DE19704683A1 - Vorrichtung zur Messung der Neigung eines Behälters relativ zu einem Flüssigkeitspegel in dem Behälter - Google Patents
Vorrichtung zur Messung der Neigung eines Behälters relativ zu einem Flüssigkeitspegel in dem BehälterInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Neigung eines Behälters relativ zu
einem Flüssigkeitspegel in dem Behälter sowie eine Sensorschutzhülse und eine Sensor
schaltung, insbesondere zur Verwendung für eine solche Meßvorrichtung.
Die Messung von Flüssigkeitsständen ist ein sich insbesondere in Kraftfahrzeugen stel
lendes Problem, wo unterschiedlichste Flüssigkeitsstände, wie Kraftstoffstand, Ölstand
oder Scheibenwaschwasserstand gemessen werden müssen. Die dabei herrschenden Be
dingungen sind für eine Messung außerordentlich schwierig, da sich das Fahrzeug ständig
in unterschiedlichsten Bewegungen befindet. Außerdem dürfen die Sensoren nicht viel
Platz beanspruchen und müssen zusammen mit den zugehörigen Sensortreiber- und Aus
werteschaltungen möglichst kostengünstig sein.
Die DE 37 42 783 C2 beschreibt eine Vorrichtung zum Messen des Flüssigkeitsstandes in
Behältern, insbesondere des Ölstands in Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, bei der
in die zu messende Flüssigkeit zwei Leiterbahnen mit temperaturabhängigem Widerstand
eintauchen. Die eine Leiterbahn liegt ständig in Reihe mit einem weiteren, konstanten
Widerstand und wird ständig von einem kleinen Strom durchflossen, von dem sie nicht
aufgeheizt wird. Die andere Leiterbahn wird periodisch mit Heizleistung beaufschlagt und
liegt bei nichterfolgender Heizleistungsbeaufschlagung in Reihe mit einem weiteren Wider
stand. Die an den beiden Leiterbahnen mit temperaturabhängigem Widerstand abfallenden
Spannungen werden in einem Komparator miteinander verglichen und einer Auswerte
schaltung zugeführt. Die eine Leiterbahn wird jeweils solange aufgeheizt, bis die Span
nungsdifferenz zwischen den beiden Leiterbahnen einen vorbestimmten Wert annimmt.
Dann wird die Aufheizung unterbrochen und die Zeitdauer gemessen, die vergeht, bis die
Spannungsdifferenz einen vorbestimmten tieferen Wert unterschreitet. Aus dieser Ab
kühlzeitdauer wird auf den Flüssigkeitsstand geschlossen.
Eine Eigenart der bekannten Vorrichtung liegt darin, daß sie für die Füllstandsmessung
zwei Leiterbahnen mit temperaturabhängigem Widerstand benötigt, was einerseits Platz
erfordert und andererseits bei einer Neigung des Behälters relativ zum Flüssigkeitspegel zu
Verfälschungen des Meßergebnisses führt.
In jüngerer Zeit ist aufgrund von Fortschritten in der Steuerung bzw. Regelung der Fahr
dynamik eines Fahrzeuges dessen Längs- und/oder Querneigung sowie dessen Längs- und/oder
Querbeschleunigung von Interesse. Dazu werden Beschleunigungs- und/oder
Neigungssensoren eingesetzt, die auf der Trägheit von Massen beruhen und die Aus
lenkung von elastischen Elementen durch solche Massen auswerten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine funktionssichere, in ihrem Aufbau ein
fache und kostengünstige Vorrichtung zu schaffen, mit der eine Fahrzeugneigung bestimmt
werden kann.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet beispielsweise mit an sich bekannten Flüssig
keitsstandsensoren, wie sie in Flüssigkeitsbehältern von Kraftfahrzeugen verwendet wer
den. Wenn man mehrere solcher Sensoren in einem Behälter in gegenseitigem Abstand
anordnet, kann aus Unterschieden der Sensorausgangssignale bzw. der Ausgangssignale
von den Sensoren zugeordneten Schaltungen auf die Neigung eines Behälters relativ zu
dem Flüssigkeitspegel in dem Behälter geschlossen werden, wobei bei starrem Einbau des
Behälters in das Fahrzeug auch auf die Fahrzeugneigung und die Fahrzeugbeschleunigung
geschlossen werden kann.
Die Unteransprüche 2 bis 6 sind auf vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung gerichtet, wobei mit den Merkmalen des Anspruchs 2 eine kostengünstige und
funktionssichere Schaltung realisierbar ist.
