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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Speicherung einer Flüssigkeit und zur Erfassung eines Füllstandes der Flüssigkeit in einem Vorratsbehälter nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Aus der
DE 10312102 ist eine Vorrichtung zur Messung eines Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter bekannt, wobei der Füllstand der Flüssigkeit mittels Ultraschallwellen in einem Messkanal ermittelt wird, und wobei der Messkanal außerhalb des Behälters angeordnet ist. Der Messkanal wird durch eine Messkanalwand begrenzt. Der Ultraschallwandler ist am unteren Ende innerhalb des Messkanals angeordnet, wobei der Ultraschallwandler durch eine flüssigkeitsdichte Abdeckung von der Flüssigkeit im Messkanal geschützt sein kann. Der Ultraschallwandler sendet ein Signal in den Messkanal aus, welches an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit im Messkanal und der Umgebungsluft reflektiert wird. Die reflektierten Ultraschallwellen werden von dem Ultraschallwandler empfangen und in einer Auswerteeinheit verarbeitet. Aus einer Laufzeit der Ultraschallwellen wird der Füllstand in dem Messkanal ermittelt.
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Offenbarung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zur Speicherung einer Flüssigkeit und zur Erfassung eines Füllstandes der Flüssigkeit in einem Vorratsbehälter mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass die Messeinheit außerhalb des Messkanals angeordnet ist und somit keinen Kontakt mit der Flüssigkeit im Vorratsbehälter hat. Durch diese Anordnung sind die Komponenten der Messeinheit, beispielsweise die Auswerte-Elektronik, vor Korrosion bzw. chemischer Zersetzung durch die Flüssigkeit im Vorratsbehälter geschützt. Ferner ist die Messeinheit vor der Zerstörung durch Eisbrocken geschützt, welche sich bei Einsatz der Vorrichtung unterhalb des Gefrierpunktes der bevorrateten Flüssigkeit im Vorratsbehälter bilden können und welche durch auf die Vorrichtung wirkende Beschleunigungskräfte, beispielsweise bei einem Einbau der Vorrichtung in einem Kraftfahrzeug, gegen die Wände des Vorratsbehälters oder des Messkanals schlagen können. Darüber hinaus ist die Messeinheit vor einer Beschädigung durch Volumenzunahme der Flüssigkeit bei Gefrieren geschützt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Messeinheit im Falle einer Beschädigung oder eines Ausfalls leicht ausgewechselt werden kann, so dass im Falle eines Defektes der Messeinheit nicht die komplette Vorrichtung samt Vorratsbehälter ausgetauscht werden muss, was die Kosten im Schadensfall deutlich reduziert.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Vorrichtung sowie des im Anspruch 10 angegebenen Verfahrens möglich.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass die Messeinheit den Füllstand in dem Messkanal nach einem kapazitiven Messverfahren, beispielsweise über einen kapazitiven Näherungsschalter, detektiert. Dabei bildet die Flüssigkeit im Messkanal einen Kondensator, der in Abhängigkeit des Füllstands seine Kapazität ändern und über die Messeinheit ausgewertet werden kann.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass der Messkanal über zwei Verbindungsstellen mit dem Vorratsbehälter hydraulisch verbunden ist. Dadurch wird die hydraulische Anbindung des Messkanals verbessert, so dass der Füllstand im Messkanal schneller auf Füllstandsänderungen im Vorratsbehälter reagiert. Zusätzlich kann so eine Belüftung des Messkanals realisiert werden, so dass Druckunterschiede zwischen Messkanal und Vorratsbehälter durch überströmende Flüssigkeit ausgeglichen werden können.
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Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn in mindestens einer der Verbindungsstellen zwischen dem Vorratsbehälter und dem Messkanal ein hydraulisches Dämpfungselement angeordnet ist. Ein solches hydraulisches Dämpfungselement wirkt als Tiefpassfilter und dämpft die Fortsetzung von Wellenbewegungen im Vorratsbehälter ab, so dass die Flüssigkeit im Messkanal weniger bewegt wird, was zu einer erhöhten Messgenauigkeit führt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass ein Signalkörper in dem Messkanal angeordnet ist, welcher in einem Wirkzusammenhang mit der Messeinheit steht. Ein Signalkörper kann leicht in dem Messkanal positioniert werden und von der Messeinheit erfasst werden. Beispielsweise kann ein Signalkörper in dem Messkanal angeordnet sein, der in Abhängigkeit des Füllstands im Messkanal ein von der Messeinheit ausgesandtes Messsignal reflektiert, absorbiert oder ablenkt, so dass aus der Interaktion zwischen Signalkörper und Messeinheit ein Rückschluss auf den Füllstand in dem Messkanal möglich ist.
