DE8218303U1 - Vorrichtung zum messen und anzeigen des fluidpegels in einem behaelter - Google Patents

Description

Fluidgegel£ in einem Behälter

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen und Anzeigen des Fluidpegels in einem Behälter, mit einer Auswerte- und Anzeigeeinheit.

Der Flüssigkeitspegel in undurchsichtigen Behältern wurde bisher durch Standrohre (z.B. bei Kesseln) oder mittels Schwimmern (z.B. in Öl oder Brennstofttankfi) angezeigt. , Bei anderen Behältern oder Gefäßen, wie z.B. Rohren

oder Flaschen für Niederdruckgase für Haushaltszwecke oder dgl., werden Pegelanzeigegeräte überhaupt nicht verwendet. Um den Füllungsgrad festzustellen, muß der Behälter mit Füllung gewogen werden. Dies ist zweifellos sine umständliche und komplizierte MsSr.chmc _} bs— sonders dann, wenn der Behälter groß und schwer ist.

²^ Die vorliegende Erfindung bietet eine Lösung für das genannte Problem, ohne daß der Behälter bewegt werden muß. Die Erfindung ist gekennzeichnet, durch eine mechanisch arbeitende Vorrichtung oder einen mit dem Behälter verbundenen mechanisch arbeitenden Impulsgeber

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und durch einen im Abstand davon angeordneten Impulsfühler, der die durch den Impulsgeber hervorgerufenen Schwingungen der Behälterwand, deren Ausbreitungsgeschwindigkeit vom Pegelstand im Behälter abhängt,

empfängt.
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Die Erfindung wird nachstehend unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen im einzelnen beschrieben, wobei die Vorrichtung an einem Niederdruckgas-Behälter angeordnet ist.

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Es zeigen:

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Fig. 1 eine schematische Vorderansicht eines Niederdruck-Gasbehälters für Haushaltszwecke, der mit einer ortsfesten Vorrichtung nach der Erfindung, teilweise als Blockdiagramm dargestellt, ausgerüstet ist;

Fig. 2 eine Ansicht der Vorrichtung als getrenntes Handgerät in Pistolenform, teilweise im Schnitt;

Fig. 3a,b typische Verläufe dea Ausgangssignals des Impulsfühlers bei vollem bzw. leerem Behälter;

Fig. 4 ein Blockdiagramm für die elektrische Schalet tung mit Digitalanzeige, für lediglich die

Frequenz der Behälterwand;

Fig. 5 ein entsprechendes Blockdiagramm für eine Kombination der Frequenz der Behälterwand

und ihrer Schwingungsamplitude; Fig. 6 ein entsprechendes Bloekdiagrannn für die

Schwingungszeiten der Wandschwingungen und Fig. 7 ein Blockdiagramm für eine Anordnung mit Analoganzeige.

Der ND-Gasbehälter in Fig. 1 ruht auf einem fundament 2, das in Strichlinien angedeutet ist. Im Fundament 2 ist eine stationäre Schwingungsvorrichtung 3 mit einem O 25 Schlagbolzen 4 und an der Seite der Vorrichtung ist ein Impülsfühler 5 angeordnet. Der Impulsfühler enthält einen piezoelektrischen Kristall 6, der in vertikaler Richtung beweglich ist und am oberen Ende eine Gewichtsmasse 7 trägt, die von einer nach oben gerichteten

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Kraft beaufschlagt wird, die hier von einer Druckfeder gebildet wird. Der Impulsgeber und der Impulsfühler sind im Fundament 2 so angeordnet, daß die beaufschlagte Bodenwand la des Behälters 1 innerhalb der Schwingungslänge (Hub) der Vorrichtung liegt und die Feder 8 zusammendrückt, so daß ein sicherer inniger Kontakt mit dem Kristall 6 erreicht .rird.

Das Ausgangssignal des Impulsfühlers 5 wird einer

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Auswerteeinheit 9 und von diesel einer Anzeige Io . zugeführt.

