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Die hier offenbarte Technologie betrifft eine Füllstandsmesseinrichtung sowie einen Behälter mit einer Füllstandsmesseinrichtung.
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Zum Bestimmen von einem Flüssigkeitsniveau in einem Behälter, bspw. ein Kraftstofftank, wird von einem Sender ein Wellensignalimpuls oder -impulspaket gegen eine Flüssigkeitsoberfläche abgestrahlt. Mit Hilfe einer Laufzeitmessung werden dann das Flüssigkeitsniveau und der Behälterinhalt bestimmt. Dabei kommt es zur Mehrfachreflexion und damit zur fehlerhaften Messung. Die
DE 10 2004 052 110 A1 offenbart ein solches Verfahren zur Füllstandsmessung nach dem Laufzeitprinzip. Gemäß dieser Schrift soll mittels geeigneter Datenverarbeitung eine fehlerhafte Messung vermieden werden.
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Ist der Behälter bspw. in einem Kraftfahrzeug verbaut und fährt das Kraftfahrzeug über eine Gebirgsstraße, so kommt es zu einer Schräglage der Flüssigkeitsoberfläche relativ zum Behälter (vgl. 2 und 3). Insbesondere während solcher Schräglagen treten Messfehler auf.
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Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Weitere Aufgaben ergeben sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
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Es wurde erkannt, dass die nachstehend beschriebenen Mehrfachreflexionsphänomene während einer Flüssigkeitsschräglage zur fehlerhaften Messung führen.
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1 zeigt einen vorbekannten Behälter 20 mit einer Flüssigkeitsmesseinrichtung 10, die hier am Boden des Behälters 20 angeordnet ist. Der Behälter 20 ist mit einer Flüssigkeit F gefüllt. Zur Bestimmung der Flüssigkeitshöhe wird von dem Sender 12 ein Wellensignal W1 ausgesandt, das an einer Oberfläche FO der Flüssigkeit F reflektiert wird. Das reflektierte Wellensignal W2 trifft auf den Empfänger 14. Vorliegend wird ein gepulstes Wellensignal bzw. ein Wellensignalimpuls vom Sender 12 ausgesendet, das hier von einem Empfänger 14 empfangen wird, der zusammen mit dem Sender 12 in einer Sender-Empfängereinheit integriert ist. Der Behälters 20 ist waagerecht ausgerichtet das Wellensignal W1 tritt senkrecht aus dem Sender 12 der Füllstandsmesseinrichtung 10 aus. Das an der Flüssigkeitsoberfläche reflektierte Signal W2 trifft dann wiederum senkrecht auf den Empfänger 14 auf. Die Laufzeit kann anhand des Signals W2 von einer nicht gezeigten Datenverarbeitungseinrichtung richtig ermittelt werden.
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In der 2 ist eine Schräglage des Behälters 20 der 1 um einen Winkel dargestellt. Das Wellensignal W1 verlässt den Sender 12 wiederum senkrecht zur Oberfläche der Füllstandsmesseinrichtung 10. Dieses Wellensignal W1 trifft jedoch unter einem Winkel auf die Flüssigkeitsoberfläche FO auf, der um den Winkel α versetzt ist zum 90° Auftreffwinkel des Wellensignals in 1. Gemäß dem Reflexionsgesetz (Einfallswinkel = Ausfallswinkel) breitet sich das von der Flüssigkeitsoberfläche reflektierte Wellensignal W2 ebenfalls um den Winkel α zur Senkrechten versetzt aus. Die Wellensignale W1 und W2 bilden zusammen also den Winkel 2α aus. Das reflektierte Wellensignal W2 trifft also versetzt auf die Oberfläche der Füllstandsmesseinrichtung 10 auf. Je nach Schräglage kann es passieren, dass das von der Flüssigkeitsoberfläche FO reflektierte Wellensignal W2 zum Zeitpunkt t2 (vgl. 4) nicht auf den Empfänger 14 auftrifft. Es kommt also zu keinem oder nur zu einem geringen Amplitudensignal A (vgl. 4), der durch leicht abgelenkte Signale der reflektierten Signale W2 verursacht wird. Dieser durch den Empfänger 14 registrierte Amplitudensignal A wird von der Datenverarbeitungseinrichtung nicht als Signal W2 erkannt. Es kommt also zu einer falschen Laufzeitmessung.
