DE102009049676A1

DE102009049676A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Füllstandsmessung in beliebig geformten Behältnissen, insbesondere innerhalb von Kraftfahrzeugtanks

Info

Publication number: DE102009049676A1
Application number: DE102009049676A
Authority: DE
Inventors: Lutz Dipl.-Ing. Berger; Sascha Berger
Original assignee: Digades Digitales und Analoges Schaltungsdesign GmbH; GN
Current assignee: Digades Digitales und Analoges Schaltungsdesign GmbH; GN
Priority date: 2009-10-12
Filing date: 2009-10-12
Publication date: 2011-04-14
Also published as: WO2011044891A1; EP2488836A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behältnis, insbesondere in einem Kraftfahrzeugtank, umfassend das mit der Flüssigkeit füllbare Behältnis, einen ersten Drucksensor, mit dem eine erste Messgröße perfassbar ist, die den aus dem hydrostatischen Druck einer auf dem ersten Drucksensor lastenden Flüssigkeitsmenge innerhalb des Behältnisses und aus einem auf dieser Flüssigkeitsmenge lastenden Umgebungsdruck resultierenden Gesamtdruck kennzeichnet, einen zweiten Drucksensor, mit dem eine besagten Umgebungsdruck kennzeichnende zweite Messgröße perfassbar ist, und eine Auswerteeinheit, an die die erste und die zweite Messgröße übertragbar sind, mittels derer aus diesen beiden Messgrößen eine besagten hydrostatischen Druck alleine kennzeichnende dritte Messgröße pbestimmbar ist und mittels derer aus der bestimmten dritten Messgröße pauf Basis eines vorab bestimmten und bevorzugt in der Auswerteeinheit hinterlegten funktionalen Zusammenhangs F(p) zwischen der dritten Messgröße pund einem den Füllstand der Flüssigkeit im Behältnis kennzeichnenden Füllstandskennwert F der zu der bestimmten dritten Messgröße pgehörende Füllstandskennwert F bestimmbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstands von Flüssigkeiten in einem Behältnis (insbesondere in einem Kraftfahrzeugtank), auf ein entsprechendes Bestimmungsverfahren für den Füllstand sowie auf Kraftfahrzeuge, die eine entsprechende Vorrichtung aufweisen.
Vorrichtungen zur Bestimmung des Füllstands des Kraftstoffs in Kraftfahrzeugtanks sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Üblicherweise basieren solche Vorrichtungen auf dem Prinzip, dass ein Schwimmer abhängig vom Füllstand im Kraftstofftank über einen Hebelarm ein elektrisches Potentiometer ansteuert. Je nach Füllstandshöhe werden damit die elektrischen Eigenschaften des Potentiometers (beispielsweise der ohmsche Widerstand zwischen zwei Potentiometeranschlüssen) verändert. Die Änderung des Potentiometers erlaubt so eine Aussage über die Füllstandshöhe im Tank.
Aufgrund der bauartbedingt häufig komplexen geometrischen Form des Tanks bzw. des Tankinneren ist die Genauigkeit der Füllstandsanzeige der schwimmerbasierten Systeme häufig begrenzt. So besteht diesbezüglich insbesondere das Problem, dass bei der Verwendung alternativer, zum Beispiel schwimmerbasierter Sensorsysteme, konstruktionsbedingt nur ein Teil des Tankvolumens vermessen werden kann.
Zudem ändern sich während der Lebensdauer des Kraftfahrzeugs bzw. des Tanks die elektrischen Eigenschaften des Potentiometers häufig in unvorhersehbarer Weise. Hierdurch kann der Füllstand des Tanks möglicherweise nicht mehr korrekt angezeigt werden.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Füllstandsbestimmung in Behältnissen, insbesondere in mobilen Behältnissen wie beispielsweise Kraftfahrzeugtanks, zur Verfügung zu stellen, mit der auf einfache, preisgünstige und zuverlässige Art und Weise eine möglichst genaue Bestimmung des momentanen Füllstands des Behältnisses möglich ist. Aufgabe der Erfindung ist es darüber hinaus, ein entsprechendes Bestimmungsverfahren sowie Kraftfahrzeuge umfassend eine entsprechende Vorrichtung zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1, durch ein Kraftfahrzeug gemäß Patentanspruch 9 sowie durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten lassen sich jeweils den abhängigen Patentansprüchen entnehmen. Neben der Verwendung in Kraftfahrzeugen kann die vorliegende Erfindung jedoch grundsätzlich auch bei immobilen Behältnissen wie z. B. Heizöltanks in Gebäuden oder in Behältnissen von chemischen und/oder biologischen Reaktoren eingesetzt werden.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung zunächst allgemein, dann anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Die im konkreten Ausführungsbeispiel gezeigte Kombination von Einzelmerkmalen muss im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht genau in der im Ausführungsbeispiel gezeigten Art und Weise realisiert werden; die einzelnen erfindungsgemäßen Merkmale können daher im Rahmen des durch die Patentansprüche vorgegebenen Schutzumfangs auch in anderer Art und Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können einzelne der gezeigten Merkmale des Ausführungsbeispiels auch weggelassen werden oder auch auf andere Art und Weise miteinander kombiniert werden.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behältnis (nachfolgend alternativ auch als Messanordnung bezeichnet) sowie ein entsprechendes Bestimmungsverfahren (nachfolgend auch alternativ als Messverfahren bezeichnet) zur Verfügung, mit der/dem eine exakte Bestimmung des Flüssigkeitsinhaltes eines beliebig geformten Behältnisses bzw. Tanks möglich ist. Das Behältnis bzw. der Tank kann dabei so ausgebildet sein, dass in ihm der Umgebungsluftdruck herrscht; die Erfindung lässt sich jedoch auch bei Behältnissen realisieren, innerhalb derer (aufgrund eines gasdichten Abschlusses gegenüber der Umgebung) der Druck oberhalb einer im Behältnis befindlichen Flüssigkeit durch den Dampfdruck bzw. Gasdruck innerhalb dieses geschlossenen Systems bestimmt wird. In beiden vorbeschriebenen Fällen wird der zusätzlich neben dem hydrostatischen Druck einer Flüssigkeitssäule wirkende Druck (also entweder der Luftdruck oder der Dampfdruck bzw. Gasdruck) im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Umgebungsdruck bezeichnet.
Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung das mit einer Flüssigkeit befüllbare Behältnis sowie einen ersten und einen zweiten Drucksensor zur Druckerfassung auf. Der erste Drucksensor ist so angeordnet, dass mit ihm eine erste Messgröße (nachfolgend auch als p_sens bezeichnet) erfasst werden kann: Diese erste Messgröße kennzeichnet einen innerhalb des Behältnisses wirkenden Gesamtdruck, der sich aus dem hydrostatischen Druck einer auf dem ersten Drucksensor lastenden bzw. auf diesen wirkenden Flüssigkeitsmenge (also einer Flüssigkeitsmenge innerhalb des Behältnisses) und aus einem auf dieser Flüssigkeitsmenge zusätzlich lastenden Umgebungsdruck (also dem Luftdruck oder dem Gasdruck) ergibt. Unter ”kennzeichnen” wird dabei verstanden, dass die erste Messgröße in einer eineindeutigen Beziehung zu diesem Gesamtdruck steht, so dass der Gesamtdruck aus dieser Messgröße ableitbar ist. Dies gilt entsprechend für die anderen Messgrößen und Drücke (siehe nachfolgend). Vorteilhafterweise ist der erste Drucksensor hierzu am Boden des Behältnisses, also innerhalb des Behältnisses, angeordnet.
Die Vorrichtung weist darüber hinaus einen zweiten Drucksensor auf, mit dem eine besagten Umgebungsdruck (also den Gasdruck oder den Luftdruck) kennzeichnende zweite Messgröße erfasst werden kann. Diese zweite Messgröße wird nachfolgend auch mit p_umg (oder im Falle eines Behältnisses, in dem der Atmosphärendruck bzw. Luftdruck als Umgebungsdruck herrscht, auch als p_atmo) bezeichnet.
Schließlich weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Auswerteeinheit (z. B. einen Micro-Controller) auf, die mit den beiden Drucksensoren zur Datenübertragung in Verbindung steht. Sofern notwendig (z. B. falls eine Konfiguration der Drucksensoren notwendig ist) kann es sich hierbei um eine bidirektionale Datenverbindung handeln. In jedem Fall ist jedoch notwendig, dass die beiden durch die Drucksensoren erfassten Messgrößen an die Auswerteeinheit übertragen werden können. Mittels der Auswerteeinheit kann aus den beiden durch die Drucksensoren erfassten Messgrößen eine dritte Messgröße (die nachfolgend auch als p_diff bezeichnet wird) bestimmt bzw. berechnet werden. Diese dritte Messgröße (bei der es sich vorteilhafterweise um einen aus den Messgrößen der beiden Drucksensoren abgeleiteten Differenzdruck handelt) kennzeichnet den (auf den ersten Drucksensor ausgeübten) hydrostatischen Druck alleine, das heißt ohne den Einfluss des Umgebungsdrucks.
Wesentlicher Punkt der vorliegenden Erfindung ist nun, dass vorab, also vor dem Erfassen konkreter Messwerte für die erste und zweite Messgröße mittels der Sensoren, ein funktionaler Zusammenhang bestimmt wird, auf den die Auswerteeinheit zur Bestimmung des aktuellen Füllstandes im Behältnis aus den erfassten Messwerten zurückgreifen kann: Dieser funktionale Zusammenhang F(p_diff) ist ein in der Regel behältnisspezifischer, flüssigkeitstypspezifischer und temperaturspezifischer Zusammenhang zwischen der dritten Messgröße p_diff und einem den Füllstand der Flüssigkeit im Behältnis kennzeichnenden Füllstandskennwert F. Bei dem Füllstandskennwert F handelt es sich in der Regel um das mit Flüssigkeit gefüllte Volumen V im Behältnis, es ist jedoch ebenso denkbar als Füllstandskennwert F die Höhe h des Flüssigkeitsspiegels oberhalb eines definierten Punktes am Boden des Behältnisses zu verwenden.
Nachdem mit Hilfe der beiden Drucksensoren und der Auswerteeinheit eine den momentanen Füllstand im Behältnis kennzeichnende dritte Messgröße p_diff bestimmt worden ist, kann somit unter Heranziehen des vorab bestimmten funktionalen Zusammenhangs F(p_diff) der zu diesem momentanen Füllstand gehörende Füllstandskennwert F (also z. B. das momentane Füllvolumen V) bestimmt werden und vorteilhafterweise auch durch eine geeignete Anzeige (z. B. in der Instrumententafel des Kraftfahrzeugs) angezeigt werden.