Die Vorrichtung arbeitet wie folgt: Der unter Vorspannung befindliche Schlagbolzen 4 des Impulsgebers 3 wird ζ * B * durch Betätigung eines Knopfes (nicht gezeigt) freigegeben, wodurch die Vorspannung ausgelöst wird, die auf den Bolzen 4 ein" wirkt - und die möglicherweise erst beim Beginn des Druckes auf den Knopf erzeugt wird - wodurch dem

Behälterboden ein kräftiger Schlag erteilt wird. Dadurch ( ) wird die ganze Behälterwand 1 in abklingende Schwingungen

versetzt. Der ND-Gasinhalt im Behälter 1 übt eine dämpfende Wirkung auf diese Schwingung aus, die mit abnehmende.: Füllung geringer wird. Dies führt zu erhöhter Schwingungsfrequenz bei verringerter Amplitude. •S^!
I:

\ Die Wandschwingungen (des Bodens) werden durch den

piezo—elektrischen Impulsfühler 5 in Form eich entsprechend verändernder elektrischer Spannungen der Auswerteeinheit 9 zugeleitet, die das Signal aufbereitet und ein Signal an die Anzeige Io abgibt, das der

Frequenz (der Amplitude) und damit dem Füllungsgrad -. des Behälters 1 entspricht. Die Anzeige Io zeigt dann

25 d_en Füllungspegel dies ND-Gases, z.B. durch eine Zeigerauslenkung (analog) oder in Digitalziffern (wie in der Fig. 1) an. Die mechanisch freigebbare Vorspannung des Schlagbolzens 4 kann durch ein elektro-dynamisches Einschalten oder durch einen starken Spannungsimpuls auf einen feststehenden piezoelektrischen Kristall, der den Schlagbolzen 4 trägt, oder durch eine Spule um einen magnetostriktiven Stab erzeugt werden, dessen

ι Ende invder Nähe des Behälterbodens liegt oder diesen

berührt.

Der Impulswandler 5 (Fig. 1) kann durch ein Mikrofon

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ersetzt sein, das mit Abstand vom Behälterboden angeordnet ist. Das Mikrofon nimmt dann die akustischen Wellen des Behälters 1 auf und führt der Auswerteeinheit 9 ein dem Ausgangssignal des piezoelektrischen Kristalls analoges Signal zu.

Das Mikrofon ist als Alternative in der Ausführung nach Fig. 2 gezeigt, wo die Feststellung genutzt wird, daB die Art des Ausgangssignals des Impulsfühlers im wesentlichen von der Anordnung des Impulsgebers und des Impulsfühlers am Behälter unabhängig ist.

Die Pistolenform mit dem Bezugszeichen 11 und dem Handgriff lla (Fig. 2) kann daher an jeder beliebigen Stelle an der Behälterwand angesetzt werden. Der Pistolenlauf weist einen ersten Kanal 12 auf, um Schall (die akustischen Schwingungen) dem Mikrofon 13 zuzuführen. In einem zweiten Kanal 14 wird der Schlagbolzen 4 vorgeschoben, der im Falle einer Heftpistole durch einen Hahn 15 betätigt wird.

Wie im vorerwähnten Fall wird das Ausgangssignal des Impulsfühlers (Mikrofon 13) der Auswerteeinheit 9 zugeführt, die im Handgriff lla angeordnet ist und deren ν 25 Ausgang mit der Anzeige Io verbunden ist. Die Anzeige Io besteht bei dieser Ausführung aus einer Anzeigeleiste mit mehren Glühlampen loa, die nacheinander gelöscht werden und schrittweise den fallenden Pegel im Behälter 1 anzeigen. In Fig. 1 und 2 wird gezeigt, daß noch etwa 2oZ der Füllung vorhanden sind.

Fig. 3a zeigt die typische Form eines Ausgangssignals des Impulsfühlers bei gefülltem Behälter und Fig. 3b bei geleertem Behälter einer Ausführung der Erfindung nach Fig. 1. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß diese Kurven auch für die Ausführung nach Fig. 2 gelten.

Da gewisse unbeabsichtigte vorübergehende Störungen im Augenblick der Auslösung des Schlagbolzens 4 auftreten können, wird vorzugsweise einsZeitverzögerungseinrichtung eingeschaltet, bevor das Ausgangssignal in der Auswerteeinheit ermittelt wird. Diese Ermittlung kann in unterschiedlicher, dem Fachman geläufiger Weise durchgeführt werden. Normalerweise werden die Spitzen der Oberschwingungen zunächst durch ein Tiefpaßfilter absorbiert, so daß sich die abfallende Sinusfcurve, die durch die strichpunktierte Linie angedeutet ist, ergibt. Die Figuren zeigen eindeutig, daß die Frequenz bei der Kurve gemäß Fig. 3b (leerer Behälter) wesentlich höher ist als bei der Kurve gemäß Fig. 3a (voller Behälter). Außerdem fällt die Kurve gemäß Fig. 3a, infolge der größeren Dämpf ung.. schneller ab als die Kurve gemäß Fig. 3b.

