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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Füllstands eines Mediums in einem Vorratsbehälter, insbesondere zur Bestimmung einer Kraftstoffmenge in einem Kraftstofftank für Fahrzeuge.
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Im Fahrzeugbereich werden häufig zur Füllstandsmessung Hebelgeber mit Schwimmer verwendet, welche im Kraftstoffbehälter angeordnet sind. Aufgrund der Schwenkbewegung erfordern derartige Füllstandsmesser jedoch einen gewissen Raumbedarf. Ferner ist aus der
DE 10 2005 049 278 B4 eine Vorrichtung zur Messung von Füllständen bekannt, welche Radarsignale zur Füllstandsmessung verwendet. Hierzu ist ein Wellenleiter mit einem Schwimmer vorgesehen, und ein erster Radarsensor ist an einer Oberseite und ein zweiter Radarsensor an einer Unterseite des Kraftstoffbehälters angeordnet. Hierdurch misst der an der Unterseite des Kraftstoffbehälters angeordnete Radarsensor durch das Medium hindurch, wodurch das Messsignal durch die Medieneigenschaften negativ beeinflusst wird. Da moderne Kraftstoffe eine Beimischung von Ethanol aufweisen, welches für eine hohe Dämpfung des Signals im Medium verantwortlich ist, treten bei der Messung durch das Medium Fehler auf, insbesondere auch, wenn die Beimischung von Ethanol variabel ist. Ein weiteres Problem ergibt sich dadurch, dass ein sogenanntes ”Tankatmen” auftreten kann, bei dem der Kraftstoffbehälter in gewissen Grenzen ein variables Volumen aufweist, wobei sich der Tankboden, abhängig von einem Füllgewicht, einer Temperatur und/oder einem Tankdruck, in gewissem Maße durchbiegt. Dies führt bei einer Anordnung des Radarsensors an einer Behälteroberseite zu einer entsprechenden Messungenauigkeit im Fall des Tankatmens. Dies ist besonders problematisch bei geringen Füllhöhen, da dann keine exakte Aussage über die noch verbleibende Reichweite des Fahrzeugs möglich ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung eines Füllstands eines Mediums in einem Vorratsbehälter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine exakte Bestimmung eines Füllstands des Vorratsbehälters möglich ist. Der Füllstand kann dabei insbesondere auch unabhängig von einem eventuell auftretenden Tankatmen exakt ermittelt werden. Hierdurch können insbesondere bei Kraftfahrzeugen exakte Angaben über Restmengen eines Tankinhalts ermöglicht werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Vorrichtung ein Referenzelement umfasst, welches fest mit einem Boden des Vorratsbehälters verbunden ist. Ein Sensor, der elektromagnetische Wellen aussendet und reflektierte Wellen empfängt, ist dabei derart angeordnet, dass der Sensor auf eine Oberfläche des Mediums gerichtet ist und auch auf eine Position, an welcher das Referenzelement angeordnet ist. Der Sensor ist mit einer Auswerteeinheit verbunden, welche ausgelegt ist, eine Signaländerung einer reflektierten ausgesandten Welle zu erfassen. Das Referenzelement weist eine vorbestimmte Dicke auf und ist aus einem Material hergestellt, welches im Wesentlichen für die elektromagnetischen Wellen durchlässig ist. Somit können erfindungsgemäß, sobald das Referenzelement nicht mehr vom Medium überdeckt ist, die vom Sensor ausgesandten elektromagnetischen Wellen durch das Referenzelement hindurchtreten. Die hindurchtretenden Wellen werden dann an einer Unterseite des Referenzelements reflektiert und zum Sensor zurückgesandt. Hierdurch entsteht eine detektierbare Signaländerung der reflektierten Welle, welche dann zur Bestimmung der Füllstandshöhe im Vorratsbehälter verwendet werden kann. Da das Referenzelement fest mit dem Boden des Vorratsbehälters verbunden ist, führt das Referenzelement auch die gleichen Bewegungen wie der Boden durch, so dass beispielsweise bei einem Tankatmen, bei dem sich der Boden absenkt, auch das Referenzelement mit abgesenkt wird. Dabei ist erfindungsgemäß lediglich ein einziger Sensor notwendig. Ferner ist erfindungsgemäß der Sensor über der Oberfläche des Mediums angeordnet. Hierdurch werden Verfälschungen der Messung verhindert, da der Sensor einen Füllstand nicht durch das Medium im Vorratsbehälter hindurch bestimmt. Der Sensor ist vorzugsweise an einer Oberseite des Vorratsbehälters angeordnet, so dass insbesondere auch eine Verkabelung des Sensors sehr einfach ist. Hierdurch ergibt sich ein großes Kosteneinsparpotential der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Ein besonders kostengünstiger Aufbau ergibt sich, wenn der Sensor vorzugsweise ein Radarsensor ist.
