DE102021101300A1

DE102021101300A1 - Pegelstab und Verfahren zum Messen eines Flüssigkeitsstands

Info

Publication number: DE102021101300A1
Application number: DE102021101300.3A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Rosenberger; Thomas Spiess
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-01-22
Filing date: 2021-01-22
Publication date: 2022-07-28

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Pegelstab (1) und ein Verfahren zum Messen eines Flüssigkeitsstands (a₁, a₂) einer in einem Flüssigkeitsreservoir (2) befindlichen Flüssigkeit (4), mit einem Messanteil (7), an dem eine Skala (3) zum Ablesen des Flüssigkeitsstands (a₁, a₂) angeordnet ist, und mit einem einen Funktionswerkstoff aufweisenden Längenveränderungsanteil (11), wobei der Funktionswerkstoff einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, wodurch bei in die Flüssigkeit (4) eingetauchtem Messanteil (7) die Skala (3) aufgrund einer mit einer Flüssigkeitstemperatur (T₁, T₂) korrespondierenden Längenveränderung des Pegelstabs (1) an ein mit einer aktuellen Flüssigkeitstemperatur (T₁, T₂) korrespondierendes Flüssigkeitsvolumen (V₁, V₂) anpassbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Pegelstab und ein Verfahren zum Messen eines Flüssigkeitsstands einer in einem Reservoir befindlichen Flüssigkeit.
Auf vielen Gebieten der Technik besteht heutzutage der Bedarf, eine Höhe eines Spiegels einer Flüssigkeit in Bezug zu einer definierten Marke - das heißt den Flüssigkeitsstand - zu messen bzw. zu kontrollieren. Beispielsweise ist es heutzutage üblich, einen Ölstand einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mittels eines Pegelstabs bzw. Peilstabs zu messen. Ein solcher Pegelstab zum Messen eines Ölstands ist beispielsweise aus der DE 1 958 952 U bekannt.
Jedoch hängen ein Volumen zum Zeitpunkt der Messung und eine Temperatur der Flüssigkeit gemäß thermodynamischen Grundsätzen zusammen, sodass je nach aktueller Temperatur der Flüssigkeit ein anderer Flüssigkeitsstand mittels des herkömmlichen Pegelstabs gemessen wird. So kann es beispielsweise dazu kommen, dass bei korrekter Flüssigkeitsmasse ein zu hoher oder ein zu niedriger Flüssigkeitsstand erfasst wird, insbesondere wenn die Flüssigkeitsstandmessung durch einen (üblicherweise nicht besonders geschulten) Endverbraucher durchgeführt wird. Zur Vermeidung eines solchen Messfehlers sind aus dem Stand der Technik besonders aufwendig betreibbare und/oder besonders kompliziert aufgebaute elektrische/elektronische Systeme bekannt. So offenbart beispielsweise die DE 101 36 058 A1 eine Vorrichtung zur Füllstandsanzeige von erwärmten Flüssigkeiten, wobei bei der Vorrichtung an einem stabförmigen Träger Temperatursensoren angebracht sind. Weiter gehört zu dieser herkömmlichen Vorrichtung eine elektrische bzw. elektronische Auswerteeinheit, mittels derer entsprechende Sensorsignale ausgewertet werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, durch Messen eines Flüssigkeitsstands besonders einfach und/oder aufwandsarm und dabei besonders zuverlässig eine Flüssigkeitsmasse zu messen, insbesondere unabhängig von einer momentanen Temperatur der Flüssigkeit.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart.
Ein erfindungsgemäßer Pegelstab (welcher auch Peilstab genannt werden kann) ist zum Messen eines Flüssigkeitsstands einer in einem Reservoir befindlichen Flüssigkeit ausgebildet. Bei dem Flüssigkeitsstand handelt es sich um eine Höhe eines Spiegels der Flüssigkeit in Bezug zu einer definierten Marke. Hierzu weist der Pegelstab einen Messanteil auf, an welchem eine Skala zum Ablesen des Flüssigkeitsstands angeordnet ist. Damit ein Nutzer den Pegelstab bzw. Peilstab besonders einfach und/oder aufwandsarm handhaben kann, weist der Pegelstab insbesondere einen Handhabungsanteil auf, wobei der Handhabungsanteil und der Messanteil fest miteinander verbunden sind.
