DE19733830A1

DE19733830A1 - Vorrichtung zum Messen der Fülstandshöhe in einem Behälter mittels Thermoelementen

Info

Publication number: DE19733830A1
Application number: DE1997133830
Authority: DE
Inventors: Gottfried Prof Dr Domorazek
Original assignee: Kromberg and Schubert GmbH and Co KG
Current assignee: DOMORAZEK, GOTTFRIED, PROF. DR., 93138 LAPPERSDORF
Priority date: 1997-08-05
Filing date: 1997-08-05
Publication date: 1999-02-11

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art, wo Thermoelemente zur Messung herangezo gen werden. Diese Messung beruht auf dem physikalischen Effekt, daß die Thermospannung eines Thermoelements sich in Abhängigkeit davon ändert, ob seine Verbindungsstellen mit der Flüssigkeit unterhalb eines Flüssigkeitsspiegels oder mit einem Gas oberhalb des Flüssigkeitsspiegels in thermischem Kontakt kommen. Die eine Verbindungsstelle im Thermoele ment wird von einem elektrischen Heizleiter erwärmt und über eine Rege lung des Heizstroms auf einer möglichst konstanten Temperatur gehalten, weshalb hier von einer "warmen Verbindungsstelle" gesprochen werden soll. Die andere Verbindungsstelle ist unbeheizt und soll daher "kalte Verbindungsstelle" genannt werden. Mit einer Schar von in definierter Höhe im Behälterinneren angeordneten Thermoelementen läßt sich so die jeweilige Füllstandshöhe ermitteln. Diese Thermoelemente wirken als Meß sensoren.

Bei der bekannten Vorrichtung dieser Art (DE 44 34 646 A1) verwendet man ein oder mehrere weitere Thermoelemente, deren warme Verbindungs stelle von dem Heizstrom des gleichen elektrischen Heizleiters wie diejeni gen der Meßsensoren erwärmt werden. Diese Thermoelemente werden dazu verwendet, um den Heizstrom zu regeln, wobei als Führungsgröße für die Regelung eine Referenzspannung verwendet wird. Diese weiteren Thermoelemente sollen nachfolgend kurz "Referenzsensoren" bezeichnet werden. Die Regelungswirkung der Referenzsensoren soll Fehler korrigieren, die sich aus Temperatureinflüssen oder aus Langzeitfehlern ergeben, bedingt durch die Alterung des Widerstandes vom Heizleiter. Man meinte bisher, diesen bzw. diese Referenzsensoren unabhängig von den Meßsensoren positio nieren zu müssen, um sie nicht mit der Flüssigkeit in Kontakt kommen zu lassen. Andernfalls wäre ihre Regelungswirkung undurchführbar.

Man hat daher bei den bekannten Vorrichtungen den bzw. die Referenzsen soren außerhalb des Behälters mit der zu messenden Füllstandshöhe angeord net, was nicht nur entsprechenden Platzaufwand erfordert, sondern auch Schaltungsprobleme bei der Verbindung mit den Meßsensoren und deren Heizleiter bringt. Die unabhängige Anbringung des bzw. der Referenzsenso ren erfordert entsprechende Maßnahmen für ihren Schutz. Dazu sind zusätz liche Bauteile nötig, die den Platzbedarf erhöhen. Die gesonderte Anbringung der Referenzsensoren erhöhte auch ihre Störanfälligkeit. Herstellung und Montage der Referenzsensoren und ihres Schutzes sind umständlich und kostenaufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine preiswerte störungsfreie Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art zu ent wickeln, die raumsparend ist und die sich leicht mit dem Schaltkreis der Meßsensoren elektrisch verbinden läßt. Dies wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angeführten Maßnahmen erreicht, denen folgende besondere Bedeutung zukommt.

