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Die Erfindung geht aus von einer
Vorrichtung zur Messung eines Füllstandes
nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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Es ist schon eine Vorrichtung zur
Messung eines Füllstandes
aus der
DE 199 42
378 A1 bekannt, bei der ein Ultraschallwandler außerhalb
eines Kraftstoffbehälters
nahe einem Ende eines zwischen einem Behälterboden und einer Deckenwandung vorgesehenen
Schallführungskanals
angeordnet ist. Der Ultraschallwandler sendet Ultraschallwellen
in den Schallführungskanal,
wobei die Ultraschallwellen an einem Flüssigkeitsspiegel reflektiert
werden. Die reflektierten Ultraschallwellen werden von dem Ultraschallwandler
empfangen und in einer Auswerteeinheit ausgewertet. Aus einer Laufzeit
der Ultraschallwellen wird ein Füllstand
ermittelt. Nachteilig daran ist, dass ein niedriger Füllstand
nahe dem Behälterboden
nicht mehr gemessen werden kann, da die Laufzeit der ausgesendeten
Ultraschallwelle bei niedrigem Füllstand
so kurz ist, daß die
ausgesendete Ultraschallwelle noch nicht abgeklungen ist bevor die
reflektierte Ultraschallwelle bereits zurückkommt. Die Vorrichtung weist
somit einen vergleichsweise hohen minimal meßbaren Füllstand auf.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung
eines Füllstandes
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den
Vorteil, daß auf
einfache Art und Weise eine Verbesserung dahingehend erzielt wird,
daß der
minimal meßbare
Füllstand
niedriger ist als beim Stand der Technik, indem an dem dem Ultraschallwandler
zugewandten Ende eines Schallführungskanals
ein waagerecht verlaufender und nahe dem Behälterboden angeordneter Vorlaufbereich
vorgesehen ist. Der Vorlaufbereich erhöht die Laufzeit der ausgesendeten
Schallimpulse, so daß die
Laufzeit, die ein Schallimpuls benötigt für das Durchlaufen des Schallführungskanals
bis zu einem minimalen Füllstand,
bei der der Füllstand
gerade noch meßbar
ist, und zurück zum
Ultraschallwandler, ausreicht, um den erzeugten ausschwingenden
Schallimpuls von seinem reklektierten Schallimpuls, seinem Echo,
sicher zu trennen.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch
angegebenen Vorrichtung zur Messung eines Füllstandes möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn der
Schallführungskanal
im Anschluß an
den Vorlaufbereich wenigstens eine Biegung mit einer Umlenkung und wenigstens
einen geraden Bereich mit einem Kanalsteigungswinkel aufweist, da
auf diese Weise die Laufzeit der ausgesendeten Schallimpulse an
die Geometrie des jeweiligen Kraftstoffbehälters angepaßt werden
kann. Dies ist notwendig, da die heutigen Kraftstoffbehälter sehr
unterschiedlich konstruiert sind. Aus der Laufzeit des Schallimpulses
wird der Füllstand
bestimmt und mittels einer in einer Auswerteeinheit gespeicherten
Kennlinie auf ein Füllvolumen
geschlossen. Abhängig
von der Geometrie des Kraftstoffbehälters kann sich eine ungünstige große Steigung der
Kennlinie ergeben. Die große Steigung
der Kennlinie bedeutet eine niedrige Empfindlichkeit der Messung
des Füllstandes,
da eine geringe Änderung
der Laufzeit des Schallimpulses eine große Änderung des Füllvolumens
bedeutet. Bei einer großen
Steigung der Kennlinie ist ein Intervall der Laufzeit vom minimal
meßbaren
Füllstand
bis zum maximalen Füllstand
klein, so daß die
Empfindlichkeit der Messung und damit die Meßgenauigkeit geringer ist.
Durch Variation der Anzahl der Biegungen und der Anzahl der geraden
Bereiche, des Winkels der Umlenkung an der jeweiligen Biegung und
durch Variation des Kanalsteigungswinkels des jeweiligen geraden
Bereichs des Schallführungskanals
ist es beispielsweise möglich,
die Laufzeit der ausgesendeten Schallimpulse und damit die Steigung
der Kennlinie so anzupassen, daß sich
möglichst über den
gesamten Bereich des Füllvolumens
eine hohe Empfindlichkeit und damit niedrige Steigung der Kennlinie
ergibt. Besonders bei niedrigen Füllständen ist eine hohe Empfindlichkeit
erforderlich, damit ein Fahrer eines Kraftfahrzeugs eine genaue
und zuverlässige
Füllstandsanzeige
bekommt.
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Auch vorteilhaft ist, den Ultraschallwandler der
Vorrichtung an einer Seitenwandung anzuordnen, da auf diese Weise
die Bodenfreiheit des Kraftfahrzeugs nicht eingeschränkt wird.
