DE112007002958B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung eines Füllstandes und einer Temperatur eines Fluids - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Bestimmung eines Füllstandes und einer Temperatur eines Fluids, bei der in Abhängigkeit von einem jeweiligen Füllstand elektrische Messwerte an einem über einen unterschiedlich großen Bereich von dem Fluid gekühlten Heizdraht (21) aufgenommen werden, wobei eine Messspannung (Umess) und ein Messstrom (Imess) vor und nach einer durch einen Heizstrom (Iheiz) bewirkten Erwärmung des Heizdrahts (21) zur Berechnung eines elektrischen Widerstands (R) des Heizdrahts (21) gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, dass über die Zeit einer Abkühlung eine Fläche unter einer Kurve (R(t)) des Heizdrahtwiderstands (R) als Maß für einen aktuellen Fluid-Füllstand (level) bestimmt wird.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung eines Füllstandes und einer Temperatur eines Fluids.
• Insbesondere aus dem Kraftfahrzeugbereich ist die Notwendigkeit bekannt, den Füllstand und die Temperatur eines Motoröls zu überwachen. Dieser Anwendungsbereich ist zahlenmäßig und damit auch wirtschaftlich von großer Bedeutung. Motoröle werden andererseits aufgrund ihrer Aufgabe als Schmiermittel und gleichzeitig Abtransportmedium für Abwärme auch über einen sehr großen Temperaturbereich betrieben und können über Dauer verschiedene Werkstoffe angreifen. In dem Kraftfahrzeugbereich werden zudem hohe Anforderungen an Zuverlässigkeit und Langlebigkeit einer derartigen Vorrichtung auch in Kontakt mit einem relativ aggressiven Fluid gestellt. Da ein Einsatz im Kraftfahrzeugbereich ein sehr hartes Anforderungsprofil stellt, wird die vorliegende Erfindung nachfolgend ohne Beschränkung in ihrem Einsatzbereich nur vor dem Hintergrund des speziellen Einsatzes zur Überwachung von Füllstand und Temperatur eines Motoröls in einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs dargestellt.
• Für die elektrothermische Füllstandsmessung wird eine Messanordnung zugrunde gelegt, bei der ein Heiz- bzw. Hitzdraht senkrecht oder unter einem gewissen Winkel in dem Motoröl angebracht ist. Die Länge des Hitzdrahts ist dabei so zu wählen, dass sowohl bei maximalem als auch bei minimalem Ölstand der Messbereich des Drahts nicht über- oder unterschritten wird. Der Widerstand des Hitzdrahts ist proportional zur Temperatur des Drahts, besitzt also PTC-Charakteristik. Nach dem Stand der Technik wird der Hitzdraht zur Füllstandsmessung mit einem zeitlich begrenzten Strompuls mit konstanter Stromstärke aufgeheizt. Die zu Beginn des Strompulses und am Ende des Strompulses am Hetzdraht abfallenden Spannungen werden gemessen und zur Füllstandsbestimmung verwendet. Bei einem hohen Ölstand wird die dem Draht zugeführte elektrische Heizleistung zum großen Teil an das umgebende Öl abgegeben. Der Draht heizt sich also nur unwesentlich auf, so dass auch nur eine geringe Widerstandserhöhung messbar ist. Bei niedrigem Ölfüllstand hingegen befindet sich der Draht größtenteils in Luft. Da Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, wird nur wenig elektrische Heizleistung abgegeben und das Fluid kann den Heizdraht nur in geringem Maße abkühlen. So heizt sich der Draht vergleichsweise stark auf. Diese große Erwärmung hat eine große Spannungsdifferenz zwischen den beiden gemessenen Spannungen zur Folge. Die Spannungsdifferenz ist also umgekehrt proportional zur Füllstandshöhe.
• Aus der EP 1 180 667 A2 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Füllstandes bekannt, bei der in Abhängigkeit von einem jeweiligen Füllstand eines Fluids Messwerte eines über einen unterschiedlich großen Bereich von dem Fluid gekühlten Heizdrahts aufgenommen werden. Betrieben wird dieses Bauteil in der Form, dass zu Beginn und zum Ende einer definierten Bestromung des Heizdrahts ein jeweiliger Spannungsabfall gemessen wird. Zur Temperaturmessung ist ein entsprechendes Sensorelement in Form eines NTC-Widerstands vorgesehen. In sehr kompakter Bauweise sind die Vorrichtungen für beide Messungen in einem gemeinsamen länglichen Gehäuse angeordnet, das in einer Ölwanne eines Kraftfahrzeugmotors in Form nur eines Bauteils angeordnet ist. Eine Vorrichtung gemäß der Offenbarung der EP 1 180 667 A2 hat sich im praktischen Einsatz grundsätzlich bewährt.
• Die DE 34 23 802 A1 offenbart ein Verfahren zur elektrothermischen umgebungstemperaturkompensierten Füllstandsmessung, bei dem jeweils während einer Aufheizzeit eine Widerstandssonde mit einem Konstantstrom beheizt wird. Es erfolgt ein Vergleich einer aus wenigstens einer Sondenspannung zu Beginn der Aufheizzeit gebildeten ersten Größe mit einer aus wenigstens einer Sondenspannung zum Ende der Aufheizzeit gebildeten zweiten Größe.
