DE19933044A1 - Füllstandsgeber für einen Flüssigkeitsbehälter und Verfahren zur Ermittlung des Füllstandes in einem Flüssigkeitsbehälter - Google Patents
Füllstandsgeber für einen Flüssigkeitsbehälter und Verfahren zur Ermittlung des Füllstandes in einem FlüssigkeitsbehälterInfo
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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 kompliziert 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 mehrere Sensoren aus magnetostriktivem Material, die durch ein von einer Sende- und Empfangseinheit ausgesandten magnetischen Wechselfeld zu Schwingungen angeregt werden, die mit unterschiedlichen Frequenzen schwingenden Sensoren werden von der Sende- und Empfangseinheit detektiert. Die gewonnenen Signale werden 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 Flüssigkeitsbe
hälter, vorzugsweise für einen Kraftstoffbehälter in einem Kraftfahrzeug, mit
mehreren Sensoren und ein Verfahren zur Ermittlung des Füllstandes in dem
Flüssigkeitsbehälter.
Füllstandsgeber zur Ermittlung von Füllständen in Flüssigkeitsbehältern wer
den vielfach in der Praxis eingesetzt und sind somit bekannt. In Abhängigkeit
vom Einbauort des Flüssigkeitsbehälters können derartige Behälter die un
terschiedlichsten Formen aufweisen. Insbesondere bei Flüssigkeitsbehältern
in Kraftfahrzeugen, z. B. Kraftstofftanks, sind diese sehr stark an vorgegebe
ne Räume angepaßt. So besitzen viele der heute verwendeten Kraftstoff
tanks zwei oder mehrere Kammern. Um auch bei derart kompliziert geform
ten Flüssigkeitsbehältern einen Füllstand ermitteln zu können, ist es be
kannt, in jeder der Kammern einen Füllstandsgeber anzuordnen. Als Füll
standsgeber werden dabei größtenteils schwimmerbetätigte Hebelgeber
oder aus mehreren Sensoren bestehende Geber verwendet.
Aus der EP 0 690 293 A2 sind Füllstandsgeber mit magnetostriktiven Senso
ren für Flugzeuge bekannt. Jeweils ein 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 mit einem Ende an einer Leiste aus magneti
schem Material befestigt. Am gegenüberliegenden Ende der Sensoren be
findet 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 Füll
standshöhe im Kraftstoffbehälter an der Stelle des jeweiligen Füllstandsge
bers ermittelt. Nachteilig an derartigen Einrichtungen zur Ermittlung des Füll
standes ist der hohe Aufwand hinsichtlich der Füllstandsgeber. Jeder Füll
standsgeber besitzt mehrere Sensoren, die in eine empfindliche Meßanord
nung eingebunden sind. Diese Anordnungen müssen separat gekapselt
sein. Des weiteren benötigt jeder Füllstandsgeber einen Schwimmer mit ei
nem Magneten, um die Höhe des Flüssigkeitsniveaus auf die Sensoren zu
übertragen. Zusätzlicher Montageaufwand ergibt sich daraus, daß das Rohr
am Boden des Kraftstoffbehälters befestigt werden muß. Schließlich ist je
dem Füllstandsgeber eine eigene Meßeinheit zugeordnet. Neben dem hohen
Aufwand durch die Vielzahl von Füllstandsgebern steigt die Störanfälligkeit
eines derartigen Systems mit der Anzahl der verwendeten Bauteile. Ein
weiterer großer Nachteil bei der Verwendung mehrerer Füllstandsgeber in
einem Flüssigkeitsbehälter besteht darin, daß das nutzbare Behältervolumen
in einem nicht zu vernachlässigendem Maße verringert wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Füllstandsgeber und
ein Verfahren zur Ermittlung des Füllstandes zu schaffen. Der Füllstandsge
ber soll einfach aufgebaut und störunanfällig sein. Des weiteren soll er keine
zusätzlichen Schutzmaßnahmen für elektrische Leitungen oder die Auswer
teeinheit erfordern. Der Füllstandsgeber soll universell einsetzbar, leicht zu
montieren und kostengünstig sein. Die Anordnung des Füllstandsgebers soll
das nutzbare Behältervolumen nicht wesentlich verkleinern.
Gelöst wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und 8. Vorteil
hafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüche beschrieben.
