DE4127233A1 - Verfahren zur fuellstandsmessung von behaeltern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Füllstandsmessung von Be­ hältern oder Tanks, in denen flüssiger und/oder fester Füllstoff aufgenommen ist.

Bei der Füllstandsmessung in Tanks ergeben sich bekanntermaßen eine Reihe von Problemen. Bei nichttransparenten Tanks und ins­ besondere solchen mit komplizierter Geometrie oder auch Flüssig­ keitstanks mit unterschiedlicher Lage und Neigung sind die Messun­ gen zum gegenwärtigen Zeitpunkt im allgemeinen fehlerbehaftet und ungenau.

So sind die in Kraftfahrzeugen üblichen mechanischen Füllstands­ messer (Schwimmer usw.) stark lageabhängig. Akustische und opti­ sche Füllstandsmesser erfassen nur einen nicht immer repräsenta­ tiven Abstandsfestwert. Zwar ist es möglich, durch kontinuierli­ ches Messen der Ausströmungsrate aus einem Benzintank dessen Restvolumen genau zu ermitteln, jedoch stellt dies eine relativ aufwendige Lösung dar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung des Füllstands von Behältern anzugeben, das unabhängig von Geometrie und Lage des Behälters eine zuverlässige Füll­ standsanzeige liefert und dabei technisch einfach realisierbar ist.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der Patentanspruchs 1 gelöst. Danach wird durch die technisch einfach und auf vielfäl­ tige Weise realisierbare Maßnahme einer Kompression des Gasvolu­ mens im Behälter und Messung der dabei auftretenden Druckänderung eine völlig von Geometrie und Lage sowie dem jeweiligen Füllstoff (flüssiges Füllgut, körniger Feststoff o. ä.) und darüberhinaus auch von Umweltbedingungen (Druck, Temperatur, Dampfdruck der Flüssigkeit usw.) unabhängige Anzeige des Füllstands gewonnen. Vorzugsweise wird die Kompression adiabatisch durchgeführt, wobei das Füllstandsvolumen in weiter unten aufgezeigter Weise einfach und ohne weiteres mit einer Genauigkeit von mindestens 1% aus den vorgegebenen und gemessenen Größen ableitbar ist. Für eine adia­ batische Volumenänderung gilt allgemein die folgende Beziehung:

V_o=æ p_o ΔV/Δp

Die Ausströmung aus den in den meisten Tanks vorgesehenen kleinen Leckstellen ist bei einer schnell erfolgenden adiabatischen Kom­ pression von beispielsweise 1% des Behältervolumens ausreichend vernachlässigbar. Der æ-Wert kann in vielen Fällen für die ver­ schiedenen Füllstandshöhen als konstant vorausgesetzt werden. Durch einfache rechnerische Anpassung ist jedoch eine Berücksich­ tigung der gegebenenfalls mit dem Füllstand variierenden Gaszu­ sammensetzung im Behälter möglich. Eine Messung der Druckdiffe­ renz bei zwei definierten Kompressionsvolumina stellt eine alter­ native Lösung dar. Schließlich kann der Fachmann auch die Druck­ differenz bei isothermer Volumenänderung bestimmen, die unabhän­ gig vom æ-Wert ist. Vorzugsweise wird hierbei nicht eine theore­ tisch auch anwendbare isotherme Kompression ausgenutzt, sondern eine bei Temperaturausgleich erfolgende Dekompression im Anschluß an die adiabatische Kompression. Für die isotherme Volumenände­ rung gilt allgemein:

V_o=p_o ΔV/Δp

In jedem Fall bestimmt die Genauigkeit der Druckdifferenzmessung die Genauigkeit der Füllstandsbestimmung. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, die Volumenkompression im Verlauf der Füllstandsab­ nahme so anzupassen, daß die gemessene Druckdifferenz in etwa gleich bleibt. Hierzu ist es lediglich notwendig, den Drucksensor mit der Kompressionsvorrichtung zu koppeln. Alternativ kann auch stets um gleiche, in jedem Fall ausreichend große Volumina kom­ primiert werden und der Druckverlauf in Abhängigkeit der Volumen­ änderung gemessen werden.

