zwischen der Oberseite des Kernstückes 3 6 und der Außen-

abdeckung 37 angeordnet. Die Außenabdeckung ist mit einer öffnung 44 versehen, die mit der Schubstange 39 ausgefluchtet ist. Die Kante der Außenabdeckung 37, die von der öffnung 44 gebildet ist, wirkt als Anschlag für einen Stift 45 mit einer Ringnut 46, der an dem Tragdraht 35 angebracht ist. Die öffnung 44 ist doppelt so lang wie der Durchmes-. ser des Stiftes 45. Die Außenabdeckung 37 kann auch mit ] Begrenzungsstücken 47 versehen sein, um die Anordnung zusammenzuhalten. Vor der Einführung des Meßfühlers in den Tank wird der Stift 45 durch die öffnung 44 gegen die Schubstange 39 eingesetzt, und die Ringnut 46 im Stift wird an der Anschlagskante 37a der Außenabdeckung · positioniert. Die Wirkung der Feder 42 besteht darin, die-'-"

Außenabdeckung in einer festen Position zu halten, und :

durch ihre Wirkung und die der Feder 38 bleibt der Stift an der Anschlagskante 37 fest gehaltert. Der Meßfühler wird dann durch ein Füllrohr oder ein anderes Zutrittslpch in den Tank eingebracht, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. Wenn er vollständig durch das Rohr hindurch gelangt ist, öffnet sich der Meßfühler, wie es in Fig. 6 dargestellt ist, und nach dem Eintauchen in die Flüssigkeit, damit Flüssigkeit in seine ausgehöhlte Oberfläche gelangt, läßt man ihn sich auf die Oberfläche der Flüssigkeit setzen, wie es in Fig. 7 dargestellt ist. Nachdem die Leckbestimmung durchgeführt und es erwünscht ist, den Meßfühler zurück— zu—holen, läßt man ein die Leine 16 umgebendes Gewicht 50 im Füllrohr 31 auf die rasch lösbare Einrichtung 48 fallen. Wie in Fig. 4a dargestellt, fällt das Gewicht auf die Außenabdeckung 37 und drückt sie nach unten, was wiederum die Anschlagskante 37a von der Ringnut 46 des Stiftes 45 entfernt. Dies führt dazu, daß der Meßfühler die Position gemäß Fig. 8 einnimmt. Das Herausnehmen des Meßfühlers erfolgt dann in einfacher Weise, indem man ihn durch das Füllrohr 31 nach oben zieht.

Claims (2)

1. DIE ERFINDUNG BEANSPRUCHT :

   1 .J Meßeinrichtung zur Verwendung bei der Messung der
   Massenverschiebung in einem undichten Tank, bestehend aus
   einem Hauptkörper mit Aufhängungen zur Anbringung an einem Waagearm oder einer anderen Massenverschiebungs-Meßeinrich-tung und einem Flüssigkeitshalteteil in dem Meßfühler- " — körper, um Flüssigkeit oberhalb des Flüssigkeitspegels *-■" im Tank zu halten, wobei die Querschnittsfläche des ; *;" Flüssigkeitshalteteiles im wesentlichen gleich der :...: Querschnittsfläche des Körpers in Kontakt mit der Flüssigkeit im Tank ist, so daß Änderungen bei der Massenverschiebungsmessung aufgrund von Verdampfungsverlusten kompensiert werden.
2. 2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, die eine plattenartige Form besitzt und zur Aufhängung in dem Tank in horizontaler Lage vorgesehen ist, wobei die Flüssigkeitshalteeinrichtung ein ausgehöhltes Teil in der plattenartigen Oberfläche
   besitzt und die Aufhängung einen rasch lösbaren Mechanismus besitzt, um ein Entfernen des Meßfühlers durch eine
   schmale öffnung im Tank zu ermöglichen.