DE102017104478A1

DE102017104478A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines Nutzmediums in einem Vorratsbehälter

Info

Publication number: DE102017104478A1
Application number: DE102017104478.7A
Authority: DE
Inventors: Ingo Niemeyer; Henning Irle
Original assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2017-03-03
Filing date: 2017-03-03
Publication date: 2018-09-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Volumens (V_N) eines Nutzmediums (8) in einem mit dem Nutzmedium (8) und mit einem Füllmedium (7) gefüllten Vorratsbehälter (6), wobei der Vorratsbehälter (6) über eine Verbindungsleitung (13) mit einem Steuermodul (4), welches in eine Öffnungsposition und in eine Schließposition verbringbar ist, mit einem das Füllmedium (7) aufweisenden Referenzbehälter (3) verbunden ist, umfassend die folgenden Schritte: es werden ein Druck (p_i) und eine Temperatur (T_i) des Füllmediums (7) in dem Vorratsbehälter (6) bestimmt und dann über eine Zustandsgleichung für das Füllmedium (7) eine Teilchenanzahl (N_i) für das Füllmedium (7) in dem Vorratsbehälter (3) ermittelt; es wird das Steuermodul (4) in die Schließposition verbracht und der Referenzbehälter (3) fluidtechnisch von dem Vorratsbehälter (6) getrennt; es wird in dem Referenzbehälter (3) bezogen auf den Vorratsbehälter (6) ein Überdruck oder ein Unterdruck hergestellt und dann ein Druck (p_ref) und/oder eine Temperatur (T_ref) für das Füllmedium (7) in dem Referenzbehälter (3) bestimmt und dann über die Zustandsgleichung für das Füllmedium (7) eine Teilchenanzahl (N_ref) für das Füllmedium (7) in den Referenzbehälter (3) ermittelt; nach der Bestimmung des Drucks (p_ref) und/oder der Temperatur (T_ref) in dem Referenzbehälter (3) wird das Steuermodul (4) geöffnet und der Referenzbehälter (3) fluidtechnisch mit dem Vorratsbehälter (6) verbunden; für das verbundene System aus Vorratsbehälter (6) und Referenzbehälter (3) werden ein Druck (p_f) und eine Temperatur (Tf) für das Füllmedium (7) ermittelt; auf Basis der ermittelten Druck- und Temperaturwerte (p_i, p_ref, p_f, T_i, T_ref, T_f) und der Teilchenanzahl (N_i, N_ref) und der bekannten Werte für ein Volumen (V_ref) des Referenzbehälters (3) und für ein Volumen (V_T) des Vorratsbehälters (6) wird das Volumen (V_N) des Nutzmediums (8) berechnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Volumens eines Nutzmediums in einem mit dem Nutzmedium und mit einem Füllmedium befüllten Vorratsbehälter.
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Volumens eines Nutzmediums in einem mit dem Nutzmedium und mit einem Füllmedium gefüllten Vorratsbehälter umfassend den Vorratsbehälter, welcher zur Aufnahme des Nutzmediums ausgebildet ist und eine Entlüftungsöffnung aufweist, und eine dem Vorratsbehälter zugeordnete Druckbestimmungseinheit, welche ausgebildet ist zum Bestimmen eines Drucks in dem Vorratsbehälter.
Es gibt eine Reihe von Messmethoden und Vorrichtungen, um den Füllstand beziehungsweise das Volumen des Nutzmediums in dem Vorratsbehälter zu bestimmen. Die in der Praxis verbreiteten Ansätze werden nachfolgend in der gebotenen Breite dargestellt.
Eine weit verbreitete Messmethode basiert auf dem archimedischen Prinzip. Sie verwendet einen Schwimmkörper, der in dem Nutzmedium schwimmt und der über einen Hebel mit einem Positionssensor, insbesondere einem Potentiometer, verbunden ist. Der Schwimmkörper erfährt infolge der Verdrängung eines Teilvolumens des Nutzmediums an Auftriebskraft. Über die Orientierung des Hebelarms kann die Position des Schwimmkörpers mittels des Positionssensors erfasst und ausgewertet werden. Aufgrund der mechanischen Komponenten der Messvorrichtung und der beweglichen Teile ist die Messmethode insgesamt verschmutzungs- beziehungsweise korrosionsanfällig. Des Weiteren kann der Füllstand des Füllmediums nur an einer Stelle innerhalb des Vorratsbehälters lokal ermittelt werden.
