DE1954176A1 - Volumen-Messanordnung - Google Patents

Description

Prankfurt am Main,

Dipl. Ing. R. Mertens f 7. Okt. 1969

Patentanwalt H 3Ί P Ό0

Frankfurt/M., Ammeiburgstraße 34

HONEYWELL INC.
2701 Fourth Avenue South Minneapolis, Minn., USA

Volumen-Meßanordnung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur vom Volumen einer Flüssigkeit abhängigen Unterbrechung der Flüssigkeitszufuhr in einen Befälter, die ein Massenmeßgerät, welches ein der Flussigkeitsmasse entsprechendes erstes Signal abgibt, einen Dic'ntemeFser, welcher ein der F.TÜsstgl<eitsdichte entsprechendes zweites Signal abgibt und eir.e zur- rtiögliohen Unterbrechurg der Flüssigkeitszufuhr dienende Schließvorrichtung aufweist.

Derartige Volumen-Meßanordnungen werden überall dort benötigt, wo das räumliche Fassungsvermögen des *zu füllenden Behälters nicht aber die Dichte der einzufüllenden Flüssigkeit bekannt ist. Dies·ist beispielsweise bei Flugzeugtanks der Fall, die trotz unterschiedlicher Dichte des getankten Treibstoffes voll aufgefüllt werden sollen.

Die bekannten Volumen-Meßanordnungen haben den Nachteil, daß sie mechanisch arbeiten, wodurch ihre Messungen oft nicht die gewünschte Genauigkeit besitzen.

Aufgabe üer Erf induing in ~- ©ü, eine Volumen«MeSanoi?diiung der eingangs geschilderten Art mit iioher Meßgenauiglteit darzustellen.

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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine Multiplizierschaltung, welcher ein dem vorgegebenen Volumen entsprechendes viertes Signal und das zweite Signal zugeführt wird, ein den Massensollwert kennzeichnendes drittes Signal erzeugt, welches in einem Vergleicher mit dem ersten Signal verglichen wird, wobei im Falle, daß das erste Signal größer oder gleich dem dritten Signal ist, der Vergle"eher ein fünftes Signal abgiot, bei dessen Auftreten die ^nhl!^vorrichtung die Flüssigkeitszufuhr unterbricht.

Eine ^Il"erb.sserung der Meßgenauigkeit läßt sich dadurch erreichen, daß der Dichtemesser aus. 3inem elektrischen Schaltkreis gebildet ist, der zwei mit gegenphc-sigen Wechselspannungen gespeiste w Koridviusa boren aufv^i^t, aaß die oeiden Kondensatoren., vop denen fiiner die Kapazität K*C_C (K = '. Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit, C. = Kapazität des trockenen Kondensators) und de:· andere Kondensator die Kapazitäi.

\ ^Kn ^Cc ^gl

(K = »_ Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit hei bestimmter '^fflDeT-atiir, Ej, E, = die an den Kondensatoren jeweils anliegende wechselspannung) aufweist, miteinander verbunden sind und der v^rcrb3..dut.gspunkt ■ en den Eini-ang eine? Operationsverstärkers angeschlossen und daß line Einrichtung vorgesehen ist, um der Spannung am Ausgang des über einen Kondensator mit der Kapazität von C_f rückgekoppelten Operationsverstärkers eine Spannung Ep hinzuzufügen, so daß die Spannung am Ausgang des Dichtemessers

beträgt. C|. ist die Kapazität des Rückkopplungskondensators.

Eine besonders günstige Lösung ergibt sich, wenn das erste und das dritte Signal zueinander gegenphasig sind.

Ein zur Verwendung in Flugseugen geeignetes •''Indungsg'.eraäßen Anordnung wird nachfolgend anhäuft^, dar

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OHIGHNAL

Zeichnung beschrieben. Darin zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Anordnung,

Fig. 2 das elektrische Schaltbild des in Fig.l als Block dargestellten Dichte-Rechne rs und

Fig..3 das elektrische Schaltbild des in Fig.l als Block dargestellten Vergleichers.