Weil die Referenzsensoren zusammen mit den Meßsensoren im Behälterinne ren angeordnet sind, ist ihre Zusammenschaltung besonders einfach. Der Behälter selbst übernimmt die Schutzfunktion für die in seinem Inneren plazierten Referenzsensoren. Die Regelungswirkung der Referenzsensoren bleibt dabei deswegen erhalten, weil ihre Verbindungsstellen an einem Körper mit unveränderlicher thermischer Wärmeleitfähigkeit zur Anlage gebracht sind. Dies kann durch eine thermische Isolation erfolgen, welche die Verbindungsstellen der Referenzsensoren gegenüber der Flüssigkeit schützt. Ein solcher Körper konstanter Wärmeleitfähigkeit könnte auch ein Kunststoff-Körper sein. Die Meßsensoren und Referenzsensoren sind gegenüber den zugehörigen elektrischen Heizleitern isoliert.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Referenzsensoren am Boden des Behälters anzuordnen, wo stets ein Rest von Flüssigkeit stehen bleibt, der für die gleichbleibende Wärmeleitfähigkeit zwischen der warmen und der kalten Verbindungsstellen sorgt. Schließlich wäre es auch denkbar, hierfür den oberen Bereich des Behälters zu nutzen, wo auch bei vollem Füllstand keine Flüssigkeit hingelangt. Im letztgenannten Fall sorgt das dort stets vorhandene Gas für die gleichbleibende thermische Wärmeleitfä higkeit. Bei diesen beiden letztgenannten Alternativen bieten sich entspre chende Ausbeulungen im Inneren des Behälters zur Aufnahme der Referenz sensoren im Behälterinneren an.

Die einfachste Möglichkeit zur Verwirklichung der Erfindung ist aber die vorgenannte Verwendung einer thermischen Isolation im Bereich der Refe renzsensoren, wofür es verschiedene Möglichkeiten gibt. Einige davon sind in den Unteransprüchen genannt. Weitere Maßnahmen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen. In den Zeichnungen ist die Erfindung schematisch in mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch, einen Anwendungsfall der erfindungsgemäßen Vorrich tung an einem Kraftstofftank eines Fahrzeugs,

Fig. 2 schematisch, das Bauprinzip des im Kraftstofftank befindlichen besonderen Meßgerätes der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Bauteilen einer Meß- und einer Regelungseinrichtung,

Fig. 3a in einem Ausbruch und in Vergrößerung, eine gegenüber Fig. 3 alternative Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 4 die schematische Draufsicht auf eine das Meßgerät nach der Erfindung aufnehmende Hülle,

Fig. 5 schematisch, einen Querschnitt durch die in Fig. 4 gezeigte Hülle längs der Schnittlinie V-V, die den inneren Aufbau erkennen läßt,

Fig. 6 in einer der Fig. 5 entsprechenden Darstellung, eine alternative Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 7 in einer der Fig. 4 entsprechenden Draufsicht, ein Teilstück einer alternativ ausgebildeten Hülle der erfindungsgemäßen Vor richtung,

Fig. 8 in einer der Fig. 5 entsprechenden Darstellung, einen Querschnitt durch die in Fig. 7 gezeigte Vorrichtung, längs der dortigen Schnittlinie VIII-VIII, und

Fig. 9 wieder einen Querschnitt, analog zu Fig. 8, einer weiteren abge wandelten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Wie Fig. 1 verdeutlicht, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Bestimmung des jeweiligen Füllinhalts eines Behälters 11 dienen. Dieser besteht im vorliegenden Fall aus dem Kraftstofftank 11 eines Fahrzeugs. Ein solcher Kraftstofftank hat zwecks optimaler Ausnutzung des verfügbaren Raums im Fahrzeug eine komplizierte Raumform. Die Vorrichtung umfaßt im Behälterinneren 19 ein summativ mit 12 bezeichnetes Meßgerät, das über Verbindungs- und Steuerleitungen 18 mit einem elektrischen Auswerte gerät 13 und einem Display 14, z. B. in Form eines Anzeigegerätes, verbun den ist. Im Behälterinneren befindet sich eine Flüssigkeit 15, z. B. Kraft stoff, wobei sich in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsverbrauch eine wechselnde Füllstandshöhe 16 ergibt. Oberhalb des Flüssigkeitsspiegels 12 befindet sich ein Gas 17, z. B. Luft zusammen mit den Dämpfen der Flüssigkeit 15. Die Füllstandshöhe 16 wird z. B. durch die aus Fig. 3 ersichtliche elektrische Schaltung ermittelt, wobei das Meßgerät 12 dem in Fig. 2 verdeutlichten allgemeinen Bauprinzip folgt.