Der erfindungsgemäße Füllstandsgeber besitzt mehrere Sensoren aus ma
gnetostriktivem Material, eine Sendeeinheit für ein magnetisches Wechsel
feld, eine Empfangseinheit für mechanische Schwingungen und eine Aus
werteeinheit. Die Sensoren sind im Flüssigkeitsbehälter angeordnet. Alle
anderen Bauteile des Füllstandsgebers befinden sich außerhalb des Flüs
sigkeitsbehälters. Zur Ermittlung des Füllstandes werden die Sensoren vom
Sender mit einem magnetischen Wechselfeld beaufschlagt. Dadurch wird
jeder Sensor in Schwingungen versetzt, die wiederum von der Empfangs
einheit detektiert werden. Die gemessenen Werte werden danach der Aus
werteeinheit zugeführt. Um zu ermitteln, ob der Sensor sich in der Flüssigkeit
oder an Luft befindet, wird der Umstand ausgenutzt, daß das Schwingungs
verhalten des Sensors in der Flüssigkeit verschieden von dem an Luft ist.
Da jeder Sensor bei gleichen Abmessungen das gleiche Schwingungsver
halten aufweist und die gemessenen Werte durch die Auswerteeinheit der
einzelnen Sensoren nicht mehr zuordenbar wären, sind alle Sensoren in ih
ren Abmessungen derart unterschiedlich, daß sich ihr Schwingungsverhalten
deutlich voneinander unterscheidet. Indem das magnetische Wechselfeld in
seiner Frequenz dem Schwingungsverhalten jedes Sensors angepaßt wird,
läßt sich so das Schwingungsverhalten jedes einzelnen Sensors messen.
Die gemessenen Werte werden der Auswerteeinheit zugeführt, wo jeder ge
messene Wert mit einem entsprechenden Sollwert vergleichen wird, infolge
dessen ein erstes Signal für den Füllstand des jeweiligen Füllstand des Sen
sors gebildet wird. Nach dem alle Sensoren abgefragt wurden, wird ebenfalls
in der Auswerteeinheit aus den ersten Signalen ein zweites Signal gebildet,
das den Füllstand im Flüssigkeitsbehälter widerspiegelt.
Der wesentlichste Vorteil des erfindungsgemäßen Füllstandsgebers besteht
darin, daß nur noch die Sensoren im Flüssigkeitsbehälter angeordnet sind.
Alle anderen Bauteile befinden sich außerhalb des Flüssigkeitsbehälters. Da
die Sensoren eine Größe von einigen Quadratmillimetern besitzen und keine
elektrischen Leitungen zur Kontaktierung oder Meßwertübertragung zu den
Sensoren benötigt werden, wird das nutzbare Behältervolumen nicht mehr
verringert. Des weiteren gestaltet sich der erfindungsgemäße Füllstandsge
ber durch die Verwendung nur noch einer Auswerteeinheit sehr kostengün
stig.
Mit der überwiegenden Anordnung des Füllstandsgebers außerhalb des
Flüssigkeitsbehälters wird auch der Montageaufwand besonders gering ge
halten. Unter Umständen können sogar bisher notwendige separate Öffnun
gen im Flüssigkeitsbehälter eingespart werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde zudem ein Meßverfahren ge
funden, bei dem keinerlei Kräfte, z. B. durch Schwimmer- oder Hebelbewe
gungen, auftreten. Dadurch gestaltet sich die Befestigung der Sensoren im
Flüssigkeitsbehälter besonders einfach. Aufgrund der kabellosen Meß
werterfassung mittels Sende- und Empfangseinheit ist der Einbauort aller
anderen Teile des Füllstandsgebers frei wählbar. Das wiederum hat den
Vorteil, daß die elektrischen Bauteile nicht mehr in für sie gefährlichen Berei
chen angeordnet werden müssen, so daß die Störanfälligkeit sinkt, bzw. der
Aufwand für einen sicheren Betrieb verringert wird.
Die Sensoren lassen sich besonders einfach montieren, wenn sie an der
Behälterwandung befestigt sind. Die Befestigung, z. B. durch Aufkleben oder
Verrasten, kann beliebig sein, wenn gewährleistet ist, daß die Sensoren in
ihrer Schwingung nicht eingeschränkt werden. Durch die Anordnung an be
liebigen Stellen im Flüssigkeitsbehälter läßt sich auch in kompliziert geform
ten Flüssigkeitsbehältern der Füllstand exakt ermitteln.
