DE4307635C2

DE4307635C2 - Füllstandsmeßvorrichtung

Info

Publication number: DE4307635C2
Application number: DE4307635A
Authority: DE
Inventors: David Sinclair
Original assignee: Smiths Group PLC
Current assignee: ONTIC ENGINEERING & MANUFACTURING UK LTD., GB
Priority date: 1992-03-21
Filing date: 1993-03-11
Publication date: 2002-10-31
Anticipated expiration: 2013-03-12
Also published as: FR2688880B1; JPH0618314A; GB9304561D0; CA2091021A1; FR2688880A1; GB2265219A; US5309763A; DE4307635A1; JP3254034B2; GB9206202D0; GB2265219B; CA2091021C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Füllstandsmeßvorrichtung.

Ultraschallunterstützte Füllstandssensoren machen von der Tatsache Gebrauch, daß Ultraschallwellen sich in einer Flüssigkeit frei fortpflanzen können, in Luft oder einem anderen Gas jedoch schnell abgeschwächt werden. Wenn ein Ultraschallge ber derart am Boden eines Flüssigkeitsbehälters montiert ist, daß er nach oben in Richtung der Flüssigkeits-Luft-Grenzfläche abstrahlt, wird die Ultraschallenergie von dieser Grenzfläche nach unten zu dem Ultraschallgeber, welcher als Ultraschall- Sende-Empfänger ausgebildet ist, zurückreflektiert. Durch Messung der Zeit zwi schen der Aussendung und dem Empfang eines Pulses ist es möglich, den Abstand zwischen dem Ultraschallgeber und der Flüssigkeits-Luft-Grenzfläche und hierdurch die Tiefe der Flüssigkeit zu messen.

Für gewöhnlich werden Ultraschallgeber dieser Art am unteren Ende eines Rohrs angebracht, welches sich vom Boden bis zum oberen Ende des Flüssigkeitsbehälters erstreckt. Das Rohr ist unten offen, so daß der Füllstand innerhalb des Rohrs genauso hoch ist wie in dem Flüssigkeitsbehälter außerhalb des Rohrs. Die Ver wendung eines derartigen Rohrs hat verschiedene Gründe. Erstens wird hierdurch der Ultraschallgeber von anderen Sensoren oder Störungsquellen isoliert. Zweitens wird die Ultraschallwelle gebündelt, so daß sie nur auf einen bestimmten Bereich der Flüssigkeitsoberfläche unmittelbar oberhalb des Ultraschallgebers gerichtet ist. Drittens ist die Flüssigkeitsoberfläche innerhalb des Rohrs wesentlich wellenärmer als außerhalb des Rohrs.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines Rohres ist die leichte Realisierung einer Referenzhöhe durch Anbringung eines Reflektors in bestimmter Höhe innerhalb des Rohrs. In diesem Fall empfängt der Ultraschallgeber, welcher auch als Empfänger fungiert, eine Reflektion von der Flüssigkeitsoberfläche und eine von dem Referenz reflektor, wodurch die Flüssigkeitshöhe kalibrierbar ist. Hierdurch ist das Meßsy stem für verschiedene Flüssigkeiten mit verschiedenen akustischen Ausbreitungsei genschaften verwendbar. Auch Temperaturänderungen, welche die Ultraschallaus breitungsgeschwindigkeit beeinflussen, können hierdurch kompensiert werden. Ein Beispiel für einen Ultraschallsensor mit einem derartigen Rohr findet sich in der EP 0 106 677.

