DE4140113A1

DE4140113A1 - Beruehrungslose fuellstandsmessung mit ultraschall in gasflaschen mit fluessigem gas

Info

Publication number: DE4140113A1
Application number: DE19914140113
Authority: DE
Inventors: Thomas O-4030 Halle De Blume; Niels Stroeby Dk Johansen; Eckart 4542 Tecklenburg De Kinderling
Original assignee: Innotech Microelectronic 4445 Neuenkirchen De GmbH
Current assignee: INNOTECH MICROELECTRONIC GMBH, 48599 GRONAU, DE
Priority date: 1991-12-05
Filing date: 1991-12-05
Publication date: 1993-06-09

Description

In Großgärtnereien werden in den Gewächshäusern die Pflanzen zum besseren Wuchs abhängig von der Sonneneinstrahlung zu sätzlich mit CO₂ begast. Dieses Gas wird von den Gasherstel lern entweder in Kryo-Tanks bei ca. -190°C oder vorzugs weise in Batterien der bekannten Stahlflaschen, so wie sie auch beim autogenen Schweißen verwendet werden, angeliefert.

Wegen der sonnenscheinabhängigen Begasung ist es nicht genau vorhersehbar, wann diese Stahlflaschen leer sind. Anderer seits soll zum einen die Gasfüllung aus Kostengründen genau ausgenutzt werden und dabei aber nicht die Begasung gerade in Zeiten höchster Wachstumsmöglichkeit wegen leerer Stahlfla schen aussetzen. Des weiteren soll eine automatische "just in-time"-Bestellweise für die Ersatzflaschenbatterien ermög licht werden, damit möglichst wenige Flaschen auf Vorrat ge halten werden müssen.

Die Anwendung der Füllstandsmessung ist jedoch keinesfalls nur auf Gärtnereien mit der CO₂-Messung beschränkt, sondern war lediglich Ausgangspunkt der Überlegungen. Vielmehr gibt es eine große Anzahl von Anwendungen in der Industrie und im Handwerk, wo inmer Gase in Flaschen eingesetzt werden, wobei lediglich eine gasspezifische Eichung erfolgen muß, insbeson dere auch in der Medizin, wenn Sauerstoff für die künstliche Beatmung notwendig ist.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit anzugeben, mit der der Spiegel des flüssigen Gases in der Flasche gemessen und damit die Füllhöhe angegeben werden kann, ohne nennenswerte Anderungen an den Gasflaschen vorneh men zu müssen.

Es ist Stand der Technik, den Inhalt der Flaschen entweder durch Wiegen oder durch Beobachten des Gasdruckes festzustel len. Ersteres ist umständlich, zumal der Tara-Anteil bei der Verwiegung sehr hoch ist. Letzteres ist auch nicht praktika bel, da der Druckabfall erst im letzten Moment stattfindet, wenn die Flasche bereits leer ist, also zu spät, um z. B. die rechtzeitige Nachlieferung zu veranlassen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß von ei ner der Flaschen einer Batterie vor dem Füllen das Ventil abgeschraubt wird und ein Adapter dazwischen gesetzt wird, an dem wiederum das Ventil sich seitlich befindet, von dem aus alle Flaschen durch entsprechende Rohrleitungen miteinander verbunden sind (s. Abb. 1).

Durch diesen Druckausgleich genügt es dabei, daß die Füllhöhe in nur einer Stahlflasche gemessen wird, da eine feste physikalische Beziehung zwischen dem Druck und der ver dampfenden Flüssiggasmenge besteht.

In diesem druckfertigen Adapter oben auf der Stahlflasche befindet sich ein Ultraschallschwinger, der nach dem Prinzip der Ultraschall-Echolote Schallimpulse abgibt, dessen Echo von dem gleichen Schwinger wieder aufgenommen und von einer nachfolgendenden Elektronik in an sich bekannter Weise ausge wertet wird.

Zusätzlich wird in diesem Adapter ein Temperaturfühler, z. B. in Form eines Platinmeßwiderstandes oder anders geeigneter Weise eingebaut, der dazu dient, die Temperatur des Gases in der Flasche zu messen. Damit kann bei der Auswertung des Im pulsechos die Laufzeit der Schallwellen in Abhängigkeit von der Temperatur berücksichtigt werden.

Ein weiterer Temperaturfühler wird außen am Stahlmantel befe stigt. Diese Temperaturmessung dient dazu festzustellen, wann die Außenhäute der Flaschen beginnen bei zu hoher Verdunstung infolge der Abkühlung durch Verdunsten zu vereisen. Hier muß eine nachfolgende Regelung verhindern, daß zuviel Gas ver dampft, indem sie ein motorisch betriebenes Stellventil steu ert.