Wie Fig. 2 zeigt, werden zum Aufbau des Meßgerätes 12 eine Vielzahl von Thermoelementen 20 verwendet, die zweckmäßigerweise alle zueinander gleich gestaltet sind. Sie bestehen, wie aus dem Schema in Fig. 3 zu erken nen ist, aus zwei unterschiedlichen Werkstoffen 21, 22, die mindestens zwei dazwischenliegende Verbindungsstellen 23, 24 aufweisen. Zum Aufbau dieses Thermoelements 20 kann der eine Werkstoff 21 aus einem Streifen bestehen, der auf der Vorderseite 26 eines schematisch im Schnitt in Fig. 5 angedeuteten blattförmigen Trägers 25 aufgebracht ist, z. B. durch Kleben. Dazu wird der Werkstoff 21, was nicht näher gezeigt ist, z. B. durch Aufdampfen auf eine Kunststoff-Folie aufgebracht, die in Streifen geschnitten wird und rückseitig eine Klebeschicht aufweist. Auf diese Strei fen wird dann, z. B. durch Aufdrucken, der andere Werkstoff 22 abschnitt weise aufgebracht. Zwischen diesen Werkstoff-Abschnitten 22 bestehen werkstoff-freie Zwischenräume. Ein solches streifenförmiges Gebilde erzeugt eine Schar von Thermoelementen, die einfach durch die Klebewirkung ihrer rückseitigen Klebeschicht auf der Vorderseite 26 des blattförmigen Trägers 25 befestigt werden können. In den Endbereichen der auf dem Werkstoff 21 aufgebrachten Abschnitte 22 kommen dann die bereits erwähn ten Verbindungsstellen 23, 24 zustande. Zweckmäßigerweise ist dieser Trä ger 25 seinerseits ein flexibles Gebilde, um sich gut den verwinkelten Formen eines Kraftstofftanks 11 anpassen zu können. Der Träger besteht hier seinerseits aus einer Kunststoff-Folie 25.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Werkstoff 21 unmittelbar auf der Trägerfolie 25 in Siebdrucktechnik aufzubringen, was in Fig. 3a in Strichschraffur veranschaulicht ist. Auf diesen Flecken des Werkstoffs 21 wird dann der andere Werkstoff 22 aufgedruckt, was in Fig. 3a durch Punktschraffur veranschaulicht ist. An den Überlappungsstellen der beiden Werkstoffe 21, 22 entstehen dann die beiden Verbindungsstellen 23, 24. Der zweite Werkstoff 22 ist zweckmäßigerweise in durchgehenden, gewunde nen Gebilden zwischen den Werkstoff-Flecken 21 angeordnet, z. B. in der aus Fig. 3a ersichtlichen S-Form. Damit erzeugt dieser Werkstoff 22 auch gleich die elektrischen Verbindungen 66 zwischen den einzelnen Thermoelementen 20. Die Verbindungen 66 aus dem Werkstoff 22 erzeugen also auch die Schaltungstechnik zwischen den Thermoelementen 20.

Eine dieser Verbindungsstellen 23 in Fig. 3 bzw. Fig. 3a ist die bereits eingangs erwähnte warme Verbindungsstelle. Sie entsteht im vorliegenden Fall dadurch, daß, wie aus dem Schema von Fig. 5 am besten zu erkennen ist, auf der Trägerrückseite 27 eine elektrische Heizleitung 28 z. B. durch Aufdrucken oder Aufdampfen angeordnet ist. Dementsprechend ist die andere Verbindungsstelle 24 die auch schon genannte kalte Verbindungsstelle, die unbeheizt ist und zusammen mit der warmen Verbindungsstelle 23 besondere Meßfunktionen zu erfüllen hat. Die Heizleitung 28 gehört zu einem in Fig. 3 verdeutlichten Heizkreis 30, von dem in Fig. 2 lediglich das heizwirksame Teilstück der Heizleitung 28 mit seinen Anschlüssen 31, 32 dargestellt ist und deren Lage auch im Schaltbild von Fig. 3 ver merkt ist. Die Darstellung von Fig. 2 ist nicht mit derjenigen von Fig. 3 deckungsgleich. Fig. 2 verdeutlicht nur den prinzipiellen Aufbau des Meßgerätes 12.

