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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Bestimmung eines Füllstandes und einer Temperatur eines
Fluids.
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Insbesondere
aus dem Kraftfahrzeugbereich ist die Notwendigkeit bekannt, den
Füllstand und die Temperatur eines Motoröls zu überwachen.
Dieser Anwendungsbereich ist zahlenmäßig und damit
auch wirtschaftlich von großer Bedeutung. Motoröle
werden andererseits aufgrund ihrer Aufgabe als Schmiermittel und
gleichzeitig Abtransportmedium für Abwärme auch über
einen sehr großen Temperaturbereich betrieben und können über
Dauer verschiedene Werkstoffe angreifen. In dem Kraftfahrzeugbereich
werden zudem hohe Anforderungen an Zuverlässigkeit und
Langlebigkeit einer derartigen Vorrichtung auch in Kontakt mit einem
relativ aggressiven Fluid gestellt. Da ein Einsatz im Kraftfahrzeugbereich
ein sehr hartes Anforderungsprofil stellt, wird die vorliegende
Erfindung nachfolgend ohne Beschränkung in ihrem Einsatzbereich
nur vor dem Hintergrund des speziellen Einsatzes zur Überwachung von
Füllstand und Temperatur eines Motoröls in einer Verbrennungskraftmaschine
eines Kraftfahrzeugs dargestellt.
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Für
die elektrothermische Füllstandsmessung wird eine Messanordnung
zugrunde gelegt, bei der ein Heiz- bzw. Hitzdraht senkrecht oder
unter einem gewissen Winkel in dem Motoröl angebracht ist. Die
Länge des Hitzdrahts ist dabei so zu wählen, dass
sowohl bei maximalem als auch bei minimalem Ölstand der
Messbereich des Drahts nicht über- oder unterschritten
wird. Der Widerstand des Hitzdrahts ist proportional zur Temperatur
des Drahts, besitzt also PTC-Charakteristik. Nach dem Stand der
Technik wird der Hitzdraht zur Füllstandsmessung mit einem zeitlich
begrenzten Strompuls mit konstanter Strom stärke aufgeheizt.
Die zu Beginn des Strompulses und am Ende des Strompulses am Hitzdraht
abfallenden Spannungen werden gemessen und zur Füllstandsbestimmung
verwendet. Bei einem hohen Ölstand wird die dem Draht zugeführte
elektrische Heizleistung zum großen Teil an das umgebende Öl abgegeben.
Der Draht heizt sich also nur unwesentlich auf, so dass auch nur
eine geringe Widerstandserhöhung messbar ist. Bei niedrigem Ölfüllstand hingegen
befindet sich der Draht größtenteils in Luft. Da
Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, wird nur wenig elektrische
Heizleistung abgegeben und das Fluid kann den Heizdraht nur in geringem
Maße abkühlen. So heizt sich der Draht vergleichsweise
stark auf. Diese große Erwärmung hat eine große
Spannungsdifferenz zwischen den beiden gemessenen Spannungen zur
Folge. Die Spannungsdifferenz ist also umgekehrt proportional zur
Füllstandshöhe.
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Aus
der
EP 1 180 667 A2 ist
eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Füllstandes bekannt,
bei der in Abhängigkeit von einem jeweiligen Füllstand
eines Fluids Messwerte eines über einen unterschiedlich großen
Bereich von dem Fluid gekühlten Heizdrahts aufgenommen
werden. Betrieben wird dieses Bauteil in der Form, dass zu Beginn
und zum Ende einer definierten Bestromung des Heizdrahts ein jeweiliger Spannungsabfall
gemessen wird. Zur Temperaturmessung ist ein entsprechendes Sensorelement
in Form eines NTC-Widerstands vorgesehen. In sehr kompakter Bauweise
sind die Vorrichtungen für beide Messungen in einem gemeinsamen
länglichen Gehäuse angeordnet, das in einer Ölwanne
eines Kraftfahrzeugmotors in Form nur eines Bauteils angeordnet
ist. Eine Vorrichtung gemäß der Offenbarung der
EP 1 180 667 A2 hat
sich im praktischen Einsatz grundsätzlich bewährt.
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Weiter
sind aus den nicht vorveröffentlichen Patentanmeldungen
DE 10 2005 053 278.0 und
10 2005 053 539.9 Verfahren
zur kombinierten Messung von Füllstand und Temperatur eines
Motoröls und sehr kompakt bauende Vorrichtungen zur Umsetzung
derartiger Verfahren bekannt. Anhand der Aufheizcharakteris tik des
Hitz- und Sensordrahtes wird die Öltemperatur und der Ölfüllstand
bestimmt. Diese Lehren basieren auf einer genauen Regelung eines Heizstromes,
um eine unter definierten elektrischen Rahmenbedingungen gemessene
Aufheizkurve anhand von Widerstandswerten analysieren zu können.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine noch kompaktere Vorrichtung
und ein effizienteres Messverfahren unter Verwendung eines Heizdrahtes
mit PTC- bzw. Kaltleiter-Charakteristik bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche
dadurch gelöst, dass eine Messspannung und ein Messstrom
vor und nach einer durch einen Heizstrom bewirkten Erwärmung
des Heizdrahts zur Berechnung eines elektrischen Widerstands des
Heizdrahts gemessen werden. Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Vorrichtung
dadurch aus, dass eine Auswerteschaltung Mittel zur Spannungsmessung
bei Beaufschlagung des Sensordrahtes als Fluidtemperatur-Sensor mit
einem Messstrom aufweist und durch Verbindung mit einem Rechenwerk
mit Integrator zugleich über Bestimmung eines Abkühlverhaltens
als Füllstandssensor ausgebildet ist.
