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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Füllstands einer
Flüssigkeit in einem Behälter, insbesondere in einem Kraftstofftank eines
Kraftfahrzeugs, mit einer Ultraschall-Messeinheit zum Erzeugen von
Ultraschallwellen in der Flüssigkeit und zum Empfangen der am
Flüssigkeitsspiegel im Behälter reflektierten Ultraschallwellen, wobei diese
Ultraschallwellen in einem sich im wesentlichen vom Boden des Behälters
bis zur Behälter-Decke erstreckenden Messrohr geführt sind, dessen
Innenraum bodenseitig mit dem Behälter-Innenraum in Verbindung steht, so
dass der Flüssigkeitsstand im Messrohr im wesentlichen gleich dem
Flüssigkeitsstand im Behälter ist. Zum technischen Umfeld wird neben der
EP 0 316 564 B1 insbesondere auf die DE 199 42 379 A1 verwiesen.
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Die Füllstandsmessung in Behältern mit Hilfe von Ultraschallwellen ist
beispielsweise aus der letztgenannten Schrift bekannt. Dabei wird am Boden
des Behälters, insbesondere eines Kraftstoffbehälters bzw. Kraftstofftanks
eines Kraftfahrzeugs, ein Ultraschall-Sender angebracht und im Inneren des
Behälters ein sog. Messrohr. Die Messung des Flüssigkeits-Füllstands erfolgt
durch Aussenden eines Schallimpulses vom Sender, wobei dieser Impuls an
der Übergangsfläche zwischen der Flüssigkeit und dem darüber befindlichen
Gas, d. h. am Flüssigkeitsspiegel im Behälter, von unten her kommend
reflektiert wird und anschließend von einem Empfänger wieder
aufgenommen wird. Um die Streuung des Schalls innerhalb des Behälters bzw.
Kraftstofftanks zu verhindern, wird dabei das besagte, den Schall führende
Messrohr eingesetzt. Durch dieses Messrohr werden im bekannten Stand
der Technik die Schallwellen vom Behälterboden aus nach oben gesendet,
am Flüssigkeitsspiegel reflektiert und zum Empfänger zurückgeleitet.
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Der genannte Sender und Empfänger bilden dabei eine sog. Ultraschall-
Messeinheit, deren Signale in einer Elektronikeinheit geeignet ausgewertet
werden. Die Füllhöhe bzw. der Flüssigkeitsstand im Behälter ergibt sich
dabei aus der Zeitdifferenz zwischen dem Senden des Schallimpulses und
dem Empfang des reflektierten Signals. Da dieses Messergebnis jedoch von
der Schallgeschwindigkeit und diese bspw. von der Temperatur der im
Behälter befindlichen Flüssigkeit abhängig ist, wird eine Referenzmessung in
einer bekannten, mit der gleichen Flüssigkeit befüllten Strecke durchgeführt,
wofür eine Ausführungsform in der eingangs zweitgenannten Schrift
angegeben ist. Aus der somit ermittelten Füllhöhe kann dann mit Hilfe einer
aufgenommenen Füllstandskennlinie das im Behälter enthaltene
Flüssigkeits-Volumen ermittelt werden.
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Wie bereits erwähnt wurde, ist die sog. Ultraschall-Messeinheit im bekannten
Stand der Technik an der Behälter-Unterseite befestigt, nachdem die
Ultraschallwellen vom Behälterboden ausgehend durch die im Behälter
befindliche Flüssigkeit zum Flüssigkeitsspiegel gesendet werden. Unter
anderem an einem Kraftstoff-Tank eines Kraftfahrzeuges ist diese Montage-
Stelle der Ultraschall-Messeinheit jedoch weniger geeignet. So wird für die
Messeinheit im Hinblick auf die Bodenfreiheit des Kraftfahrzeugs wertvoller
Bauraum benötigt. Ferner ergibt sich bei einer Befestigung der Messeinheit
im Unterbodenbereich des Kraftfahrzeugs das Problem, dass aufwändige
Schutzmassnahmen gegen eine äußere Einwirkung von Gegenständen (wie
Steinschlag, Bordsteine etc.) erforderlich sind.
