DE3621427A1 - Messsystem - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Meßsystem zum Messen einer Flüssigkeitsmenge in einem Tank, in welchem sich eine Phasengrenzfläche von Flüssigkeit zu Gas oder Dampf einstellt, enthaltend eine Ultraschall­ wandlereinheit, die Impulse akustischer Energie nach oben durch die Flüssigkeit abgibt und die Impulse empfängt, wenn sie von der Phasengrenzfläche reflek­ tiert werden, und die am Boden des Tanks in einem vertikalen Rohr oder "Ruhegefäß" untergebracht ist, das Löcher für die Flüssigkeit aufweist, und weiterhin ent­ haltend einen Geschwindigkeitsmesser zur Messung der Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit über eine Bezugsdistanz, einen Impulszählkreis, der zur Messung des Zeitintervalls zwischen der Aussendung und dem Em­ pfang des Impulses bestimmt ist, und einen Mikroprozes­ sor zum Berechnen der Flüssigkeitsmenge aus dem Zeitinterval.

Elektronisch gesteuerte Pegelmeßsysteme, die Ultra­ schallimpulse von einer Ultraschallenergiequelle gegen die Oberfläche einer Flüssigkeit in einem Tank richten und die Zeit messen, die die reflektierte Energie benötigt, um einen Ultraschallenergiesensor zu er­ reichen, sind weithin bekannt. Ein solches System, das zur Steuerung der Befüllung eines Behälters bestimmt ist, offenbart beispielsweise die US-PS 44 37 497.

Die US-PS 42 29 798 beschreibt ein ähnliches System mit einem Ultraschallwandler, der am Boden eines Tanks ange­ ordnet ist und Impulse akustischer Energie vertikal nach oben aussendet und die Impulse wieder aufnimmt, die an der Phasengrenzfläche zwischen Flüssigkeit und Luft oder einem anderen Gas im Tank reflektiert werden. Der Ultraschallwandler ist in einem vertikalen Rohr angeordnet, das Löcher für den Zutritt des Fluides aufweist, und die Vorrichtung enthält einen Impulszählkreis zum Messen des Intervalls zwischen der Aussendung und dem Empfang des Impulses, einen Mikropro­ zessor zum Berechnen des Volumens der Flüssigkeit auf der vertikalen Höhe und eine Ausgabe-Anzeigeeinrichtung für die Volumendaten.

Die US-PS 45 51 719 beschreibt ein Mikroprozessorsystem, das einen Ultraschallwandler am Kopf eines Tanks verwendet, um den Flüssigkeitspegel in dem Tank zu messen, in welchem ein fester Reflektor in einer vorbe­ stimmten Distanz von dem Ultraschallwandler als Quelle für Bezugsdaten über die sich ändernde Geschwindigkeit der Schallwellen im Dampf über dem Flüssigkeitsspiegel wirkt.

Ultraschallmeßsysteme sind jedoch mit den bekannten Ar­ ten elektrischer Verdrahtung, die zur Verbindung eines jeden Sensors mit der elektronischen Steuervorrichtung notwendig sind, schwierig in die Praxis sicher umzu­ setzen. Die Verdrahtung kann Brände auslösen, wenn die Sensoren innerhalb des Tanks montiert werden, und bringt weitere Schwierigkeiten für außen angeordnete Sensoren mit sich, speziell im Falle von Flügeltanks in einem Flugzeug und im Hinblick auf unvorhersehbare Wir­ kungen von Blitzeinschlägen.

Selbst wenn man ein optisches Meßsystem verwendet, wie es beispielsweise in der US-PS 39 95 168 beschrieben ist, werden elektrische Verbindungen dazu verwendet, Daten zu übertragen, die von den optischen Pegelindi­ katoren innerhalb des Tanks zu Summierkreisen und Pegel­ anzeigern übertragen werden.

Das von der vorliegenden Erfindung zu lösende Problem besteht darin, ein Flüssigkeitsmeßsystem anzugeben, in welchem Brandrisiken, die aus der Verwendung elektri­ scher Leitungen resultieren, beseitigt oder doch zumin­ dest im Vergleich zu bekannten Systemen verringert sind.

Dieses Problem wird durch ein System gelöst, wie es im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 beschrieben ist.

Vorzugsweise hat die Ultraschallwandlereinheit einen Photodetektor/Kondensator-Kreis, um einen Oszillator­ kreis zu betreiben, der den Ultraschallsender erregt, einen Triggerkreis, der mit dem Detektor verbunden ist, um den Oszillatorkreis zu erregen und zu bewirken, daß der Ultraschallsender einen Burst akustischer Energie für eine vorbestimmte Zeit abgibt, und die Leuchtdiode ist über einen Verstärker und einen Spannungs/Strom- Wandler mit dem Ultraschallempfänger verbunden.

