DE2841889A1 - Vorrichtung zur messung des fuellstandes in einem mit fluessigkeit zumindest teilweise gefuellten behaelter - Google Patents

Description

• Vorrichtung zur Messung des Füllstandes in einem mit
• Flüssigkeit zumindest teilweise gefüllten Behälter Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Füllstandes in einem mit FlüssigKeit zumindest teilweise gefüllten Behälter, insbesondere in einem Kraftstofftank, welche einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand und Vorrichtungen, die eine Beheizung des Widerstandes bewirken können, enthält und welche ein Meßgerät enthält, welches eine durch die Änderung des Füllstandes bewirkte Änderung des Widerstandswertes anzeigt.
• Eine ähnliche Niveaustands-Meßeinrichtung ist aus der DE-AS 23 08 823 bekannt. In dieser Auslegeschrift wird vorgeschlagen, daß mehrere Mantelleiter um einen Trägerstab gewickelt werden, von denen ein Teil Widerstandsdrähte und stromdurchflossene Heizleiter, ein anderer Teil nur Widerstandsdrähte enthält. Aus diesen Widerstandsdrähten wird eine Widerstandsmeßbrücke aufgebaut, wobei die temperaturabhängigen Widerstandsdrähte eines beheizten Mantelleiters in einem Brückenzweig und diewenigen eines unbeheizten Mantelleiters in einem anderen Brückenzweig der Widerstandsmeßbrücke angeordnet sind.
• Die dort beschriebene Niveaustands-Meßeinrichtung dient insbesondere zur Messung des Flüssigkeitsstandes in Kernreaktor-Kraftwerken. Dort wird in der Regel der Füllstand von Wasser gemessen.
• Zur Messung des Füllstandes von Kraftstoffen oder anderen leicht flüchtigen Verbindungen ist die Einrichtung nach dem Stand der Technik nicht geeignet. Die Masse des zu erwärmenden Meßkörpers ist im Verhältnis zu seiner von der Flüssigkeit erreichbaren Oberfläche sehr groß.
• Dadurch ergibt sich nicht nur eine große Trägheit der Anzeige und eine geringe Genauigkeit der Messung infolge der Wärmeableitung im Meßkörper, sondern es muß auch eine hohe Heizleistung aufgewendet werden, da innerhalb der Meßeinrichtung ein erheblicher Temperaturgradient vorhanden ist und da für eine Auswertung nur der mittlere Temperaturunterschied zwischen dem in der Flüssigkeit und dem außerhalb der Flüssigkeit befindlichen Teil der Meßeinrichtung ausgewertet werden kann. Dadurch bedingt wird der außerhalb der Flüssigkeit befindliche Teil relativ stark erhitzt, er kann eine Verdampfung der FlUssigkeit im Grenzbereich hervorrufen. Dies hat nicht nur einen Verlust an Flüssigkeit durch Verdampfung, sondern bei Verwendung für brennbare Flüssigkeiten auch eine erhöhte Explosionsgefahr zur Folge. Aufgrund der notwendigen Heizleistung und der niedrigen Wärmeleitfähigkeit von Treibstoffen tritt bei dieser Meßeinrichtung auch in dem innerhalb der Flüssigkeit liegenden Teil des Widerstandes eine stark signalschwächende Erwärmung auf.
• An anderer Stelle wurde vorgeschlagen, die Änderung der Kapazität zwischen zwei benachbarten elektrischen Leitern oder Leiterflächen zur Bestimmung der Füllstandshöhe einzusetzen. Derartige Methoden bedingen einen relativ hohen apparativen Aufwand und sind anfällig gegen Verschmutzung während des Betriebes. Außerdem ist die Beeinflussung des Meßergebnisses durch unvermeidbare Zuleitungskapazitäten kaum auszuschalten.
• Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt, besteht in der Messung des Füllstandes in Behältnissen mit geringem apparativem Aufwand, hoher Meßgenauigkeit und mit geringem Energieaufwand. Die Vorrichtung soll zur Messung von brennbaren, leicht flüchtigen FlUssigkeiten, vorzugsweise Vergaserkraftstoffen, geeignet sein.
• Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß der temperaturabhängige Widerstand aus einer isolierenden Trägerfolie und hut großem Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstandes aufgebaut ist, daß an diesen Widerstand eine Stromquelle angeschlossen ist, welche einen füllstandsunabhängigen Strom abgeben kann, und daß der Spannungsabfall am Widerstand als Maß für die FUllstandshöhe ausgewertet wird.