Zudem weist der Pegelstab einen Längenveränderungsanteil auf, der einen Funktionswerkstoff aufweist bzw. zumindest teilweise aus diesem Funktionswerkstoff gebildet ist. Dabei hat der Funktionswerkstoff einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Aufgrund des negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten vollzieht der Funktionswerkstoff und infolgedessen der Längenveränderungsanteil des Pegelstabs durch ein Erwärmen desselben eine Raumexpansion (das heißt eine Volumenvergrößerung), wohingegen der Funktionswerkstoff und infolgedessen der Längenveränderungsanteil des Pegelstabs durch ein Abkühlen desselben eine Raumkontraktion (das heißt eine Volumenverkleinerung) vollzieht. Hierdurch ist bei in die Flüssigkeit eingetauchtem Messanteil die Skala aufgrund einer mit einer Flüssigkeitstemperatur (das heißt einer Temperatur der Flüssigkeit) korrespondierenden Längenveränderung des Pegelstabs an ein mit einer aktuellen Temperatur der Flüssigkeit korrespondierendes Volumen der Flüssigkeit zerstörungsfrei und reversibel anpassbar.
Bei der Flüssigkeit handelt es sich zum Beispiel um einen flüssigen Betriebs- und/oder Betriebshilfsstoff einer Maschine, also um einen Flüssigkraftstoff, um ein flüssiges Schmiermittel etc. Insbesondere handelt es sich bei der Flüssigkeit um Öl für einen Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine („Motoröl“) und/oder einer Getriebeeinrichtung eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise Personenkraftwagens. Darüber hinaus kann es sich bei der Flüssigkeit um eine Nassläuferflüssigkeit handeln, etwa um ein Kühl-/Schmiermittel einer als Nassläufermaschine ausgebildeten elektrischen Maschine, deren Rotor und/oder Stator in die Nassläuferflüssigkeit ganz oder teilweise eingetaucht sind/ist. Generell ist der Pegelstab zum Messen des Flüssigkeitsstands jeglicher Flüssigkeit einsetzbar.
Der Pegelstab ist insbesondere länglich ausgebildet, sodass dessen temperaturinduzierte Raumexpansion bzw. Raumkontraktion sich hauptsächlich in einer Verlängerung bzw. Verkürzung einer Längserstreckung des Pegelstabs äußert. Da dies gemäß dem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten erfolgt, wird der Pegelstab bei Erwärmen desselben kürzer, wohingegen der Pegelstab bei Abkühlen desselben länger wird. Steigt somit eine Temperatur der Flüssigkeit, während der Pegelstab, insbesondere dessen Messanteil, in jene Flüssigkeit eingetaucht ist, vergrößert sich ein Volumen der Flüssigkeit, wobei die Längserstreckung des Pegelstabs, insbesondere dessen Längenveränderungsanteils, geringer wird. Aufgrund der temperaturinduzierten Volumenvergrößerung der Flüssigkeit bzw. aufgrund der temperaturinduzierten Volumenverringerung des Längenveränderungsanteils des Pegelstabs steigen sowohl der Flüssigkeitsspiegel als auch die Marke, die zum Messen des Flüssigkeitsstands herangezogen wird. Denn diese Marke ist insbesondere Teil der Skala des Pegelstabs, wobei der Pegelstab zum Messen des Flüssigkeitsstands von oben in die Flüssigkeit eingetaucht ist oder wird.
Der erfindungsgemäße Pegelstab ermöglicht also ein besonders zuverlässiges Messen einer Flüssigkeitsmasse, indem der Flüssigkeitsstand besonders einfach und/oder aufwandsarm gemessen wird. Hierbei ist es zumindest in üblicherweise voraussichtlich auftretenden Temperaturbereichen der Flüssigkeit bzw. des Pegelstabs unerheblich, welche Temperatur die Flüssigkeit hat, da die Skala aufgrund des Längenveränderungsanteils an eine aktuelle Flüssigkeitstemperatur anpassbar ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Pegelstabs sieht vor, dass ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Längenveränderungsanteils bzw. des Funktionswerkstoffs unter Berücksichtigung einer Geometrie des Reservoirs derart gewählt ist, dass bei in die Flüssigkeit eingetauchtem Messanteil aufgrund einer Temperaturänderung der Flüssigkeit ein Abstand zwischen einem Referenzpunkt, etwa einem Nullpunkt, einer Mittenmarkierung etc., der Skala und einem Flüssigkeitsspiegel (das heißt einem Spiegel der Flüssigkeit) an einen entsprechenden Abstand vor der Temperaturänderung zerstörungsfrei und reversibel angleichbar ist. Insbesondere ist der Wärmeausdehnungskoeffizient des Längenveränderungsanteils bzw. des Funktionswerkstoffs an den Wärmeausdehnungskoeffizienten der zu messenden Flüssigkeit angepasst bzw. entsprechend ausgewählt. Demnach ist also in dieser Ausführungsform vorgesehen, dass eine Kontraktionsstrecke, die der Referenzpunkt aufgrund einer temperaturinduzierten Verringerung der Längserstreckung des Pegelstabs zurücklegt, und eine Expansionsstrecke, die der Flüssigkeitsspiegel aufgrund der temperaturinduzierten Volumenvergrößerung zurücklegt, sich besonders stark ähneln, insbesondere einander gleich sind.
