DE4306193A1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Füllstandssensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

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 Reflexion 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 01 06 677.

Derartige Ultraschallfüllstandsmeßvorrichtungen weisen jedoch verschiedene Nach­ teile auf. Einer dieser Nachteile resultiert daraus, daß die Ultraschallenergie zusätz­ lich zur Übertragung in der Flüssigkeit innerhalb des Rohrs auch innerhalb der Wandung des Rohrs selbst übertragen wird. Dies kann zu einer Schallausbreitung aus der Wandung in die Flüssigkeit führen, insbesondere an Stellen, wo die Röhren­ wandung zu Halterungszwecken geklemmt ist. Hierdurch entstehen falsche Echos, welche der Ultraschall-Send-Empfänger empfängt. Um diesem Nachteil zu be­ gegnen wurden Rohre aus Kunststoffmaterialien verwendet, welche weniger starke Streuechos erzeugen. Dies führt jedoch zu einem anderen Nachteil, da aufgrund der geringeren Steifigkeit von Kunststoff gegenüber Metall die Wandung des Rohrs relativ dick auszulegen ist, um die notwendige Steifheit zu erhalten, was wiederum zu einer Gewichtserhöhung führt. Beim Einsatz in Luftfahrzeugen, wo ein Dutzend oder noch mehr derartige Einrichtungen verwendet werden, ist der Gewichtszuwachs von besonderem Nachteil und führt zu stark erhöhten Betriebskosten.

Ein weiterer Nachteil dieser Sensoren wird offenbar, wenn die Ultraschallwellen nicht axial entlang des Rohres verlaufen, weil dann multiple Echos entstehen und der tatsächlich zurückgelegte Weg vergrößert wird, was zu einer entsprechenden Zeit­ verzögerung führt. Dieser Nachteil tritt insbesondere dann auf, wenn die Flüssig­ keitsoberfläche nicht senkrecht zur Rohrachse orientiert ist, weil in diesem Fall die Mehrzahl der reflektierten Signale nicht axial entlang des Rohrs verlaufen. Obwohl die Signale, welche axial entlang des Rohrs reflektiert werden, ausreichen können, um die Flüssigkeitshöhe zu messen, können diese Signale durch starke multiple Reflexionssignale von den Röhrenwandungen überdeckt werden.

Es besteht daher die Aufgabe, einen Ultraschall-Füllstandssensor so weiterzubil­ den, daß bei möglichst geringem Gewicht die Bildung von Streuechos weitgehend vermieden wird.

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

Das Rohr des Füllstandssensors nach dem Anspruch 1 weist ähnliche akustische Ei­ genschaften auf wie ein vollständig aus Kunststoffmaterial hergestelltes Rohr, wobei die Festigkeit des Materials jedoch die Bauweise mit einer dünneren Wandstärke und demzufolge geringerem Gewicht als bei einem herkömmlichen Kunststoffrohr zuläßt.

Ein Ultraschallsensor zum Einsatz bei einer Tankfüllstandsanzeige eines Flugzeugs 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 des Sensors im Kraftstofftank eines Flugzeugs und

Fig. 2 eine vergrößerte seitliche Querschnittsdarstellung des Sensors.

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 etwa 530 mm 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 obe­ ren Endes weist das Rohr 30 (nicht dargestellte) Belüftungsöffnungen auf, welche auch in die Metallkappe integriert sein können. An ihrem unteren Ende ist die Anordnung zum Treibstoff innerhalb des Tanks 4 über vier in gleichem Abstand zu­ einander angeordnete Schlitze 34 um das untere Ende des Rohrs 30 geöffnet. Einer oder mehrere Referenzreflektoren 35 erstrecken sich an bestimmten Punkten durch die röhrenförmige Anordnung 15 entlang ihrer Länge.