Vorteilhafterweise werden erfindungsgemäß für mehrere unterschiedliche Arten von Flüssigkeiten (die z. B. unterschiedliche Dichten aufweisen können) mehrere flüssigkeitsartspezifische funktionale Zusammenhänge zwischen der dritten Messgröße und dem den Füllstand im Behältnis kennzeichnenden Füllstandskennwert vorab bestimmt und z. B. in der Auswerteeinheit für die Berechnung des momentanen Füllstands hinterlegt. So kann beispielsweise bei Kraftfahrzeugen, die für mehrere unterschiedliche Kraftstoffarten ausgelegt sind (beispielsweise bei Kraftfahrzeugen die zusätzlich für die Verwendung von Biokraftstoffen ausgelegt sind) für jede verwendbare Kraftstoffart eine hochgenaue Füllstandsmessung durchgeführt werden.
Hierzu kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Einheit zur Bestimmung der Dichte einer in das Behältnis gefüllten Flüssigkeit aufweisen. Bei einer solchen Einheit kann es sich im einfachsten Fall um mehrere im flüssigkeitsgefüllten Volumen des Tanks übereinander angeordnete einzelne Dichtesensoren handeln, aus deren unterschiedlichen Messwerten (bei bekanntem Höhenabstand der einzelnen Sensoren) die Dichte der Flüssigkeit bestimmt werden kann. Das entsprechende Prinzip ist dem Fachmann bekannt. Nach Bestimmung der Dichte ϱ der momentan eingefüllten Flüssigkeit im Behälter kann somit der korrekte Zusammenhang F_ϱ(p_diff) zur Berechnung des momentanen Füllstands herangezogen werden. Auch ein kapazitiver Sensor und ein Drucksensor (z. B. der erste Drucksensor) können zur Dichtebestimmung eingesetzt werden: Die Dichte kann dann mittels des Drucksensors gemessen werden, wenn die Höhe der über dem Drucksensor stehenden Flüssigkeitssäule als bekannt vorausgesetzt wird. Hierzu wird der kapazitive Sensor an einem definierten, bekannten Ort innerhalb des Behältnisses angeordnet. Mit diesem Sensor wird mit Hilfe des dem Fachmann bekannten kapazitätsbasierten Füllhöhenmessprinzips für diesen vorbekannten Ort die momentane lokale Füllhöhe innerhalb des Behältnisses bestimmt. Ist die Position des ersten Drucksensors innerhalb des Behältnisses, also die Positionierung dieses Drucksensors relativ zum kapazitiven Sensor bekannt (so dass sich die momentane Höhe der Flüssigkeitssäule über dem Drucksensor aus dem Füllhöhenwert des kapazitiven Sensors ableiten lässt), so kann mit dessen gemessenem Druckwert die Dichte der eingefüllten Flüssigkeit, z. B. um zu unterscheiden, ob Benzin oder Diesel im Behältnis ist, bestimmt werden.
Alternativ hierzu oder auch in Kombination hiermit ist es vorteilhafterweise ebenso möglich für die im Behältnis zu verwendenden Flüssigkeiten jeweils für mehrere unterschiedliche Temperaturen T temperaturspezifische funktionale Zusammenhänge F_T(p_diff) zwischen der dritten Messgröße und einem den Füllstand (der jeweiligen Flüssigkeitsart) im Behältnis bei der jeweiligen Temperatur kennzeichnenden Füllstandskennwert vorab zu bestimmen und z. B. in der Auswerteeinheit zu hinterlegen. Auf diese Art und Weise kann z. B. die temperaturabhängige Ausdehnung einer Flüssigkeit berücksichtigt werden, so dass unabhängig von der Temperatur eine hochgenaue Füllstandsbestimmung möglich ist.
Hierzu kann die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Temperatursensor aufweisen, der (z. B. innerhalb des Behältnisses) so angeordnet ist, dass mit ihm die Temperatur einer momentan im Behältnis eingefüllten Flüssigkeit erfasst werden kann. Die Messwerte des Temperatursensors können dann an die Auswerteeinheit übertragen werden, die auf Basis der erfassten Temperatur den zu dieser Temperatur gehörenden temperaturspezifischen funktionalen Zusammenhang F_T(p_diff) zur Bestimmung des Füllstandskennwerts der momentan im Tank eingefüllten Flüssigkeit bei dieser Temperatur auswählt und für die Berechnung verwendet.
Werden sowohl eine Einheit zur Bestimmung der Dichte, als auch ein Temperatursensor im Behältnis verwendet, so kann sichergestellt werden, dass für das verwendete Behältnis, den verwendeten Flüssigkeitstyp und die momentane Temperatur jeweils der passende Zusammenhang F(p_diff) verwendet wird. Die entsprechenden Zusammenhänge sind dabei (wie nachfolgend noch im Detail beschrieben wird) vorab an demjenigen Behältnis zu bestimmen, das auch später während der Erfassung der ersten und zweiten Messgröße eingesetzt wird. Trotz der in der Regel vorhandenen Abhängigkeit des Zusammenhangs zwischen der dritten Messgröße und dem den Füllstand kennzeichnenden Füllstandskennwert (dieser Zusammenhang wird nachfolgend alternativ auch als Kennlinie bezeichnet) von der konkret verwendeten Flüssigkeit, von der momentan herrschenden Temperatur und von der konkret eingesetzten Behältnisgeometrie ist somit erfindungsgemäß unabhängig von den gerade vorliegenden Bedingungen eine hochgenaue Bestimmung des momentanen Flüssigkeitsfüllstands im Behältnis möglich.
Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich (und für viele Anwendungen ausreichend), lediglich eine vorab bestimmte Kennlinie vorzusehen und/oder auf den Einsatz einer Einheit zur Bestimmung der Dichte und einen Temperatursensor zu verzichten.
