DE3308973C2

DE3308973C2 -

Info

Publication number: DE3308973C2
Application number: DE3308973A
Authority: DE
Inventors: Peter Winchester Hamphsire Gb Clinton
Original assignee: Smiths Group PLC
Current assignee: Smiths Group PLC
Priority date: 1982-03-29
Filing date: 1983-03-14
Publication date: 1992-07-09
Also published as: IT1161026B; IT8320255A0; US4525792A; DE3308973A1; SE457829B; SE8301685L; FR2524141B1; FR2524141A1; SE8301685D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Flüssigkeitsstandmeßsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei kapazitiven Flüssigkeitsstandmeßsystemen wird die Füllstandshöhe bestimmt durch Veränderungen der Kapazität eines in die Flüssigkeit eintauchenden Kon densators. Der Kondensator weist zwei Platten auf, welche durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind, wobei die Kapazität davon abhängig ist, welcher Anteil der Kondensatorplatten in die Flüssigkeit eintaucht.

Die DE-OS 27 53 884 beschreibt einen kapazitiven Meßwandler mit zwei Kondensatoren, von denen einer als Meßkondensator und der andere als Referenzkondensator ausgebildet ist. Beide Kondensatoren sind an Konstantstromquellen angeschlossen und können über einen Schalter periodisch entladen werden. Weichen die Kapazitäten, beispielsweise infolge einer Veränderung des Dielektrikums zwischen den Platten des Meßkondensators, voneinander ab, dann führt dies zu unterschiedlich steilen Anstiegsflanken beim Laden der Kondensatoren, was von einem Differenz verstärker erfaßt wird.

Bei einem anderen Meßprinzip wird einem Meßkondensator an einer seiner Platten ein Wechselstromsignal zugeführt und ein Ausgangssignal von der anderen Platte abgegriffen, welches nach Gleichrichtung einer Meßeinheit zugeführt wird. Eine derartige Anordnung beschreibt die DE-OS 26 03 185, bei der ein HF-Generator aus gangsseitig einen HF-Trafo aufweist. An beide Anschlüsse dieses HF-Trafos ist jeweils ein RC-Glied angeschlossen, woei eines dieser RC-Glieder die Meßsonde und einen Abstimmkondensator umfaßt. Dieses RC-Glied wird so abgeglichen, daß es den gleichen Scheinwiderstand wie das andere RC-Glied aufweist. Dabei ist die Spannung der Anschlüsse beider RC-Glieder am Ausgang des HF-Transformators gleich. Ändert sich die Kapazität der Meßsonde, dann verändert sich der Schein widerstand ihres RC-Glieds, was zu einer Veränderung der Spannungen an den Anschlüssen der RC-Glieder am HF-Transformator gegenüber Masse in entgegen gesetzter Richtung führt. Über zwei Gleichrichter werden diese Spannungen gleich gerichtet und einem Differenzverstärker zugeführt. Hierbei ist der Gleichrichter nicht Bestandteil der Meßsonde, welche nur aus einem Kondensator besteht. Der Gleich richter ist räumlich entfernt vom Kondensator und taucht nicht in die Flüssigkeit ein. Temperaturschwankungen im Bereich des Gleichrichters führen zu einer Meßwert verfälschung, da Gleichrichterdioden typischerweise einen Temperaturkoeffizienten von einigen mV/°C aufweisen.

In einer weiteren häufig verwendeten Ausführungsform eines Flüssigkeitsstandsmeßsystems bilden die Dioden, welche zur Gleichrichtung des Ausgangssignals des Meßkon densators verwendet werden, einen Teil der Meßsonde und sind in die Flüssigkeit eingetaucht. Damit sind die Dioden auch den in der Flüssigkeit auftretenden Temperatur änderungen unterworfen und verfälschen infolge ihres Temperaturkoeffizienten von einigen mV/°C das Meßsignal. Es ist deshalb notwendig, diesen Temperaturdrift zu kompensieren. Eine Temperaturkompensation kann erreicht werden duch Verwendung eines Temperatursensors, der nahe den Dioden angeordnet ist und durch Kenntnis des Temperaturkoeffizienten der Dioden.

Diese Art der Kompensation hat den Nachteil, daß zusätzliche Bauteile notwendig sind, welche die Komplexität der Schaltung erhöhen und deren Zuverlässigkeit vermindern.

