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Verfahren
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zur Echtmessung von Behälter-Fullvolumen Das erfingungsgemäße Verfahren
hat den Zweck, die unbefriedigende FUllhöhenmeßung durch eine echte Volumensbestimmung
des momentanen Beholter-Nutzinhaltes zu verbessern. Die damit erreichbare Lageunabhängigkeit
und der Fortfall umständlicher Umrechnungen von Füllhöhen auf Inhalte bei unregelmässig
geformten Behälter ermöglicht die vorteilhafte Anwendung vorzugsweise bei Tanks
für Land-, Luft- und Wasserfahrzeuge, bei ortsfesten Behältern und Maschinengehäusen,
z. 8. Verbrennungsmotore, Getriebe, Laborgeföße, Emballagen usw.
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Im heutigen technischen Stand werden lnhaltsmessungen von Behältern
und Aggregargehäusen in der Regel auf Messungen der Füllhöhe zurückgeführt. Die
Uberaus zahlreichen Methoden dazu haben alle den Mangel, daß diese Art Messung sehr
stark von der Form und der Lage der Behälter gestört werden kann und daß eine oft
umständliche Umrechnung von Fullhöhe auf Inhalt vorgenommen werden muß. Dies außert
sich in nichtlinearen Korrekturgliedern, fUr die es keine natürlichen Funktionen
als physikalische Eigenschaften von bauteilen gibt oder in stark nichtlinearen Anzeigeskalen,
die einem hohen Gebrauchswert der Meßeinrichtung gerade in den interessanten lnhaltsbereichen
gegen Null entgegenstehen.
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Ein typisches Beisplel dafür ist die Messung des Treibstoffvorrates
und der ÖlfUII-mengen in Motor und Getrieben von Fahrzeugen: aus konstruktions-
(festigkeits-) technischen Gründen und um ein größtmögliches Volumen unterzubringen
bei gegebenen
Freiräumen im Fahrzeug, haben die Treibstofftanks
unregelmässige Formen.
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Dadurch entsteht ein stark nichtlinearer Zusammenhang zwischen Füllhöhe
und Inhalt und eine prinzipielle Schwierigkeit fUr genaue Messungen. Auch die Lage
des Fahrzeugs - Beladungszustand, Fahrbahnneigung, Fluglage, Seegang - geht verfälschend
in die Messung ein.
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Die Fülmengen-Bestimmung in Maschinenaggregaten - Motor, Getriebe,
Servosysteme, Bremsen - sind noch umständlicher, weil dort nozh größere Unregelmäßigkeiten
der inneren Gehäuseform gegeben sind und ftir ökonomisch tragbare Meßverfahren -
Scilwimrner etc. - meist keine Unterbringungsmöglichkeit gegeben ist.
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Offenbar weil es kein betriebssicheres, billiges Meßverfahren für
diese Anwendung gibt, und weil die Füllhöhenmessung mit zu starken spezifischen
Nachteilen behaftet ist, bleiben die Füllmengen in der Regel unüberwacht bzw. begnugt
man sich mit einer ungenauen, unzuverlässigen Tankinhalts-Anzeige.
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Das mag nach der Wirtschafts- und Verkehrsgebarung der Vergangenheit
noch hinzunehmen gewesen sein: die geringe Verkehrsdichte brachte nicht sofort eine
emfpindliche Verkehrsgefährdung, wenn ein Fahrzeug wegen Treibstoffmangels oder
defekten Bremsen, Motor oder Getriebe auf der Straße stehenblieb. Auch wirtschaftlich
mußte solchen häufig durch fehlerhafte oder unterlassene Füllmengenmessung verursachten
Zwischenfällen keine sehr hohe Bedeutung zugewiesen werden.
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Heute erscheint dies unannehmbar bis unverantwortlich. Eine heutige
Überlondfahrt zur Ferien- oder Nachtzeit z.B. erfordert eine weit genauere Treibstofflolkulation
unter Einbeziehung empirisch gewonnener Verbrauchswerte von nicht vorhenehbaren,
verbrauchsrelevanten Verkehrsumständen, als es Tankinha ltsmesser bisherigen technischen
Standes erlauben. Im Hinblick auf das heutige Sicherheits-, Gebrnuchswert- und Resourcenbewußtsein
erscheint es auch nötig, Ölfullmengen in Maschinenteilen des Kfz laufend zu Uberwachen
und davon freizukommen, daß es im heutigen technischen Stande dazu noch erforderlich
ist, sich unters Auto zu begeben und Schrauben zu lösen. Gemessen am inzwischen
erreichten Zuverlössigkeitsgrad der Maschinentei le im Kfz und an der Tatsache,
daß ein hoher Anteil von
Schäden an diesen Teilen durch eine laufende
Überwachung der Füllmengen im Blickfeld des Kfz-Lenkers vermieden werden könnte,
encheint dieser grobe Unterschied in den iintwicklungsständen als anachronistische
Diskrepanz: ein Leckwerden z. 8. einer Wellendichtung ist heute und in absehbarer
Zeit nicht auszuschließen. Dies müßte nicht, wie heute die Regel, zum Totalschaden
des Maschinenaggregates und zum Liegenbleiben des Fahrzeugs auf freier Strecke oder
gar zum Unfall durch eine Maschinenteil-Blockade fUhren, sondem könnte mit den heutigen
technischen Möglichkeiten soweit abgefangen werden, daß ein geregeltes Ansteuern
der nächsten Werkstätte aus eigener Kraft ohne jede Erhohung des Gefuhrdungsgrades
möglich ist.