Erfindungsgemäß kann das Behältnis so ausgebildet sein, dass sich innerhalb des Behältnisses der Umgebungsluftdruck einstellt (kein druckdichter Abschluss des Behältnisses gegenüber der Umgebung). In diesem Fall ist der zweite Drucksensor vorzugsweise außerhalb des Behältnisses (z. B. an der Außenhülle des Behältnisses befestigt) angeordnet. Alternativ dazu kann das Behältnis jedoch auch gegenüber der Umgebung druckdicht ausgebildet sein, so dass sich innerhalb des Behältnisses ein Dampfdruck oberhalb der eingefüllten Flüssigkeitsmenge als Umgebungsdruck ausbildet. In diesem Fall ist der zweite Drucksensor bevorzugt innerhalb des Behältnisses und in einem oberen Bereich des Behälterinneren (z. B. an der inneren Deckenseite des Behältnisinneren) angeordnet.
Vorteilhafterweise umfasst mindestens einer der Drucksensoren eine drahtlose Übertragungseinheit, mit deren Hilfe die von ihm erfassten Messgrößen drahtlos an eine entsprechende Empfangseinheit, die mit der Auswerteeinheit in Verbindung steht oder als ein Teil der Auswerteeinheit ausgebildet ist, übertragen werden können. Besonders bevorzugt handelt es sich bei einer solchen Übertragungseinheit um einen RFID-Transponder; die Empfangseinheit ist dann als RFID-Lesegerät ausgebildet. Der Aufbau und die Ausgestaltung von RFID-Transpondern und -Lesegeräten sind dem Fachmann bekannt. Zumindest die Datenübertragung zwischen dem ersten Drucksensor und der Auswerteeinheit geschieht somit bevorzugt drahtlos.
Alternativ dazu ist jedoch auch eine drahtgebundene Signalübertragung möglich.
Wie nachfolgend noch im Detail beschrieben wird, handelt es sich bei dem mittels des Zusammenhangs F(p_diff) aus dem über die Sensoren erfassten bzw. abgeleiteten Momentanwert von p_diff zu berechnenden, den momentanen Flüssigkeitspegel im Behältnis kennzeichnenden Füllstandskennwert F um das momentan im Behältnisinneren eingefüllte Flüssigkeitsvolumen. Alternativ dazu ist es jedoch auch denkbar, den Zusammenhang oder die Zusammenhänge auf Basis einer Flüssigkeitsfüllhöhe relativ zu einem definierten Punkt des Behältnisses zu definieren.
Der erste Drucksensor ist bevorzugt in einem unteren Bereich des Behältnisinneren (z. B. an der tiefsten Stelle des Bodens des Behältnisses) angeordnet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform können mehrere erste Drucksensoren zum Erfassen von ersten Messgrößen p_sens vorgesehen sein. Bei den hinterlegten Zusammenhängen bzw. Kennlinien kann dann die jeweilige Position der einzelnen ersten Drucksensoren berücksichtigt werden (sensorspezifische Kennlinien). Durch das Vorsehen mehrerer erster Drucksensoren kann die Statistik der Messwertbestimmung (siehe auch nachfolgend) verbessert und somit insbesondere bei einem fahrenden Kraftfahrzeug ein zuverlässigeres Messergebnis für den momentanen Füllstand (z. B. durch Mittelwertbildung der einzelnen mit Hilfe der mehreren Sensoren und Kennlinien berechneten Füllstandskennwerte F) ermittelt werden.
Besonders bevorzugt wird die erfindungsgemäße Vorrichtung in ein Kraftfahrzeug, beispielsweise in ein Motorrad, integriert; das Behältnis ist dann der Kraftfahrzeugtank des Fahrzeugs.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels detailliert beschrieben.
Es zeigen
1 eine Skizze eines beispielhaften erfindungsgemäßen Aufbaus.
2 ein Beispiel für gemessene Druckwerte während einer Messfahrt mit einem eine erfindungsgemäße Vorrichtung aufweisenden Kraftfahrzeug (Motorrad).
3 ein Beispiel für eine vorab bestimmte Kennlinie für eine gegebene Flüssigkeit (Normalbenzin), für eine definierte Temperatur (20°C) und für eine vorgegebene Tankgeometrie.
4 Beispiele für eine Mittelung der dritten Messgröße p_diff über eine Vielzahl einzelner Messwerte zur Reduktion von Messwertverfälschungen aufgrund von Bodenunebenheiten während der Fahrt des Kraftfahrzeugs und von Vibrationen des Kraftfahrzeugmotors.
1 zeigt einen mit einem Tankdeckel 1a versehenen Tank 1 als Behältnis der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Innerhalb des Tankinneren ist der erste Drucksensor 2 am tiefsten Punkt des Bodens des Tanks 1 ausgebildet. Mit ihm ist als erste Messgröße p_sens ein resultierender Gesamtdruck innerhalb des Behältnisinneren messbar. Dieser Gesamtdruck setzt sich zusammen aus einem hydrostatischen Druck auf den ersten Drucksensor 2 und einem zusätzlich auf den ersten Drucksensor 2 wirkenden Umgebungsdruck. Der hydrostatische Druck ist derjenige Druck, der aufgrund der sich oberhalb des ersten Drucksensors 2 befindenden Flüssigkeitssäule mit der Höhe h entsprechend des momentanen Füllstands im Tankinneren auf dem ersten Drucksensor 2 lastet. Der Tank 1 ist hier als offener Tank ausgebildet, das heißt im Gasraum oberhalb des Flüssigkeitspegels im Tankinneren herrscht Umgebungsluftdruck. Mit dem ersten Drucksensor 2 wird somit eine Messgröße p_sens erfasst, die dem Gesamtdruck aus dem vorbeschriebenen hydrostatischen Druck und diesem Umgebungsluftdruck entspricht. Der hydrostatische Druck alleine, also ohne den Umgebungsluftdruck, korreliert hier (entsprechend der vorgegebenen spezifischen Tankgeometrie) eineindeutig mit dem momentan im Tank 1 eingefüllten Flüssigkeitsvolumen V.
