DE19934876A1 - Füllstandsmeßsystem - Google Patents

Abstract

Bei einem Füllstandsmeßsystem mit einem elektrischen Füllstandsmeßfühler (2), der in einem Flüssigkeitstank (1) angeordnet ist, erfolgt die Übertragung von Signalen zwischen dem Meßfühler (2) und einer Prozessoreinheit (10) über einen Signalpfad (20). Im elektrischen Signalpfad (20) ist ein piezoelektrischer Transformator (30) angeordnet, der zwei piezoelektrische Elemente aufweist, die aneinander gegenüberliegenden Seiten der Wand (5) des Tanks (1) angeordnet sind, so daß keine direkte elektrische Verbindung in den Tank besteht. Die piezoelektrischen Elemente weisen gleiche Resonanzfrequenzen auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Füllstandsmeßsystem mit einem elektrischen Füllstandsmeßfühler, der in einem Flüssigkeitstank angeordnet und an einen elektrischen Signalpfad angeschlossen ist zur Übertragung von Signalen zu und vom Meßfühler.

Zum Messen der Flüssigkeitsmenge in einem Tank sind verschiedene Techniken bekannt, wobei ein elektrischer Füllstandsmeßfühler im Tank angeordnet ist. Drähte, die dazu verwendet werden, eine elektrische Verbindung mit dem Meßfühler herzustellen, bewirken, daß von außen elektrische Energie in das System und damit in den Tank eingespeist wird, welche beispielsweise durch Funken, elektrische Interferenzen oder durch Fehler im Antriebs- oder Sensorschaltkreis bewirkt werden. Ist die Flüssigkeit im Tank entflammbar, wird hierdurch das Risiko einer Explosion im Tank erhöht.

Es besteht die Aufgabe, eine Verbindung zum Meßfühler bereitzustellen, welche weitgehend nicht störanfällig und unempfindlich gegenüber eingespeister elektrischer Energie ist.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Gemäß der Erfindung ist im elektrischen Pfad ein piezoelektrischer Transformator angeordnet, der so betrieben wird, daß elektrische Signale außerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereiches gedämpft werden.

Der Füllstandsmeßfühler ist bevorzugt ein akustischer Füllstandsmeßfühler. Der Füllstandsmeßfühler umfaßt bevorzugt einen piezoelektrischen Wandler, dessen Frequenzeigenschaften eng mit denjenigen des Transformators zusammenpassen. Ein Widerstand kann zwischen den Elektroden des piezoelektrischen Transformators geschaltet sein, um elektrische Signale zu unterdrücken, die durch einen mechanischen Stoß auf den Transformator erzeugt werden. Der piezoelektrische Transformator kann bevorzugt an der Tankwand montiert sein und die zusammenarbeitenden piezoelektrischen Elemente des Transformators können an einander gegenüberliegenden Seiten der Tankwand angeordnet sein. Alternativ dazu kann der Transformator an der Außenseite der Tankwand angeordnet sein und ist über elektrische Drähte, die durch die Tankwand verlaufen, mit dem Meßfühler verbunden. Der Transformator kann aus einem einzigen Block eines piezoelektrischen Materials bestehen, an welchem sowohl die Eingangs- als auch die Ausgangselektroden angeordnet sind.

Ein Füllstandsmeßsystem für ein Flugzeug wird nachfolgend als Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht des Systems;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Transformators;

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines alternativen Systems und

Fig. 4 und 5 perspektivische Ansichten alternativer Transformatoren.

Bezugnehmend auf die Fig. 1 umfaßt das Kraftstoffüllstandsmeßsystem einen Tank 1, welcher in den Flügeln oder im Rumpf eines Flugzeugs angeordnet sein kann, in welchem eine konventionelle Kraftstoffüllstandsmeßvorrichtung in Form eines akustischen Ultraschallmeßfühlers 2 angeordnet ist, der Art, wie in GB 2311373, GB 2290141, GB 2270160, GB 2265005 oder GB 2265219 beschrieben. Der Meßfühler 2 ist vertikal am unteren Ende des Tanks 1 befestigt und umfaßt einen piezoelektrischen Ultraschallwandler 3, der am unteren Ende eines hohlen Gehäuses 4 angeordnet ist, das auf den gleichen Pegel gefüllt ist wie der Kraftstoff im Tank. Die Wand 5 des Tanks 1 und das Gehäuse 4 des Meßfühlers 2 sind jeweils elektrisch mit Masse des Flugzeugs verbunden.

Das System umfaßt weiterhin eine Prozessoreinheit 10, welche vom Tank 1 entfernt montiert ist. Die Prozessoreinheit 10 gibt Treibersignale an den Wandler 3 ab und empfängt Ausgangssignale vom Meßwandler 3, von welchen auf bekannte Weise die Höhe des Kraftstoffpegels im Tank 1 errechnet wird und somit die Flüssigkeitsmenge im Tank. In einem typischen System sind in jedem Tank mehrere Meßfühler angebracht.

