DE3724411C2 - - Google Patents
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- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
- G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
- G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
- G01F23/296—Acoustic waves
- G01F23/2962—Measuring transit time of reflected waves
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum kon
tinuierlichen Messen des Füllstands von einem Medium in
einem Behälter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
Eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1,
bei der zwei Ultraschall-Hohlleiter vorgesehen sind, ist
aus der GB-OS 20 84 322 bekannt. Einer der beiden Hohllei
ter taucht in den Behälter ein, dessen Füllstand gemessen
werden soll, während der zweite Hohlleiter in einen zu
sätzlichen Behälter eintaucht. Aus der Laufzeit-Differenz
der in beiden Hohlleitern reflektierten Signale bestimmt
die Steuereinheit den Füllstand.
Vorrichtungen anderer Gattung, bei denen nur ein Hohllei
ter vorgesehen ist, sind beispielsweise aus der DE-AS
21 52 675, der DE-AS 22 53 958 oder der DE-OS 33 30 063
bekannt.
Bei Vorrichtungen, bei denen zum kontinuierlichen Messen
des Füllstands von einem Medium in einem Behälter die
Laufzeit von Ultraschall-Impulsen bestimmt wird, besteht
sowohl bei gattungsgemäßen Vorrichtungen als auch bei
Vorrichtungen mit nur einem Hohlleiter allgemein das Pro
blem, einen Referenz-Ultraschallimpuls bereitzustellen,
dessen gemessene Laufzeit die Korrektur von Fehlern ermög
licht, mit denen der Meß-Ultraschallimpuls aufgrund von
Temperaturschwankungen etc. behaftet ist.
Hierzu ist gemäß der DE-AS 22 53 958 ein Ultraschall
Eichempfänger vorgesehen, der in kurzer (genau bekannter)
Entfernung unterhalb des Ultraschall-Senders angeordnet
ist. Die Laufzeit eines Ultraschall-Impulses vom Ultra
schall-Sender zum Ultraschall-Eichempfänger soll nun zur
Bestimmung der (temperaturabhängigen) Schallgeschwindig
keit in dem gasförmigen Medium zwischen Ultraschall-Sender
und Medium-Oberfläche dienen.
Gemäß der DE-OS 33 30 063 sind in dem Ultraschall-Hohl
leiter Diskontinuitäten vorgesehen, deren Ultraschall-
Reflexion ebenfalls die Bestimmung der Schallgeschwindig
keit und damit eine Korrektur von Fehlern bei der Bestim
mung des Medium-Niveaus erlauben soll.
Weiter ist in der DE-AS 21 52 675 vorgeschlagen, zusätz
lich zu dem Ultraschall-Hohlleiter, der bis zum Boden des
Behälters reicht, einen zweiten, kurzen Ultraschall-Hohl
leiter vorzusehen, der eine genaue Messung des Füllstands
im Bereich des höchsten vorkommenden Füllstands ermög
licht.
Bei der GB-OS 20 84 322 dient der im zweiten Hohlleiter
erzeugte "Referenzimpuls" als Referenzsignal.
Alle bekannten Vorrichtungen zum kontinuierlichen Messen
des Füllstands von einem Medium in einem Behälter weisen
jedoch - wie erfindungsgemäß erkannt worden ist - folgenden
Nachteil auf:
Bei vielen Einsatzfällen, beispielsweise bei Bodentanks,
Flugzeugtanks oder dgl. tritt ein stark schwankender Tem
peraturgradient längs des Ultraschall-Hohlleiters auf.
Dieser Temperaturgradient wird jedoch bei der Referenz
messung nicht berücksichtigt. Damit nimmt bei den bekann
ten Vorrichtungen insbesondere bei sehr tiefem Medium-
Niveau die Meßgenauigkeit stark ab.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
zum kontinuierlichen Messen des Füllstands von Medium
in einem Behälter anzugeben, bei der auch bei stark
schwankendem Temperaturgradienten längs der Meßstrecke der
Füllstand insbesondere bei geringen Füllständen genau
gemessen werden kann.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist
in dem Patentanspruch 1 gekennzeichnet.
Überraschenderweise kann die der Erfindung zugrundelie
gende Aufgabe dadurch gelöst werden, daß weiterhin von
einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentan
spruchs 1 ausgegangen wird. Diese bekannte Vorrichtung
wird erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, daß der zwei
te Hohlleiter parallel zu dem Ultraschall-Meß-Hohlleiter
angeordnet und gleichartig ausgebildet ist. Der zweite
Hohlleiter taucht ebenfalls in das Medium ein, ist jedoch
nicht mit Medium gefüllt.