Bei dieser vorbekannten Anordnung wird der von dem Reflektor unterhalb des Flüssigkeitsspiegels reflektierte Puls zur Ermittlung eines Mittelwerts der Schall geschwindigkeit in der Flüssigkeit unterhalb des Reflektors verwendet. Dieser Ge schwindigkeitsmittelwert wird in Verbindung mit der Laufzeit der von der Flüssig keitsoberfläche reflektierten Pulse zur Berechnung der Flüssigkeitshöhe verwendet. Obwohl hierbei Änderungen der Schallausbreitungseigenschaften in Flüssigkeiten berücksichtigt werden, sind die Ergebnisse ungenau, wenn die Flüssigkeit eine Schichtstruktur aufweist. Bei der Anwendung in Flugzeugen hat der nach einem Flug im Tank verbleibende Treibstoff beispielsweise eine sehr geringe Temperatur. Beim Auftanken mit wärmerem Treibstoff schichtet sich dieser auf den kalten Treib stoff auf und weist stark abweichende akustische Ausbreitungseigenschaften auf. Die Ermittlung der durchschnittlichen Schallgeschwindigkeit innerhalb des Treibstoffs unterhalb des obersten eingetauchten Reflektors ergibt daher notwendigerweise kei nen genauen Meßwert für die Schallausbreitungseigenschaften des Treibstoffs ober halb des Reflektors.

Die DE 41 26 063 A1 beschreibt eine Füllstandsmeßvorrichtung für Flüssigkeiten mit einem Ultraschall-Füllstandssensor und einer Kontrolleinheit, bei der der Sensor einen Ultraschall- Sende-Empfänger aufweist, der am unteren Ende des Sensors angebracht ist und Ultraschallwellen im wesentlichen nach oben durch die Flüssigkeit abstrahlt. Weiter ist eine Vielzahl von Reflektoren vorgesehen, die übereinander entlang der Höhe des Sensors angeordnet sind, wobei jeder in die Flüssigkeit eintauchende Reflektor Ultraschallwellen zum Ultraschall-Sende-Empfänger zurückreflektiert. Die Kontrolleinheit identifiziert Reflexionen von jedem der eingetauchten Reflektoren. Bei dieser Vorrichtung werden die Impulslaufzeiten bei allen Reflektoren über einen Temperaturbereich bei unterschiedlichen Temperaturen gemessen und in einem Rechner abgespeichert. Die Temperatur der Flüssigkeit wird zwischen zwei eingetauchten Reflektoren unter Verwendung der gemessenen Zeit und der Geschwindigkeit gegenüber den gespeicherten Temperaturdaten berechnet und zur Bestimmung der mittleren Flüssigkeitstemperatur finden Messungen zwischen dem Wandler und jedem Reflektor und anschließend eine Mittelungsberechnung statt. Dann wird für jede Flüssigkeitssäule ein Temperaturkorrekturfaktor errechnet, mit dem die Impulslaufzeit bezüglich der Flüssigkeitsoberfläche korrigiert wird. Nachteilig bei der beschriebenen Vorrichtung ist daher die erhebliche Komplexität der Messung und Berechnung.

Es besteht daher die Aufgabe, eine Ultraschall-Füllstandsmeßvorrichtung so weiterzubilden, daß bei einfacher Bauweise und auch bei einer Variation der akustischen Eigenschaften innerhalb der Flüssigkeit genaue Resultate erzielbar sind.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Eine derartige Vorrichtung ist in der Lage, auch bei einer starken Schichtung der Flüssigkeit innerhalb des Tanks genaue Füllstandsmessungen zu erzielen, weil die Höhe über dem obersten eingetauchten Reflektor gemessen wird und die Schall ausbreitungseigenschaften der Flüssigkeit im Bereich unmittelbar unterhalb dieses Reflektors zugrunde gelegt werden, welche in den meisten Fällen denen im Bereich unmittelbar oberhalb des Reflektors sehr ähnlich sind.

Eine Tankfüllstandsanzeige mit einem Ultraschallsensor bei einem Flugzeug gemäß der vorliegenden Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungs beispiels unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher beschrieben.

Diese zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht der Vorrichtung;

Fig. 2 eine vergrößerte seitliche Querschnittsdarstellung des Sensors und

Fig. 3 von der Vorrichtung empfangene Signale.