Aus FIy₃ .1 ist zu entnehmen, daß die erfindungsgemäße Anordnung mit öiner Anzeige 10, einem Vergleicher 12, einem Dichte-Rechner 14, eLnenr Kompensationskondensator' 16 und einem Treibstoff-Einlaßventil 18 versehen ist. Die zur normalen Flugzeugausrüstung gehörende Anzeige 10 gibc ein die Masse des Treibstoffes im Treibstoff iank (in der Zeirnnun.tf- :xicht dargestellt) anzeigendes Signal ib. Dieses die Treibst ο fi'nrei.-ge anzeigende Signal wird im folgenden mit K¹. bezeichnet. Das Signal M. gelangt an den Eingang des Vevgleichers 12.

_. ί Platten des Kondensators \6 tauchen vollkommen in den Treibstoff ein, so daß sie auch dann v)n Treibstoff umgeben sriö, wenn sich im Treibstofftank nur ncoh eine unbedeutende Treibstoffmenge befindet, L^r Konde ^ator 16 hat in diesem vollkommen befeuchteten Zustand die Kapazität K. \ * ~<ei X die Dielektrizitätskonstante des Treibstoffes Ui'.d C, ni« Kapazität des trockenen Kondensators ist. Die Kapazität KC dient dem Dichte-Rechner l4 zur Bestimmung der Treibstoffdichte D . Der Rechner l4 gibt ein die Treibstoffdichte D kennzeichnendes Signal ab, welches an den zweiten Eingang des Vergleichers 12 gelangt. Ein drittes Signal, welches das vorbestimmte oder ausgewählte Volumen V_

kennzeichnet, gelangt zu einem dritten Eingang des Vergleichers 12. Insgesamt wirken also drei Signale, nämlich M., D , Y auf

1 Ii, S

die drei verschiedenen Eingänge des Vergleichers 12 ein. Der Vergleicher besitzt intern noch eine Multiplizierschaltung,, die

das Produkt V_ . D_ bildet und den auf diese Weise berechneten 5 η ,

Wert mit M₁ vergleicht. Ist M. gleich oder größer als das Produkt V_ · D . so gibt der Vergleicher 12 an das Treibstoff-Einlaßventil 18 ein Signal ab, wodurch das Ventil schließt.

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Die Treibstoffdichte D ergibt sich aus der bekannten Grundgleichung für kompensierte Kapazitätsmesser

^=Ii-B + A(K-.l), (1)

wobei K die Dielektrizitätskonstante des Treibstoffes ist und A und B Konstanten sind. Durch Auflösen nach D erhält man

^Dn ⁼

n ⁼ B + A(K-I) ^# ■ Durch diesen Ausdruck ist die Dichte des Treibstoffes definiert. Die An/eise der gerade vorhandenen Tred-bstcffmasse ergibt sich aus folgender Gleichung

Hierbei ^ st V das Volumen das tatsächlich vom Treibstoff 1m Tank eingenommen wird.

Zum Zeitpunkt des Schließen? des Einlaßventiles 18 muß daher gelten .

Teilt man die Gleichung durch D so ergibt sich

V-V ( ^)

^va " ^vs '

Da₀ Ei'ilaL'ventil 18 schließt raher unabhängig von der Trer'.botoff-

dichte D die Zuiu^v ·.· sobald das wirkliche Treibstoffvolumen V-n a

gleich dem vorherbestimmten Treibstoffvolumen V_ ist.