Der Anspruch 7 kennzeichnet eine Sensorschutzhülse, wie sie insbesondere für mehrere
Sensoren verwendet werden kann, die in einer Vorrichtung zum Messen der Neigung eines
Behälters relativ zu einem Flüssigkeitspegel in dem Behälter enthalten sind. Mit der er
findungsgemäßen Anordnung der Löcher der Sensorschutzhülse wird erreicht, daß die
Behälterneigung auch dann noch ermittelt werden kann, wenn die Flüssigkeit infolge unter
schiedlichster Einflüsse ungewöhnlich hoch ansteigt oder ungewöhnlich weit absinkt.
Die Unteransprüche 8 und 9 bilden die erfindungsgemäße Sensorschutzhülse in vorteil
hafter Weise weiter.
Die Ansprüche 10 und 11 sind auf Ausbildungen von Sensorschaltungen gerichtet, wie sie
besonders vorteilhaft zur Verwendung für eine Vorrichtung zum Messen der Neigung eines
Behälters relativ zu einem Flüssigkeitspegel in dem Behälter eingesetzt werden können.
Diese erfindungsgemäßen Sensorschaltungen zeichnen sich nämlich dadurch aus, daß sie je
Flüssigkeitssensor mit nur einer Leiterbahn mit temperaturabhängigem Widerstand arbei
ten, was den Platzbedarf minimiert und den Aufbau vereinfacht.
Mit den Merkmalen der Unteransprüche 12 bis 14 werden die erfindungsgemäßen Sensor
schaltungen in vorteilhafter Weise weitergebildet.
Die Erfindung eignet sich in besonderer Weise zum Einsatz für Ölniveausensoren, die zu
sätzlich mit einer Neigungserkennung ausgerüstet sind. Ölstandssensoren werden zur Ver
meidung von Motorschäden zunehmend eingesetzt. Im realen Fahrbetrieb ergeben sich
häufig Schwierigkeiten, da das Öl in bestimmten Fahrzuständen beispielsweise in einer
Ecke der Ölwanne zusammenläuft und in den anderen Bereichen der Ölstand deshalb be
sonders stark absinkt. Solange solche Fahrzustände nur kurz anhalten, können sie durch
Filterung herausgeglättet werden oder es kann die Fahrzeugbeschleunigung über eine
Änderung der Motordrehzahl ermittelt werden und zur Kompensation herangezogen
werden. Bei Fahrten in Bergabschnitten mit längeren Steigungen bzw. Gefällen ist eine
solche Kompensation jedoch kaum möglich. An einem zuverlässigen, preisgünstigen und
neigungskompensierten Ölniveausensor besteht daher großes Interesse, wobei das Nei
gungssignal eines solchen Sensors auch für solche Zwecke verwendet werden kann, wie
z. B. Korrektur anderer Füllstandsanzeigen, automatische Betätigung der Handbremse am
Berg nach Abstellen des Fahrzeugs, Laststeuerung bei Automatikgetrieben usw.
Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise, und
mit weiteren Einzelheiten erläutert.
Es stellen dar:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Sensorschutzhülse mit darin angeordneten
Sensoren,
Fig. 2 eine Auswerteschaltung für die Sensoranordnung gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht, teilweise im Schnitt, der Anordnung gemäß
Fig. 1,
Fig. 4 ein Schaltbild einer Sensorschaltung, wie sie für einen lediglich aus einer
Leiterbahn bestehenden Sensor verwendbar ist, und
Fig. 5 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der Sensorschaltung gemäß
Fig. 4.
Gemäß Fig. 1 sind innerhalb einer Schutzhülse 2, die beispielsweise innerhalb einer Öl
wanne eines Kraftfahrzeugmotors angebracht ist, drei Flüssigkeitsstandsensoren 3 im Ab
stand von der Innenseite der Schutzhülse 2 in den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks (ge
strichelt eingezeichnet) angeordnet. Die Flüssigkeitsstandsensoren 3, die sich senkrecht
mindestens über den Bereich der zu messenden Flüssigkeitsstände erstrecken, können in
unterschiedlicher Weise ausgebildet sein, beispielsweise als Kondensatoren, Leiterbahnen
mit Mäanderstruktur, Widerstandsdrähte usw. Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung
jedes Flüssigkeitssensors als Widerstandsdraht mit einer gleichmäßigen, insbesondere
längenproportionalen Zunahme des Widerstands über seine Länge und hoher Temperatur
abhängigkeit des Widerstands.
