SE527128C2 - Anordning för mätning av vätskenivå - Google Patents

Description

25 30 Sammanfattning av uppfinningen Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att anvisa en akustisk mätanordning som är förbättrad jämfört med kända akustiska mätanordningar.

Ett speciellt ändamål är att anvisa en akustisk mätanordning där mätningen kompenseras med avseende på gaskompositionen.

Dessa och andra ändamål, vilka kommer att framgå av den följande beskrivningen, har uppnåtts med en akustisk mätanordning av den inledningsvis angivna typen, ytterliggare omfattande organ för att mata ett fluid från tanken till den del av vågledaren som är belägen ovanför vätskenívån.

Föreliggande uppfinning är baserad på insikten att det genom matning av fluid från tanken genom vågledaren är möjligt att åstadkomma en atmosfär i vågledaren som är väsentligen likformig genom hela vågledaren över vätskenivån. Detta medför att ljudhastigheten, vilken beror på gaskompositionen, i vågledaren kompenseras med hänsyn till gaskompositionen. Vid ett utnyttjande av den för gaskompositionen kompenserade ljudhastigheten är beräknad i relation till en del av vågledaren belägen ovanför vätskenivån för att bestämma våtskenivån i tanken blir som en följd därav denna totala nivåmätning mycket noggrann.

En annan fördel med att mata vätska från tanken till vågledaren är att teniperatiiren i vågledaren kan bli likadan genom hela vågledaren över fluidnivån. Således kompenseras ljudhastigheten i vågledaren dessutom med avseende på temperatur, vilket också ökar den totala mätningen av vätskenívån.

Vid en utfóringsform av uppfinningen matas fluid från tanken in i en referensdel av vågledaren. Referensdelen definieras som delen av vågledaren mellan transducern och ett referenselernent. Referenselementet kan exempelvis vara ett i vågledaren placerat utsprång.

Fluid som matas in i referensdelen kan därefter strömma genom hela vågledaren belägen över vätskeytan. Fluidflödet resulterar i att gaskompositionen genom referensdelen och återstoden av vågledaren är konstant, varigenom, allt armars lika, ljudhastigheten också är konstant.

Detta möjliggör en mycket noggrann mätning av vätskenivån i tanken.

Företrådesvis är det fluidflöde som matas genom mätanordningens vågledare tillräckligt litet för att göra det möjligt för en akustisk signal, till exempelvis en akustisk puls, att röra sig i vågledaren. Således påverkas de akustiska pulser som fortplantar sig genom vågledaren inte märkbart av den strömmande fluiden, samtidigt som ånga kan fiigöras från fluiden fór att skapa en likformi g gaskomposition genom vågledaren, vilket såsom diskuterats ovan resulterar i en mycket noggrann mätning. 10 15 20 25 30 filñfl l (fl b» Vid en annan utíöringsform av uppfinningen är den fluid som skall matas från tanken till vågledaren en vätska. En fördel med att använda en vätska är att vätskan från tanken lätt kan matas in i vågledaren. Alternativt är den fluid som skall matas från tanken till vågledaren en gas, vilken exempelvis kan tas från atmosfären över vätskeytan i tanken.

Vid en ytterligare utföringsfonn är mätanordningen anordnad i en tank som också har en bränslepump, såsom bränsletariken i en bil, varigenom fluidflödet i vågledaren matas av bränslepumpen. Exempelvis kan en del av bränslereturflödet som kommer från bränslepumpen ledas in i vågledaren. Detta möjliggör ett stadigt bränsleflöde genom vågledaren, vilket såsom har beskrivits ovan resulterar i en noggrann mätning. En arman fördel med att använda bränslepumpen är att ingen extra matningsanordning krävs, vilket underlättar konstruktionen av mätanordníngen.

Enligt en andra aspekt på uppfinningen omfattar referensdelen av mätanordningen av den inledningsvis angivna typen dessutom flera dräneringshål. En fördel med dräneringshålen är att det är möjligt att bli av med överskottsfluid som oavsiktligt kommer in i mätanordningens referensdel, till exempel om den tank som innehåller den vätska som skall mätas lutar. En annan fördel med drâneringshålen är att överskottsfluid som kommer från det till vågledaren matade fluidflödet kan Överskottsfluid som är ett resultat av kondensation i vågledaren kan också dräneras via dråneringshålen.