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Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Signalkörper als ein Schwimmkörper ausgebildet ist, welcher eine geringere Dichte als die Flüssigkeit im Messkanal aufweist, so dass der Signalkörper an der Oberfläche der Flüssigkeit im Messkanal schwimmt. Ist ein solcher Schwimmkörper zusätzlich magnetisch, so kann die Position des Schwimmkörpers über elektromagnetische Induktion von der Messeinheit erfasst werden. Dies ist vorteilhaft, da dieses Messprinzip auch dort eingesetzt werden kann, wo eine Füllstandserfassung mit kapazitiven Gebern aufgrund der Materialstärke der Messkanalwand oder der Stoffeigenschaften von Messkanalwand oder Flüssigkeit nicht eingesetzt werden können.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass die Messeinheit eine Licht emittierende Quelle und/oder einen Licht empfindlichen Empfänger umfasst. Alternativ oder zusätzlich zur elektrischen Füllstandserfassung kann die Messeinheit den Füllstand optisch erfassen, wobei beispielsweise der Schwimmkörper in Abhängigkeit vom Füllstand den Lichteinfall auf einen Licht empfindlichen Empfänger der Messeinheit abschirmt, wobei das Signal des Empfängers elektronisch ausgewertet und übermittelt werden kann.
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Zeichnungen
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Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß den Merkmalen der weiteren Ansprüche werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind in den Zeichnungen mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 stellt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Speicherung einer Flüssigkeit und zur Erfassung eines Füllstandes der Flüssigkeit in einem Vorratsbehälter dar.
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2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Speicherung einer Flüssigkeit und zur Erfassung eines Füllstandes der Flüssigkeit in einem Vorratsbehälter.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Speicherung einer Flüssigkeit und zur Erfassung eines Füllstandes der Flüssigkeit in einem Vorratsbehälter.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Ein Vorratsbehälter 10 ist mit einer Flüssigkeit 15 bis zu einem Füllstand 12 gefüllt. Der Vorratsbehälter 10 weist eine Behälterwand 11 auf, welche ein Speichervolumen des Vorratsbehälters 10 begrenzt. In einer Oberseite 6 des Vorratsbehälters 10 befindet sich in der Behälterwand 11 eine Öffnung 13, durch die der Behälter 10 mit der Flüssigkeit 15 befüllt werden kann. Die Öffnung 13 in der Oberseite 6 des Vorratsbehälters 10 ist durch einen Deckel 14 verschließbar. Ferner weist die Behälterwand 11 des Vorratsbehälters 10 einen Boden 7 auf, in dem eine zweite Öffnung 16 ausgebildet ist, wobei über diese zweite Öffnung 16 eine Entnahmeleitung 19 angeschlossen ist. An diese Entnahmeleitung 19 kann ein Verbraucher, beispielsweise eine Dosiervorrichtung zur Eindosierung der Flüssigkeit 15 aus dem Vorratsbehälter 10 in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, angeschlossen werden. Der Vorratsbehälter 10 weist in seinem Boden 7 zusätzlich eine Verbindungsstelle 17 auf, über welche ein, durch eine Messkanalwand 21 begrenzter, Messkanal 20 hydraulisch mit dem Vorratsbehälter 10 verbunden ist. Dabei weist der Messkanal 20 einen Durchmesser d auf, wobei der Durchmesser d des Messkanals 20 im Verhältnis zur Länge l des Messkanals 20 deutlich kleiner ist. Die Messkanalwand 21 ist bevorzugt aus einem durchsichtigen und elektrisch nicht leitenden Kunststoffmaterial ausgeführt, welches eine optische Erfassung des Füllstands 12 im Messkanal 20 von außerhalb des Messkanals 20 ermöglicht. An dem Messkanal 20 ist eine Messeinheit 30 angeordnet, welche durch einen Spalt 28 von der Messkanalwand 31 beabstandet ist. Die Messeinheit 30 umfasst dabei Messelemente 32, welche auf einer Leiste 38 parallel zur Messkanalwand 21 des Messkanals 20 angeordnet sind. Darüber hinaus weist der Messkanal 30 ein Belüftungselement 26 auf, durch das Luft in den Messkanal 20 austreten und einströmen kann.
