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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Tankeinbaueinheit zur Erfassung eines Füllstands eines Fluids in einem Vorratsbehälter nach der Gattung des Anspruchs 1, einen Vorratsbehälter mit einer Tankeinbaueinheit nach dem nebengeordneten Anspruch 9 sowie ein Verfahren zur Erfassung eines Füllstands gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
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Aus der
DE 10 2007 029 147 ist ein Tank für eine Flüssigkeit mit einem Füllstandssensor bekannt, wobei der Füllstandssensor ein Drucksensor zur Erfassung des Füllstands einer in dem Tank befindlichen Flüssigkeit ist, bei der der Drucksensor an einem tiefliegenden Punkt, bevorzugt am Boden, des Tanks mit dem hydrostatischen Druck der Flüssigkeit beaufschlagt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Tankeinbaueinheit mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen sowie der Vorratsbehälter mit Tankeinbaueinheit mit den in Anspruch 9 genannten Merkmalen bieten demgegenüber den Vorteil, dass ein Drucksensor nicht in direkten Kontakt mit dem Fluid kommt und somit die Gefahr von Korrosion am Drucksensor, welche zu Störungen am Sensor beziehungsweise zum Ausfall des Sensors führen kann, deutlich reduziert ist. Dabei ist der Drucksensor vor den, in der Abgasnachbehandlung eingesetzten, chemisch aggressiven Medien, beispielsweise wässriger Harnstofflösung oder alternativen Kraftstoffen wie Biodiesel mit hohem Anteil an Raps-Methyl-Ester (RME), abgeschirmt. Somit sind sowohl Kunststoffteile des Drucksensors, beispielsweise Dichtungen, gegen chemische Zersetzung als auch metallischen Komponenten des Drucksensors gegen Korrosion geschützt.
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Darüber hinaus lässt sich die Tankeinbaueinheit einfach in den Vorratsbehälter einbauen, wodurch die Tankeinbaueinheit und der Vorratsbehälter getrennt gefertigt werden können, wobei die Fertigung des Vorratsbehälters deutlich erleichtert ist. Des Weiteren lässt sich die Tankeinbaueinheit, welche, bevorzugt von unten, in den Vorratsbehälter eingelassen ist, im Falle einer Beschädigung einfach und kostengünstig auswechseln.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Tankeinbaueinheit, des in Anspruch 9 angegebenen Vorratsbehälters sowie des in Anspruch 10 angegebenen Verfahrens möglich.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Tankeinbaueinheit besteht darin, dass der Drucksensor einen Druck auf den Boden der Tankeinbaueinheit erfasst. Dabei übt das Fluid im Vorratsbehälter eine Kraft auf den Boden aus, welche als Druck auf eine Fläche der Drucksensor erfasst wird.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Tankeinbaueinheit besteht darin, dass der Drucksensor den hydrostatischen Druck durch die Gewichtskraft einer Flüssigkeit im Vorratsbehälter erfasst. Auch wenn sich die Flüssigkeit im Vorratsbehälter aufgrund von Wärme oder durch Gefrieren ausdehnt, so ändert sich die Masse des Vorratsbehälters und somit der Druck durch die Gewichtskraft von Flüssigkeit und Vorratsbehälter auf den Drucksensor nicht oder nur in sehr geringem Ausmaß. Somit kann die Tankeinbaueinheit den Füllstand im Vorratsbehälter auch bei einem Wechsel des Aggregatzustands der im Vorratsbehälter befindlichen Flüssigkeit in den festen Aggregatszustand erfassen.