Aus Fig. 1 ist erkennbar, daß der Sensor 2 vertikal im Tank 4 eines Flugzeugs ange bracht ist, welcher Treibstoff 6 enthält. Der Sensor 2 wird von zwei Klemmen 8 und 10 gehaltert, welche am oberen bzw. unteren Ende des Sensors und an der Wandung des Tanks 4 angebracht sind. Das Antriebssignal für den Sensor und sein elektrisches Ausgangssignal verlaufen über eine Leitung 12, welche vom unteren Ende des Sen sors zu einer Kontrolleinheit 13 führt, die einen Füllstandsrechner enthält, welcher das Treibstoffvolumen aus der Höheninformation von dem Sensor und aus der be kannten Tankgeometrie berechnet. Das Ausgangssignal von der Kontrolleinheit 13 wird einer Anzeige 14 oder einer anderen Einrichtung zugeführt und kann entweder als Volumen oder, falls die Dichte des Treibstoffs bekannt ist, als Masse ausgegeben werden.

Unter zusätzlicher Bezugnahme auf Fig. 2 erkennt man, daß der Sensor 2 eine röhrenförmige Anordnung 15 und eine Basisanordnung 16 umfaßt, welche sich am unteren Ende der röhrenförmigen Anordnung 15 befindet.

Die röhrenförmige Anordnung 15 ist bis zu etwa 2 m lang und hat einen Außendurch messer von etwa 25 mm. Die Anordnung besteht aus einem zylindrischen Rohr 30 aus Metall, beispielsweise aus Aluminium, mit einer Wandstärke von ungefähr 0.5 mm und einer Beschichtung 32 eines akustisch absorbierenden Kunststoffmaterials an seiner Innenseite. Dieses Kunststoffmaterial ist beispielsweise Polysulfid aus zwei Komponenten oder ein ähnliches Material. Die Dicke dieser Schicht 32 ist nicht kri tisch, typischerweise ist die Schicht etwa so dick wie die Wandung des Rohres 30, also zwischen 0.4 und 0.5 mm. Die Schicht aus akustisch absorbierendem Material kann alternativ hierzu auch an der Außenseite des Rohres angebracht sein, obwohl die hierdurch erzeugte Verbesserung nicht so groß ist wie bei einer innen angebrach ten Schicht. Die Beschichtung kann durch irgendein bekanntes Verfahren erfolgen, beispielsweise indem das Beschichtungsmaterial in flüssiger Form durch das Rohr gegossen wird. An ihrem oberen Ende ist die Anordnung 15 durch eine Metallkappe 33 verschlossen, welche mit dem Rohr 30 verschweißt ist. Im Bereich seines oberen Endes weist das Rohr 30 (nicht dargestellte) Belüftungsöffnungen auf, welche auch in die Metallkappe integriert sein können. An ihrem unteren Ende ist die Anord nung zum Treibstoff innerhalb des Tanks 4 über vier in gleichem Abstand zueinander angeordnete Schlitze 34 um das untere Ende des Rohrs 30 geöffnet. Zehn Referenz reflektoren 101 bis 110 (von welchem nur fünf dargestellt sind) sind übereinander in der röhrenförmigen Anordnung 15 angebracht. Die Reflektoren 101 bis 110 sind kurze rechteckige Stücke aus Metall oder einem anderen schallreflektierenden Mate rial, stehen horizontal über etwa ein Drittel des Rohrdurchmessers hervor und sind entlang des Rohrs gleich weit voneinander entfernt.