Außerhalb des Tankes ist an einer Außenwand desselben der zweite Drucksensor 3 befestigt, mit dem der Umgebungsluftdruck erfasst werden kann.
Der zweite Drucksensor 3 weist eine Kabelverbindung 3a auf, mit der er mit der Auswerteeinheit 4 zur Übertragung der vom zweiten Drucksensor 3 erfassten zweiten Messgröße p_umg an die Auswerteeinheit 4 verbunden ist. Die Auswerteeinheit 4 ist außerhalb des Tankinneren und an der Unterseite des Tanks 1 befestigt angeordnet.
Die Übertragung der ersten Messgröße p_sens vom ersten Drucksensor 2 an die Auswerteeinheit 4 erfolgt auf Basis der dem Fachmann bekannten RFID-Technik (von englisch: radio frequency identification): Der erste Drucksensor 2 weist einen RFID-Transponder 7 auf, der die der ersten Messgröße p_sens entsprechenden Messdaten an das als Teil der Auswerteeinheit 4 ausgebildete RFID-Lesegerät 8 überträgt. Es können gängige RFID-Lesegeräte und RFID-Transponder in bekannten und zugelassenen Frequenzbändern (z. B. bei 125 kHz, 869 MHz, 2,4 GHz) verwendet werden. Dabei ist lediglich darauf zu achten, dass die Positionierung zwischen Sensor und Auswerteeinheit eine Einhaltung der einschlägigen Zulassungsnormen gewährleistet.
Um wie vorbeschrieben eine hochgenaue Füllstandbestimmung vornehmen zu können, ist an einer Innenwandung des Behältnisses 1 in einem unteren, auch bei geringen Kraftstoffmengen im Tank 1 noch flüssigkeits- bzw. kraftstoffbedeckten Bereich des Tankinneren 1 ein Temperatursensor 6 angeordnet. Mit diesem lässt sich die Temperatur der eingefüllten Flüssigkeit bzw. des Kraftstoffs bestimmen. Auch der Temperatursensor 6 weist einen RFID-Transponder 6a auf, mit dessen Hilfe die entsprechenden Temperaturwerte an die Auswerteeinheit 4 übertragen werden können. Auf Basis der momentanen Temperatur T wählt die Auswerteeinheit 4 dann die geeignete, vorab in ihr abgespeicherte Kennlinie F_T(p_diff) zur Bestimmung des Füllstandskennwerts F für das momentan vorliegende Füllvolumen V aus.
Als Temperatursensoren sind zum Beispiel alle gängigen bekannten temperaturabhängigen Widerstände verwendbar.
Des Weiteren ist im unteren Bereich des Tankinneren an einer Seitenwandung eine Einheit 5 zur Bestimmung der Dichte ϱ des momentan im Tank befindlichen Kraftstoffs angeordnet. Auch diese Einheit 5 ist im unteren Bereich des Tanks angeordnet, so dass auch bei geringer Tankfüllung Dichtewerte des Kraftstoffs bestimmt werden können. Die Einheit 5 ist mit einem RFID-Transponder 5a versehen, mit dessen Hilfe die entsprechenden Dichtewerte an die Auswerteeinheit 4 bzw. deren Lesegerät 8 übertragen werden können. Die Einheit 5 besteht hier aus zwei übereinander angeordneten Drucksensoren (nicht gezeigt), aus deren Messwerten bei bekanntem Abstand dieser beiden Sensoren die Dichte des momentan eingefüllten Kraftstoffs bestimmt werden kann. Es sind jedoch auch auf anderen Prinzipien basierende Einheiten 5 zur Dichtebestimmung einsetzbar. Auf Basis der übertragenen Dichtewerte kann somit die Auswerteeinheit 4 den passenden flüssigkeitsartspezifischen funktionalen Zusammenhang F_ϱ(p_diff) auswählen.
Durch die Einheiten 5 und 6 ist somit sichergestellt, dass (eine tankgeometriespezifische Bestimmung der Kennlinien vorausgesetzt) die den momentanen Bedingungen angepasste, korrekte Kennlinie ausgewählt wird. Hierdurch wird erfindungsgemäß eine hochgenaue Bestimmung des Flüssigkeitsfüllstands im Tank ermöglicht. Prinzipiell ist es auch möglich nur eine der beiden Einheiten 5 und 6 vorzusehen oder ganz auf diese Einheiten 5, 6 zu verzichten.
Als Drucksensoren eignen sich gängige barometrische Drucksensoren wie sie beispielsweise für Höhenmesser Verwendung finden. Bei der Füllstandsmessung können dabei Genauigkeiten im Bereich von wenigen 10 bis 100 Milliliter Flüssigkeit erreicht werden. Für die Erreichung der Kraftstoffbeständigkeit sind ggf. speziell angepasste Membran- und Gehäusetypen notwendig.
Nachfolgend wird die Bestimmung des Füllstands im Tank 1 beispielhaft auf Basis von Mittelwertbildungen der Messwerte beschrieben. Alternativ dazu können jedoch auch andere Auswerteverfahren in der Auswerteeinheit 4 implementiert werden.