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In einer weitere vorteilhafte Ausführungsform der Tankeinbaueinheit ist vorgesehen, dass der Drucksensor einen Druck durch eine Verformung des Bodens des Vorratsbehälters erfasst. Dabei kann diese Verformung durch eine Gewichtskraft des Fluids und/oder durch das unter einem, gegenüber der Umgebung erhöhten, Druck stehende Fluid verursacht sein. Dadurch ist die Anwendung einer solchen Tankeinbaueinheit nicht auf die Erfassung eines Füllstands einer Flüssigkeit beschränkt, sondern es kann auch der Füllstand eines Gases, beispielsweise Druckluft, ermittelt werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Tankeinbaueinheit besteht darin, dass der Drucksensor mindestens einen Dehnmessstreifen umfasst, welcher die Durchbiegung des Bodens des Vorratsbehälters oder eine Durchbiegung des Bodens der Tankeinbaueinheit erfasst. Dabei kann der mindestens eine Dehnmessstreifen besonders einfach und kostengünstig auf der, dem Fluid abgewandten, Seite des Bodens der Tankeinbaueinheit angebracht werden, um die Durchbiegung des Bodens zu erfassen. Besonders vorteilhaft sind mindestens zwei Dehnmessstreifen, welche bevorzug in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind, um eine Erfassung der Ausdehnung in beiden Richtungen einer Ebene durch den Boden der Tankeinbaueinheit zu ermitteln. Besonders günstig ist dabei die Verwendung von vier Dehnmessstreifen, welche in Form einer Wheatstone'schen Brückenschaltung verschaltet sind. Über eine solche Schaltung lässt sich zusätzlich eine gute Temperaturkompensation erzielen, wodurch sich die Messgenauigkeit, insbesondere bei Vorratsbehältern, die starken Temperaturschwankungen ausgesetzt sind, erhöht.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Tankeinbaueinheit besteht darin, dass der Drucksensor ein Piezoelement oder eine Druckaufnahmescheibe umfasst. Ein Piezoelement oder eine Druckaufnahmescheibe können klein und kompakt ausgeführt werden und lassen sich somit einfach an der Tankeinbaueinheit anordnen. Besonders vorteilhaft ist eine Druckaufnahmescheibe, welche mit einer Kunststoffschicht überzogen oder beschichtet ist. Eine solche Kunststoffschicht schützt die Druckaufnahmescheibe gegen aggressive Medien.
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Eine alternative Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die Tankeinbaueinheit einen gasdichten Behälter umfasst, wobei der Behälter an seiner, dem Vorratsbehälter zugewandten Seite durch eine Folie begrenzt ist. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass der Drucksensor in dem gasdichten Behälter angeordnet werden kann und somit gegenüber seiner Umgebung gut geschützt ist.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 stellt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Tankeinbaueinheit zur Messung eines Füllstands in einem Vorratsbehälter dar.
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2 zeigt eine erste Ausführungsform eines Drucksensors einer erfindungsgemäßen Tankeinbaueinheit.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Drucksensors einer erfindungsgemäßen Tankeinbaueinheit.
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4 zeigt den Aufbau einer alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Tankeinbaueinheit zur Erfassung des Füllstands in einem Vorratsbehälter.
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Kurze Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein Vorratsbehälter 20 mit einer Tankeinbaueinheit 30 dargestellt. Eine Tankeinbaueinheit 30 bezeichnet in diesem Zusammenhang eine in den Vorratsbehälter 20 eingebaute Einheit, welche eine Messeinheit zur Erfassung eines Füllstands 13 im Vorratsbehälter 20 umfasst. Der Vorratsbehälter 20 ist mit einem Fluid 75, insbesondere einer Flüssigkeit 76, beispielsweise wässriger Harnstofflösung oder Kraftstoff, gefüllt, welches zur Unterstützung der Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine in einen Abgasstrang der Brennkraftmaschine eindosiert wird. Der Vorratsbehälter 20 wird durch die Seitenwände 23, den Boden 22 und eine Oberseite 24 begrenzt. An der Oberseite 24 des Vorratsbehälters 20 ist eine Einfüllöffnung 27 zum Einfüllen des Fluids 75 ausgebildet, welche durch einen Deckel 25 verschließbar ist. Der Vorratsbehälter 20 ist aus einem Kunststoff ausgeführt, welcher nicht von dem bevorrateten Fluid 75 zersetzt wird. Unterhalb des Vorratsbehälters 20 ist die Tankeinbaueinheit 30 angeordnet, welche in eine Aussparung 21 des Bodens 22 des Vorratsbehälters 20 eingelassen ist. Die Tankeinbaueinheit 30 umfasst eine Drucksensor 12, welcher ein Piezoelement 16 umfasst. Der Drucksensor 12 ist räumlich durch einen Boden 39 der Tankeinbaueinheit 30 vom Fluid 75 getrennt, so dass kein direkter Kontakt zwischen dem Fluid 75 und dem Drucksensor 12 besteht. Der Drucksensor 12 ist mit einer Auswerteeinheit 40 verbunden.