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-Send-Empfänger 68 umfaßt, welcher an der Unterseite dieser Platte mithilfe eines akustisch absorbierenden Kunststoffs 69 wie Polysulfid vergossen ist. Der Ultraschall-Send-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 Send-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 Send-Empfänger 68 mit elek­ trischen Pulsen, wodurch der Send-Empfänger Ultraschallpulse bei einer Frequenz von etwa 1 MHz und einem Pulsabstand von etwa 1 Sekunde emittiert. Die Ultra­ schallenergie ist vertikal nach oben gerichtet entlang der Achse der röhrenförmigen Anordnung 15.

Jeder Ultraschallpuls verläuft innerhalb der Anordnung 15 in dem Treibstoff 6 axial nach oben, bis er die Grenzfläche zur Luft oder dem Gas in dem Tank 4 ober­ halb der Flüssigkeit erreicht. An diesem Punkt wird der Energiepuls nach unten reflektiert zurück zum Sende-Empfänger 68. Der Sende-Empfänger 68 empfängt auch Echopulse von den Reflektoren 35. Diese Echopulse stellen Kalibrierungspulse dar, mit deren Hilfe das Echo von der Flüssigkeitsoberfläche kalibriert 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 Energiebetrag erheblich. Dies führt zu einem wesentlich saubereren Ausgangssignal, d. h. einem Ausgangssignal mit erheblich weniger Rauschen als bei einer Metallröhrenanordnung ohne derartige Beschichtung. In der Vergangenheit war es aufgrund des starken Rauschens nicht möglich, Metallröhren zu verwenden. Die Leistungsfähigkeit von Röhren aus ande­ ren steifen Materialien, wie beispielsweise steifem glasfaserverstärktem Kunststoff, kann auch durch Beschichtung mit einem anderen, akustisch absorbierenden Mate­ rial verbessert werden. Insbesondere kann eine röhrenförmige Anordnung aus einem hartimprägnierten Glasfaserstreifen, beispielsweise Fiberite von ICI Fiberite in Kali­ fornien, USA, welcher auf ein Polybutadienrohr aufgewickelt ist, beispielsweise Buna CB von Bayer AG, Leverkusen, Deutschland, hergestellt werden. Nach dem Härten führen die Glasfasern zu einer steifen Außenstruktur, während das Polybutadienrohr eine elastische, akustisch absorbierende innere Schicht bildet.

Weil das Kunststoffmaterial, welches den Send-Empfänger 68 umgibt, akustisch absorbierend ist, isoliert es den Send-Empfänger von der röhrenförmigen Anord­ nung 15. Hierdurch wird der vom Sende-Empfänger 68 in die Wandung des Rohrs abgegebene Energiebetrag weiter reduziert. Dies hat auch zur Folge, daß die äußeren Störungen, welche der Sensor bei anderen Sensoren erzeugt, reduziert werden und weniger Ultraschallenergie von der Rohrwandung an den umgebenden Treibstoff ab­ gegeben wird.

Claims (9)

1. Füllstandssensor mit einem Ultraschall-Sende-Empfänger (68), welcher am unteren Ende eines vertikal verlaufenden Rohrs (30) angebracht ist, wobei der Füllstand in dem Rohr (30) identisch mit dem Füllstand außerhalb des Rohrs (30) ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (30) aus einem ersten, steifen Material besteht und mindestens entlang eines erheblichen Teils sei­ ner Länge eine Oberflächenschicht (32) aus einem zweiten Material aufweist, welches akustisch absorbierend ist.

2. Füllstandssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste, steife Material Metall ist.

3. Füllstandssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Aluminium ist.

4. Füllstandssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material glasfaserverstärkter Kunststoff ist.

5. Füllstandssensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich die Oberflächenschicht (32) auf der Innenseite des Rohres (30) befindet.

6. Füllstandssensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das zweite Material ein Kunststoffmaterial ist.

7. Füllstandssensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffmaterial Polysulfid ist.

8. Füllstandssensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das zweite Material als Beschichtung aufgebracht ist.

9. Füllstandssensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Send-Empfänger (68) innerhalb eines akustischen Isolators (66, 67, 69) befestigt ist, welcher den Energiefluß zu und von der Wandung des Rohres (30) erheblich reduziert.