Ferner stellt die erfindungsgemäße Ausbildung sicher, daß
in beiden Hohlleitern die gleichen Temperatur-und Druckbe
dingungen herrschen, so daß die Laufzeit von Ultraschall-
Impulsen in beiden Hohlleitern gleich beeinflußt wird.
Erfindungsgemäß bestimmt die Steuereinheit die Laufzeit
differenz zwischen der Laufzeit eines an der Medium-Ober
fläche reflektierten Ultraschall-Impulses und einem am
Boden des gleichartigen Ultraschall-Hohlleiters reflek
tierten Impulses. Damit sind erfindungsgemäß gerade nie
drige Medium-Niveaus mit hoher Genauigkeit meßbar. Dies
ist insbesondere bei Flugzeugtanks, aber auch in vielen
anderen A wendungen von besonderer Bedeutung.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
vorgesehen.
Gemäß Anspruch 2 ist für jeden der Hohlleiter ein Ultra
schall-Wandler vorgesehen. Hierdurch können keine stören
den nicht zuordenbaren Impulse auftreten wie dies unter
Umständen bei einer Variante, bei der beide Hohlleiter von
einem einzigen Ultraschall-Sender und -empfänger beauf
schlagt werden, der Fall sein könnte.
Eine besonders einfache Ausführungsform erhält man durch
die im Anspruch 3 gekennzeichnete Weiterbildung, gemäß der
jeder Ultraschall-Wandler gleichzeitig Sender und Empfän
ger ist.
Die Genauigkeit der erfindungsgemäß bereits sehr genauen
Messung kann durch die Merkmale des Anspruchs 4 weiter
verbessert werden, durch die Schwapp-Bewegungen oder dgl.
von Flüssigkeiten in Tanks eliminiert werden.
Selbstverständlich ist es gemäß Anspruch 5 möglich, zu
sätzlich auch in an sich bekannter Weise in dem zweiten
Hohlleiter eine Reflexionsmarke oder dgl. vorzusehen,
durch die die Genauigkeit bei hohen Füllstands-Niveaus
erhöht wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, daß die
Steuereinheit und das in dem Behälter befindlichen Medium,
beispielsweise eine brennbare Flüssigkeit galvanisch ge
trennt sind. Damit kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
ohne besonderen Aufwand explosionssicher ausgelegt werden.
Diese Explosionssicherheit kann noch dadurch verstärkt
werden, daß ein flexibler Hohlleiter verwendet und die
Steuerelektronik im "Funkenschatten" des Tanks angeordnet
wird. Eine weitere Verbesserung der Explosionssicherheit
erhält man durch den Einbau von Membranen, die elektrisch
nicht leitend sind, aber die Ultraschallimpulse übertragen.
Hierdurch wird auch eine vollständige galvanische Trennung
zwischen Ultraschall-Wandler und Medium erreicht.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der zwei gleichar
tige Hohlleiter verwendet werden, hat aufgrund des erfin
dungsgemäß angewandten Differenzmeßverfahrens den Vorteil,
daß nahezu beliebig geformte Hohlleiter verwendet werden
können. Insbesondere ist es möglich, flexible Hohlleiter
zu verwenden, die eine Anpassung auch an komplizierte
Tankformen ermöglichen (Anspruch 6).
Einen besonders einfachen Aufbau erhält man gemäß Anspruch
7, wenn man einen Schlauch als Hohlleiter verwendet. Die
ser Schlauch kann beispielsweise gemäß Anspruch 8 ein
handelsüblicher Teflonschlauch sein.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs
beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be
schrieben, in der zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vor
richtung, und
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Steuereinheit.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung weist zwei
gleichzeitig als Sender und Empfänger dienende Ultraschall-Wandler 1
bzw. 2 auf, an denen Ultraschall-Hohlleiter 3 und 4 angebracht sind. Der
Ultraschall-Hohlleiter 3 dient als Referenz-Hohlleiter, d.h. er ist
nicht mit dem Medium, beispielsweise einer Flüssigkeit, gefüllt. Der
Ultraschall-Hohlleiter 4 dient als Meß-Hohlleiter, d.h. in ihm befindet
sich das Medium entsprechend der Füllstandshöhe in dem Behälter, dessen
Füllstand ermittelt werden soll. Hierzu weist der Meß-Hohlleiter 4
wenigstens einen Flüssigkeitseinlaß 8 auf, durch den das Medium bzw. die
Flüssigkeit in das Innere des Ultraschall-Hohlleiters 4 eindringen kann.