Aus beiden Fig. 2, 3 ergibt sich, daß die Vielzahl der Thermoelemente 20 in zwei funktionsunterschiedliche Zweige 34, 44 gegliedert ist, die aus noch näher zu erläuternden Gründen aus eine Schar von Meßsensoren 43 und einer Gruppe von Referenzsensoren 33 bestehen. Sowohl die Meßsen soren 43 als auch die Referenzsensoren 33 werden an ihren warmen Verbin dungsstellen 23 durch geeigneten Verlauf der gleichen elektrischen Heizlei tung 28 erwärmt. Nicht nur der Aufbau und die Anzahl der beiden Sensoren 33, 43 sind gleich, sondern zweckmäßigerweise auch ihr aus Fig. 3 erkenn bares Anordnungsmuster 34, 44 auf der vorzugsweise gemeinsamen Trägerfo lie 25. Die Meßsensoren 43 sind, wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, zwar in unterschiedlicher, aber definierter Höhe im Behälterinneren 19 angeord net, wie es die gewünschte meßtechnisch zu erfassende Füllstandshöhe 16 erfordert. Dieser Aufbau spiegelt sich auch in der Anordnung der Refe renzsensoren 33 wider, obwohl die Thermoelemente 20 im Referenzzweig 44 nicht auf Unterschiede der Füllstandshöhe 16 ansprechen sollen, was noch näher erläutert werden wird. Dieser symmetrische Aufbau der beidsei tigen Sensoren 33, 43 erlaubt wegen ihrer Musteridentität eine besonders einfache und schnelle Herstellung beider Zweige 34, 44.

Wie aus Fig. 1 und 5 zu erkennen ist, befindet sich die Trägerfolie 25 mit den darauf in symmetrischem Aufbau befestigten Sensoren 33, 43 im Inneren einer Hülle 50, die eine unmittelbare Berührung der Sensoren 33, 43 mit den jeweiligen, möglicherweise aggressiven Medien verhindert. Um mit Sicherheit ein Eindiffundieren von Flüssigkeitsmolekülen ins Hüllen innere 51 zu verhindern, besteht die Hülle aus einer sehr dünnen Metallfolie 50, die aber grundsätzlich, vor allem im Bereich der Meßsensoren 43, thermisch durchlässig bleibt. Deshalb hat die Metallfolie 50 eine minimale Dicke von z. B. 3 bis 8 µm. So können die jeweiligen Meßsensoren 43 mit ihren kalten Verbindungsstellen 24 die unterschiedliche Wärmeleitfähig keit der Flüssigkeit 15 und des Gases 17 fühlen. Die Metallfolie 50 wirkt auch als Dampfsperre und wird an ihrer aus Fig. 5 erkennbaren Naht 54 verlötet. Die Metallfolie 50 wird, wie bei 65 in Fig. 3 verdeutlicht ist, auf Massepotential gelegt und dient zusätzlich dazu, elektromagnetische Felder abzuschirmen.

In Abwandlung des oben geschilderten Aufbaus können die Sensoren 33, 43 und/oder ihre elektrischen Verbindungen auf der Trägerfolie 25 in beson ders einfacher und preiswerter Weise durch eine Siebdrucktechnik aufge bracht werden. Dadurch ist die Trägerfolie 25 beidseitig 26, 27 mit elektri schen Sensoren bzw. Leiterbahnen bedruckt, weil auch der vorbeschriebene elektrische Heizleiter 28 so entsteht. Deswegen sind zwischen der Metallfo lie 50 und den mit den diversen Thermoelementen 20 und Leitungen verse henen Trägerfolie 25, wie Fig. 5 verdeutlicht, Abdeckfolien 52, 53 angeord net. Die Metallfolie 50 besteht vorzugsweise aus Kupfer oder Kupferlegie rungen, wie CuZn oder CuNi (Konstantan).

Im vorliegenden Fall sind die Thermoelemente 20 sowohl der ganzen Schar der Meßsensoren 43 im Zweig 44 als auch der ganzen Gruppe der Referenz sensoren 33 im Zweig 34 jeweils in Reihe geschaltet. Die zugehörigen beiden Anschlüsse 45, 46 bzw. 35, 36 sind, gemäß Fig. 2, aus der umhüllen den Metallfolie 50 unter Beachtung einer elektrischen Isolation herausge führt, wobei gemäß der aus Fig. 3 ersichtlichen Schaltung jeweils der eine Anschluß 35, 45 an Massepotential liegen kann. Man könnte auch eine andere Schaltung verwenden. Statt einer Reihenschaltung könnte man aber auch eine Parallelschaltung der jeweiligen Thermoelemente 20 benutzen.

