DE19816455A1

DE19816455A1 - Füllstandssensor

Info

Publication number: DE19816455A1
Application number: DE19816455A
Authority: DE
Inventors: Werner Wallrafen
Original assignee: Mannesmann VDO AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-04-14
Filing date: 1998-04-14
Publication date: 1999-10-28
Also published as: US6293145B1

Abstract

Bei einem Sensor zur Messung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter, insbesondere Kraftstoftank, bestehend aus einer sich vertikal über die füllbare Behälterhöhe erstreckenden Elektrodengruppe, die in die Flüssigkeit eintaucht und elektrische Kondensatoren bildet, deren Kapazitäten sich bei Füllstandsänderungen meßbar ändern, wobei die Kapazitäten von einer angeschlossenen Auswerteschaltung ermitelt und in ein den Füllstand beschreibendes Signal abgebildet werden, ist mindestens eine Meßelektrode vorhanden, die sich über die gesamte füllbare Behälterhöhe erstreckt. Es sind mehrere Referenzelemente auf unterschiedlichen Referenzhöhen innerhalb der füllbaren Behälterhöhe angeordnet. Wahlweise sind mehrere Meßelektroden so angeordnet, daß jede Meßelektrode an einer ihr zugeordneten Referenzhöhe eine deutliche Breitenänderung aufweist und daß die gesamte füllbare Behälterhöhe von den Meßelektroden überstrichen ist. Es wird ein vorteilhaftes Verfahren zur Messung des Füllstandes angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter, insbesondere Kraftstofftank, bestehend aus einer sich vertikal über die füllbare Behälterhöhe erstreckenden Elektrodengruppe, die in die Flüssigkeit eintaucht und elektrische Kondensatoren bildet, deren Kapazitäten sich bei Füllstandsänderungen meßbar ändern, wobei die Kapazitäten von einer angeschlossenen Auswerteschaltung ermittelt und in ein den Füllstand beschreibendes Signal abgebildet werden.

Zur Füllstandsmessung, insbesondere in Kraftstoffbehältern, sind verschiedene Anordnungen und Systeme bekannt. So wird beispielsweise bei kapazitiven Füllstandssensoren, wie aus US 2,700,901 bekannt ist, ein stabförmiger Kondensator senkrecht in die Flüssigkeit eingetaucht. Die Flüssigkeit und das darüber befindliche Gas wirken als Dielektrika mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten dieses Kondensators. Bei sich änderndem Füllstand ändert sich somit die Kapazität des Kondensators, die in der Folge als Meßgröße für den Füllstand dient.

Durch verschiedene Einflüsse, wie beispielsweise Fertigungstoleranzen, Langzeitveränderung und der Änderung der Zusammensetzung der Flüssigkeit im Tank, verändert sich die Kennlinie eines derartigen Füllstandssensors. Außerdem ist nach der Herstellung ein Abgleich erforderlich, um Toleranzen auszugleichen.

Viele Flüssigkeiten entmischen sich ferner bei längerem Stehen oder sie binden andere Substanzen, beispielsweise Wasser, und ändern damit ihre physikalischen Eigenschaften wie auch die Dielektrizitätskonstanten von sich aus.

Aus diesen Gründen treten bei Verwendung kontinuierlich arbeitender kapazitiver Sensoren Meßfehler auf, da zusätzlich zum Füllstand noch die höhenabhängigen Dielektrizitätskonstanten auf nichtdeterministische Weise in die Füllstandsmessung eingehen.