Det må påpekas att derma aspekt på uppfinningen med dräneringshål inte behöver vara begränsad till någon speciell typ av mätanordning utan är tillämpbar vid vag' e mätanordning som har en vågledare med en del över fluidytan.

Vid en utiöringsform av denna andra aspekt på uppfinningen omfattar mätanordningen dessutom en absorberande struktur anordnad intill dräneringshålen. Den absorberande strukturen kan exempelvis vara ett absorberande tyg. Genom att använda en absorberande struktur i anslutning till dräneringshålen är det möjligt att minska stömingar av de akustiska pulsema i vågledaren som annars skulle kunna orsakas av dräneringshålen, och på så sätt uppnå en mera robust mätning.

Den absorberande strukturen omfattar en huvuddel och åtminstone en änddel, varvid änddelen är belägen under huvuddelen. Detta gör det möjligt att ansamla den av den absorberande strukturen absorberade fluiden i änden genom sifoneffekten. Den ansamlade fluiden kan därefter droppa av från änden av den absorberande strukturen, exempelvis tillbaka till tanken.

Vid en annan uttöringsforin av uppfinningen är en del av vågledaren belägen över vätskenivån, exempelvis referensdelen, placerad utanför tanken. Dessutom har 10 15 20 25 30 s' 11 .'27 128 4 mätanordningen en trattkonstruktion som vid sin bottenände har en öppning vilken står i förbindelse med tanken. Trattkonstruktíonen är anordnad på sådant sätt att mätobjektets vågledare sträcker sig genom öppningen in i tanken. I drift samlar trattkonstruktionen upp fluid som kommer från vågledarens dräneringshål och leder tillbaka fluiden till tanken via passagen vid trattkonstruktionens botten.

Trattkonstruktionen kan vara utformad på sådant sätt att vinkeln mellan trattkonstruktionens innervägg och horisontalplanet är större än en vald, maximalt tillåten lutningsvinkel på tanken. Detta innebär att så länge tanken lutar mindre än den maximalt tillåtna tankelutningsvinkeln har trattkonstruktionens sidoväggar en sådan lutning att fluid från referensdelen strömmar ned längs de inre sidoväggama och återförs till tanken. Som en följd därav arbetar mätanordningen riktigt även om tanken lutar (upp till en viss gräns) vilket ökar mätanordningens tillförlitlighet. Företrädesvis ligger den maximalt tillåtna tanklutningsvinkeln i område 10-35 ”_ Kort beskrivning av ritningarna För närvarande föredragna utíöríngsformer av uppfinningen kommer nu att beskrivas ytterligare med hänvisning till de bifogade ritningarna på vilka: F ig 1 är en schematisk sidovy av en uttöringsfonn av uppfinningen med organ för inmatning av ett fluidflöde i vågledaren; Fig 2 är en sehernatisk partiell sidovy av en utföringsform av uppfinningen där referensdelen år placerad i en trattforrnig konstruktion; Fig 3 är en schematisk partiell sidovy av en arman utföringsforrn av uppfinningen med en sifonfunktion.

Detaljerad beskrivning av ßredragga utföringsforrner Fig l visar en íöredragen utföringsforrn av en mätanordning enligt föreliggande uppfinning. Mätanordningen har till uppgift att bestämma nivån av vätska i en tank. Tanken kan exempelvis vara en bränsletank på en båt eller ett fordon, såsom en bil eller en lastbil.

Den vätska som skall mätas kan exempelvis vara vatten, bensin eller diesel eller liknande.

Den i fig l visade tanken har också en bränslepump 11.

I fig 1 har mätanordningen 10 enligt uppfinningen en vågledare 12 med en ände som är ansluten till en transducer 14, medan den andra änden sträcker sig in i det fluid 16 som finns i tanken 18. Den ände 20 av vågledaren 12 som sträcker sig in i fluiden 16 har en öppning för att göra det möjligt för fluid att komma in i vågledaren. Dessutom är den ände 20 10 15 20 25 30 527 5 128 av vågledaren som sträcker sig in i fluiden företrädesvis partiellt fixerad på bottendelen av tanken 18. Detta garanterar positionen för vågledarens 12 ände 20 och möjliggör vätskenivåmätning redan från tankens botten.