• Die DE 42 32 043 A1 offenbart ein Verfahren zur Überwachung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter, unter Verwendung eines beheizbaren, temperaturabhängigen Messfühlers, der sich in einer vorgegebenen Höhenposition im Behälter befindet. Es wird der zeit- und temperaturabhängige Verlauf einer am Messfühler abgreifbaren elektrischen Größe gemessen. Der Messfühler kann ein elektrischer Widerstand oder ein Thermoelement sein. Während der Messung wird der Messfühler abwechselnd aufgeheizt und nicht aufgeheizt.
• Weiter sind aus den nicht vorveröffentlichen Patentanmeldungen DE 10 2005 053 278.0 und DE 10 2005 053 539.9 Verfahren zur kombinierten Messung von Füllstand und Temperatur eines Motoröls und sehr kompakt bauende Vorrichtungen zur Umsetzung derartiger Verfahren bekannt. Anhand der Aufheizcharakteristik des Hitz- und Sensordrahtes wird die Öltemperatur und der Ölfüllstand bestimmt. Diese Lehren basieren auf einer genauen Regelung eines Heizstromes, um eine unter definierten elektrischen Rahmenbedingungen gemessene Aufheizkurve anhand von Widerstandswerten analysieren zu können.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine noch kompaktere Vorrichtung und ein effizienteres Messverfahren unter Verwendung eines Heizdrahtes mit PTC- bzw. Kaltleiter-Charakteristik bereitzustellen.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche dadurch gelöst, dass eine Messspannung und ein Messstrom vor und nach einer durch einen Heizstrom bewirkten Erwärmung des Heizdrahts zur Berechnung eines elektrischen Widerstands des Heizdrahts gemessen werden. Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch aus, dass eine Auswerteschaltung Mittel zur Spannungsmessung bei Beaufschlagung des Sensordrahtes als Fluidtemperatur-Sensor mit einem Messstrom aufweist und durch Verbindung mit einem Rechenwerk mit Integrator zugleich über Bestimmung eines Abkühlverhaltens als Füllstandssensor ausgebildet ist.
• Nach einem erfindungsgemäßen Verfahren wird bei einer Bestromung des Heiz- und Sensordrahtes zwischen einem Heizstrom und einem Sensor- bzw. Messstrom unterschieden. Insbesondere ist der Heizstrom ein ungeregelter, vergleichsweise hoher Strom, während der Messstrom ein geregelter und sehr geringer Strom ist, der nur einer Widerstandsmessung außerhalb eines Aufheizens des Heiz- und Sensordrahtes dient. Es wird also erfindungsgemäß nicht länger während der durch Anlegen eines Strompulses bewirkten Erwärmung des Heizdrahts auch eine Berechnung oder Bestimmung eines elektrischen Widerstands durchgeführt. Bei einer hier vorgeschlagenen Abkühlmethode erfolgt die Aufheizung des thermoelektrischen Sensordrahtes und die Messung der Widerstandscharakteristik des Sensordrahtes während der Abkühlphase durch zeitlich getrennte und zudem unterschiedlich große Ströme. Durch die Widerstandsbestimmung ist das Messergebnis weitgehend unempfindlich gegenüber Toleranzschwankungen im verwendeten Messstrom/Messspannung.
• Der Heizstrom beträgt in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung einige 100 mA und kann ein- und ausgeschaltet werden. Eine Regelung des Heizstroms ist dabei vorzugsweise nicht notwendig, so dass eine z. B. in Form eines Transistors ausgeführte regelbare Strom- oder Spannungsquelle entfallen kann. Der Messstrom und/oder die Messspannung werden dagegen hinreichend klein gewählt, so dass die im Sensordraht umgesetzte elektrische Leistung diesen nur unwesentlich zusätzlich erwärmt und toleranzbedingte Schwankungen des Messstroms und/oder der Messspannung damit einen vernachlässigbaren Einfluss auf das Messergebnis haben.
• Vorzugsweise wird in einem Messintervall unter Verwendung einer Mehrzahl von Messungen eine entsprechende Zahl von Messpunkten bestimmt. Aus den Messpunkten kann durch Multiplikation mit der Breite eines jeweiligen Abtastintervalls eine Fläche unter der Abkühlkurve approximiert werden.
• Ein erfindungsgemäßes Verfahren arbeitet auch bei hohen Füllständen zuverlässig, da sich bedingt durch die unterschiedlichen Wärmeleitkoeffizienten zwischen Luft und Fluid bei unterschiedlichen Fluid-Füllstandshöhen verschiedene Erwärmungskurven des Heizdrahts ergeben. Diese Abkühlkurven schließen über der Zeitachse gesehen in den Messintervallen definierter Länge folglich auch unterschiedlich große Flächen ein, die einen leicht zu bestimmenden thermischen Energiegehalt des Heiz- bzw. Sensordrahts angeben. Damit werden Ungenauigkeiten gerade bei hohen Fluid-Füllständen weitgehend vermieden, wie sie bei bekannten Vorrichtungen und Verfahren auftreten.