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Der Vorratsbehälter 10 wird durch die Öffnung 13 in der Oberseite 6 des Vorratsbehälters 10 mit der Flüssigkeit 12 befüllt. Durch die hydraulische Anbindung des Messkanals 20 an den Vorratsbehälter 10 strömt die Flüssigkeit 15 durch die Verbindungsstelle 17 in den Messkanal 20, wobei die Luft aus dem Messkanal 20 über das Belüftungselement 26 aus dem Messkanal 20 austritt und sich in dem Vorratsbehälter 10 und im Messkanal 20 der gleiche Füllstand 12 der Flüssigkeit 15 einstellt. Der Füllstand 12 in dem Messkanal 20 wird berührungslos durch die Messeinheit 30 ermittelt, d. h. die Messeinheit 30 hat keinen direkten Kontakt mit der Flüssigkeit 15. Die Messung erfolgt über die Messelemente 32 der Messeinheit 30, welche an unterschiedlichen Positionen entlang des Messkanals 20 angeordnet sind. Die Messelemente 32 sind als kapazitive Sensoren ausgeführt, welche auf eine Änderung des Füllstands 12 im inneren des Messkanals 20 reagieren. Beispielsweise können kapazitive Näherungsschalter verwendet werden, welche bei einem Füllstand 12 größer oder gleich der Position des Messelements 32 ein Signal an eine Auswerteeinheit übermitteln und bei einem Füllstand 12 kleiner der Position des Messelements 32 kein Signal an die Auswerteeinheit übermitteln. Dabei ist das oberste der Messelemente 32 bevorzugt auf Höhe des oberen Endes des Messkanals 20 und das unterste der Messelemente 32 auf Höhe des Bodens 7 des Vorratsbehälters 10 angeordnet. Bei einer Entnahme der Flüssigkeit 15 aus dem Vorratsbehälter 10 sinkt der Füllstand 12 im Vorratsbehälter 10 und infolge seiner hydraulischen Verbindung mit dem Messkanal 20 auch im Messkanal 20. Dabei kann zum Druckausgleich Luft über das Belüftungselement 26 in den Messkanal 20 einströmen. Die Flüssigkeit 15 im Messkanal 20 unterliegt dadurch, dass der Durchmesser d des Messkanals 20, viel kleiner als die Länge l des Messkanals 20 ist, deutlich geringeren Schwapp-Bewegungen als die Flüssigkeit 15 im Vorratsbehälter 10, wodurch die Vorrichtung sich für den Einsatz in bewegbaren Maschinen, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, eignet, bei denen Trägheitskräfte auf die Vorrichtung einwirken. Durch die geringeren Schwapp-Bewegungen als im Vorratsbehälter 10 ist im Messkanal 20 eine einfache und genaue Auswertung des Füllstands 12 der Flüssigkeit 15 möglich. Da die Messeinheit 30 physisch nicht mit dem Messkanal 20 verbunden ist, kann die Messeinheit 30 im Falle einer Funktionsstörung oder eines Funktionsausfalls einfach demontiert und ausgewechselt werden.
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Alternativ kann in einer vereinfachten Ausführungsform die Anzahl der Messelemente 32 auf eins reduziert werden, welches sich bevorzugt auf Höhe des Bodens 7 des Vorratsbehälters 10 befindet. Über das Messelement 32 wird dann ein unterschreiten eines festgelegten, minimalen Füllstands 12 im Vorratsbehälter 10 erkannt. Als wertere Alternative kann der Messkanal 20 auch als Schlauch ausgeführt werden, welcher lösbar, beispielsweise durch ein Anstecken an die Verbindungsstelle 17 oder unlösbar, beispielsweise durch ein Verschweißen mit dem Vorratsbehälter 10, ausgeführt werden kann. Alternativ kann der Messkanal 20 auch über ein Ventil be- und entlüftet werden. In einer alternativen Ausführungsform kann der Füllstand 12 auch anstelle von einzelnen Messelementen 32 durch eine quasi kontinuierliche Füllstandsmessung ermittelt werden, wobei die Messelemente 32 derart auf der Leiste 38 angeordnet sind, so dass sich der Messbereich von jeweils 2 Messelementen 32 überlappt.