Dies ist insoweit vorteilhaft, als die Skala unabhängig von der Flüssigkeitstemperatur Gültigkeit hat.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Pegelstabs ist vorgesehen, dass eine Wärmekapazität des Längenveränderungsanteils derart ausgebildet ist, dass bei in die Flüssigkeit eingetauchtem Messanteil das Anpassen der Skala gleich schnell wie eine Temperaturänderung der Flüssigkeit erfolgt. Mit anderen Worten ist vorgesehen, dass die Flüssigkeit und der Pegelstab gleich schnell erwärmbar sind. Das bedeutet, dass ein Produkt aus einer spezifischen Wärmekapazität und einer Materialmasse des Pegelstabs, insbesondere Längenveränderungsanteils, und ein Produkt aus einer spezifischen Wärmekapazität und einer Materialmasse der Flüssigkeit gleich groß sind. Je höher eine Wärmekapazität einer Stoffanordnung, beispielsweise eines Bauteils, etwa des Pegelstabs, der Flüssigkeit etc. ist, desto länger wird eine auf die Stoffanordnung einwirkende Wärme benötigt, um eine vorgegebene bzw. vorgebbare Temperaturerhöhung der Stoffanordnung hervorzurufen. Sind also die Wärmekapazität der Flüssigkeit und die Wärmekapazität des Pegelstabs, insbesondere dessen Längenveränderungsanteils, gleich groß, erfolgt - wenn der Pegelstab, insbesondere dessen Messanteil, in die Flüssigkeit eingetaucht ist - die jeweilige Volumenexpansion gleich schnell, wenn auch zeitverzögert. Diese Zeitverzögerung, um welche die Volumenänderung des Pegelstabs der Erhöhung der Flüssigkeitstemperatur nacheilt, hängt vom Wärmeübergangskoeffizienten ab, der in bevorzugter Ausgestaltung des Pegelstabs derart ausgebildet ist, dass die Zeitverzögerung möglichst gering ist. Hierdurch ist eine Wartezeit, während derer die temperaturinduzierte Raumexpansion oder Raumkontraktion des Pegelstabs, insbesondere dessen Messanteils, zum Abschluss kommt, besonders gering, sodass das Messen bzw. Kontrollieren des Flüssigkeitsstands besonders schnell nach dem Feststellen des Bedarfs des Messens bzw. Kontrollierens erfolgen kann.
Denkbare Funktionswerkstoffe für den Pegelstab, die sich aufgrund eines Erwärmens ausdehnen und aufgrund eines Abkühlens zusammenziehen - also den negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen -, sind beispielsweise Zirkoniumwolframat, β-Eukrytpit etc. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform aber weist der Funktionswerkstoff des Längenveränderungsanteils ein Formgedächtnismaterial auf. Hierbei ist es bevorzugt, wenn das Formgedächtnismaterial in der Lage ist, reversibel zerstörungsfrei gemäß dem Zweiweg-Effekt temperaturinduziert verformt zu werden. Das bedeutet, dass der Pegelstab, insbesondere dessen Längenveränderungsanteil, sich an zwei Formen „erinnert“, nämlich an eine erste Form, die mit einer hohen Temperatur korrespondiert, und an eine zweite Form, die mit einer niedrigeren Temperatur korrespondiert. Diese beiden Formen, an die sich der Längenveränderungsanteil „erinnert“, wurden bei oder nach einem Herstellen eines Materialkörpers des Längenveränderungsanteils dem Längenveränderungsanteil „einprogrammiert“, „eingeprägt“ oder „antrainiert“, beispielsweise in dem der Längenveränderungsanteil mechanisch in die entsprechende Form gezwungen und wärmebehandelt wurde.
Insbesondere weist das Formgedächtnismaterial eine metallische Formgedächtnislegierung auf, etwa eine Nickel-Titan-Legierung, oder ist zumindest teilweise aus der metallischen Formgedächtnislegierung gebildet. Vorteilhaft bei einem metallischen Formgedächtnismaterial ist, dass bei üblichen bzw. zu erwartenden Temperaturbereichen, in welchen der Pegelstab voraussichtlich eingesetzt wird, der Pegelstab stabil bleibt.