Es ist weiter bekannt, ein Mikrowellensignal in einen elektrischen Leiter einzukoppeln, der innerhalb des Vorratsbehälters verläuft und jedenfalls teilweise von dem Nutzmedium umschlossen ist. An einer Grenzfläche zwischen den Nutzmedium einerseits und dem ebenfalls in dem Vorratsbehälter vorgesehenen Füllmedium andererseits kommt es zu einer Impedanzänderung im Leiter mit der Folge, dass ein Teil des eingekoppelten Mikrowellensignals reflektiert wird. Wird das Mikrowellensignal zum Beispiel impulsed eingekoppelt, lässt sich über eine Laufzeitanalyse die Position des Impedanzsprungs und damit der Füllstand beziehungsweise das Volumen des Nutzmediums bestimmen. Auch hier erlaubt die Messmethode die Bestimmung des Füllstands lediglich an einer Stelle im Vorratsbehälter.
Ferner ist bekannt, mittels eines Ultraschallsignals den Füllstand des Nutzmediums in dem Vorratsbehälter zu ermitteln. Beispielsweise wird das Ultraschallsignal über ein gasförmiges Füllmedium in Richtung des Nutzmediums abgestrahlt. An der Grenze zwischen dem Füllmedium und dem Nutzmedium wird das Ultraschallsignal jedenfalls teilweise reflektiert. Über die Detektion des reflektierten Signals und einer Laufzeitanalyse lässt sich der Füllstand des Nutzmediums an der vorgegebenen Stelle im Vorratsbehälter bestimmen.
Darüber hinaus ist bekannt, den Füllstand des Nutzmediums in dem Vorratsbehälter kapazitiv zu erfassen. Hierbei wird mittels eines räumlich ausgedehnten Kondensatorelements die gemittelte Permittivitätszahl des Nutzmediums und des Füllmediums ermittelt. Das Kondensatorelement erstreckt sich hierbei mit seinem Messbereich über beide Medien. Die einzelnen Permittivitätszahlen der Medien werden entsprechend der jeweiligen Überdeckungsbereiche der Medien über das Kondensatorelement gewichtet. Die Ausdehnung des Kondensatorelements entspricht zugleich dem Messweg, über den der Füllstand bestimmt werden kann. Optional kann ein kapazitiver Füllstandssensor vorgesehen werden, welcher über mindestens drei Sensorbereiche verfügt. Hierbei dienen zwei Sensorbereiche zur Bestimmung von Referenzmesspunkten in dem Nutzmedium einerseits und m Füllmedium andererseits. Sie weisen eine vergleichsweise kleine Ausdehnung auf. Durch die Referenzmesspunkte ist sichergestellt, dass die Permittivität des Nutzmediums und des Füllmediums bekannt beziehungsweise korrekt ermittelt ist. Ein dritter Sensorbereich dient dann der Ermittlung der gemittelten Permittivitätszahl der beiden Medien. Wieder lässt sich mithilfe der kapazitiven Füllstandsmessung der Füllstand lediglich an einer Stelle des Vorratsbehälters beziehungsweise in einem Segment des Vorratsbehälters bestimmen. Zudem ist der Sensor unmittelbar dem Kontakt mit dem Medium ausgesetzt. Insofern spielen Adhäsionseffekte und ein Feuchtigkeitsfilm auf Teilen der Oberfläche eine Rolle und beeinflussen die Genauigkeit der Positions- beziehungsweise Füllstandsmessung mitunter negativ.
