DE102011017781A1

DE102011017781A1 - Verfahren zur Füllstandsbestimmung

Info

Publication number: DE102011017781A1
Application number: DE102011017781A
Authority: DE
Inventors: Burkhard Schneider
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-04-29
Filing date: 2011-04-29
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2031-04-30
Also published as: DE102011017781B4

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Füllstandsbestimmung in einem Behältnis mit Hilfe eines Sensors (1), der den Füllstand auf der Basis einer Laufzeitmessung bestimmt, wobei ein den Füllstand charakterisierendes Signal (5) über ein zeitabhängiges Übertragungssignal an eine Auswerteeinrichtung (6) übermittelt wird, sehen vor, dass in der Auswerteeinrichtung (6) der Füllstand aus dem den Füllstand charakterisierenden Sensorsignal und aus dem zeitlichen Verlauf des zeitabhängigen Übertragungssignals (5) berechnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Füllstandsbestimmung in einem Behältnis mit Hilfe eines Sensors nach der Gattung der Ansprüche 1 und 9. Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt, welche zur Durchführung des Verfahrens geeignet sind.
Stand der Technik
Rückstände von Flüssigkeiten in Behältnissen, zum Beispiel Tankfüllstände in Fahrzeugen, werden gewöhnlich durch Tankfüllstandssensoren erfasst. Dabei werden unter anderem Sensoren eingesetzt, die die Füllhöhe durch eine Laufzeitmessung ermitteln. Dies können zum Beispiel luft- oder flüssigkeitsgekoppelte Ultraschallsensoren sein. Dabei wird zur Messung ein Schallimpuls ausgesendet, der an der Grenzschicht zwischen der Flüssigkeit und dem Gas über der Flüssigkeit, also beispielsweise Luft, reflektiert wird. Aus der gemessenen Laufzeit und der bekannten Schallgeschwindigkeit des Mediums wird dann die Füllhöhe berechnet.
Eine Vorrichtung zur Messung eines Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter, insbesondere in einem Kraftstoffbehälter eines Kraftfahrzeuges, geht beispielsweise aus der DE 199 42 378 A1 hervor. Bei dieser Vorrichtung zur Messung eines Füllstandes in einem Behälter ist ein Ultraschallsensor außerhalb des Behälters, einem im Behälter angeordneten Messrohr gegenüberstehend angeordnet. Der Ultraschall hat damit keinen Kontakt mit einer im Behälter befindlichen Flüssigkeit. Mit dieser Vorrichtung lässt sich die Flüssigkeit exakt bestimmen. Der Ultraschallsensor kann rein prinzipiell auch in der Flüssigkeit selbst angeordnet sein.
Derartige Sensoren übermitteln die gemessene Füllhöhe über ein geeignetes Übertragungsprotokoll, zum Beispiel mittels Pulswellenmodulation, an eine Auswerteeinrichtung, in der aus der gemessenen Füllhöhe das Füllvolumen in dem Behältnis, beispielsweise in einem Fahrzeugtank, berechnet wird. Problematisch hierbei ist, dass die Messgenauigkeit des Sensors damit direkt von der Genauigkeit des internen Taktes bzw. der Zeitbasis abhängt. Insbesondere bei Fahrzeuganwendungen werden hier sehr oft Sensoren eingesetzt, die keine hochgenaue interne Zeitbasis aufweisen. Durch Abweichungen von dieser Zeitbasis können zum Beispiel aufgrund von Temperaturdrifts oder aufgrund von Alterung zusätzliche Messfehler entstehen. Gerade bei Kraftfahrzeugsanwendungen und insbesondere beim Einsatz als Füllstandssensoren von sogenannten SCR-Systemen (SCR = Selective Catalytic Reduction) ist nun eine möglichst genaue Erfassung der verbleibenden Restmenge an Harnstoff-Wasserlösung, die unter dem Handelsnamen „AdBlue^®” vermarktet wird, in dem Vorratsbehälter erforderlich, um eine verbleibende Restreichweite des Fahrzeugs bestimmen zu können. Es muss insbesondere ausgeschlossen werden, dass das Fahrzeug ohne Abgasnachbehandlung betrieben wird, da in diesem Falle die strengen gesetzlichen Vorschriften für die zulässigen Emissionswerte überschritten werden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Füllstandsbestimmung in einem Behältnis der Eingangs beschriebenen Art dahingehend weiterzubilden, dass eine exakte Füllstandsbestimmung auf der Basis einer Laufzeitmessung auch mit Sensoren, die keine interne genaue Zeitbasis aufweisen, möglich ist.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Füllstandsbestimmung in einem Behältnis mit Hilfe eines Sensors, der den Füllstand auf der Basis einer Laufzeitmessung bestimmt, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Grundidee der Erfindung ist es, die Zeitbasis der Auswerteeinrichtung für die Auswertung des Sensorsignals heranzuziehen. Die Erfindung macht sich dabei zunutze, dass die Zeitbasis einer Auswerteeinrichtung, also beispielsweise eines Steuergeräts oder eines Computers oder dergleichen, wesentlich genauer ist als die Zeitbasis des Sensors. Unter „Zeitbasis” versteht die vorliegende Erfindung beispielsweise die zeitliche Taktung. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dabei in der Auswerteeinrichtung nicht nur das den Füllstand charakterisierende Sensorsignal sondern auch der zeitliche Verlauf des zeitabhängigen Übertragungssignals ausgewertet und die Information über den zeitlichen Verlauf des zeitabhängigen Übertragungssignals herangezogen zur Bestimmung des Füllstands. Durch diese zusätzliche Auswertung des zeitlichen Verlaufs des Übertragungssignals kann insbesondere der durch die Sensorzeitbasis hervorgerufene Messfehler bestimmt und rechnerisch beseitigt werden. Die Genauigkeit des auf diese Weise ermittelten Messwerts entspricht damit der Genauigkeit der Auswerteeinrichtung, also der Genauigkeit des Steuergeräts.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen des in dem unabhängigen Anspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich. So sieht beispielsweise eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens vor, dass das zeitabhängige Übertragungssignal ein pulsweitenmoduliertes Signal ist. Dies ermöglicht eine sehr einfache und präzise Auswertung.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass in der Auswerteeinrichtung in einem ersten Schritt die Abweichung der Periodendauer des pulsweitenmodulierten Signals von einer vorgegebenen Periodendauer bestimmt wird, die einem Ausgangssignal ohne Messfehler zugeordnet ist, und dass in einem zweiten Schritt aus dem fehlerbehafteten, den Füllstand charakterisierenden Signal, und der in dem ersten Schritt ermittelten Abweichung der tatsächliche Füllstand ermittelt wird. Durch diese Verfahrensschritte können Fehler der Zeitbasis des Sensors bestimmt und berücksichtigt werden.
Rein prinzipiell können unterschiedliche auf Laufzeitmessungen basierende Sensoren eingesetzt werden. Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Sensor ein luft- oder flüssigkeitsgekoppelter Ultraschallsensor ist. Der Sensor kann rein prinzipiell in der Flüssigkeit angeordnet sein oder im Luftraum über der Flüssigkeit und durch Laufzeitbestimmung des Ultraschallsignals den Flüssigkeitsstand erfassen.
Das Verfahren ist darüber hinaus in den unterschiedlichsten Behältnissen mit den unterschiedlichsten Füllungen einsetzbar. Besonders vorteilhaft kann das Verfahren in einem Tank mit einer Harnstoff-Wasserlösung eines SCR-Systems eines Fahrzeugs eingesetzt werden.
In diesem Falle ist die Auswerteeinrichtung bevorzugt ein Steuergerät einer Brennkraftmaschine.
Das vorerwähnte erfindungsgemäße Verfahren kann rein prinzipiell als Computerprogramm ausgestaltet sein, welches in einem beispielsweise Steuergeräteprogramm beispielsweise als Unterprogramm abläuft. Der Programmcode ist vorteilhafterweise ein Computerprogrammprodukt, beispielsweise auf einer CD-ROM, einer DVD-ROM, einem externen Speicher, einem Speicherstick oder dergleichen gespeichert. Auf diese Weise ist es auch bei Anwendungen, die bereits über einen Ultraschallsensor verfügen, nachrüstbar.
Das erfindungsgemäße Problem wird ferner durch eine Vorrichtung zur Füllstandsbestimmung in einem Behältnis mit Hilfe eines Sensors, der den Füllstand auf der Basis einer Laufzeitmessung bestimmt, wobei ein den Füllstand charakterisierendes Signal über ein zeitabhängiges Übertragungssignal an eine Auswerteeinrichtung übermittelt wird, dadurch gelöst, dass in der Auswerteeinrichtung ein den Füllstand charakterisierendes Signal und gleichzeitig auch wenigstens eine, den zeitlichen Verlauf des zeitabhängigen Übertragungssignals charakterisierende Größe auswertbar sind und dass das den Füllstand charakterisierende Signal abhängig von der wenigstens einen, den zeitlichen Verlauf des zeitabhängigen Übertragungssignals charakterisierenden Größe korrigiert wird. Die Vorrichtung ermöglicht damit nicht nur die Ausgabe eines den Füllstand charakterisierenden Signals, sondern auch gleichzeitig die Korrektur dieses Signals auf der Basis des zeitabhängigen Übertragungssignals und insbesondere dessen zeitabhängiger Variation bzw. Störung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
1 schematisch eine Einrichtung zur Bestimmung des Füllstands, bei der das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatz kommt;
2 schematisch das Ausgangssignal eines idealen Sensors ohne Messfehler über der Zeit;
3 das Ausgangssignal eines Sensors mit einer von einer Nominalfrequenz abweichenden Zeitbasis über der Zeit.