Sowohl die warmen Verbindungsstellen 23 der Meßsensoren 43, die von der elektrischen Heizleitung 28 auf höherer Temperatur gehalten werden, als auch die kalten Verbindungsstellen 24 stehen in thermischem Kontakt mit der jeweiligen Umgebung außerhalb der Hülle 50. Wegen der bereits erwähnten unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit der beiden Medien 15, 17 gelangen die Verbindungsstellen 23, 24, entsprechend der unterschiedli chen Höhenlage des Flüssigkeitsspiegels 29, auf ein entsprechend unter schiedliches Temperaturniveau. Diejenige, aus Fig. 2 ersichtliche Teilschar 47 der Meßsensoren 43, die sich im Höhenbereich der Flüssigkeit 15 befin det, kommt wegen der guten Wärmeleitfähigkeit in diesem Bereich auf eine niedrigere Temperatur als die Restschar 48 oberhalb des Flüssigkeits spiegels 29, weil das dort befindliche gasförmige Medium 17 die anfallende Wärme schlecht ab führt. Das führt bei unterschiedlicher Füllstandshöhe 16 zu einer am Anschluß 46 von Fig. 3 unterschiedlichen Meßspannung, die im nachfolgenden Meßkreis 40 des genannten Auswertegerätes 13 ermit telt wird.

Im Meßkreis 40 befindet sich eine Referenzspannungsquelle 41 gegenüber dem Massepotential, die auf den einen Eingang eines Operationsverstärkers 42 wirkt. Die bei 46 anfallende Meßspannung U_Meß wird über einen Impe danzwandler 49 dem anderen Eingang des Operationsverstärkers 42 zugeführt und liefert ein Ausgangssignal an der Ausgangsleitung 60. Das Ausgangssignal kann dann über einen Analog-Digital-Wandler zu einer Auswerteschaltung geleitet werden, die z. B. eine digitale Füllstandsanzeige steuert. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Ausgangssignal 60 über einen Span nungs-Strom-Wandler an eine Analoganzeige 14 gemäß Fig. 1 zu führen. Das Ausgangssignal 60 hängt von der Füllstandshöhe 16 ab, was durch die vorerwähnten Schaltungsmittel im Display bzw. der Analoganzeige 14 abgelesen werden kann. Durch geeignete Schwellwertschalter kann das Ausgangssignal auch zur Steuerung einer geeigneten Reserveanzeige für die Füllstandshöhe 16 genutzt werden.

Die Erfindung sorgt dafür, daß die Referenzsensoren 33 nicht vom unter schiedlichen Meßniveau 16 zwischen den beiden Medien 15, 17 beeinflußt werden, sondern, trotz ihrer parallelen Lage bezüglich der Meßsensoren im Behälterinneren 19, an ihren Verbindungsstellen 23, 24 stets die gleiche thermische Wärmeleitfähigkeit vorfinden. Dazu verwendet man, ganz allge mein gesprochen, eine thermische Isolation, welche zweckmäßigerweise den ganzen Zweig 34 der Referenzsensoren 33 abdeckt. Das ist in den Fig. 4 bis 9 in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen erläutert.

In Fig. 4 und 5 verwendet man als Isolation einen durchgehenden Luftsack 55, der auf der Außenseite der Metallfolie 50 sitzt. Er deckt das ganze, in Fig. 4 strichpunktiert angedeutete Feld mit dem Zweig 34 der Referenz sensoren 33 ab. Das in analoger Weise in Fig. 4 verdeutlichte Feld mit dem Zweig 44 der Meßsensoren 43 ist davon natürlich frei.

Im Schema von Fig. 6 setzt man als thermische Isolation eine Schaumstoff schicht 56 ein, die in diesem Fall ebenfalls auf der Außenseite der Metall folie 50 sitzt. Bei der in Fig. 9 gezeigten Alternative werden die beiden Abdeckfolien 52, 53 als Träger für die beidseitigen Schaumstoffschichten 56 genutzt. Hier befindet sich also der Schaumstoff 56 im Inneren 51 der Hülle 50.

Im letzten Ausführungsbeispiel von Fig. 7 und 8 werden zur thermischen Isolation Luftkammern 57 benutzt, die individuell den Referenzsensoren 33 zugeordnet sein können. Diese Luftkammern 57 befinden sich in diesem Fall ebenfalls auf der Außenseite der Metallfolie 50. Weitere Alternativen bestünden auch darin, solche thermischen Isolationsmittel beispielsweise unmittelbar in die Abdeckfolien 52, 53 zu integrieren, indem man sie an den Stellen oder Zonen der Referenzsensoren 33 in einer besonders großen Dicke ausbildet.