Es ist außerdem bekannt, den Füllstand des Füllmediums zu ermitteln, indem der hydrostatische Druck am Boden des Behälters ermittelt wird. Der hydrostatische Druck hängt von der Masse des Nutzmediums und damit vom Füllstand des Füllmediums oberhalb des Messpunkts ab. Mit steigendem Füllstand steigt auch der Druck, welcher am Grund des Vorratsbehälters gemessen wird. Sofern die Dichte des Nutzmediums bekannt und konstant ist, kann auf Basis des gemessenen statischen Drucks des Füllmediums auf den Füllstand zurückgerechnet werden. Da zugleich der Atmosphärendruck oberhalb des Nutzmediums wirkt und den am Grund des Vorratsbehälters gemessenen statischen Druck beeinflusst, ist eine Differenzdruckmessung vorteilhaft, um den Füllstand möglichst exakt zu bestimmen. Nachteil ist hier, dass mittels der hydrostatischen Druckmessung der Druck lediglich in einem Bereich des Vorratsbehälters bestimmt wird. Insbesondere bei fragmentierten Vorratsbehältern liefert die Methode keine ausreichend genauen Messwerte. Weiterhin ist der Drucksensor aufgrund des unmittelbaren Kontakts mit dem Nutzmedium Verschmutzungen, Adhäsion und dergleichen ausgesetzt. Letztlich kann dies zum Ausfall des Sensors führen oder eine Messgenauigkeit herabsetzen.
Weiter ist bekannt, dass Volumen des Nutzmediums in dem Vorratsbehälter zu ermitteln, indem das Volumen des Vorratsbehälters beziehungsweise des Füllmediums dynamisch variiert wird und eine infolge der Volumenänderung erzeugte Druckschwankung in dem Vorratsbehälter erfasst wird. Aus der Volumenänderung und der Druckschwankung wird hier ein Grundvolumen des Füllmediums einerseits und das Volumen des Nutzmediums andererseits bestimmt. Zur Realisierung der Volumenänderung und der Druckschwankung ist eine Volumenmodulationseinheit vorgesehen. Die Volumenmodulationseinheit ist dem Vorratsbehälter derart zugeordnet, dass das Volumen des Vorratsbehälters innerhalb bekannter, vorgegebener Grenzen verändert wird. Beispielsweise erfolgt dies durch die Anregung einer Membran zu Schwingungen. Hierbei sind das Vorsehen der Volumenmodulationseinheit und das Koppeln derselben mit dem Vorratsbehälter vergleichsweise aufwendig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es insofern, ein vergleichsweise einfaches und ausreichend exaktes Verfahren zur Bestimmung des Volumens des Nutzmediums in dem Vorratsbehälter anzugeben. Weiter besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung zur Bestimmung des Volumens des Nutzmediums in dem Vorratsbehälter anzugeben.
Zur Lösung der Aufgabe weist das erfindungsgemäße Verfahren die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 auf. Es ist insofern vorgesehen, dass zur Bestimmung des Volumens des Nutzmediums in einem mit dem Nutzmedium und einem Füllmedium befüllten Vorratsbehälter ein Druck und eine Temperatur des Füllmediums in dem Vorratsbehälter bestimmt und dann über eine Zustandsgleichung für das Füllmedium eine Teilchenanzahl für das Füllmedium in dem Vorratsbehälter ermittelt wird, dass weiter ein Steuermodul, welches den Vorratsbehälter mit einem das Füllmedium aufweisenden Referenzbehälter verbindet und welches in eine Öffnungsposition beziehungsweise eine Schließposition verbringbar ist, in die Schließposition verbracht wird, sodass der Referenzbehälter fluidtechnisch von dem Vorratsbehälter getrennt ist, dass ferner in dem Referenzbehälter bezogen auf den Vorratsbehälter ein Überdruck oder ein Unterdruck hergestellt und dann ein Druck beziehungsweise eine Temperatur für das Füllmedium in dem Referenzbehälter bestimmt werden und dann über die Zustandsgleichung für das Füllmedium eine Teilchenanzahl für das Füllmedium in dem Referenzbehälter