Dies ist hinsichtlich der Gefahr einer Berührung des Kraftfahrzeugbodens
mit Fahrbahnunebenheiten und einer damit verbundenen Beschädigung des
Ultraschallwandlers besonders relevant.
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Weiterhin vorteilhaft ist, den Ultraschallwandler
ausserhalb des Kraftstoffbehälters
anzuordnen. Auf diese Weise ist es möglich, einen besonders kostengünstigen
Ultraschallwandler einzusetzen, da er keinen hochwertigen, gegen
Kraftstoff beständigen
Werkstoff benötigt
und/oder nicht gegen den Kraftstoff abgedichtet bzw. gekapselt werden
muß.
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Darüber hinaus vorteilhaft ist,
einen Ultraschallwandler einzusetzen, der Sender und Empfänger und
damit besonders kostengünstig
ist und die Vorrichtung vereinfacht.
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Auch vorteilhaft ist, einen Ultraschallwandler einzusetzen,
bei dem Sender und Empfänger
voneinander getrennt sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann der Vorlaufbereich
entfallen.
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Vorteilhaft ist, wenn der Schallführungskanal wenigstens
eine Referenzreflektionsfläche
aufweist, da auf diese Weise Störeinflüsse, wie
beispielsweise die die Schallgeschwindigkeit und damit die Laufzeit der
Schallimpulse beeinflussende Temperatur des Kraftstoffs, nachträglich in
einer Auswerteeinheit kompensiert werden können.
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Desweiteren vorteilhaft ist es, wenn
der Schallführungskanal
wenigstens zwei Öffnungen
aufweist, damit Kraftstoff in den Schallführungskanal einströmen und
sich der gleiche Füllstand
wie in dem Kraftstoffbehälter
einstellen kann. Durch diese Öffnungen
ist ein Druckausgleich zwischen dem Schallführungskanal und dem Kraftstoffbehälter sichergestellt.
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Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind
in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen 1 im Schnitt
eine Ansicht der Vorrichtung zur Messung eines Füllstandes mit einem unter neunzig
Grad gebogenen Schallführungskanal, 2 im Schnitt eine Ansicht
der Vorrichtung mit einem gebogenen und schräg verlaufenden Schallführungskanal, 3 im Schnitt eine Ansicht
der Vorrichtung mit einem mehrere Biegungen aufweisenden Schallführungskanal, 4 im Schnitt eine Ansicht
der Vorrichtung mit einem gebogenen und schräg verlaufenden Schallführungskanal
ohne Vorlaufbereich, 5 im
Schnitt eine Ansicht der Vorrichtung mit einem innerhalb des Kraftstoffbehälters angeordneten
Ultraschallwandler und 6 eine Kennlinie,
die das Füllvolumen
des Kraftstoffbehälters
als Funktion der Laufzeit darstellt.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Messung eines Füllstandes
in einem Behälter,
insbesondere in einem Kraftstoffbehälter eines Kraftfahrzeugs.
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Die Vorrichtung ist ausdrücklich nicht
beschränkt
auf die Füllstandsmessung
in einem Kraftstoffbehälter.
Die Vorrichtung kann den Füllstand
einer beliebigen Flüssigkeit
in jeder Art von Behälter messen.
Darüber
hinaus kann mittels der Vorrichtung auch das Füllvolumen des Kraftstoffbehälters bestimmt
werden.
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Die Vorrichtung besteht aus einem
in einem Behälter 1,
beispielsweise einem Kraftstoffbehälter 1, angeordneten
Schallführungskanal 2 und
einem außerhalb
des Kraftstoffbehälters 1 vorgesehenen
Ultraschallwandler 3. In dem Kraftstoffbehälter 1 befindet
sich als Flüssigkeit
Kraftstoff bis zu einem Füllstand 4.
Der Kraftstoff in dem Kraftstoffbehälter 1 hat ein Füllvolumen
V. Auf der Höhe
des Füllstands 4 befindet
sich der Kraftstoffspiegel 5 als Grenzfläche zwischen
Kraftstoff und einem darüber
liegenden Leervolumen 8, das mit einem Gasgemisch beispielsweise
bestehend aus Luft und verflüchtigtem Kraftstoff
ausgefüllt
ist.
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Der Kraftstoffbehälter 1 kann eine beliebige Form
haben und beispielsweise als Satteltank oder Mehrkammertank ausgebildet
sein.
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Der Schallführungskanal 2 ist
innerhalb des Kraftstoffbehälters 1 angeordnet.
Ein Ende des Schallführungskanals 2 ist
an einer Innenseite einer Deckenwandung 9 des Kraftstoffbehälters 1,
ein anderes Ende ist an einer Innenseite einer Seitenwandung 10 des
Kraftstoffbehälters 1 vorgesehen.
Der Schallführungskanal 2 ist
beispielsweise an die Deckenwandung 9 und an die Seitenwandung 10 geklebt,
angespritzt oder angeschweißt.