Die Signale von und zum Meßfühler 2 werden über einen elektrischen Signalpfad 20 übermittelt. Der Signalpfad 20 umfaßt zwei eng miteinander verdrillte Drähte 21, die sich von der Prozessoreinheit 10 erstrecken und welche abgeschirmt sein können. Die Drähte 21 verlaufen zu einem piezoelektrischen Transformator 30, der Teil des Signalpfads 20 bildet. Der Transformator 30 ist detaillierter in Fig. 2 gezeigt. Der Transformator 30 ist ein an der Wand 5 des Tanks 1 montierter isolierender Transformator, welcher zwei getrennte piezoelektrische Elemente 31 und 32 umfaßt, die mit einander gegenüberliegenden Seiten der Wand 5 fest verbunden sind. Die Drähte 21 von der Prozessoreinheit 10 sind elektrisch verbunden mit den beiden Elektroden 33 und 34 an einander gegenüberliegenden Flächen des äußeren Elements 31. Das innere Element 32 weist zwei gegenüberliegende Elektroden 35 und 36 auf, welche mit zwei Drähten 37 verbunden sind, welche zum Wandler 3 des Meßfühlers 2 sich erstrecken. Die Frequenzeigenschaften der Transformatorelemente 31 und 32 sind eng an diejenigen des Wandlers 3 des Meßfühlers 2 angepaßt, so daß sie nahezu gleiche Resonanzfrequenzen aufweisen.

Im Betrieb erzeugt die Prozessoreinheit 10 ein elektrisches Energiebündel in einem engen Ultraschallfrequenzband, welches längs der Drähte 21 übertragen wird. Hierdurch wird veranlaßt, daß das äußere Element 31 des Transformators 30 mechanisch in der gleichen Frequenz vibriert, wobei die Vibrationen über die Wand 5 auf das innere Element 32 übertragen werden. Die übertragungsgekoppelten Vibrationen des inneren Elements 32 bewirken an seinen Elektroden 35 und 36 Ladungsänderungen, wodurch elektrische Signale mit der gleichen Frequenz längs der Drähte 37 dem Wandler 3 zugeführt werden, der dann bei Resonanzfrequenz vibriert. In entsprechender Weise werden Ausgangssignale vom Wandler 3 durch den Transformator 30 von elektrischen in mechanische Signale umgewandelt und sodann als elektrische Signale über die Drähte 21 zur Prozessoreinheit 10 übertragen.

Irgendwelche Signale außerhalb des engen Frequenzbands um die Resonanzfrequenz des Transformators 30 herum werden stark bedämpft, so daß Gleichstromsignale, welche durch elektrische Interferenz in den Drähten 21 induziert werden, welche beispielsweise durch Funkbildung oder ähnliches bewirkt werden, ziemlich stark unterdrückt werden. Der Energiepegel bei der Betriebsfrequenz des Transformators kann auch begrenzt werden durch eine spannungsspitzenunterdrückende TVS-Vor­ richtung, welche mit dem Transformator 30 verbunden ist. Alternativ dazu kann die durch den Transformator 30 übertragene Maximalenergie auch begrenzt werden durch mechanisches Klemmen des Transformators, wie beispielsweise durch Vergießen in einem geeigneten Material oder durch Einzwängen in einen Behälter. Obwohl mechanische Schläge, welche auf den Transformator 30 wirken, die Piezo-Elemente 31 und 32 dazu veranlassen, elektrische Signale zu erzeugen, können diese eliminiert werden durch entsprechende Widerstände 38 und 39, welche zwischen den Elektroden 33, 34 bzw. 35, 36 jedes Elements 31, 32 geschaltet sind.

Anstelle des Umsetzens des Ausgangs des inneren Transformatorelements 32 in ein elektrisches Signal und der Zuführung dieses Signals längs der Drähte zu dem separaten Meßwandler 3, kann das innere Element selbst Teil des Meßwandlers sein, d. h. der Wandler 3 wird ersetzt durch das Element 32.

In einigen Anwendungsfällen ist es nicht möglich, die Elemente des Transformators an einander gegenüberliegenden Seite der Tankwand zu befestigen. In solchen Fällen kann eine Anordnung der in Fig. 3 gezeigten Art verwendet werden, bei der diejenigen Bauteile, die gleich mit denjenigen der Fig. 2 sind, die gleichen Bezugszeichen haben.

Diese Teile bzw. diese Bezugszahlen weisen zusätzlich einen hoch gesetzten Strich auf. Der piezoelektrische Transformator 40 ist insgesamt außerhalb des Tanks 1' in einem Gehäuse 41 angeordnet, das an der Tankwand 5' befestigt ist. Das Gehäuse 41 ist elektrisch abgeschirmt und die Drähte 37' zwischen dem Transformator 40 und dem Meßfühler 2' erstrecken sich durch die Wand 5' an einer Stelle, wo sie durch das Gehäuse abgeschirmt werden, so daß ein geringes Risiko elektrischer Interferenzen besteht.