ermittelt wird, dass nach der Bestimmung des Drucks in dem Vorratsbehälter und in dem Referenzbehälter das Steuermodul geöffnet und der Referenzbehälter fluidtechnisch mit dem Vorratsbehälter verbunden wird, wobei für das verbundene System aus Vorratsbehälter und Referenzbehälter ein Druck und eine Temperatur für das Füllmedium ermittelt werden, und dass auf Basis der ermittelten Temperatur- und Druckwerte, der Teilchenanzahl und der bekannten Werte für das Volumen des Referenzbehälters und für das Volumen des Vorratsbehälters das Volumen des Nutzmediums berechnet wird.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass unter Verzicht auf konstruktiv aufwendige Bauteile und teure Komponenten das Volumen des Nutzmediums bestimmt wird durch den Rückgriff auf eine Zustandsgleichung für das Füllmedium und die physikalischen beziehungsweise chemischen Zusammenhänge. Zur Anwendung kommen insbesondere eine Druckbestimmungseinheit beziehungsweise eine Temperaturbestimmungseinheit, beispielsweise handelsübliche Drucksensoren beziehungsweise Temperatursensoren. Insbesondere kann vorgesehen sein, den Druck und die Temperatur über ohnehin vorgesehene Sensoren zu erfassen. Dabei kann der Überdruck beziehungsweise Unterdruck in dem Referenzbehälter mittels einer Differenzdruckerzeugungseinheit, insbesondere einer Pumpe, bereitgestellt werden. Auch hier kann zurückgegriffen werden auf im Fahrzeug ohnehin vorgesehene Pumpen, die zusätzlich zur Erzeugung des Überdrucks beziehungsweise des Unterdrucks in dem Referenzbehälter verwendet werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird in dem mit dem Füllmedium gefüllten Referenzbehälter ein Überdruck erzeugt bezogen auf den Druck des Füllmediums in dem Vorratsbehälter. Vorteilhaft wird hierdurch für handelsübliche Kraftstoffe, welche als Nutzmedium in dem Vorratsbehälter vorgesehen sind, nach dem Verbinden der Volumina ein unnötiges und nicht gewolltes Verdampfen aufgrund des Unterschreitens des Sättigungsdampfdrucks vermieden. Zudem wird bei Fahrzeugen mit einem Aktivkohlefilter eine unnötige Belastung desselben vermieden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird das Steuermodul in die Schließposition verbracht, nachdem der Druck und die Temperatur für das Füllmedium in dem Vorratsbehälter ermittelt worden sind. Vorteilhaft kann beim Durchführen der Messung von Druck und Temperatur für das Füllmedium in dem Vorratsbehälter bei geöffnetem Steuermodul auf die Sensorik (Druckbestimmungseinheit, Temperaturbestimmungseinheit) zurückgegriffen werden, welche in dem Referenzbehälter vorgesehen ist. In diesem Fall kann die Erfassung der notwendigen Messwerte durch eine einzige Druckbestimmungseinheit und eine einzige Temperaturbestimmungseinheit sehr kostengünstig erfolgen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Steuermodul in die Schließposition verbracht wird, bevor der Druck und die Temperatur für das Füllmedium in dem Vorratsbehälter ermittelt werden. Hierbei werden in dem Vorratsbehälter bevorzugt eine zusätzliche Druckbestimmungseinheit und eine zusätzliche Temperaturbestimmungseinheit verbaut.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird vor dem Bestimmen des Drucks in dem Vorratsbehälter das in dem Vorratsbehälter vorgesehene Füllmedium mit einem Überdruck beaufschlagt. Vorteilhaft wird hierdurch einem übermäßigen Verdampfen des Nutzmediums aufgrund des Unterschreitens des Sättigungsdampfdrucks vorgebeugt. Weiter wirkt man einem Erhitzen und der Gefahr einer Entzündung eines brennbaren Gasgemisches in der Differenzdruckerzeugungseinheit entgegen, da kein brennbares Gasgemisch durch die Differenzdruckerzeugungseinheit gefördert wird.