Ausführungsformen der Erfindung
Eine Vorrichtung zur Füllstandsbestimmung, dargestellt in 1, weist einen luft- oder flüssigkeitsgekoppelten Ultraschallsensor 1 auf, der zur Messung des Füllstands in einem Behältnis 10 einen Schallimpuls 2 aussendet, der an einer Grenzschicht zwischen Flüssigkeit und Luft reflektiert wird. Die reflektierte Schallwelle 3 wird zum Sensor 1 zurückgesendet. Eine Versorgungs- und Datenleitung 5 ist mit einer Auswerteeinrichtung 6 verbunden.
Diese Anordnung kann beispielsweise in einem Vorratsbehälter einer Harnstoff-Wasserlösung eines SCR-Systems eines Fahrzeugs angeordnet sein. In diesem Falle ist die Auswerteeinrichtung 6 das Steuergerät des Fahrzeugs. Aus der gemessenen Laufzeit und der bekannten Schallgeschwindigkeit des Mediums, beispielsweise einer Harnstoff-Wasserlösung, wird die Füllhöhe berechnet. Sensor 1 übermittelt die gemessene Füllhöhe über ein geeignetes Übertragungsprotokoll, zum Beispiel über ein pulsweitenmoduliertes Signal (PWM) an die Auswerteeinrichtung 6, also beispielsweise das Steuergerät im Fahrzeug. In der Auswerteeinrichtung 6 wird aufgrund der gemessenen Füllhöhe das Füllvolumen in dem Tank berechnet, beispielsweise das Füllvolumen in einem Harnstoff-Wasserlösung-Tank eines SCR-Systems. Die Kenntnis dieser Füllmenge ist von Bedeutung, da auf ihrer Basis die Restreichweite eines Fahrzeugs berechnet werden kann.
Die Messgenauigkeit des Sensors ist nun direkt von der Genauigkeit des internen Taktes, also der Zeitbasis, abhängig. Je genauer diese Zeitbasis ist, das heißt je genauer die Taktung des pulsweitenmodulierten Signals ist, desto genauer ist die Füllstandsbestimmung möglich und umgekehrt. Nun werden aus Kostengründen sehr oft Sensoren eingesetzt, die keine hochgenaue interne Zeitbasis aufweisen. Durch Variationen der Taktfrequenzen oder ganz allgemein durch andere Fehler der Zeitbasis, beispielsweise auch Veränderung der Pulsweite und dergleichen, können Messfehler entstehen. Darüber hinaus können zusätzliche Messfehler zum Beispiel aufgrund von Temperaturdrifts oder Alterungsprozessen entstehen. Grundidee der Erfindung ist es daher, gewissermaßen nicht die Zeitbasis des Sensors 1 zu verwenden, sondern die Zeitbasis der Auswerteeinrichtung 6, bei der es sich beispielsweise um einen Computer handelt. Die Präzision oder Genauigkeit der Zeitbasis der Auswerteeinrichtung 6, also beispielsweise die Präzision des internen Taktes eines Computers in der Auswerteeinrichtung 6, ist deutlich größer als die Genauigkeit der Taktfrequenz des Sensors. Durch eine zusätzliche Auswertung des zeitlichen Verlaufs des Übertragungssignals wird der durch die Sensorzeitbasis hervorgerufenen Messfehler berücksichtigt, sodass der Messwert die gleiche Genauigkeit aufweist, als wäre er mit der genaueren Zeitbasis der Auswerteeinrichtung 6 bestimmt worden.
Im Nachfolgenden wird eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der 2 und 3 näher erläutert.
Vom Sensor 1 wird neben der ermittelten Füllhöhe auch eine Information über die für die Messung verwendeten Zeitbasis an die Auswerteeinrichtung 6 übertragen. Im einfachsten Fall kann dies durch die Verwendung eines pulsweitenmodulierten Signals (PWM) erfolgen. Dabei kann die Periodendauer zur Ermittlung des zeitbasierten Fehlers verwendet werden. In 2 ist ein PWM-Ausgangssignal eines idealen Sensors, das heißt eines Sensors ohne Messfehler, mit der Periodendauer T₀ und der Füllstandsinformation T₁ dargestellt. Im gezeigtem Fall ist die Füllstandsinformation T₁ 50% von T₀, das heißt der Füllstand entspricht 50%. Dieses Signal kann beispielsweise in einer Speichereinrichtung in der Auswerteeinrichtung 6 hinterlegt sein.