Der Schallführungskanal 2 hat
beispielsweise einen runden Querschnitt mit einem Innendurchmesser,
der kleiner als ein Zentimeter ist. Der Innendurchmesser beträgt beispielsweise
fünf Millimeter.
Der Querschnitt des Schallführungskanals 2 kann
aber auch oval oder vieleckig sein. Der Schallführungskanal 2 verläuft, von
dem an der Innenseite der Seitenwandung 10 angeordneten
Ende ausgehend und in das Innere des Kraftstoffbehälters 1 gerichtet,
in einem Vorlaufbereich 11 beispielsweise geradlinig in
gleicher horizontaler Richtung wie ein Behälterboden 12. Der
Vorlaufbereich 11 kann aber auch geschlungen mit Biegungen
oder schräg
mit einer Steigung vorgesehen sein. Der Schallführungskanal 2 weist
an den Vorlaufbereich 11 anschließend einen Meßrohrbereich 16 auf.
Der Meßrohrbereich 16 weist
an den Vorlaufbereich 11 anschließend eine erste Biegung 15 mit
einem Biegeradius 14 und einer Umlenkung 13 auf.
Die Umlenkung 13 beträgt
beispielsweise neunzig Grad, kann aber auch kleiner oder größer neunzig
Grad betragen, wie beispielsweise in den 2 bis 3 gezeigt
ist. Unter der Umlenkung 13 wird im Folgenden immer ein
Winkel verstanden. An die erste Biegung 15 des Meßrohrbereichs 16 anschließend verläuft der
Meßrohrbereich 16 beispielsweise
geradlinig in der gleichen Richtung wie die Seitenwandung 10, kann
aber auch schräg
zu der Seitenwandung 10 verlaufen.
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Nahe an den zwei Enden des Schallführungskanals 2 ist
jeweils eine Öffnung 17 in
der Wandung des Schallführungskanals 2 angeordnet.
Es kann aber auch eine Vielzahl von Öffnungen 17 vorgesehen
sein, die über
die gesamte Länge
des Schallführungskanals 2 verteilt
angeordnet sind und gleichzeitig als Filter wirken und keine Verunreinigungen
in den Schallführungskanal 2 einströmen lassen. Die Öffnungen 17 können beispielsweise
rund, oval, rechteckig oder vieleckig sein. In dem Schallführungskanal 2 befindet
sich Kraftstoff bis zu einem Füllstand 4.1.
Auf der Höhe
des Füllstands 4.1 befindet
sich der Kraftstoffspiegel 5.1 als Grenzfläche zwischen
Kraftstoff und einem darüber
liegenden Leervolumen 8.1, das mit einem Gasgemisch beispielsweise
bestehend aus Luft und verflüchtigtem
Kraftstoff ausgefüllt
ist.
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Der Schallführungskanal 2 bestehend
aus Vorlaufbereich 11 und Meßrohrbereich 16 ist
beispielsweise einteilig ausgeführt
und beispielsweise aus Kunststoff hergestellt, kann aber auch aus
Metall sein.
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Das Ende des auf der Innenseite der
Seitenwandung 10 angeordneten Schallführungskanals 2 und
der Vorlaufbereich 11 ist möglichst nahe an der Innenseite
des Behälterbodens 12 vorgesehen.
An der Außenseite
der Seitenwandung 10, dem Ende des auf der Innenseite der
Seitenwandung 10 angeordneten Schallführungskanals 2 gegenüberliegend und
nahe dem Behälterboden 12 ist
der Ultraschallwandler 3 vorgesehen. Der Ultraschallwandler 3 liegt an
der Außenseite
der Seitenwandung 10 an und ist beispielsweise mit einer
an dem Kraftstoffbehälter 1 vorgesehenen
Fassung 18 befestigt, in der er beispielsweise eingeclipst,
eingeschraubt oder eingeklebt ist. Zwischen dem Ultraschallwandler 3 und dem
Ende des Schallführungskanals 2 liegt
die Seitenwandung 10.
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In dem Vorlaufbereich 11 und
innerhalb des Schallführungskanals 2 ist
eine Referenzreflektionsfläche 19 vorgesehen,
die beispielsweise eben ist und quer teilweise in den Schallführungskanal 2 hineinragt.
Die Referenzreflektionsfläche 19 kann
aber auch uneben sein und in beliebiger Richtung teilweise in den
Schallführungskanal 2 hineinragen.
Sie ist beispielsweise einteilig mit dem Schallführungskanal 2 verbunden.
Die Referenzreflektionsfläche 19 kann beispielsweise
auch ein in den Schallführungskanal 2 hineinragender
und als Öffnung 17 dienender
Kanal sein, der einen Schallimpuls reflektiert. Es können auch
mehrere Referenzreflektionsflächen 19 im Schallführungskanal 2,
sowohl im Vorlaufbereich 11 als auch im Meßrohrbereich 16,
angeordnet sein.