Typische Abmessungen sind beispielsweise ein Durchmesser der Schutzhülse 2 von 3,8 cm
und ein Umkreis-Radius des gleichseitigen Dreiecks von 2,8 cm, so daß der Abstand eines
Sensors 3 von der Innenwand der Schutzhülse etwa 0,5 cm beträgt. Der gegenseitige Ab
stand der Sensoren 3 beträgt dann 2,4 cm.
Bei einer Neigung von 2,4° in einer von zwei Sensoren aufgespannten Ebene ergibt sich
dann ein Flüssigkeitsunterschied von etwa 1 mm bei diesen Sensoren. Bei entsprechend
genauen Sensoren mit geeigneter Calibrierung ist eine solche Auflösung erreichbar.
Eine Auswerteschaltung zur Ermittlung der Neigung ist in Fig. 2 dargestellt:
Die Flüssigkeitsstandsensoren 3, dargestellt als Widerstände, sind jeweils in Reihe mit Vorwiderständen 5 geschaltet, wobei jede Reihenschaltung an der Versorgungsspannung UB liegt. Abgriffspunkte zwischen den Flüssigkeitssensoren 3 und den Vorwiderständen 5 sind jeweils paarweise mit den Eingängen von zwei Komparatoren 7 verbunden, denen Verstärker 9 nachgeschaltet sind, die mit Eingängen einer Auswerteschaltung 11 verbunden sind. Die Verstärker 9 können bei entsprechender Auslegung der Komparatoren 7 und der Auswerteschaltung 11 entfallen.
Die Flüssigkeitsstandsensoren 3, dargestellt als Widerstände, sind jeweils in Reihe mit Vorwiderständen 5 geschaltet, wobei jede Reihenschaltung an der Versorgungsspannung UB liegt. Abgriffspunkte zwischen den Flüssigkeitssensoren 3 und den Vorwiderständen 5 sind jeweils paarweise mit den Eingängen von zwei Komparatoren 7 verbunden, denen Verstärker 9 nachgeschaltet sind, die mit Eingängen einer Auswerteschaltung 11 verbunden sind. Die Verstärker 9 können bei entsprechender Auslegung der Komparatoren 7 und der Auswerteschaltung 11 entfallen.
Der Verbindungspunkt zwischen einem der Flüssigkeitssensoren 3 und dem zugehörigen
Vorwiderstand 5 ist über eine Leitung 13 unmittelbar mit der Auswerteschaltung 11 ver
bunden. Die Auswerteschaltung 11 weist einen Ausgang 15 zur Abgabe eines der Neigung
der Schutzhülse 2 relativ zum Flüssigkeitspegel entsprechenden Neigungssignals und einen
Ausgang 17 zur Abgabe eines dem Flüssigkeitsfüllstand entsprechenden Flüssigkeits
füllstandssignals auf.
Die Funktion der beschriebenen Schaltung ist folgende:
Eine Neigung der Schutzhülse 2 mit den darin angebrachten Flüssigkeitssensoren 3 relativ zur Senkrechten führt zu unterschiedlichen Flüssigkeitsständen an den Flüssigkeitssensoren 3. Die Unterschiede der Flüssigkeitsstände machen sich durch unterschiedliche Spannungen an den Abgriffspunkten bemerkbar, die in den Komparatoren 7 miteinander verglichen werden. Aus der Größe der Spannungsunterschiede kann auf die Größe der Flüssigkeits standunterschiede geschlossen werden, die wiederum wegen der bekannten geometrischen Anordnung der Flüssigkeitsstandsensoren 3 mittels in der Auswerteschaltung 11 abgelegten Algorithmen in ein Neigungssignal umgerechnet werden kann, das die Neigung der Schutz hülse 2 relativ zu einer X- und Y-Richtung enthält. Es versteht sich, daß die Neigung auch durch Vergleich der Spannungsunterschiede mit Werten ermittelt werden kann, die in ei nem empirisch ermittelten Kennfeld in einem Speicher der Auswerteschaltung 11 abgelegt sind.