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Eine Abhilfemaßnahme hierfür aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden
Erfindung.
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Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschall-
Messeinheit abseits des Behälter-Bodens angeordnet und mit dem
bodenseitigen Ende des Messrohres über einen Schall-Leiter verbunden ist.
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Erfindungsgemäß kann die relativ empfindliche und Bauraum benötigende
Messeinheit (bestehend zumindest aus einem Ultraschall-Sender oder
einem Ultraschall-Empfänger, bevorzugt jedoch Sender und Empfänger
enthaltend) auch an einer anderen Stelle als am Behälterboden angeordnet
sein, wenn diese Messeinheit mit dem Messrohr, innerhalb dessen die
Ultraschallwellen vom Behälterboden bis zum Flüssigkeitsspiegel sowie
zurück geführt werden, über einen sog. Schall-Leiter verbunden ist. Dieser
Schall-Leiter gewährleistet dann die für die Funktion der Messvorrichtung
erforderliche Verbindung zwischen dem dem Behälterboden zugewandten
Ende des Messrohres und der besagten Messeinheit. Über den bzw. durch
den Schall-Leiter hindurch werden somit die Ultraschallwellen zwischen der
Messeinheit und dem sog. bodenseitigen Ende des Messrohres geleitet. Die
Messeinheit selbst muss demzufolge nicht im Bereich des bodenseitigen
Endes des Messrohres angeordnet sein.
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Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind Inhalt der
Unteransprüche. So wird die Gefahr von starken Störungen durch diesen
zusätzlichen Schall-Leiter gering gehalten, wenn die akustischen
Eigenschaften des Schall-Leiters im wesentlichen gleich denjenigen der im
Behälter befindlichen Flüssigkeit sind. Dann tritt an der Übergangsstelle
zwischen dem Schall-Leiter und der im Messrohr befindlichen Flüssigkeit,
deren Füllstand im Behälter ermittelt werden soll, keine nennenswerte
zusätzliche Reflexion der Schallwellen auf. In diesem Sinne kann es sich
beim sog. Schall-Leiter um ein geeignetes Medium handeln, das sich in
einem sog. Leit-Rohr befindet, welches sich von der Ultraschall-Messeinheit
zum bodenseitigen Ende des Messrohres erstreckt. Dieses Leitrohr ist dann
mit einem bzw. diesem geeigneten Medium befüllt, welches gut schallleitend
ist und ähnliche akustische Eigenschaften aufweist wie die im Behälter
befindliche Flüssigkeit.
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Die erfindungsgemäße Verwendung eines zusätzlichen Schall-Leiters
ermöglicht es somit, die Ultraschall-Messeinheit auch an der Oberseite, d. h.
im Bereich der sog. Decke des Behälters anzuordnen. Dies ist insbesondere
an Fahrzeug-Kraftstofftanks besonders vorteilhaft, da in diesem Bereich
bereits weitere Systeme, wie Tank-Entnahmeleitungen oder Tank-
Entlüftungssysteme angeordnet sind. Dies ist aber auch dann besonders
vorteilhaft, wenn es sich um einen Kraftstofftank der sog. Sattelbauart
handelt. Bei dieser Bauart weist der Behälter, dessen Füllstand zu ermitteln
ist, mehrere sog. Behälter-Räume auf, die nicht im Bereich des Behälter-
Bodens, sondern bspw. im Bereich der Behälter-Oberseite miteinander
verbunden sind und die demzufolge nur bei vollständig befülltem Behälter
kommunizierende Gefäße bilden. Soll nun in einem derartigen Behälter bzw.
Kraftstoff-Satteltank der Füllstand bestimmt werden, so muss der Füllstand
jedes einzelnen sog. Behälterraums individuell bestimmt werden, d. h. es
muss praktisch in jedem sog. Behälter-Raum ein Messrohr vorgesehen sein.