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2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem der Messkanal 20 über eine Verbindungsstelle 17 im Boden 7 des Vorratsbehälters 10 und eine zweite Verbindungsstelle 18 an der Oberseite des Vorratsbehälters 10 hydraulisch mit dem Vorratsbehälter 10 verbunden ist Der Messkanal 20 weist im Bereich der Verbindungsstellen 17, 18 eine jeweils eine Dämpfungselement 22, insbesondere eine Drossel 23, 24 auf, welche die Bewegung der Flüssigkeit 15 im Messkanal 20, die durch Bewegungen der Flüssigkeit 15 im Vorratsbehälter 10 hervorgerufen werden, dämpft. Dabei weist das Dämpfungselement 22 die Charakteristik eines Tiefpass-Filters auf, der hochfrequente Bewegungen der Flüssigkeit 15 bei Eintritt in den Messkanal 20 dämpft. In dem Messkanal 20 ist ein Signalkörper 33 in Form eines Schwimmkörpers 34 angeordnet, wobei der Schwimmkörper 34 eine geringere Dichte als die von ihm verdrängte Flüssigkeit 15 aufweist und daher an der Oberfläche der Flüssigkeit 15 schwimmt. Der Schwimmkörper 34 ist magnetisch. Der Messkanal 20 ist an den Drosseln 23, 24 so eng, dass der Schwimmkörper 34 nicht hindurch passt Dementsprechend können die Drosseln 23, 24 derart im Messkanal 20 angeordnet werden, dass sie auch als Wegbegrenzung des Schwimmkörpers 34 dienen.
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Der Schwimmkörper 34 befindet sich im Messkanal 20 und markiert den Füllstand 12 der Flüssigkeit 15. Mit Befüllung des Vorratsbehälters 10 bewegt sich der Schwimmkörper 34 im Messkanal 20 nach oben, bei einer Entleerung oder einer Entnahme der Flüssigkeit 15 aus dem Vorratsbehälter 10 entsprechend nach unten. In der Messeinheit 30 am Messkanal 20 sind auf Höhe ausgewählter möglicher Füllstande 12 im Messkanal 20, magnetische Schalter 37 angeordnet. Als magnetische Schalter 37 sind beispielsweise sogenannte Reed-Kontakte bekannt, bei denen sich durch eine Annäherung des magnetischen Schwimmkörpers 34 zwei elektrisch leitende Zungen aufeinander zu bewegen, bis diese Zungen einen Stromkreis schließen und damit ein elektrisches Signal an eine Auswerteeinheit übermitteln. Dabei ist der Abstand der magnetischen Schalter 37 so zu wählen, dass stets mindestens ein Stromkreis durch die Annäherung des magnetischen Schwimmers 34 geschlossen ist.
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Alternativ zu dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel kann der Messkanal 20 auch nur eine Drossel 23 enthalten, welche zur Dämpfung von Bewegungen der Flüssigkeit 15 bevorzugt an der dem Boden 7 des Vorratsbehälters 10 zugewandten Seite des Messkanals 20 angeordnet ist. In einer besonders einfachen Ausführungsform können die Drosseln 23, 24 auch entfallen. Ferner kann der Messkanal 20 alternativ über zwei Verbindungsstellen 17, 18 mit dem Vorratsbehälter 10 verbunden sein, von denen sich zumindest eine Verbindungsstelle 17, 18 in einer Seitenwand des Vorratsbehälters 10 befindet. Der Messkanal 20 kann als Schlauch ausgeführt werden, welcher an den Verbindungsstellen 17, 18 lösbar oder unlösbar mit dem Vorratsbehälter 10 fixiert wird.