Eine Neigung der Schutzhülse 2 mit den darin angebrachten Flüssigkeitssensoren 3 relativ zur Senkrechten führt zu unterschiedlichen Flüssigkeitsständen an den Flüssigkeitssensoren 3. Die Unterschiede der Flüssigkeitsstände machen sich durch unterschiedliche Spannungen an den Abgriffspunkten bemerkbar, die in den Komparatoren 7 miteinander verglichen werden. Aus der Größe der Spannungsunterschiede kann auf die Größe der Flüssigkeits standunterschiede geschlossen werden, die wiederum wegen der bekannten geometrischen Anordnung der Flüssigkeitsstandsensoren 3 mittels in der Auswerteschaltung 11 abgelegten Algorithmen in ein Neigungssignal umgerechnet werden kann, das die Neigung der Schutz hülse 2 relativ zu einer X- und Y-Richtung enthält. Es versteht sich, daß die Neigung auch durch Vergleich der Spannungsunterschiede mit Werten ermittelt werden kann, die in ei nem empirisch ermittelten Kennfeld in einem Speicher der Auswerteschaltung 11 abgelegt sind.
Aus dem über die Leitung 13 der Auswerteschaltung 11 zugeführten Absolutsignal und
dessen Korrektur mit den Neigungen kann der mittlere Flüssigkeitsfüllstand innerhalb der
Schutzhülse 3 ermittelt und am Füllstandssignal 17 angezeigt werden. Es versteht sich, daß
der Füllstand bei entsprechender Abänderung der Schaltung auch durch direkte Mittelwert
bildungen der Spannungen an den Abgriffspunkten ermittelt werden kann.
Die Verwendung der Komparatoren zur Neigungsermittlung hat den Vorteil, daß die Span
nungen an den Flüssigkeitssensoren 3 bzw. den Abgriffspunkten zwischen den Flüssig
keitssensoren 3 und den Vorwiderständen 5 in analoger Technik direkt miteinander vergli
chen werden können. Am Ausgang der Komparatoren kann ein Signal abgegriffen werden,
das direkt den unterschiedlichen Füllstand an den beiden Flüssigkeitssensoren widergibt.
Um eine höhere Auflösung zu erreichen, können den Komparatoren 7 die Verstärker 9
nachgeschaltet werden. Anschließend reicht ein A-D-Wandler mit 8 Bit Auflösung aus, um
ein brauchbares Neigungssignal zu detektieren und zur weiteren Berechnung bzw. Aus
wertung weiter zu geben.
Da Fertigungstoleranzen die Genauigkeit und die Reproduzierbarkeit wesentlich beein
flussen, ist es vorteilhaft, in einem oder mehreren Kalibrierschritten die einzelnen Flüssig
keitsstandsensoren 3 abzugleichen bzw. geeignete Kalibrierfaktoren in einem Mikrocon
troller (schaltungsmäßig nicht dargestellt) abzuspeichern. Wird zum Beispiel der Flüssig
keitsstandsenor während der Endmontage senkrecht in ein geeignetes Flüssigkeitsbad
getaucht und ein Offset an den jeweiligen Komparatoren detektiert, kann dieser Offset mit
Hilfe geeigneter Abgleichwiderstände auf Null getrimmt werden oder durch einen Kor
rekturfaktor innerhalb der Auswerteschaltung 11 berücksichtigt werden.
Ein Problem des bisher beschriebenen Systems mit drei Flüssigkeitssensoren 3 tritt bei
Überflutung bzw. Absinken des Flüssigkeitsniveaus, vorzugsweise des Ölniveaus, über
bzw. unter den Meßbereich auf. Während des Fahrzeugbetriebs treten starke Turbulenzen
und Strömungen in der Ölwanne auf, so daß die Schutzhülse bisher bekannter Ölstands
sensoren an ihrem unteren und oberen Ende mit Öffnungen versehen ist. Erfindungsgemäß
sind diese in Fig. 1 in Aufsicht sichtbaren Öffnungen vorteilhafterweise als Röhrchen 19
ausgebildet, die sich von der Umfangswand der Schutzhülse 2 waagrecht radial einwärts
erstrecken und vorteilhafterweise über den Kreis hinaus reichen, auf dem die Flüssigkeits
sensoren 3 angeordnet sind. Der Abstand zwischen den Flüssigkeitssensoren ist vorteil
hafterweise möglichst groß, jedoch durch den Durchmesser der Schutzhülse 2 begrenzt.
Fig. 3 zeigt, daß die oberen dieser Röhrchen etwas unterhalb dieser Obergrenze des
Meßbereiches (max) und die unteren der Röhrchen 19 etwas oberhalb der Untergrenze des
Meßbereiches (min) angeordnet sind. Die Abstände betragen beispielsweise 5 mm. Der
Meßbereich ist dadurch zwar um 2 × 5 mm, also etwa 1 cm, vermindert (normaler Meß
bereich beispielsweise 5 cm). Bei geringer Neigung schwankt der Füllstand üblicherweise
nur im Bereich der vorgeschriebenen Minimum-Maximum-Menge eines Fahrzeugs, bei
spielsweise um etwa 2 cm.