Besonders vorteilhaft ist dabei die Anordnung der Sensoren an anderen Ein
bauten im Flüssigkeitsbehälter. So entfällt der Montageaufwand im Flüssig
keitsbehälter, wenn die Sensoren an der Außenseite einer Fördereinheit
oder an einer Saugstrahlpumpe angebracht werden und anschließend mit ihr
in den Füllstandsbehälter eingesetzt werden. Zur leichteren Befestigung der
Sensoren, sind diese auf einem Halter angeordnet, so daß nur der Halter an
der Fördereinheit zu befestigen ist.
Vorteilhafterweise sind die Sensoren zu Meßstellen zusammengefaßt ange
ordnet. So bilden die beispielsweise an der Fördereinheit angeordneten
Sensoren eine Meßstelle, während die an einer Saugstrahlpumpe angeord
neten Sensoren eine weitere Meßstelle bilden. Neben diesen ortsabhängi
gen Meßstellen ist die Anordnung der Sensoren in niveauabhängigen Meß
stellen möglich. Dabei bilden die Sensoren im höchsten und im tiefsten Ni
veau des Flüssigkeitsbehälters jeweils eine Meßstelle. Dazwischen können
je nach gewünschter Auflösung weitere Meßstellen angeordnet sein.
Beim Einsatz der Sensoren in Flüssigkeitsbehältern mit aggressiven Medien
ist es vorteilhaft, die Sensoren mit einer schützenden Beschichtung, z. B. ei
ner Folie zu überziehen, wobei dann der Einfluß der Beschichtung auf das
Schwingungsverhalten der Sensoren berücksichtigt werden muß.
Durch die frei wählbare Anordnung der Sende- und Empfangseinheit ist de
ren Anordnung an einer zentralen Stelle für elektrische Meß- und Steuerein
richtungen besonders günstig, da sich die elektrischen Leitungen besonders
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.
Vorteilhafterweise wird die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes so
gewählt, daß die Sensoren mit Resonanzfrequenz schwingen. In einer ande
ren Ausgestaltung des Verfahrens wird für jeden Sensor ein Wechselfeld mit
einem Frequenzbereich gewählt, in dem die Resonanzfrequenz des Sensors
liegt, und der intervallartig durchlaufen wird. Als Resonanzfrequenzen kön
nen dabei die Resonanzfrequenzen der Sensoren an Luft oder in der Flüs
sigkeit gewählt werden. Zur Bildung des Signals für den Füllstand in der
Auswerteeinheit werden vorteilhafterweise die Frequenz, die Amplitude
und/oder die Abklingzeit der Schwingung der Sensoren benutzt. Durch einen
Vergleich der gemessenen Werte mit der in der Auswerteeinheit abgelegten
vorgegebenen Werte des Sensors kann sehr einfach ermittelt werden, ob
der Sensor innerhalb oder außerhalb der Flüssigkeit liegt.
Die Frequenz des Wechselfeldes wird vorzugsweise zwischen 20 und
100 Kilohertz gewählt. Da sich die Füllstände in Flüssigkeitsbehältern oft sehr
langsam ändern, wird in einer Ausgestaltung des Verfahrens der Füllstand
nicht permanent, sondern intervallweise ermittelt. Die Intervalle können eini
ge Millisekunden bis zu einige Minuten betragen. Kurze Meßintervalle sind
besonders dann vorteilhaft, wenn äußere Einflüsse, z. B. Fliehkräfte, zu ver
fälschten Meßergebnissen führen. Dazu werden die von der Auswerteeinheit
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 eliminie
ren.
Für eine richtige Füllstandsermittlung muß gewährleistet sein, daß ein ge
messener Wert auch dem richtigen Sensor zugeordnet wird. Dabei ist es
unerheblich, ob die Auswerteeinheit dem Sender ein Signal für den abzufra
genden Sensor gibt, damit der Sender daraufhin das Wechselfeld mit der für
den abzufragenden Sensor charakteristischen Frequenz ausstrahlt, oder ob
die Reihenfolge der Abfrage der Sensoren im Sender und der Auswerteein
heit getrennt abgelegt nach einem festen Programm erfolgt.