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Wenn dann - wie vorgeschlagen - eine sog. Ultraschall-Messeinheit im
wesentlichen im Bereich der Behälter-Decke, d. h. an der Oberseite des
Behälters, angeordnet ist, so kann von dieser Messeinheit zu jedem
einzelnen Messrohr (genauer zum bodenseitigen Ende jedes einzelnen
Messrohres) in den einzelnen sog. Behälterräumen jeweils ein Schall-Leiter
geführt sein. Dabei kann die Ultraschall-Messeinheit für jeden Behälter-
Raum eine eigene Sende-Empfangseinheit aufweisen oder es kann allen
Messrohren eine einzige Sende-Empfangseinheit zugeordnet sein. In beiden
Fällen kann der Bauraumbedarf, der Bauaufwand im allgemeinen sowie der
Verkabelungsaufwand im Besonderen reduziert werden. Insbesondere ist es
nicht mehr erforderlich, für jeden einzelnen Behälterraum eine eigene
Ultraschall-Messeinheit vorzusehen, da auf relativ einfache Weise von einer
zentralen "obenliegenden" Messeinheit die besagten Schall-Leiter in die
einzelnen Behälterräume geführt werden können.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand lediglich prinzipiell dargestellter
bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert, wobei die beigefügten
Fig. 1, 2 jeweils den Querschnitt eines in Sattelbauweise ausgeführten
Kraftstoff-Behälters eines Kraftfahrzeuges zeigen, in dem eine
erfindungsgemäße Mess-Vorrichtung vorgesehen ist. In Fig. 3 ist eine Abwandlung
der Ausführungsvariante nach Fig. 2 dargestellt, und zwar lediglich Ausschnitt
X aus Fig. 2. Die Fig. 4 und 5 zeigen prinzipiell zwei Varianten der sog.
aus Sender und Empfänger bestehenden Messeinheit. Dabei sind in
sämtlichen Figuren für gleiche Elemente die gleichen Bezugsziffern
verwendet.
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Zunächst auf die Fig. 1, 2 Bezug nehmend ist mit der Bezugsziffer 1 ein
Behälter, nämlich ein Kraftfahrzeug-Kraftstofftank bezeichnet, der hier in
Sattelbauweise ausgeführt ist, d. h. rechtsseitig sowie linksseitig des nicht
dargestellten Fahrzeug-Mitteltunnels befindet sich jeweils ein sog. Behälter-
Raum 2a, 2b, die im obenliegenden Bereich des Behälters 1 - dieser wird
auch als Bereich unter der Behälter-Decke 1b bezeichnet - in einem
Übergangsabschnitt 2c miteinander verbunden sind. Ein Behälter-Einfüllrohr
trägt die Bezugsziffer 3 und mündet im rechtsseitigen Behälter-Raum 2a, in
dem auch ein eine nicht dargestellte Kraftstoff-Förderpumpe aufnehmender
sog. Schwalltopf 4 vorgesehen ist. Nicht dargestellt ist eine im linken
Behälter-Raum 2b vorgesehene Pumpe, die darin befindliche
Flüssigkeit/Kraftstoff in den rechten Behälter-Raum 2a fördert, und die bspw. - wie
üblich - als Saugstrahlpumpe ausgebildet ist.
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Im Behälter 1 befindet sich Flüssigkeit, hier Kraftstoff, wobei der aktuelle
Füllstand oder Flüssigkeitsstand bzw. Flüssigkeitsspiegel mit der
Bezugsziffer 5 bezeichnet ist. Aktuell reicht der Kraftstoff bis in den
Übergangsabschnitt 2c hinein, so dass der Füllstand 5 bei eben stehendem Fahrzeug in
beiden Behälter-Räumen 2a, 2b gleich ist, nachdem der Boden 1a des
Behälters 1 für beide Behälter-Räume 2a, 2b auf der gleichen Höhen-Ebene
liegt. Wenn jedoch der Füllstand in den beiden Behälter-Räumen 2a, 2b
unterhalb des Übergangsabschnittes 2c fällt, so kann linksseitig und
rechtsseitig im Behälter 1 durchaus ein unterschiedlicher Füllstand 5
vorliegen. Wenn die Menge des im Behälter 1 befindlichen Kraftstoffs
bestimmt werden soll, so muss dann eine Füllstandsmessung in den beiden
Behälterräumen 2a, 2b durchgeführt werden.