Der Rechner 14 soll ein.Signal abgeben, das der Dichte D des Treibstoffes entspricht. Unter bestimmten, in dem vorliegenden Fall aber zulässigen, Einschränkungen für den Wert von K (Dielektrizitätskonstante des Treibstoffes ) wird die Dichte D sehr gut durch folgende Gleichung angenähert

D_n = J + H(K-K_n)

Hierbei sind J und H Konstanten, K ist die Dielektrizitätskonstante des Treibstoffes bei 0° C. K_n hat für einen typischen Treibstoff beispielsweise den Wert 2,13J. Aus der Gleichung (6) kann man entnehmen, daß D_n gleich J wird, sobald die Dielektrizitätskonstante K = K_n gemacht wird. Es lassen sich daher D_n und

damit J berechnen, wenn man K -^_n- 2,1^5 in Gleichung (2)

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■v*

einsetzt und D berechnet. Aus Gleichung (6) läßt sich entnehmen, daß ihre Ableitung nach K gleich H ist. Demgemäß läßt sich H dadurch bestimmen, daß man die Gleichung (2) differenziert und . dann mit K=K = 2,133 berechnet. Liegt K zwischen 2,05 - 2,22, so weicht der durch Gleichung (6) berechnete Wert für D maximal um 0,11$ von dem mittels der Gleichung (2) berechneten Wert ab. Hieraus erkennt man, daß die Gleichung (6) eine gute Näherung für die Gleichung (2) ist.

In Fig.2 ist der Rechner 14 schematisch dargestellt, der die Gleichung (6) löst. Der Rechner l4 besitzt eine Wechsel5nannungsquelle 20, einen mit einer Primärwicklung 24 sowie den Sekundärwicklungen 26 und 28 versehenen Traasformator 22, einen festen Kondensator 30, einen Kompensc^ionskondensator l6, alnen Verstärker 32, einen Rückkopplunscüiuiidensator 34 sowie ein Potentiometer 36. Die Wechselspannungsquelle 20 ist mit der Primärwicklung ü4 dc?s Transformators 22 verbunden. Das in der Zeichnung dargestellte untere Ende der Wicklung ist auf ein konstantes.Bezugspotential, beispielsweise Erde oder Masse, geführt. Die Sekundärwicklung 26 des Transformators 2C ist mit einem geerdeten Abgriff versehen. Die in jeder Half to de·: Sekundärwicklung 26 induzierte Spannung wird mit E₁ bezeichnet»Riese beiden induzierten Spannungen Λί;Π um l8o° phasenverschoben« Der Kondensator 30 it-.t zwischen das in der Zeichnung obere Ende der Sekundärwicklung 26 und einen Summierpunkt 38 geschaltet. De** Kondensator l6 liegt zwischen dem in der Zeichnung unteren Ende von 26 und dem Summierpunkt 38. "■■ ■ · j

Der Verstärker 32 weist zwei Eingangsklemmen und einen Ausgang 4Ö auf. Eine der Eingangsklemmen ist direkt zu dem Summierpunkt 38 und die andere auf Erdpotential geführt. Der Rückkopplungskondensator 34 besitzt eine Kapazität C_f und liegt zwischen dem Ausgang 40des Verstärkers und dem Summierpunkt 38. Der Verstärker 32 hat eine sehr hohe Verstärkung -A, wobei das Minuszeichen andeutet, dafl das Ausgangssignal gegenüber den Eingangssignalen des Verstärkers um l80^ö phasenvorschoben ist.

Das Ausgangssignal des Verstärkers wird im folgenden mit E_ be-

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V "

zeichnet. Der Kondensator 3Q besitzt eine feste Kapazität C_r, die derart ausgewählt ist, daß C_r gleich K_nC₀ ist, wobei C₀ für die Kapazität des trockenen Kondensators 16 steht. Vernachlässigt man den zum Eingang des Verstärkers J>2 fließenden Strom, der wegen der hohen Eingangs impedahz des Verstärkers sehr

der
klein ist, so läßt sich/zum Summierpunkt j58 fließende Strom durch die nachfolgende Gleichung ausdrücken

^Ea^Cf ^+El^Cc^Kn - ^Ei^Cc^K"-° " ^⁷⁾

Aufgelöst nach E ..