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Nach
einem erfindungsgemäßen Verfahren wird bei einer
Bestromung des Heiz- und Sensordrahtes zwischen einem Heizstrom
und einem Sensor- bzw. Messstrom unterschieden. Insbesondere ist
der Heizstrom ein ungeregelter, vergleichsweise hoher Strom, während
der Messstrom ein geregelter und sehr geringer Strom ist, der nur
einer Widerstandsmessung außerhalb eines Aufheizens des Heiz-
und Sensordrahtes dient. Es wird also erfindungsgemäß nicht
länger während der durch Anlegen eines Strompulses
bewirkten Erwärmung des Heizdrahts auch eine Berechnung
oder Bestimmung eines elektrischen Widerstands durchgeführt.
Bei einer hier vorgeschlagenen Abkühlmethode erfolgt die Aufheizung
des thermoelektrischen Sensordrahtes und die Messung der Widerstandscharakteristik
des Sensordrahtes während der Abkühlphase durch
zeitlich getrennte und zu dem unterschiedlich große Ströme.
Durch die Widerstandsbestimmung ist das Messergebnis weitgehend
unempfindlich gegenüber Toleranzschwankungen im verwendeten
Messstrom/Messspannung.
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Der
Heizstrom beträgt in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung einige 100 mA und kann ein- und ausgeschaltet werden.
Eine Regelung des Heizstroms ist dabei vorzugsweise nicht notwendig,
so dass eine z. B. in Form eines Transistors ausgeführte
regelbare Strom- oder Spannungsquelle entfallen kann. Der Messstrom
und/oder die Messspannung werden dagegen hinreichend klein gewählt,
so dass die im Sensordraht umgesetzte elektrische Leistung diesen
nur unwesentlich zusätzlich erwärmt und toleranzbedingte
Schwankungen des Messstroms und/oder der Messspannung damit einen
vernachlässigbaren Einfluss auf das Messergebnis haben.
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Vorzugsweise
wird in einem Messintervall unter Verwendung einer Mehrzahl von
Messungen eine entsprechende Zahl von Messpunkten bestimmt. Aus
den Messpunkten kann durch Multiplikation mit der Breite eines jeweiligen
Abtastintervalls eine Fläche unter der Abkühlkurve
approximiert werden.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren arbeitet auch bei
hohen Füllständen zuverlässig, da sich
bedingt durch die unterschiedlichen Wärmeleitkoeffizienten
zwischen Luft und Fluid bei unterschiedlichen Fluid-Füllstandshöhen
verschiedene Erwärmungskurven des Heizdrahts ergeben. Diese
Abkühlkurven schließen über der Zeitachse
gesehen in den Messintervallen definierter Länge folglich
auch unterschiedlich große Flächen ein, die einen
leicht zu bestimmenden thermischen Energiegehalt des Heiz- bzw.
Sensordrahts angeben. Damit werden Ungenauigkeiten gerade bei hohen
Fluid-Füllständen weitgehend vermieden, wie sie
bei bekannten Vorrichtungen und Verfahren auftreten.
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Erfindungsgemäß wird
neben der Füllstandsmessung für die Messung der
Temperatur des Fluids kein zusätzlicher Temperatursensor
vorgesehen, z. B. in Form eines separaten NTC-Widerstands. In einem
erfindungsgemäßen Kombinationssensor ist für
beide Messungen damit vorteilhafterweise nur noch ein Sensorelement
in Form eines Heizdrahts vorhanden, der im Kontakt mit dem zu überwachenden
Fluid steht.
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Damit
kann mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zusätzlich
zur Bestimmung einer Füllstandshöhe auch eine
jeweilige Fluidtemperatur mit ausreichender Genauigkeit bestimmt
werden. Zur Bestimmung von Fluidtemperatur und Füllstandshöhe
des Fluids ist vorteilhafterweise auch nur noch ein Messintervall
erforderlich, das mindestens in einem Anfangsbereich von zwei unterschiedlichen
Auswertungsverfahren quasi gemeinsam genutzt wird.