Den ovannämnda transducem 14 kan exempelvis vara en billig piezoelektrisk komponent eller bestå av en separat ljudsändare och -mottagare. Tranducem är anordnad i anslutning till en elektronisk styranordning 22, vilken har till uppgift att styra transducem och beräkna vätskenivån baserad på de signaler som sänds och tas emot av transducem.

Dessutom har vågledaren 12 ett referenselement 26, exempelvis ett inuti vågledaren placerat utsprång. Referenselernentet 26 kan exempelvis vara ringforrnigt eller ha en tapp som är anordnad i vågledarens vägg. Den del av vågledaren 12 som sträcker sig från den till transducem 14 anslutna änden till referenselementet 26 kallas härefier vågledarens referensdel 28. Delen av vågledaren 12 från tankens 20 botten till den maximala tankhöjden 30, det vill säga den maximalt möjliga fluidnivån kallas här efter vågledarens 12 mätdel 32.

Delen av vågledaren 12 mellan referensdelen och mätdelen kallas härefier den ”döda” delen 34.

Referensdelen i fig 1 har skruvform, men referensdelen kan ha annan form, till exempelvis en platt spiralform eller en mera långsträckt form.

Vid mätning av vätskenivân matas tranducern 14 med en elektrisk signal från styranordningen 22 för att alstra en ljudpuls. Ljudpulsen utsänds från transducem 14 och styrs genom vågledaren 12 mot vätskeytan 26. Ljudpulsen reflekteras delvis av referenselenientet 26 vid änden av vågledarens referensdel 28. Återstoden av pulsen passerar den döda delen 34 och rör sig genom mätdelen 32 tills den reflekteras av vätskans yta 36. Således kommer två reflekterade pulser tillbaka till transducem 14. Den ena reflekterade pulsen är associerad med referenselementet, och den andra reflekterade pulsen är associerad med vätskeytan. Som ett svar på de mottagna ljudpulserria genererar transducem 14 motsvarande elektriska signaler och matar tillbaka dessa till styrenheten 22.

Vågledarens 12 döda del 34 är tillräckligt lång för att säkerställa att de båda av referenselementet 26 och fluidytan 36 reflekterade pulserna är tillräckligt separerade så att de båda pulserna är särskiljbara, även om tanken är helt fylld och pnlsema därmed återvänder till transducern 14 relativt nära varandra. Genom att känna till tidsintervallet mellan varje puls, det vill säga gångtiden för varje akustisk puls, och längden på referensdelen 28, den döda delen 34 och mätdelen 32, är det möjligt för styranordníngen 22 att beräkna vätskenivån eller vätskevolymen i tanken enligt förljande fonnel: 10 15 20 25 30 527 128 6 Nivå = (referensdcl + död del + mätdel) - (referensdel/REF) x YTA Där ”referensdel”, ”död del” och ”mätdel” hänför sig till längden av respektive föremål, och REF och YTA hänför sig till gångtiden för den av referenselementet respektive vätskeytan reflekterade pulsen.

Således beräknas vätskenivån genom subtraktion av vägledarens totala längd med längden på vågledaren över ytan, varigenom längden på vågledaren över ytan beräknas när ljudhastigheten (= referensdel/REF) timar tiden YTA.

Beräkningarna ovan görs av styranordningen 22.

Mätanordningen har vidare en anslutning 38 mellan vågledarens referensdel 28 och bränslerettiren 40 från bränslepumpen l l. Anslutningen 38 är ett rör som kan leda ett sådant fluid som bensin. Dessutom har referensdelen 28 flera dräneringshål 42. Företrädesvis har referensdelen 28 cza 8 dräneringshål per slinga av skruvspiralen.