Ein Meßsystem, das die vorliegende Erfindung beinhaltet, wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Schaltung des Meßsystems nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Schaltung eines optischen Leistungs­ kreises für die Verwendung in dem Meßsystem nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Schaltung eines Sendertriggerkreises zur Verwendung in dem Meßsystem nach Fig. 1 und

Fig. 4 eine Schaltung eines Empfängerkreises für die Verwendung in dem Meßsystem nach Fig. 1.

Bezugnehmend auf Fig. 1 enthält das dargestellte Meßsystem einen oder mehrere Tanks 12, die Kraftstoff oder eine andere Flüssigkeit enthalten, die eine Phasengrenzfläche 250 zwischen Flüssigkeit und Luft oder einem anderen Gas ausbilden, und eines oder mehrere Ruhegefäße 20 und 41 (vorzugsweise zwei solcher Gefäße wie hier dargestellt, um aus Sicherheitsgründen Redundanz zu erzeugen). Diese Ruhegefäße erstrecken sich vom Boden des Tanks 12 aufrecht nach oben. Das "Ruhegefäß" ist ein Rohr, das dazu dient, die Bewegung der Flüssigkeit zu begrenzen. Am Boden eines jeden Rohrgefäßes ist eine Ultraschallwandlereinheit 30 und 40, die Elemente des Meßsystems gemäß der vorliegenden Erfindung sowie eine Ultraschallsender- und -empfänger­ kombination enthält, die Impulse akustischer Energie nach oben aussendet und die Impulse ermittelt, wenn sie von der Phasengrenzfläche 250 zwischen Flüssigkeit und Luft reflektiert werden. Jedes Ruhegefäß hat Löcher 252 für den Durchlaß von Flüssigkeit.

Eine Detektoreinheit, die von der gestrichelten Linie 14 umgeben ist, ist mit den Ultraschallwandlereinheiten 30 und 40 durch optische Leitungen verbunden und enthält Schaltkreiselemente, einschließlich eines Demultiplexers 74, eines Signalaufbereiters 76, einer Stromversorgung 94 (von der Hauptstromversorgungsquelle 98 des Flugzeugs betrieben), eines Mikroprozessors (CPU und Speicher) 82 und eines Dateninterface 89, das mit einer Anzeigeein­ richtung 92 verbunden ist. Diese elektrischen Schalt­ kreiselemente sind durch entsprechende Leitungen 78, 80, 84, 86, 90, 96 und 100 miteinander verbunden.

Das Meßsystem nach der Erfindung enthält eine optische Leistungsquelleneinheit, die in Fig. 2 mit der gestri­ chelten Linie 38 bezeichnet ist. Die optische Leistungs­ quelleneinheit 38 bildet einen Teil der Detektoreinheit, die mit gestrichelten Linien 14 dargestellt ist und liegt daher außerhalb der Ultraschallwandlereinheiten 30 und 40. Die Stromversorgung 94 ist mit einer Lampe 104, die beispielsweise eine Leistungsaufnahme von 10 W hat über eine Leitung 106 verbunden. Das Licht 107 von der Lampe 104 durchläuft eine Linse 108 und gelangt in gebündelte optische Faserenden 110. Optische Fasern 36, 46 und 56 erstrecken sich von den Faserenden 110 jeweils zu Photodioden 120 und 122, die in den Ultraschallwand­ lereinheiten 30 bzw. 40 angeordnet sind. Eine optische Faser 56 erstreckt sich von den Faserenden 110 zu einer Photodiode 123, die in einer dritten Ultra­ schallwandlereinheit 50 angeordnet ist, die weiter unten als Teil einer bevorzugten Ausführungsform eines Geschwindigkeitsmessers beschrieben ist. Die Photodioden 120, 122 und 123 sind über eine Leitung 126 in Serie mit einander geschaltet und mit Masse verbunden.

Die Photodioden 120, 122 und 123 sind parallel zu einem Kondensator 128 über Leitungen 134 und 132 geschaltet, und der Kondensator 128 ist über eine Leitung 130 mit Masse verbunden. Die Leitung 134 führt eine Spannung +V vom Kondensator 128, um den akustischen Sende- und Empfangskreisen innerhalb der Ultraschallwandlerein­ heit Spannung zuzuführen.

Ein bevorzugter akustischer Senderkreis ist in Fig. 3 dargestellt. Ein bevorzugter akustischer Empfängerkreis ist in Fig. 4 gezeigt.