Die Abb. 1 zeigt schematisch eine der hier erwähnten Gasfla schenbatterien mit einem Tragegerüst 1 und in diesem Fall vier Gasflaschen 2, auf denen jeweils ein Ventil 3 mit einem Handrad 4 sich befindet, um jede Flasche einzeln verschließen zu können. Diese in diesem Beispiel vier Ventile (es können auch mehr oder weniger sein) sind jeweils mit einem Rohrsy stem 5 miteinander verbunden, so daß in allen Flaschen der Batterie gleicher Druck und damit Füllstand herrscht, wenn alle Ventile geoffnet sind. Zwischen der Rohrleitung 7, die zum Verbraucher führt, kann sich ein weiteres Ventil 6 befin den, mit dem die Entnahme eingestellt werden kann. Es ist sinnvoll, dieses Ventil als Motor-Stellventil auszuführen, da damit die im vorhergehenden Absatz (Z 6) erwähnte Regelung gegen Vereisung des Außenmantels und ggf. gleichzeitig die Verbrauchsregelung eingreifen kann.

Die Abb. 2 zeigt den Prinzip-Querschnitt einer Stahlflasche 2 mit einem darin angedeuteten Flüssigkeitspegel 17. Statt des Ventils 3, wie in Abb. 1, befindet sich, ebenfalls im Quer schnitt gezeigt, ein Meßadapter 8, an dem sich nun seitlich eingeschraubt das Ventil 3 mit dem Handrad 4 befindet. Das Verbindungsrohr 5 zu den anderen Gasflaschen befindet sich dabei annähernd in gleicher Höhe wie in Abb. 1 ohne diesen Meßadapter. Somit ist es leicht möglich, diesen Meßadapter nachträglich dazwischenzubauen, da das Anschlußrohr lediglich etwas zur Seite gebogen werden muß. Der Meßadapter besteht im wesentlichen aus dem druckfesten Gehäuse 8, das unten zur Gasflasche 2 eine Öffnung 18 hat, durch die das Gas nach oben ausströmen kann und gleichzeitig die Ultraschallwellen gesen det werden, die vom Piezoschwinger 9 (oder ggf. anderem ge eigneten Ultraschall-Schwinger) über einen akustischen Kon zentrator 10 (Linse oder Kegel) gegenüber der Öffnung 18 aus gehen. Dabei hat der Konzentrator 10 die Aufgabe, die Schall wellen in an sich bekannter Weise so zu bündeln, daß sie durch die relativ schmale Öffnung 18 hindurchgesendet werden, ohne daß sie vorher an den Wandungen des Adapters teilweise reflektiert werden und damit das reflektierte Signal von der Flüssiggas-Oberfläche verschwommen wird und zumindest bei ho hen Füllständen nicht mehr identifiziert werden kann.

Neben dem Ultraschallschwinger 9 mit dem Konzentrator 10 befindet sich ein Temperaturfühler 11 an einer beliebigen ge eigneten Stelle im Meßadaptergehäuse 8, jedoch so, daß er nicht die Ultraschallausbreitung, noch den Gasaustritt durch das Ventil 3 behindert, z. B. also an der eingezeichneten Stelle neben dem Ultrasschallschwinger. Der Temperaturfühler kann aus einem beliebigen der bekannten elektrischen Tempera turfühler bestehen, die zur Messung der Umgebungstemperaturen geeignet sind, wie temperaturabhängige Widerstände, einige Thermoelemente usw. Wichtig ist dabei lediglich, daß sie den im Innern des Meßadapters 8 herrschenden Gasdruck aushalten und nicht von ihm zerstört werden können, sowie, daß sie che misch resistent gegen das zu messende Gas sind. Wegen des ho hen Druckes im Innern sind Schwachpunkte im Gehäuse unbedingt zu vermeiden. Daher sind Kabeldurchführungen zum Anschluß der elektrischen Komponenten nicht möglich. Es sind deshalb 1 Leiter des Ultraschallschwingers und des Temperaturfühlers mit dem Gehäuse intern verbunden, die beiden anderen An schlüsse werden durch eingeschmolzene konisch zulaufende Glasdurchführungen 23 geleitet, die nicht herausgedrückt wer den können.

Oberhalb dieses Meßadapters 8 befindet sich ein Anschlußge häuse 12, für die Aufnahme eines Steckers 13, der mit einem Gegenstecker 20 verbunden wird, der den Anschluß zu einer nicht mehr gezeigten Elektronik herstellt.