Der Transformator 40 kann der gleiche wie in Fig. 2 gezeigt sein, mit zwei getrennten, isolierten piezoelektrischen Elementen. Alternativ dazu kann der Transformator 50 gemäß Fig. 4 aus einem einzigen Block 51' eines piezoelektrischen Materials bestehen, welchem zwei Elektrodenpaare 51 und 52 sowie 53 und 54 an unterschiedlichen einander gegenüberliegenden Flächen angeordnet sind. Die Fig. 5 zeigt eine alternative Ausführungsform des Transformators 60, der ähnlich aufgebaut ist wie der Transformator 50 nach Fig. 3, wobei zwei einander gegenüberliegende Elektroden 61 und 62 an der Eingangsseite vorgesehen sind, jedoch lediglich eine Ausgangselektrode 63 vorhanden ist, wobei das andere Ausgangssignal von einer der Eingangselektroden 61 bzw. 62 abgegriffen wird. Dieser Transformator 60 weist allerdings keine komplette elektrische Isolation zwischen den Eingangs- und den Ausgangsanschlüssen auf.

Die gezeigte Anordnung ist besonders beim Einsatz von Ultraschall- Füllstandsmeßsystemen geeignet, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann die gezeigte Anordnung auch bei kapazitiven Füllstandsmeßsystemen verwendet werden, wobei dann der piezoelektrische Transformator die gleiche Resonanzfrequenz aufweist wie die Erregungsfrequenz des kapazitiven Meßfühlers.

Mit der vorliegenden Erfindung werden verschiedene Vorteile erreicht. Beispielsweise reduziert oder vermeidet sie die Notwendigkeit der Verwendung diskreter Komponenten, wie beispielsweise von Transzorber, Dioden und ähnlichem, welche parasitäre Effekte aufweisen. Der Transformator ist im speziellen zur Vermeidung von Gleichstromfehlern und Fehlern bei 400 Hz geeignet, was die bei Flugzeugen übliche verwendete Wechselstromfrequenz ist. Die Erfindung ermöglicht eine komplette akustische nichtelektrische Schnittstelle mit dem Tankmeßfühler. Der piezoelektrische Transformator kann kleiner, leichter und kompakter sein als ein konventioneller elektromagnetischer Transformator und benötigt weniger zusätzliche Komponenten. Der piezoelektrische Transformator speichert auch keine Energie, wie dies bei einem elektromagnetischen Transformator der Fall ist. Ein weiterer wichtiger Vorteil des piezoelektrischen Transformators besteht darin, daß durch existierende elektrische Schaltungen antreibbar ist.

Claims (8)

1. Füllstandsmeßsystem mit einem elektrischen Füllstandsmeßfühler (2, 2'), der in einem Flüssigkeitstank (1, 1') angeordnet und an einem elektrischen Signalpfad (20) angeschlossen ist zur Übertragung von Signalen zu und vom Meßfühler (2, 2'), dadurch gekennzeichnet, daß das System einen piezoelektrischen Transformator (30, 40, 50, 60) umfaßt, der im elektrischen Signalpfad (20) angeordnet ist und der nur Signale in einem vorgegebenen Frequenzbereich überträgt und Signale außerhalb dieses Frequenzbereichs bedämpft.

2. Füllstandsmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstandsmeßfühler ein akustischer Füllstandsmeßfühler (2, 2') ist.

3. Füllstandsmeßsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstandsmeßfühler (2, 2') einen piezoelektrischen Wandler (3) umfaßt, dessen Frequenzeigenschaften nahe denjenigen des Transformators (30, 40, 50, 60) angepasst sind.

4. Füllstandsmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Elektroden (33, 34, 35, 36) des piezoelektrischen Transformators (30) ein Widerstand (38, 39) geschaltet ist, der die durch mechanische Stöße auf den Transformator erzeugten elektrischen Signale kurzschließt.

5. Füllstandsmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Transformator (30, 40, 50, 60) an der Tankwand (5, 5') befestigt ist.

6. Füllstandsmeßsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammenwirkenden piezoelektrischen Elemente (31, 32) des Transformators (30) an einander gegenüberliegenden Seiten der Tankwand (5) angeordnet sind.

7. Füllstandsmeßsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (40, 50, 60) an der Außenseite der Wand (5') des Tanks (1') montiert ist und daß der Transformator (40, 50, 60) mit dem Füllstandsmeßfühler (2') durch elektrische Drähte (37) verbunden ist, die sich durch die Tankwand (5') erstrecken.

8. Füllstandsmeßsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (50, 60) einen einzigen Block (51') eines piezoelektrischen Materials umfaßt, auf welchem die Eingangselektroden (51, 52, 61, 62) und die Ausgangselektroden (53, 54, 63, 64) angeordnet sind.