Wird bei Fahrten in bergigen Gegenden die Schutzhülse außen über das Maximum hinaus
überflutet, so läuft ihr Innenraum nur soweit mit Öl voll, wie es die oberen Röhrchen 19,
die vom Außenraum in den Innenraum führende Kanäle bzw. Öffnungen oder Löcher
bilden, geometrisch erlauben. Oberhalb der Röhrchen 19 bildet sich dann eine Gasblase
GB, die ein Überfluten der Sensoren 3 verhindert und eine funktionierende Neigungs
erkennung sicherstellt.
Ein Zahlenbeispiel: bei einem Abstand der Sensoren 3 von 24 mm und zum Beispiel 5 mm
langen Röhrchen kann eine Neigung von bis zu 120 (5 × 2,40) trotz überflutetem Sensor
detektiert werden. Werden die Röhrchen weiter nach innen verlängert, so kann die detek
tierbare Neigung weiter erhöht werden.
Ähnliches gilt für ein Absinken des Flüssigkeitsstandes unter das Minimum; hier bleibt
wegen der unteren Röhrchen 19 ein Restvolumen RVol von Öl innerhalb der Schutzhülse 2,
das die Funktionstüchtigkeit der Neigungserkennung sicherstellt.
Fig. 4 zeigt den Grundaufbau einer Sensorschaltung, wie sie vorteilhafterweise zur An
steuerung und Auswertung eines einzelnen in Form einer Leiterbahn mit temperatur
abhängigem Widerstand ausgebildeten Flüssigkeitsstandsensors verwendet wird.
Dargestellt ist ein als Leiterbahn mit temperaturabhängigen Widerstand ausgebildeter
Flüssigkeitsstandsensor 3, der innerhalb einer Schutzhülse 2 in innerhalb eines Behälters 21
befindliche Flüssigkeit, beispielsweise Motoröl, eintaucht. Der Flüssigkeitsstandsensor 3
ist an einem Ende mit einem Pol einer Fahrzeugspannungsversorgung, beispielsweise einer
Batterie 23, verbunden und am anderen Ende mit dem Ausgang eines Schalters 25, einem
Vorwiderstand RV 27 und einem Eingang einer Steuer- und Auswerteschaltung 29 ver
bunden, die ahnlich wie die Auswerteschaltung 11 der Fig. 2 vorteilhafterweise von
einem Mikroprozessor gesteuert ist. Ein Steuerausgang der Steuer- und Auswerteschaltung
29 ist mit einem Eingang des Schalters 25 verbunden, der über einen Zündschalter 31 mit
der Batterie 23 verbunden ist. Der Vorwiderstand 27 ist an seinem vom Sensor 3 abge
wandten Ende ebenfalls mit dem Zündschalter 31 verbunden, über den auch die Steuer-
und Auswerteschaltung 29 mit Strom versorgt wird. Ein weiterer Ausgang der Steuer- und
Auswerteschaltung 29 ist mit einer Anzeigeeinheit 33 verbunden.
Das Funktionsprinzip der dargestellten Schaltung ist folgendes:
Bei geschlossenem Zündschalter 31 ist die Steuer- und Auswerteschaltung 29 aktiviert. Bei Vorliegen bestimmter Bedingungen, die von einem internen Zeitgeber und/oder dem vom Verbindungspunkt zwischen dem Vorwiderstand 27 und dem Sensor 3 kommenden Signal abhängen, liefert die Steuer- und Auswerteschaltung 29 ein Signal an den Schalter 25, der bei Vorliegen eines Signals den Sensor 3 unmittelbar an die Batteriespannung 23 legt, so daß der Sensor 3 während dieser Phase aufgeheizt wird. Fehlt das Ausgangssignal von der Steuer- und Auswerteschaltung 29, so liegt der Verbindungspunkt zwischen dem Vorwi derstand 27 und dem Sensor 3 in einer Spannungsteilerschaltung, so daß dessen Spannung ein Maß für den Widerstand und damit in gewisser Weise die Temperatur des Flüssig keitsstandsensors 3 ist. Innerhalb der Steuer- und Auswerteschaltung 29 erfolgt eine Signalverarbeitung, die ein der Anzeigeeinheit 33 zugeführtes Füllstandsignal ermittelt.