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Ist der Vorratsbehälter 20 mit dem Fluid 75 befüllt, so lastet das Gewicht des Fluids 75 auf dem Boden 22 des Vorratsbehälters 20 sowie auf der im Boden 22 des Vorratsbehälters 20 eingelassenen Tankeinbaueinheit 30, wobei das Fluid 75 auf den Drucksensor 12 der Tankeinbaueinheit 30 drückt. Dabei wird das Piezoelement 16 zusammengedrückt, wodurch in Abhängigkeit eines Füllstands 13 des Fluids 75 im Vorratsbehälter 20 eine Spannung am Piezoelement 16 erzeugt wird. Diese Spannung wird zur Füllstandserkennung im Vorratsbehälter 20 über die Auswerteeinheit 40 ausgewertet.
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Alternativ kann das Fluid 75 auch ein Gas 77 sein, wobei der Drucksensor 12 dann eine Verformung des Bodens 22 des Vorratsbehälters 20 in Abhängigkeit vom Füllstand 13 erfasst. Unterhalb eines Berstdrucks des Vorratsbehälters 20 dehnt sich das Gas 77 dabei in Abhängigkeit vom Druck aus und verformt die Seitenwände 23, den Boden 22 und die Oberseite 24 des Vorratsbehälters 20. Dabei drückt der Boden 22 in Abhängigkeit vom Füllstand 13 gegen das Piezoelement 16, so dass am Piezoelement 16 eine Spannung induziert wird, welche zur Füllstandserkennung im Vorratsbehälter 20 über die Auswerteeinheit 40 detektiert wird.
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In 2 ist eine alternative Ausführungsform einer Tankeinbaueinheit 30 dargestellt, welche eine Anordnung von Dehnmessstreifen 33 als Drucksensor 12 umfasst. Die Dehnmessstreifen sind an dem Boden 39 der Tankeinbaueinheit 30 angeordnet. Eine Durchbiegung des Bodens 39 der Tankeinbaueinheit 30 erfolgt in Abhängigkeit zum Füllstand 13 des Vorratsbehälters 20, wobei sich ein elektrischer Widerstand der Dehnmessstreifen 33 in Abhängigkeit des Füllstands 13 des Vorratsbehälters 20 ändert. Diese Änderung des elektrischen Widerstandes kann über die Auswerteeinheit 40 zur Erkennung des Füllstands 13 im Vorratsbehälter 20 detektiert werden. Dabei ist die Auswerteeinheit 40 seitlich an dem Gehäuse 31 der Tankeinbaueinheit 30 fixiert. Alternativ kann die Auswerteeinheit 40 auch in dem Gehäuse 31 der Tankeinbaueinheit 30 integriert sein, beispielsweise um die Auswerteeinheit 40 vor Spritzwasser zu schützen. Alternativ kann die Auswerteeinheit 40 in ein bereits existierendes Steuergerät, insbesondere ein Steuergerät zur Steuerung einer Eindosierung des Fluids 75 in den Abgasstrang der Brennkraftmaschine, integriert sein.
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In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Tankeinbaueinheit 30 mit dem Drucksensor 12 dargestellt, welche von unten in den Boden 22 des Vorratsbehälters 20 eingelassen ist. Dabei ist der Drucksensor 12 als eine Druckaufnahmescheibe 15 ausgebildet. Die Druckaufnahmescheibe 15 ist in einer Vertiefung 19 der Tankeinbaueinheit 30 auf dem Boden 39 der Tankeinbaueinheit 30 angeordnet, wobei die Druckaufnahmescheibe 15 bündig mit einer, dem Boden 22 des Vorratsbehälters 20 zugewandten, Seite des Gehäuses 31 der Tankeinbaueinheit 30 abschließt. So erfolgt eine Kapselung der Druckaufnahmescheibe 15 gegen Medien, welche von außen auf die Tankeinbaueinheit 30 einwirken, z. B. Spritzwasser. Die Druckaufnahmescheibe 15 umfasst eine Spannungsteilungs-Schaltung 17, insbesondere eine Weatstone'sche Brückenschaltung. Alternativ kann die räumliche Trennung der Druckaufnahmescheibe 15 und des Fluids 75 im Vorratsbehälters 20 durch eine dünne Kunststoffschicht, beispielsweise eine Beschichtung oder eine Folie 28 erfolgen.