Die einfachste Anzeige wird erreicht, wenn das gedämpfte Ausgangssignal des Impulsfühlers einem Frequenziaeßgerät zugeführt würde, das direkt in Pegelständen zwischen vollem und lerren Behälter geeicht ist. Alternativ kann das Ausgangssignal gleichgerichtet und über einen bestimmten Abschnitt integriert und mit einer Bezugsgröße für den gleichen Zeitabschnitt verglichen werden.

Um die Messung und Anzeige für verschiedene Behältertypen zu ermöglichen, kann eiu programmierbarer Mikrorechner vorgesehen werden, um die verschiedenen Behälter-Typen vorzuprogrammieren und um Unterschiede in den Wandstärken zu berücksichtigen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zur Messung des Pegels aller Fluide sowohl von Flüssigkeiten als auch von Gasen, benutzt werden. Eine Fernüberwachung der Vorrichtungen nach Fig. 1 verursacht keinerlei Schwierigkeiten.

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1 Verschiedene Kombinationen und Abänderungen der beschriebenen Vorrichtungen sind vorstellbar. Grundsätzlich sollten der Impulsgeber 3 und der Impulsfühler 5, 13 vom gleichen piezoelektrischen Element gebildet werden, 5 das zunächst die Schwingungen der Behälterwand durch eine Spannungsspitze verursacht und anschließend als Meßwandler wirkt. Der Impulsgeber kann so ausgebildet 1 werden, daß er statt eines einzelnen Impulses' eine Serie

? von Impulsen entweder in Intervallen, die die größte

10 erwartete Abklingzeit überschreiten (wiederholte Anzeige ; über längere Dauer, die Anzeigeeinrichtung weist kein

j , "Gedächtnis" auf) oder in Intervallen die unterhalb

I der Abklingzeit liegen aussendet, d.h. der Impulsgeber

\ arbeitet als Vibrator. In diesem letzteren Fall muß

f 15 die Auswerteeinrichtung so ausgebildet sein, daß sie I zwischen einander überlappenden Schwingungen unterschei-

S den kann,, di*; vom zusammengesetzten Ausgangssignal des

f Impulsfühlers angeboten werden. Dieser Fall kan dann

eintreten, wenn z.B. der Behälter 1 in Fig. 1 auf ein , 20 schwingfähiges Fundament 2 gestellt wird, das den \ Impulsgeber 3 ersetzt.

\ Dies eröffnet die Möglichkeit, die Erfindung auch zur

; Pegelmessung bei Kraftstoff- oder Öltanks in Kraftfahr-

• zeugen zu nutzen, bei denen das Starten der Antriebs-

I ' ' ^5 maschine den Tank zum Vibrieren bringt.

j Wenn es auch für den Fachmann nicht schwierig ist,

die notwendigen elektronischen Schaltungen für die

\ Auswertung aufgrund der obigen Anweisungen zu ent-

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; werfen, so werden doch zur Vervollständigung nachfolgend

[ vier verschiedene Lösungen unter Bezugnahme auf die

j Fig. 4 bis 7 beschrieben.

Die Fig. 4 zeigt den einfachsten FaIl₄ mit einer verhältnismäßig groben Anzeige des Füllungsgrades, nämlich eine Füllung zu loo%, 5oZ, 2o% und !o%. Das Ausgangssignal des Impulsfühlers G bei einem Stoß gegen den Behälter wird in einem Vorverstärker F verstärkt, um das

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ä 1 Signal an eine PLL-Schaltung (Phasenregelkreisschleife) anzupassen, die zu den einstellbaren Frequenzbändern parallel geschaltet ist, die verschiedenen Füllungs- > graden entsprechen. Diese PLL-Schaltung sendet Ausgangs-

signale zu betreffenden UND-Gliedern Gl und ODER-Gliedern ■' G2 aus, wenn die ankommende Frequenz innerhalb seines

•A eingestellten Frequenzbandes liegt. Um die größte

"', Genauigkeit (Io%) zu erreichen, überlappen die Fre-

quenzbänder zweier PLL-Schaltungen einander und beide PLL-Schaltungen müssen ein Signal abgeben, um v!<en

Pegelstand anzugeben. Durch die ODER-Glieder G2 wird die Anzeige an einer Digitalanzeige D veranlaßt.

Falls größere Genauigkeit gewünscht wird oder erforderlich ist, insbesondere bei einem nahezu leeren Behälter (wofür

eine Frequenzänderung nicht mehr mit Sicherheit über^r wacht werden kann) kann ein Anschließen nach Fig. 5

für den kritischen Restbereich (weniger als loZ) verwendet werden, wobei der Umstand genutzt wird, daß sich die Schwingungsamplitude des Behälters ebenfalls mit dem Füllungsgrad ändert. (Fig. 3).