Es besteht die Aufgabe, das Flüssigkeitsstandsmeßsystem der zuletzt genannten Art so zu verbessern, daß zur Beseitigung des Temperaturdrifts zusätzliche Bauteile nicht erforderlich sind und die Zuverlässigkeit des Systems erhöht wird.

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

Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert, welche ein Flüssigkeitsstandsmeßsystem für ein Flugzeug wiedergeben. Es zeigen:

Fig. 1 den schaltungstechnischen Aufbau des Systems und

Fig. 2 eine Darstellung der Arbeitsweise eines Teils dieses Systems.

Das Flüssigkeitsstandsmeßsystem der Fig. 1 zum Messen der Füll standshöhe eines Kraftstofftanks umfaßt einen kapazitiven Sensor 1, eine Wechselstromquelle 2, die ein Wechselstromsignal dem Sensor 1 zuführt und eine Meßeinheit 3, die ein Gleich stromausgangssignal der Anzeigevorrichtung 4 zuführt in Übereinstimmung mit Änderungen am Ausgang des Sensors 1.

Der Sensor 1 ist in einem Kraftstofftank 5 des Flugzeugs angeordnet und umfaßt einen Kondensator 6, der im Tank so angeordnet ist, daß er in den Kraftstoff 10 des Tanks eintaucht. Der Kondensator 6 ist bekannten Aufbaus und besteht aus zwei parallelen Platten oder zwei zueinander konzentrischen Rohren, die durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind, der von Kraftstoff ausgefüllt wird in Abhängigkeit der Füllstandshöhe im Tank 5. In Abhängigkeit der Füllstandshöhe verändert sich der Kapazitätswert des Kondensators, und diese Änderungen der Kapazität dienen zum Messen der Füllstandshöhe.

Der Sensor 1 umfaßt zwei zueinander identische Dioden 7 und 8. Die Diode 7 ist mit ihrer Anode mit einer Platte des Kondensators 6 verbunden, während die Kathode an Masse liegt. Die andere Diode 8 ist mit ihrer Kathode mit der gleichen Kondensatorplatte verbunden und liegt mit ihrer Anode an der Leitung 11 an, die zur Meßeinheit 3 führt. Die andere Platte des Kondensators 6 ist über die Leitung 9 mit der Stromquelle 2 verbunden.

Die Stromquelle 2 umfaßt eine Spannungsquelle 20 und einen Konverter 21. Die Spannungsquelle 20 ist beispielsweise entsprechend der GB OS 20 34 051 aufgebaut und erzeugt eine Ausgangsspannung konstanter Frequenz. Die Spannungsquelle 20 umfaßt einen Sinusoszillator 22, dessen Ausgangsspannung eine Spitzenamplitude von V_P aufweist, die bestimmt wird durch die Größe der über die Eingangsleitung 23 zugeführten Gleichstromspeisespannung V_I. Der Ausgang des Oszillators 22 ist verbunden mit dem Eingang eines Diodenschaltkreises 24, welcher eine Gleichstromausgangs spannung V_DP erzeugt, welche proportional ist dem Produkt der Spitzenspannung V_P und der Frequenz f des Oszillators 22. Der Diodenschaltkreis 24 umfaßt einen Referenzkondensator 25 und zwei Dioden 26 und 27, die identisch sind mit den Dioden 7 und 8 des Sensors 1. Die erste Diode 26 ist mit ihrer Anode verbunden mit einer Seite des Kondensators 25 und liegt mit ihrer Kathode an Masse. Die zweite Diode 27 ist mit ihrer Kathode mit der gleichen Seite des Kondensators 25 verbunden und liegt mit der Anode am negativen Eingang eines Strom-Spannungskonverters 28. Der Strom- Spannungskonverter 28 weist einen Rückkopplungswiderstand 29 und parallel dazu einen Kondensator 30 auf, die zwischen dem Ausgang und dem negativen Eingang geschaltet sind. Der positive Eingang des Konverters liegt an Masse. Die Aus gangsspannung V_DP des Diodenschaltkreises 24 wird bestimmt durch die Gleichung

V_DP=2(V_P-V_D)fC_RR_R (I)

wobei C_R die Kapazität des Bezugskondensators 25, R_R den Widerstand des Rückkopplungswiderstands 29 darstellt.