• Diese Vorrichtung hat den Vorteil, daß die Masse der Trägerfolie gering gehalten werden kann, daß die Metallschicht sehr dünn aufgebracht werden kann und somin-kein störender Gradient der Temperatur im Widerstand auftritt, daß aufgrund der geringen Masse der Vorrichtung und xhrer geringen Dicke keine störende Ubergangszone im Bereich der Flüssigkeitsoberfläche auftritt und daß die Messung mit einer sehr geringen Einstellzeit erfolgen kann.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist vorteilhaft eine Widerstandsschicht mit einem Verhältnis ihrer Breite 7einer Metallschicht zu ihrer Dicke von mehr als 100:1 auf. Dadurch ist gewährleistet, daß kein störender Temperaturgradient in der Schicht auftritt. Als isolierender Träger dient vorteilhaft eine Kunststoffolie. Diese ist biegsam, daher leicht zu behandeln und widerstandsfähig gegen mechanische Beanspruchungen, insbesondere bei Bewegungen der Flüssigkeit im Behälter. Eine störende Beeinflussung der Messung durch die Wärmekapazität des Trägers ist vermieden, wenn die Breite der Widerstandsschicht zumindest um den Faktor 10 größer ist als die Dicke der isolierenden Trägerfolie. Als Material für die vorzugsweise aufgedampfte Widerstandsschicht eignet sich insbesondere Eisen oder Nickel, da diese Metalle einen hohen Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstandes aufweisen.
• Insbesondere das Nickel wird außerdem durch die zu messenden Flüssigkeiten nicht angegriffen. Widerstandsschichten aus Nickel und ihre Herstellung sind beispielsweise in der DE-PS 10 79 166 beschrieben. Gegenüber den organischen Verbindungen von Vergaserkraftstoffen ist auch Eisen beständig. Beide Materialien,Ni und Fe, können sehr dünn aufgedampft werden, so daß auch bei konstruktiv vorgegebenen, relativ geringen Längen der Widerstandsschicht der Widerstandswert in einem weiten Bereich eingestellt werden kann, wodurch eine hohe Meßempfindlichkeit erreichbar ist. Durch eine an die Größe der Flüssigkeitsoberfläche in Abhängigkeit von der Füllstandshöhe angepaßte Breite der Widerstands schicht kann auch bei unregelmäßig geformten Behältern eine lineare Anzeige des Meßinstruments erreicht werden. Auch Behälter, die für den Einbau einer Füllstandsanzeige der herkömmlichen Art unter Verwendung eines Schwimmers wegen ihrer Formgebung nicht genügend Raum bieten, können mit der vorgeschlagenen Vorrichtung vorteilhaft ausgerüstet werden, eine lineare Füllstandsanzeige ist auch dort zu erreichen. Ein für einen Benzintank eines Kraftfahr- zeuges günstiger Wert für den Flächenwiderstand einer Widerstandsschicht beträgt 0,6 Ohm pro Quadrat.
• Zur Kompensation von Temperatureinflüssen und dergl. ist es vorteilhaft, daß die vorgeschlagene Vorrichtung einen nicht beheizten Vergleichswiderstand enthält, daß dieser Vergleichswiderstand an eine Stromquelle angeschlossen ist, welche einen kleinen, den Widerstand nicht erwärmenden Strom abgibt und daß als Meßsignal die Differenz aus dem Spannungsabfall am Meßwiderstand und dem Spannungsabfall am Vergleichswiderstand ausgewertet wird.
• Hierzu sind vorteilhaft der Vergleichswiderstand und der Meßwiderstand aus auf einer gemeinsamen Trägerfolie befindlichen Metallschichten gebildet.
• Hierbei sind die Metallschichten für den Meß- bzw. den Vergleichswiderstand vorteilhaft deckungsgleich und von gleicher Dicke ausgebildet.
• Die vorgeschlagene Vorrichtung weist vorteilhaft eine Schaltung zur Regelung des Stromes in Abhängigkeit von der Temperatur über dem Flüssigkeitsspiegel auf. Die aufgrund der äußeren Bedingungen im Tank herrschende Lufttemperatur TL und Kraftstofftemperatur TB beeinflussen grundsätzlich die Anzeige der Vorrichtung. Daraus resultierende Anzeigefehler sind auf elektronischem Wege zu eliminieren. Dies geschieht durch die parallele Anordnung eines Meßwiderstandes WI und eines Vergleichswiderstandes W11. Als Meßsignal wird die Differenz AU zwischen dem Spannungsabfall an WI und dem - reziprok zu den Strömen durch WI und WII verstärkten - Spannungsabfall an WII verwertet. Bei gleichbleibender Streifenbreite über die gesamte Länge der Widerstände WI und WII gilt unter der Annahme, daß in beiden Widerständen auf- grund der äußeren Bedingungen eine gleiche Grundtemperaturverteilung herrscht und sich zu dieser im Meßwiderstand WI an Luft (bzw. über der Flüssigkeit) die durch Erwärmung erzeugte Übertemperatur #T addiert: AU = J.R.TKR. #T (L-h) J = Strom durch den Meßwiderstand WI R = längenbezogener Widerstandswert der beiden aufgedampften Widerstandsstreifen = Temperaturkoeffizient von R h = Füllstandshöhe im Tank L = Tankhöhe bzw. Länge der Widerstandsstreifen.