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Zur Füllstandsmessung ist eine Ultraschall-Messeinheit 6 bzw. 6a, 6b
vorgesehen, die aus einem Sender zum Erzeugen von Ultraschallwellen
sowie einem Empfänger zum Empfangen von Ultraschallwellen besteht.
Über einen Schall-Leiter 7 ist die Ultraschall-Messeinheit 6 (bzw. 6a, 6b) mit
einem hier L-förmigen Messrohr 8 verbunden, das innerhalb des Behälters 1
angeordnet ist. Dabei mündet der Schall-Leiter 7 in den nahe dem Behälter-
Boden 1a liegenden kürzeren Schenkel dieses Messrohres 8. Bspw. dieser
kürzere, im wesentlichen horizontal verlaufende Schenkel des Messrohres 8
ist mit Übertrittsöffnungen zum Behälter-Innenraum hin versehen, so dass
die im Behälter 1 befindliche Flüssigkeit in diesen Schenkel und somit in das
gesamte Messrohr 8 gelangt. An den kurzen horizontal verlaufenden
Schenkel schließt sich ein längerer im wesentlichen vertikal ausgerichteter
Schenkel des Messrohres 8 an, der bzw. das sich (somit) praktisch vom
Behälter-Boden 1a aus nahezu bis zur Behälter-Decke 1b erstreckt. In
diesem Messrohr 8 liegt dabei - aufgrund der genannten, nicht dargestellten
Übertrittsöffnungen - stets der gleiche Flüssigkeitsstand 5 vor wie in der
direkten Umgebung des Messrohres 8 im jeweiligen Behälter-Raum 2a bzw.
2b.
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Vom Sender der Ultraschall-Messeinheit 6 ausgesandte Ultraschallwellen
gelangen durch den Schall-Leiter 7 in das Messrohr 8 und werden in diesem
in der darin enthaltenen Flüssigkeit bis zum Füllstand 5 bzw.
Flüssigkeitsspiegel 5 geführt, wo diese Schallwellen aufgrund des Übergangs zum
oberhalb des Flüssigkeitsspiegels 5 befindlichen Gasvolumen reflektiert
werden und durch das Messrohr 8 sowie den Schall-Leiter 7 zurück zur
Messeinheit 6 gelangen. Dort werden diese Ultraschallwellen vom
Empfänger registriert, wonach aus der Zeitspanne zwischen dem Aussenden und
dem Empfang auf die Laufzeit und somit auf den Füllstand im Messrohr 8
bzw. in dessen direkter Umgebung geschlossen werden kann.
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Wie weiter oben (vor der Bezugnahme auf die beigefügten Figuren) erläutert
wurde, kann die Ultraschall-Messeinheit 6 abseits des Behälter-Bodens 1a
und insbesondere im Bereich der Behälter-Decke 1b angeordnet werden,
obwohl es funktional notwendig ist, dass die Ultraschallwellen in das
behälter-bodenseitige Ende 8' des Messrohres 8 eingeleitet werden, um
auch einen minimalen Füllstand bestimmen zu können. Ermöglicht wird
diese Anordnung der Messeinheit 6 abseits des Behälter-Bodens 1a
aufgrund des Schall-Leiters 7, der eine Verbindung zwischen der Mess-
Einheit 6 und dem bodenseitigen Ende des Messrohres 8 herstellt. Dabei
sind - wie ebenfalls bereits weiter oben erläutert wurde - die akustischen
Eigenschaften des Schall-Leiters 7 im wesentlichen gleich denjenigen des im
Behälter 1 befindlichen Kraftstoffs, um die Gefahr von starken Störungen
durch diesen zusätzlichen Schall-Leiter 7 gering zu halten und insbesondere
um an der Übergangsstelle zwischen dem Schall-Leiter 7 und der im
Messrohr 8 befindlichen Flüssigkeit keine nennenswerte zusätzliche
Reflexion zu erzeugen. Hauptsächlich erfolgt die Reflexion des
Schallimpulses weiterhin am Flüssigkeitsspiegel 5, d. h. am Übergang vom Kraftstoff
zum darüber liegenden Gasvolumen, und zwar innerhalb des Messrohres 8.
