DE3311982A1

DE3311982A1 - Verfahren zur bestimmung des in einem geschlossenen behaelter enthaltenen fluessigkeitsvolumens und vorrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens

Info

Publication number: DE3311982A1
Application number: DE3311982A
Authority: DE
Inventors: Daniel 1227 Carouge Gross; Jean-Louis 1250 Geneva Prost
Original assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Current assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Priority date: 1982-04-01
Filing date: 1983-03-30
Publication date: 1983-10-13
Also published as: JPS58202830A; DE3311982C2; US4535627A; CH647596A5

Description

PATENTANWÄLTE

lOOO BERLIN-DAHLEM 33 PODQI ELSKI ALLEE 68 aOOO MÜNCHEN 22 · Wl D EN M AYE R STRASS E 49

BATTELLE MEMORIAL INSTITUTE

BERLIN: DIPL.-INS. R. MÜLLER-BÖRN ER

MÜNCHEN: DIPI INa. HANS-HEINRICH WEY

DIPL.-INQ. EKKEHARD KÖRNER

Berlin, den 30. März 1983

Verfahren zur Bestimmung des in einem geschlossenen Behälter enthaltenen Flüssigkeitsvolumens und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Priorität: Schweiz, Nr. 2014/82-7 vom 01. April 1982

Seiten Beschreibung 5 Patentansprüche

1 Seite Zusammenfassung mit Fig. 1

2 Blatt Zeichnungen

MP - 27 909

BERLIN: TELEFON (O3O) 8312OB8 KABEL: PROPINDÜS - TELEX: 184057

MÜNCHEN: TELEFON (089] 538888 KABEL: PROPINDUS -TELEX: 004244.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des Volumens einer in einem geschlossenen Behälter von bekanntem Fassungsvermögen enthaltenen Flüssigkeit durch künstliche Erzeugung einer vorübergehenden Veränderung des Gasvolumens dieses Behälters sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Im allgemeinen wird das Volumen in einem Behälter durch seinen Flüssigkeitsspiegel bestimmt. In den Treibstoffbehältern eines Fahrzeugs beispielsweise hängt die Messung des Flüssigkeitsspiegels weitgehend von der Schrägstellung des Fahrzeugs, den Beschleunigungen und Erschütterungen ab. Der in diesem Fall verwendete Meßfühler ist ein Potentiometer, dessen Widerstand sich entsprechend der Stellung eines in den Behälter eingetauchten Tauchkolbens verändert. Aus diesem Grunde geben die auf den Armaturenbrettern der Automobile montierten Kraftstoffanzeiger nur eine grobe Analoganzeige des Flüssigkeitsvolumens, und diese Anzeige verändert sich ständig entsprechend der Schrägste!!.ung des Fahrzeugs und den Beschleunigungen, denen es unterliegen kann.

Es sind bereits verschiedene Lösungen vorgeschlagen worden, um diesem Nachteil abzuhelfen und die Genauigkeit der Messung zu erhöhen: Dabei können piezoelektrische, thermische oder kapazitive Meßverfahren genannt werden. Dieses letztere Verfahren besteht darin, die Kapazität zwischen zwei parallelen Plattenelektroden zu messen, die senkrecht in dem Behälter angeordnet sind. Da der Treibstoff eine dielektrische Flüssigkeit ist, verändert sich die gemessene Kapazität entsprechend dem Flüssigkeitsspiegel. Die beiden nahe beieinander ange-

ordneten Plattenelektroden haben weiterhin die Wirkung, die Bewegungen der Flüssigkeit abzuschwächen. Die dielektrisch^ Konstante des Treibstoffs hängt aber von der Temperatur und der Qualität dieses Treibstoffs ab, die die Verwendung einer Bezugskapazität erfordern, die stets in den Treib- . ; stoff eingetaucht ist. Dies erhöht offensichtlich den Preis > der Sonde und des elektronischen Schaltkreises. Diese Lösung wird seit vielen Jahren in der Flugzeugindustrie verwendet, ist aber für Autos zu kostenaufwendig. Auf jeden Fall ermöglichen diese verschiedenen Verfahren nur die Messung des Flüssigkeitsspiegel s an einem Punkt ihrer Oberfläche.