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Für einen besonders einfachen Aufbau ist vorzugsweise das Referenzelement direkt am Boden des Vorratsbehälters angeordnet.
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Bevorzugt ist das Referenzelement ein luftgefüllter Quader, wobei der Quader aus einem Material hergestellt ist, welcher für die vom Sensor ausgesandten elektromagnetischen Wellen im Wesentlichen durchlässig ist. Als Material für das Referenzelement kann beispielsweise ein Kunststoff verwendet werden.
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Um eine möglichst gute Wellenführung der vom Sensor ausgesandten elektromagnetischen Wellen bereitzustellen, umfasst die Vorrichtung ferner vorzugsweise einen Wellenleiter. Das Referenzelement ist dann im Wellenleiter angeordnet und kann entweder am Boden des Vorratsbehälters angeordnet sein oder an einer beliebigen Höhe fest mit dem Wellenleiter verbunden sein, wenn der Wellenleiter selbst am Boden befestigt ist.
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Um auch einen Füllstand von schüttfähigen Massengütern sicher bestimmen zu können, weist das Referenzelement vorzugsweise an einer Oberseite zumindest eine schiefe Ebene auf. Hierdurch werden die Schüttgüter seitlich am Referenzelement abgeführt und es besteht nicht die Gefahr, dass die Schüttgüter bei Absinken des Füllstands auf dem Referenzelement liegen bleiben und so zu einer falschen Messung führen. Bevorzugt ist die Oberseite des Referenzelements dachförmig ausgebildet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst das Referenzelement eine Vielzahl von Referenzblöcken, welche mit Abstand übereinander angeordnet sind. Durch diesen Aufbau des Referenzelements kann eine mehrfache exakte Erfassung des genauen Füllstands im Vorratsbehälter ermöglicht werden. Die Referenzblöcke sind beispielsweise mittels eines Gestells fest miteinander verbunden, wobei das Gestell am Boden des Vorratsbehälters angeordnet ist. Besonders bevorzugt weisen die Referenzblöcke dabei eine gleiche Dicke auf. Hierdurch können Füllstände in definierten Abständen, z. B. in Literabständen, bestimmt werden.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Tankeinbaueinheit mit einem Topf, einem Deckel und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines Füllstands eines Mediums, wobei die Vorrichtung in die Tankeinbaueinheit integriert ist. Hierdurch ist es möglich, eine Tankeinbaueinheit mit einem zusätzlichen Merkmal, nämlich der Füllstandsbestimmung, auszustatten, ohne dass zusätzlicher Bauraum am Tank notwendig ist und ferner eine besonders einfache Verkabelung der Vorrichtung von einer Oberseite des Tanks ermöglicht wird. Auch ist eine einfache und schnelle Montage in eine oberseitige Öffnung des Tanks möglich.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Vorratsbehälter, insbesondere einen Kraftstofftank, umfassend eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Somit kann erfindungsgemäß ein Füllstand eines Mediums in einem Vorratsbehälter bestimmt werden. Solange das Referenzelement noch vom Medium bedeckt ist, werden die Wellen von der Oberfläche des Mediums zum Sensor zurückreflektiert. Sobald das Medium das Referenzelement nicht mehr bedeckt, gehen die vom Sensor ausgesandten Wellen durch das Referenzelement hindurch und werden von der Unterseite des Referenzelements reflektiert. Hierdurch kann eine sprunghafte Signaländerung detektiert werden, so dass hieraus Rückschlüsse auf die exakte noch im Vorratsbehälter befindliche Menge an Medium gemacht werden kann.
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Die Erfindung wird besonders bevorzugt in Verbindung mit einem Tank von Fahrzeugen verwendet, um eine Mindestreserve exakt angeben zu können.