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Bei vorbekannten Lösungen wird das Wellensignal W2 an der Oberfläche der Füllstandsmesseinrichtung 10 wiederum reflektiert. Das an der Oberfläche der Füllstandsmesseinrichtung 10 reflektierte Wellensignal W3 breitet sich dann wieder in Richtung der Flüssigkeitsoberfläche FO aus (vgl. 2). Das Wellensignal W3 wird sodann abermals von der Flüssigkeitsoberfläche FO reflektiert. Das erneut von der Flüssigkeitsoberfläche Fo reflektierte Wellensignal W4 breitet sich dann wieder in Richtung Flüssigkeitsmesseinrichtung 10 aus (vgl. 3). Bei jeder Reflexion des Wellensignals W1, W2, W3, W4 kommt es zu einer Streuung bzw. Verbreiterung des Wellensignals W1, W2, W3, W4. Die Streuung bzw. Verbreiterung des von der Flüssigkeitsoberfläche Fo reflektierten Wellensignals W2 (vgl. 2) ist noch vergleichsweise schmal, wohingegen die Streuung des dreifach reflektierten Wellensignals W4 – also das erneut von der Flüssigkeitsoberfläche Fo reflektierte Wellensignal W4, welches abermals auf die Füllstandsmesseinrichtung 10 auftrifft (vgl. 3) – eine vergleichsweise große Streuung aufweist. Es ist daher möglich, dass der Empfänger 14 das erstmals reflektierte Wellensignal W2 nicht oder nur unzureichend empfängt und das dreifach (oder noch öfter) reflektierte Wellensignal W4 ausreichend empfängt. Das mehrfach reflektierte Wellensignal W4, das z. B. erneut von der Flüssigkeitsoberfläche Fo reflektiert wird, führt dann zu einer fehlerhaften Laufzeitbestimmung und zu einer fehlerhaften Füllstandsberechnung.
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4 zeigt die Amplituden A des Wellensignals W zu verschiedenen Zeiten t. Der Zeitpunkt t1 ist der Zeitpunkt, zu dem der Wellensignalimpuls W1 von der Sendereinheit 12 versandt wird. Der Zeitpunkt t2 ist der Zeitpunkt, an dem das an der Flüssigkeitsoberfläche FO reflektierte Wellensignal W2 neben dem Empfänger 14 auftrifft. Es wird lediglich eine geringe Amplitude A oder oft sogar gar kein Ausschlag bzw. Signal A festgestellt. Zum Zeitpunkt t4 tritt dann das abermals an der Flüssigkeitsoberfläche FO reflektierte Wellensignal W4 auf den Empfänger 14 auf. Dieses Signal W4 wird von einer in den Figuren nicht gezeigten Datenverarbeitungsanlage für das Signal W2 gehalten. Die Datenverarbeitungsanlage berechnet aus der Signallaufzeit t4 – t1 dann einen falschen Füllstand des Behälters. Da das Signal W4 einen ca. doppelt so langen Weg zurückgelegt hat als das Signal W2 weicht die aus den falschen Signallaufzeiten ermittelte Füllstandshöhe erheblich von der tatsächlichen Füllstandshöhe ab.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft eine Füllstandsmesseinrichtung für einen Behälter zur Speicherung von Flüssigkeit. Der Behälter kann bspw. ein Kraftstoffbehälter oder ein Behälter zur Aufbewahrung von Betriebsmitteln, bspw. Harnstoff in wässriger Lösung sein. Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner einen solchen Behälter zur Speicherung von Flüssigkeit mit einer solchen Füllstandsmesseinrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem solchem Behälter.
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Die Füllstandsmesseinrichtung umfasst mindestens einen Sender. Der Sender ist geeignet, ein Wellensignal W1 auszusenden. Das Wellensignal W1 kann bspw. ein akustisches, optisches und/oder elektromagnetisches Wellensignal W1 sein. Bevorzugt sendet der Sender das Wellensignal W1 als Impuls oder als Impuls-Paket (hier wird vereinfachend oft der Begriff „Wellensignal” oder „Signal” verwendet). Der mindestens eine Sender ist geeignet, ein Wellensignal W1 auszusenden, das an der Flüssigkeitsoberfläche FO der gespeicherten Flüssigkeit F reflektiert wird bzw. reflektiert werden kann. Die Flüssigkeitsoberfläche FO ist dabei die Phasengrenze zwischen der Flüssigkeit, deren Füllstandshöhe zu ermitteln ist, und im Behälter vorhandenen Gase, bspw. Luft. Ferner umfasst die Füllstandsmesseinrichtung mindestens einen Empfänger, der geeignet ist, das mindestens einmal reflektierte Wellensignal W2 zu empfangen.
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Das Signal W1 kann gegen die Flüssigkeitsoberfläche FO so abgestrahlt werden, dass es in der meistens waagerechten Konstruktionslage des Behälters bzw. des Kraftfahrzeuges im rechten Winkel auf die Flüssigkeitsoberfläche FO auftrifft. Bei einer solchen Ausgestaltung kann der Sender auch gleichzeitig als Empfänger eingesetzt werden, insbesondere wenn es sich um ein gepulstes Signal W1 handelt. Eine solche Ausgestaltung ist platzsparend und günstig realisierbar.