Die Reihenfolge der Abfrage der einzelnen Sensoren ist beliebig und kann .
sowohl ortsabhängig als auch niveauabhängig erfolgen. Insbesondere bei
der niveauabhängigen Meßstellenabfrage läßt sich der Meßaufwand mini
mieren, indem in. Abhängigkeit vom ermittelten Füllstand nur die interessie
renden Meßstellen abgefragt werden. So werden bei relativ hohem Füllstand
nur die Meßstellen der oberen Niveaus des Flüssigkeitsbehälters abgefragt.
Analog dazu werden bei niedrigem Füllstand nur die Meßstellen der unter
sten Niveaus abgefragt.
An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die zuge
hörigen Figuren zeigen in
Fig. 1 die Anordnung des erfindungsgemäßen Füllstandsgebers in
einem Kraftfahrzeug,
Fig. 2 die Anordnung mehrerer Sensoren in einem aus mehreren
Kammern bestehenden Kraftstofftank.
Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Kraftfahrzeug 1 besitzt im hinteren
Teil einen Kraftstofftank 2. Sensoren 3, 3' aus magnetostriktivem Material
sind an der Innenwand des Kraftstofftanks 2 befestigt. Eine Sende- und
Empfangseinheit 4 ist im vorderen Teil des Kraftfahrzeuges 1 angeordnet.
Die Sende- und Empfangseinheit 4 erzeugt in Intervallen von einer Sekunde
ein magnetisches Wechselfeld 5 und regt dadurch die Sensoren 3, 3' zu
Schwingungen an. Die Frequenz der Schwingungen der Sensoren 3, 3' wer
den von der Sende- und Empfangseinheit 4 aufgenommen und einer Aus
werteeinheit 6 zugeführt. Das dort gebildete Signal wird danach an eine An
zeigeeinheit 7 für den Füllstand weitergeleitet.
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt des Kraftstofftanks 2, der in die Kammern 8, 8'
unterteilt ist. In der Kammer 8 ist eine Fördereinheit 9 zum Fördern des
Kraftstoffs zum Motor des Kraftfahrzeugs angeordnet, während in der Kam
mer 8' eine Saugstrahlpumpe 10 zum Fördern des Kraftstoffs aus der Kam
mer 8' in den Schwalltopf der Fördereinheit 9 angeordnet ist. An beiden Ein
bauten 9, 10 ist je ein Halter 11 befestigt, auf dem sich jeweils eine Meß
stelle bildende Sensoren 3a-d befinden. Alle Sensoren 3a-d sind in ihren
Abmessungen derart unterschiedlich, daß ihre Eigenfrequenzen voneinander
signifikant unterscheiden. Zur Ermittlung des Füllstandes wird von der Sen
de- und Empfangseinheit 4 einmagnetisches Wechselfeld 5 mit einer Fre
quenz erzeugt, die der Eigenfrequenz des Sensors 3a an Luft entspricht.
Daraufhin wird der Sensor 3a in Schwingung versetzt, während die Senso
ren 3b-d bei dieser Frequenz nahezu keine Schwingungen ausführen. Die
gemessenen Werte der Schwingung werden der Auswerteeinheit 6 zuge
führt. Aufgrund eines entsprechenden Signals der Sende- und Empfangs
einheit 4 werden die gemessenen Werte mit einem Sollwert des Sensors 3a
verglichen. Daraus wird ein erstes Signal gebildet, das zwischengespeichert
wird. Danach wird der gesamte Vorgang wiederholt, wobei das Wechselfeld
5 nun eine Frequenz besitzt, die der Eigenfrequenz des Sensors 3c an Luft
entspricht. Nach erfolgter Auswertung werden so die Sensoren 3b und 3d
abgefragt. Zum Schluß wird aus den ersten Signalen der Sensoren 3a-d
ein zweites Signal gebildet, das dann den Füllstand in dem Kraftstofftank 2
widerspiegelt. Neben der Füllstandsanzeige in Kraftstofftanks von Kraftfahr
zeugen umfaßt die Erfindung aber auch alle anderen Flüssigkeitsbehälter, in
denen ein Füllstand gemessen werden soll. Das Verfahren ist dabei auch bei
einfach geformten Flüssigkeitsbehältern anwendbar, wenn mehrere Senso
ren zum Ermitteln unterschiedlicher Füllstände eingesetzt sind.