Der sich am Boden des Tanks 1 befindende erste Drucksensor 2 erfasst in regelmäßigen Zeitabständen von z. B. 0.5 Sekunden ständig die erste Messgröße p_sens, die den vorbeschriebenen Gesamtdruck kennzeichnet. Nachfolgend wird diese Messgröße zur Abkürzung vereinfacht auch als ”Druck p_sens” bezeichnet, obwohl der korrekte absolute Gesamtdruck ggf. erst nach einer Messwertkorrektur aus dieser Messgröße resultieren kann. Des weiteren misst der zweite Drucksensor 3 außerhalb des Tanks in diesen regelmäßigen Zeitabständen ständig den Umgebungsluftdruck, ermittelt also die entsprechende Messgröße p_umg, die hier aufgrund des herrschenden Atmosphärendrucks nachfolgend als p_atmo bezeichnet wird. Auch diese Messgröße wird nachfolgend abkürzend als Druck p_sens bzw. p_atmo bezeichnet. Die Luftdruckmessung ist notwendig, da der erste Drucksensor 2 den Druck der über ihm lastenden Flüssigkeitssäule (entsprechend der dritten Messgröße p_diff) nur zusammen mit dem Luftdruck p_atmo misst. Für den auf der Flüssigkeitssäule oberhalb des ersten Drucksensors 2 lastenden Druck ergibt sich somit p_diff = p_sens – p_atmo.
Im Allgemeinen sind die beiden Sensoren 1, 2 nicht gleich kalibriert, das heißt sie messen für den Umgebungsluftdruck unterschiedliche Werte. Der hierdurch resultierende Offset Δ bleibt jedoch, so lange an der Vorrichtung 1 bis 8 nichts verändert wird, konstant. Hierdurch ergibt sich p_atmo(Luft) = p_sens(Luft) + Δ.
P_atmo(Luft) ist dabei derjenige Wert, den der zweite Drucksensor 3 misst und p_sens(Luft) ist der Wert, den der erste Drucksensor 2 misst, wenn der Tank 1 vollkommen leer ist (keine Flüssigkeit vorhanden): In diesem Fall misst auch der erste Drucksensor den Luftdruck. Durch eine einmalige Messung dieser Art kann der Offset Δ bestimmt werden. Mit dem so bestimmten Δ = p_atmo(Luft) – p_sens(Luft) folgt schließlich für die dritte Messgröße bzw. den entsprechenden Differenzdruck p_diff = p_sens – (p_atmo(Luft) – Δ) mit p_sens als dem auf den ersten Drucksensor 2 wirkenden Gesamtdruck und p_atmo(Luft) als dem vom zweiten Drucksensor erfassten Umgebungsluftdruck.
2 zeigt ein Beispiel für die Messung des Umgebungsluftdrucks durch einen zweiten Drucksensor 3 (p_atmo) sowie durch drei im Tankinneren eines leeren Tanks angeordnete Drucksensoren (P sens1 bis P sens3).
Um vom so gemessenen Differenzdruckwert bzw. der dritten Messgröße p_diff (der/die sich durch die momentan auf dem ersten Drucksensor 2 lastende Flüssigkeitssäule alleine ergibt) auf den momentanen Inhalt des beliebig geformten Flüssigkeitsbehälters 1 zu schließen ist vor Durchführung der entsprechenden Messung mindestens eine (flüssigkeitsbehälterspezifische) Kennlinie F(p_diff) zu erstellen und in der Auswerteeinheit 4 abzulegen. Der Micro-Controller der Auswerteeinheit 4 umfasst somit neben einem geeigneten Rechenwerk zur Durchführung der Berechnungen auch einen Speicher.
Die Kennlinienbestimmung wird realisiert, indem bei der vorbeschriebenen Messanordnung in ausreichend großen Zeitabständen (von beispielsweise 3 Minuten) ein definiertes Volumen V der Flüssigkeit in den Tank gefüllt wird. Mittels der beiden Sensoren 2, 3 wird der Druck der Flüssigkeitssäule p_diff wie vorbeschrieben bestimmt. Jedem Füllstand bzw. Füllvolumen V kann somit auf eindeutige Art und Weise ein Wert p_diff zugeordnet werden. Eine entsprechende für eine definierte Tankgeometrie aufgenommene Kennlinie F(p_diff) zwischen dem Differenzdruckwert p_diff und dem den momentanen Füllstand im Behälter kennzeichnenden Füllstandskennwert (hier: Füllvolumen V an Flüssigkeit im Tank) zeigt 3 (Füllvolumen in Liter, Differenzdruck in Hektopascal). Entsprechende Messvorgänge werden, angefangen vom leeren Tank (V = 0) bis hin zum maximal gefüllten Tank (V = V_max) zum Erzeugen der Kennlinie wiederholt.