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Die Füllstandsmesseinrichtung kann an weitere Datenverarbeitungsanlagen bzw. Auswerteeinheiten angeschlossen sein oder diese umfassen. Die Füllstandsmesseinrichtung ermittelt zweckmäßig den Füllstand basierend auf einer Laufzeitmessung des Wellensignals. Die Signalverarbeitung in diesen Anlagen bzw. Einheiten zur Ermittlung des Füllstandes aus den vom Empfänger ermittelten Signalen ist dem Fachmann bekannt.
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Benachbart zum Empfänger ist mindestens eine Vorrichtung zur zumindest teilweisen Reduktion und/oder Ablenkung vom bereits reflektierten Wellensignal W2 vorgesehen. Benachbart zum Empfänger umfasst in diesem Zusammenhang den Bereich, der direkt an den Empfänger angrenzt. Beispielsweise in einem Abstand zum Empfänger, der geringer als ca. 30 cm, bevorzugt geringer als ca. 15 cm, ferner bevorzugt geringer als ca. 10, und besonders bevorzugt geringer als 5 cm ist.
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Bei der hier offenbarten Technologie ist benachbart zum Empfänger mindestens eine Vorrichtung vorgesehen, die sicherstellt, dass kein mehrfach reflektiertes Wellensignal auf den Empfänger treffen kann, und/oder dass ein mehrfach reflektiertes Wellensignal eindeutig aufgrund der Signalstärke als nicht füllstandsrelevantes Signal empfangen werden kann. Empfängt der Empfänger keines der Mehrfachechos, ist die Gefahr von einer fehlerhaften Messung der Füllstandshöhe deutlich verringert.
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Der Sender kann das Wellensignal in einer Ausbreitungsrichtung B aussenden. Die Ausbreitungsrichtung B verläuft in der Konstruktionslage bevorzugt senkrecht zur Flüssigkeitsoberfläche FO. Die Vorrichtung kann mindestens eine Ablenkoberfläche umfassen, die das an der Flüssigkeitsoberfläche FO reflektierte Wellensignal W2 in eine Richtung C quer zur Ausbreitungsrichtung B ablenkt, insbesondere derart quer, dass eine deutliche Ablenkung oder Streuung des reflektierten Wellensignales W2 stattfindet. Eine Richtung C quer zur Ausbreitungsrichtung B umfasst dabei bspw. eine Ablenkung um einen Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung B und der Richtung C, der zwischen ca. 10 und 90°, bevorzugt ca. zwischen 20 und 90° und besonders bevorzugt zwischen ca. 45 und 90° liegt.
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Die Ablenkoberfläche kann das an der Flüssigkeitsoberfläche FO reflektierte Wellensignal W2 insbesondere derart ablenken, dass das von der Ablenkoberfläche reflektierte Wellensignal W3 nicht mehr oder als nicht mehr füllstandsrelevantes Signal empfangen wird bzw. werden kann. Beispielsweise kann es so stark quer abgelenkt werden, dass es mehrfach an den Seitenwänden des Behälters reflektiert wird. Dabei schwächt das Signal immer mehr ab, so dass es, falls es doch wieder auf den Empfänger trifft, dort keinen nennenswerten Amplitudensignal A erzeugt.
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Die Vorrichtung der Füllstandsmesseinrichtung kann ferner mindestens eine Absorptionsoberfläche umfassen, die das von der Flüssigkeitsoberfläche FO reflektierte Wellensignal W2 in einem Maße absorbiert, dass der von der Absorptionsfläche reflektierte Anteil W3 des Wellensignals W2 vom Empfänger nicht mehr empfangen werden kann oder eindeutig als nicht mehr füllstandsrelevantes Signal empfangen wird bzw. werden kann.
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Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner eine Füllstandsmesseinrichtung, bei der die Vorrichtung mindestens eine Interferenzoberfläche umfasst. Die Interferenzoberfläche kann ausgebildet sein zumindest teilweise die Phasenlage des von der Interferenzoberfläche reflektierten Wellensignals W3 so zu ändern, dass das von der Interferenzoberfläche reflektierte Wellensignal W3 zumindest teilweise durch destruktive Interferenz reduziert wird. Hierzu kann beispielsweise eine gestufte Oberfläche vorgesehen sein, z. B. mit zwei Ebenen, die so zueinander angeordnet sind, dass Anteile der reflektierten Signalwellen W3 um eine Phasendifferenz von 180° zu anderen Anteilen der reflektierten Signalwellen W3 verschoben sind. Die beiden Anteile der reflektierten Signalwellen W3 weisen bevorzugt annähernd dieselbe Frequenz und Amplitude auf, so dass die beiden Anteile der reflektierten Signalwellen W3 gegenseitig aufheben.