Claims (18)
1. Füllstandsgeber für einen Flüssigkeitsbehälter mit mehreren Sensoren
und einer Auswerteeinheit für die von den Sensoren gemessenen
Werte, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (3a-d) aus
magnetostriktivem Material bestehen, daß die Sensoren (3a-d) in ih
ren Abmessungen derart unterschiedlich sind, daß jeder Sensor ein
eigenes charakteristisches Schwingungsverhalten besitzt, daß alle
Sensoren (3a-d) innerhalb des Flüssigkeitsbehälters (2) befestigt
sind, daß eine Sende- und Empfangseinheit (4) zum Senden eines
magnetischen Wechselfeldes (5) und Empfangen von mechanischen
Schwingungen außerhalb des Flüssigkeitsbehälters (2) angeordnet
ist, und daß die Sende- und Empfangseinheit (4) mit einer Auswerte
einheit (6) verbunden ist.
2. Füllstandsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf
den Sensoren (3a-d) eine Beschichtung, vorzugsweise eine Folie,
angeordnet ist.
3. Füllstandsgeber nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sensoren (3a-d) an der Wand des Flüssigkeitsbehälters (2)
durch Kleben oder Verrasten angeordnet sind.
4. Füllstandsgeber nach zumindest einem der vorstehendem Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (3a-d) an im Flüssig
keitsbehälter (2) befindlichen Bauteilen (9, 10), vorzugsweise an ei
nem Schwalltopf einer Fördereinheit, angeordnet sind.
5. Füllstandsgeber nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (3a-d) an einer Stelle
des Flüssigkeitsbehälters (2) übereinander angeordnet sind.
6. Füllstandsgeber nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (3a-d) an mehreren
Meßstellen übereinander angeordnet sind.
7. Füllstandsgeber nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sende- und Empfangseinheit (4)
räumlich getrennt angeordnet sind.
8. Verfahren zur Ermittlung eines Füllstandes in einem Flüssigkeitsbe
hälter mit einem Füllstandsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Sensoren mit einem magnetischen Wechselfeld
beaufschlagt werden, daß das magnetische Wechselfeld derart vari
iert wird, daß es nacheinander an das Schwingungsverhalten eines
jeden Sensors angepaßt wird, daß die dadurch erzeugten Schwin
gungen detektiert und einer Auswerteelektronik zugeführt werden,
daß die gemessenen Werte jeweils einem Sensor zugeordnet und
daraus ein erstes Signal für den Füllstand des jeweiligen Sensors ge
bildet wird, und daß aus den ersten Signalen der einzelnen Sensoren
ein zweites Signal für den Füllstand im Flüssigkeitsbehälter gebildet
wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das ma
gnetische Wechselfeld außerhalb des Flüssigkeitsbehälters erzeugt
wird.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes so gewählt wird,
daß der jeweilige Sensor mit Eigenfrequenz schwingt.
11. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8-10, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes
ein Frequenzbereich ist, in dem die Eigenfrequenz des jeweiligen
Sensors liegt, und daß der Frequenzbereich intervallartig durchlaufen
wird.
12. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8-11, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes
derart gewählt wird, daß der Sensor mit Eigenfrequenz an Luft
schwingt.
13. Verfahren nach den Ansprüchen 8-11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes derart gewählt
wird, daß der Sensor mit Eigenfrequenz in der Flüssigkeit schwingt.
14. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8-13, dadurch ge
kennzeichnet, daß aus den detektierten Werten der Schwingung die
Frequenz, die Amplitude und/oder die Abklingzeit der Schwingung des
jeweiligen Sensors das erste Signal für den Füllstand gebildet wird.
15. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8-14, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes
zwischen 20 und 100 Kilohertz gewählt wird.
16. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8-15, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Ermittlung des Füllstandes im Flüssigkeitsbe
hälter intervallweise durchgeführt wird.
17. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8-16, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Intervalle aus einem Bereich von einigen Milli
sekunden bis einigen Minuten gewählt werden.
18. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8-17, dadurch ge
kennzeichnet, daß die von der Auswerteeinheit gebildeten zweiten
Signale über die Zeit gemittelt werden und aus dem Mittelwert das Si
gnal für den Füllstand gebildet wird.
Priority Applications (2)
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