Die beiden Hohlleiter 3 und 4 sind ferner über Querverbindungen 6
miteinander verbunden, die für einen Temperatur- und Druckangleich sowie
für einen Gasaustausch sorgen.
In dem pauschal mit 5 bezeichneten Sensorkopf, der die Auswerte
elektronik aufnimmt, ist ferner eine Lüftungsöffnung 11 mit einer
Reflexions-Stufe für Ultraschall-Impulse vorgesehen. Diese Reflexions-
Stufe dient als Kalibrierstrecke bei großen Füllständen, während bei
niedrigen Füllständen, bei denen die Laufzeit der Ultraschall-Impulse
durch eventuell längs der Ultraschall-Hohlleiter 3 und 4 vorhandene
Temperatur- und/oder Druckgradienten beeinflußt wird, als Referenzimpuls
zur Laufzeitbestimmung der am Boden des Ultraschall-Hohlleiters 3
reflektierte Ultraschall-Impuls herangezogen wird.
Als Hohlleiter kann beispielsweise ein Teflonschlauch verwendet werden. Typi
scherweise hat der Teflonschlauch einen Innendurchmesser 8 mm. Mit
einem derartigen Ultraschall-Hohlleiter lassen sich Meßstrecken von
typischerweise 2 Metern mit einer Genauigkeit von ± 1 mm realisieren.
Der Biegeradius des Hohlleiters beträgt bei einem Innendurchmesser von
ca. 8 mm typischerweise minimal 6 cm.
Der Innendurchmesser des Hohlleiters wird dadurch bestimmt, daß sich bei
einer hohen Oberflächenspannung zwischen dem Medium, dessen Füllstand
bestimmt werden soll, und dem Material des Hohlleiters keine Tropfen
bilden, die den Innendurchmesser des Hohlleiters verschließen können.
Die Vermeidung von Tropfenbildung kann auch durch eine spezielle Be
schichtung der Innenwand des Hohlleiters, in Abhängigkeit von den zu
vermessenden Flüssigkeiten, erfolgen. Das Problem der Reflexion des
Ultraschall-Impulses an kleinen an der Wandung anhaftenden Tröpfchen
kann durch Erniedrigung der Frequenz von 200 kHz, wie sie beim Stand der
Technik verwendet wird, auf ca. 40 kHz vermieden werden. Hierdurch erhält
man auch eine geringere Dämpfung der Welle durch die Biegung des Hohl
leiters.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Steuereinheit.
Dabei sind gleiche Teile wie in Fig. 1 mit den selben Bezugszeichen
bezeichnet. Ein Tank 12 ist mit einem Medium, beispielsweise einer
Flüssigkeit 13 gefüllt, deren Füllstand bestimmt werden soll. Hierzu
tauchen in den Tank 12 der Referenz-Hohlleiter 3 und der Meß-Hohlleiter
4 ein, in dem die Flüssigkeit mit dem gleichen Niveau wie im Tank steht.
Die Ultraschall-Wandler 3 bzw. 4 sind mit Ultraschall-Sendern 14 1 und
142 sowie Empfängern 15 1 und 15 2 verbunden, die die Ultraschall-
Wandler zum Aussenden von Ultraschallwellen anregen bzw. die empfangenen
Signale an eine Steuer- und Auswerteelektronik 16 anlegen, die die
Zeitdifferenz zwischen dem vom Empfänger 15 1 und dem vom Empfänger
15 2 empfangenen Signal ermittelt. Aus der Zeitdiffernz kann dann - wie
bereits beschrieben - der Füllstand im Behälter 12 berechnet werden.
Die Auswerteelektronik 16 weist ferner eine Schnittstelle 17 zu einem
Steuerrechner 18 auf, der zum Eichen der Vorrichtung und zum Abspeichern
der Eichwerte z.B. in Festwertspeichern angeschlossen werden kann.