Die Ausgangsspannung V_DP wird über die Leitung 31 einem Eingang eines Spannungskomparators 32 zugeführt, an dessen anderem Eingang eine Bezugsspannung V_R anliegt. Der Spannungskomparator 32 führt dem Oszillator die Eingangs spannung V_I zu und arbeitet so, daß seine beiden Eingangswerte, d. h. V_DP und V_R konstant gehalten werden. Sinkt der Wert von V_DP unter den Wert V_R ab, dann wird der Ausgang V_I entsprechend angehoben, wodurch die Spannung V_P am Ausgang des Oszillators 22 anwächst, was zu einem Anwachsen des Werts von V_DP führt, bis dieser Wert gleich V_R ist. Da V_DP proportional f und dem Wert von (V_P-V_D) ist, führen irgendwelche Änderungen der Werte von V_P oder f zu einer entsprechenden Änderung des Werts von V_DP. Änderungen der Werte V_P oder f ergeben sich beispielsweise infolge eines Temperaturdrifts des Oszillators 22. Änderungen des Werts von V_DP werden kompensiert durch Einstellen des Werts von V_P. Das Produkt aus Spannung und Frequenz (V_P-V_D)f wird deshalb konstant gehalten. Die Spannungsquelle 20 kann auch dazu unterschiedlich gebaut sein.

Die Spannung V_P wird dem Konverter 21 zugeführt, der einen Transformator 210 umfaßt. Die Spannung V_P liegt an der Primär wicklung dieses Transformators 210 an und erzeugt über den Sekundärwicklungen eine Spannung V_S, die an der Leitung 9 anliegt. Der Konverter 21 umfaßt weiterhin einen Schalter 211, über den die Leitungen 9 mit einem Abgriff der Sekundärwicklung verbindbar ist. Bei Verbindungen der Leitung 9 mit dem Mittenabgriff wird die an der Leitung 9 anliegende Spannung um den Faktor X vermindert. Der Schalter 211 wird gesteuert durch Signale der Meßeinheit 3, welche über die Leitung 310 zugeführt werden.

Die Meßeinheit 3 umfaßt einen Prozessor 300, dessen Arbeitsweise schematisch in Fig. 2 dargestellt ist. Wenn der Schalter 211 in seiner Normallage ist, dann liegt die Leitung 9 an der vollen Sekundärwicklung an. Die Spannung beträgt dann V_S, welche am kapazitiven Sensor 1 anliegt und dort in der Leitung 11 einen Ausgangsstrom I₁ erzeugt, der dem Prozessor 300 zugeführt wird.

Dieser Strom I₁ richtet sich nach der Gleichung

I₁=fC2(V_S-V_D) (II)

wobei V_D der Spannungsabfall über der Diode 8 ist.

Wenn der Schalter 211 die Leitung mit dem Abgriff des Transformators 210 verbindet, dann beträgt die am Sensor 1 anliegende Spannung V_S/X. Demgemäß wird dem Prozessor 300 ein Strom I₂ zugeführt, der sich nach folgender Gleichung rich tet

Aus den Gleichungen II und III ergibt sich, daß

vorausgesetzt, daß die Speisespannung V_S und der Faktor X bekannt sind, dann kann der Spannungsabfall über die Diode errechnet werden aus den beiden Stromwerten I₁ und I₂.

Gemäß Fig. 2 wird die Errechnung von V_D ausgeführt vom Block 301, dem die Augenblickswerte von I₁ längs der Leitung 11 und von I₂ vom Speicher 302 zugeführt werden. Der Wert von V_S wird dem Block 301 über die Leitung 9′ zugeführt. Der Block 301 steuert auch den Schalter 211 durch Signale über die Leitung 310.

Der Wert des Kondensators 6 ergibt sich aus der Gleichung II unter Verwendung des Werts von V_D wie folgt

Diese Ausrechnung wird gemäß Fig. 2 durchgeführt im Block 303. Aus dem Wert der Kapazität C kann die Höhe h der Flüssigkeit im Tank 5 bestimmt werden bei Kenntnis, wie sich diese Kapazität verändert über die Länge der Sonde des Sensors hinweg. Diese Ausrechnung wird ausgeführt im Block 304.