Zur Lösung der Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7 dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Vorratsbehälter über ein Steuermodul verbundener Referenzbehälter mit einem bekannten Volumen und eine Differenzdruckerzeugungseinheit vorgesehen sind, wobei das Steuermodul in eine Öffnungsposition und in eine Schließposition verbringbar ist zum fluidtechnischen Verbinden oder Trennen des Vorratsbehälters und des Referenzbehälters und wobei die Differenzdruckerzeugungseinheit dem Referenzbehälter zugeordnet ist und ausgebildet ist zum Erzeugen eines Überdrucks beziehungsweise eines Unterdrucks in dem Referenzbehälter.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht in der konstruktiv einfachen Gestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Es können insbesondere mit im Fahrzeug ohnehin vorgesehenen Temperatursensoren als Temperaturbestimmungseinheit beziehungsweise Drucksensoren als Druckbestimmungseinheit der Druck beziehungsweise die Temperatur im Referenzbehälter und im Vorratsbehälter ermittelt werden. Im Fahrzeug vorgesehene Pumpen können als Differenzdruckerzeugungseinheit verwendet werden. Beispielsweise verfügen Fahrzeuge mit einer aktiven Kraftstoffleckerkennung über Pumpen, welche an das Kraftstoffversorgungssystem angeschlossen sind und zum Zweck der Druckbeaufschlagung des Referenzbehälters verwendet werden können. Ebenso können Pumpen zur Anwendung kommen, welche der Reinigung von Aktivkohlefiltern dienen, die für den Druckausgleich zwischen dem Vorratsbehälter und der Umgebung notwendig sind und sicherstellen, dass keine Kohlenwasserstoffe in die Umgebung gelangen. Ebenso besteht die Möglichkeit, auf Pumpen als Differenzdruckerzeugungseinheit zurückzugreifen, die abseits vom Tank (Vorratsbehälter) im Fahrzeug eingesetzt werden und funktionell grundsätzlich zu der Erfassung des Füllstands geeignet sind. So kann zum Beispiel bei Fahrzeugen mit pneumatischem Bremssystem die Auswurfseite der Unterdruckpumpe des pneumatischen Bremskraftverstärkers zur Überdruckerzeugung eingesetzt werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann mittels der Differenzdruckerzeugungseinheit der Druck in dem Vorratsbehälter variiert werden. Hierzu werden insbesondere ein Ventil, welches zwischen der Differenzdruckerzeugungseinheit und dem Referenzbehälter vorgesehen ist, sowie ein Steuermodul, welches zwischen dem Referenzbehälter und dem Vorratsbehälter vorgesehen ist, jeweils in eine Öffnungsstellung verbracht. Die Differenzdruckerzeugungseinheit dient insofern zum einen zum Bereitstellen eines Überdrucks beziehungsweise Unterdrucks in dem Referenzbehälter. Des Weiteren kann über die gleiche Differenzdruckerzeugungseinheit das Druckniveau in dem Vorratsbehälter beeinflusst und insbesondere einem ungewünscht niedrigen Druck in dem Vorratsbehälter entgegengewirkt werden.
Aus den weiteren Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung sind weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung zu entnehmen. Dort erwähnte Merkmale können jeweils einzeln für sich oder auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Erfindungsgemäß beschriebene Merkmale und Details des Verfahrens gelten selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und umgekehrt. So kann auf die Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen werden. Die Zeichnungen dienen lediglich beispielhaft der Klarstellung der Erfindung und haben keinen einschränkenden Charakter.
Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:

1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines Volumens eines Nutzmediums in einer ersten Ausführungsform und
2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen des Volumens des Nutzmediums.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen eines Volumens V_N eines Nutzmediums 8 in einem Vorratsbehälter 6 nach 1 umfasst als wesentliche Komponenten eine Differenzdruckerzeugungseinheit 1, einen Referenzbehälter 3 sowie den Vorratsbehälter 6. Die Differenzdruckerzeugungseinheit 1 und der Referenzbehälter 3 sind über eine Fluidleitung 12 fluidtechnisch verbunden. Der Fluidleitung 12 ist ein Ventil 2 zugeordnet, welches in eine Öffnungsposition und in eine Schließposition verbringbar ist. Zwischen dem Referenzbehälter 3 und dem Vorratsbehälter 6 ist eine Verbindungsleitung 13 vorgesehen. Der Verbindungsleitung 13 ist ein Steuermodul 4 zugeordnet. Das Steuermodul 4 kann zum fluidtechnischen Verbinden des Referenzbehälters 3 mit dem Vorratsbehälter 6 in eine Öffnungsstellung verbracht werden oder zum Trennen des Referenzbehälters 3 von dem Vorratsbehälter 6 in eine Schließposition.
Der Vorratsbehälter 6 nimmt neben dem Nutzmedium 8 ein Füllmedium 7 auf. Beispielsweise ist ein handelsüblicher Kraftstoff als Nutzmedium 8 in dem Vorratsbehälter 6 gespeichert. Beispielsweise dient Luft als Füllmedium 7. Ebenfalls ist der Referenzbehälter 3 mit dem Füllmedium 7 befüllt.
Nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht der Referenzbehälter 3 eine Druckbestimmungseinheit 5 und eine Temperaturbestimmungseinheit 9 vor. Ebenso sieht der Vorratsbehälter 6 eine Druckbestimmungseinheit 10 und eine Temperaturbestimmungseinheit 11 vor.
Zur Bestimmung des Volumens V_N des Nutzmediums 8 in dem Vorratsbehälter 6 wird nun wie folgt verfahren. In einem ersten Verfahrensschritt wird das Steuermodul 4 in die Schließposition verbracht. Anschließend werden ein Druck p_i in dem Vorratsbehälter 6 und eine Temperatur T_i in dem Vorratsbehälter 6 über die Druckbestimmungseinheit 10 und die Temperaturbestimmungseinheit 11 bestimmt. Im Weiteren wird das Füllmedium 7 in dem Referenzbehälter 3 mit einem Referenzdruck p_ref beaufschlagt. Insbesondere wird hierbei ein Überdruck bezogen auf den Druck p_i des Vorratsbehälters 6 bereitgestellt. Die Druckbeaufschlagung erfolgt über die Differenzdruckerzeugungseinheit 1, wobei das Ventil 2 temporär in der Öffnungsstellung vorgesehen ist und dann wieder geschlossen wird. Der Referenzdruck p_ref sowie die Temperatur T_ref im Referenzbehälter 3 werden über die Druckbestimmungseinheit 5 und die Temperaturbestimmungseinheit 9 messtechnisch erfasst. Dann wird das Steuermodul 4 in die Öffnungsposition verbracht und so der Referenzbehälter 3 fluidtechnisch mit dem Vorratsbehälter 6 verbunden. Für das verbundene System aus Vorratsbehälter 6 und Referenzbehälter 3 wird der gemeinsame Druck p_f und die gemeinsame Temperatur T_f bestimmt.
Auf Basis der diversen Messergebnisse wird die initiale Teilchenanzahl N_i für das Füllmedium 7 im Vorratsbehälter 6 nach der Zustandsgleichung $N_{i} k_{B} T_{i} = p_{i} \cdot V_{f} = p_{i} \cdot (V_{T} - V_{N})$
$\Leftrightarrow N_{i} = \frac{1}{k_{B} T_{i}} \cdot p_{i} \cdot (V_{T} - V_{N})$
In analoger Weise ergibt sich die Teilchenanzahl N_ref im Referenzbehälter 3 wie folgt: $N_{r e f} k_{B} T_{r e f} = p_{r e f} \cdot V_{r e f}$
$\Leftrightarrow N_{r e f} = \frac{1}{k_{B} T_{r e f}} \cdot p_{r e f} \cdot V_{r e f}$
Die gemeinsame Teilchenanzahl N_i + N_ref im verbundenen System für das Füllmedium 7 bestimmt sich dann wie folgt: $N_{f} k_{B} T_{f} = (N_{i} + N_{r e f}) \cdot k_{B} T_{f} = p_{f} \cdot (V_{f} + V_{r e f}) = p_{f} \cdot (V_{t} - V_{N} + V_{r e f})$
$\Leftrightarrow N_{i} + N_{r e f} = \frac{1}{k_{B} T_{f}} \cdot p_{f} \cdot (V_{t} - V_{N} + V_{r e f})$
Löst man die Gleichung 3.2 nach dem Volumen V_N auf und setzt die Gleichungen 1.2 und 2.2 ein, bestimmt sich das Volumen V_N des Nutzmediums 8 nach der vorliegenden Formel $V_{N} = \frac{p_{f} \cdot (V_{t} + V_{r e f}) - p_{r e f} \cdot V_{r e f} - p_{i} \cdot V_{t}}{(p_{f} - p_{i})}$
Grundsätzlich ist hierbei vereinfacht angenommen worden, dass die Temperaturen T_i , T_ref, T_f für das Füllmedium 7 und das Nutzmedium 8 im Referenzbehälter 3 und im Vorratsbehälter 6 identisch sind: $T = T_{i} = T_{r e f} = T_{f}$
Ist dies nicht der Fall, kann mit den individuellen Temperaturen T_i , T_ref , T_f für das Füllmedium 7 im Vorratsbehälter 6, das Füllmedium 7 im Referenzbehälter 3 und das Füllmedium 7 im gesamten System gerechnet werden. Die Boltzmann-Konstante k_B beteiligt 1,3806488 · 10^-23 J/K.