In der Schaltung nach Fig. 5 bildet in diesem Fall die PLL-Schaltung einen Schalldetektor, d.h. eine normale ι 25 PLL-Schaltung, die auf dem gleichen Chip durch einen Vergleicher ergänzt ist, der mittels eines digitalen Ausgangs signals anzeigt, ob ein ankommendes Signal innerhalb des fraglichen Frequenzbandes liegt. Für höhere Füllungsgrade wird das gleiche Prinzip wie in Fig. 4 verwendet, d.h. nur die Frequenzänderungen werden als Kriterium berücksichtigt.

Als Ergänzung zu Fig. 4 sind im wesentlichen individueil Vorverstärker F, die vorzugsweise mittels Tiefpaßfiltern um eine gleichmäßige Amplitude über das Frequenzband zu erreichen, eine Logikschaltung und

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ein Niveaudetektor ND vorgesehen, der die Schwingungsamplitude abtastet, um den Füllungsgrad von lo% ,bis herab zu 0% festzustellen. Ein Gleichrichter ist im Vorverstärker F+L des Detektors vorgesehen. Für eine Füllung von 5% oder weniger nüssen sowohl die Logikschaltung für lo% als auch der Niveaudetektor ein Ausgangssignal aussenden. Diese beiden Signale werden durch ein UND-Glied Gl geleitet und veranlassen dann die Anzeige 5% oder weniger an der Anzeige D. Die Anzeige von lo% wird dabei durch ein Exklusiv-ODER-Glied G2 beendet.

Infolge des Vorhandenseins des Niveaudetektors müssen die Schläge gegen den Behälter stets mit gleichbleibender Stärke ausgeführt werden. Diese Bedingung besteht nicht bei der Frequenzmessung nach Fig. 4.

Falls gewünscht, kann eine Analoganzeige in einfacher Weise durch Koppeln der Ausgangssignale der Glieder _zu einem Digital-Analog-Umsetzer und einem damit verbundenen Zeigerinstrument erreicht werden.

Mit Bezug auf Fig. 6 wird ein Fall beschrieben, bei dem die Anzeige durch die Nachschwingzeit in Abhängigkeit ° vom Füllungsgrad bestimmt wird. Die Schwingungsamplitude wird bei höherem Füllungsgrad stärker gedämpft als bei niedrigerer Füllung (s. Fig. 3).

Das Ausgangssignal, das beim Schlag gegen den Behälter

I vom Impulsfühler G abgegeben wird, wird einem Vorverstärker F zugeleitet, der das Signal dem korrekten Spannungspegel angleicht. Danach filtert ein Ba'ndpaßfilter BP einen geeigneten Frequenzbereich für das Signal heraus, das in einem Hüllkurvendetektor ED gleichgerichtet wird. Die resultierende Gleichspannung wird zu Niveaudetektoren NDl und ND2 geleitet, wo der Detektor NDl mit einer oberen Grenzstellung gl entscheidet, ob ein Schlag ausgeführt wurde oder nicht. Nach einem

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Schlag gibt der Detektor INiDl ein Ausgangssignal ab, das einen von einem Frequenzgenerator FG versorgten Rechner B. zum Vorwärtszählen rückisetzt und über einen monostabilen Multivibrator MV ein Glied GR öffnet, so daß ein Ausgangssignal vom Niveaudetektor ND2 zu einem Schalter bzw. Schieber SR gelangen kann. Wenn das Eingangssignal vom Hüllkurvendetektor ED infolge der Dämpfung unter den definitiv niedrigsten Pegel g2 für den Detektor DN2 abfällt, wird das genannte Ausgangssignal zum Schieber SR geleitet, um eine Flanken-

triggerung auszulösen. Der Schieber leitet dann den λ vom Rechner R gezählten Wert direkt oder über einen

Umsetzer der Anzeige D zu, die den gezählten Wert in einen entsprechenden Füllungsprozentsatz rückumsetzt (kalibriert).

Wenn eine von dar Kraft des Schlages unabhängige Messung g£nUnSCht Vird, kann del" NXTcäüdctcktOI ND2 durch clüc

des Spitzenwert-Halteschaltung T vervollständigt werden, ' wie dies durch Strichpunktierung angedeutet ist. Der

Spitzenwert kann spannungsgeteilt werden und als untere Grenzanzeige g2 benutzt werden.