Wie Fig. 3 verdeutlicht, dienen die Referenzsensoren 33 zur Regelung des im Heizkreis 30 fließenden Heizstroms, der von einer im Heizkreis 30 befindlichen Spannungsquelle 37 kommt. Der Zweig 34 stellt das "Fühl glied" des Regelkreises 62 dar, dessen Stellglied 38 im Heizkreis 30 ange ordnet ist und zur Einstellung des Heizstroms dient. Die an der Anschluß stelle 36 anfallende Referenzthermospannung U_Ref wird über einen Impe danzwandler 59 auf den einen Eingang eines Operationsverstärkers 58, dessen anderer Eingang an eine zwar einstellbare, aber feste Referenzspan nungsquelle 39 angeschlossen ist. Das Ausgangssignal an der Ausgangsleitung 61 vom Operationsverstärker 58 steuert das Stellglied 38 im Heizkreis 30. Ändert sich durch Temperatureinflüsse oder durch Alterungseffekte der elektrische Widerstand der Heizleitung 28, so wird über den Regelkreis 62 der Heizstrom korrigiert.

Dieser symmetrische Aufbau der Meß- und Referenzsensoren 43, 33 führt zu neuen, überraschenden Wirkungen. Ist der Behälter 11 leer, dann ist die bei 46 in Fig. 3 anfallende Maßspannung U_Meß immer gleich der bei 36 anfallenden Referenzspannung U_Ref. Infolge Fertigungstoleranzen können die einzelnen Thermoelemente 20 bei gleicher Temperatur unterschiedliche Thermospannungen aufweisen. Bei einer ausreichend großen Anzahl von Thermoelementen 20 in den beiden Zweigen 34, 44 gleichen sich aber die unterschiedlichen Thermospannungen aus. Meßfehler können sich in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur ergeben, doch werden diese bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus folgendem Grund vollständig ausgeregelt.

Auch wenn die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der kalten und warmen Verbindungsstelle 24, 23 konstant bleibt, bewirkt ein Anstieg der Umge bungstemperatur bei den Thermoelementen 20 einen Anstieg der Ther mospannung. Bei einem Anstieg der Umgebungstemperatur steigt die Ther mospannung der einzelnen Elemente 20 im Referenzzweig 34 und im Meß zweig 44 um den gleichen Betrag an. Durch den Regelkreis wird aber der Heizstrom im Heizkreis 30 solange herunter geregelt, bis die bei 36 anfallende Referenzspannung U_Ref wieder den ursprünglichen Wert annimmt. Damit sinkt der Heizstrom im Heizkreis 30 und auch die Meßspan nung U_Meß geht auf ihren ursprünglichen Wert wieder zurück. Diese Rege lung funktioniert auch dann, wenn z. B. nur ein Thermoelement 20 in beiden Zweigen 34, 44 einer höheren Umgebungstemperatur ausgesetzt wird.

Bei Anwendung der Vorrichtung 10 in einem Kraftstofftank 11 kann es zu großen Temperaturunterschieden zwischen der Flüssigkeit 15 und dem darüber liegenden Gas 17 kommen, z. B. beim Betanken im Hochsom mer, wo kalter Treibstoff 15 in den heißen Tank 11 gelangt. Es läßt sich sowohl durch theoretische Berechnungen bei vollem und bei leerem Tank 11 als auch im Experiment nachweisen, daß die im Meßzweig 44 anfallende Meßspannung U_Meß unabhängig von der Umgebungstemperatur ist, wenn der Referenzzweig 34, der zum Regeln des Heizstroms im Heizkreis 30 dient, den gleichen Aufbau wie der Meßzweig 44 aufweist. Die in beiden Zweigen 34, 44 anfallenden Temperatureinflüsse bewirken keinen Meßfehler. Dies gilt auch für beliebige Füllstandshöhen 16 im Behälter 11. Auch wenn horizontale Temperaturschichten im Behälter 11 vorhanden sind, werden die sich daraus ergebenden Meßfehler in beiden Zweigen 34, 44 ausgeregelt.

Wenn man die mit den Thermoelementen 20 bestückten Trägerfolien 25 senkrecht im Tank 11 montiert, bewirkt die vertikale elektrische Feldkom ponente einer einfallenden elektromagnetischen Welle eine Spannungsin duktion in Folienlängsrichtung. Eine solche Spannung wird aber sowohl im Meßzweig 44 als auch im Referenzzweig 43 anfallen und sich den Nutz signalen U_Meß und U_Therm überlagern. Niederfrequente Störfelder bewirken niederfrequente Störspannungen, die sich nur schwer heraus filtern lassen. Weil aber bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 die Richtung und die Beträge der induzierten Spannungen in beiden Zweigen 44, 34 jeweils gleich sind, heben sich auch diese Einflüsse grundsätzlich auf. Die erfin dungsgemäße Vorrichtung besitzt also aufgrund ihres symmetrischen Aufbaus eine hohe Festigkeit hinsichtlich ihrer elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV-Festigkeit).