Ein in Marine Week (Band 6, Nr. 11, 1979, Seiten 8 und 9) | veröffentlichter Artikel, der sich auf die Messung des FVüssicJf keitsspiegels in den chemischen Behältern bezieht, geht von Vorrichtungen aus, die gegenüber dem durch die Flüssigkeitssäule ausgeübten Druck und insbesondere gegenüber einem Magne Verstärker empfindlich sind, der mit einer schwingenden Leitur] versehen und dessen Eigenfrequenz eine Funktion der Spannung ist, die ihrerseits von dem Druck der Flüssigkeit abhängt, die von der Höhe der Flüssigkeitssäule, der Dichte der Flüssi keit und ihrer Temperatur abhängig ist. Eine solche den in einem gegebenen Punkt ausgeübten Druck durch einen Meßstab * messende Vorrichtung ist aber ebenfalls von der Schräg- j; stellung des Behälters abhängig, was genau den Nachteil dai—| stellt, dem die vorliegende Erfindung abhelfen will. . S

ι Es ist auch schon vorgeschlagen worden, das Gasvolumen zu ν messen, das von der Flüssigkeit in einem Behälter von bekannt? Kapazität gelassen wird, und dieses -gemessene Volumen von dem Volumen des Behälters abzuziehen. Zu diesem Zweck verändei

man das Gasvolumen, indem man auf eine dieses Gasvolumen teilweise begrenzende Membran einwirkt, und man mißt die Zeit, die erforderlich ist, um den ursprünglichen Druck durch Einlassen von Luft durch eine kalibrierte öffnung wiederherzustellen. Diese Lösung bietet verschiedene Quellen für Ungenauigkeiten, insbesondere die Druckveränderungen in dem. Rohrleitungssystem, der Dampfdruck in dem Behälter, die Instabilität der kalibrierten Öffnung, und impliziert im übrigen eine Einrichtung, die aus zahlreichen Elementen, Rohren, Ventilen, kalibrierter öffnung, besteht, die den Preis erhöhen und die Betriebssicherheit verringern.

In der japanischen Anmeldung 14 6676/79 ist schon vorgeschlagenworden, das Gasvolumen eines Behälters durch akustische Mittel zu messen, indem der offene Behälter in dem Feld eines Schandrucks von bestimmter Frequenz angeordnet und der Druck und die Frequenz nahe der öffnung des Behälters festgestellt wurden, die eine Funktion des Gasvolumens sind. Eine solche Lösung ist jedoch auf den Fall offener Behälter beschränkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, mindestens teilweise die Nachteile der vorerwähnten Lösungen auszuräumen, um zu ermöglichen, das Flüssigkeitsvolumen geschlossener Behälter zu messen. · .

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorliegend zunächst ein Verfahren zur Bestimmung des Volumens einer in einem geschlossenen Behälter bekannten Fassungsvermögens enthaltenen Flüssigkeit durch Erzeugung einer vorübergehenden Veränderung des Gasvolumens in diesem Reservoir vorgeschlagen, bei dem

erfindungsgemäß nach Erzeugung dieser VoIümenveränderung
die Periode des Antwortsignals der Druckeigenschwingungen
gemessen wird, die in dem Gasvolumen durch diese Volumenveränderung erzeugt werden, das Gasvolumen in Funktion von
der gemessenen Periode bestimmt wird und davon das Flüssigkeitsvolumen abgezogen wird.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung j zur Durchführung des Verfahrens nach dem Hauptanspruch,
bei der erfindungsgemäß die gemessene Signalperiode um
einen charakteristischen Temperaturfaktor korrigiert wird.

Weiterausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung- zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens näher erläutert.
Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild dieser Vorrichtung, ' |

r Fig. 2 bis 4 erläuternde Kurvenbilder. ·■'

Das Blockschaltbild der Fig. 1 stellt einen geschlossenen f Behälter dar, beispielsweise einen Treibstofftank 1 eines . Kraftfahrzeugs, bei dem die obere Wand mit einer Membran 2 ?■ verbunden ist, die einer Lautsprechermembran vergleichbar
und formschlüssig mit einem schwingenden Anker verbunden ist, der aus einer Spule 3 besteht, die sich außerhalb des Tanks
erstreckt und axial in einen vertieften Permanentmagneten 4

eingreift und die mit einem bistabilen Umschalter 6 verbunden ist. Vorteilhaft besteht die Membran 2 aus einem nichtporösen Material, so daß ihre Masse sich unter Einwirkung der Absorption der Flüssigkeitsdämpfe nicht verändert. Es wird außerdem betont, daß der Ausdruck "Behälter" die Gesamtheit des geschlossenen Volumens umfaßt, wodurch auch die Auffül1 eitung oder jede andere Leitung mit umfaßt wird, die unmittelbar an den Behälter selbst angeschlossen ist. Der bistabile Umschalter 6 verbindet wahlweise die Spule 3 einerseits mit einem Impulserregungsgenerator 7 mittel eines Verstärkers 8 und andererseits mit einem Detektor 9 für den Durchlauf der Spannung an den Anschlußklemmen der Erregungsspule 3 auf Null. Dieser bistabile Umschalter ist außerdem mit einem Umschaltmodul 10 verbunden, das den übergang des Umschalters 6 von einer Stellung in die andere und umgekehrt steuert

Eine Temperaturmeßsonde 11 taucht in das Reservoir 1 ein und ist mit einem Verstärker 5 und weiter mit einem Modul 12 verbunden, das als Grenzfläche zwischen dieser Sonde und einer Rechen- und Steuereinheit 13 dient, auf die auch die Informationen des Detektors 9 übertragen werden. Diese Rechen- und Steuereinheit ist außerdem mit einem Speicher 14 verbunden, und ihre Ausgänge sind an den Impulserregungsgenerator 7, an das Umschaltmodul 10 und an ein Anzeigeelement 15 angeschlossen.