Die Basisanordnung 16 beinhaltet eine Innenhalterung 60 mit einer röhrenförmigen Buchse 61, welche das untere Ende des Rohres 30 umgreift, wobei diese Buchse Schlitze 62 aufweist, welche den Schlitzen 34 in dem Rohr gegenüberstehen. An ihrem oberen Ende weist die Innenhalterung 60 einen radial nach außen verlaufen den Flansch 63 auf. An einer Seite ist dieser Flansch 63 mit dem Rohr 30 durch einen Metallstreifen 64 verbunden, welcher an seinem einen Ende mit der Außenseite des Rohrs verlötet ist und an an seinem anderen Ende an dem Flansch 63 befestigt ist. Eine Befestigungsklammer 65 steht vertikal von dem Flansch 63 ab und ist an der Klemme 10 des unteren Endes des Sensors angebracht. Am unteren Ende der Basisanordnung 16 befindet sich eine Umwandlungsanordnung 66, welche eine Be festigungsplatte 67 und einen Ultraschall-Sende-Empfänger 68 umfaßt, welcher an der Unterseite dieser Platte mithilfe eines akustisch absorbierenden Kunststoffs 69 wie Polysulfid vergossen ist. Der Ultraschall-Sende-Empfänger 68 ist auf der Achse des Rohrs 30 positioniert und seine Anschlußdrähte 70 verlaufen in einen Endblock 71, wobei der Hohlraum um diese Anschlußdrähte mit einem Kunststoffmaterial aus gefüllt ist, welches geringfügig elektrisch leitfähig ist, beispielsweise Polysulfid mit einem darin dispergierten leitfähigen Pulver. Dies ergibt eine Sicherheitsstrombahn mit einem Widerstand in der Größenordnung von mehreren tausend Ohm, um einen Ladungsaufbau bei fehlerhaftem Sensor 2 zu verhindern. Die Befestigungsplatte 67 besteht aus einem Kunststoffmaterial wie Polyphenylensulfid und ihre Dicke ist so bemessen, daß der axiale Ultraschallstrahl von und zum Sende-Empfänger ohne we sentliche Dämpfung durch die Platte hindurchtreten kann. Das Kunststoffmaterial der Platte 67 wirkt wie das Vergießmaterial 69 als akustischer Isolator, welcher den Sende-Empfänger von der rohrförmigen Anordnung 15 isoliert.

Die Basisanordnung 16 wird durch eine zylindrische Außenabdeckung 72 ver vollständigt, welche die Struktur 60 und die Umwandlungsanordnung 66 einschließt. Öffnungen 73 am unteren Ende der Abdeckung 72 erlauben den Fluß von Treib stoff zur Basisanordnung 16 und damit zur röhrenförmigen Anordnung 15 hin und hiervon nach außen.

Beim Gebrauch aktiviert die Kontrolleinheit 13 den Sende-Empfänger 68 mit elek trischen Pulsen, wodurch der Sende-Empfänger im wesentlichen sinusförmige Ul traschallenergiepulse bei einer Frequenz von etwa 1 MHz und einem Pulsabstand von etwa einer Sekunde emittiert. Die Anzahl der dem Sende-Empfänger 68 zu geführten elektrischen Pulse variiert mit der Höhe des Treibstoffs in dem Tank 4.

Wenn sich in dem Tank viel Treibstoff befindet, wird dem Sende-Empfänger 68 eine größere Anzahl an Pulsen zugeführt, als wenn die Treibstoffhöhe niedrig ist. Die Zeitdauer, während der der Sende-Empfänger Ultraschallenergie überträgt, nimmt also mit der Abnahme des Füllstands ab. Weil die Fähigkeit der Kontrolleinheit 13 zur Unterscheidung reflektierter Pulse vom Hintergrundrauschen wesentlich von der Länge der vom Sende-Empfänger empfangenen Pulsfolgen abhängt, arbeitet die Kontrolleinheit 13 bei großen Tiefen, wenn also die Amplitude der empfangenen Signale vermindert ist, zuverlässiger. Bei geringeren Tiefen, wenn die vom Sende- Empfänger 68 empfangenen Signale sehr kurz nach ihrer Aussendung auftreten, besteht das Risiko, daß der Anfang der reflektierten Pulsfolge sich mit dem Ende der ausgesendeten Pulsfolge überschneidet, wodurch es schwierig oder unmöglich wird, den Beginn der reflektierten Pulsfolge genau zu bestimmen. Durch Kürzung der Pulsfolgen bei geringen Höhen wird die Trennung zwischen dem Ende der ausge sendeten Pulsfolge und dem Beginn der empfangenen Pulsfolge verbessert, wodurch auch die Fähigkeit der Vorrichtung zur genauen Identifizierung von Pulsen bei ge ringem Füllstand verbessert wird. Auch die Amplitude der übertragenen Energie kann in Abhängigkeit vom Füllstand geändert werden, so daß die übertragene Ener gie bei hohem Treibstoffspiegel erhöht und bei geringem Treibstoffspiegel erniedrigt wird. Auf ähnliche Weise kann die Verstärkung des Empfangsverstärkers in der Kon trolleinheit 13 mit der Flüssigkeitshöhe geändert werden, so daß für die schwächeren empfangenen Signale, welche von höheren Treibstoffspiegeln reflektiert werden, eine höhere Verstärkung verwendet wird.