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Durch
den Fortfall eines separaten NTC-Widerstands zur Temperaturmessung
eines Fluids, wie nach dem Stand der Technik bekannt, wird bereits
direkt eine Kostenersparnis erzielt, wobei zudem auch keine zusätzliche
Auswerteschaltung für die Auswertung der stark nichtlinearen
Kennlinie eines NTC-Sensorausgangssignals mehr erforderlich ist. Der
Fortfall dieser separat anzuordnenden Auswertelogik für
das NTC-Sensorausgangssignal führt zu einer Reduzierung
in der Größe des Sensors bzw. Sensorgehäuses
und auch zu einer Größenreduzierung im Hinblick
auf eine Auswerteschaltung. Die Auswerteschaltung kann nun auf einer
vergleichsweise kleineren Schaltungsplatine bzw. PCB untergebracht
werden. Weiter führt nun auch die Einsparung einer Regelung
für den Heizstrom zu Vorteilen hinsichtlich Energieaufwand
und Herstellungskosten.
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Nachfolgend
wird die Erfindung unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel
anhand von Abbildungen der Zeichnung zur Darstellung weiterer Merkmale
und Vorteile näher erläutert.
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In
der Zeichnung zeigen in jeweils skizzierten Schnittdarstellungen:
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1:
eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung;
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2:
eine Darstellung der Ausführungsformen von 1 senkrecht
geschnitten in einer Ebene, die zu der Ebene der Schnittdarstellung
von 1 senkrecht steht;
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3:
eine Darstellung einer bekannten Vorrichtung in der Schnittebene
von 1;
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4:
eine Darstellung der bekannten Vorrichtung in einer Schnittebene
gemäß 2;
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5a und 5b:
je ein Diagramm zur Darstellung prinzipieller Temperaturverläufe über
der Zeit mit einer Anzahl von Messpunkten zur Ermittlung einer Aufheizkurve
nach einem nicht vorveröffentlichen verfahren;
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6a und 6b:
je ein Diagramm zur Darstellung prinzipieller Temperaturverläufe über
der Zeit mit einer Anzahl von Messpunkten zur Ermittlung einer Abkühlkurve
nach einem erfindungsgemäßen Verfahren mit Darstellung
von Mess- und Heizstrom in den verschiedenen Phasen;
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7:
ein Diagramm mit schematischen Darstellungen von Abkühlkurven
bei zwei unterschiedlichen Füllstandsniveaus eines Fluids;
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8:
ein Diagramm einer zeitdiskreten Widerstandsmessung eines Anfangszustandes
und einer Abkühlkurve eines thermoelektrischen Drahtes und
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9a und 9b:
zwei Diagramme zur Bestimmung eines Ölstandes als Funktion
mehrerer Variabler und
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10:
ein Blockschaltbild einer Elektronik mit angeschlossenem Sensordraht.
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Über
die verschiedenen Abbildungen hinweg werden nachfolgend für
gleiche Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet. Ohne
Beschränkung der Erfindung auf diesen speziellen Einsatzfall wird
nachfolgend nur ein Einsatz der Vorrichtungen zur Bestimmung von
Füllstandsniveau und Temperatur von Motoröl in
einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs dargestellt
und beschrieben.
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3 zeigt
eine Sensorvorrichtung 0 zur Bestimmung von Füllstand
und Fluidtemperatur mit einem Gehäuse 1 aus Kunststoff,
welches aus zwei Halbschalen 2, 3 aufgebaut ist.
Die beiden Halbschalen 2, 3 haben jeweils in einem
oberen Bereich einen im Durchmesser vergrößerten
Verbindungsbereich 4, 5, der nahe seines oberen
Endes mit einem nach innen gerichteten Bund 6 in eine umlaufende
Nut 7 eines Kontaktsockels 8 eingreift. Das Gehäuse 1 ist
zusammen mit dem Kontaktsockel 8 in ein Anschlussstück 9 eingesetzt,
das außenseitig mit einem Einschraubgewinde 10 versehen
ist und bekannte Dichtmittel aufweist.
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Jeder
Verbindungsbereich 4, 5 weist eine radiale Durchbrechung 11, 12 auf.
Bis in den Bereich dieser Durchbrechungen 11, 12 ragen
vom Kontaktsockel 8 her Paare von elektrischen Leitern 13, 14 und
vom Gehäuse 1 her Paare elektrischer Lei ter 15, 16 hinein
und sind dort durch Schweißungen 17 miteinander
verbunden.
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Die
Halbschale 3 ist für die Niveaumessung konzipiert.
Dafür befindet sich nahe ihrem unteren Ende ein Spannkörper 18,
welcher in Längsrichtung der Halbschale 3 in ihr
verschieblich gehalten und von einer Feder 19 vom Verbindungsbereich 4 weg vorgespannt
ist. Dieser Spannkörper 18 hat einen Zapfen 20,
durch den ein Heizdraht 21 um 180° umgelenkt wird,
der in der Halbschale 3 über einen wesentlichen
Bereich ihrer Länge verläuft und mit den beiden
Leitern 15 verbunden ist. Dieser Heizdraht 21 ist
bei der Niveaumessung stromdurchflossen. Er wird durch das zu messende
Medium in Abhängigkeit vom Füllstand mehr oder
weniger gekühlt, so dass sich sein elektrischer Gesamtwiderstand
entsprechend ändert und dadurch über eine Messung
der elektrischen Größen der Füllstand
ermittelt werden kann.