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Zeichnung
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit hohem Füllstand,
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2 die Vorrichtung von 1 mit niederem Füllstand,
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3 ein Diagramm, welches einen Signalverlauf des vom Sensor empfangenen Signals des ersten Ausführungsbeispiels zeigt,
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4 eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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5 ein Diagramm, welches einen Signalverlauf der Vorrichtung des zweiten Ausführungsbeispiels zeigt,
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6 eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit hohem Füllstand,
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7 eine schematische Schnittansicht der Vorrichtung des dritten Ausführungsbeispiels mit niederem Füllstand,
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8 eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel mit hohem Füllstand,
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9 eine schematische Schnittansicht der Vorrichtung vom 8 mit niederem Füllstand, und
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10 ein Diagramm, das die Signalerfassung des Sensors über der Füllhöhe des vierten Ausführungsbeispiels zeigt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 eine Vorrichtung 1 zum Bestimmen eines Füllstands eines Vorratsbehälters 2 im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Bestimmung eines Füllstands eines Mediums 3 in einem Vorratsbehälter 2 einen Sensor 5, einen Wellenleiter 7, ein Referenzelement 8 sowie eine Auswerteeinheit 9. Der Sensor 5 ist als Radarsensor ausgebildet und sendet elektromagnetische Wellen 6 aus.
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Das Referenzelement 8 ist im Wellenleiter 7 angeordnet und ist fest mit einem Boden 22 des Vorratsbehälters 2 verbunden. Das Referenzelement 8 ist ein aus Kunststoff hergestellter, mit Luft gefüllter Quader. Der Wellenleiter 7 ist über eine Öffnung 7a mit dem restlichen Volumen des Vorratsbehälters 2 verbunden, so dass Fluid auch in das Innere des Wellenleiters 7 strömen kann.
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Der Sensor 5 ist mit der Auswerteeinheit 9 verbunden und übermittelt entsprechende Signale hinsichtlich des Füllstands im Vorratsbehälter 2. Das Referenzelement 8 weist eine definierte Höhe H auf, welche einen Abstand einer Oberfläche 8a des Referenzelements 8 zum Boden 22 des Vorratsbehälters 2 beschreibt.
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Der Sensor 5 ist an einer Oberseite 21 des Vorratsbehälters 2 befestigt und in Richtung zur Oberfläche 4 des Mediums 3 gerichtet. Die elektromagnetischen Wellen 6 werden dabei in den Wellenleiter 7 eingeführt.
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Die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dabei wie folgt. Bei dem in 1 gezeigten Zustand, bei dem eine Füllhöhe im Vorratsbehälter 2 relativ hoch ist, sendet der Sensor 5 die elektromagnetischen Wellen 6 in Richtung auf eine Oberfläche 4 des Mediums 3. Die elektromagnetischen Wellen 6 verlaufen dabei im Wellenleiter 7. Von der Oberfläche 4 des Mediums 3 werden die elektromagnetischen Wellen reflektiert und wieder vom Sensor 5 empfangen. Der Sensor 5 übermittelt dann ein entsprechendes Signal an die Auswerteeinheit 9, welche, basierend auf diesem Signal, den aktuellen Füllstand bestimmt. Tritt in diesem Zustand ein sogenanntes Tankatmen auf, bei dem sich beispielsweise der Boden 22 durchbiegt, führt dies zwar zu einer gewissen Abweichung der gemessenen Füllhöhe von der tatsächlichen Füllhöhe, da die Oberfläche 4 des Mediums 3 ebenfalls etwas tiefer liegt, jedoch ist diese Abweichung bei einem fast vollen Füllstand zu vernachlässigen.