Zur Umgehung dieser Nachteile sind diskret arbeitende Füllstandssensoren bekanntgeworden, wobei im Falle eines kapazitiv arbeitenden Sensors eine große Zahl von Einzelkondensatoren über die gesamte Meßhöhe verteilt ist. Je größer die Zahl der Meßstellen, desto größer die Auflösung des Sensors. Diese Anordnung ist unabhängig von Änderungen der Dielektrizitätskonstanten der Flüssigkeit und ist somit gefeit gegen die oben genannten Fehlerquellen. Leider ist sie extrem aufwendig und teuer. Ferner ist die mit derartigen Sensoren erreichbare Auflösung oft zu niedrig, was gerade im Bereich kleiner Füllstände ein weiterer Nachteil ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Füllstandssensor anzugeben, der kostengünstig und einfach herstellbar ist, der genau und wartungsfrei arbeitet und der weitgehend unabhängig von Änderungen der Dielektrizitätskonstanten des Füllgutes ist.

Die Aufgabe wird bei einer ersten Variante der Erfindung dadurch gelöst, daß mindestens eine Meßelektrode vorhanden ist, die sich über die gesamte füllbare Behälterhöhe erstreckt, und daß mehrere Referenzelemente auf unterschiedlichen Referenzhöhen innerhalb der füllbaren Behälterhöhe angeordnet sind.

Bei einer zweiten Variante der Erfindung erfolgt die Lösung dadurch, daß mehrere Meßelektroden vorhanden sind, die so angeordnet sind, daß jede Meßelektrode an einer ihr zugeordneten Referenzhöhe eine deutliche Breitenänderung aufweist, und daß die gesamte füllbare Behälterhöhe von den Meßelektroden überstrichen ist.

Zwischen den Referenzhöhen erfolgt jeweils eine kontinuierliche Messung des Füllstandes. Durch die geometrischen Kennzeichen, welche die Elektroden des Sensors an den Referenzhöhen aufweisen, entstehen Unstetigkeiten im Verlauf der elektrischen Kenngrößen des Sensors, wenn die Flüssigkeitsoberfläche die Referenzhöhen überstreicht. Diese Unstetigkeiten dienen als Referenzmarken für die Messung und werden von der angeschlossenen Auswerteelektronik zur Korrektur der Anzeige herangezogen.

Eine erste Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß eine Gegenelektrode vorhanden ist, die mit allen Meßelektroden elektrische Kondensatoren bildet. Ferner ist bei einer ersten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die Referenzelemente Referenzelektroden sind und die eine Gegenelektrode ferner mit allen Referenzelektroden elektrische Kondensatoren bildet. Dadurch wird die Anzahl der notwendigen elektrischen Verbindungen auf ein Minimum reduziert und der Aufbau des Sensors wird sehr einfach.

Bei einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensors ist vorgesehen, daß die Referenzelemente Thermistoren sind. Derartige Bauelemente haben sich bewährt und sind daher alternativ zur kapazitiven Technik vorgesehen.

Eine andere Weiterbildung sieht vor, daß die Abstände zwischen den Referenzhöhen bei kleinen Füllständen kleiner sind als bei großen Füllständen. Auf diese Weise läßt sich die bei fast leerem Tank noch vorhandene Restmenge relativ genau ermitteln.

Damit sich eine sinnfällige Einteilung des Füllvolumens mit geringem Aufwand auf der Anzeige des Füllstandes wiedergeben läßt, ist bei einer nächsten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die Referenzhöhen derart gewählt sind, daß sich auch bei unregelmäßig geformtem Behälter eine regelmäßige Teilung des Füllvolumens durch die Referenzhöhen ergibt.

Die Fertigung des erfindungsgemäßen Sensors läßt sich sehr einfach gestalten, wenn die Elektrodengruppe, wie in weiteren Ausgestaltungen der Erfindung vorgesehen ist, auf einem gebogenen Träger angeordnet ist, und wenn die Auswerteschaltung auf dem gleichen Träger wie die Elektrodengruppe angeordnet ist. Der Träger kann vor dem Biegen, wenn er noch eine leicht händelbare Form besitzt, mit der Schaltung und den Elektroden versehen werden.