• Erfindungsgemäß wird neben der Füllstandsmessung für die Messung der Temperatur des Fluids kein zusätzlicher Temperatursensor vorgesehen, z. B. in Form eines separaten NTC-Widerstands. In einem erfindungsgemäßen Kombinationssensor ist für beide Messungen damit vorteilhafterweise nur noch ein Sensorelement in Form eines Heizdrahts vorhanden, der im Kontakt mit dem zu überwachenden Fluid steht.
• Damit kann mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zusätzlich zur Bestimmung einer Füllstandshöhe auch eine jeweilige Fluidtemperatur mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden. Zur Bestimmung von Fluidtemperatur und Füllstandshöhe des Fluids ist vorteilhafterweise auch nur noch ein Messintervall erforderlich, das mindestens in einem Anfangsbereich von zwei unterschiedlichen Auswertungsverfahren quasi gemeinsam genutzt wird.
• Durch den Fortfall eines separaten NTC-Widerstands zur Temperaturmessung eines Fluids, wie nach dem Stand der Technik bekannt, wird bereits direkt eine Kostenersparnis erzielt, wobei zudem auch keine zusätzliche Auswerteschaltung für die Auswertung der stark nichtlinearen Kennlinie eines NTC-Sensorausgangssignals mehr erforderlich ist. Der Fortfall dieser separat anzuordnenden Auswertelogik für das NTC-Sensorausgangssignal führt zu einer Reduzierung in der Größe des Sensors bzw. Sensorgehäuses und auch zu einer Größenreduzierung im Hinblick auf eine Auswerteschaltung. Die Auswerteschaltung kann nun auf einer vergleichsweise kleineren Schaltungsplatine bzw. PCB untergebracht werden. Weiter führt nun auch die Einsparung einer Regelung für den Heizstrom zu Vorteilen hinsichtlich Energieaufwand und Herstellungskosten.
• Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel anhand von Abbildungen der Zeichnung zur Darstellung weiterer Merkmale und Vorteile näher erläutert.
• In der Zeichnung zeigen in jeweils skizzierten Schnittdarstellungen:
• 1: eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
• 2: eine Darstellung der Ausführungsformen von 1 senkrecht geschnitten in einer Ebene, die zu der Ebene der Schnittdarstellung von 1 senkrecht steht;
• 3: eine Darstellung einer bekannten Vorrichtung in der Schnittebene von 1;
• 4: eine Darstellung der bekannten Vorrichtung in einer Schnittebene gemäß 2;
• 5a und 5b: je ein Diagramm zur Darstellung prinzipieller Temperaturverläufe über der Zeit mit einer Anzahl von Messpunkten zur Ermittlung einer Aufheizkurve nach einem nicht vorveröffentlichen Verfahren;
• 6a und 6b: je ein Diagramm zur Darstellung prinzipieller Temperaturverläufe über der Zeit mit einer Anzahl von Messpunkten zur Ermittlung einer Abkühlkurve nach einem erfindungsgemäßen Verfahren mit Darstellung von Mess- und Heizstrom in den verschiedenen Phasen;
• 7: ein Diagramm mit schematischen Darstellungen von Abkühlkurven bei zwei unterschiedlichen Füllstandsniveaus eines Fluids;
• 8: ein Diagramm einer zeitdiskreten Widerstandsmessung eines Anfangszustandes und einer Abkühlkurve eines thermoelektrischen Drahtes und
• 9a und 9b: zwei Diagramme zur Bestimmung eines Ölstandes als Funktion mehrerer Variabler und
• 10: ein Blockschaltbild einer Elektronik mit angeschlossenem Sensordraht.
• Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden nachfolgend für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet. Ohne Beschränkung der Erfindung auf diesen speziellen Einsatzfall wird nachfolgend nur ein Einsatz der Vorrichtungen zur Bestimmung von Füllstandsniveau und Temperatur von Motoröl in einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs dargestellt und beschrieben.
• 3 zeigt eine Sensorvorrichtung 0 zur Bestimmung von Füllstand und Fluidtemperatur mit einem Gehäuse 1 aus Kunststoff, welches aus zwei Halbschalen 2, 3 aufgebaut ist. Die beiden Halbschalen 2, 3 haben jeweils in einem oberen Bereich einen im Durchmesser vergrößerten Verbindungsbereich 4,5, der nahe seines oberen Endes mit einem nach innen gerichteten Bund 6 in eine umlaufende Nut 7 eines Kontaktsockels 8 eingreift. Das Gehäuse 1 ist zusammen mit dem Kontaktsockel 8 in ein Anschlussstück 9 eingesetzt, das außenseitig mit einem Einschraubgewinde 10 versehen ist und bekannte Dichtmittel aufweist.
• Jeder Verbindungsbereich 4, 5 weist eine radiale Durchbrechung 11, 12 auf. Bis in den Bereich dieser Durchbrechungen 11, 12 ragen vom Kontaktsockel 8 her Paare von elektrischen Leitern 13, 14 und vom Gehäuse 1 her Paare elektrischer Leiter 15, 16 hinein und sind dort durch Schweißungen 17 miteinander verbunden.