Samtidigt som ljudpulserna rör sig igenom vågledaren 8 på det ovan beskrivna sättet pumpas fluid, i detta fallet bränsle, från tanken med hjälp av bränslepumpen 11, genom anslutningsröret 38 och in i referensdelen 28. Således pumpas ett bränsleflöde kontinuerligt genom vågledaren 12 under mätningsprocessen. Det bränsle som rör sig genom vågledaren 12 återförs till tanken 18 via dräneringshålen 42 och via själva vågledaren 12. Å ena sidan är storleken på det kontinuerliga flödet genom vågledaren 12 tillräckligt stort för att gas kan lämna fluidflödet, varigenom kompositionen av gasen i mätanordningen blir väsentligen identisk genom vågledaren. Å andra sidan är storleken på flödet tillräckligt liten för att ljudpulserna i referensdelen 28 inte påverkas märkbart av sj älva fluiden.

Tack vare det enligt uppfinningen föreslagna, samtidiga fluidflödet genom vågledaren och referensdelen är kompositionen hos gasen i referensdelen 8 väsentligen likadan genom hela vågledaren placerad över vätskenivån. Detta innebär att ljudhastigheten, vilken varierar i beroende av gaskompositionen, i vågledaren kompenseras med avseende på gaskompositionen.

Eftersom. formeln ovan utnyttjar ljudhastigheten i enlighet med referensmätningen för att beräkna vätskenivån i tanken 18, erhålls en mycket noggrarm för gaskompositionen kompenserad mätning av vätskenivån.

Vid utföringsforrnen ovanär mätdelen 32 väsentligen vertikal och erhålls en absolut mätning av vätskenivån. Emellertid är det också möjligt att luta mätdelen för att få den att passa i olika tankar med olika höjd. I det fallet är det fördelaktigt att beräkna 10 15 20 25 30 ,v»__. ¥ förhållandet mellan vätskenivån och tankens maximala nivå för att undvika ytterligare -A IJ (31) kalibrering, varvid: förhållandet = nivå/mätdel _ Vid den i fig 1 visade utföringsforinen av uppfinningen utnyttjas plan vågutbredning. För att åstadkomma den plana vågutbredningen är våglängden mycket större än vågledarens diameter. Våglångden bör vara längre än aproximativt dubbla diametern.

Våglängden på de akustiska pulsema ligger företrädesvis i intervallet c:a 2-10 cm, vilket motsvara en frekvens på cza 3,4-17 kHz, det vill säga inte ultraljud. På gnind av den relativt stora våglängden måste vågledaren också vara lång. Företrädesvis är längden på referensdelen upp till cza 70 cm, och längden på den döda delen är upp till cza 30 cm.

Den i fig 1 visade vågledaren 12 kan också ha ytterligare referenselement placerade på kända avstånd från det första referenselementet 26. Vid andvändning av exempelvis ett ytterligare referenselement återgår en ytterligare ljudpuls till transcievem, varigenom pulsens gångtid utnyttjas för att beräkna den aktuella ljudhastigheten. Ytterligare referenselement kan exempelvis vara placerade i mätdelen eller mellan tranducern och det första referenselementet. Det förstnämnda fallet resulterar i att referensdelen befinner sig närmare vätskan när vätskenivån är låg.

Fig 2-3 visar uttöringsforiner av föreliggande uppfinning där referensdelen 28 är belägen utanför tanken. Anordningarna i fig 2-3 har samma grundkonstruktion och särdrag som den i fi g 1 visade anordningen och identiska hänvisningsbeteckningar har använts för samma komponenter i samtliga figurer.

Fi g 2 visar en mätanordning där referensdelen 28 är placerad utanför tanken 18 i exempelvis en båt. Referensdelen 28 har flera dräneringshål 42. Mätanordningen har vidare en trattliknande konstruktion 44 i vilken referensdelen 28 är anordnad. Referensdelen 28 är formad som en spiral, som i fig 2 ligger i linje med trattens 44 innervägg 46. Alternativt kan referensdelen vara formad som exempelvis en plan spiral som är placerad inuti tratten 44.

Trattens 44 bottenändöppning 48 är ansluten till tanken» l 8, och vågledaren 12 sträcker sig in i tanken 18 genom öppningen 48.