Dabei kann die Kennlinie mittels einer vordefinierten mathematischen Funktion, beispielsweise einem Polynom, auf Basis eines Fitverfahrens aus den bestimmten Messwertpaaren (p_diff, V) gewonnen werden. Entsprechende Fitverfahren sind dem Fachmann bekannt. Mittels dieses funktionalen Zusammenhangs bzw. dieser Kennlinie ist es nun möglich, absolut jedem Druck p_diff ein Füllvolumen V zuzuordnen, welches im Rahmen eines sehr geringen Fehlers dem Füllstand des Tanks entspricht. Der Druck der Flüssigkeitssäule p_diff ergibt sich dabei zu p_sens = F/A = (ϱ·V·g)/A = ϱ·h·g wobei F die Kraft, A die Fläche des Sensors, ϱ die Dichte der Flüssigkeit, g die Fallbeschleunigung und h die Höhe der Flüssigkeitssäule am Ort des ersten Drucksensors 2 ist. p_diff ist also von der Dichte der Flüssigkeit abhängig; eine Kennlinie gilt somit nur für eine Flüssigkeit derselben Dichte ϱ (und bei einer definierten Temperatur T). Die Messung weiterer Kennlinien bei anderen Flüssigkeitstypen bzw. -dichten und/oder für verschiedene Temperaturen T ist somit vorteilhaft. Die Bestimmung der weiteren Kennlinien für Flüssigkeiten mit anderer Dichte kann dabei auf die Messung der unterschiedlichen Dichten reduziert werden, da sich aus den vorstehenden Überlegungen unmittelbar für zwei unterschiedliche Dichten ϱ₁ und ϱ₂ ergibt p_diff,ϱ2/p_diff,ϱ1 = ϱ₂/ϱ₁
Erfindungsgemäß lassen sich somit in Abhängigkeit vom Kraftstofftyp bzw. dessen Dichte, von der momentanen Temperatur und von der gegebenen Tankgeometrie verschiedenste funktionale Zusammenhänge F(p_diff) bestimmen und im Speicher der Auswerteeinheit 4 ablegen.
Beim Messen des Kraftstofffüllstands im Tank von Kraftfahrzeugen während der Fahrt kann es zur Verzerrungen der Messwerte aufgrund von Bodenunebenheiten, die während der Fahrt passiert werden, und von Vibrationen durch den Motor des Kraftfahrzeugs, kommen. Um ein ausreichend genaues Signal zu erhalten ist es daher vorteilhaft, die auf Basis der Messwerte der beiden Drucksensoren 2, 3 berechnete dritte Messgröße p_diff bzw. den ermittelten Differenzdruckwert über eine Vielzahl von Messwerten zu mitteln (beispielsweise über die Menge von Messwerten, die über eine Messzeit von fünf Minuten bei einem Messintervall zwischen benachbarten Messwerten von 0.5 Sekunden erhalten wird).
So kann beispielsweise zu einem Zeitpunkt t₁ das ermittelte Signal der Mittelwert aus allen Messungen vom Messpunkt t₁ – 5 Minuten bis zum Messpunkt t₁ sein. Während der ersten fünf Messminuten wird jeder neu aufgenommene Messwert der Mittelwertbildung hinzugefügt, bis die fünf Minuten vergangen sind. Dann kann der neueste Messwert immer den ältesten ersetzen (gleitende Mittelwertbildung). Aus diesem ermittelten Wert von p_diff kann über die Kennlinienfunktion der Tankinhalt wie vorgeschrieben bestimmt werden.
4 zeigt eine solche Mittelung des Differenzdruckwerts p_diff über unterschiedliche Zeitintervalle von drei Minuten, fünf Minuten und zehn Minuten sowie die Schwankung der auf Basis von einzelnen Messwerten der Sensoren 2, 3 berechneten Einzelwerte von p_diff. Auch andere Mittelungsverfahren sind hierbei erfindungsgemäß einsetzbar.

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behältnis, insbesondere in einem Kraftfahrzeugtank, umfassend das mit der Flüssigkeit füllbare Behältnis (1), einen ersten Drucksensor (2), mit dem eine erste Messgröße p_sens erfassbar ist, die den aus dem hydrostatischen Druck einer auf dem ersten Drucksensor (2) lastenden Flüssigkeitsmenge innerhalb des Behältnisses (1) und aus einem auf dieser Flüssigkeitsmenge lastenden Umgebungsdruck resultierenden Gesamtdruck kennzeichnet, einen zweiten Drucksensor (3), mit dem eine besagten Umgebungsdruck kennzeichnende zweite Messgröße p_umg erfassbar ist, und eine Auswerteeinheit (4), an die die erste und die zweite Messgröße übertragbar sind, mittels derer aus diesen beiden Messgrößen eine besagten hydrostatischen Druck alleine kennzeichnende dritte Messgröße p_diff bestimmbar ist und mittels derer aus der bestimmten dritten Messgröße p_diff auf Basis eines vorab bestimmten und bevorzugt in der Auswerteeinheit (4) hinterlegten funktionalen Zusammenhangs F(p_diff) zwischen der dritten Messgröße p_diff und einem den Füllstand der Flüssigkeit im Behältnis (1) kennzeichnenden Füllstandskennwert F der zu der bestimmten dritten Messgröße p_diff gehörende Füllstandskennwert F bestimmbar ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei zu einer Mehrzahl von Zeitpunkten jeweils mit dem ersten Drucksensor (2) eine erste Messgröße p_sens und mit dem zweiten Drucksensor (3) eine zweite Messgröße p_ump erfassbar ist und wobei mittels der Auswerteeinheit (4) aus jedem dieser Messgrößenpaare p_sens, p_umg jeweils eine dritte Messgröße p_diff bestimmbar ist, die so bestimmten mehreren dritten Messgrößen p_diff mittelbar sind
und mit dem so berechneten Mittelwert