Bei geschlossenem Zündschalter 31 ist die Steuer- und Auswerteschaltung 29 aktiviert. Bei Vorliegen bestimmter Bedingungen, die von einem internen Zeitgeber und/oder dem vom Verbindungspunkt zwischen dem Vorwiderstand 27 und dem Sensor 3 kommenden Signal abhängen, liefert die Steuer- und Auswerteschaltung 29 ein Signal an den Schalter 25, der bei Vorliegen eines Signals den Sensor 3 unmittelbar an die Batteriespannung 23 legt, so daß der Sensor 3 während dieser Phase aufgeheizt wird. Fehlt das Ausgangssignal von der Steuer- und Auswerteschaltung 29, so liegt der Verbindungspunkt zwischen dem Vorwi derstand 27 und dem Sensor 3 in einer Spannungsteilerschaltung, so daß dessen Spannung ein Maß für den Widerstand und damit in gewisser Weise die Temperatur des Flüssig keitsstandsensors 3 ist. Innerhalb der Steuer- und Auswerteschaltung 29 erfolgt eine Signalverarbeitung, die ein der Anzeigeeinheit 33 zugeführtes Füllstandsignal ermittelt.
Anhand Fig. 5 werden nun Funktionsbeispiele erläutert:
In dem Diagramm gemäß Fig. 5 ist senkrecht die am Verbindungspunkt zwischen dem Vorwiderstand 27 und dem Sensor 3 abgegriffene Spannung bzw. die Temperatur des Sensors 3 dargestellt, für die diese Spannung ein Maß ist. Die Waagrechte bildet die Zeitachse.
In dem Diagramm gemäß Fig. 5 ist senkrecht die am Verbindungspunkt zwischen dem Vorwiderstand 27 und dem Sensor 3 abgegriffene Spannung bzw. die Temperatur des Sensors 3 dargestellt, für die diese Spannung ein Maß ist. Die Waagrechte bildet die Zeitachse.
T0 stellt die Flüssigkeitstemperatur bzw. Öltemperatur dar. Nach einer kurzen Aufheiz
phase erreicht der Sensor 3 eine Starttemperatur T1min, die etwas oberhalb der Flüssig
keitstemperatur T0 liegt. Wenn T1min erreicht wird, wird der Flüssigkeitssensor 3 unter
Steuerung der Steuer- und Auswerteschaltung 29 durch Schließen des Schalters 25 während
einer vorbestimmten Zeitdauer TG aufgeheizt. Dabei kann dem Sensor 3 die definierte elek
trische Energiemenge Q = tG U2/R zugeführt werden, wobei tG die gesamte Heizdauer ist,
U die anliegende Spannung, R der Widerstand des Sensors 3. Wird nach der Zeitdauer tG
die Aufheizung durch Öffnen des Schalters 25 beendet, so kann die durch das Aufheizen
erreichte Temperatur T1max gemessen werden, die ein Maß für den Füllstand ist. Bei
niedrigem Füllstand wird eine höhere Temperatur erreicht, bei höheren Füllständen eine
niedrigere Temperatur. Der Füllstand kann aus der erreichten Temperatur T1max beispiels
weise durch Auslesen eines in der Steuer- und Auswerteschaltung abgelegten, empirisch
ermittelten Kennfeldes ermittelt werden, in dem die bei bekannten Füllständen erzielten
Temperaturen T1max abgelegt sind.
Der Sensor kann anschließend auf die Temperatur T1min abkühlen, woraufhin der Vorgang
erneut beginnt. Es kann auch die Zeitdauer tA ermittelt werden, die zum Abkühlen des
Sensors 3 auf eine vorbestimmte Temperatur T2min erforderlich ist und aus dieser Zeitdauer
in ähnlicher Weise der Füllstand ermittelt werden usw.
Da im Auto die Versorgungsspannung üblicherweise schwankt, ist die Heizdauer für eine
definierte Energiezufuhr unterschiedlich. Um in allen Betriebsfällen eine möglichst kon
stante Aufheizphase bzw. definierte Energie zu erreichen, kann es vorteilhaft sein, mittels
Pulsbreitenmodulation bei hohen Versorgungsspannungen die Heizdauer eines Impulses zu
verkürzen, wobei gilt:
Q = ntH U2/R
wobei
wobei
n = Anzahl der Pulsbreiten-/modulierten Impulse für die Dauer des Heizvorgangs,
tH = Heizzeit während eines Impulses.
tH = Heizzeit während eines Impulses.
Es gilt: tG = n(tH + tP).
Hierbei bezeichnet tP = heizfreie Periode während eines Impulses.