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In 4 ist eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Tankeinbaueinheit 30 zur Erfassung des Füllstands 13 in dem Vorratsbehälter 20 dargestellt. Der Vorratsbehälter 20 ist mit einer Flüssigkeit 76, beispielsweise wässriger Harnstofflösung oder Kraftstoff, gefüllt, welches zur Unterstützung der Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine in den Abgasstrang der Brennkraftmaschine eindosiert wird. An der Oberseite 24 des Vorratsbehälters 20 ist die Einfüllöffnung 27 zum Einfüllen der Flüssigkeit 76 ausgebildet, welche durch den Deckel 25 verschließbar ist. Der Vorratsbehälter 20 ist aus einem Kunststoff, wobei der verwendete Kunststoff nicht von der bevorrateten Flüssigkeit 76 zersetzt wird. Der Boden 22 des Vorratsbehälters 20 weist eine Aussparung 21 auf, in welche die Tankeinbaueinheit 30 eingesetzt wird, wobei die Aussparung 21 durch die Tankeinbaueinheit 30 fluiddicht verschlossen wird. Die Tankeinbaueinheit 30 umfasst einen gasdichten Behälter 26, welcher auf seiner, dem Vorratsbehälter 20 zugewandten, Stirnseite durch eine Folie 28 begrenzt ist. Dabei trennt die Folie 28 ein Gas 29 im gasdichten Behälter 26 und die Flüssigkeit 76 im Vorratsbehälter 20. Die Tankeinbaueinheit 30 umfasst ebenfalls den Drucksensor 12, wobei der Drucksensor 12 als ein Gasdrucksensor zur Erfassung des Drucks im gasdichten Behälter 26 ausgebildet ist. Die Tankeinbaueinheit 30 ist dabei so positioniert, dass sich die Folie 28 in etwas auf Höhe des Bodens 22 des Vorratsbehälters 20 befindet. Zusätzlich ist an dem gasdichten Behälter 26 ein Temperatursensor 45 zur Erfassung einer Temperatur des Gases 29 im gasdichten Behälter 26 angeordnet. Dabei sind an dem gasdichten Behälter 26 Durchführungen 34 ausgebildet, durch welche die Signalleitungen des Drucksensors 12 und des Temperatursensors 45 nach außen geführt werden, wobei die Durchführungen 34 jeweils gasdicht abgedichtet sind.
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Ist der Vorratsbehälter 20 mit einer Flüssigkeit 76 befüllt, so lastet das Gewicht der Flüssigkeit 76 auf der Folie 28. Dabei biegt sich die elastische Folie 28 in Richtung des gasdichten Behälters 26 durch und komprimiert somit in Abhängigkeit des Füllstands der Flüssigkeit 76 im Vorratsbehälter 20 das Gas 29 im gasdichten Behälter 26, wodurch ein Druck des Gases 29 steigt, wobei dieser Druck über den Drucksensor 12 erfasst wird. Als Gas 29 wird beispielsweise Stickstoff verwendet, welches sich durch seine geringe Reaktivität mit den Komponenten des gasdichten Behälters 26 bzw. dem Drucksensor 12 auszeichnet. Wird die Flüssigkeit 76 aus dem Vorratsbehälter 20 entnommen, so sinkt der Druck der Flüssigkeit 76 auf die Folie 28, wodurch das Gas 29 in dem gasdichten Behälter 26 weniger stark zusammengedrückt wird und der Gasdruck in dem gasdichten Behälter 26 abnimmt. Diese Abnahme des Drucks in dem gasdichten Behälter 26 kann durch den Drucksensor 12 erfasst werden und von der Auswerteeinheit 40 zur Füllstandsmessung im Vorratsbehälter 20 ausgewertet werden. Zusätzlich ist an dem gasdichten Behälter 26 der Temperatursensor 45 angeordnet, welcher ebenfalls über eine Signalleitung mit der Auswerteeinheit 40 verbunden ist. Steigt die Temperatur im gasdichten Behälter 26 an, so erhöht sich parallel auch der Druck im gasdichten Behälter 26, was zu Messungenauigkeiten bezüglich des Füllstands 13 im Vorratsbehälter 20 führen könnte. Um eine Temperaturkompensation zu erzielen, erfasst die Auswerteeinheit 40 zusätzlich die Temperatur im gasdichten Behälter 26 über den Temperatursensor 45.
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Alternativ können in dem gasdichten Behälter 26 auch andere Gase 29, insbesondere Luft oder Kohlendioxid, verwendet werden. Anstelle einer Folie 28 kann der gasdichte Behälter 26 auch durch einen anderen dünnwandigen, elastischen Körper auf seiner, dem Vorratsbehälter 20 zugewandten Seite, verschlossen sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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