• Die Halbschale 3 ist für die Niveaumessung konzipiert. Dafür befindet sich nahe ihrem unteren Ende ein Spannkörper 18, welcher in Längsrichtung der Halbschale 3 in ihr verschieblich gehalten und von einer Feder 19 vom Verbindungsbereich 4 weg vorgespannt ist. Dieser Spannkörper 18 hat einen Zapfen 20, durch den ein Heizdraht 21 um 180° umgelenkt wird, der in der Halbschale 3 über einen wesentlichen Bereich ihrer Länge verläuft und mit den beiden Leitern 15 verbunden ist. Dieser Heizdraht 21 ist bei der Niveaumessung stromdurchflossen. Er wird durch das zu messende Medium in Abhängigkeit vom Füllstand mehr oder weniger gekühlt, so dass sich sein elektrischer Gesamtwiderstand entsprechend ändert und dadurch über eine Messung der elektrischen Größen der Füllstand ermittelt werden kann.
• Die Halbschale 2 hat in ihrer unteren Stirnfläche eine Ausnehmung 22 mit einem auf Temperatur ansprechenden Sensorelement 23, hier ein NTC-Element. Dieses NTC-Sensorelement 23 ist nach außen über die Leiter 16 verbunden, durch die entsprechende Temperatursignale übertragen werden.
• Die 4 zeigt die Halbschale 3 nun alleine und gegenüber der Schnittdarstellung von 3 um 90° gedreht. Zu erkennen ist wiederum der Spannkörper 18 mit dem Zapfen 20, welcher den Heizdraht 21 spannt und umlenkt. Der Heizdraht 21 verläuft so U-förmig, wobei seine beiden jeweils einen Schenkel der U-Form bildenden Bereiche in 2 mit 21' und 21'' bezeichnet werden.
• Zur Montage der dargestellten Sensorvorrichtung 0 werden zunächst alle Einbauteile in die beiden Halbschalen 2, 3 und den Kontaktsockel 8 eingebaut. Dann schweißt man eine Halbschale 2, 3 an den Kontaktsockel 8 und verbindet anschließend die andere Halbschale 2, 3 mit der ersten Halbschale 2, 3, beispielsweise durch Klipsen, Schweißen, Verstemmen oder Klammern. Danach verschweißt man die so bereits verbundenen Halbschalen 2, 3, mit dem Kontaktsockel 8. In der Endmontage wird die Einheit in das Anschlussstück 9 mit Außensechskant-Kontur eingesetzt, das integrierte Dichtmittel aufweist. Anschließend wird die Anordnung mit den getrennt angeordneten Sensoren 21, 23 für Temperatur- und Niveaumessung durch Zurollen fertig gestellt. In einer Einbaulage erfolgt ein Anschluss über elektrische Leitungen am Kontaktsockel 8 in der in den 3 und 4 angedeuteten Art und Weise.
• In dieser Ausführungsform ist nun für die Temperatur- und Niveaumessung nur noch ein Sensor 21 vorgesehen, dessen Signale nun durch zwei Verfahren unabhängig voneinander ausgewertet werden. Auf die Bestimmung einer Fluid-Temperatur und eine Fluid-Füllstandsmessung wird nachfolgend getrennt unter Bezug auf die Abbildungen der 5a, b und 6a, b eingegangen.
• Durch einen erfindungsgemäßen Ansatz vereinfacht sich der von 3 her bekannte Aufbau in einem Ausführungsbeispiel in der in 1 dargestellten Weise: Die gegenüber dem Heizdraht 21 so weit als möglich thermisch entkoppelte Ausnehmung 22 mit dem darin geschützt angeordneten Sensorelement 23 entfällt ersatzlos. Damit kann die Halbschale 2 gekürzt werden. Die Halbschale 2 kann aber auch ganz entfallen, da auch ein Leiter 16 nicht mehr benötigt wird. Hierdurch würde der Heizdraht 21 ohne das Erfordernis von Flutlöchern unmittelbar in guten Kontakt mit dem Fluid gebracht werden, wobei durch eine konkrete Formgebung der Halbschale 3 in einer dem Fachmann geläufigen Art und Weise ein erforderlicher Schutz und eine mechanische Stabilität der Anordnung gewährleistet wird.
• Durch den Wegfall eines nach dem Stand der Technik benötigten zweiten Sensors vereinfacht sich ferner auch die Verdrahtung im Bereich der radialen Durchbrechungen 11, 12 erheblich. Schließlich wird im Kontaktsockel 8 nur noch ein Leiterpaar 13 nach außen geführt. Damit ist im Kontaktsockel 8 auch ausreichend Raum vorhanden, um hier eine nicht weiter dargestellte Auswerteschaltung unterzubringen. Die Auswerteschaltung ist in einer Ausführungsform der Erfindung auch gleich als Anschlussglied für einen LIN- oder CAN-Bus oder ein anderes Datennetz entsprechend ausgebildet.