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Wenn der Füllstand, wie in 2 gezeigt, soweit abgesunken ist, dass die Oberfläche 4 des Mediums 3 auf gleicher Höhe mit der Oberseite 8a des Referenzelements 8 liegt, laufen die von dem Sensor 5 ausgesendeten elektromagnetischen Wellen 6 bis zum Referenzelement 8 und laufen weiter durch das Referenzelement 8 hindurch, da das Material des Referenzelements 8 für die elektromagnetischen Wellen 6 durchlässig ist. Daher erfolgt eine Reflektion der elektromagnetischen Wellen erst am Boden 22 des Vorratsbehälters 2 (siehe 2). Im Vergleich zu dem Signal, welches gemessen wurde, als das Medium 3 noch kurz über dem Referenzelement 8 stand, ergibt sich somit eine sprunghafte Signaländerung 10. Dies ist in 3 dargestellt, welche eine Stärke des reflektierenden Sensorsignals S über der Füllhöhe F darstellt. Die sprunghafte Signaländerung 10 kann von der Auswerteeinheit erfasst werden und somit kann genau bestimmt werden, dass das Medium gerade unterhalb der Oberseite 8a des Referenzelements 8 steht. Dies ist auch bei einem eventuellen Tankatmen möglich, da eine Höhe H des Referenzelements 8 fest definiert ist und das Referenzelement 8 mit dem Boden 22 des Vorratsbehälters alle Bewegungen in gleicher Weise mit ausführt. Die Auswerteeinheit 9 kann daher bei Auftreten der sprunghaften Signaländerung 10 eine exakte Restmenge des im Vorratsbehälter 2 vorhandenen Mediums angeben. Wenn die Vorrichtung 1 beispielsweise in einem Tank eines Fahrzeugs verwendet wird, wird eine Höhe H des Referenzelements 8 derart festgelegt, dass, wenn das Medium 3 die Oberseite 8a des Referenzelements 8 erreicht, noch eine gewünschte Tankreserve im Tank vorhanden ist.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 4 und 5 eine Vorrichtung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel bezeichnet. Die Vorrichtung 1 zur Bestimmung eines Füllstands gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist für schüttfähige Medien ausgebildet, z. B. Holzpellets oder Getreide. Das Referenzelement 8 weist einen quaderförmigen Hauptkörper 18 mit einer dachartigen Oberseite 8a auf, welche durch eine erste schiefe Ebene 15 und eine zweite schiefe Ebene 16 gebildet sind. Der Hauptkörper 18 ist über einen Fixierstab 17 mit dem Boden 22 des Vorratsbehälters 2 verbunden. Durch die dachartige Ausbildung mit den beiden schiefen Ebenen 15, 16 wird bei den schüttfähigen Feststoffen erreicht, dass diese nicht in unerwünschter Weise auf dem Referenzelement 8 liegen bleiben, sobald die Füllhöhe in den Bereich der Oberseite 8a des Referenzelements 8 kommt. Die Schüttgüter rutschen die schiefen Ebenen 15, 16 entlang und werden seitlich am Referenzelement 8 abgeführt. Hierdurch werden, sobald die elektromagnetischen Wellen 6 vom Sensor 5 nicht mehr auf Schüttgüter über dem Referenzelement 8 treffen, die elektromagnetischen Wellen durch das durchlässige Referenzelement 8 hindurchgeführt und an einer Unterseite 8b von den dort noch lagernden Schüttgütern wieder reflektiert. Somit ergibt sich, wie aus dem Diagramm von 5 ersichtlich ist, wiederum eine sprunghafte Signaländerung 10, welche vom Sensor 5 erfasst wird, so dass die Auswerteeinheit 9 eine exakte Angabe über die vorhandene Füllmenge im Vorratsbehälter 2 geben kann. Sollte sich aufgrund von äußeren Einflüssen das Volumen des Vorratsbehälters 2 ändern und sich beispielsweise der Boden 22 durchbiegen, bewegt sich in gleicher Weise auch das Referenzelement 8 mit, da dieses fest mit dem Boden 22 verbunden ist. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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In den 6 und 7 ist eine Vorrichtung 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel bezeichnet sind.
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Das dritte Ausführungsbeispiel ist ähnlich wie das erste Ausführungsbeispiel aufgebaut, wobei im Unterschied dazu das Referenzelement 8 nicht unmittelbar am Boden 22 des Vorratsbehälters 2 angeordnet ist. Wie aus den 6 und 7 ersichtlich ist, ist das Referenzelement 8 über einen Fußbereich 80 mit einem Absatz 7b des Wellenleiters 7 verbunden. Der Wellenleiter 7 selbst ist fest am Boden 22 des Vorratsbehälters 2 fixiert. Somit macht das Referenzelement 8 gemeinsam mit dem Wellenleiter 7 Bewegungen des Bodens 22 bei einem eventuell auftretenden Tankatmen mit. Sobald die Füllhöhe im Vorratsbehälter 2 die Oberseite 8a des Referenzelements 8 erreicht, gehen die elektromagnetischen Wellen 6 wieder durch das Referenzelement durch (7) und werden an der Unterseite 8b durch das dort noch vorhandene Medium 3 reflektiert. Somit kann die Auswerteeinheit 9 wieder eine sprunghafte Signaländerung erfassen und, basierend auf der Kenntnis des Abstandes des Referenzelements 8 vom Boden 22, eine exakte Füllhöhe bestimmen.