Eine alternative Ausführungsform der Erfindung nach 2 sieht vor, auf einen Drucksensor und einen Temperatursensor im Vorratsbehälter 6 zu verzichten. Hierbei wird gleichwohl im Wesentlichen wie vorstehend beschrieben verfahren. Jedoch wird im ersten Verfahrensschritt das Steuermodul 4 in eine Öffnungsposition verbracht und der Druck p_i des Füllmediums 7 in dem Vorratsbehälter 6 sowie die Temperatur T_i für das Füllmedium 7 im Vorratsbehälter 6 mithilfe der Druckbestimmungseinheit 5 und der Temperaturbestimmungseinheit 9 ermittelt, welche in dem Referenzbehälter 3 vorgesehen sind.
Nach einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann mittels der Differenzdruckerzeugungseinheit 1 in dem Referenzbehälter 3 ein Vakuum erzeugt werden. In diesem Fall kann auf die Bestimmung des Referenzdrucks p_ref verzichtet werden.
Statt der messtechnischen Erfassung der Temperatur T_ref und des Drucks p_ref im Referenzbehälter 3 kann die Teilchenanzahl N_ref alternativ über ein Pumpenmodell ermittelt oder mithilfe eines Luftmassenmessers bestimmt werden.
Gleiche Bauteile und Bauteilfunktionen sind durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.
Bezugszeichenliste

1: Differenzdruckerzeugungseinheit
2: Ventil
3: Referenzbehälter
4: Steuermodul
5: Druckbestimmungseinheit
6: Vorratsbehälter
7: Füllmedium
8: Nutzmedium
9: Temperaturbestimmungseinheit
10: Druckbestimmungseinheit
11: Temperaturbestimmungseinheit
12: Fluidleitung
13: Verbindungsleitung
N_i: anfängliche Teilchenanzahl im Vorratsbehälter
N_f: Teilchenanzahl im Vorratsbehälter und Referenzbehälter
N_ref: Teilchenanzahl im Referenzbehälter
p_i: anfänglicher Druck im Vorratsbehälter
p_f: gemeinsamer Druck im Vorratsbehälter und Referenzbehälter
p_ref: Druck im Referenzbehälter
V_F: Volumen des Füllmediums im Vorratsbehälter
V_T: Tankvolumen
V_N: Volumen des Nutzmediums im Vorratsbehälter
V_ref: Volumen des Referenzbehälters
T_i: anfängliche Temperatur im Vorratsbehälter
T_f: gemeinsame Temperatur im Vorratsbehälter und Referenzbehälter
T_ref: Temperatur im Referenzbehälter
k_B: Boltzmann-Konstante

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Volumens (V_N) eines Nutzmediums (8) in einem mit dem Nutzmedium (8) und mit einem Füllmedium (7) gefüllten Vorratsbehälter (6), wobei der Vorratsbehälter (6) über eine Verbindungsleitung (13) mit einem Steuermodul (4), welches in eine Öffnungsposition und in eine Schließposition verbringbar ist, mit einem das Füllmedium (7) aufweisenden Referenzbehälter (3) verbunden ist, umfassend die folgenden Schritte: - es werden ein Druck (p_i) und eine Temperatur (T_i) des Füllmediums (7) in dem Vorratsbehälter (6) bestimmt und dann über eine Zustandsgleichung für das Füllmedium (7) eine Teilchenanzahl (N_i) für das Füllmedium (7) in dem Vorratsbehälter (3) ermittelt; - es wird das Steuermodul (4) in die Schließposition verbracht und der Referenzbehälter (3) fluidtechnisch von dem Vorratsbehälter (6) getrennt; - es wird in dem Referenzbehälter (3) bezogen auf den Vorratsbehälter (6) ein Überdruck oder ein Unterdruck hergestellt und dann ein Druck (p_ref) und/oder eine Temperatur (T_ref) für das Füllmedium (7) in dem Referenzbehälter (3) bestimmt und dann über die Zustandsgleichung für das Füllmedium (7) eine Teilchenanzahl (N_ref) für das Füllmedium (7) in den Referenzbehälter (3) ermittelt; - nach der Bestimmung des Drucks (p_ref) und/oder der Temperatur (T_ref) in dem Referenzbehälter (3) wird das Steuermodul (4) geöffnet