Alternativ oder zusätzlich kann das Formgedächtnismaterial ein Formgedächtnispolymer aufweisen. Aufgrund der Eigenschaften von Polymeren, insbesondere deren geringer Wärmeleitfähigkeit, reagieren Formgedächtnispolymere besonders flink, wodurch dem (bereits oben genannten) Gedanken an eine besonders kurze Wartezeit in besonderem Maße Rechnung getragen ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Pegelstabs weist der Messanteil zumindest teilweise den Längenveränderungsanteil auf oder ist aus diesem zumindest teilweise gebildet. Hierdurch ist die Skala besonders genau an die Flüssigkeitstemperatur und infolgedessen an das mit der Flüssigkeitstemperatur korrespondierende aktuelle Volumen der Flüssigkeit anpassbar. Das bedeutet, dass die Skala aus dem Funktionswerkstoff gebildet ist oder dass ein aus dem Funktionswerkstoff gebildeter Skalakörper die Skala trägt. Ist also der Messanteil zum Messen des Flüssigkeitsstands in die entsprechende Flüssigkeit eingetaucht, ist somit der Längenveränderungsanteil direkt in die Flüssigkeit eingetaucht.
Der Handhabungsanteil, der fest mit dem Messanteil verbunden ist, weist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Pegelstabs zumindest teilweise den Längenveränderungsanteil auf oder ist aus diesem zumindest teilweise gebildet. Das bedeutet, dass der Längenveränderungsanteil zumindest teilweise den Messanteil und/oder den Handhabungsanteil bildet. Ferner ist es denkbar, dass der Pegelstab zwei Längenveränderungsanteile aufweist, nämlich einen ersten Längenveränderungsanteil, der zumindest teilweise den Messanteil bildet, und einen davon separaten, zweiten Längenveränderungsanteil, durch welchen zumindest teilweise der Handhabungsanteil gebildet ist. Ferner kann vorgesehen sein, dass der Längenveränderungsanteil sowohl den Messanteil als auch den Handhabungsanteil -jeweils zumindest teilweise - bildet. Darüber hinaus können mehrere Längenveränderungsanteile direkt angrenzend aneinander angeordnet sein und insbesondere, zum Beispiel nahtlos, ineinander übergehen. Dabei kann der jeweilige Längenveränderungsanteil, beispielsweise hinsichtlich des jeweiligen Funktionswerkstoffs, gleich oder unterschiedlich zu wenigstens einem anderen der Längenveränderungsanteile (sofern vorhanden) ausgebildet sein.
Durch den Handhabungsanteil, der den oder den weiteren Längenveränderungsanteil aufweist, ist die Längserstreckung des Pegelstabs besonders effizient an den mit der aktuellen Flüssigkeitstemperatur korrespondierenden Flüssigkeitsspiegel anpassbar.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist der Pegelstab als ein Ölmessstab zum Messen eines Ölstands eines Öls einer Verbrennungskraftmaschine ausgebildet. Der als der Ölmessstab ausgebildete Pegelstab ist besonders vorteilhaft, da es einem Nutzer des Pegelstabs bzw. einem Nutzer der Verbrennungskraftmaschine so ermöglicht ist, sowohl bei kalter Flüssigkeitstemperatur bzw. Öltemperatur als auch bei warmer Flüssigkeitstemperatur bzw. Öltemperatur die Masse des Öls über das Messen des Ölstands zu bestimmen, wobei zumindest ein temperaturindizierter Volumenfehler der zu messenden Ölmasse eliminiert ist. Handelt es sich bei dem Nutzer des Pegelstabs bzw. bei dem Nutzer der Verbrennungskraftmaschine zum Beispiel um einen Endkunden eines Kraftfahrzeugs, welches mit einer den Ölmessstab bzw. Pegelstab aufweisenden Verbrennungskraftmaschine ausgerüstet ist, lässt sich ein zu geringer Ölstand oder ein zu hoher Ölstand direkt durch den Nutzer ermitteln, ohne dass der Nutzer auf eine korrekte Messtemperatur des Öls zu achten hat.
Hieraus resultieren weniger Kundenirritationen aufgrund augenscheinlich nicht plausibler Messergebnisse. Denn entschiede sich der Kunde bei kaltem Motor und infolgedessen bei kaltem Motoröl, eine Ölpeilung mittels eines herkömmlichen Pegelstabs durchzuführen, würde ein Ableseergebnis an dem herkömmlichen Pegelstab eine zu geringe Ölmasse suggerieren, da vorgesehen ist, die Ölpeilung bei betriebswarmem Motor und infolgedessen betriebswarmem Motoröl vorzunehmen.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Messen eines Flüssigkeitsstands einer in einem Reservoir befindlichen Flüssigkeit, wobei zum Messen des Flüssigkeitsstands ein gemäß der vorstehenden Beschreibung ausgebildeter Pegelstab zum Einsatz kommt. Bei dem Verfahren wird der Pegelstab zunächst in eine vorgegebene Messstellung gebracht und insbesondere arretiert. Beispielsweise wird der Pegelstab in die Messstellung bzw. in der Messstellung arretiert, indem ein Handhabungsanteil des Pegelstabs an einem fest mit dem Reservoir verbundenen Bauelement arretiert wird. Indem der Pegelstab in die vorgegebene Messstellung gebracht wird, wird ein Messanteil des Pegelstabs in die Flüssigkeit zumindest teilweise eingetaucht, sodass der Pegelstab in der Messstellung in die Flüssigkeit eingetaucht ist und bleibt. Hierbei sind der Handhabungsanteil und der Messanteil des Pegelstabs miteinander verbunden. Mit anderen Worten wird in der Messstellung der Messanteil in die Flüssigkeit eingetaucht gehalten, indem der Handhabungsanteil an dem Bauelement arretiert ist.