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Die
Halbschale 2 hat in ihrer unteren Stirnfläche
eine Ausnehmung 22 mit einem auf Temperatur ansprechenden
Sensorelement 23, hier ein NTC-Element. Dieses NTC-Sensorelement 23 ist
nach außen über die Leiter 16 verbunden,
durch die entsprechende Temperatursignale übertragen werden.
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Die 4 zeigt
die Halbschale 3 nun alleine und gegenüber der
Schnittdarstellung von 3 um 90° gedreht. Zu
erkennen ist wiederum der Spannkörper 18 mit dem
Zapfen 20, welcher den Heizdraht 21 spannt und
umlenkt. Der Heizdraht 21 verläuft so U-förmig,
wobei seine beiden jeweils einen Schenkel der U-Form bildenden Bereiche
in 2 mit 21' und 21'' bezeichnet
werden.
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Zur
Montage der dargestellten Sensorvorrichtung 0 werden zunächst
alle Einbauteile in die beiden Halbschalen 2, 3 und
den Kontaktsockel 8 eingebaut. Dann schweißt man
eine Halbschale 2, 3 an den Kontaktsockel 8 und
verbindet anschließend die andere Halbschale 2, 3 mit
der ersten Halbschale 2, 3, beispielsweise durch
Klipsen, Schweißen, Verstemmen oder Klammern. Danach verschweißt
man die so bereits verbundenen Halbschalen 2, 3,
mit dem Kontaktsockel 8. In der Endmontage wird die Einheit
in das Anschlussstück 9 mit Außensechskant-Kontur
eingesetzt, das integrierte Dichtmittel aufweist. Anschließend
wird die Anordnung mit den getrennt angeordneten Sensoren 21, 23 für
Temperatur- und Niveaumessung durch Zurollen fertig gestellt. In
einer Einbaulage erfolgt ein Anschluss über elektrische
Leitungen am Kontaktsockel 8 in der in den 3 und 4 angedeuteten
Art und Weise.
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In
dieser Ausführungsform ist nun für die Temperatur-
und Niveaumessung nur noch ein Sensor 21 vorgesehen, dessen
Signale nun durch zwei Verfahren unabhängig voneinander
ausgewertet werden. Auf die Bestimmung einer Fluid-Temperatur und
eine Fluid-Füllstandsmessung wird nachfolgend getrennt
unter Bezug auf die Abbildungen der 5a, b
und 6a, b eingegangen.
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Durch
einen erfindungsgemäßen Ansatz vereinfacht sich
der von 3 her bekannte Aufbau in einem
Ausführungsbeispiel in der in 1 dargestellten
Weise: Die gegenüber dem Heizdraht 21 so weit
als möglich thermisch entkoppelte Ausnehmung 22 mit
dem darin geschützt angeordneten Sensorelement 23 entfällt
ersatzlos. Damit kann die Halbschale 2 gekürzt
werden. Die Halbschale 2 kann aber auch ganz entfallen,
da auch ein Leiter 16 nicht mehr benötigt wird.
Hierdurch würde der Heizdraht 21 ohne das Erfordernis
von Flutlöchern unmittelbar in guten Kontakt mit dem Fluid
gebracht werden, wobei durch eine konkrete Formgebung der Halbschale 3 in
einer dem Fachmann geläufigen Art und Weise ein erforderlicher
Schutz und eine mechanische Stabilität der Anordnung gewährleistet
wird.
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Durch
den Wegfall eines nach dem Stand der Technik benötigten
zweiten Sensors vereinfacht sich ferner auch die Verdrahtung im
Bereich der radialen Durchbrechungen 11, 12 erheblich.
Schließlich wird im Kontaktsockel 8 nur noch ein
Leiterpaar 13 nach außen geführt. Damit
ist im Kontaktsockel 8 auch aus reichend Raum vorhanden,
um hier eine nicht weiter dargestellte Auswerteschaltung unterzubringen.
Die Auswerteschaltung ist in einer Ausführungsform der
Erfindung auch gleich als Anschlussglied für einen LIN-
oder CAN-Bus oder ein anderes Datennetz entsprechend ausgebildet.
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2 zeigt
analog der Darstellung von 4 ein Ausführungsbeispiel,
in dem die vorstehend genannten Vereinfachungen und Einsparungen von
separaten Bauteilen konkreter umgesetzt worden sind, ohne dass dabei
ein äußeres Erscheinungsbild oder Abmessungen
der Sensorvorrichtung 0 verändert worden wären:
Der Kontaktsockel 8 ist nun mit dem Anschlussstück 9 einstückig
ausgeführt. Die Verbindungsbereiche 4, 5 entfallen.
Die elektrischen Leiter 13, 15 sind einstückig
ausgebildet und werden eingegossen.