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Durch die Öffnungen 17 kann Kraftstoff
in den Schallführungskanal 2 hinein
bzw. aus dem Schallführungskanal 2 hinaus
strömen.
Dies geschieht, sobald der Füllstand 4 und
der Füllstand 4.1 unterschiedlich
hoch sind. Ist der Füllstand 4 höher als
der Füllstand 4.1,
beispielsweise nach einem Betanken des Kraftstoffbehälters 1,
strömt
Kraftstoff durch die unterhalb des Kraftstoffspiegels 5 liegenden Öffnungen 17 in
den Schallführungskanal 2.
Ist der Füllstand 4.1 höher als
der Füllstand 4,
beispielsweise durch den Verbrauch an Kraftstoff durch eine Brennkraftmaschine,
strömt
umgekehrt Kraftstoff aus dem Schallführungskanal 2 in den
Kraftstoffbehälter 1.
In den 1 bis 5 ist der Füllstand 4.1 zur besseren
Unterscheidung von dem Füllstand 4 in
einem Ungleichgewicht eingezeichnet, so daß der Füllstand 4.1 beispielsweise
höher liegt
als der Füllstand 4.
Durch den Kraftstoffaustausch zwischen dem Kraftstoffbehälter 1 und
dem Schallführungskanal 2 stellt
sich aber immer nach einer gewissen Zeit ein Gleichgewicht mit gleich
hohen Füllständen 4 und 4.1 ein,
solange der Füllstand 4 oberhalb
der in Bezug zum Behälterboden 12 untersten Öffnung 17 liegt. Der
in den Schallführungskanal 2 einfließende Kraftstoff
verdrängt
mit seinem Volumen Gas, das durch die Öffnungen 17, die oberhalb
des Kraftstoffspiegels 5 liegen, aus dem Schallführungskanal 2 in
den Kraftstoffbehälter 1 ausströmt. Umgekehrt
strömt
auch Gas durch die oberhalb des Kraftstoffspiegels 5 liegenden Öffnungen 17 in
den Schallführungskanal 2 ein,
wenn Kraftstoff aus dem Schallführungskanal 2 ausströmt. Durch
die Öffnungen 17 erfolgt
somit ein Druckausgleich zwischen Kraftstoffbehälter 1 und Schallführungskanal 2 sowohl
in Bezug auf den flüssigen
Kraftstoff als auch auf das Gas. Sinkt der Kraftstoffspiegel 5 unter
die in Bezug zum Behälterboden 12 unterste Öffnung 17,
kann kein Kraftstoff mehr in den Schallführungskanal 2 einfließen.
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Der Schallführungskanal 2 verringert
bzw. dämpft
die durch Schwappbewegungen hervorgerufenen Änderungen des Füllstands 4.1,
da sich der Füllstand 4.1 durch
Kraftstoffaustausch zwischen dem Kraftstoffbehälter 1 und dem Schallführungskanal 2 mittels
der Öffnungen 17 dem
Füllstand 4 erst zeitverzögert und
allmählich
anpaßt.
Auf diese Weise wird erreicht, daß das gemessene Füllvolumen
V des Kraftstoffes durch Schwappbewegungen im Kraftstoffbehälter 1,
die beispielsweise bei Kurvenfahrten oder bei Beschleunigung eines
Kraftfahrzeugs auftreten können,
weniger stark verfälscht
wird als bei herkömmlichen
Vorrichtungen.
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Der Ultraschallwandler 3 ist
beispielsweise ein Impuls-Echo-Sensor,
der getaktet kurze Schallimpulse erzeugt und aussendet und eine
Laufzeit t zwischen dem Zeitpunkt des Aussendens des Impulses und
dem Zeitpunkt des Wiederkehrens des reflektierten Schallimpulses,
des sogenannten Echos, mißt. Es
kann aber auch ein anderer Sensor eingesetzt werden, der beispielsweise
kontinuierlich Schallwellen erzeugt und aussendet, wobei hier nicht
die Laufzeit t ermittelt, sondern eine Phasenverschiebung zwischen
den ausgesendeten und reflektierten Schallwellen gemessen wird.
Der Ultraschallwandler 3 ist beispielsweise gleichzeitig
Sender und Empfänger.
Es kann aber auch ein Ultraschallwandler eingesetzt werden, bei
dem Sender und Empfänger
räumlich
getrennt sind.
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Der von dem Ultraschallwandler 3 erzeugte Schallimpuls
mit einer vorbestimmten Intensität überträgt sich
auf die Seitenwandung 10 und von dort hauptsächlich auf
den Kraftstoff in dem Schallführungskanal 2.
Der Schallimpuls breitet sich in dem Kraftstoff mit einer Schallgeschwindigkeit
in der Richtung des Schallführungskanals 2 aus,
wird geleitet durch die Kanalwandung 22 des Schallführungskanals 2,
trifft schließlich
auf den Kraftstoffspiegel 5.1 und wird dort reflektiert.