auf Basis des Zusammenhangs F(p_diff) der zu diesem Mittelwert gehörende Füllstandskennwert F bestimmbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für mehrere unterschiedliche Arten von Flüssigkeiten und/oder für mehrere Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte ρ, insbesondere für unterschiedliche Arten von Kraftstoffen, je Flüssigkeit mindestens ein flüssigkeitsdichte- und/oder flüssigkeitsartspezifischer funktionaler Zusammenhang F_ρ(p_diff) zwischen der dritten Messgröße p_diff und einem den Füllstand der jeweiligen Flüssigkeit im Behältnis (1) kennzeichnenden Füllstandskennwert F vorab bestimmt und bevorzugt auch in der Auswerteeinheit (4) hinterlegt ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch umfassend eine Einheit (5) zur Bestimmung der Art und/oder der Dichte einer Flüssigkeit, die so angeordnet ist, dass mit ihr die Dichte und/oder die Art einer im Behältnis (1) eingefüllten Flüssigkeit erfassbar ist/sind, wobei die Auswerteeinheit (4) so ausgebildet ist, dass auf Basis einer dergestalt erfassten Flüssigkeitsart und/oder -dichte der zu dieser Flüssigkeitsart und/oder -dichte gehörende flüssigkeitsdichte- und/oder flüssigkeitsartspezifische funktionale Zusammenhang F_ρ(p_diff) zur Bestimmung des Füllstandskennwerts F auswählbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für mindestens ein Art von Flüssigkeit für mehrere unterschiedliche Temperaturen T jeweils ein temperaturspezifischer funktionaler Zusammenhang F_T(p_diff) zwischen der dritten Messgröße p_diff und einem den Füllstand dieser Art von Flüssigkeit im Behältnis (1) bei der jeweiligen Temperatur kennzeichnenden Füllstandskennwert F vorab bestimmt und bevorzugt auch in der Auswerteeinheit (4) hinterlegt ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch umfassend einen Temperatursensor (6), der so angeordnet ist, dass mit ihm die Temperatur einer im Behältnis (1) eingefüllten Flüssigkeit erfassbar ist, wobei die Auswerteeinheit (4) so ausgebildet ist, dass auf Basis einer dergestalt erfassten Temperatur der zu dieser Temperatur gehörende temperaturspezifische funktionale Zusammenhang F_T(p_diff) zur Bestimmung des Füllstandskennwerts F auswählbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei entweder das Behältnis (1) gegenüber der Umgebung nicht druckdicht ausgebildet ist, so dass innerhalb des Behältnisses (1) der Umgebungsluftdruck als Umgebungsdruck herrscht, und der zweite Drucksensor (3) bevorzugt außerhalb des Behältnisses angeordnet ist oder das Behältnis (1) gegenüber der Umgebung druckdicht ausgebildet ist, so dass innerhalb des Behältnisses (1) ein oberhalb einer eingefüllten Flüssigkeitsmenge ausgebildeter Gasdruck als Umgebungsdruck herrscht, und der zweite Drucksensor (3) bevorzugt innerhalb des Behältnisses (1) und oberhalb eines vordefinierten maximalen Füllstands an Flüssigkeit im Behältnis (1), insbesondere im oberen Bereich des Behältnisinneren und/oder an der inneren Deckenseite des Behältnisses (1) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens einer der Drucksensoren, bevorzugt der erste Drucksensor (2), eine bevorzugt als RFID-Transponder ausgebildete Übertragungseinheit (7) umfasst, mit dessen/deren Hilfe die zugehörige(n) Messgröße(n) drahtlos an eine bevorzugt als RFID-Lesegerät ausgebildete Empfangseinheit (8), das/die als Teil der Auswerteeinheit (4) ausgebildet ist oder zur Datenübertragung in Kontakt mit der Auswerteeinheit (4) steht, übertragbar ist/sind, und/oder wobei der Füllstandskennwert F dem Füllvolumen V im Behältnis oder einer Füllhöhe h im Behältnis entspricht und/oder wobei der erste Drucksensor (2) im Inneren des Behältnisses (1), insbesondere im unteren Bereich des Behältnisinneren und/oder an der inneren Bodenseite des Behältnisses (1) angeordnet ist und/oder wobei mehrere erste Drucksensoren zum Erfassen von ersten Messgrößen p_sens vorgesehen sind.
Kraftfahrzeug, insbesondere Motorrad, PKW, LKW, Kraftomnibus oder Zugmaschine, umfassend eine Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstands des Kraftstoffs in seinem Kraftfahrzeugtank nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Bestimmung des Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behältnis, insbesondere in einem Kraftfahrzeugtank, wobei das Behältnis (1) zumindest teilweise mit der Flüssigkeit gefüllt wird oder bereits gefüllt ist, wobei mittels eines ersten Drucksensors (2) eine erste Messgröße p_sens erfasst wird, die den aus dem hydrostatischen Druck einer auf dem ersten Drucksensor (2) lastenden Flüssigkeitsmenge innerhalb des Behältnisses (1) und aus einem auf dieser Flüssigkeitsmenge lastenden Umgebungsdruck resultierenden Gesamtdruck kennzeichnet, wobei mittels eines zweiten Drucksensors (3) eine besagten Umgebungsdruck kennzeichnende zweite Messgröße p_umg erfasst wird, und wobei aus diesen beiden Messgrößen eine besagten hydrostatischen Druck alleine kennzeichnende dritte Messgröße p_diff bestimmt wird und aus dieser bestimmten dritten Messgröße p_diff mittels eines vorab bestimmten funktionalen Zusammenhangs F(p_diff) zwischen der dritten Messgröße p_diff und einem den Füllstand der Flüssigkeit im Behältnis (1) kennzeichnenden Füllstandskennwert F der zu der bestimmten dritten Messgröße p_diff gehörende, den momentanen Füllstand der Flüssigkeit im Behältnis (1) kennzeichnende Füllstandskennwert F bestimmt wird.