• 2 zeigt analog der Darstellung von 4 ein Ausführungsbeispiel, in dem die vorstehend genannten Vereinfachungen und Einsparungen von separaten Bauteilen konkreter umgesetzt worden sind, ohne dass dabei ein äußeres Erscheinungsbild oder Abmessungen der Sensorvorrichtung 0 verändert worden wären: Der Kontaktsockel 8 ist nun mit dem Anschlussstück 9 einstückig ausgeführt. Die Verbindungsbereiche 4, 5 entfallen. Die elektrischen Leiter 13, 15 sind einstückig ausgebildet und werden eingegossen.
• Prinzipiell könnte nun auch die Halbschale 3 mit dem Kontaktsockel 8 und dem Anschlussstück 9 einstückig gefertigt werden, so dass in einer Montage nur noch der Heizdraht 21 an einem freien Ende des Leiters 15 angeschlossen werden müsste. Statt durch einen Aufbau aus Spannkörper 18 mit separatem federelastischen Element 19 wird in einer nicht weiter konkret dargestellten Ausführungsform der Erfindung die Elastizität des Werkstoffs zum Spannen des Heizdrahtes 21 genutzt werden.
• Dabei ist in einer Ausführungsform ein Spannkörper 18 mit einem Federelement 19 einstückig ausgebildet und insbesondere auch einstückig mit dem Gehäuse 1 der Vorrichtung 0 verbunden oder an diese angeformt. Hierzu ist ein in den 1 und 2 gestrichelt eingezeichneter Bereich A um den Zapfen 20 C- oder S-förmig ausgebildet, beispielsweise durch Anordnung von Einkerbungen oder Ausnehmungen 24 mit entsprechenden Übergangsradien. Der Bereich A kann so in einem erforderlichen Bereich selber in vorbestimmter Weise federelastisch ausgelenkt oder gestaucht werden.
• Ein nicht vorveröffentlichtes Messverfahren wird nun unter Bezugnahme auf die skizzierten Abbildungen der 5a und 5b beschrieben: In einem stationären Fall entspricht die Temperatur des mit dem Fluid in Kontakt stehenden Heizdrahtes 21 der des Fluids. Nach den Eingangs genannten nicht vorveröffentlichen Ansätzen wird über die Dauer eines Messintervalls ein Rechteckpuls mit konstant geregelter Stromstärke an den Heizdraht 21 angelegt, um eine Aufheizkurve zu messen. Bei einer Messung der Fluidtemperatur wird der Heizdraht 21 während eines Messintervalls für eine Zeitdauer Δt von etwa 400 ms von einem konstanten Strom I durchflossen. Durch den Stromfluss erwärmt sich der Heizdraht 21 und sein ohmscher Widerstand R_sens steigt an. In Abhängigkeit einer jeweiligen Ausgangs- bzw. stationären Starttemperatur und eines hohen oder niedrigen Fluidfüllstandes FS ergibt sich bei kontinuierlicher Messung jeweils ein in seinem Anfangsbereich bis zu einer Erwärmungs- bzw. Stromflussdauer von T = 100 ms in einem Bereich B im Wesentlichen quadratischer Kurvenverlauf des Widerstandes R_sens bzw. der Temperatur des Heizdrahtes 21 über der Zeit t.
• In 5a ist ein Verlauf entsprechender Spannungs- bzw. Widerstandswerte eines Heizdrahtes 21 bei einer hohen und einer niedrigen Fluidtemperatur über der Zeit t eingezeichnet. In einem Bereich B gilt mit ausreichend guter Näherung ein quadratischer Zusammenhang einer zu jeweiligen, Zeitpunkten t an dem Heizdraht 21 abgegriffenen Spannung U_sens und der Zeit t. Gemäß 5b wird ab einem Zeitpunkt t₀ bis zu einem Zeitpunkt t₁ ein Strom I_sens in Form eines geregelten Rechteckpulses an den Heizdraht 21 der Vorrichtung 0 angelegt.
• Gemäß der in 5a ab einem Zeitpunkt t dargestellten Punkte wird nun keine kontinuierliche Messung, sondern eine Messung der über dem Heizdraht 21 abfallenden Spannung U_sens zu mehreren Zeitpunkten vorgenommen. Diese Messpunkte weisen zueinander einen äquidistanten Abstand von ca. 1 bis etwa 4 ms auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der zeitliche Abstand zwischen Messpunkten zu 2 ms gewählt. Durch die Messwerte zu den jeweiligen Abtastzeitpunkten t werden Werte U_sens(t') ermittelt, die sich durch R_sens(t) = U_sens(t)/I_sens umrechnen lassen. Nun wird unter Anwendung bekannter Approximationsverfahren eine Ausgleichskurve f als Funktion zweiter Ordnung durch diese ermittelten Werte R_sens(t) hindurchgelegt. Hier findet ein Verfahren mit Minimierung des Quadrates der Abweichungen der jeweiligen Messpunkte zu der Kurve f Anwendung. Da ein Abstand vom Start der definierten Bestromung des Heizdrahtes 21 bei t₀ bis zu einem ersten Messpunkt bei einem Zeitpunkt t' genau bekannt ist, kann nun anhand dieser Ausgleichskurve f bzw. des Widerstandverlaufes R_sens(t) rückwärts ein Widerstandwert R_sens(t₀) ermittelt werden. Der anhand des Widerstandverlaufes R_sens(t) errechnete Widerstandwert R_sens(t₀) gibt dann über einen Festspeicher bzw. Look-up table eine stationäre Anfangstemperatur des Heizdrahtes 21 an, die mit der Fluidtemperatur übereingestimmt hat.