Bevorzugt handelt sich beim sog. Schall-Leiter 7 um ein geeignetes Medium,
das sich in einem sog. Leit-Rohr befindet, welches sich von der Ultraschall-
Messeinheit 6 zum bodenseitigen Ende 8' des Messrohres 8 erstreckt.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist für jeden Behälter-Raum 2a, 2b
des Behälters 1 nicht nur ein eigenes Messrohr 8, sonder auch eine eigene
Ultraschall-Messeinheit 6a bzw. 6b mit zugehörigem Schall-Leiter 7vorgesehen. Demgegenüber reduziert werden kann der Aufwand, wenn - wie
Fig. 2 zeigt - die beiden Messrohre 8 in den beiden Behälter-Räumen 2a,
2b quasi an einer gemeinsamen Ultraschall-Messeinheit 6 "hängen". Diese
einzige den Montage- und Vekabelungsaufwand herabsetzende Ultraschall-
Messeinheit 6 versorgt beide Messrohre 8 mit Ultraschallwellen und
empfängt die jeweils reflektierten Schallwellen auch wieder. Dabei ist die
Geometrie der (hier beiden) Schall-Leiter 7 so gewählt bzw. derart
aufeinander abgestimmt, dass keine Überschneidung der Signale zwischen dem
linksseitigen Messrohr 8 und dem rechtsseitigen Messrohr 8 stattfinden
kann.
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Fig. 3 zeigt den Ausschnitt X aus Fig. 2 in einer Abwandlung. Dabei ist die
Form der Wand des Kraftstoff-Behälters 1 so angepasst, dass die Winkel
der Schall-Leiter 7 insbesondere bezüglich der Messeinheit 6 möglichst
günstig ausfallen. Grundsätzlich sollten notwendige Winkel so flach als
möglich gestaltet werden, da Signal-Verluste in den Schall-Leitungen 7 (und
im Messrohr 8) bei großen Radien wesentlich geringer sind als bei kleinen
Radien oder scharfen Biegungen.
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Die Fig. 4 und 5 zeigen jeweils eine Prinzip-Aufsicht auf eine
Ultraschall-Messeinheit 6. Bei der Variante nach Fig. 4 ist für jeden der beiden
Schall-Leiter 7 (vgl. Fig. 1, 2) eine eigenständige Sende-Empfangs-Einheit 9,
die jeweils aus einem Sender 9a sowie einem Empfänger 9b besteht, im
Gehäuse der Ultraschall-Messeinheit 6 vorgesehen, während bei der
Variante nach Fig. 5 für die beiden Schall-Leiter 7 (vgl. Fig. 1, 2) eine
gemeinsame Sende-Empfangs-Einheit 9', die aus einem gemeinsamen
Sender 9a' sowie einem gemeinsamen Empfänger 9b' besteht, im Gehäuse
der Ultraschall-Messeinheit 6 vorgesehen ist.
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Grundsätzlich ermöglicht es die vorliegende Erfindung, die hier beiden
Kammern oder Räume 2a, 2b des Behälters 1 mit einer einzigen Ultraschall-
Messeinheit 6 zu erfassen und insbesondere diese Ultraschall-Messeinheit
auf der Oberseite des Tanks, d. h. auf der Behälter-Decke 1b montieren zu
können. Dabei kann durchaus eine Vielzahl von Details insbesondere
konstruktiver Art abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel gestaltet
sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen. Insbesondere ist
die Beschränkung auf den Ultraschallbereich nicht wesentlich, d. h. es
können allgemein Schallwellen auf die beschriebene Weise zur Füllstands-
Messung geführt werden.
Bezugszeichenliste
1 Behälter/Kraftstoff-Tank
1a Behälter-Boden
1b Behälter-Decke
2a, b Behälter-Raum
2c Übergangsabschnitt
3 Einfüllrohr
4 Schwalltopf
5 Füllstand/Flüssigkeitsstand/Flüssigkeitsspiegel
6a, b Ultraschall-Messeinheit
7 Schall-Leiter
8 Messrohr
8' bodenseitiges Ende von 8
9, 9' Sende-Empfangs-Einheit
9a(') Sender
9b(') Empfänger