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In 3 ist ein weiteres, alternatives Ausführungsbeispiel dargestellt. Bei ansonsten gleichem Aufbau wie in den Ausführungsbeispielen in 1 und 2 ist ein, zumindest im Bereich der Messeinheit 30 lichtdurchlässiger, Messkanal 20 über je eine Verbindungsstelle 17, 18 in der Oberseite 6 des Vorratsbehälters 10 und im Boden 7 des Vorratsbehälters 10 mit dem Vorratsbehälter hydraulisch verbunden, wobei an der dem Boden 7 des Vorratsbehälters 10 zugewandten Seite des Messkanals 20 ein Dämpfungselement 22 in Form eines Beruhigungsvolumens 25 ausgebildet ist. Wie die Drosseln 23 in dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel dämpft auch das Beruhigungsvolumen 25 die Bewegung der Flüssigkeit 15 im Vorratsbehälter 10 bei Eintritt in den Messkanal 20 ab, so dass sich Wellenbewegungen nur in abgedämpfter Form in dem Messkanal 20 fortsetzen. Auch in diesem Ausführungsbeispiel weist der Messkanal 20 einen im Verhältnis zu seiner Länge l kleinen Durchmesser d auf, was günstig für geringe Schwapp-Bewegungen der Flüssigkeit 15 im Messkanal 20 ist. Durch das Beruhigungsvolumen 25 wird die ohnehin geringe Bewegung der Flüssigkeit 15 im Messkanal nochmals gedämpft. An dem Messkanal 20 ist eine Messeinheit 30 angeordnet, wobei die Messeinheit 30 auf einer Seite des Messkanals 20 Licht emittierende Quellen 35, beispielsweise Licht emittierende Dioden (LEDs), aufweist. Auf der, aus Sicht der Licht emittierenden Quellen 35, hinter dem Messkanal 20 liegenden Seite des Messkanals 20 sind Licht empfindliche Empfänger 36 angeordnet, welche ein Lichtsignal der Licht emittierenden Quelle 35 aufnehmen. Die Licht emittierenden Quellen 35 sind auf einer Leiste 38 angeordnet, welche parallel zur Messkanalwand 21 ausgerichtet ist. Die Licht empfindlichen Empfänger 36 sind auf einer weiteren Leiste 39 ebenfalls parallel zur Messkanalwand 21 angeordnet, wobei jeweils eine Licht emittierende Quelle 35 und ein in Funktionszusammenhang stehender Licht empfindlicher Empfänger 36 auf der gleichen Höhe angeordnet sind.
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Im Messkanal 20 ist ein Schwimmkörper 34 angeordnet, der aufgrund seiner Dichte an der Oberfläche der Flüssigkeit 15 im Messkanal 20 schwimmt und somit den Füllstand 12 im Messkanal 20 markiert. Der Schwimmkörper 34 ist für das Lichtsignal der Licht emittierenden Quelle 35 undurchlässig, beispielsweise in dunkler Farbe ausgeführt. Wird von den Licht emittierenden Quellen 35 ein Lichtsignal ausgesandt, so erfasst jeweils ein korrespondierender Licht empfindliche Empfänger 36 diese Lichtsignal, sofern er nicht durch den Schwimmkörper 34 verdeckt ist. Dabei ist der Abstand der Licht empfindlichen Empfänger 36 so gewählt, dass stets mindestens einer der Licht empfindliche Empfänger 36 derart durch den Schwimmkörper 34 verdeckt ist, das dieser Licht empfindliche Empfänger ein, im Vergleich zu einem unverdeckten Licht empfindlichen Empfänger 36 reduziertes Lichtsignal empfängt. Aus dem reduzierten, bzw. fehlenden vom Licht empfindlichen Empfängers 36 detektierten Lichtsignal kann der Füllstand 12 im Messkanal sowie der dazugehörige Füllstand 12 im Vorratsbehälter 10 ermittelt werden.
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Alternativ zu einem, im Bereich der Messeinheit lichtdurchlässigen Messkanal 20 kann der Messkanal 20 auch jeweils auf Höhe der Licht emittierenden Quellen 35 und Licht empfindlichen Empfänger 36 lichtdurchlässige Fenster aufweisen. Ebenfalls kann der Schwimmkörper 34 das Lichtsignal auch reflektieren oder derart ablenken, dass kein Lichtsignal an zumindest einen der Licht empfindlichen Empfänger 36 gelangt.
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Alternativ kann bei dieser Ausführungsform auch auf den Schwimmkörper 34 verzichtet werden, wenn die Flüssigkeit 15 im Vorratsbehälter 10 entsprechend eingefärbt ist. Die Lichtsignale oberhalb des Füllstands 12 im Messkanal 20 durchdringen dann ungehindert den Messkanal 20 und erreichen den jeweiligen Licht empfindlichen Empfänger 36. Die Lichtsignale unterhalb des Füllstands 12, welche durch die Flüssigkeit 15 im Messkanal 20 zumindest teilweise absorbiert oder reflektiert werden, erreichen nur in geringerer Stärke den jeweiligen korrespondierenden Licht empfindlichen Empfänger 36. Aus der unterschiedlichen Signalstärke an den Licht empfindlichen Empfängern 36 lässt sich der Füllstand 12 bestimmen, wobei jeweils der oberste Licht empfindliche Empfänger 36, der ein geringeres Lichtsignal detektiert, den Füllstand 12 markiert.
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Alternativ kann bei allen Ausführungsformen auch der Spalt 28 zwischen Messkanalwand 21 und Messeinheit 30 entfallen. Dabei ist die Messeinheit 30, bevorzugt lösbar, an der Messkanalwand 21 fixiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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