• In einem Verfahren zur Ermittlung eines Fluid-Füllstandes werden nun die vorstehend zur Bestimmung einer stationären Anfangstemperatur des Heizdrahtes 21 bzw. einer Fluidtemperatur Messwerte bis zu einem Zeitpunkt t₁ über eine Gesamtszeit Δt der Bestromung von hier etwa 400 ms betrachtet. Gemäß der Darstellung von 5a ergeben sich bei größeren Füllstandsunterschieden zu dem Zeitpunkt t₁ deutliche Unterschiede bei der gemessenen Spannungsdifferenz ΔU1 bei niedrigem und ΔU2 bei hohem Füllstand FS. Dieses Verhalten wurde in bekannten Verfahren genutzt: Der Hitzdraht wird demnach mit einem zeitlich begrenzten Strompuls mit konstanter Stromstärke aufgeheizt. Die zu Beginn des Strompulses und am Ende des Strompulses am Hitzdraht abfallenden Spannungen werden gemessen und zur Füllstandsbestimmung verwendet. Bei niedrigem Füllstand erwärmt sich der Draht stark, was eine große Spannungsdifferenz ΔU zwischen den beiden gemessenen Spannungen zur Folge hat. Bei hohem Füllstand ist die Spannungsdifferenz vergleichsweise gering. Die Spannungsdifferenz ist also umgekehrt proportional zur Füllstandshöhe. Bei geringeren Füllstandsunterschieden fällt ein Unterschied in der Spannungsdifferenz zum Zeitpunkt t₁ jedoch wesentlich weniger deutlich aus. Damit ist eine Auflösung bekannter Verfahren also in dem kritischen Bereich zu hoher Fluid-Füllstände nicht ausreichend sicher. Auch würde eine Betrachtung einer Steigung der Ausgleichskurve f zu einem extrapolierten Startzeitpunkt t₀ oder einem anderen fest vorgegebenen Zeitpunkt als Maß für einen Füllstand FS schon aufgrund der eingesetzten Approximation nur relativ ungenaue Werte.
• Auch in der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung wird ein nach dem Hitzdrahtprinzip funktionierender Füllstandsensor verwendet, bei dem ein vorgegebener Stromfluss durch den Sensordraht einen Temperaturanstieg im Draht bewirkt. Da auch der in der vorliegenden Ausführungsform verwendete Draht eine Kaltleiter- bzw. PTC-Charakteristik besitzt, erfolgt bei einer Temperaturerhöhung im Draht auch eine Erhöhung des elektrischen Widerstands, wie in 6a angedeutet. Während dieses Aufheizprozesses wird die elektrische Heizenergie teil weise an die umgebenden Medien abgegeben. Die Energiedifferenz aus der zugeführten elektrischen Energie und der abgegebenen Heizenergie erwärmt den Hitzdraht. Bedingt durch die unterschiedlichen Wärmeleitkoeffizienten von Luft und Fluid bewirken unterschiedliche Füllstandshöhen verschiedene Erwärmungskurven des Hitzdrahts, wie bereits vorstehend beschrieben. Im Gegensatz zu dem unter Bezugnahme auf die Abbildungen der 5a und 5b beschriebenen Verfahren wird erfindungsgemäß nun zwischen einem Messstrom I_mess und einem Heizstrom I_heiz unterschieden. Er ergibt sich damit nach 6b ein deutlich von 5b abweichender Stromverlauf.
• Die zeitlichen Diagramme der 6a und 6b zeigen den prinzipiellen zeitlichen Ablauf einer Messung nach einem erfindungsgemäßen Verfahren: Der Sensorwiderstand hat zu Beginn der Messung die Temperatur des umgebenden Öls, und somit den zu einer bestimmten Temperatur gehörigen Widerstand R₀. Zunächst wird also während einer Zeit t_mess1 der Anfangswiderstand R₀ des Sensordrahts mit einem kleinen Messstrom I_mess und einer kleinen Messspannung U_mess gemessen. Da der Widerstand des verwendeten Sensordrahtes im Wesentlichen linear mit der Temperatur ansteigt, kann aus dieser Messung die Anfangstemperatur des Drahtes und somit die Öltemperatur ermittelt werden, ohne dass die Messung selber das Ergebnis durch zusätzliche Erwärmung nennenswert beeinflusst. Während einer anschließenden Zeitspanne t_heiz wird der Sensor durch einen gegenüber dem Messstrom I_mess wesentlich größeren Heizstrom I_heiz erwärmt. Dadurch vergrößert sich der elektrische Widerstand R des Drahtes. Daraufhin wird während einer Phase t_mess2 der elektrische Widerstand des Sensordrahts mit Hilfe eines kleinen Messstroms I_mess2 bestimmt. Da so wiederum nur eine geringe elektrische Leistung an den Sensordraht abgegeben wird, kühlt der Sensordraht ab. Damit verringert sich auch der Drahtwiderstand gut messbar. Nach einer Wartezeit, nach der der Sensordraht wieder die Temperatur des Öls angenommen hat, kann die Messung neu gestartet werden.