Ein alternatives Meßverfahren erfolgt folgendermaßen:
In einem Kennfeld in der Steuer- und Auswerteschaltung 29 werden Temperaturdifferenzen abgelegt, die bei einer gegebenen Temperatur T1min bei konstanter, bekannter Heizleistung und bekannten Füllständen nach unterschiedlichen Zeitdauern erreicht werden. Wird nun entsprechend Fig. 5 bei der gleichen konstanten Heizleistung nach der Zeit tG die Tem peratur T1max erreicht, so kann aus dem empirisch ermittelten Kennfeld anhand der benö tigten Zeit tG der Füllstand ausgelesen werden. Wird mit einer anderen Heizleistung als der bei der Ermittlung des Kennfelds verwendeten Heizleistung gearbeitet, so muß die Heiz leistung entsprechend korrigiert werden.
In einem Kennfeld in der Steuer- und Auswerteschaltung 29 werden Temperaturdifferenzen abgelegt, die bei einer gegebenen Temperatur T1min bei konstanter, bekannter Heizleistung und bekannten Füllständen nach unterschiedlichen Zeitdauern erreicht werden. Wird nun entsprechend Fig. 5 bei der gleichen konstanten Heizleistung nach der Zeit tG die Tem peratur T1max erreicht, so kann aus dem empirisch ermittelten Kennfeld anhand der benö tigten Zeit tG der Füllstand ausgelesen werden. Wird mit einer anderen Heizleistung als der bei der Ermittlung des Kennfelds verwendeten Heizleistung gearbeitet, so muß die Heiz leistung entsprechend korrigiert werden.
Zur Steigerung der Genauigkeit ist es vorteilhaft, auch die Abkühldauer tA mit in die Er
mittlung des Füllstandes einzubeziehen. Nachdem die Temperatur T1max erreicht ist, wird
die Heizung abgeschaltet. In einem weiteren Kennfeld sind die empirisch ermittelten Zeit
dauern abgelegt, in denen der Meßfühler ausgehend von T1max bei unterschiedlichen Füll
ständen um eine bestimmte Temperaturdifferenz abkühlt. Wird die Temperatur T1min nach
der für den bei der Aufheizphase ermittelten Füllstand nach der Zeit tA wieder erreicht, so
sind Temperatur und Füllstand während des Meßzyklus gleich geblieben. Stellt sich eine
höhere Temperatur ein, hat entweder der Füllstand abgenommen oder die Temperatur ist
angestiegen. Ist nur die Temperatur gestiegen, erfolgt der nächste Meßzyklus auf einem
entsprechend höheren Temperaturniveau usw.
Da sich die Temperatur im Mittel wesentlich langsamer ändert als der Füllstand, liefert der
Füllstand den dominierenden Meßbeitrag, während die Temperatur nur kleinere Korrek
turen liefert. Eine Ausnahmesituation stellt lediglich die Kaltstart- und Aufwärmphase
(Aufwärmung des Motors auf 80°C) dar. Hier kann durch geeignete Algorithmen der
Temperatureffekt ermittelt und korrigiert werden, oder auf hohe Genauigkeit der Anzeige
verzichtet werden. In einer abgeänderten Ausführungsform kann der Algorithmus so
gewählt werden, daß nur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches eine genaue
Anzeige erfolgt.
Es versteht sich, daß die Schaltung gemäß Fig. 4 mit der der Fig. 2 zusammengefaßt
werden kann, wobei die Flüssigkeitssensoren 3 während ihrer gleichzeitig erfolgenden
Aufheizphasen in Reihe oder parallel zur Batterie 23 geschaltet sein können.
Claims (14)
1. Vorrichtung zum Messen der Neigung eines Behälters relativ zu einem Flüssigkeits
pegel in einem Behälter, enthaltend
- - wenigstens zwei in einem vorbestimmten gegenseitigem Abstand angeordnete, sich über einen vorbestimmten Bereich von Flüssigkeitsständen erstreckende Sensoren (3), deren Ausgangssignale vom Flüssigkeitsstand im Bereich des Sensors abhängen, und
- - eine Auswerteschaltung (11) zum Ermitteln eines aus dem Unterschied der Ausgangs signale und dem Abstand der Sensoren hergeleiteten Neigungssignals.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Ausgänge je eines von zwei Sensoren mit
einem Komparator (7) verbunden sind, dem die Auswerteschaltung (11) nachgeschaltet
ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Sensoren (3) durch Leiterbahnen mit
temperaturabhängigem Widerstand gebildet sind, und der Eingang des Komparators (7)
direkt mit einem Ende einer jeweiligen Leiterbahn verbunden ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Auswerteschaltung (11)
ein Kennfeld enthält, in dem experimentell ermittelte, den Unterschieden der Ausgangs
signale der Sensoren (3) zugeordnete Neigungswerte abgelegt sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der drei Sensoren (3) in den Ecken
eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind und zwei Komparatoren (7) vorge
sehen sind, an die je zwei der drei Sensoren angeschlossen sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Auswerteschaltung (11)
direkt mit dem Ausgangssignal eines Sensors beaufschlagt ist.