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Sinngemäß übertragen gilt dies auch im Luft- und Wasserverkehr, besonders
im Amateurbereich: auch dort gibt es Unvorhersehbarkeiten der Verbrauchsmengen.
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Eine litergenaue Treibstoffanzeige und Überwachung der Schmiermittel-FUllmengen
weit vor Indikation durch Druckabfall oder Blockade bzw. Überhitzung konnte erhebliche
Anteile an Unfällen vermeiden.
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Die Aufgabe besteht also darin, die Füllmengenmessung auf eine echte,
einfache Volumensmessung zvruckzufuhren. Nur eine solche kann die Lageunabhdngigkeit
und die Genauigkeit auch bei sehr unregelmässigen Innenformen von Behälter und Aggregatgehäusen
und die ökonomisch sinnvolle technische Möglichkeit bringen, in Maschinenaggregaten
ohne Einbau von Festkörperteilen das Füllvolumen auch während des Betriebs zu Uberwachen.
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Die Lösung geht von der fUr Gase gultigen Beziehung p . V = const.
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aus: durch Zu- oder AbfUhrung von z. B. Luft oder FUllgut wird im
verbleibenden Luftraum über dem jeweiligen FUllgut ein Druckunterschied zum momentanen
Atmospharendruck bis zu einem gewählten Druckindex herbeigefUhrt. Die Menge der
zu- bzw. abgeführton Luft bis zum Druckindex ist ein proportionales Maß fUr das
Luftvolumen, das im Tank bzw. im Aggregatgehöuse eingeschlossen ist. Diese Menge
Luft ist das additive Komplement zum Volumen *s Fullmediums gegen über dem bekannten
Gesamtvolumen des Behöltnisses.
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Am Beispiel der Tankinholtsmersung ergeben sich diese Abläufe: Der
Tankinnenraum ist, entfüftet auf atmosphärischem Druck. Ein Ventil schließt die
Tankentlüftung.
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Eine Luftpumpe pumpt so lange, bis ein bestimmter Über- oder Unterdruck,
z.B.
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10 -2 des Umgebungsdruckes von einem Differenzdruck-Schalter ruckgemeldet
wird und die Pumpe abschaltet. Die innerhalb des Vorgangs erfolgten Arbeitszyklen
der Pumpe werden gezählt und sind direkt das Maß für das eingeschlossene Luftvolumen.
Die Zyklen:rahl bzw. ihr additives Komplement zum Gesamtvolumen des Bekälters wird
angezeigt. (Der Zöhlerendstand ist auf das Gesamtvolumen des Tanks vorprogrammiert.
Er zählt von diesem Endstand zuru,ck bis zur Rückmeldung des Druckindex. 1m Zähler
steht dann die verbleibende Treibstoffmenge nach Volumen).
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Am Ende dieses Vorgangs öffnet das Entflüftungsventi I wieder und
bringt das Tankinnere auf Momentandruck der umgebenden Atmosphäre.
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Dieser Vorgang wiederholt sich in je nach Fahrzeugtyp vorgewählten
Zeit- oder Wegintervallen Bei Zeitintervallen z.B. zwischen 2 ... 10 min.: ein Fahrzeug,
das mit 200 kmh fährt und einen Verbrauch von 20 1 / loo km hat, verbraucht 11 in
1/40 h = 1,5 min. FUr ein solches Fahrzeug ist ein Zeitinterval um 2 min.
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zweckmässig.
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Der Aufwand fur eine solche Pumpe liegt etwa im Bereich einer elektrischen
Scheibenwaschpumpe und damit etwa im Bereich bisheriger Geber für Fullhöhenmessungen.
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Der Zähler - z.B. elektronischer Zähler mit Zwischenspeicher , in
den am Ende jedes Meßvorgangs der Zählerstand eingeschaben wird, mit 2-stelliger
LED-Digitalanzeige - liegt etwa im Kostenbereich herkömmlicher Analog-Kreuzspulen-Anzeigegeräte.