Der symmetrische Aufbau der beiden Zweige 44, 34 mit abgesetzter Elek tronik bietet auch den Vorteil, daß, bedingt durch die große Anzahl von Thermoelementen 20, die Referenzspannung U_Ref so groß ist, daß sie ohne Störungen gut übertragen werden kann. Durch symmetrisch verdrillte elektrische Leitungen für die Referenzspannung U_Ref und die Meßspannung U_Meß können die Störspannungen minimiert werden. Hochfrequenz mäßig betrachtet sind beide Leitungen mit gleichen Abschlußwiderständen versehen und verhalten sich bei Störfeldern hinsichtlich der Induktion von Störspan nungen genau gleich. Die induzierten Störspannungen sind hinsichtlich Betrag und Phase gleich groß und bewirken somit keine Anzeigefehler im Display 14.

Bezugszeichenliste

10

Vorrichtung

11

Behälter, Kraftstofftank

12

Meßgerät

13

Auswertegerät

14

Display, Analoganzeige

15

Flüssigkeit, erstes Medium in

19

16

Füllstandshöhe in

19

17

Gas, zweites Medium in

19

18

Verbindungs- und Steuerleitung

19

Behälterinneres von

11

20

Thermoelement

21

erster Werkstoff von

20

, Halbleitermaterial

22

zweiter Werkstoff, Abschnitte

23

warme Verbindungsstelle zwischen

21

,

22

24

kalte Verbindungsstelle zwischen

21

,

22

25

blattförmiger Träger, Trägerfolie

26

Vorderseite von

25

27

Rückseite von

25

28

elektrische Heizleitung, Heizleiter

29

Flüssigkeitsspiegel zwischen

15

,

17

30

Heizkreis für

28

31

erster Anschluß von

28

32

zweiter Anschluß von

28

33

Gruppe von Referenzsensoren

34

Referenzzweig, Feld von

33

35

erster Anschluß von

34

36

zweiter Anschluß von

34

37

Spannungsquelle

38

Stellglied von

62

39

Referenzspannungsquelle in

62

40

Meßkreis

41

Referenzspannungsquelle in

40

42

Operationsverstärker in

40

43

Schar von Meßsensoren

44

Meßzweig, Feld von

43

45

erster Anschluß von

44

46

zweiter Anschluß von

44

47

Teilschar von

43

in

15

48

Restschar von

43

in

17

49

Impedanzwandler

50

Hülle, Metallfolie

51

Hülleninneres

52

erste Abdeckfolie in

51

53

zweite Abdeckfolie in

51

54

abgedichtete Naht von

50

, Lötnaht

55

thermische Isolation, Luftsack (

Fig.

4, 5)

56

thermische Isolation, Schaumstoffschicht (

Fig.

6, 9)

57

thermische Isolation, Luftkammer (

Fig.

7, 8)

58

Operationsverstärker in

62

59

Impedanzwandler in

62

60

Ausgangssignal-Leitung in

40

61

Ausgangssignal-Leitung in

62

Regelkreis

63

Teilgruppe von

33

64

Restgruppe von

33

65

Massepotential für

50

66

elektrische Verbindung zwischen

20

(

Fig.

3a)