Der Pegelstab weist eine Skala auf, die an dem Messanteil des Pegelstabs ausgebildet ist. Diese Skala wird aufgrund einer mit der Flüssigkeitstemperatur korrespondierenden Längenveränderung des Pegelstabs an ein mit einer aktuellen Flüssigkeitstemperatur korrespondierendes Flüssigkeitsvolumen zerstörungsfrei und reversibel angepasst. Hierbei gleichen sich eine Temperatur des Pegelstabs, insbesondere dessen Messanteils, und die Flüssigkeitstemperatur aneinander an, indem insbesondere der Pegelstab, insbesondere dessen Messanteil, durch die Flüssigkeit erwärmt oder gekühlt wird. Hierbei wird eine Längserstreckung des Pegelstabs, der einen Längenveränderungsanteil aufweist, geringer, wenn der Längenveränderungsanteil durch die Flüssigkeit erwärmt wird, wohingegen die Längserstreckung des Pegelstabs vergrößert wird, wenn der Pegelstab, insbesondere dessen Längenveränderungsanteil, durch die Flüssigkeit gekühlt wird. Mit anderen Worten wird die Längserstreckung des Pegelstabs gemäß einem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten verändert, indem der Pegelstab, insbesondere dessen Längenveränderungsanteil, durch die zu messende Flüssigkeit erwärmt oder gekühlt wird.
Um eine besonders zweckmäßige, idealerweise fehlerfreie Messung des Flüssigkeitsstands zu ermöglichen, wird des Weiteren der Pegelstab von Resten der Flüssigkeit befreit und wieder in die Messstellung gebracht. Das bedeutet, dass der Pegelstab beispielsweise ein erstes Mal aus dessen Messstellung gebracht wird, um den Messanteil zu säubern. Hiernach wird der Pegelstab so schnell wieder in die Messstellung gebracht, dass höchstens eine geringe Abkühlung des Pegelstabs, insbesondere des Längenveränderungsanteils, durch die Umgebungsluft erfolgt, sodass lediglich eine geringe Volumenänderung des Pegelstabs beim Säubern desselben erfolgt.
Hiernach wird der Pegelstab in eine Ablesestellung gebracht, in welcher an der Skala des Pegelstabs der aktuelle Flüssigkeitsstand angezeigt wird, sodass der Flüssigkeitsstand an der Stelle der Skala ablesbar ist, wo die Skala und der Flüssigkeitsspiegel einander überschnitten hatten.
Dieses Verfahren dient dem besonders zuverlässigen Messen einer Flüssigkeitsmasse, indem besonders einfach und/oder aufwandsarm der Flüssigkeitsstand gemessen wird, wobei das Messen unabhängig von einer momentanen Temperatur der Flüssigkeit erfolgt.
Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Pegelstabs sind als Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt, wobei die Mittel des Pegelstabs zum Durchführen eines oder mehrerer der Verfahrensschritte ausgebildet sind.
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in

1 eine schematische Ansicht eines Flüssigkeitsreservoirs mit einem Pegelstab, dessen Skala an eine temperaturinduzierte Volumenänderung einer in dem Flüssigkeitsreservoir befindlichen Flüssigkeit anpassbar ist.