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Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner einen Behälter zur Speicherung eines Fluids mit einer Füllstandsmesseinrichtung, wie sie hier offenbart ist. Die Füllstandsmesseinrichtung kann in einer Behälterwand vorgesehen sein, bevorzugt dem Behälterboden oder dem Behälteroberteil. Die Vorrichtung zur zumindest teilweisen Reduktion und/oder Ablenkung kann in der zumindest einen Empfänger benachbarten Oberfläche der Füllstandsmesseinrichtung und/oder der benachbarten Behälterwand vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Oberfläche in einem Abstand zum Empfänger angeordnet sein, der geringer als ca. 30 cm, bevorzugt geringer als ca. 15 cm, ferner bevorzugt geringer als ca. 10, und besonders bevorzugt geringer als 5 cm ist.
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Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
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1 bis 3 schematische Ansichten eines vorbekannten Behälters 20;
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4 ein Zeit-Amplituden-Diagramm basierend auf den Messwerten des Empfängers 14;
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3 eine schematische Ansicht des hier offenbarten Behälters 200; und
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4 eine vergrößerte Ansicht der Füllstandsmesseinrichtung 100.
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Die hier gezeigten Figuren zeigen die Winkelbeziehungen nur schematisch und nicht maßstabsgetreu.
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5 zeigt einen Behälter 200 mit einer Füllstandsmesseinrichtung 100 gemäß der hier offenbarten Technologie. Die Füllstandsmesseinrichtung 100 ist in der Behälterwand 220 vorgesehen. Die Behälterwand 220 stellt den Behälterboden 220 dar. Die Füllstandsmesseinrichtung 100 umfasst einen Sender 112, der hier gleichzeitig als Empfänger 114 dient. Dies muss aber nicht so sein. In einer weiteren Ausgestaltung könnte bspw. der Sender beabstandet vom Empfänger 114 angeordnet sein. Der Sender 112 strahlt einen Signalimpuls W1 in die Richtung B senkrecht zur Oberfläche der Füllstandsmesseinrichtung 100 ab. Dieser Wellensignalimpuls W1 wird an der Oberfläche FO reflektiert und trifft als von der Flüssigkeitsoberfläche Fo reflektierter Wellensignalimpuls W2 wieder auf der Oberfläche 101 der Füllstandsmesseinrichtung 100 auf. Es sei hier angenommen, dass aufgrund der Schräglage α der reflektierte Wellensignalimpuls W2 nicht auf den Empfänger 114 auftrifft, sondern benachbart hierzu. Auf der Oberfläche 101 der Füllstandsmesseinrichtung 100 ist hier die Vorrichtung 116 zur zumindest teilweisen Reduktion und/oder Ablenkung von dem reflektierten Wellensignal vorgesehen (vgl. 6). Aufgrund der Vorrichtung 116 kommt es hier nicht zu einer weiteren Ausbreitung des Wellensignals W2. Alternativ oder zusätzlich wäre denkbar, dass das Signal quer zur Richtung B in Richtung der Behälterseitenwand abgelenkt wird.
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6 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Füllstandsmesseinrichtung 100. Benachbart zum Empfänger 114 sind hier die Oberflächen 116', 116'' angeordnet. Die Oberfläche 116' zeigt winklig angeordnete Ablenkungsflächen, die annähernd senkrecht auf die Oberfläche 101 der Füllstandsmesseinrichtung 100 auftreffende Wellensignale lateral ablenken. Die Absorptionsfläche 116'' ist ebenfalls benachbart zum Empfänger 114 angeordnet und umfasst eine Oberfläche 116'', die aufgrund ihres Materials oder ihrer geometrischen Anordnung geeignet ist, das an der Flüssigkeitsoberfläche FO reflektierte Wellensignal W2 zumindest teilweise zu absorbieren. Es wird somit vermieden, dass durch weitere Reflexionen ein Wellensignal W4 zum Empfänger 114 gelangt, welches die Auswerteeinheit als erstmals reflektiertes Wellensignal W2 ansehen könnte. Messfehler aufgrund von Mehrfachechos können somit weitgehend vermieden werden.
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Die Einzahl von Begriffen wie Sender 112, Empfänger 114 und Vorrichtung 116 der hier offenbarten Technologie soll gleichzeitig deren Mehrzahl, also mindestens ein Sender 112, mindestens ein Empfänger 114 und mindestens eine Vorrichtung 116, mit umfassen. Die Formulierung „mindestens ein” wurde also zur besseren Übersichtlichkeit teilweise weggelassen.
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Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004052110 A1 [0002]