Mätningen av vätskenivän i tanken sker på liknande sätt som beskrivits ovan med hänvisning till fig 1.

Vid anordningen visad i fig 2 leds överskottsfluid från fluidflödet i referensdelen 28 ut genom dräneringshålen 42 och återgår till tanken 18 via tratten 44. Överskottbränsle 10 15 20 25 30 527 128 8 från exempelvis kondensering och/eller fluid som kommer in i referensvågledaren 28 från tanken 18 om tanken lutar, kan ledas ut genom dräneringshålen 42 och tillhörande tratt 44.

Fluid leds tillbaka till tanken 18 av tratten 44 så länge trattens vinkel A är större än tankens lutningsvinkel. Vid konstruktionen av mätanordningen kan således trattens 44 lutning väljas på sådant sätt att tankmätanordningen kan klara mätningar upp till en förutbestämd, maximalt tillåten lutningsvinkel hos tanken. I exempelvis en båt kan den maximalt tillåtna lutningsvinkeln uppgå till i storleksordningen cza 25 °, varigenom trattens vinkel A ställs in precis över den valda maximalt tillåtna lutningsvinkeln.

En annan utfóringsforrn av uppfinningen visas i fig 3. I fig 3 är mätanordningens referensdel 28 utformad på liknande sätt som en plan spiral och placerad utanför tanken.

Mätanrodningen har också en behållare 50 i vilken den som en plan spiral utfonnade referensdelen är placerad. Behållaren 50 har en väsentligen cirkulär bottenplatta 52 och en vägg 54 som sträcker sig uppåt från boittenplattans kant. Behållaren50 är ansluten till tanken via en öppning 56 i bottenplattan 52, varigenom vågledaren 12 sträcker sig in i tanken via öppningen 56. Behållaren 50 har också ett absorberande skikt 58 som sträcker sig över behällarens bottenplatta 52 och ned in i öppningen 56 till tanken. Det må påpekas att de nedre ändarna 60 av det absorberande skiktet 58 är placerade i passagen till tanken. Det absorberande skiktet 58 kan exempelvis vara en absorberande duk, såsom en svarnpduk.

Vid mätning kommer överskottsfluid som har sitt ursprung från exempelvis ett flöde genom referensdelen 28 och/eller kondensering, ut från drâneringshålen 42 och absorberas av den absorberande duken 58. Eftersom den absorberande dukens 58 ändar 60 befinner sig på en lägre nivå än delen av den absorberande duken vid behållarens 50 bottenplatta 52, ansamlas fluiden i ändarna och droppar av tillbaka in i tanken 18 med hjälp av sifonprincipen. Genom att lyfia behållaren 50 från översidan av tanken 18 en sträcka C, är det också möjligt att utnyttja sifonfunktionen och därmed mätanordningen, även om hela tanken lutar, sålänge avståndet D i fig 3 är större än 0. Vid konstruktionen av mätanordningen kan således höjden på behållaren 50 väljas så att tankrnätningsanordningen kan klara mätningar upp till en önskad lutningsvinkel på tanken.

Uppfinningen är inte begränsad till det ovan beskrivna utföringsfonnarna. ~ F ackmannen på området inser att variationer och modifieringar kan göras utan att gå utanför uppfinningens skyddomfång definierat i de bifogade kraven.

Exempelvis kan aspekten med dräneringhål kombineras med varje mätanordning där överskottsfluid behöver dräneras från vågledaren. ma? Mg “l Dessutom kan ytterligare mätvågledare anslutas till mätanordningen, vilket möjliggör mätningar från olika ställen av en tank. I detta fall kan en gemensam transducer och referensdel användas.

Vidare kan den absorberande duken användas i kombination med varje komponent såsom den ovan diskuterade tratten. Även om akustiska pulser har utnyttjats vid de beskrivna utfóringsforrnema kan mätanordningen enligt uppfinningen också utnyttjas vid andra mätprinciper såsom mätning med stående våg.