Die Ultraschallenergie ist vertikal nach oben gerichtet entlang der Achse der röhrenförmigen Anordnung 15. Jede Ultraschallpulsfolge verläuft innerhalb der An ordnung 15 in dem Treibstoff 6 axial nach oben, bis er die Grenzfläche zur Luft oder dem Gas in dem Tank 4 oberhalb der Flüssigkeit erreicht. An diesem Punkt wird der Energiepuls nach unten reflektiert zurück zum Sende-Empfänger 68. Der Sende-Empfänger 68 empfängt auch ein Echosignal aus der Reflektion von denjeni gen Reflektoren 101 bis 110, welche untergetaucht sind. Diese Echosignale stellen Kalibrierungspulse dar, mit deren Hilfe das Echo von der Flüssigkeitsoberfläche ka libriert werden kann. Die Beschichtung 32 auf der Innenseite der Anordnung 15 reduziert sowohl den dem Rohr 30 von dem Treibstoff zugeführten Energiebetrag innerhalb des Rohrs als auch den von dem Rohr dem Treibstoff zugeführten Ener giebetrag erheblich. Dies führt zu einem wesentlich saubereren Ausgangssignal, d. h. einem Ausgangssignal mit erheblich weniger Rauschen als bei einer Metallröhrenan ordnung ohne derartige Beschichtung.

Wenn sich die Treibstoffoberfläche zwischen dem vierten Reflektor 104 und dem fünften Reflektor 105 befindet, ähneln die von dem Sende-Empfänger 68 empfange nen Signale den in Fig. 3 dargestellten. Die Signale umfassen vier relativ schwache Impulsfolgen B1 bis B4, welche von der Reflektion von den Reflektoren 101 bis 104 stammen, sowie ein Signal größerer Amplitude, welches von der Reflektion von der Treibstoffoberfläche stammt. Die Empfangszeiten der Impulsfolgen B1 bis B5 sind mit den Bezugszeichen T1 bis T5 bezeichnet. Weil die Stellung der Reflektoren 101 bis 104 bekannt ist, kann jeder der Impulsfolgen B1 bis B4 eine Reflektion aus bekannter Höhe zugeordnet werden. Die Kontrolleinheit 13 berechnet die Höhe h des Treibstoffs über dem höchsten der eingetauchten Reflektoren 104 aus den vom Sende-Empfänger 68 empfangenen Signalen von den beiden höchsten eingetauch ten Reflektoren 103 und 104. Diese reflektierten Signale sind sofort identifizierbar, weil sie das vorletzte bzw. das drittletzte Signal in jeder Serie empfangener Sig nale sind. Nachdem die Signale von den beiden höchsten Reflektoren identifiziert wurden, können die Signale der anderen Reflektoren ignoriert werden. Genauer ausgedrückt berechnet die Kontrolleinheit 13 das Verhältnis des Zeitabstands zwi schen dem Empfang der Signale von der Treibstoffoberfläche und dem obersten eingetauchten Reflektor 104 und der Zeitdifferenz zwischen den Signalen von dem obersten Reflektor 104 und dem zweitobersten Reflektor 103, wobei:

Hierbei ist s der Abstand zwischen den Reflektoren 103 und 104. Eine Umstellung von Gleichung (1) ergibt:

Die Gesamthöhe des Treibstoffs wird dann berechnet, indem h zu der bekannten Höhe des obersten eingetauchten Reflektors 104 addiert wird.