Der reflektierte Schallimpuls bewegt sich nun in entgegengesetzter
Richtung zurück
zum Ultraschallwandler 3 und breitet sich mit der Schallgeschwindigkeit
in Richtung des Schallführungskanals 2 aus.
Der reflektierte Schallimpuls trifft auf die Seitenwandung 10,
durchdringt sie und trifft auf den Ultraschallwandler 3,
der den reflektierten Schallimpuls detektiert und die Laufzeit t
des Schallimpulses registriert.
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Wichtig ist, daß die Laufzeit t des Schallimpulses
nicht zu kurz ist und der reflektierte Schallimpuls schon nach zu
kurzer Zeit wieder am Ultraschallwandler 3 ankommt, da
dann der Ultraschallwandler 3 mit seiner charakteristischen
Ausschwingdauer noch von dem zuletzt erzeugten Schallimpuls ausschwingt
und noch nicht für
die Detektion des Echos bereit ist. Um die Laufzeit aber gerade
bei niedrigen Füllständen 4 zu
verlängern,
ist bei dem Schallführungskanal 2 der
horizontal bzw. waagerecht verlaufende Vorlaufbereich 11 vorgesehen,
der den Weg des Schallimpulses bis zu dem Kraftstoffspiegel 5.1 verlängert. Durch
den Vorlaufbereich 11 reicht die Laufzeit t aus, die ein
Schallimpuls für
das Durchlaufen des Schallführungskanals 2 bis
zu einem minimalen Füllstand 4,
der gerade noch meßbar
ist, und zurück
zum Ultraschallwandler 3 benötigt, um den erzeugten ausschwingenden
Schallimpuls von seinem reklektierten Schallimpuls, seinem Echo,
sicher zu trennen. Die Länge
des Vorlaufbereichs 11 hängt also von einer Mindestlaufzeit
ab, die der Ultraschallwandler 3 zum Ausschwingen benötigt, um
anschließend
sicher den reflektierten Schallimpuls zu detektieren.
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Die Laufzeit t des Schallimpulses
darf auch nicht zu lang sein, da die Intensität des Schallimpulses mit steigender
Laufzeit abnimmt. Ist die Intensität des Schallimpulses zu gering,
kann der Ultraschallwandler 3 den reflektierten Schallimpuls
nicht mehr detektieren.
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Der ausgesendete Schallimpuls wird
sowohl an der Kanalwandung der ersten Biegung 15 als auch
an der der weiteren Biegungen 27 reflektiert. Der Biegeradius 14, 28 muß dabei
ausreichend groß sein,
damit der Schallimpuls in Richtung Flüssigkeitsspiegel 5.1 reflektiert
wird und sich weiter in diese Richtung bewegt. Bei zu kleinem Biegeradius 14, 28 wird
der Schallimpuls dagegen in Richtung Ultraschallwandler 3 reflektiert
und bewegt sich zurück zum
Ultraschallwandler 3, so daß eine fehlerhafte Laufzeitmessung
erfolgen würde.
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Über
das Produkt aus Schallgeschwindigkeit und Laufzeit wird der Füllstand 4 bestimmt.
Mittels einer in einer Auswerteeinheit 23 gespeicherten
Kennlinie 24 (6)
wird auf das Füllvolumen
V geschlossen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mittels
des Ultraschallwandlers 3 das Füllvolumen V des Kraftstoffbehälters 1 bis
zu einem minimalen Füllstand 4 messen.
Der minimale Füllstand 4 hängt davon
ab, wie nah der Schallführungskanal 2 an
der Innenseite des Behälterbodens 12 angeordnet
ist, hängt
außerdem
ab von der Größe des Querschnitts des
Schallführungskanals 2 und
von der Lage der in Bezug auf den Behälterboden 12 untersten Öffnung 17,
da die Laufzeit erst sicher gemessen werden kann, sobald der Vorlaufbereich 11 zumindest
teilweise mit Kraftstoff gefüllt
ist. Je höher
der Schallführungskanal 2 in
Bezug auf den Behälterboden 12 liegt,
je höher
die in Bezug auf den Behälterboden 12 unterste Öffnung 17 liegt
und je größer der
Querschnitt des Schallführungskanals 2 ist,
desto höher muß der Kraftstoffspiegel 5 steigen,
bevor der Kraftstoff über
die in Bezug auf den Behälterboden 12 unterste Öffnung 17 in
den Schallführungskanals 2 einströmen kann
und bevor der minimale Füllstand 4 erreicht
ist. Unterhalb des minimalen Füllstands 4 kann kein
Füllvolumen
V gemessen werden. Es versteht sich, daß der minimale Füllstand 4,
ab dem ein Füllvolumen
V gemessen werden kann, so klein wie möglich sein sollte. Daher muß der Schallführungskanal 2 so
nah wie möglich
an dem Behälterboden 12 angeordnet
werden und daher ist der Querschnitt des Schallführungskanals 2 entsprechend
klein zu wählen.