In der Figur sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Im Folgenden werden ein Pegelstab 1 und ein Verfahren zum Messen bzw. Kontrollieren eines Flüssigkeitsstands gemeinsam beschrieben. Hierzu zeigt 1 eine schematische Ansicht eines Flüssigkeitsreservoirs 2 mit dem Pegelstab 1, dessen Skala 3 an eine temperaturinduzierte Volumenänderung einer in dem Flüssigkeitsreservoir 2 befindlichen Flüssigkeit 4 anpassbar ist. Der Pegelstab 1, der auch Peilstab genannt werden kann, ist zum Messen und/oder Kontrollieren eines Flüssigkeitsstands a₁, a₂ ausgebildet, wobei es sich bei dem Flüssigkeitsstand a₁, a₂ um eine Höhe eines Flüssigkeitsspiegels 5 in Bezug zu einer definierten Marke handelt. Bei der definierten Marke handelt es sich im vorliegenden Beispiel um einen Referenzpunkt 6 der Skala 3. Der Referenzpunkt 6 ist im vorliegenden Beispiel als eine Mittenmarkierung der Skala 3 ausgebildet. Die Skala 3 ist an einem Messanteil 7 des Pegelstabs 1 ausgebildet bzw. wird die Skala 3 von dem Messanteil 7 des Pegelstabs 1 getragen. Der Pegelstab 1 weist weiter einen Handhabungsanteil 8 auf, wobei der Messanteil 7 und der Handhabungsanteil 8 miteinander verbunden sind, beispielsweise einstückig miteinander ausgebildet sind. Es ist ferner denkbar, dass der Handhabungsanteil 8 und der Messanteil 7 zunächst separat voneinander hergestellt und danach kraft-, form- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden wurden. Dabei können der Messanteil 7 und der Handhabungsanteil 8 gleiche oder unterschiedliche Materialien aufweisen.
Bei der Flüssigkeit 4 handelt es sich zum Beispiel um einen Betriebs- und/oder Betriebshilfsstoff einer Maschine, insbesondere um Öl für einen Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine (nicht dargestellt). Ferner kann es sich bei der Flüssigkeit 4 um eine Nassläuferflüssigkeit handeln, etwa um ein Kühl-/Schmiermittel einer als Nassläufermaschine (nicht dargestellt) ausgebildeten elektrischen Maschine. Vorliegend ist der Pegelstab 1 als ein Ölmessstab zum Messen eines Ölstands des Öls der Verbrennungskraftmaschine ausgebildet.
Der Pegelstab ist, wie in 1 dargestellt, in einer Messstellung angeordnet, in welcher der Pegelstab 1 teilweise in die Flüssigkeit 4 eingetaucht ist, deren Flüssigkeitsstand a₁, a₂ zu messen bzw. zu kontrollieren ist. Vorliegend ist der Pegelstab 1 über dessen Messanteil 7 in die entsprechende Flüssigkeit 4 - beispielsweise das Öl bzw. Motoröl - eingetaucht. Hierbei durchstößt der Messanteil 7 den Flüssigkeitsspiegel 5, sodass der Flüssigkeitsstand oder ein mit dem Flüssigkeitsstand korrespondierender Wert an der Skala 3 dort ablesbar ist, wo der Flüssigkeitsspiegel 5 einen benetzten Bereich 9 der Skala 3 und einen trockenen Bereich 10 der Skala 3 voneinander trennt. Ist eine bestimmungsgemäß korrekte Flüssigkeitsmasse in das Flüssigkeitsreservoir 2 gefüllt, ist dies ablesbar, indem der Flüssigkeitsspiegel 5 den in der Messstellung angeordneten Pegelstab 1 am Referenzpunkt 6 schneidet - und zwar unabhängig davon, welche Flüssigkeitstemperatur T₁, T₂ die Flüssigkeit 4 zum Zeitpunkt des Messens innehat. Dies liegt daran, dass der Pegelstab 1 einen Längenveränderungsanteil 11 aufweist, durch welchen der Messanteil 7 und/oder der Handhabungsanteil 8 jeweils zumindest teilweise gebildet sind/ist. Der Längenveränderungsanteil weist einen Funktionswerkstoff auf, was bedeutet, dass der Längenveränderungsanteil zumindest teilweise aus dem Funktionswerkstoff gebildet ist. Dieser Funktionswerkstoff hat einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten, sodass der Funktionswerkstoff und infolgedessen der Längenveränderungsanteil 11 aufgrund eines Erwärmens eine Raumexpansion durchführt, wohingegen der Funktionswerkstoff bzw. der Längenveränderungsanteil 11 aufgrund eines Abkühlens eine Raumkontraktion durchführt.
Zudem hat der Längenveränderungsanteil 11 einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der - unter Berücksichtigung einer Geometrie des Flüssigkeitsreservoirs 2 - derart gewählt ist, dass bei in die Flüssigkeit 4 eingetauchtem Messanteil 7 aufgrund einer Temperaturänderung der Flüssigkeit 4 ein Abstand zwischen dem Referenzpunkt 6 der Skala 3 und dem Flüssigkeitsspiegel 5 an einen entsprechenden Abstand vor dieser Temperaturänderung zerstörungsfrei und reversibel angleichbar ist. Beispielsweise ist für den Längenveränderungsanteil 11 ein Material gewählt, das den entsprechenden negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, wobei das Raumausdehnungsverhalten bzw. Raumexpansionsverhalten sowie das Raumkontraktionsverhalten dem der zu messenden Flüssigkeit 4, etwa des Öls, betragsmäßig entspricht.