Die Messung der Druckdifferenz des Gasdrucks im Behälter kann mittels beliebiger Drucksensoren erfolgen, die die Differenz zwischen dem Umgebungsdruck (und damit dem Behältergasdruck vor der Kompression) und dem Behälterinnendruck messen. Eine einfache Lösung besteht in der Verwendung eines Membrandruckaufnehmers. Jedoch sind jedwede andere mechanisch oder auch elektrisch arbei­ tende Druckaufnehmer geeignet. Es ist auch nicht unbedingt erfor­ derlich, daß der Druckaufnehmer imstande ist, die Druckdifferenz gegenüber dem Umgebungsdruck zu messen. Statt dessen kann auch der Behälterinnendruck vor und nach der Kompression gemessen werden. Schließlich ist es möglich, auch zwei Drucksensoren zu benutzen.

Die Kompressionsvorrichtung kann in Abhängigkeit von der Behäl­ terart und davon, ob sie abnehmbar oder fest installiert werden soll, auf unterschiedlichste Art und Weise ausgeführt werden. Soll beispielsweise bei zu recyclenden Benzintanks festgestellt werden, ob sie noch eine zu beseitigende Restmenge enthalten, so ist eine an den Tankverschluß anschraubbare Vorrichtung z. B. mit über einen Hubstab in den Tank drückbarem Faltenbalg von Vorteil. Eine Druckaufnehmermembran befindet sich in einer solchen Aus­ führung an der Unterseite des Faltenbalgs. Alternativ und auch bei fester Installation sind auch Kunststoff- und Gummiblasen verwendbar. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, schirmartig zusammenklappbare Behältnisse in die Behälteröffnung einzubrin­ gen, die dann im Innern des Behälters aufgespannt werden, wobei sie von außen unter Umgebungsdruck gesetzt werden. Auch hier ist die einfache Membranlösung möglich.

Daneben kann auch ein fester Zylinder, der beim Einschieben in eine Behälteröffnung definierte Volumina zusammendrückt, einge­ setzt werden, wobei der Drucksensor z. B. in der oberen Wandung des Behälters eingebaut wird. Schließlich kann auch beispielswei­ se ein Druckstempel im Behälter integriert werden, um die erfor­ derliche Kompression zu erzielen.

Die Volumenkompression kann allgemein mechanisch oder pneumatisch herbeigeführt werden, wobei die Volumenänderung sich bei der pneumatischen Lösung aus der eingedrückten Gasmenge ermitteln läßt.

Neben dem Einsatz in Kraftfahrzeugen aller Art, Tanklastzügen oder Rennfahrzeugen, bei denen die Kompression z. B. über einen fußbetätigten Hebel ausgelöst wird, ist das erfindungsgemäße Verfahren auch in ortsfesten Behältern, z. B. Kesselanlagen aller Art und ortsfesten Tankanlagen verwendbar und ist auch für jede Art von Schüttgutfüllungen oder auch Fest/Flüssigmischungen ge­ eignet. Auch die Ölstandsmessung an Kraftfahrzeugen, die bisher erfordert, daß das Fahrzeug möglichst wenig geneigt und längere Zeit nach Fahrtende steht, kann zu beliebigen Zeiten und mit gleicher Genauigkeit erfolgen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Prinzips und

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für eine im erfindungsgemäßen Verfahren verwendbare Kompressionsvorrichtung.

In einem abgeschlossenen Behälter 1 mit Gesamtvolumen V, Füll­ stoffvolumen V_L und entsprechend variierenden Gasvolumen V_g wird mittels eines Drucksensors 2, der in der oberen Wandung des Be­ hälters 1 installiert ist, die Druckdifferenz zwischen dem Umge­ bungsdruck und dem Behälterinnendruck gemessen. Dabei entspricht der Gasinnendruck p_g im Behälter 1 vor der Kompression infolge des bei den meisten Tankbehältern grundsätzlich z. B. über sehr feine Leckstellen herbeigeführten Druckausgleichs dem Umgebungs­ druck. Sollte dies im übrigen einmal nicht zutreffen, so ist es auch möglich, den Behälterinnendruck vor und nach der Kompression zu bestimmen, um die Druckänderung infolge der Kompression zu bestimmen.