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Der Querschnitt des Schallführungskanals 2 ist
vorzugsweise so klein zu wählen,
daß der
Kraftstoffspiegel 5.1 aufgrund einer Oberflächenspannung
des Kraftstoffs eine Kalottenform ausbildet. Auf diese Weise wird
erreicht, daß der
Kraftstoffspiegel 5.1 keine schräge Neigung annimmt. Sollte
der Kraftstoffspiegel 5 des Kraftstoffbehälters 1 beispielsweise
bei einer Bergauffahrt oder Bergabfahrt schräg, d.h. nicht parallel zu dem
Behälterboden 12,
verlaufen, behält
der Kraftstoffspiegel 5.1 in dem Schallführungskanal 2 weiterhin
seine Kalottenform bei und die Messung der Laufzeit t wird nicht
durch einen geneigten Kraftstoffspiegel 5.1 verhindert.
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Die Referenzreflektionsfläche 19 dient
dazu, die die Messung des Füllvolumens
V beeinträchtigenden
Einflüsse,
sogenannte Störeinflüsse, beispielsweise
die Temperatur und der Druck des Kraftstoffs, zu vermindern bzw.
zu kompensieren. Der Schallimpuls, der an der Referenzreflektionsfläche 19 reflektiert
wird, wird als Referenzecho bezeichnet. Die Laufzeit des Referenzechos
ist bekannt, sobald sie einmal bei einer bestimmten Temperatur und
einem bestimmten Druck gemessen worden ist, und ist beispielsweise
in der Auswerteeinheit 23 gespeichert. Auch eine von einem
Schallimpuls zurückzulegende
Entfernung zwischen der Referenzreflektionsfläche 19 und dem Ultraschallwandler 3 ist
bekannt und beispielsweise in der Auswerteeinheit 23 gespeichert.
Die Laufzeit der Schallimpulse ist abhängig von der Schallgeschwindigkeit
im Kraftstoff. Die Schallgeschwindigkeit im Kraftstoff ist abhängig von der
Temperatur und vom Druck des Kraftstoffs. Durch den Vergleich der
in der Auswerteeinheit 23 gespeicherten Laufzeit eines
Referenzechos mit der während
einer Füllstandsmessung
gemessenen Laufzeit eines Referenzechos können Störeinflüsse, wie beispielsweise eine Änderung
der Temperatur, des Druckes oder der Dichte des Kraftstoffes, von
der Auswerteeinheit 23 nachträglich herausgerechnet werden,
so daß eine
auf diese Weise korrigierte Messung des Füllvolumens nahezu unabhängig von Temperatur
und Druck ist. Der Biegeradius 14 der ersten Biegung 15 darf
nicht zu klein sein, um die Leitung der Schallimpulse in Richtung
Kraftstoffspiegel 5.1 nicht negativ zu beeinträchtigen.
Ein zu kleiner Biegeradius 14 führt zu einer zumindest teilweisen Reflektion
des Schallimpulses an der Kanalwandung 22 zurück in Richtung
Ultraschallwandler 3, so daß ein unerwünschtes zusätzliches Echo auftritt und
der am Kraftstoffspiegel 5.1 refektierte Schallimpuls zumindest
sehr schwach ausfällt.
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Der Ultraschallwandler 3 muß nicht
an der Seitenwandung 10, sondern kann auch an dem Behälterboden 12 angeordnet
sein.
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Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung können neben
der Messung des Füllstands
auch zusätzlich
weitere Funktionen ausgeführt
werden. Beispielsweise kann die Vorrichtung Wasser, das beispielsweise
im Dieselkraftstoff häufig
vorkommt, im Kraftstofftank erkennen, das sich aufgrund der höheren Dichte
am Behälterboden 12 ansammelt
und über
die Öffnungen 17 auch
in den Schallführungskanal 2 gelangt.
Zwischen dem Wasser und dem Kraftstoff bildet sich eine Trennschicht
aus, die die Schallimpulse reflektiert, so daß ein zusätzliches Echo entsteht. Aufgrund
dieses zusätzlichen
Echos kann auf eine Wasserschicht am Behälterboden 12 geschlossen
werden. Die Auswerteeinheit 23 kann durch Auswertung der
Laufzeiten mehrerer Referenzechos der Referenzreflektionsflächen 19 das
richtige und zur Grenzschicht Kraftstoff-Gas gehörende Echo herausfinden bzw.
erkennen.
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Außerdem ist es möglich, durch
Auswertung der Laufzeiten des Referenzechos mit Hilfe der Auswerteeinheit 23 Kraftstoffeigenschaften,
beispielsweise die Dichte des Kraftstoffs, zu berechnen und zu überprüfen. Dazu
ist erforderlich, daß zusätzlich die
Temperatur und der Druck in dem Kraftstoffbehälter 1 bekannt ist.
