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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter, insbesondere in einem Kraftstofftank eines Kraftfahrzeugs, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Zum Stand der Technik wird insbesondere auf die
US 4,531,406 verwiesen, die diese Merkmale zeigt; und ferner auf die
US 5,119,676 , die einen als sog. Vorlaufkörper dienenden langen Schallleiter zeigt. Ferner ist es beispielsweise aus der
GB 2 206 965 A grundsätzlich bekannt, in einem Behälter mehrere Schallleiter vorzusehen.
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Die Füllstandsmessung in Behältern mit Hilfe von Ultraschallwellen ist grundsätzlich bekannt. Dabei wird beispielsweise 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, kann eine Referenzmessung in einer bekannten, mit der gleichen Flüssigkeit befüllten Strecke durchgeführt werden. Aus der somit ermittelten Füllhöhe kann dann mit Hilfe einer aufgenommenen Füllstandskennlinie das im Behälter enthaltene Flüssigkeits-Volumen ermittelt werden.
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In einer bekannten Ausführungsform (
DE 199 42 379 A1 ) ist die sog. Ultraschall-Messeinheit 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 Montagestelle 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. Als Abhilfemaßnahme für dieses Problem bietet sich der Einsatz eines mit dem bodenseitigen Ende des Messrohres verbundenen Schallleiters an, was in der eingangs erstgenannten gattungsbildenden Schrift gezeigt ist.
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Damit 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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Hiermit soll nun eine besonders vorteilhafte Messvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 für einen Behälter aufgezeigt werden, der 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 befülltem Behälter kommunizierende Gefäße bilden (= Aufgabe der vorliegenden Erfindung).
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.
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Die Verwendung eines zusätzlichen Schall-Leiters ermöglicht es, 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 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. Grundsätzlich kann die Ultraschall-Messeinheit für jeden Behälter-Raum eine eigene Sende-Empfangseinheit aufweisen; besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn gemäß vorliegendem unabhängigem Anspruch allen Messrohren eine einzige Sende-Empfangseinheit zugeordnet ist. Hiermit 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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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 schall-leitend ist und ähnliche akustische Eigenschaften aufweist wie die im Behälter befindliche Flüssigkeit.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels weiter erläutert, wobei die beigefügte 1 den Querschnitt eines in Sattelbauweise ausgeführten Kraftstoff-Behälters eines Kraftfahrzeuges zeigt, in dem eine erfindungsgemäße Mess-Vorrichtung vorgesehen ist. In 2 ist eine Abwandlung dieser Ausführungsvariante dargestellt, und zwar lediglich Ausschnitt X aus 1. Die 3 zeigt prinzipiell eine 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 1 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 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 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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Wie 1 zeigt ist für jeden Behälter-Raum 2a, 2b des Behälters 1 zwar ein eigenes Messrohr 8 mit zugehörigem Schallleiter 7 vorgesehen, jedoch „hängen” zur Reduzierung des Aufwands die beiden Messrohre 8 in den beiden Behälter-Räumen 2a, 2b quasi an einer gemeinsamen Ultraschall-Messeinheit 6 bzw. sind mit dieser verbunden. 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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2 zeigt den Ausschnitt X aus 1 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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3 zeigt eine Prinzip-Aufsicht auf eine Ultraschall-Messeinheit 6, wobei für die beiden Schall-Leiter 7 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.