Mit spezieller Bezugnahme auf Fig. 3 und mit der Photo­ diode 120 als ein Beispiel zur Erläuterung der Funktion und des Betriebs aller drei Photodioden 120, 122 und 123 ist die Diode 120 über eine Leitung 142 mit einem optisch betriebenen Schalter 140 verbunden. Der optisch betriebene Schalter 140 ist über einen gesteuerten Gleichrichter (SCR-Trigger) 144 über eine Leitung 146 verbunden, um einen Sendertrigger- und Erregerkreis zu bilden. Letzterer ist über einen Widerstand 172 und einen Kondensator 178 über Leitungen 174, 180 und 182 geerdet und ist mit dem optisch betriebenen Schalter 140 über eine Leitung 184 verbunden und durch eine Leitung 176 zu dem SCR-Trigger 144 parallelgeschaltet. Der SCR- Trigger 144 ist mit einem Hochstromschalter 148 über eine Leitung 150 verbunden. Der Schalter ist mit Hilfe von Leitungen 166 und 154 einer Oszillatorschaltung parallelgeschaltet, die über einen Widerstand 170 von der Spannung +V vom Kondensator 128 versorgt wird.

Die Oszillatorschaltung enthält einen Kondensator 156 und eine Induktionsspule 160 und ist einem Ultraschall­ sender 152 durch Leitungen 162, 164 und 158 parallel­ geschaltet und außerdem geerdet.

Der optisch betriebene Schalter 140 ist weiterhin über eine Leitung 186 mit einer Bezugsspannungseinheit 188 verbunden, wie in Fig. 4 gezeigt, in welcher Figur der Verstärkerkreis für den akustischen Empfänger 194 eben­ falls dargestellt ist.

Die Einheit 188 ist über eine Leitung 192 mit einem Be­ grenzerverstärker 190 verbunden, der von dem Empfänger 194 parallel zur Induktionsspule 200 über Leitungen 196 und 198 Strom empfängt. Der Begrenzerverstärker 190, der von der +V-Spannungsquelle über die Leitung 210 versorgt wird, ist über eine Leitung 104 mit einem Spannungs-/ Stromwandler 202 verbunden, der ebenfalls von der +V- Stromquelle über eine Leitung 208 betrieben wird. Eine Infrarot-Leuchtdiode 212 empfängt das Ausgangssignal von dem Spannungs-/Strom-Wandler 202 über eine Leitung 214. Das Licht von der Infrarot-Leuchtdiode 212 wird über ein optisches Faserkabel (Fig. 1 und 2) zu einem der optischen Detektoren 34 übertragen, der in der Detektor­ einheit angeordnet ist, die mit gestrichelten Linien 14 angedeutet ist.

Akustische Impulse werden von der Ultraschallwandler­ einheit 40 in der gleichen Weise abgegeben, wie von der Ultraschallwandlereinheit 30 und werden durch ein opti­ sches Faserkabel 42 zu einem weiteren der optischen De­ tektoren 34 übertragen, um, sofern notwendig, Redundanz zu erzeugen.

Die optischen Detektoren 34 sind mittels elektrischer Leitungen 70, 71 und 72 mit dem Demultiplexer 74 in der Detektoreinheit verbunden.

Ein bevorzugter Geschwindigkeitsmesser enthält die drit­ te Ultraschallwandlereinheit 50, die in Fig. 1 darge­ stellt ist. Ein Rohr 51 ähnlich den vertikalen Ruhegefäßen 20 und 41, jedoch mit einem Plattenreflektor 57 als Kappe versehen, erstreckt sich horizontal in den Tank 12, wobei die Wandlereinheit 50 an seinem Boden an­ geordnet ist. Die Platte 57 ist in einer vorbestimmten Distanz von der Wandlereinheit 50 angeordnet. Akustische Impulse, die auf die gleiche Weise, wie jene von den Ultraschallwandlereinheiten 30 und 40 erzeugt werden, jedoch den Ausgang der Photodiode 123 verwenden, werden von der Platte 57 anstelle von der Phasengrenzfläche 250 zwischen Flüssigkeit und Luft (oder einem anderen Gas oder Dampf) reflektiert, um Bezugsgeschwindigkeitsdaten zu erzeugen, die durch ein optisches Faserkabel 42 zu einem dritten der genannten optischen Detektoren übertragen wird.

Die Ultraschallwandlereinheiten 30, 40 und 50 sind vor­ zugsweise in Hohlräumen im unteren Teil eines Flugzeug­ flügeltanks montiert, um einfach ausgebaut und ersetzt werden zu können. Die optischen Fasern können innerhalb des Tanks montiert sein und sich durch den Hohlraum er­ strecken.