Vorteilhaft kann die Membran 2 vor den Flüssigkeitsspritzern mittels eines Gitters 16 geschützt werden, bei dem die Maschengrösse feiner ist als die Form der Tröpfchen, die die Flüssigkeit infolge der Bewegung ihrer Oberfläche erzeugen kann, wobei die Größe dieser Tröpfchen von der Oberflächenspannung der in Frage stehenden Flüssigkeit abhängt.

Das Verfahren besteht darin, in die Spule 3 einen Impuls zu schicken, um schlagartig die Membran 2 aus ihrer Ruhestellung zu entfernen und so eine schnelle Veränderung des Gasvolumens in dem Behälter und damit eine Störung des Drucks ?n diesem Gasvolumen -zu erzeugen. Dann verbindet der Umschalte die Sp'ule'3 mit dem' Detektor■9.■Die in dem Gasvolumen des 'Behälters 1^!erzeugte Druckstörung schwächt sich durch Schwing mit einer Eigenfrequenz ab, die eine Funktion des Gasvolumens in dem Behälter ist. Das Verfahren wird dann in regelmäßigen Abständen, beispielsweise alle Sekunden, wiederholt.

Das Kurvecibild der Fig. 2 zei'gt das· auf die · in dem Behälter 1 eingeleitete Veränderung des Volumens registrierte Signal. Die Amplitude dieses Signals liegt bei 1,5 V ohne jegliche Verstärkung. Sie wurde mit einem Lautsprecher von 11 cm Durchmesser erhalten, der der Höhe eines- Metal 1behälters von 31 cm Durchmesser bei 36 cm' Höhe angepaßt war. Die in die Spule gesandten Erregungsstromimpulse liegen bei 0,5 A, was \ 'erhöht erscheinen mag, aber'der Widerstand der Spule beträgt: nur 2,9 Ohm, so.daß die Kurzzeitleistung unter 0,75 W liegt ^: und' die mittlere Leistung annähernd 0,1 W beträgt. Die obere Spur entspricht einem FTüssi'gkei tsvol umen in dem Behälter vop 18 Litern, die untere Spur einem Volumen von 4 Litern, der . '"Abstand Λ'T entspricht dem-Unterschied der .-Perioden zwischen' '"' zwei ^:Signalen;^;W ----^' .' : · ·; ^r·. · - .-.·.■■'· - ■' ■ ■ ■ '

'Das 'KurvenbiId der Fig. 3 zeigt die Periode des Antworts'ig^:nal's der Druck-Eigenschwingungen, die entsprechend dem Grad der Füllung des oben erwähnten Metallbehälters in dem Gasvolumen erzeugt werden. Auf diesem Kurvenbild, dessen

-r-

Abszissenmaßstab dem Volumen in Litern entspricht und dessen

Ordinatenmaßstab der Periode des Signals in ms entspricht,

stellt man fest, daß dieses Signal tatsächlich eine nicht

lineare Funktion des Gasvolumens ist. Man sieht, daß die Dauer der Periode sich langsam bis auf etwa zwei Drittel des

FTüssigkeitsvolumens verringert und ruckartig absinkt, wenn

der Abstand zwischen der Membran 2 und der Flüssigkeitsoberfläche gering wird.

Da die Schallgeschwindigkeit eine Funktion der Temperatur und des mittleren Molekulargewichts der gasförmigen Mischung bei einer gesättigten Atmosphäre und einer gegebenen Flüssigkei' ist, ist das Molekulargewicht allein eine Funktion der Temperatur. Eine Messung der Temperatur erlaubt also eine Bestimmung der vollständigen Korrektur der Schallgeschwindigkeit. Ausgehend von diesem Ergebnis und der Messung der Schwingungsfrequenz kann man das Gasvolumen also berechnen und davon das Flüssigkeitsvolumen abziehen.

Es ist festzustellen, daß je leichter die Membran ist,' einen großen Durchmesser hat und einer schwachen Rückholkraft unterliegt, umso größer ist die Empfindlichkeit gegenüber dem Füllungsgrad des Behälters ,und umso unabhängiger ist die Messung von Störungen an der Flüssigkeitsoberfläche.