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Prinzipiell
könnte nun auch die Halbschale 3 mit dem Kontaktsockel 8 und
dem Anschlussstück 9 einstückig gefertigt
werden, so dass in einer Montage nur noch der Heizdraht 21 an
einem freien Ende des Leiters 15 angeschlossen werden müsste.
Statt durch einen Aufbau aus Spannkörper 18 mit
separatem federelastischen Element 19 wird in einer nicht weiter
konkret dargestellten Ausführungsform der Erfindung die
Elastizität des Werkstoffs zum Spannen des Heizdrahtes 21 genutzt
werden.
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Dabei
ist in einer Ausführungsform ein Spannkörper 18 mit
einem Federelement 19 einstückig ausgebildet und
insbesondere auch einstückig mit dem Gehäuse 1 der
Vorrichtung 0 verbunden oder an diese angeformt. Hierzu
ist ein in den 1 und 2 gestrichelt
eingezeichneter Bereich A um den Zapfen 20 C- oder S-förmig
ausgebildet, beispielsweise durch Anordnung von Einkerbungen oder
Ausnehmungen 24 mit entsprechenden Übergangsradien.
Der Bereich A kann so in einem erforderlichen Bereich selber in
vorbestimmter Weise federelastisch ausgelenkt oder gestaucht werden.
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Ein
nicht vorveröffentlichtes Messverfahren wird nun unter
Bezugnahme auf die skizzierten Abbildungen der 5a und 5b beschrieben:
In einem stationären Fall entspricht die Temperatur des mit
dem Fluid in Kontakt stehenden Heizdrahtes 21 der des Fluids.
Nach den Eingangs genannten nicht vorveröffentlichen Ansätzen
wird über die Dauer eines Messintervalls ein Rechteckpuls
mit konstant geregelter Stromstärke an den Heizdraht 21 angelegt, um
eine Aufheizkurve zu messen. Bei einer Messung der Fluidtemperatur
wird der Heizdraht 21 während eines Messintervalls
für eine Zeitdauer Δt von etwa 400 ms von einem
konstanten Strom I durchflossen. Durch den Stromfluss erwärmt
sich der Heizdraht 21 und sein ohmscher Widerstand Rsens steigt an. In Abhängigkeit
einer jeweiligen Ausgangs- bzw. stationären Starttemperatur
und eines hohen oder niedrigen Fluidfüllstandes FS ergibt
sich bei kontinuierlicher Messung jeweils ein in seinem Anfangsbereich
bis zu einer Erwärmungs- bzw. Stromflussdauer von T = 100
ms in einem Bereich B im Wesentlichen quadratischer Kurvenverlauf
des Widerstandes Rsens bzw. der Temperatur
des Heizdrahtes 21 über der Zeit t.
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In 5a ist
ein Verlauf entsprechender Spannungs- bzw. Widerstandswerte eines
Heizdrahtes 21 bei einer hohen und einer niedrigen Fluidtemperatur über
der Zeit t eingezeichnet. In einem Bereich B gilt mit ausreichend
guter Näherung ein quadratischer Zusammenhang einer zu
jeweiligen Zeitpunkten t an dem Heizdraht 21 abgegriffenen
Spannung Usens und der Zeit t. Gemäß 5b wird
ab einem Zeitpunkt to bis zu einem Zeitpunkt
t1 ein Strom Isens in
Form eines geregelten Rechteckpulses an den Heizdraht 21 der
Vorrichtung 0 angelegt.
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Gemäß der
in 5a ab einem Zeitpunkt t' dargestellten Punkte
wird nun keine kontinuierliche Messung, sondern eine Messung der über
dem Heizdraht 21 abfallenden Spannung Usens zu
mehreren Zeitpunkten vorgenommen. Diese Messpunkte weisen zueinander
einen äquidistanten Abstand von ca. 1 bis etwa 4 ms auf.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der zeitli che
Abstand zwischen Messpunkten zu 2 ms gewählt. Durch die
Messwerte zu den jeweiligen Abtastzeitpunkten t werden Werte Usens(t') ermittelt, die sich durch Rsens(t) = Usens(t)/Isens umrechnen lassen. Nun wird unter Anwendung
bekannter Approximationsverfahren eine Ausgleichskurve f als Funktion
zweiter Ordnung durch diese ermittelten Werte Rsens(t)
hindurchgelegt. Hier findet ein Verfahren mit Minimierung des Quadrates
der Abweichungen der jeweiligen Messpunkte zu der Kurve f Anwendung.
Da ein Abstand vom Start der definierten Bestromung des Heizdrahtes 21 bei
to bis zu einem ersten Messpunkt bei einem
Zeitpunkt t' genau bekannt ist, kann nun anhand dieser Ausgleichskurve
f bzw. des Widerstandverlaufes Rsens(t)
rückwärts ein Widerstandwert Rsens(to) ermittelt werden. Der anhand des Widerstandverlaufes
Rsens(t) errechnete Widerstandwert Rsens(to) gibt dann über
einen Festspeicher bzw. Look-up table eine stationäre Anfangstemperatur
des Heizdrahtes 21 an, die mit der Fluidtemperatur übereingestimmt
hat.