Der Eichvorgang kann dabei beispielsweise folgendermaßen ablaufen:
Ein Flüssigkeitsgeber füllt den Behälter 12 bzw. das Behältersystem und
liefert parallel eine der abgegebenen Flüssigkeitsmenge entsprechende
Mengengröße an den Steuerrechner 18. Diese Mengengröße wird mit der
ermittelten Laufzeitdifferenz korreliert und in der Steuerelektronik 17
beispielsweise in einem Festwertspeicher abgelegt. Damit ist bei einer
Messung jederzeit einer Laufzeitdifferenz nicht nur eine Füllhöhe,
sondern auch eine Füllmenge zuordenbar.
Damit ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur eine genaue
Füllstandsmessung bei hohen Füllständen, sondern auch eine hochgenaue
Füllstandsmessung bei nahezu leerem Behälter.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich aufgrund dieser Ausbildung
insbesondere zur Messung in unregelmäßig geformten Behältern.
Vorstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels ohne
Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens beschrieben worden,
innerhalb dessen selbstverständlich die verschiedensten Modifikationen
möglich sind:
Beispielsweise kann die Kalibrierstrecke auch durch eine in einem Ultra
schall-Hohlleiter vorgesehene Reflexions-Marke oder dgl. gebildet
werden. Ferner können die Ultraschall-Hohlleiter nahezu beliebige
Querschnitte haben, die die Leitung von Ultraschall-Impulsen erlauben.
Auch können die Ultraschall-Hohlleiter zur Anpassung an komplexe Be
hälterformen nicht nur gerade, sondern auch gekrümmt sein. Insbesondere
bei gekrümmten Hohlleitern ist das vorstehend beschriebene Kali
brierverfahren, mit dem einer Laufzeit eine Füllmenge zugeordnet werden
kann, von besonderem Vorteil.
Claims (9)
1. Vorrichtung zum kontinuierlichen Messen deß Füllstan
des (13) eines Mediums in einem Behälter (12),
mit einem entsprechend dem Niveau des Mediums mit dem
Medium gefüllten ersten Ultraschall-Hohlleiter (4),
einem parallel zu diesem Hohlleiter angeordneten zweiten
Hohlleiter (3), der ebenfalls in das Medium eintaucht,
Ultraschall-Wandlern (1, 2) sowie
einer Steuereinheit (5), die aus der Laufzeitdifferenz
eines an der Medium-Oberfläche im ersten Hohlleiter (4)
reflektierten Ultraschallimpulses und eines im zweiten
Hohlleiter (3) reflektierten Ultraschallimpulses den Füll
stand (13) bestimmt,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- - der zweite Ultraschall-Hohlleiter (3) ist nicht mit dem Medium gefüllt, so daß die Ultraschall-Impulse am Boden des Hohlleiters (3) reflektiert werden,
- - die beiden Hohlleiter (3, 4) sind gleichartig und gut wärmeleitend miteinander verbunden,
- - die beiden Hohlleiter (3, 4) sind über Querverbindungen (6) miteinander verbunden, die für einen Temperatur- und Druckangleich sowie für einen Gasaustausch sorgen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß für jeden der Hohlleiter (3, 4)
ein Ultraschall-Wandler (1, 2) vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ultraschall-Wandler (1,
2) gleichzeitig Sender und Empfänger ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Füllstandsmessung von
einem sich bewegenden Mediums die Steuereinheit (5) über
mehrere in kurzen Zeitabständen durchgeführte Messungen
mittelt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß in dem gleichartigen Ultra
schall-Hohlleiter (3) zusätzlich wenigstens eine Ultra
schall-Reflexionsmarke vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Hohlleiter (3,
4) flexibel sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Schlauch einen
Hohlleiter bildet.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß das Schlauchmaterial Teflon
ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß zur galvanischen Trennung von
Ultraschall-Wandlern und dem in dem Behälter befindlichen
Medium wenigstens in dem mit Medium gefüllten Hohlleiter
eine Membran oberhalb des höchsten Füllstand-Niveaus vor
gesehen ist.
Priority Applications (1)
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DE19873724411 DE3724411A1 (de) | 1987-07-23 | 1987-07-23 | Vorrichtung zum kontinuierlichen messen des fuellstandes |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19873724411 DE3724411A1 (de) | 1987-07-23 | 1987-07-23 | Vorrichtung zum kontinuierlichen messen des fuellstandes |
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DE3724411C2 true DE3724411C2 (de) | 1990-01-11 |
Family
ID=6332210
Family Applications (1)
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DE19873724411 Granted DE3724411A1 (de) | 1987-07-23 | 1987-07-23 | Vorrichtung zum kontinuierlichen messen des fuellstandes |
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