DE19933043B4 - Füllstandsgeber für einen Flüssigkeitsbehälter und Verfahren zur Ermittlung des Füllstandes in einem Flüssigkeitsbehälter - Google Patents

Abstract

Bekannte Füllstandsgeber mit ihren Anschlußleitungen sind vielfach im Behälter angeordnet. Dadurch bedingen diese Geber aufwendige Durchführungen durch die Behälterwandung. Andere bekannte Füllstandsgeber vermeiden derartige Durchführungen durch komplizert gestaltete Behälterformen, bzw. gekapselte Sensoranordnungen. Der neue Füllstandsgeber soll einfach aufgebaut sein und ohne Zuführleitungen zu den Sensoren durch die Behälterwandung auskommen. DOLLAR A Der neue Füllstandsgeber besitzt einen Sensor aus magnetostriktivem Material, der durch ein einem magnetischen Wechselfeld von einer Sende - und Empfangseinheit zu Schwingunen angeregt wird. Diese Schwingungen werden von der Sende- und Empfangseinheit detektiert, einer Auswerteeinheit zugeführt und zur Bildung eines Signals für den Füllstand verwendet. DOLLAR A Der Füllstandsgeber und das Verfahren eignen sich besonders beim Einsatz in Kraftstoffbehältern von Kraftfahrzeugen.

Description

• Gegenstand der Erfindung ist ein Füllstandsgeber für einen Flüssigkeitsbehälter, vorzugsweise für einen Kraftstoffbehälter in einem Kraftfahrzeug, mit einem Sensor und ein Verfahren zur Ermittlung eines Füllstandes.
• Füllstandsgeber zur Ermittlung von Füllständen in Flüssigkeitsbehältern werden vielfach in der Praxis eingesetzt und sind somit bekannt. Insbesondere bei der Ermittlung des Füllstandes in Kraftstoffbehältern haben sich zwei Grundprinzipien herausgebildet. So lässt sich der Füllstand mittels eines schwimmerbetätigten Hebelgebers erfassen oder mit einer Anordnung mehrerer im Flüssigkeitsbehälter befestigter Sensoren.
• Es ist ein Sensor bekannt, der an der Außenwand eines Behälters angeschweißt ist und durch eine Öffnung in der Wand in den Behälter hineinragt. Der Sensor besteht aus einer Membran, die mit einem Rohr aus magnetostriktivem Material verbunden ist. Zwischen der Membran und dem Rohr ist eine Sende- und Empfangseinheit angeordnet ( US 3,256,738 ). Die Montage des Sensors erfordert dadurch einen erheblichen Aufwand.
• Aus der EP 0 690 293 A2 sind Füllstandsgeber mit magnetostriktiven Sensoren für Flugzeuge bekannt. Der Füllstandsgeber besteht aus einem Rohr mit einem vertikal beweglich angeordneten Schwimmer. In diesem Schwimmer ist ein Magnet angeordnet. In dem Rohr sind Sensoren aus magnetostriktivem Material an einem Ende an einer Leiste aus magnetischem Material befestigt. Am gegenüberliegenden Ende der Sensoren befindet sich ein Drahtwiderstand. Gelangt der Schwimmer mit dem Magneten in den Bereich des Sensors, kommt es zum Kontakt des Sensors mit dem Drahtwiderstand. Mit einer am Boden des Kraftstoffbehälters angeordneten Meßeinheit wird über die Größe des gemessenen Widerstandes die Füllstandshöhe im Kraftstoffbehälter ermittelt. Nachteilig an diesem Füllstandsgeber ist der hohe Aufwand. Die Sensoren müssen für ihre Rückstellung auf magnetischem Material befestigt sein. Die gesamte Meßanordnung muß gekapselt werden und ist dazu in einem Rohr angeordnet. Ein zusätzlicher Montageaufwand ergibt sich daraus, daß das Rohr am Boden des Kraftstoffbehälters befestigt werden muß. Bei einem Einsatz eines derartigen Füllstandsgebers in kleineren Behältern, z.B. für Kraftfahrzeuge, verringert sich außerdem in einem nicht zu vernachlässigendem Maße das nutzbare Behältervolumen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Füllstandsgeber und ein Verfahren zur Ermittlung eines Füllstandes zu schaffen. Der Füllstandsgeber soll einfach aufgebaut und störunanfällig sein. Des weiteren soll er keine zusätzlichen Schutzmaßnahmen für elektrische Leitungen oder die Auswerteeinheit erfordern. Der Füllstandsgeber soll universell einsetzbar, leicht zu montieren und kostengünstig sein. Mit dem Verfahren soll sich in einfacher Weise ein Füllstand in einem Flüssigkeitsbehälter ermitteln lassen.