Der IIerstellpreis-Unterschied eines Meßgerätes nach dem erfindungsgemessen Verfahren
gegenuber herkömmlichen Verfahren liegt allenfalls bei + einigen Mark. Dafür bekommt
man aber eine zuverlässigo, digitale. genaue, auf Liter aufgelöste Tankonhaltanzeige.
Ein eventueller Mehrpreis amortisiert sich rasch durch die Mälichkeiten, die eine
solche Anzeige in Richtung ökonomwscher Fahrweise und Zeitersparnis durch Vermeidung
von Tankaufenthalten bietet, wie sie bisher wegen der unzuverlässigen Inhaltsangaben
vorsorglich nötig waren.
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Da es weitgehend gleichgültig ist, ob mit Unter- oder Überdruck operiert
wird, kann auch das Ansaugvakuum des Motors satt der Pumpe herangezogen werden.
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Dann wird mittels direkter oder indirekter Durchfluß-Mengenmessung
die Luftmenge gemessen, die bis zur Rückmeldung des Druckindex aus dem Tank gesaugt
wurde.
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Eine gedankliche Verbindung etwa derart, daß, wenn schon ein Durchflußmesser
notig ist, diesen sinnvoller gleich für die Restmengenbestimmung im Tank zu verwenden,
wäre irftümlich: die Voraussetzungen fUr eine genaue Durchflußmessung im Rahmen
des erfindungsgemässen Verfahrens sind wegen der leicht konstant zu haltenden Durchflußmenge
gegen Zeit, wegen der wählbaren Durchflußmenge nach dem Gesichtspunkt optimaler
Meßung und der fortlaufenden Wiederholung der Messung weit besserols bei einer Durchflußmessung
des Verbrauchs. Einer solchen Assoziation steht auch entgegen, daß beim erfindungsgemäßen
Verfahren nicht eine inkrementale Koppelmessung, bezogen auf viele vorhergehende
Daten aus Verbrouchs- und NachfUllmengen vorgenommen wird, wie es bei einer Durchfluß-Mengenmessung
der Fall wäre. Ferner steht einer solchen Assoziation entgegen, daß mit einer Durchflußmessung
des Verbrauchs keine vernünftige Möglichkeit für Multiplexmessungen aller kritischen
FUllmengen gegeben wäre.
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Multiplex-Verfahren erfordern pro Meßstelle zusätzlich nur ein Wechselventil
fUr Entlüftung und Anschluß an das Meßsystem: e i n e Pumpe bzw. e i n Durchflußmesser
bedient dann sequentiell Tank, Motor, Getriebe, Differential, Bremse, Servosysteme,
Scheibenwaschwasser, Kühlsystem. Ein solches System bringt bei sehr geringem Aufwand
eine totale Übenicht über alle im Kfz kritischen FUII-mengen außer Reifendruck.
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Für die Elektronik des heutigen technischen Standes ist eine Ablaufsteuerung
dieser Art weder kostenmdssig noch technisch ein Problem.
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Die Vorteile des beschriebenen Verfahrens sind gegenüber einer Alternativmöglichkeit,
nämlich mit einer gleichbleibenden Menge Luft zu operieren und die Druckänderung
graduell zu messen, so offenkundig, daß von einer Aufzählung Abstand
genommen
wird. Nur in wenigen Spezialfällen erscheint eine Wahl dieser Alternativmöglichkeit
zweckmässig.
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Ebenfalls wegen gegebener Evidenz erscheint eine Aufzählung der Volteile
des rflndungsgemussen Verfahrens auf anderen Anwendungsgebieten entbehrlich.
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Nützlich erscheint noch der Hinweis, daß ein z.B. sicherheitstechnisch
bedingtes Vakuum in einem Öl-Erdtank nicht die Anwendbarkeit dqs Verfahrens ausschließt:
es wird nur die Veränderung zu einem bestimmten Ausgangsdruck als Folge einer Zu-
oder Abgabe an Luftmenge ausgenutzt. Deshalb kann dieses Verfahren auch zur genauen
Fullmengenmessung in Flugzeugen vorteilhaft genutzt werden.
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Erhebliche Vorteile dürfte das Verfahren auch im Laborbereich und
beim Umschlag von Flüssigkeiten bringen: ein kleines, batteriebetriebenes Handgerät,
bestehend aus Pumpe, Zählgerät mit Vorwahl und Differenzdruck-Schalter, broucht
nur auf die Einfullaffnung des jeweiligen Behälters gehalten zu werden, und nach
wenigen Sekunden liegt das Ergebnis vor. Umfüllungen in Meßgefüße oder Verbringung
auf eine Waage erübrigen sich. Auch das Leervolumen des jeweiligen Behälters bis
zur Öffnung - zur Gewinnung der Zählervorwahl - kann das Gertit schnell bestimmen,
wenn ein Typ des Behalten leer zur Hand ist.