7. Sensorschutzhülse, insbesondere zur Verwendung für eine Vorrichtung nach einem
der Ansprüche 1 bis 6, enthaltend einen Innenraum, der die Sensoren (3) aufnimmt und
über Löcher (19) mit dem Behälterinneren verbunden ist, wobei die am tiefsten ange
ordneten Löcher oberhalb des niedrigsten, normalerweise zu erfassenden Flüssigkeits
standes und die obersten Löcher unterhalb des höchsten, normalerweise zu erfassenden
Flüssigkeitsstandes angeordnet sind.
8. Sensorschutzhülse nach Anspruch 7, bei der die Löcher durch Kanäle innerhalb von
Röhrchen (19) gebildet sind, die von einer Umfangswand der Hülse (2) in deren Inneres
vorstehen.
9. Sensorschutzhülse nach Anspruch 8, bei der die Röhrchen (19) etwa im gleichen Ab
stand von der Umfangswand der Sensorschutzhülse (2) enden, den die Sensoren (3) von
der Umfangswand haben.
10. Sensorschaltung, insbesondere zur Verwendung für eine Vorrichtung nach Anspruch
1, enthaltend
- - eine Leiterbahn mit temperaturabhängigem Widerstand als Sensor (3),
- - eine Heizschaltung (23, 25) zum zeitweiligen Beaufschlagen der Leiterbahn mit einer vorbestimmten Heizleistung,
- - eine Meßschaltung (3, 27) zum Messen des Widerstandes der Leiterbahn und eine Steuer- und Auswerteschaltung (29), wobei die Steuer- und Auswerteschaltung die Heiz schaltung derart steuert, daß die Leiterbahn während einer vorbestimmten Zeitdauer mit einer vorbestimmten Leistung beheizt wird, daß die dabei erreichte Endtemperatur der Leiterbahn gemessen wird und daß der Flüssigkeitsstand auf Basis dieser Endtemperatur ermittelt wird.
11. Sensorschaltung insbesondere zur Verwendung für eine Vorrichtung nach Anspruch
1, enthaltend
- - eine Leiterbahn mit temperaturabhängigem Widerstand als Sensor (3),
- - eine Heizschaltung (23, 25) zum zeitweiligen Beaufschlagen der Leiterbahn mit einer vorbestimmten Heizleistung,
- - eine Meßschaltung (3, 27) zur Messung des Widerstandes der Leiterbahn und
- - eine Steuer- und Auswerteschaltung (29), wobei die Steuer- und Auswerteschaltung die Heizleistung derart steuert, daß die Leiterbahn mit einer bestimmten Heizleistung auf eine vorbestimmte Temperatur aufgeheizt wird, daß die dazu erforderliche Zeitdauer gemessen wird und daß der Flüssigkeitsstand auf Basis dieser Zeitdauer ermittelt wird.
12. Sensorschaltung nach Anspruch 11, bei der zusätzlich die Zeitdauer gemessen wird,
die die Leiterbahn zum Abkühlen von der vorbestimmten Temperatur auf eine vorbe
stimmte niedrigere Temperatur benötigt und diese Zeitdauer zusätzlich zum Ermitteln
des Füllstandes herangezogen wird.
13. Sensorschaltung nach Anspruch 10 oder 11, bei der das Aufheizen der Leiterbahn
ausgehend von einem vorbestimmten Widerstand erfolgt, der einer über der Temperatur
der Flüssigkeit liegenden Temperatur der Leiterbahn entspricht.
14. Sensorschaltung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei der die Ermittlung des
Füllstandes dadurch erfolgt, daß die gemessene Zeitdauer bzw. Temperatur mit em
pirisch bestimmten, in der Steuer- und Auswerteschaltung abgelegten Kennfeldern
verglichen wird, die die entsprechenden, bei bekannten Füllständen ermittelten Zeit
dauern oder Temperaturen enthalten.
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