• Gelöst wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
• Der Füllstandsgeber besitzt einen Sensor aus magnetostriktivem Material, der in einem Flüssigkeitsbehälter angeordnet ist. Der Füllstandsgeber verfügt weiterhin über eine Sende- und Empfangseinheit mit einer Auswerteeinheit. Der Sender, der zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes ausgebildet ist, beaufschlagt den Sensor mit diesem magnetischen Wechselfeld. Durch das Wechselfeld wird der Sensor in Schwingungen versetzt. Dabei wird der Umstand ausgenutzt, daß bei gleichbleibendem Wechselfeld das Schwingungsverhalten des Sensors innerhalb einer Flüssigkeit anders als außerhalb einer Flüssigkeit ist. Die Schwingungen des Sensors werden vom Empfänger gemessen und an die Auswerteeinheit weitergeleitet. In dieser wird aus dem Schwingungsverhalten des Sensors ein Signal gebildet, das einem Füllstand im Flüssigkeitsbehälter entspricht.
• Die wesentlichsten Vorteile des erfindungsgemäßen Füllstandsgebers bestehen darin, daß nur noch der Sensor im Flüssigkeitsbehälter angeordnet ist. Alle anderen Bauteile des Füllstandsgebers sind außerhalb des Behälters angeordnet. Damit wird das nutzbare Behältervolumen nicht mehr verringert, da der Sensor eine Größe von nur wenigen Quadratmillimetern besitzt. Des weiteren werden keinerlei elektrische Leitungen zur Kontaktierung oder Meßwertübertragung im Flüssigkeitsbehälter benötigt.
• Da nur noch der Sensor im Behälter befestigt werden muß, ist der Montageaufwand besonders gering. Unter Umständen kann sogar auf bisher notwendige separate Öffnungen im Flüssigkeitsbehälter verzichtet werden.
• Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde ein Meßverfahren gefunden, bei dem keinerlei Kräfte, z.B. durch Schwimmer- oder Hebelbewegungen, auftreten. Dadurch läßt sich die Befestigung des Sensors im Flüssigkeitsbehälter besonders einfach gestalten. Aufgrund der kabellosen Meßwerterfassung mittels Sende- und Empfangseinheit ist der Einbauort aller anderen Bauteile des Füllstandsgebers bis auf den Sensor frei wählbar. Das wiederum hat den Vorteil, daß die elektrischen Bauteile nicht mehr in für sie gefährlichen Bereichen angeordnet werden müssen, so daß die Störanfälligkeit sinkt, bzw. der Aufwand für einen sicheren Betrieb verringert wird.
• Der Sensor läßt sich besonders einfach montieren, wenn er an der Behälterwandung des Flüssigkeitsbehälters befestigt wird. Die Befestigung, z.B. durch Aufkleben oder Verrasten, kann beliebig sein, wenn gewährleistet ist, daß der Sensor in seiner Schwingung nicht eingeschränkt wird. Besonders vorteilhaft ist dabei die Anordnung des Sensors an anderen Einbauten des Flüssigkeitsbehälters. So entfällt der Montageaufwand für den Sensor im Behälter, wenn der Sensor beispielsweise an der Außenseite einer Fördereinheit angebracht wird und anschließend mit ihr in den Flüssigkeitsbehälter eingesetzt wird.