Bei einem Sensor mit einer von der Nominalfrequenz abweichenden Zeitbasis treten zwei Effekte auf: Zum Einen kommt es zu einer Veränderung der Periodendauer des PWM-Ausgangssignals, T₀ wird zu T'₀, wie es in 3 schematisch dargestellt ist. Zum Anderen ist aber gleichzeitig der gemessene und übertragene Messwert mit der gleichen prozentualen Abweichung versehen, das heißt T'₁ wird zu T''₁. Es wird nun in der Auswerteeinrichtung 6 in einem ersten Schritt die Abweichung der Periodendauern (T₀, T'₀) ermittelt. In einem zweiten Schritt wird aus der fehlerbehafteten Füllstandsinformation T''₁, und der jetzt bekannten Abweichung der tatsächliche Füllstand ermittelt. Es werden mit anderen Worten Informationen des pulsweitenmodulierten Signals herangezogen, um den Füllstand zu bestimmen. Es wird also der Füllstand nicht alleine aufgrund des den Füllstand charakterisierenden Signals bestimmt, sondern es wird gleichzeitig geprüft, inwieweit Abweichungen aufgrund der fehlerbehafteten Zeitbasis diese Verfälschung verursachen, das heißt der Fehler wird rechnerisch „herausgerechnet”.
Das vorstehend beschriebene Verfahren kann beispielsweise als Computerprogramm in der Auswerteeinrichtung 6, das heißt beispielsweise als Computerprogramm im Steuergerät einer Brennkraftmaschine implementiert sein und dort ablaufen. Der Programmcode kann auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein, den die Auswerteeinrichtung 6, also beispielsweise ein Steuergerät, einlesen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19942378 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Füllstandsbestimmung in einem Behältnis mit Hilfe eines Sensors (1), der den Füllstand auf der Basis einer Laufzeitmessung bestimmt, wobei ein den Füllstand charakterisierendes Signal (5) über ein zeitabhängiges Übertragungssignal an eine Auswerteeinrichtung (6) übermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteeinrichtung (6) der Füllstand aus dem den Füllstand charakterisierenden Sensorsignal unter Berücksichtigung des zeitlichen Verlaufs des zeitabhängigen Übertragungssignals (5) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das den Füllstand charakterisierende Sensorsignal abhängig von der Abweichung wenigstens einer zeitabhängigen Größe des zeitabhängigen Übertragungssignals (5) von einer ein ungestörtes Signal charakterisierenden entsprechenden zeitabhängigen Größe des Übertragungssignals korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitabhängige Übertragungssignal (5) ein pulsweitenmoduliertes Signal (PWM) ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteeinrichtung (6) in einem ersten Schritt die Abweichung der Periodendauer des pulsweitenmodulierten Signals von einer vorgegebenen Periodendauer bestimmt wird, die einem Ausgangssignal ohne Messfehler zugeordnet ist, und dass in einem zweiten Schritt aus dem fehlerbehafteten, den Füllstand charakterisierenden Signal (5), und der in dem ersten Schritt ermittelnden Abweichung der tatsächliche Füllstand ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein luft- oder flüssigkeitsgekoppelter Ultraschallsensor (1) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis ein Tank (10) mit einer Harnstoffwasserlösung eines SCR-Systems ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (6) ein Steuergerät einer Brennkraftmaschine ist
Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausführt, wenn es auf einem Rechengerät, insbesondere der Auswerteeinrichtung und besonders einem Steuergerät einer Brennkraftmaschine abläuft.
Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wenn das Programm auf einem Computer oder einem Steuergerät eines Fahrzeugs ausgeführt wird.
Vorrichtung zur Füllstandsbestimmung in einem Behältnis mit Hilfe eines Sensors (1), der den Füllstand auf der Basis einer Laufzeitmessung bestimmt, wobei ein den Füllstand charakterisierendes Signal über ein zeitabhängiges Übertragungssignal (5) an eine Auswerteeinrichtung (6) übermittelt wird dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteeinrichtung (6) ein den Füllstand charakterisierendes Signal und wenigstens eine, den zeitlichen Verlauf des zeitabhängigen Übertragungssignals charakterisierende Größe auswertbar sind und dass das den Füllstand charakterisierende Signal abhängig von der wenigstens einen, den zeitlichen Verlauf des zeitabhängigen Übertragungssignals charakterisierenden Größe korrigierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) eine luft- oder flüssigkeitsgekoppelter Ultraschallsensor ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis (10) ein Harnstoff-Wasserlösungstank eines SCR-Systems einer Brennkraftmaschine ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (6) ein Steuergerät oder Teil eines Steuergeräts der Brennkraftmaschine ist.