Alternativ hierzu kann die Zeitdifferenz zwischen dem Empfang der Echos von der Treibstoffoberfläche und vom unteren der beiden obersten eingetauchten Reflektoren 103 gemessen werden, was zu folgendem Ausdruck führt:

Dies kann wie folgt vereinfacht werden:

Es ist ersichtlich, daß diese Methode die Treibstoffhöhe oberhalb des obersten Re flektors berechnet, wobei sie Informationen über die Schallausbreitungseigenschaften im Bereich des Treibstoffs unmittelbar unterhalb dieses Reflektors verwendet. Falls eine beträchtliche Schichtenbildung innerhalb des Treibstoffs vorliegt, führt dies zu einem genaueren Ergebnis der Treibstoffhöhe als bei vorbekannten Methoden, bei welchen die Mittelwerte der Ausbreitungseigenschaften des Treibstoffs über dessen gesamte Höhe verwendet werden.

Wenn die Treibstoffoberfläche unterhalb des zweituntersten Reflektors (102) liegt, kann diese Methode nicht verwendet werden, jedoch stellt in solchen Fällen die Schichtenbildung innerhalb des Treibstoffs auch kein Problem dar.

Obwohl das Rohr für den vorliegenden Sensor von Vorteil ist, kann die Erfindung auch bei Sensoren angewendet werden, bei welchen die Reflektoren an einer Stange innerhalb des Tanks oder an dessen Wandung angebracht sind.

Claims

1. Füllstandsmeßvorrichtung für Flüssigkeiten mit einem Ultraschall- Füllstandssensor und einer Kontrolleinheit (13), wobei der Sensor einen Ultraschall-Sende-Empfänger (68) umfaßt, welcher am unteren Ende des Sensors angebracht ist und Ultraschallwellen im wesentlichen nach oben durch die Flüssigkeit abstrahlt und einer Vielzahl von Reflektoren (101 bis 105), welche übereinander entlang der Höhe des Sensors angebracht sind, wobei jeder in die Flüssigkeit eintauchende Reflektor Ultraschallwellen zum Sende-Empfänger (68) zurückreflektiert, wobei die Kontrolleinheit (13) Reflexionen von den beiden obersten eingetauchten Reflektoren (103 und 104) identifiziert und die Höhe der Flüssigkeit (6) über dem obersten der eingetauchten Reflektoren (104) aus den Ankunftsszeiten der von der Flüssigkeitsoberfläche und den beiden obersten eingetauchten Reflektoren (103 und 104) reflektierten Pulsen berechnet und wobei die Kontrolleinheit (13) bei hohem Füllstand eine größere Verstärkung aufweist als bei geringem Füllstand.

2. Füllstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrolleinheit (13) die Höhe der Flüssigkeit (6) aus dem Verhältnis der Differenz zwischen den Ankunftszeiten der von den beiden obersten eingetauchten Reflektoren (103 und 104) reflektierte Pulse und der Differenz zwischen den Ankuftszeiten der von der Flüssigkeitsoberfläche und einem der beiden obersten eingetauchten Reflektoren (103 oder 104) reflektierten Pulse berechnet.

3. Füllstandsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (2) ein Rohr (30) umfaßt, welches sich oberhalb des Sende-Empfängers (68) nach oben erstreckt, wobei der Füllstand in dem Rohr (30) identisch mit dem Füllstand außerhalb des Rohrs (30) ist und die Reflektoren (101 bis 105) Bauteile sind, welche durch die Wandung des Rohrs (30) hindurchgehen.

4. Füllstandsmeßvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sende-Empfänger (68) zur Erzeugung von Ultraschall- Impulsfolgen aktiviert wird, welche bei hohem Füllstand länger sind als bei niedrigem Füllstand.

5. Füllstandsmeßvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sende-Empfänger Ultraschallwellen erzeugt, deren Amplitude bei hohem Füllstand größer ist als bei geringem Füllstand.