• Die Auswirkungen von Füllstandsänderungen auf die Abkühlcharakteristik des Sensordrahtes sind in der Abbildung von 7 in Form einer Skizze für hohen und niedrigen Ölfüllstand bei gleicher Öltemperatur und gleichem Heizstrom skizziert. Bei niedrigem Ölfüllstand kühlt der Draht nur langsam ab, der Sensorwiderstand ändert sich also nur langsam. Bei hohem Ölstand kühlt der Draht sehr schnell ab, der Widerstand des Sensors hat sich also schnell wieder auf den Anfangswert R₀ verringert.
• Auf Basis einer Ermittlung folgender Messgrößen kann nun ein jeweils aktueller Ölstand bestimmt werden. Es ist nach dem dargestellten Abkühlverfahren die Bestimmung von drei Messgrößen erforderlich:
• 1. Der Anfangswiderstand R₀ wird vor Beginn des Heizens gemessen, aus dem Anfangswiderstand R₀ wird eine ursprüngliche Öltemperatur bestimmt. Die Bestimmung des Anfangswiderstands R₀ erfolgt mit mehreren Widerstandsmessungen während der Zeit t_mess1 auch in Form zeitdiskreter Messung gemäß der Abbildung von 8.
• 2. Ein Widerstandswert R_max wird zum Abschluss der Heizphase bestimmt, also nach Ablauf der Phase t_heiz. Durch unterschiedliche Heizströme I_heiz und/oder Heizspannungen U_heiz und verschiedene Füllstände wird der Sensordraht während der Heizperiode unterschiedlich stark aufgeheizt. Dementsprechend ist auch ein maximal erreichter Sensorwiderstand R_max verschieden. Dieser maximale Sensorwiderstand R_max wird aus den gemessenen Widerstandswerten der Abkühlkurve ermittelt. Dazu wird in zeitlich äquidistanten Abständen Δa der Widerstand des Drahtes während der Abkühlphase gemessen, wie in 8 angedeutet. Aus diesen Werten ist mit geeigneten Methoden, hier durch, Ermittlung einer Ausgleichskurve unter Anwendung bekannter Approximationsverfahren, der maximale Widerstand R_max nach dem Heizvorgang zu bestimmen.
• 3. Schließlich wird eine Widerstandssumme R_sum bestimmt. Durch Summation der gemessenen Widerstandswerte der Abkühlkurve des thermoelektrischen Drahtes erhält man eine Messgröße, aus der mit Hilfe der bekannten Öltemperatur und des maximal gemessenen Widerstands R_max der Ölstand bestimmt werden kann. Um die Verarbeitung in einem Mikrocontroller zu erleichtern, kann eine Verkleinerung der Widerstandssumme erfolgen, indem jeweils der Anfangswert R₀ vom gemessenen Widerstand subtrahiert wird.
• Das vorstehend beschriebene Verfahren wird in einer nicht weiter dargestellten Ausführungsform dadurch von der Abtastzeit unabhängig gemacht, dass der jeweilige Widerstandswert mit dem Abtastintervall multipliziert wird. Graphisch gesehen ist diese Vorgehensweise als Integration der Fläche unter der Abkühlkurve zu interpretieren, wie durch die schraffierte Fläche in 7 angedeutet. Das vorstehend beschriebene Verfahren weist schon aufgrund einer Verwendung einer Vielzahl von einzelnen Messpunkten eine geringere Empfindlichkeit der Füllstandsbestimmung gegenüber Störungen auf. Es wird also fortlaufend eine Berechnung R(t) = U_mess(t)/I_mess(t) mit automatischem Fehlerausgleich durchgeführt. Ein jeweiliges Software-Rechenkonzept ist in einem Mikrocontroller bei Anwendung verschiedener Integrationsverfahren integrierbar, z. B. eines Newton-Ansatzes.
• Zur Bestimmung des Ölstands wird folgendes Verfahren angewendet: Der Ölstand bzw. level ist als Funktion von drei Variablen als level = f(R₀, R_sum, R_max) zu berechnen. Die Abbildungen der 9a, 9b zeigen typische Verläufe einer Widerstandssumme bei hohen und niedrigen Füllständen als Funktion von R_max bei einer bestimmten Temperatur. Eine Darstellung als Kennlinienschar ist in 9a und als 3-dimensionale Fläche in 9b skizziert. Die Berechnung des Ölstandes erfolgt nach dieser Funktion mit den gemessenen Eingangsgrößen in einem Mikrocontroller. Dazu kann eine geeignete Look-up-table verwendet werden.
• Hinsichtlich einer Einsparung von Speicherplatz im Controller zweckmäßiger wird jedoch eine Berechnung des Füllstandes über ein multivariates Polynom angewendet. So müssen nur die Koeffizienten der einzelnen Terme gespeichert werden. Diese Koeffizienten bzw. die Werte der Look-up-table sind durch geeignete Messungen zu ermitteln.