• Beim Einsatz des Sensors in Flüssigkeitsbehältern mit aggressiven Medien ist es vorteilhaft, den Sensor mit einer schützenden Beschichtung, z.B. einer Folie zu überziehen, wobei dann der Einfluß der Beschichtung auf das Schwingungsverhalten des Sensors berücksichtigt werden muß.
• Durch die frei wählbare Anordnung der Sende- und Empfangseinheit ist deren Anordnung an einer zentralen Stelle für elektrische Meß- und Steuereinrichtungen besonders günstig, da sich die elektrischen Leitungen sehr kurz ausführen lassen, was neben der besseren Signalverarbeitung zu einer Gewichts- und Kostenersparnis führt. Dabei kann es jedoch auch vorteilhaft sein, die Sende- und Empfangseinheit räumlich getrennt anzuordnen.
• Um aus dem Schwingungsverhalten des Sensors ein Signal für den Füllstand zu ermitteln, ist es vorteilhaft, die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes so zu wählen, daß der Sensor mit Eigenfrequenz schwingt. In einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens wird kein Wechselfeld mit fester Frequenz, sondern ein Frequenzbereich gewählt, in dem die Eigenfrequenz des Sensors liegt. Dieser Frequenzbereich wird dann intervallartig durchlaufen. Als Eigenfrequenz kann dabei die Eigenfrequenz des Sensors an Luft oder in der Flüssigkeit gewählt werden. Zur Bildung des Signals für den Füllstand werden vorteilhafterweise die Frequenz, die Amplitude und/oder die Abklingzeit der Schwingung des Sensors benutzt. Durch einen Vergleich der gemessenen Werte mit den in der Auswerteeinheit abgelegten vorgegebenen Werten des Sensors läßt sich sehr einfach ermitteln, ob der Sensor innerhalb oder außerhalb der Flüssigkeit liegt.
• Die Frequenz des Wechselfeldes wird vorzugsweise zwischen 20 und 100 kHz gewählt. Da sich Füllstände in Flüssigkeitsbehältern oft sehr langsam ändern, wird in einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens der Füllstand nicht permanent, sondern intervallweise ermittelt. Die Intervalle können einige Millisekunden bis einige Minuten betragen. Kurze Meßintervalle sind besonders dann vorteilhaft, wenn äußere Einflüsse, z.B. Fliehkräfte zu verfälschten Meßergebnissen führen. Dazu werden die von der Auswerteelektronik gebildeten Signale nicht sofort als Füllstandssignal weitergeleitet, sondern über die Zeit gemittelt. Aus dem Mittelwert wird anschließend das Signal für den Füllstand gebildet. Somit lassen sich Störgrößen wirkungsvoll eliminieren.
• An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt die Anordnung des erfindungsgemäßen Füllstandsgebers in einem Kraftfahrzeug.
• Das in der Figur schematisch dargestellte Kraftfahrzeug 1 besitzt im hinteren Teil einen Kraftstofftank 2 in dem eine Fördereinheit 3 zum Fördern des Kraftstoffs aus dem Kraftstofftank 2 zum nicht dargestellten Motor des Kraftfahrzeuges 1 angeordnet ist. Ein Sensor 4 aus magnetostriktivem Material ist an der Innenseite des Kraftstofftanks 2 aufgeklebt. Eine Sende- und Empfangseinheit 5 ist im vorderen Teil des Kraftfahrzeugs 1 angeordnet. Die Sende- und Empfangseinheit 5 erzeugt in Intervallen von einer Sekunde ein magnetisches Wechselfeld 6 und regt dadurch den Sensor 4 zu Schwingungen an. Die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes ist dabei so gewählt, daß der Sensor 4 mit Eigenfrequenz schwingt, wenn er nicht in der Flüssigkeit liegt. Die Frequenz der Schwingungen des Sensors 4 wird von der Sende- und Empfangseinheit 5 aufgenommen und einer Auswerteeinheit 7 zugeführt. In dieser Auswerteeinheit 7 wird die gemessene Frequenz mit einem vorher abgelegten Sollwert verglichen, der der Eigenfrequenz des Sensors 4 an Luft entspricht. Ermittelt die Auswerteeinheit 7 keine signifikante Abweichung des gemessenen Wertes vom Sollwert bildet die Auswerteeinheit 7 ein erstes Signal, daß die Kraftstoffreserve erreicht ist. Dieses Signal wird zunächst zwischengespeichert. Nach mehreren Meßzyklen werden die zwischengespeicherten ersten Signale gemittelt. Aus dem so gewonnenen Mittelwert wird anschließend ein zweites Signal gebildet, welches dann einer Anzeigeeinheit 8 für den Füllstand zugeführt wird. Neben der Füllstandsanzeige in Kraftstofftanks von Kraftfahrzeugen umfaßt die Erfindung aber auch alle anderen Flüssigkeitsbehälter, in denen ein Füllstand gemessen werden soll.