Claims (17)

10 15 20 25 30 51.7 128 10 PATENTKRAV

1. Anordning för att åstadkomma en fór gaskomposition kompenserad akustisk mätning av nivån av en vätska (16) i en tank (18), omfattande: - en transducer (14) anordnad utanför vätskan (16) för att sända och ta emot akustiska signaler, och - en vågledare (12) som är ansluten till transducem (14) och sträcker sig in i vätskan, kännetecknad av att anordningen ytterligare omfattar: - organ för att mata in ett fluidflöde som kommer från tanken (18) i den del av vågledaren (12) som befinner sig över vätskenivån.

2. Anordning enligt krav 1, vid vilken vågledaren (12) vidare omfattar ett referenselernent (26), så att delen av vågledaren (12) mellan tranducem (14) och referenselernentet (26) är definierad som en referensdel (28), varvid fluiden matas in i referensdelen.

3. Anordning enligt krav 1 eller 2, vid vilken fluidflödet i vågledaren (12) är tillräckligt litet för att göra det möjligt för en akustisk signal att röra sig i vågledaren.

4. Anordning enligt något av krav 1-3, vid vilken den fluid som skall matas från tanken är en vätska.

5. Anordning enligt något av krav 1-3, vid vilken den fluid som skall matas från tanken är en gas.

6. Anordning enligt krav 4 vid vilken anordningen år anordnad i association med en tank (18) med en bränslepump (11) van/id fluidflödet i vågledaren (12) matas från bränslepumpen (l 1). 10 15 20 25 30 2 7 'l 2 9- ll

7. : Anordning enligt något av föregående krav, vid vilken vågledaren (12) vidare omfattar flera dräneringshål (42) för att göra det möjligt för överskottsfluid att lämna vågledaren.

8. Anordning enligt krav 7, ytterligare omfattande en absorberande struktur (58) anordnad intill dräneringshålen (42).

9. Anordning enligt krav 8, vid vilken den absorberande strukturen (58) har åtminstone en ände belägen under återstoden av den absorberande strukturen, för att på så sätt skapa en sifoneffekt som får absorberad fluid att ansarnlas i änden.

10. Anordning enligt krav 7-9, vid vilken en del av vågledaren som är belägen över vätskenivån (16) är placerad utanför tanken (18), varvid anordningen ytterligare omfattar en trattkonstruktion (44) som vid sin bottenände har en öppning (48) ansluten till tanken (18), vilken trattkonstruktion (44) är så anordnad att vågledaren (12) passerar genom öppningen (48).

11. Anordning enligt krav 10, vid vilken vinkeln mellan trattkonstruktionens (44) innervägg (46) och horisontalplanet är större än en maximal lutningsvinkel för tanken.

12. Metod för att åstadkomma en för gaskomposition kompenserad akustisk mätning av nivån av en vätska (16) i en tank (18) omfattande stegen att: - utsända en akustisk signal från en tranducer (14) placerad utanför tanken (18) till en vägledare (12) med en ände som sträcker sig in i vätskan (16), - ta emot reflekterad akustisk signal från vågledaren (12) med transducem (14), kännetecknad av att den ytterligare omfattar steget av att: - åstadkomma ett fluidflöde från tanken (18) till den del av vågledaren (12) som befinner sig över vätskenivån.

13. Metod enligt krav 12, vid vilken vågledaren (12) ytterligare omfattar ett referenselement (26), varvid delen av vågledaren mellan transducem (14) och referenselementet (26) definieras som en referensdel (28), varvid fluiden matas in i referensdelen. 10 4, O =2o 12

14. Metod enligt krav 12 eller 13, vid vilken fluidflödet är tillräckligt litet för att göra det möjligt för en akustisk signal att röra sig i vågledaren (12).

15. Metod enligt något av krav 12-14, vid vilken tanken (18) är försedd med en bränslepump (l l), varvid fluidflödet i vågledaren (12) matas från bränslepumpen.

16. Metod enligt något av krav 12-15, ytterligare omfattande steget att: - dränera överskottfluid från vågledaren (12) med hjälp av flera dräneringshål (42) i vågledaren.

17. Metod enligt krav 16, ytterligare omfattande steget att: -absorbera överskottsfluiden med hjälp av en absorberande struktur (58) anordnad intill dräneringshålen (42).