Da der Meßadapter 8 fest mit der Gasflasche 2 durch das Ge winde 21 verbunden ist, muß der Meßadapter immer an der Flaschenbatterie an dieser einen Flasche verbleiben, wenn die Batterie zwischen Gashersteller und Verbraucher zwecks Befül lung hin und her transportiert wird, während die Meßelektro nik beim Kunden verbleibt und an die Ersatzbatterie ange schlossen wird. Der Außentemperaturfühler 14, der das Herun terregeln der Entnahmemenge bewirken soll, wenn durch zu hohe Verdunstung in der Flasche eine Vereisung von außen droht, ist deshalb auch abnehmbar konstruiert, dadurch, daß das Zu führungskabel 16 und der Temperaturfühler 14 in ein flexibe les Magnetband 15 integriert sind. Damit haften Kabel und Fühler ohne weitere Hilfsmittel leicht auf den Stahlflaschen und sind jederzeit ohne Werkzeug zu entfernen.

Alternativ kann der Temperaturfühler 14 auch durch einen Füh ler 22 am Adaptergehäuse 8 in der Nähe des Ventils 3 ange bracht sein. Der Anschluß erfolgt dann direkt im Anschluß kasten 12 mit dem Stecker 13 oder auch in einer kleinen Ta sche 26 unter der Oberfläche des Adaptergehäuses 8 in der Nähe des Ventils 3 (Abb. 5).

Die Abb. 3 und 4 zeigen eine weitere vorteilhafte Ausgestal tung der Erfindung:

Der Ultraschallschwinger 9 befindet sich dabei direkt in der Öffnung 18 des Adapters 8 zur Stahlflasche. Das hat den Vor teil, daß die Ultraschallwellen nicht mehr so scharf gebün delt werden müssen, sondern der Schwinger lediglich in be kannter Weise so gestaltet sein muß, daß die Wellen einiger maßen parallel austreten. Damit werden Mehrfachreflektionen weitgehend vermieden und das Elektrosignal wird leichter aus wertbar. Nachteilig an dieser Ausführung ist jedoch, daß die enge Öffnung am Flaschenhals weiter eingeengt wird und minde stens den Füllvorgang mit Flüssiggas verlangsamt.

Die Abb. 3 zeigt eine mögliche Ausführung bei der der Schwin ger 9 an einem Stab 24 befestigt ist, der von oben vom Adapterdeckel herunterreicht. Für die Erfindung unerheblich ist dabei, wie dieser Stab im einzelnen ausgeführt und befe stigt ist. In der Abb. 3 ist er als feste Verbindung mit dem Gehäuse gezeichnet.

Bei dieser Ausführung hat man den Vorteil, daß der zusätzli che Strömungswiderstand minimiert ist.

Die Abb. 4 zeigt die prinzipiell zweite Lösungsmöglichkeit der Befestigung des Schwingers 9 mit einer Lochplatte 24 im Innern des Adapters 8 vor der Öffnung 18 zur Gasflasche. Da bei kann die Platte 24 wiederum fest in dem Adaptergehäuse 8 integriert sein, wie in Abb. 4, oder als separates Teil dar auf montiert sein.

Vorteil dieser Ausführung ist, daß die Position des Ventils 3 wieder in gewohnter Weise oben auf dem Adapter sein kann, falls die äußeren Bedingungen dieses erfordern. Ebenso kann sich der Temperaturfühler 11 auch an einer beliebigen anderen geeigneten Stelle im Gehäuse befinden. Beides, wie auch an dere mechanische Variationen, hat keinen Einfluß auf den er finderischen Grundgedanken, eine Füllstandmessung in Flüssig gasflaschen mit Hilfe eines Meßadapters durchzuführen, in dem eine Abstandmeßeinrichtung, vorzugsweise für Ultraschall, un tergebracht ist.

Claims

1. Meßadapter zur Messung der Flüssiggashöhe in einer Gasflasche oder Flaschenbatterie, dadurch gekennzeich net, daß dieser Adapter auf eine Gasflasche statt des Absperrventils geschraubt wird.

2. Meßadapter zur Messung der Füllstandshöhe nach Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, daß das notwendige Absperr ventil nunmehr seitlich in den Adapter geschraubt wird (Abb. 2).

3. Meßadapter zur Messung der Füllstandshöhe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrventil mit in das Gehäuse des Meßadapters integriert wird.

4. Meßadapter zur Messung der Füllstandshöhe in einer Gasflasche oder Flaschenbatterie nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Füllstandshöhe das an sich bekannte Ultraschall-Impuls- Echo-Verfahren angewendet wird.