• Das Blockschaltbild von 10 zeigt eine mögliche Realisierung einer zu dem Verfahren passenden Schaltung als Teil einer Vorrichtung. Ein Mikrocontroller schaltet dabei den Heizstrom I_heiz und/oder die Heizspannung U_heiz, der aus der Versorgungsspannung des gesamten Sensors bezogen wird, über einen Schalttransistor S₁. Der Messstrom I_mess und/oder die Messspannung U_mess kann aus der geregelten Spannung aus dem Spannungsregler bezogen werden und ist ebenfalls durch den Controller über einen Schalttransistor S₂ schaltbar. Nach der Widerstandsmessung und der Berechnung des Füllstands erfolgt die Ausgabe des Ergebnisses z. B. über ein PWM-Signal oder über ein geeignetes Bussystem, wie z. B. LIN.
• Das vorstehend beschriebene Verfahren ist besonders für Hochtemperaturanwendungen geeignet, da der Heizstrom nur ein- bzw. ausgeschaltet wird, d. h. die Verlustleistung in einem Steuertransistor ist minimal, wodurch sich auch die Probleme mit der Eigenerwärmung des Leistungstransistors verringern. Zudem sind Kostenreduzierungen an mehreren Stellen möglich, da keine Spannungsreferenz erforderlich ist, ein Heiz-Ansteuertransistor vergleichsweise kleiner dimensioniert werden kann, eine Stromregelschaltung nicht zwingend erforderlich ist und auch eine Anzahl von Präzisionsbauteilen in Form von Widerständen oder Widerstandsarrays reduziert und zudem Leiterplattenfläche durch geringere Bauelementeanzahl Eingespart wird. Schließlich wird eine weitere Verbesserung der Messgenauigkeit dadurch erreicht, dass bei der vorstehenden Methode die Größe des Messstroms nicht in das Messergebnis mit eingeht, wodurch ein wesentlicher Ungenauigkeitsfaktor im Vergleich zu bisherigen Methoden entfällt.
• Damit wird erfindungsgemäß neben einer leichten Montage in einer Ölwanne auch ein vereinfachter Aufbau mit deutlichen Einsparpotentialen bei einem Herstellungs- und einem Betriebsverfahren offenbart. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist in existierende Systeme zudem gut integrierbar.

Claims (5)

1. Verfahren zur Bestimmung eines Füllstandes und einer Temperatur eines Fluids, bei der in Abhängigkeit von einem jeweiligen Füllstand elektrische Messwerte an einem über einen unterschiedlich großen Bereich von dem Fluid gekühlten Heizdraht (21) aufgenommen werden, wobei eine Messspannung (U_mess) und ein Messstrom (I_mess) vor und nach einer durch einen Heizstrom (I_heiz) bewirkten Erwärmung des Heizdrahts (21) zur Berechnung eines elektrischen Widerstands (R) des Heizdrahts (21) gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, dass über die Zeit einer Abkühlung eine Fläche unter einer Kurve (R(t)) des Heizdrahtwiderstands (R) als Maß für einen aktuellen Fluid-Füllstand (level) bestimmt wird.
2. Vorrichtung zur Bestimmung eines Füllstandes und einer Temperatur eines Fluids, bei der Mittel vorgesehen sind, um in Abhängigkeit von einem jeweiligen Füllstand elektrische Messwerte an einem über einen unterschiedlich großen Bereich von dem Fluid gekühlten Heizdraht aufzunehmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch ausgebildet ist, dass Mittel zum Ein- und Ausschalten eines Heizstroms (I_heiz) und eines davon verschiedenen geregelten Messstroms (I_mess) vorgesehen sind, der Heizdraht (21) eine PTC- bzw. Kaltleiter-Charakteristik aufweist und der Heizdraht (21) mit einer Auswerteschaltung durch Mittel zur Spannungsmessung bei Beaufschlagung mit dem Messstrom (I_mess) als Fluidtemperatur-Sensor und durch Verbindung mit einem Rechenwerk ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizdraht (21) U-förmig in oder an einem länglichen Gehäuse (1) unter Zugspannung mit einer Umlenkung in einen Bereich (A) angeordnet ist und über zwei Anschlusselemente mit der Auswerteschaltung verbunden ist, wobei ein Spannkörper (18) und ein Federelement (19) einstückig ausgebildet sind und insbesondere auch einstückig mit dem Gehäuse (1) der Vorrichtung (0) verbunden oder an dieses angeformt sind.
4. Vorrichtung nach einem der beiden vorangehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung zur Untersuchung eines zeitlichen Verlaufs eines Abkühlverhaltens des Heizdrahts (21) bei Beaufschlagung mit konstantem Messstrom (I_mess) über Messintervalle (t_mess1, t_mess2) von jeweils etwa 200 ms bis ca. 800 ms, vorzugsweise aber ca. 400 ms zeitlicher Länge, bei Ermittlung von Wertpaaren aus Zeitpunkt und zugehörigem Widerstandswert ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung einen Integrator umfasst.

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