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In
einem Verfahren zur Ermittlung eines Fluid-Füllstandes
werden nun die vorstehend zur Bestimmung einer stationären
Anfangstemperatur des Heizdrahtes 21 bzw. einer Fluidtemperatur
Messwerte bis zu einem Zeitpunkt t1 über
eine Gesamtszeit Δt der Bestromung von hier etwa 400 ms
betrachtet. Gemäß der Darstellung von 5a ergeben
sich bei größeren Füllstandsunterschieden
zu dem Zeitpunkt t1 deutliche Unterschiede
bei der gemessenen Spannungsdifferenz ΔU1 bei niedrigem
und ΔU2 bei hohem Füllstand FS. Dieses Verhalten
wurde in bekannten Verfahren genutzt: Der Hitzdraht wird demnach
mit einem zeitlich begrenzten Strompuls mit konstanter Stromstärke
aufgeheizt. Die zu Beginn des Strompulses und am Ende des Strompulses
am Hitzdraht abfallenden Spannungen werden gemessen und zur Füllstandsbestimmung
verwendet. Bei niedrigem Füllstand erwärmt sich
der Draht stark, was eine große Spannungsdifferenz ΔU
zwischen den beiden gemessenen Spannungen zur Folge hat. Bei hohem
Füllstand ist die Spannungsdifferenz vergleichsweise gering.
Die Spannungsdifferenz ist also umgekehrt proportional zur Füllstandshöhe.
Bei geringeren Füll standsunterschieden fällt ein
Unterschied in der Spannungsdifferenz zum Zeitpunkt t1 jedoch
wesentlich weniger deutlich aus. Damit ist eine Auflösung
bekannter Verfahren also in dem kritischen Bereich zu hoher Fluid-Füllstände
nicht ausreichend sicher. Auch würde eine Betrachtung einer Steigung
der Ausgleichskurve f zu einem extrapolierten Startzeitpunkt to oder einem anderen fest vorgegebenen Zeitpunkt
als Maß für einen Füllstand FS schon
aufgrund der eingesetzten Approximation nur relativ ungenaue Werte.
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Auch
in der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung wird
ein nach dem Hitzdrahtprinzip funktionierender Füllstandsensor
verwendet, bei dem ein vorgegebener Stromfluss durch den Sensordraht einen
Temperaturanstieg im Draht bewirkt. Da auch der in der vorliegenden
Ausführungsform verwendete Draht eine Kaltleiter- bzw.
PTC-Charakteristik besitzt, erfolgt bei einer Temperaturerhöhung
im Draht auch eine Erhöhung des elektrischen Widerstands,
wie in 6a angedeutet. Während
dieses Aufheizprozesses wird die elektrische Heizenergie teilweise
an die umgebenden Medien abgegeben. Die Energiedifferenz aus der
zugeführten elektrischen Energie und der abgegebenen Heizenergie
erwärmt den Hitzdraht. Bedingt durch die unterschiedlichen
Wärmeleitkoeffizienten von Luft und Fluid bewirken unterschiedliche
Füllstandshöhen verschiedene Erwärmungskurven
des Hitzdrahts, wie bereits vorstehend beschrieben. Im Gegensatz
zu dem unter Bezugnahme auf die Abbildungen der 5a und 5b beschriebenen
Verfahren wird erfindungsgemäß nun zwischen einem
Messstrom Imess und einem Heizstrom Iheiz unterschieden. Er ergibt sich damit
nach 6b ein deutlich von 5b abweichender Stromverlauf.
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Die
zeitlichen Diagramme der 6a und 6b zeigen
den prinzipiellen zeitlichen Ablauf einer Messung nach einem erfindungsgemäßen
Verfahren: Der Sensorwiderstand hat zu Beginn der Messung die Temperatur
des umgebenden Öls, und somit den zu einer bestimmten Temperatur
gehörigen Widerstand Ro. Zunächst
wird also während einer Zeit tmess1 der
Anfangswider stand Ro des Sensordrahts mit
einem kleinen Messstrom Imess und einer kleinen
Messspannung Umess gemessen. Da der Widerstand
des verwendeten Sensordrahtes im Wesentlichen linear mit der Temperatur
ansteigt, kann aus dieser Messung die Anfangstemperatur des Drahtes
und somit die Öltemperatur ermittelt werden, ohne dass
die Messung selber das Ergebnis durch zusätzliche Erwärmung
nennenswert beeinflusst. Während einer anschließenden
Zeitspanne theiz wird der Sensor durch einen
gegenüber dem Messstrom Imess wesentlich
größeren Heizstrom Iheiz erwärmt.
Dadurch vergrößert sich der elektrische Widerstand
R des Drahtes. Daraufhin wird während einer Phase tmess2 der elektrische Widerstand des Sensordrahts mit
Hilfe eines kleinen Messstroms Imess2 bestimmt. Da
so wiederum nur eine geringe elektrische Leistung an den Sensordraht
abgegeben wird, kühlt der Sensordraht ab. Damit verringert
sich auch der Drahtwiderstand gut messbar. Nach einer Wartezeit, nach
der der Sensordraht wieder die Temperatur des Öls angenommen
hat, kann die Messung neu gestartet werden.