Weil dieses Material sehr robust und haltbar ist, ist bei einer anderen erfindungsgemäßen Ausgestaltung vorgesehen, daß der Träger für die Elektrodengruppe aus emailliertem Stahlblech besteht.

Zur weiteren Vereinfachung der Fertigung ist vorgesehen, daß die Elektrodengruppe auf ihrem Träger als gedruckte Schaltung ausgeführt ist.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Messung des Füllstandes mittels eines erfindungsgemäßen Sensors wird dadurch angegeben, daß mit den sich aufgrund der Anordnung der Meßelektroden und Referenzelemente bei Änderung des Füllstandes über eine Referenzhöhe hinweg ergebenden Unstetigkeiten im elektrischen Verhalten des Sensors die Füllstandsanzeige korrigiert wird.

Als weitere Korrekturmöglichkeit für die Füllstandsmessung ist bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, daß das Meßsignal des Füllstandssensors mit einem Signal der Flüssigkeitsabnahme, insbesondere Kraftstoffverbrauch, korrigiert wird.

Dies wird erfindungsgemäß beispielsweise dadurch erreicht, daß mindestens zwischen zwei Referenzhöhen von dem letzten Meßwert des Füllstandes der in einen Höhenwert umgerechnete Summenwert der Flüssigkeitsabnahme subtrahiert wird und mit dem Ergebnis der aktuelle Meßwert korrigiert wird.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Mehrere Ausführungsformen sind beispielhaft in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und im folgenden beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Füllstandssensor im eingebauten Zustand,

Fig. 2 beispielhaft den Verlauf der Dielektrizitätszahl im Tank nach der Bildung von verschiedenen Flüssigkeitsschichten,

Fig. 3 das relative Füllvolumen als Funktion der Füllhöhe für den in Fig. 1 dargestellten Tank,

Fig. 4 bis 6 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Füllstandssensors mit Referenzelektroden,

Fig. 7 bis 9 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Füllstandssensors mit gestückelter Meßelektrode und

Fig. 10 bis 12 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Füllstandssensors mit abgestuften, parallelen Meßelektroden.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt einen Kraftstofftank 1 eines Fahrzeuges, in den ein erfindungsgemäßer Füllstandssensor 2 eingesetzt ist. Der Tank 1 ist bis zu der Höhe H gefüllt; die füllbare Höhe beträgt H_ges. Innerhalb des Tanks 1 haben sich Schichten unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten ausgebildet. Die Gase 3 über dem Flüssigkeitsspiegel 4 haben die Dielektrizitätskonstante ε_g, der Kraftstoff 5 selbst ε_f und die Wasserschicht ε_w, die sich auf dem Boden des Tanks 1 abgesetzt hat ε_w. Der Träger 7 für die elektrischen Einrichtungen des Sensors 2 ist an einem Flansch 8 befestigt, der an der oberen Decke 9 des Tanks 1 anliegt. Die Elektrodengruppe des Sensors 2 steckt in einem stabilen Rohr 10, das im Beispiel lediglich vor mechanischer Beschädigung schützt. Es ist aber auch denkbar, daß das Rohr 10 als Teil der Elektrodengruppe, beispielsweise als Gegenelektrode E₀, fungiert. In der Zeichnung sind ferner die Anschlußleitungen 11 für den Sensor 2 andeutungsweise dargestellt, an denen die Meßsignale abgegriffen werden.

Fig. 2 zeigt den Verlauf der Dielektrizitätskennzahl ε im Tank über der Höhe x. Der Tank ist bis zur Höhe H gefüllt. Zwischen den Flüssigkeitsschichten findet ein stufenloser Übergang 20 der Dielektrizitätswerte statt. Die Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit 5, 6 ist also eine nichtlineare Funktion der Höhe. Somit ergibt sich kein lineares Verhalten bei Verwendung eines herkömmlichen Stabkondensators als Sensor. Die Dielektrizitätskonstante des Gases 21 unterscheidet sich ihrerseits erheblich von denjenigen der flüssigen Stoffe ε_f und ε_w. Der Übergang 4, 22 zwischen der Flüssigkeit 5 und dem Gas 3 ist scharf und eindeutig feststellbar.