5. Meßadapter zur Ermittlung der Füllstandshöhe in einer Gasflasche nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß verwendet wird (akustische Linse oder Prisma), damit der Schall ohne vorherige Verluste an den Wanduungen des Meßadapters durch die Veschraubung 18 in die Gasflasche geleitet wird.

6. Meßadapter nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeich net, daß der Ultraschallwandler vorzugsweise in an sich bekannter Weise als Piezoschwinger ausgeführt ist.

7. Meßadapter nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeich net, daß neben dem Ultraschallwandler ein Temperaturfüh ler in dem Adaptergehäuse untergebracht ist, um die Temperaturabhängigkeit der Schallausbreitung bei der Meßauswertung berücksichtigen zu können.

8. Meßadapter zur Ermittlung der Füllstandshöhe in einer Gasflasche nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Meßfühler ein an sich bekannter Fühler wie Meßwi derstände, Thermoelement, Halbleiter usw. sein kann.

9. Meßadapter nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeich net, daß zur Vermeidung von unnötigen Kabeldurchführun gen wegen des hohen Druckes im Gefäßinnern sowohl Tempe raturfühler wie auch Piezoschwinger einseitig elektrisch mit dem Gehäuse verbunden ist und der 2. Pol außen am Gehäsue abgegriffen wird..

10. Meßadapter zur Ermittlung der Füllstandshöhe, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußgehäuse 12 nur dem Anschluß des Ultraschsallschwingers und des Temperaturfühlers mit Stecker 13 dient.

11. Meßadapter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußgehäuse 12 auch Teile der Ansteuer- und Auswerteelektronik enthält, vorzugsweise die An steuerendstufe und die Vorverstärkerstufen für die Ul traschallauswertung.

12. Meßadapter nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeich net, daß die komplette Ansteuer- und Auswerteelektronik in dem Gehäuse 12 untergebracht ist.

13. Meßadapter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallschwinger alternativ zu Abb. 2 nicht nur oben unter dem Gehäusedeckel des Meßadapters sich befinden kann, sondern alternativ unten in der Öffnung des Adapters.

14. Meßadapter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallschwinger an einem stabförmigen Ansatz 23 vom Gehäusedeckel herunter befestigt ist, damit das Gas seitlich daran vorbeiströmen kann (Abb. 3).

15. Meßadapter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallschwinger unten an einer Art Lochscheibe 24 befestigt ist, die einerseits den Sender trägt, ande rerseits das Gas ausreichend ungestört durch die Löcher zum Ventil hinduchtreten läßt.

16. Meßadapter nach Anspruch 13 bis 15, dadurch gekennzeich net, daß das Ventil auch in gewohnter Weise oben auf dem Adapter sich befinden kann, wenn der Schwinger in die Öffnung verlagert ist (Abb. 4).

17. Meßadapter nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallschwinger mit einem nach unten offenem Schutzrohr gegen Belastung durch ein strömen des Flüssiggases beim Befüllen der Flaschen versehen ist 18. Meßadapter nach Anspruch 1 bis 1, dadurch gekennzeich net, daß der Temperaturfühler mit einem nach mindestens einer Seite offenen Schutzrohr gegen Belastung durch einströmendes Flüssiggas beim Befüllen der Flaschen vor gesehen ist.

19. Meßadapter nach Anspruch 17 und 18, dadurch ge kennezeichnet, daß für den Temperaturfühler und den Ul traschallschwinger eine gemeinsame Schutzvorrichtung verwendet wird.

20. Meßwertadapter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätlicher Temperaturfühler 19 oder 22 außen an die Anordnung angebracht ist, um eine Vereisung an den Außenwandungen zu erkennen.

21. Meßwertadapter nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Außentemperaturfühler 14 oder 22 in die Regelung der Gasaustrittsmenge , z. B. Ventil 6 der Ab.. 1, ein greift und diese damit soweit drosselt, daß eine Verei sung gerade verhindert wird.

22. Meßwertadapter nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Außentemperaturfühler 14 an den Stahlwandungen der Gasflasche 2 oder anderen geeigneten Stahlteilen (z. B. Ventil 3 oder Rohrleitungen 5) mittels Magnet oder flexiblen Magnetband 15 mitsamt dem Verbindungskabel 16 befestigt wird.

23. Meßwertadapter nach Anspruch 20 und 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Außentemperaturfühler 22 auch auf der Oberfläche des Adapters direkt am Ventil mon tiert sein kann.

24. Meßwertadapter nach Anspruch 20 und 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Außentemperaturfühler 22 auch in einer kleinen Tasche 25 des Adaptergehäuses 8 direk hinter der Oberfläche sich befinden kann (Abb. 5).