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Die
Auswirkungen von Füllstandsänderungen auf die
Abkühlcharakteristik des Sensordrahtes sind in der Abbildung
von 7 in Form einer Skizze für hohen und
niedrigen Ölfüllstand bei gleicher Öltemperatur
und gleichem Heizstrom skizziert. Bei niedrigem Ölfüllstand
kühlt der Draht nur langsam ab, der Sensorwiderstand ändert
sich also nur langsam. Bei hohem Ölstand kühlt
der Draht sehr schnell ab, der Widerstand des Sensors hat sich also
schnell wieder auf den Anfangswert Ro verringert.
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Auf
Basis einer Ermittlung folgender Messgrößen kann
nun ein jeweils aktueller Ölstand bestimmt werden. Es ist
nach dem dargestellten Abkühlverfahren die Bestimmung von
drei Messgrößen erforderlich:
- 1.
Der Anfangswiderstand Ro wird vor Beginn
des Heizens gemessen, aus dem Anfangswiderstand Ro wird
eine ursprüngliche Öltemperatur bestimmt. Die
Bestimmung des Anfangswiderstands Ro erfolgt
mit mehreren Widerstandsmessungen während der Zeit tmess1 auch in Form zeitdiskreter Messung
gemäß der Abbildung von 8.
- 2. Ein Widerstandswert Rmax wird zum
Abschluss der Heizphase bestimmt, also nach Ablauf der Phase theiz. Durch unterschiedliche Heizströme Iheiz und/oder Heizspannungen Uheiz und
verschiedene Füllstände wird der Sensordraht während der
Heizperiode unterschiedlich stark aufgeheizt. Dementsprechend ist
auch ein maximal erreichter Sensorwiderstand Rmax verschieden.
Dieser maximale Sensorwiderstand Rmax wird
aus den gemessenen Widerstandswerten der Abkühlkurve ermittelt.
Dazu wird in zeitlich äquidistanten Abständen Δa
der Widerstand des Drahtes während der Abkühlphase
gemessen, wie in 8 angedeutet. Aus diesen Werten
ist mit geeigneten Methoden, hier durch Ermittlung einer Ausgleichskurve
unter Anwendung bekannter Approximationsverfahren, der maximale
Widerstand Rmax nach dem Heizvorgang zu
bestimmen.
- 3. Schließlich wird eine Widerstandssumme Rsum bestimmt. Durch Summation der gemessenen
Widerstandswerte der Abkühlkurve des thermoelektrischen
Drahtes erhält man eine Messgröße, aus der
mit Hilfe der bekannten Öltemperatur und des maximal gemessenen
Widerstands Rmax der Ölstand bestimmt
werden kann. Um die Verarbeitung in einem Mikrocontroller zu erleichtern,
kann eine Verkleinerung der Widerstandssumme erfolgen, indem jeweils
der Anfangswert Ro vom gemessenen Widerstand
subtrahiert wird.
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Das
vorstehend beschriebene Verfahren wird in einer nicht weiter dargestellten
Ausführungsform dadurch von der Abtastzeit unabhängig
gemacht, dass der jeweilige Widerstandswert mit dem Abtastintervall
multipliziert wird. Graphisch gesehen ist diese Vorgehensweise als
Integration der Fläche unter der Abkühlkurve zu
interpretieren, wie durch die schraffierte Fläche in 7 angedeutet.
Das vorstehend beschriebene Verfahren weist schon aufgrund einer
Verwendung einer Viel zahl von einzelnen Messpunkten eine geringere
Empfindlichkeit der Füllstandsbestimmung gegenüber
Störungen auf. Es wird also fortlaufend eine Berechnung
R(t)= Umess(t)/Imess(t)
mit automatischem Fehlerausgleich durchgeführt. Ein jeweiliges
Software-Rechenkonzept ist in einem Mikrocontroller bei Anwendung
verschiedener Integrationsverfahren integrierbar, z. B. eines Newton-Ansatzes.
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Zur
Bestimmung des Ölstands wird folgendes Verfahren angewendet:
Der Ölstand bzw. level ist als Funktion von drei Variablen
als level = f(Ro, Rsum, Rmax) zu berechnen. Die Abbildungen der 9a, 9b zeigen
typische Verläufe einer Widerstandssumme bei hohen und
niedrigen Füllständen als Funktion von Rmax bei einer bestimmten Temperatur. Eine
Darstellung als Kennlinienschar ist in 9a und
als 3-dimensionale Fläche in 9b skizziert. Die
Berechnung des Ölstandes erfolgt nach dieser Funktion mit
den gemessenen Eingangsgrößen in einem Mikrocontroller.
Dazu kann eine geeignete Look-up-table verwendet werden.