Das relative Volumen ist in Fig. 3 als Funktion 30 der Höhe dargestellt. Diese Funktion ist in der Regel nichtlinear, da die Tankform meist unregelmäßig ist. Teilt man das Volumen in regelmäßige Teile, im Beispiel in Viertel, so kann man daraus die entsprechenden Referenzhöhen H₁, H₂, H₃ für den Sensor 2 ermitteln.

In den Fig. 4 bis 6 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Füllstandssensors dargestellt. Auf einem U-förmig gebogenen Träger 40 sind die Meßelektrode E_S, die Gegenelektrode E₀, sowie fünf Referenzelektroden E_R1 bis E_R5 aufgedruckt. Die Elektroden sind mittels ebenfalls aufgedruckter Leitungen 41 mit einer elektronischen Schaltung 42 auf dem Träger 40 verbunden. Ein Mikroprozessor 43 (Fig. 5) wertet die Meßgrößen 50 des Sensors aus und erzeugt, unter Einbeziehung eines Signals 51 über den Verbrauch an Kraftstoff ein Ausgangssignal mit der Füllstandsinformation, die auf einer Anzeige 52 wiedergegeben wird. Die Meßgrößen 50 sind jeweils die Kapazitäten C_S,0, CR_1,0 . . . zwischen der Gegenelektrode E₀ und der Meßelektrode E_S oder der jeweiligen Referenzelektrode E_R1 bis E_R5.

Der Verlauf der Meßgrößen 50 ist in Fig. 6 dargestellt. Hier wird auch anschaulich, daß die Kapazität 60 der Meßelektrode E_S mit der Gegenelektrode E₀ sich keineswegs linear mit dem Füllstand H ändert, sondern gerade bei kleinen Füllhöhen, wo man ja noch genauer messen möchte als bei großen, stark nichtlinear ist. Anhand der scharfen Übergänge 61 der Kapazitäten der Referenzelektroden E_R1 bis E_R5 an den Referenzhöhen wird der Meßwert im Mikroprozessor 43 korrigiert. Die Referenzhöhen H₁, H₂, H₃ sind dem Mikroprozessor bekannt.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel, wie es in den Fig. 7 bis 9 dargestellt ist, sind vier Meßelektroden E_S1 bis E_S4 übereinander angeordnet, so daß sie die gesamte Höhe H_ges überstreichen. Beim Überstreichen des Flüssigkeitsspiegels über die Trennlinien zwischen den Elektroden E_S1 bis E_S4 entsteht im ansonsten nahezu linearen Verlauf 60' der Meßgrößen 50' (Fig. 9) jeder Meßelektrode ein Knick 61', der wieder von dem Mikroprozessor 43', wie oben beschrieben, zur Korrektur der Messung benutzt wird.

Ein drittes Ausführungsbeispiel zeigen die Fig. 10 bis 12. Hier sind vier Meßelektroden parallel angeordnet. An jeder Referenzhöhe H₁, H₂, H₃ endet eine von ihnen.

Auf diese Weise entsteht im ansonsten wieder nahezu linearen Verlauf 60" der Meßgrößen 50" (Fig. 12) jeder Meßelektrode E_Si ein Knick 61", der wieder von dem Mikroprozessor 43", wie oben beschrieben, zur Korrektur der Messung benutzt wird.