Im Ausführungsbeispiel wird zur Volumenkompression ein fester Zylinder 3 mit dichter Führung innerhalb einer Manschette 4 in das Behälterinnere eingeschoben. Diese Kompression um ein defi­ niertes Volumen erfolgt adiabatisch. Gegebenenfalls kann auch noch zusätzlich der bei einer anschließenden isothermen Expansion auf das Ausgangsvolumen auftretende Druckdifferenzverlauf gemes­ sen werden. Die der Einfachheit halber für den isothermen Fall angegebene Gleichung zeigt die einfache Beziehung zwischen Druck- und Volumenänderung und den oben definierten Größen. (Die Be­ rücksichtigung der Größe æ im adiabatischen Fall bedingt ledig­ lich eine zusätzliche Konstante. Bei gegebenenfalls nicht mehr zu vernachlässigender Änderung der Zusammensetzung des Behältergases für unterschiedliche Füllstandshöhen kann auf die weiter oben an­ gegebenen Art und Weisen vorgegangen werden.) Legt man einen Gasdruck p_g von 1000 mbar und einen ΔV/V Wert von 1% zugrunde, so ergeben sich aus der Beziehung

p=p_g/(1-V_L/V) · ΔV/V

für verschiedene V_L/V Werte die folgenden Druckdifferenzen

Es zeigt sich, daß bei einem Außendruck von 1 bar, bei dem Ände­ rungen von 10 mbar (10 mm Wassersäule) leicht mit einer Genauig­ keit von 1% meßbar sind, bereits bei geringer Kompression eine zufriedenstellende Genauigkeit erzielbar ist.

Die Verarbeitung der Drucksensorsignale, die vorzugsweise digita­ lisiert werden, zur direkten Anzeige des Füllstandsvolumens ist einfach. Auch können die Drucksensorsignale ohne weiteres zur Steuerung des Kompressionsvolumens benutzt werden, um die Ge­ nauigkeit der Anzeige, die unabhängig von der Gasart und Tempera­ tur usw. ist, für alle Füllgrade etwa gleich zu halten.

In Fig. 2 ist eine Kompressionsvorrichtung gezeigt, die sich insbesondere zur abnehmbaren Befestigung in einer Behälteröffnung eignet. Sie umfaßt einen Faltenbalg 5, der mittels eines Hub­ stocks 6 gegen Federkraft in das Behälterinnere gedrückt wird.

Die infolge der adiabatischen Volumenkompression auftretende Druckdifferenz wird mittels eines einfachen Membransensors 7 am unteren Ende des Hubstocks 6 bzw. Faltenbalgs 5 gemessen. Nach Temperaturausgleich wird das Kompressionsvolumen wieder nach außen abgeblasen und gegebenenfalls auch während dieser isother­ men Expansion der Druckverlauf bestimmt.

Daneben sind zahlreiche andere Lösungen z. B. der weiter oben bereits erwähnten Arten möglich.

Es ist unmittelbar einleuchtend, daß an Stelle der erfindungsge­ mäß angewandten adiabatischen Kompression als äquivalente Lösung auch entsprechende Expansionen des Behältergasvolumens möglich sind. Deren technische Realisierung erscheint jedoch weniger vorteilhaft.

Claims (7)

1. Verfahren zur Messung des Füllstands eines Behälters, in dem flüssiger und/oder fester Füllstoff aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das sich über dem Füllstoff im Behälter befindliche Gas­ volumen einer Kompression um ein definiertes Volumen unterwor­ fen wird und daß die dabei auftretende Druckänderung gemessen wird, aus der das Füllstandsvolumen ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompression adiabatisch erfolgt, wobei über im Be­ hälter vorgesehene Leckstellen austretende Gasvolumina ver­ nachlässigbar sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckänderung sowohl für die adiabatische Kompression als auch für eine darauffolgende isotherme Expansion auf das nicht komprimierte Volumen gemessen wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompressionsvolumen mit variierendem Füllstand so ver­ ändert wird, daß die gemessene Druckdifferenz etwa gleich­ bleibt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz im Verlauf der Volumenänderung an mehreren Punkten oder auch kontinuierlich aufgenommen wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompression wahlweise mittels einer fest oder ab­ nehmbar am Behälter angebrachten Vorrichtung durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz durch Messen des Behälterinnendrucks gegenüber dem Umgebungsdruck erfolgt.