Ferner ist vorgesehen, dass der Pegelstab 1 und die Flüssigkeit 4 gleich schnell erwärmbar sind. Hierzu hat der Längenveränderungsanteil 11 eine Wärmekapazität, die derart ausgebildet ist, dass bei in die Flüssigkeit 4 eingetauchtem Messanteil 7 das Anpassen der Skala 3 gleich schnell wie eine Änderung der Flüssigkeitstemperatur T₁, T₂ erfolgt.
Ist der Pegelstab 1, insbesondere dessen Messanteil 7 und infolgedessen die Skala 3 in die Flüssigkeit 4 eingetaucht, nimmt der Pegelstab 1 zumindest teilweise, insbesondere am Messanteil 7, die Flüssigkeitstemperatur T₁, T₂ an, wodurch es zu einer mit der entsprechenden Flüssigkeitstemperatur T₁, T₂ korrespondierenden Längenveränderung des Pegelstabs 1, insbesondere an dessen Längenveränderungsanteil 11, kommt. Hierdurch ist der Pegelstab, insbesondere die Skala 3, an ein mit der aktuellen Flüssigkeitstemperatur T₁, T₂ korrespondierendes Flüssigkeitsvolumen V₁, V₂ zerstörungsfrei und reversibel anpassbar.
Von besonderem Vorteil ist es hierbei, wenn der Funktionswerkstoff des Längenveränderungsanteils 11 ein Formgedächtnismaterial aufweist, zum Beispiel eine metallische Formgedächtnislegierung, etwa eine Nickel-Titan-Legierung, und/oder ein Formgedächtnispolymer. Jedenfalls ist das Formgedächtnismaterial in der Lage, sich wenigstens an zwei voneinander unterschiedliche Formen „zu erinnern“. Dies ist in 1 dargestellt, wobei der Pegelstab 1 im Fall a) der 1 in die die niedrigere Temperatur T₁ aufweisende Flüssigkeit 4 eingetaucht ist und demnach eine erste Form eingenommen hat oder einnimmt, die mit der niedrigeren Temperatur T₁ korrespondiert. Wird nun die niedrigere Temperatur T₁ erhöht, sodass die Flüssigkeit 4 die höhere Temperatur T₂ hat, nimmt der Pegelstab 1 eine mit der höheren Temperatur T₂ korrespondierende, zweite Form ein, wie es in Fall b) der 1 dargestellt ist. Wird die Flüssigkeit 4 von der höheren Temperatur T₂ (wieder) abgekühlt, beispielsweise auf die niedrigere Temperatur T₁, nimmt dementsprechend der Pegelstab 1 (wieder) die mit der niedrigeren Temperatur T₁ korrespondierende, erste Form ein. Hierbei wandert - gegebenenfalls zeitversetzt - der Referenzpunkt 6 der Skala 3 mit dem Flüssigkeitsspiegel 5, sodass spätestens nach einer Wartezeit sich die Skala 3 bzw. der Pegelstab 1 an die entsprechend vorliegende aktuelle Temperatur T₁, T₂ angepasst hat. Auf diese Weise wird zumindest ein temperaturinduzierter Volumenfehler beim Messen der Flüssigkeitsmasse eliminiert, sodass es einem Nutzer des Pegelstabs 1 bzw. des mit dem Pegelstab 1 ausgerüsteten Flüssigkeitsreservoirs 2 erspart bleibt, unter Berücksichtigung der aktuellen Flüssigkeitstemperatur T₁, T₂ das an der Skala 3 abzulesende Ergebnis unterschiedlich zu interpretieren.
Wie bereits weiter oben dargelegt, ist der Längenveränderungsanteil 11 des Pegelstabs 1, welcher für die temperaturinduzierte Längenveränderung des Pegelstabs 1 verantwortlich ist, lediglich am Messanteil 7, lediglich am Handhabungsanteil 8 oder sowohl am Messanteil 7 und am Handhabungsanteil 8 ausgebildet. Das bedeutet, dass es zum einen möglich ist - siehe Fall a) und Fall b) der 1 -, dass die Skala 3 durch den den Handhabungsanteil 8 zumindest teilweise bildenden Längenveränderungsanteil 11 temperaturinduziert - gegebenenfalls unter Ausnutzung einer Wärmeleitung im Pegelstab 1 - bewegt wird. Alternativ oder zusätzlich - siehe Fall a) und Fall c) der 1 - kann der Messanteil 7 den Längenveränderungsanteil 11 des Pegelstabs 1 aufweisen. Dies führt dazu, dass sich der Messanteil 7 selbst temperaturinduziert zusammenzieht bzw. ausdehnt, wenn dieser von der niedrigeren Temperatur T₁ auf die höhere Temperatur T₂ erwärmt wurde oder wird bzw. umgekehrt.