Das Kurvenbild der Fig. 4 zeigt den Einfluß der Schrägstellung des Behälters gemessen über vier Perioden des Antwortsignals. Man stellt fest, daß dieser Einfluß im Inneren einer Gabel von - \% bei einer Schräge zwischen 0 und 20° liegt, was im ganzen annehmbar ist.

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Es ist für einen Fachmann offensichtlich, daß die Membran 2 durch andere Mittel als die nur beispielhaft beschriebenen betätigt werden kann. So ist es möglich, alle auf Lautsprecher anwendbaren Techniken zu verwenden wie piezoelektrische Wirkung oder elektrostatische Kräfte in einem Kondensatorsystem, dessen Membran 2 einen beweglichen Anker darstellen würde, wobei die Feststellung der Schwingungen dieser Membran 2 dank der konstanten Polarisation der Anker dieses Kondensatorsystems verwirklicht wird.

Einer der Vorteile der beschriebenen Vorrichtung liegt in der Tatsache, daß der Druckveränderungsgenerator und der Detektor von den gleichen Organen gebildet werden, was die Anzahl von Organen und damit den Herstellungspreis dieser Vorrichtung verringert. Diese Verringerung der Anzahl der Organe bezieht sich vor allem auf mechanische Organe, die im allgemeinen teuer und am anfälligsten gegen Zerstörung und Abnutzung sind. Außerdem ist die Montage mechanischer Organe in bezug auf Arbeitskräfte teuer. Die beschriebene Lösung ist in ihrer Konzeption daher eine gute Antwort auf die Zwänge, die durch die Automobi1industrie auferlegt- werden , wenn es sich um einen Treibstofftank für ein Kraftfahrzeug handelt.

Natürlich ist die Erfindung auch anwendbar, um die Flüssigkeitsvolumen zu messen, die sich in irgendeinem beliebigen geschlossenen Behälter für irgendeinen Fahrzeugtyp befinden. Sie ist auch anwendbar zum Messen des Flüssigkeitsvolumens, das in festen Behältern enthalten ist; ihr wesentlicher Vorteil liegt aber in ihrer geringen Empfindlichkeit gegenüber Bewegun der Flüssigkeit in dem Behälter. Außerdem ist dieses Verfahren unempfinlich gegenüber der Art der Flüssigkeit und bietet sich nach Eichung für alle Formen von Behältern an.

Sa/_:MP - 27 909

BAD ORIGINAL

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Bestimmung des in einem geschlossenen Behälter mit bekanntem Fassungsvermögen enthaltenen Flüssigkeitsvolumens durch künstliche Erzeugung einer vorübergehenden . Veränderung des Gasyolumens dieses Behälters, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß nach künstlicher Erzeugung dieser Volumenveränderung die Periode des Antwortsignals der Druckeigenschwingungen gemessen wird, die in dem Gasvolumen durch diese Volumenveränderung erzeugt werden, das Gasvolumen als Funktion der gemessenen Periode bestimmt wird und davon das Flüssigkeitsvolumen abgezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekenn-.. ζ e i c h η e t, daß die Periode des gemessenen Signals eines charakteristischen Faktors der Temperatur korrigiert

wird.

BERLIN: TELEFON (0 30)8 3120 88 KABEL: PROPINOUS · TELEX! 184057

MÜNCHEN: TELEFON (08Θ) 32Β0Θ0 KABEL! PROPINDUS · TELEX: 52424·*
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Membran nahe dem Gasvolumen und elektromotorischen Mitteln zum periodischen Anlegen eines Impulses an diese Membran, um sie aus ihrer Ruhestellung zu entfernen, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zum Messen der Periode des Antwortsignals der Eigenschwingungen dieser Membran und zum Berechnen der entsprechenden Gas- und Flüssigkeitsvolumina aufweist, die in dem Behälter als Funktion dieser Periode enthalten sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Generator mit permanentem Magnetfeld und einen Anker aufweist, der die Flußlinien dieses Magnetfeldes schneidet, wobei das eine dieser beiden Elemente stationär und das andere mit der Membran formschlüssig verbunden ist, und wobei der Anker wahlweise und alternativ mit einer Quelle Erregerstroms und m.it einem Detektor für das alternative Spannungssignal verbunden ist, das auf die freie Schwingung der Membran folgend eingeleitet wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein in dem Behälter angeordnetes Gitter, das. mit dem Teil der Wand dieses Behälters verbunden ist, der.sich zur Peripherie der Membran hin erstreckt, wobei die Maschengrösse dieses Gitters kleiner gewählt wird als die Form der Tröpfchen der in dem Behälter enthaltenen Flüssigkeit ist, die sich anschliessend an das Bewegen der freien Oberfläche dieser Flüssigkeit bilden können.

Se/MP - 27 909 - 3 -

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