Claims

1. Vorrichtung (10) zum elektronischen Messen der Füllstandshöhe (16) einer Flüssigkeit (15) in einem Behälter (11), insbesondere im Kraftstofftank eines Kraftfahrzeugs,
mit Thermoelementen (20), die auf einem blattförmigen Träger (25) angeordnet sind,
und die aus zwei unterschiedlichen Werkstoffen (21, 22) mit mindestens zwei dazwischen liegenden Verbindungsstellen (23, 24) bestehen und die eine Verbindungsstelle (warme Verbindungsstelle 23) von ei nem elektrischen Heizleiter (28) erwärmt wird, während die andere Verbindungsstelle (kalte Verbindungsstelle 24) unbeheizt bleibt,
wobei Thermoelemente (20) einer ersten Schar (44) zwar in unter schiedlicher, aber definierter Höhe im Behälterinneren (19) angeordnet sind und als Meßsensoren (43) fungieren, deren Verbindungsstellen (23, 24) jeweils mit der Flüssigkeit (15) unterhalb bzw. dem Gas (17) oberhalb der Füllstandshöhe (16) in thermischem Kontakt stehen
und eine zweite Gruppe (34) von weiteren Thermoelementen (20), die als Referenzsensoren (33) in einem Regelkreis (62) dienen, deren warme Verbindungsstelle (23) jeweils von dem gleichen Heizstrom wie diejenigen der Meßsensoren (43) erwärmt werden,
und die Referenzsensoren (33) den Heizstrom bezüglich einer Referenz spannung (39) regeln (38),
dadurch gekennzeichnet,
daß auch die Referenzsensoren (33) im Behälterinneren (19) angeordnet sind und - in Abhängigkeit von der Füllstandshöhe (16) - ggf. eine Teilgruppe (63) der Referenzsensoren (33) im Höhenbereich der Flüssig keit (15) liegen, während die Restgruppe (64) sich im Gas (17) oberhalb der Flüssigkeit befindet,
daß aber die Verbindungsstellen (23, 24) sowohl der Teilgruppe (63) als auch der Restgruppe (64) der Referenzsensoren (33) - unabhängig von der Füllstandshöhe (16) im Behälter (11) - mit einem stets eine konstante Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Körper (55, 56, 57) in thermischem Kontakt stehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Refe renzsensoren (33) zum Behälterinneren (19) hin mit einer thermischen Isolation (55, 56, 57) überdeckt sind, welche, unabhängig von der Füllstandshöhe (16) im Behälter (11), für eine gleichbleibende thermi sche Wärmeleitfähigkeit sorgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Referenzsensoren (33) und den Heizleiter (28) aufweisende Träger (25) von einer Hülle (50) umschlossen wird, welche die unmittelbare Berührung mit der Flüssigkeit (15) bzw. dem Gas (17) verhindert und ggf. zugleich auch den Träger (25) mit den Meßsensoren (43) umschließt,
und daß die thermische Isolation (56) im Hülleninneren (51) und/oder an der Außenseite der Hülle (50) im Bereich der Referenzsensoren (33) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Isolation aus einem durchgehenden Luftsack (55) besteht, der sich über mehrere oder sämtliche Referenzsensoren (33) erstreckt.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Isolation aus Luftkammern (57) an den einzelnen Referenzsensoren (33) besteht.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Isolation aus einer Schaumstoff schicht (56) besteht.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle aus einer ein Eindiffundieren von Flüssigkeitsmolekülen verhindernden, dünnen Metallfolie (50) besteht, die wenigstens im Bereich der Meßsensoren (43) thermisch durchlässig ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall folie (50) an ihrer Nahtstelle (54) abgedichtet, insbesondere verlötet ist und als Dampfsperre wirkt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie (50) auf Massepotential (65) liegt und gleichzeitig elektromagnetische Felder abschirmt.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger zur Aufnahme der Meßsensoren (43) und/oder Referenzsensoren (33) aus flexiblen Trägerfolien (25) bestehen.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß die Meßsensoren (43) und Referenzsensoren (33) auf einem gemeinsamen Träger (25) angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, da durch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Meßsensoren (43) im wesent lichen gleich der Anzahl der Referenzsensoren (33) ist.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, da durch gekennzeichnet, daß die Meßsensoren (43) einerseits und die Referenzsensoren (33) andererseits in einem zueinander im wesentlichen übereinstimmenden Anordnungsmuster auf ihren Trägern bzw. auf ihrem gemeinsamen Träger (25) positioniert sind.

14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, da durch gekennzeichnet, daß die ganze Schar von Meßsensoren (43) und die ganze Gruppe von Referenzsensoren (33) aus gleichen Thermo elementen (20) bestehen.

15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, da durch gekennzeichnet, daß die Meßsensoren (43) einerseits und die Referenzsensoren (33) andererseits in symmetrischem Aufbau auf einem gemeinsamen Träger (25) angeordnet sind und im gleichen Arbeitsgang am Träger (25) aufgebracht werden und der gemeinsame Träger (25) auf der gegenüberliegenden Trägerseite (27) jeweils den gemeinsamen, elektrischen Heizleiter (28) aufweist, welcher die war men Verbindungsstellen (23) sowohl der Meßsensoren (43) als auch der Referenzsensoren (33) erwärmt.

16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, da durch gekennzeichnet, daß die zwischen dem die Thermoelemente (20) aufweisenden Meßgerät (12) und dem Auswertegerät (13) vorgese henen elektrischen Leitungen (18) für die Referenzspannung einerseits und die Meßspannung andererseits miteinander symmetrisch verdrillt sind.