Fig. 7 zeigt schließlich ein Blockdiagramm, um ri Füllungsgrade in analoger Weise aufgrund der Frequenzänderugen ^ 25 direkt anzuzeigen. Wie bei der Schaltung nach Fig. 5 werden hier Vorverstärker F für jede PLL-Schaltung und ein Niveau-Detektor ND. dem ein Verstärker mit Gleichrichter F+L vorgeschaltet ist, vorgesehen. Außerdem sind Analogglieder (Schalter oder Relais) AG vorgesehen, denen Verstärker mit Gleichrichter F+L vorgeschaltet sind, um ein korrektes Ausgangssignal innerhlab des zugeordneten Funktionsbereichs auszusenden.

Nach einem Schlag löst das Ausgangssignal des Impulsfühlers G die PLL-Schaltung, die auf das fragliche Frequenzband eingestellt ist aus, um das Analogglied AG zu öffnen, das dem exakten Füllungsgrad entspricht.

Das Ausgangssignal von diesem Glied wird einem Abtastspeicher S & H zugeführt, der den empfangenen Analogwart hält und der durch einen monostabilen Multivibrator MV, abhängig vom Pegel des Eingangssignals über den Niveau-Detektor-Kreis F+L+ND betätigt wird. Das Ergebnis wird an der Analog-Anzeige D, z.B. einem Zeigerinstrument angezeigt.

Viele Ausführungsformen der in den Fig. 4 bis 7 gezeigten Schaltungen sind dem Fachmann bekannt.

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Claims (4)

1. PATENTANWÄLTE

   MITSCHERLICH · GUNSCHMANN · KÖRBER · SCHMIDT-EVERS ZUGELASSENE VERTRETER BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT - PROF. REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE

   MANDATAIRES AGREES PRES LOFFICE EURGPEEN DES BREVETS

   Dipl.-lng. H. Mitscherlich Dipl.-lng. K. Gunschmann

   * 5 Dipl.-Ing. Dr. rer. nat W. Körber

   Dipl.-lng. -J. Schmidt-Evers

   Steinsdorfstraße 10 D-8000 München 22 Telefon (089) 29 66 84-86 Telex 523155m"itshd Psch-Kto. Mchn 195 75-803 EPA-KtO. 28 000 206

   8. Oktober 19 82 Me/sh

   Gebrauchsmusteranmeldung G 82 18 3o3.1 Brajnandan Sinha

   15

   NEUE ANSPRÜCHE

   . Vorrichtung zum Messen und Anzeigen des Fluidpegels in einem Behälter mit einer Auswerte- und Anzeigeeinheit, gekennzeichnet durch

   einen mit dem Behälter (1) verbundenen mechanisch arbeitenden Impulsgeber (3) und einen dem Behälter (1) zugeordneten und vom Impulsgeber (3) beabstandeten Impulsfühler (5,13).
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß der Impulsgeber (3) ein auslösbares druckgetriebenes Schlagglied (4) aufweist, z.B. einen durch eine Feder vorgespannten Bolzen.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß der Impulsgeber (3) ein durch einen elektrischen

   1 Impuls auslösbares, beispielsweise piezoelektri- § sches, magnetoelektrisches oder· elektro-dynamisches

   · Schaltglied ist.

   % 5
4. 4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ft dadurch gekennzeichnet,

   ;. daß der Impuls fühler (5) ein durch eine Trägheitsmasse (7) beaufschlagtes piezoelektrisches Element (6) ist, das an der Behälterwand angeordnet ist. 10

   5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch > gekennzeichnet,

   daß der Impulsfühler (5) ein von der Behälterwand beabstandetes Mikrofon (13) ist. 15

   6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

   daß der Impulsgeber (3) und der Impulsfühler (5,13) in fester Anordnung nahe beieinander angeordnet ²^ sind und eine Baueinheit bilden.

   7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheit (3,5) ortsfest an der Behälterwand, vorzugsweise am Behälterboden befestigt ist.

   ( ) 25

   8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheit (3,13) für sich am Ende eines bewegbaren Handgriffs (11), der z.B. in Form eines

   Pistolengriffs ausgebildet ist, für kurzzeitigen 30

   Einsatz an einer gewünschten Stelle der Behälterwand angeordnet ist.

   9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

   dadurch gekennzeichnet,
   35

   daß der Impulsgeber (3) und der Impulsfühler (5,13)

   20 25 30

   Patentanwalt

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   sowie die Auswerteeinheit (9) und gegebenenfalls die Anzeige (Ιο) in einer einzigen Einheit zusammengefaßt sind.