Insgesamt zeigt die Erfindung eine Möglichkeit auf, besonders zuverlässig eine Flüssigkeitsmasse zumindest grob über das Messen des entsprechenden Flüssigkeitsstands a₁, a₂ besonders einfach und/oder aufwandsarm zu messen, wobei ein korrektes Messergebnis sowohl bei einer niedrigeren Flüssigkeitstemperatur T₁ als auch bei einer höheren Flüssigkeitstemperatur T₂ vorliegt.
Bezugszeichenliste

1: Pegelstab
2: Flüssigkeitsreservoir
3: Skala
4: Flüssigkeit
5: Flüssigkeitsspiegel
6: Referenzpunkt
7: Messanteil
8: Handhabungsanteil
9: benetzter Bereich
10: trockener Bereich
11: Längenveränderungsanteil
a1: niedrigerer Flüssigkeitsstand
a2: höherer Flüssigkeitsstand
V1: niedrigeres Flüssigkeitsvolumen
V2: höheres Flüssigkeitsvolumen
T1: niedrigere Flüssigkeitstemperatur
T2: höhere Flüssigkeitstemperatur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1958952 U [0002]
DE 10136058 A1 [0003]

Claims

Pegelstab (1) zum Messen eines Flüssigkeitsstands (a₁, a₂) einer in einem Flüssigkeitsreservoir (2) befindlichen Flüssigkeit (4), mit einem Messanteil (7), an dem eine Skala (3) zum Ablesen des Flüssigkeitsstands (a₁, a₂) angeordnet ist, und mit einem einen Funktionswerkstoff aufweisenden Längenveränderungsanteil (11), wobei der Funktionswerkstoff einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, wodurch bei in die Flüssigkeit (4) eingetauchtem Messanteil (7) die Skala (3) aufgrund einer mit einer Flüssigkeitstemperatur (T₁, T₂) korrespondierenden Längenveränderung des Pegelstabs (1) an ein mit einer aktuellen Flüssigkeitstemperatur (T₁, T₂) korrespondierendes Flüssigkeitsvolumen (V₁, V₂) anpassbar ist.
Pegelstab (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient des Längenveränderungsanteils (11) derart gewählt ist, dass bei in die Flüssigkeit (4) eingetauchtem Messanteil (7) aufgrund einer Temperaturänderung der Flüssigkeit (4) ein Abstand zwischen einem Referenzpunkt der Skala (3) und einem Flüssigkeitsspiegel (5) an einen entsprechenden Abstand vor der Temperaturänderung angleichbar ist.
Pegelstab (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmekapazität des Längenveränderungsanteils (11) derart ausgebildet ist, dass bei in die Flüssigkeit (4) eingetauchtem Messanteil (7) das Anpassen der Skala (3) gleich schnell wie eine Änderung der Flüssigkeitstemperatur (T₁, T₂) erfolgt.
Pegelstab (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionswerkstoff des Längenveränderungsanteils (11) ein Formgedächtnismaterial aufweist.
Pegelstab (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgedächtnismaterial eine metallische Formgedächtnislegierung aufweist.
Pegelstab (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgedächtnismaterial ein Formgedächtnispolymer aufweist.
Pegelstab (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messanteil (7) den Längenveränderungsanteil (11) aufweist.
Pegelstab (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Handhabungsanteil (8), der fest mit dem Messanteil (7) verbunden ist, wobei der Handhabungsanteil (8) den Längenveränderungsanteil (11) aufweist.
Pegelstab (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser ein Ölmessstab zum Messen eines Ölstands eines Öls einer Verbrennungskraftmaschine ist.
Verfahren zum Messen eines Flüssigkeitsstands (a₁, a₂) einer in einem Flüssigkeitsreservoir (2) befindlichen Flüssigkeit (4) mittels eines nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildeten Pegelstabs (1), wobei - der Pegelstab (1) in eine vorgegebene Messtellung gebracht wird, wobei ein Messanteil (7) des Pegelstabs (1) in die Flüssigkeit (4) eingetaucht wird; - eine Skala (3) des Pegelstabs (1) aufgrund einer mit der Flüssigkeitstemperatur (T₁, T₂) korrespondierenden Längenveränderung des Pegelstabs (1) an ein mit einer aktuellen Flüssigkeitstemperatur (T₁, T₂) korrespondierendes Flüssigkeitsvolumen (V₁, V₂) angepasst wird; - der Pegelstab (1) von Resten der Flüssigkeit (4) befreit und wieder in die Messstellung gebracht wird; und - der Pegelstab (1) in eine Ablesestellung gebracht wird, in welcher an der Skala (3) des Pegelstabs (1) der aktuelle Flüssigkeitsstand (a1, a2) angezeigt wird.