und der Referenzbehälter (3) fluidtechnisch mit dem Vorratsbehälter (6) verbunden; - für das verbundene System aus Vorratsbehälter (6) und Referenzbehälter (3) werden ein Druck (p_f) und eine Temperatur (Tf) für das Füllmedium (7) ermittelt; - auf Basis der ermittelten Druck- und Temperaturwerte (p_i, p_ref, p_f, T_i, T_ref, T_f) und der Teilchenanzahl (N_i, N_ref) und der bekannten Werte für ein Volumen (V_ref) des Referenzbehälters (3) und für ein Volumen (V_T) des Vorratsbehälters (6) wird das Volumen (V_N) des Nutzmediums (8) berechnet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem mit dem Füllmedium (7) gefüllten Referenzbehälter (3) ein Überdruck bezogen auf den Druck (p_i) des Füllmediums (7) in dem Vorratsbehälter (6) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul (4) in die Schließposition verbracht wird, bevor der Druck (p_i) und die Temperatur (T_i) für das Füllmedium (7) in dem Vorratsbehälter (6) ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für das Füllmedium (7) in dem Referenzbehälter (3) der Druck (p_ref) und die Temperatur (T_ref) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Bestimmen des Drucks (p_i) in dem Vorratsbehälter (6) das in dem Vorratsbehälter (6) vorgesehene Füllmedium (7) mit einem Mindestdruck beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (p_i) und die Temperatur (T_i) des Füllmediums (7) in dem Vorratsbehälter (6) bestimmt werden, während das Steuermodul (4) in der Öffnungsposition vorgesehen ist.
Vorrichtung zum Bestimmen eines Volumens (V_N) eines Nutzmediums (8) in einem mit dem Nutzmedium (8) und mit einem Füllmedium (7) gefüllten Vorratsbehälter (6) umfassend - den Vorratsbehälter (6), welcher zur Aufnahme des Nutzmediums (7) ausgebildet ist und eine Entlüftungsöffnung aufweist, und - eine dem Vorratsbehälter (6) zugeordnete Druckbestimmungseinheit (5, 10), welche ausgebildet ist zum Bestimmen eines Drucks (p_i, p_f) in dem Vorratsbehälter (6), dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Vorratsbehälter (6) über ein Steuermodul (4) verbundener Referenzbehälter (3) mit einem bekannten Volumen (V_ref) und eine Differenzdruckerzeugungseinheit (1) vorgesehen sind, wobei das Steuermodul (4) in eine Öffnungsposition und in eine Schließposition verbringbar ist zum fluidtechnischen Verbinden oder Trennen des Vorratsbehälters (6) und des Referenzbehälters (3) und wobei die Differenzdruckerzeugungseinheit (1) dem Referenzbehälter (3) zugeordnet ist und ausgebildet ist zum Erzeugen eines Überdrucks und/oder eines Unterdrucks in dem Referenzbehälter (3).
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Differenzdruckerzeugungseinheit (1) und dem Referenzbehälter (3) ein Ventil (2) vorgesehen ist, welches ausgebildet ist zum Freigeben und Sperren einer von der Differenzdruckerzeugungseinheit (1) zu dem Referenzbehälter (3) geführten Fluidleitung (12).
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzdruckerzeugungseinheit (1) über die Fluidleitung (12), den Referenzbehälter (3) und eine von dem Referenzbehälter (3) zu dem Vorratsbehälter (6) geführte Verbindungsleitung (13) mit dem Vorratsbehälter (6) verbunden ist, und/oder dass die Verbindungsleitung (13) über die Entlüftungsöffnung des Vorratsbehälters (6) an ebendiesen angeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Referenzbehälter (3) und/oder dem Vorratsbehälter (6) eine Druckbestimmungseinheit (5, 10) und/oder eine Temperaturbestimmungseinheit (9, 11) zugeordnet sind.