^a R₁C_n(K-K_n)
E_a = i^-^- . (8)

' ■ ■ Ter Widerstaiid ues Potentiometers ist zwischen den in ',er Zeichnung uncer^n Anschluß und pine Anzapfung der Se¹CJi.!^wicklung 28 des Trans ro rma tors 22 geschaltet. Das obere Ende der Sekundär^· wicklung ist zu der Ausgangski etnmo 42 geführt. Die Spannung zwischen Erdpotential und der Klemme 42 wird im folgenden E^ bezeichnet. Der Schleifarm des Potentiometers 26 ist .an den Ausgang 4o des Verstärkers angeschlossen. Ep ist die Spannung av-'isohen Schleif arm und Klemme 42.

Nach Kit2hhoff ist

so daß

-E_a - E₂ + E₀ ·= 0 (9)

^Ed ^{= E}2 ^{+ E}a

ist. Mit (8) ergibt sich daraus

E₁C (K-Kj

^Jd - ^a2 ^T G^ ' ■

Hierbei sind,wie sich aus dem Obengesagtmergibt, Ep, E,, C , K und C^. bekannte Konstanten. Setzt man den numerischen Wert für Ep gleich J und den numerischen Wert E,C C_f gleich H, so erhält man

E_d = J + H(K-K_n) . (12)

Hierbei entspricht E^ der Dichte D , d.h. E_d ist ein analoger ■>.... für D„, der auf diese Weise durch den Rechner 14"-berechnet wird. . '

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BAD ORfGINAL

Es ist hervorzuheben, daß die an den beiden Teilen der Sekundärwicklung /induzierten Spannungen nicht notwendigerweise gleich groß wohl aber gegenphasig zueinander sein müssen. So kann beispielsweise die dem Kondensator J50 zugeführte Spannung (jetzt mit E, bezeichnet)ungleich E₁ sein. In diesem Fall muß die Kapazität des Kondensators 30 so gewählt sein, daß

C=Wc

anstatt C = K C . Ansonsten ändert sich an der Arbeitsweise r η c

des Rechners 14 nichts .

In Fig.3 ist der Vergleicher 12 schematisch darg-ertellt. Er ist ■ mit einem einen Widerstand R aufweisende"· verflndor-O^/en Widerstand 44 ^einem einen Widerstand R„ besitzenden ^Cote.i Widerstand 46, einem Verstärker 48, einen¹ einen Widerstand R- aufweisenden Rüclckoppiungswid erst and 50 sowie einem Detektor 52 versehen.

Der Widerstand 44 liegt zwischen der Ausgangsklemme 4p des Rechners l4 und einem verschiedene Ströme summierenden Punkt f4. Der Widerstand 46 i .c zwischen einar Klemme 56 und de:^ Svmmierpunki; S4 angeschlossen. Die art " iü e-mme 42 liegende Spannung E, liegt der durch die Anzeige 10 abgegebenen und M. entsprechendon Spannung/gegenüber. Die Spannungen E^ und E haben ei ie Fre^utnz von 400 H„ und sind gegeneinander um I80 ü/ad phasenverschoben. Der Verstärker 48 besitzt zwei Eingangsklemmen und eine Ausgangsklemme 58. Eine der beiden Eingangsklemmen ist zum Erdpotential geführt. Der Rückkopplungswiderstana/Liegt zwischen der Ausgangsklemme/des Verstärkers 48 und dem Summierpunkt 54. An der Ausgangsklemme des Verstärkers 48 wird eine Spannung E_e abgegeben, wobei diese Spannung entweder positiv oder negativ ist, je nach dem ob sie zur Wechselspannung der Spannungsquelle (siehe Fig.2) gleichphasig oder gegenphasig liegt. Das Phasenverhalten der Wechselspannung E_e ist von der relativen Größe von E_d,E_m und R_v abhängig.

Nimmt man an, daß die Verstärkung(-A₁) des Verstärkers 48 sehr •groß ist und daß der Eingangsstrom des Verstärkers vernach-

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BAD ORIGINAL

lässigt werden kann, so ergibt sich für die Summe der Ströme am Summierpunkt 5^

fl .■ !e ₊ fi■■ _ ₀ .