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Hinsichtlich
einer Einsparung von Speicherplatz im Controller zweckmäßiger
wird jedoch eine Berechnung des Füllstandes über
ein multivariates Polynom angewendet. So müssen nur die
Koeffizienten der einzelnen Terme gespeichert werden. Diese Koeffizienten
bzw. die Werte der Look-up-table sind durch geeignete Messungen
zu ermitteln.
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Das
Blockschaltbild von 10 zeigt eine mögliche
Realisierung einer zu dem Verfahren passenden Schaltung als Teil
einer Vorrichtung. Ein Mikrocontroller schaltet dabei den Heizstrom
Iheiz und/oder die Heizspannung Uheiz, der aus der Versorgungsspannung des
gesamten Sensors bezogen wird, über einen Schalttransistor
S1. Der Messstrom Imess und/oder
die Messspannung Umess kann aus der geregelten
Spannung aus dem Spannungsregler bezogen werden und ist ebenfalls
durch den Controller über einen Schalttransistor S2 schaltbar. Nach der Widerstandsmessung
und der Berechnung des Füllstands erfolgt die Ausgabe des
Ergebnisses z. B. über ein PWM-Signal oder über
ein geeignetes Bussystem, wie z. B. LIN.
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Das
vorstehend beschriebene Verfahren ist besonders für Hochtemperaturanwendungen
geeignet, da der Heizstrom nur ein- bzw. ausgeschaltet wird, d.
h. die Verlustleistung in einem Steuertransistor ist minimal, wodurch
sich auch die Probleme mit der Eigenerwärmung des Leistungstransistors
verringern. Zudem sind Kostenreduzierungen an mehreren Stellen möglich,
da keine Spannungsreferenz erforderlich ist, ein Heiz-Ansteuertransistor
vergleichsweise kleiner dimensioniert werden kann, eine Stromregelschaltung
nicht zwingend erforderlich ist und auch eine Anzahl von Präzisionsbauteilen
in Form von Widerständen oder Widerstandsarrays reduziert
und zudem Leiterplattenfläche durch geringere Bauelementeanzahl
Eingespart wird. Schließlich wird eine weitere Verbesserung
der Messgenauigkeit dadurch erreicht, dass bei der vorstehenden
Methode die Größe des Messstroms nicht in das
Messergebnis mit eingeht, wodurch ein wesentlicher Ungenauigkeitsfaktor
im Vergleich zu bisherigen Methoden entfällt.
-
Damit
wird erfindungsgemäß neben einer leichten Montage
in einer Ölwanne auch ein vereinfachter Aufbau mit deutlichen
Einsparpotentialen bei einem Herstellungs- und einem Betriebsverfahren
offenbart. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist
in existierende Systeme zudem gut integrierbar.
-
- 0
- Sensorvorrichtung
insgesamt
- 1
- Gehäuse
aus Kunststoff
- 2
- Halbschale
- 3
- Halbschale
- 4
- Verbindungsbereich
- 5
- Verbindungsbereich
- 6
- Bund
- 7
- Nut
- 8
- Kontaktsockel
- 9
- Anschlussstück/Verbindungsstück
mit Außensechskant
- 10
- Einschraubgewinde
an 9
- 11
- radiale
Durchbrechung
- 12
- radiale
Durchbrechung
- 13
- elektrische
Durchführungsleitung
- 14
- elektrische
Durchführungsleitung
- 15
- elektrisches
Leiterpaar
- 16
- elektrisches
Leiterpaar
- 17
- Verschweißung
- 18
- Spannkörper
- 19
- Federelement
- 20
- Zapfen/Umlenkungshaken
für Heizdraht
- 21
- Heizdraht
- 22
- Ausnehmung
- 23
- Sensorelement
- 24
- Ausnehmung
- FS
- Füllstand
- A
- elastischer
Bereich von 3
- B
- Anfangsbereich
- Isens
- Messstrom
- Usens
- Messspannung
- Rsens
- Heizdraht-Widerstand
- ΔU
- Spannungsdifferenz
- t
- Zeit
(Zeitachse)
- t0
- Anfangszeitpunkt
- t1
- Endzeitpunkt
- t'
- Zeitpunkt
eines ersten Messpunktes
- T
- Endbereich
einer Approximation
- Δt
- Gesamtzeit
der definierten Bestromung
- f(t)
- Ausgleichskurve
- Imess
- Messstrom
- Umess
- Messspannung
- Iheiz
- Heizstrom
- Uheiz
- Heizspannung
- R
- gemessener
Widerstand des Drahtes
- Ro
- Anfangswiderstand
- Rmax
- maximaler
Widerstandswert
- tmess1
- Messintervall
vor der Erwärmung des Drahtes
- theiz
- Heizintervall
- tmess2
- Messintervall
nach der Erwärmung des Drahtes
- Δa
- diskreter
Zeitschritt
- S1
- Transistor
als Schalter für die Heizstrom/Heizspannung
- S1
- Transistor
als Schalter für den Messstrom/Messspannung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1180667
A2 [0004, 0004]
- - DE 102005053278 [0005]
- - DE 102005053539 [0005]