Die elektrische Energie, die jeder Wandlereinheit zuge­ führt wird, kann in Form eines 1 ms-Impulses vorliegen, um den Oszillatorkreis zu erregen, gefolgt von einem kurzen 1 MHz-Burst (vorzugsweise etwa 10 Impulse), um den Ultraschallsender zu betreiben. Der Ultraschall­ empfänger empfängt das reflektierte akustische Signal einen Bruchteil einer Millisekunde später zur Umwand­ lung in Licht für die Übertragung durch das optische Faserkabel zurück zum Multiplexer.

Die von jeder Wandlereinheit abgestrahlte Leistung liegt in der Größenordnung von etwa 200 mW für Sendung und Empfang von Zyklen von 10 µs. Der Zyklus kann etwa alle 200 ms wiederholt werden.

Claims (7)

1. Meßsystem zum Messen einer Flüssigkeitsmenge in einem Tank, in welchem sich eine Phasengrenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas oder Dampf ergibt, enthaltend eine Ultraschallwandlereinheit (30 oder 40), die Impulse akustischer Energie nach oben durch die Flüssigkeit aussendet und Impulse empfängt, wenn sie von der Phasen­ grenzfläche reflektiert werden und die am Boden des Tanks (12) in einem vertikalen Rohr oder "Ruhegefäß" (20 oder 41) angeordnet ist, das Löcher (252) für die Flüssigkeit aufweist, einen Geschwindigkeitsmesser (50, 51) in einer Wand des Tanks zur Messung der Schallaus­ breitungsgeschwindigkeit in der Flüssigkeit über eine Bezugsdistanz, einen Impulszählkreis, der zur Messung des Zeitintervalls zwischen der Aussendung und dem Empfang eines jeden gegebenen Impulses eingerichtet ist und einen Mikroprozessor (82) zum Berechnen der Flüssigkeitsmenge im Tank aus dem gemessenen Zeit­ intervall, gekennzeichnet durch eine Detektoreinheit (14), die den Impulszählkreis und den Mikroprozessor (829) enthält und die mit der Ultraschallwandlereinheit (30 oder 40) durch optische Fasern verbunden ist, wobei die Detektoreinheit weiterhin eine optische Leistungs­ quelleneinheit (38) aufweist, enthaltend eine Lichtquel­ le (104), deren Licht von einer der optischen Fasern zu Photodetektoreinrichtungen (120 oder 123) in der Ultra­ schallwandlereinheit (30 oder 40) übertragen wird, wobei die Photodetektoreinrichtung dazu dient, das Licht in elekrische Energie umzuwandeln, um einen Ultraschall­ sender (Fig. 3) zu aktivieren, die Ultraschallwandler­ einheit (30 oder 40) eine Leuchtdiode (212) enthält, die von einem Ultraschallempfänger (Fig. 4) erregt wird und dazu dient, Licht zu einem optischen Detektor (34) in der Detektoreinheit (14) über eine der optischen Fasern (32, 42) zu übertragen, und der optische Detek­ tor (32, 34) elektrisch mit der Impulszählschaltung (14) und dem Mikroprozessor (82) verbunden ist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwandlereinheit (30 oder 40) einen Photodetektorkondensatorkreis enthält, der eine Spannung zum Betreiben eines Oszillatorkreises (158, 160) liefert, um den Ultraschallsender (Fig. 3) zu erregen, eine Triggerschaltung (144) aufweist, die mit dem Photo­ detektor verbunden ist, um den Oszillatorkreis (156, 160) zu erregen und zu bewirken, daß der Ultraschallsen­ der (Fig. 3) einen Burst akustischer Energie für eine vorbestimmte Zeit abgibt, und daß eine Leuchtdiode (212) über einen Verstärker und einen Spannungs-/Strom-Wandler (202) mit dem Ultraschallempfänger (Fig. 4) verbunden ist.

3. System nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichneet, daß der Geschwindigkeitsmesser (Fig. 4) eine zusätzliche Ultraschallwandlereinheit (40) auf­ weist, die akustische Energie gegen einen Reflektor (57) aussendet, der in einer definierten Distanz zur Wandlereinheit angeordnet ist.

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeich­ net durch eine Ausgabeanzeigeeinrichtung (92) für Volumendaten.

5. System nach einem der Ansprüche 1 bis , gekennzeich­ net durch eine Kondensatorschaltung, die dazu dient, das von dem Photodetektor empfangene Licht in elektrische Energie umzuwandeln, und der mit einer Spannungsquelle (V+) verbunden ist.

6. System nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Oszillatorkreis, der von der Spannungsquelle (V+) be­ trieben ist, um den Ultraschallsender zu erregen.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Tank (12) zwei Ultraschall­ wandlereinheiten (30, 40) enthält.