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Bei der Vorrichtung nach 2 sind die gegenüber der
Vorrichtung nach 1 gleichbleibenden
oder gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. 2 zeigt im Schnitt eine
Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit einem gebogenen und schräg
verlaufenden Schallführungskanal 2.
Die Vorrichtung nach 2 unterscheidet
sich von der Vorrichtung nach 1 darin,
daß der
Meßrohrbereich 16 nach
der ersten Biegung 15 mit einer Kanalsteigung schräg, d.h.
nicht in der gleichen Richtung wie die Seitenwandung 10, verläuft. Die
Umlenkung 13 der ersten Biegung 15 ist beispielsweise
größer neunzig
Grad. Durch eine Veränderung
der Umlenkung 13 und der Kanalsteigung wird die Laufzeit
eines ausgesendeten Schallimpulses beeinflußt und damit die Steigung der
Kennlinie 24 in 6 variiert,
so daß auf
diese Weise eine Empfindlichkeit der Messung des Füllvolumens
V eingestellt werden kann. Da die Kraftstoffbehälter heutzutage sehr unterschiedliche
und zum Teil auch sehr komplizierte Formen haben, ist es notwendig, die
Laufzeit eines ausgesendeten Schallimpulses durch die Gestaltung
des Meßrohrbereiches 16 des Schallführungskanals 2,
beispielsweise durch die Veränderung
der Kanalsteigung oder der Umlenkung 13, so anzupassen,
daß für jeden
Füllstand 4 eine ausreichende
Empfindlichkeit erzielt wird. Die Kanalsteigung ist durch den Tangens
des Kanalsteigungswinkels 25 definiert. Je kleiner die
Kanalsteigung ist, desto länger
ist der Weg von dem Ultraschallwandler 3 zum Kraftstoffspiegel 5.1 und
desto größer ist
auch die Laufzeit t des ausgesendeten Schallimpulses.
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Bei der Vorrichtung nach 3 sind die gegenüber den
Vorrichtungen nach den 1 und 2 gleichbleibenden oder
gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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3 zeigt
im Schnitt eine Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem mehrere
Biegungen aufweisenden Schallführungskanal.
Die Vorrichtung nach 3 unterscheidet
sich von der Vorrichtung nach 2 darin,
daß der
Meßrohrbereich 16 neben
der ersten Biegung 15 wenigstens eine weitere Biegung 27 mit
einem Biegeradius 28 und einer vom Ultraschallwandler 3 wegweisenden
Umlenkung 13.1 aufweist. Auch der Biegeradius 28 der
weiteren Biegung 27 darf nicht zu klein sein, um die Leitung
der Schallimpulse in Richtung Kraftstoffspiegel 5.1 nicht
negativ zu beeinträchtigen.
Die Umlenkung 13.1 ist beliebig, solange die Kanalsteigung
positiv ist und der Schallführungskanal 2 in
Richtung Deckenwandung 9 verläuft. Ein zu kleiner Biegeradius 28 führt zu einer
zumindest teilweisen Reflektion des Schallimpulses an der Kanalwandung 22,
so daß ein unerwünschtes
zusätzliches
Echo auftritt und der am Kraftstoffspiegel 5.1 refektierte
Schallimpuls zumindest sehr schwach ausfällt. Der Meßrohrbereich 16 kann
neben der ersten Biegung 15 mit beliebig vielen weiteren
Biegungen 27 vorgesehen sein. Vor und nach einer weiteren
Biegung 27 kann jeweils ein mit einer Kanalsteigung geradlinig
verlaufender Bereich 29 angeordnet sein. Dies ist jedoch
nicht zwingend erforderlich. Durch die weitere Biegung 27 ist
die Kanalsteigung zweier benachbarter geradlinig verlaufender Bereiche 29 voneinander
abweichend.
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Bei der Vorrichtung nach 4 sind die gegenüber den
Vorrichtungen nach den 1 bis 3 gleichbleibenden oder
gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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4 zeigt
im Schnitt eine Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem gebogenen Schallführungskanal.
Die Vorrichtung nach 4 unterscheidet
sich von der Vorrichtung nach 3 darin,
daß der
Vorlaufbereich 11 und die erste Biegung 15 des
Meßrohrbereichs 16 entfällt und
der Ultraschallwandler 3 außerhalb des Kraftstoffbehälters 1 an
der Außenseite
des Behälterbodens 12 angeordnet
ist.
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Durch das Fehlen des Vorlaufbereiches 11 ergibt
sich die bereits beschriebene Meßungenauigkeit bei niedrigen
Füllständen. Jedoch
kann die Laufzeit t der Schallimpulse durch wenigstens eine weitere
Biegung 27, durch den Grad der Umlenkung 13 und
durch die Kanalsteigung so angepaßt werden, daß sich bei
den übrigen
Füllständen eine
hohe Empfindlichkeit ergibt.