Claims (15)

1. Füllstandsgeber für einen, Flüssigkeitsbehälter mit einem Sensor und einer Auswerteeinheit für die vom Sensor gemessenen Werte, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (4) aus magnetostriktivem Material besteht und innerhalb des Flüssigkeitsbehälters (2) befestigt ist, daß eine Sende- und Empfangseinheit (5) zum Senden und Empfangen eines magnetischen Wechselfeldes (6) und zur Detektion von mechanischen Schwingungen außerhalb des Flüssigkeitsbehälters (2) angeordnet ist, und daß die Sende- und Empfangseinheit (5) mit der Auswerteeinheit (7) verbundenist zur Ermittlung, ob der Sensor innerhalb oder außerhalb der Flüssigkeit liegt.
2. Füllstandsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Sensor (4) eine Beschichtung, vorzugsweise eine Folie, angeordnet ist.
3. Füllstandsgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (4) an der Wand des Flüssigkeitsbehälters (2), vorzugsweise durch Kleben oder Verraste, angeordnet ist.
4. Füllstandsgeber nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (4) an im Flüssigkeitsbehälter (2) befindlichen Bauteilen (3), vorzugsweise an einem Schwalltopf einer Fördereinheit angeordnet ist.
5. Füllstandsgeber nach zumindest einem vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende- und Empfangseinheit (5) räumlich getrennt angeordnet ist.
6. Verfahren zur Ermittlung eines Füllstandes in einem Flüssigkeitsbehälter mit einem Füllstandsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der im Flüssigkeitsbehälter befedtigte Sensor mit einem außerhalb des Flüssigkeitsbehälters erzeugten magnetischen Wechselfeld beaufschlagt wird; dass die dadurch erzeugten Schwingungen des Sensors detektiert und einer Auswerteeinheit zugeführt werden und erst daraus ein Signal für einen Füllstand gebildet wird, durch Ermittlung, ob der Sensor innerhalb oder außerhalb der Flüssigkeit liegt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes so gewählt wird, dass der Sensor mit Eigenfrequenz schwingt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes ein Frequenzbereich ist, in dem die Eigenfrequenz des Sensors liegt und der intervallartig durchlaufen wird.
9. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 6 – 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes derart gewählt wird, dass der Sensor mit Eigenfrequenz an Luft schwingt.
10. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüchen 6 – 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des magneti schen Wechselfeldes derart gewählt wird, dass der Sensor mit Eigenfrequenz in einer Flüssigkeit schwingt.
11. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 6 – 10, dadurch gekennzeichnet, dass aus den detektierten Werten der Schwingung des Sensors die Frequenz, die Amplitude und/oder die Abklingzeit der Schwingung des Sensors für die Bildung des Signals für den Füllstand benutzt werden.
12. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 6 – 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes zwischen 20 und 100 kHz gewählt wird.
13. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 6 – 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Füllstandes intervallweise durchgeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Intervalle aus einem Bereich von einigen Millisekunden bis einigen Minuten gewählt werden.
15. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 6 – 14, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Auswerteeinheit gebildeten Signale über die Zeit gemittelt werden und aus dem Mittelwert das Signal für den Füllstand gebildet wird.