Claims

1. Sensor zur Messung des Füllstandes (H) einer Flüssigkeit (5) in einem Behälter (1), insbesondere Kraftstofftank, bestehend aus einer sich vertikal über die füllbare Behälterhöhe (H_ges) erstreckenden Elektrodengruppe, die in die Flüssigkeit eintaucht und elektrische Kondensatoren bildet, deren Kapazitäten sich bei Füllstandsänderungen meßbar ändern, wobei die Kapazitäten von einer angeschlossenen Auswerteschaltung (42) ermittelt und in ein den Füllstand beschreibendes Signal abgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Meßelektrode (E_S) vorhanden ist, die sich über die gesamte füllbare Behälterhöhe (H_ges) erstreckt, und daß mehrere Referenzelemente (E_R1 bis E_R5) auf unterschiedlichen Referenzhöhen (H₁, H₂, H₃) innerhalb der füllbaren Behälterhöhe (H_ges) angeordnet sind.

2. Sensor zur Messung des Füllstandes (H) einer Flüssigkeit (5) in einem Behälter (1), insbesondere Kraftstofftank, bestehend aus einer sich vertikal über die füllbare Behälterhöhe (H_ges) erstreckenden Elektrodengruppe, die in die Flüssigkeit eintaucht und elektrische Kondensatoren bildet, deren Kapazitäten sich bei Füllstandsänderungen meßbar ändern, wobei die Kapazitäten von einer angeschlossenen Auswerteschaltung (42) ermittelt und in ein den Füllstand beschreibendes Signal abgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Meßelektroden (E_S1 bis E_S4) vorhanden sind, die so angeordnet sind, daß jede Meßelektrode (E_S1 bis E_S4) an einer ihr zugeordneten Referenzhöhe (H₁, H₂, H₃) eine deutliche Breitenänderung aufweist, und daß die gesamte füllbare Behälterhöhe (H_ges) von den Meßelektroden (E_S1 bis E_S4) überstrichen ist.

3. Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gegenelektrode (E₀) vorhanden ist, die mit allen Meßelektroden (E_S; E_S1 bis E_S4) elektrische Kondensatoren bildet.

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzelemente (E_R1 bis E_R5) Referenzelektroden sind und die eine Gegenelektrode (E₀) ferner mit allen Referenzelektroden elektrische Kondensatoren bildet.

5. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzelemente (E_R1 bis E_R5) Thermistoren sind.

6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen den Referenzhöhen (H₁, H₂, H₃) bei kleinen Füllständen (H) kleiner sind als bei großen Füllständen (H).

7. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzhöhen (H₁, H₂, H₃) derart gewählt sind, daß sich auch bei unregelmäßig geformtem Behälter (1) eine regelmäßige Teilung des Füllvolumens durch die Referenzhöhen (H₁, H₂, H₃) ergibt.

8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodengruppe auf einem gebogenen Träger (40, 40', 40") angeordnet ist.

9. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (42, 42', 42") auf dem gleichen Träger (40, 40', 40") wie die Elektrodengruppe angeordnet ist.

10. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (40, 40', 40") für die Elektrodengruppe aus emailliertem Stahlblech besteht.

11. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodengruppe auf ihrem Träger (40, 40', 40") als gedruckte Schaltung ausgeführt ist.

12. Verfahren zur Messung des Füllstandes in einem Behälter, insbesondere Kraftstofftank, mit Hilfe eines Füllstandssensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit den sich aufgrund der Anordnung der Meßelektroden (E_S1 bis E_S4) und Referenzelemente (E_R1 bis E_R5) bei Änderung des Füllstandes über eine Referenzhöhe (H₁, H₂, H₃) hinweg ergebenden Unstetigkeiten (61, 61', 61") im elektrischen Verhalten des Sensors die Füllstandsanzeige (52) korrigiert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal des Füllstandssensors (2) mit einem Signal der Flüssigkeitsabnahme (51), insbesondere Kraftstoffverbrauch, korrigiert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwischen zwei Referenzhöhen (H₁, H₂, H₃) von dem letzten Meßwert des Füllstandes (H) der in einen Höhenwert umgerechnete Summenwert der Flüssigkeitsabnahme (51) subtrahiert wird und mit dem Ergebnis der aktuelle Meßwert korrigiert wird.