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Durch die äußere Anordnung des Ultraschallwandlers 3 an
dem Behälterboden 12 wird
jedoch die Bodenfreiheit, d.h. der Abstand zwischen dem Behälterboden 12 des
Kraftfahrzeugs und einer Fahrbahnoberfläche, verringert. Dadurch setzt
das Kraftfahrzeug beim Fahren über
ein Hindernis, beispielsweise eine Bodenwelle, früher auf
die Fahrbahnoberfläche
auf als ohne den außen
an den Behälterboden 12 angeordneten
Ultraschallwandler 3. Außerdem besteht die Gefahr,
daß der
Ultraschallwandler 3 bei einer Berührung mit dem Hindernis beschädigt oder
sogar abgerissen wird. Bei einer Anordnung des Ultraschallwandlers 3 an
der Seitenwandung 10 ist der Ultraschallwandler 3 besser
gegen Beschädigung
geschützt.
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Bei der Vorrichtung nach 5 sind die gegenüber den
Vorrichtungen nach den 1 bis 4 gleichbleibenden oder
gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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5 zeigt
im Schnitt eine Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem innerhalb
des Kraftstoffbehälters
angeordneten Ultraschallwandler. Die Vorrichtung nach 5 unterscheidet sich also von
der Vorrichtung nach 3 darin,
daß der
Ultraschallwandler innerhalb des Kraftstoffbehälters 1 angeordnet
ist.
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Der Ultraschallwandler 3 kann
auch innerhalb des Kraftstoffbehälters 1 nahe
dem Behälterboden 12 vorgesehen
sein. Der Ultraschallwandler 3 ist beispielsweise an der
Innenseite der Seitenwandung 10 angeordnet. Dies erfordert
jedoch, daß der
Ultraschallwandler 3 gegenüber dem Kraftstoff abgedichtet
ist und aus einem kraftstoffbeständigem
Material besteht. Der Ultraschallwandler 3 kann auch in
dem Schallführungskanal 2 integriert
angeordnet sein.
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6 zeigt
die Kennlinie 24 der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dargestellt
mit dem Füllvolumen
V auf der Ordinate und der Laufzeit t auf der Abszisse.
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Die Kennlinie 24 stellt
das Füllvolumen
V als Funktion der Laufzeit t dar. Die Kennlinie 24 wird
experimentell ermittelt, indem für
bekannte und im Kraftstofftank befindliche Füllvolumen V die entsprechende
Laufzeit t gemessen wird. Dabei ergibt sich ein Laufzeitintervall 33,
das sämtliche
Laufzeiten t vom minimal meßbaren
Füllvolumen 34 bis
zum maximalen Füllvolumen 35 des
Kraftstoffbehälters 1 enthält. Die
Kennlinie 24 wird dann beispielsweise mittels mehrerer
Stützpunkte 31 in
der Auswerteeinheit 23 gespeichert, so daß für jede Laufzeit
t ein zugehöriges
Füllvolumen
V berechnet werden kann. Die Steigung der Kennlinie 24 entspricht
einer Empfindlichkeit der Messung. Eine niedrige Steigung der Kennlinie 24 bedeutet
eine hohe Empfindlichkeit, da eine kleine Änderung des Füllvolumens
V bereits eine hohe Änderung
der Laufzeit t bewirkt. Eine niedrige Kanalsteigung des Schallführungskanals 2 führt durch
lange Laufzeiten t auch zu einer niedrigen Steigung der Kennlinie 24 und
damit zu einer hohen Empfindlichkeit. Je größer das Laufzeitintervall 33 für ein fixes
Füllvolumen
V ist, desto flacher ist die Steigung der Kennlinie und desto höher ist
eine Auflösung
und die Empfindlichkeit des Meßwertes
bezüglich
des Füllstandes.
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Da dem Fahrer des Kraftfahrzeuges
bei niedrigem Füllstand 4 eine
sehr genaue Information über den
Füllstand
im Kraftstoffbehälter
zur Verfügung
gestellt werden soll, muß die
Kennlinie 24 bei kleinen Füllvolumen V und kurzen Laufzeiten
t in einem Restmengenbereich 32 eine hohe Empfindlichkeit
und daher eine niedrige Steigung aufweisen. Der Schallführungskanal 2 hat
daher nahe dem Behälterboden 12 eine
niedrige Kanalsteigung.
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Durch die Variation der Anzahl der
Biegungen 27 und/oder der Anzahl der geraden Bereiche 29 und/oder
der Kanalsteigung der geraden Bereiche 29 des Meßrohrbereiches 16 und/oder
der Umlenkung 13 und 13.1 kann somit die Empfindlichkeit
der Messung des Füllstands über den
gesamten Bereich des Füllvolumens
V an die jeweilige Form oder Geometrie des Kraftstoffbehälters 1 angepaßt werden.