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Die 8 bis 10 zeigen eine Vorrichtung 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bezeichnet sind.
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Das vierte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei im Unterschied dazu beim vierten Ausführungsbeispiel drei Referenzelemente 81, 82, 83 vorgesehen sind. Die Referenzelemente 81, 82, 83 sind über ein Halteelement 84 mit dem Boden 22 des Vorratsbehälters 2 verbunden. Die drei Referenzelemente 81, 82, 83 sind gleich aufgebaut und jeweils in gleichem Abstand voneinander angeordnet. Das Halteelement 84 ist fest am Boden 22 befestigt, wobei sichergestellt ist, dass das Medium 3 auch in Bereiche zwischen die Referenzelemente 81, 82, 83 strömen kann. Durch die dreifache Übereinander-Anordnung der Referenzelemente 81, 82, 83 können drei verschiedene exakte Füllmengen genau bestimmt werden. Bei dem in 8 gezeigten Zustand ist der Füllstand derart, dass die vom Sensor 5 ausgesandten elektromagnetischen Wellen 6 von der Oberfläche 4 des Mediums 3 reflektiert werden und zur Bestimmung des Füllstands verwendet werden. Wenn der Pegel des Mediums 3 sinkt, wird eine Oberseite des ersten Referenzelements 81 nicht mehr vom Medium 3 bedeckt sein. Da die Referenzelemente 81, 82, 83 wiederum durchlässig für die elektromagnetischen Wellen sind, geht eine vom Sensor 5 ausgesandte elektromagnetische Welle durch das erste Referenzelement 81 hindurch und wird erst an der Unterseite des ersten Referenzelements 81 vom dort befindlichen Medium 3 wieder reflektiert. Bei dem in 9 gezeigten Zustand ist der Füllstand soweit abgesunken, dass eine Oberfläche des zweiten Referenzelements 82 freiliegt. Hierdurch geht eine elektromagnetische Welle 6 sowohl durch das erste Referenzelement 81 als auch durch das zweite Referenzelement 82 hindurch und wird an der Unterseite des zweiten Referenzelements 82 vom dort befindlichen Medium 3 reflektiert. Somit kann eine Füllstandsbestimmung erhalten werden, bei der drei exakte Füllstände bestimmbar sind. 10 zeigt das entsprechende Diagramm, bei dem bei Erreichen der Oberseite des ersten Referenzelements 81 eine erste sprunghafte Signaländerung 10a auftritt, bei Erreichen der Oberseite des zweiten Referenzelements 82 eine sprunghafte Signaländerung 10b und bei Erreichen der Oberseite des dritten Referenzelements 83 eine sprunghafte Signaländerung 10c auftritt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Referenzelemente 81, 82, 83 identisch ausgebildet und der Abstand zwischen benachbarten Referenzelementen ist ebenfalls gleich ausgebildet. Hierdurch können gleichmäßige Sprünge im Füllstand bestimmt werden. Es ist jedoch auch möglich, dass die Referenzelemente unterschiedlich ausgebildet sind, so dass unterschiedliche Restmengen des Mediums 3 im Vorratsbehälter 3 bestimmt werden können.
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Zu allen beschriebenen Ausführungsbeispielen sei angemerkt, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 auch in eine sogenannte Tankeinbaueinheit integriert werden kann, welche in eine Öffnung an der Oberseite 21 des Vorratsbehälters 2 eingesetzt ist und die Öffnung verschließt. Eine derartige Tankeinbaueinheit umfasst üblicherweise einen Topf sowie einen Deckel, welcher die Öffnung verschließt. Der Topf ist ferner fest mit dem Boden 22 des Vorratsbehälters 2 verbunden. In der Tankeinbaueinheit können ferner noch ein Filter sowie eine Pumpe integriert sein, welche das Medium aus dem Vorratsbehälter 2 pumpt. Derartige Tankeinbaueinheiten sind insbesondere bei Fahrzeugen in Verwendung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005049278 B4 [0002]