Der Kondensator 6 kann der Form des Tanks 5 angepaßt sein, d. h. seine Kapazität kann sich über seine Länge hinweg unproportional verändern, indem die Fläche der Platten und/oder ihr gegenseitiger Abstand sich verändert, so daß ein linearer Bezug mit dem Volumen des Tanks hergestellt wird. Alternativ dazu kann der Prozessor bei 305 ein Modell des Tanks speichern, so daß das Volumen bei einer bestimmten Füllstandshöhe errechnet werden kann. Der Prozessor 300 kann auch ein Ausgangssignal erzeugen, welches dem Gewicht der Flüssigkeit im Tank entspricht, wenn das spezifische Gewicht der Flüssigkeit bekannt ist.

Die Dichte bzw. das spezifische Gewicht D kann abgeleitet werden aus der Näherungsgleichung

D∝(K-1)/(1+0.4K) (VI)

wobei K die Elektrizitätskonstante ist.

Die Temperatur T des Kraftstoffes wird erhalten durch den Spannungsabfall V_D über die Diode 8, da der Temperatur koeffizient der Diode bekannt ist. Zu diesem Zweck wird dem Block 306 vom Block 301 der Wert V_D zugeführt, der den Wert T ausgibt.

Die Frequenz, mit welcher die Bestimmung des Werts V_D erforderlich ist, hängt ab von der speziellen Anwendung des Flüssigstandsmeßsystems. Ändert sich die Temperatur der Flüssigkeit häufig, dann ist es erforderlich, den Wert von V_D öfters zu bestimmen. Ist das Meßsystem in ein Flugzeug eingebaut, dann genügt es, wenn V_D einmal pro Minute bestimmt wird. Daher verbindet der Schalter 211 die Leitung 9 für die meiste Zeit mit der vollen Sekundärwicklung des Transformators 210. Lediglich gelegentlich erfolgt ein Um schalten auf dem Abgriff dieser Wicklung. Es ist hierbei nicht wichtig, um welchen Faktor X die Spannung reduziert wird. Es genügt vielmehr, den Wert des Faktors X genau zu kennen. Die Sekundärwicklung kann beispielsweise in der Mitte angezapft sein, wodurch die Spannung auf die Hälfte vermindert wird, d. h. ×=2. Es ist nicht erforderlich, daß der Konverter 21 einen Transformator umfaßt. Es genügt beispielsweise eine Teilerschaltung bekannter Bauart.

Claims

1. Flüssigkeitsstandsmeßsystem mit einem in die Flüssigkeit eintauchenden kapazitiven Sensor, der einen Kondensator und mindestens einen in Serie zum Kondensator geschalteten Gleichrichter umfaßt und einerseits mit einer Wechselstromquelle und andererseits mit einer Meßeinheit verbunden ist, wobei die Meßeinheit den von der Eintauchtiefe des Sensors in die Flüssigkeit abhängigen, durch den Sensor fließenden Strom erfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechseltromquelle (2) die dem Sensor (1) zugeführte Spannung zwischen zwei Werten umschaltet, die Meßeinheit (3) den bei diesen Spannungswerten jeweils durch den Sensor (1) fließenden Strom (I₁, I₂) erfaßt, hieraus die Meßeinheit (3) den Spannungsabfall (V_D) über den Gleichrichter (8) errechnet und als Korrekturwert bei der Berechnung der Kapazität (C) des Kondensators (6) berücksichtigt.

2. Flüssigkeitsstandsmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter eine Diode (8) ist.

3. Flüssigkeitsstandsmeßsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstromquelle (2) einen Transformator (210) umfaßt, daß das dem Sensor (1) zugeführte Wechselstromsignal von der Sekundärwicklung des Transformators (210) abgegriffen wird und die Wechselstromquelle einen Schalter (211) aufweist, der den Sensor (1) zwischen zwei verschiedenen Abgriffen der Sekundärwicklung schaltet.

4. Flüssigkeitsstandsmeßsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung am einen Abgriff im wesentlichen gleich der Hälfte der Spannung am anderen Abgriff ist.

5. Flüssigkeitsstandsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschalten der Wechselstromquelle (2) zwischen dem ersten und zweiten Wert der Spannung von der Meßeinheit (3) gesteuert wird.

6. Flüssigkeitsstandsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstromquelle (2) das Produkt ihrer Ausgangsspannung (V_P) und ihrer Frequenz (f) für jeden der beiden Werte des Wechselstromsignals im wesentlichen konstant hält.

7. Flüssigkeitsstandsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinheit (3) einen Speicher (302) aufweist, der eine Anzeige der Werte vom Ausgang des Sensors (1) speichert, wenn dem Sensor (1) ein Eingangssignal eines der beiden Werte zugeführt wird.