^Hv ^Rm "f

Für E=O und mit d η ei-hält man

(14)

5l _ ^ _ ^ ^Em ^{= M}i ^{= r}'m

Während R_m ein fester Wert ist. ka-Ji R_y verändert werden. Stellt man nun R so ein, daß der Bruch ^v gleich dem numerischen Wert

von m

^Vs

ist, d*»*-~ gilt

Es ist also E₀ gleich Null wenn V_e gleich V₀ ist. Um das Einlaßventil 18 rechtzeitig zu schließen, ist es daher nur xiotwendig immer ^ann ein Signal an dieses Veniil abzugeben, wenn E, die

von °

Php>.f"2 wpohsel.t. Den Phasenwechsel/E,, jTestzusteilen.istgdie Aufgabe dos Detektors 52, der zwischen die Ausgangskiemme/des Verstärkers 48 und das Einlaßventil ': 8 geschaltet ist. Detekt Λ'βη zur Durchführung derartiger Aufgaben sind bekannt. Für die hier beschriebene Ausführungsform schließt das Ventil l8 immer dann, wenn E_ positiv wird, das ist, wenn E„ gleichphasig mit der

S S

Spannung der Spannungsquelle wird, während M. ansteigt. Es muß festgehalte

können, daß

festgehalten werden, daß E^ und E auch derartig geeicht sein

τ, τν

d η

^r- - Konstante*γϊ£ ^Em "i ■

gilt. Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Anordnung ist die gleiche, abgesehen vom veränderten Proportionalitätsfaktor zwischen V und V_.

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Claims (2)

Patentansprüche

1. ) Anordnung zur vom Volumen einer Flüssigkeit abhelngigen Unter-• brechung der Flüssigkeitszufuhr in einen Be.häiter, die ein Massenmeßgerät, welches ein der Flussigkeitspicsse entsprechendes erstes Signal abgibt, einen Dichtemesser, welcher e?.n der Fliissigkcitsdichte entsprechendes zweites Signal abgibt, und eine zur möglichen Unterbrechung der Flüssigkeitszufuhr dienende Schließvorrichtung aufweist, dadurch g e V 3 η. ή ζ e i c h η e t, daß eine Multiplizlerschaltung (42, 44) welcher ein dem vorgegebenen Volumen entsprechendes viertes Signal(44Vg) und das zweite Signal (D_n*E_d) zugeführt werden, ein dan Massensollwert kennzeichnendes drittes Signal erzeugt, welches in cineat Vergleicher (48-54*, mit awi ersten Signal verglichen wird, wobei im lalle, daß das» er&te Signal (M^) größer oder gleich dem dritten Signal ist, der Vergleicher ein fünftes Signal abgibt, bei dessen Auftreten die Schließvorrichtung (l8) die Flüssigkeitszufuhr unterbricht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, d a d u r c.h g e k e η η zeichne t, daß der Dichtemesser aus einem elektrischen Schaltkreis gebildet ist, der zwei mit gegenphasigen Wechselspannungen (E₁,E,.) gespeiste Kondensatoren (16,JO) aufweist, daß die beiden Kondensatoren, von denen einer die Kapazität K . C₀ (K = Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit, C₀ « Kapazität des trockenen Kondensators ) und der andere Kondensator die Kapazit&fe -_a^_e ^si C^K _n * Dielektrizitätskonstante

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-■ ίο -

der Flüssigkeit bei bestimmter Temperatur, E₁J E, = die an den Kondensatoren jeweils anliegende Wechselspannung) aufweist, miteinander verbunden sind und der Verbindungspunkt an den Eingang (33) eines Operationsverstärkers (48) angeschlossen ist und

daß eine Einrichtung vorgesehen ist um der Spannung am Ausgang (40) de·=; über einen Kondensator (3^) mit einer Kapazität von. C- rückgekoppelten Operationsverstärkers eine Spannung E_n hinzuzufügen, so.daß die Spannung am Ausgang des Dichteme TS er

beträgt«

^Sl^cc ^(K~V

Anoränur^ nach Anspruch 1 oder- 2, d a d u r c h & c kennzeichnet, <ia8 Sas erste und das dritte Signal zueinander gegenphasig sincu

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ORIGINAL

ή*

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