• Zur Folge obiger Gleichung ist AU linear abhängig von h, die Lufttemperatur TL und die Kraftstofftemperatur TB treten explizit nicht mehr auf. Bei Eigenbeheizung von WI wird die Übertemperatur #T allerdings von TL mitbestimmt, zwischen beiden Größen besteht ein linearer Zusammenhang. Zur Ausschaltung des impliziten Einflusses von TL auf /U müssen beim eigenbeheizten Fühler, bei dem also die Erwärmung des Meßwiderstandes durch den Strom im Neßwiderstand erzeugt wird, die Strom durch die Vi-Widerstände WI und WII im gleichen Verhältnis gegenläufig zur Temperatur TL geändert werden. Dies ist auf elektronischem Wege mit ausreichender Genauigkeit möglich Bei Fremdbeheizung von WI, d.h. bei Beheizung durch einen gesonderten Heizleiter, tritt dieses Problem nicht auf, da die über einen separaten Stromleiter zugeführte Wärme unabhängig von der Temperatur TL erzeugt werden kann. In diesem Fall werden die Widerstände WI und WII von gleichen, sehr niedrigen Strömen durchflossen, die eine Eigenerwärmung ausschließen. Hierzu eignen sich Ströme unter 1 mA, während für die eigenbeheizten Fühler ein Strom von etwa 40 mA bei einer Streifenbreite von 0,8 mm und einer Dicke der Nickelschicht von etwa 0,15Zum vorteilhaft ist. Bei dieser Bemessung ergibt sich in Nickelaufdampfschichten ein Temperaturunterschied von ca. 15 0C zwischen dem in die Flüssigkeit eintauchenden und dem darüber befindlichen Teil von Wi Dem entspricht eine Widerstandsänderung von ca. 10 %. Diese läßt sich elektronisch unschwierig mit der erforderlichen Genauigkeit weiterverarbeiten. Dabei wird nur etwa eine Stromwärme von 0,15 W/cm2 erzeugt. Fur die Höhe des Spannungsabfalles am Meßwiderstand reichen hierbei maximal 6 V aus, die aus dem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs ohne weiteres entnormen werden können.
• Die Erfindung wird anhand von zwei Figuren naher erläutert.
• Die Figuren zeigen zwei Ausführungsbeispiele schematisch.
• Eine Konstantstromquelle 1 bewirkt einen vom Flüssigkeitsstand unabhängigen Strom im Meßwiderstand WI, welcher aus einer Isolierstoffolie 3 und einer schraffiert dargestellten Metallschicht 2 aufgebaut ist. Der Meßwiderstand WI taucht in eine Flüssigkeit ein. Oberhalb des Flüssigkeitsspiegels 5 erwänat sich die Metallschicht 2 wesentlich stärker als unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 5. Ein Meßgerät 4 mißt den Spannungsabfall am Meßwiderstand WI Eine Temperaturkompensation wird bei einer Ausführungsforii geiäß Fig. 2 erreicht. Dort wird ein Meßwiderstand WI aus einer Metallschicht 6 auf einer Isolierstofffolie 3 gebildet und ein Vergleichswiderstand h I aus einer deckungsgleichen, schraffiert dargestellten Metallschicht 7 auf derselben Isolierstoffolie 3. Eine Konstantstromquelle 1 läßt durch den Meßwiderstand Vi einen zur Erwärmung des über dem Flüssigkeitsspiegel 8 befindlichen Teiles ausreichenden Strom fließen. Eine zweite Konstantstromquelle 9 bewirkt ebenfalls im Vergleichswiderstand W11 einen vom Füllstand unabhängigen Strom. Dieser Strom ergibt keine störende Erwärmung des Vergleichswiderstandes W11. Ein Meßinstrument 4 mißt die Differenz zwischen dem Spannungsabfall an WI und dem im Verhältnis des Stromes durch WI zum Strom durch WII verstärkten Spannungsabfall an WII. Eine ausreichende Differenz dieser Spannungsabfälle ist bei deckungsgleicher Ausbildung der Widerstände WI und WII gegeben, wenn der Strom durch den Meßwiderstand WI um den Faktor 10 größer ist als der Strom durch den Vergleichswiderstand WII.
• In diesem Falle ergibt sich ein Verhältnis der abgegebenen Leistung von 100:1.
• Der Meßwiderstand WI kann auch indirekt beheizt werden.
• In diesem Fall wird vorzugsweise eine deckungsgleiche Metallschicht mit einem möglichst geringen Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes durch eine isolierende Schicht von dem Meßwiderstand W1 getrennt deckungsgleich mit diesem aufgebracht. Sie kann beispielsweise auf der Rückseite der Isolierstoffolie 3 aufgebracht werden. In diesem Falle werden sowohl durch den Meßwiderstand als auch durch den Vergleichswiderstand WII nur geringe Meßströme geschickt. Die nicht dargestellte Viderstandsschicht wird dann durch den für die Erwärmung erforderlichen, ebenfalls von der Füllstandshöhe unabhängigem Strom durchflossen.
• Zur Messung der Füllstandshöhe von elektrisch nicht leitenden Flüssigkeiten können die Widerstandsschichten freiliegen. Sollen aber Flüssigkeiten mit störender elektrischer Leitfähigkeit gemessen werden, so empfiehlt es sich, über den Widerstandsschichten eine elektrisch isolierende Schicht anzubringen. Diese kann beispielsweise auflackiert werden.
• 11 Patentansprüche 2 Figuren

Claims (11)

1. Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Messung des Füllstandes in einem mit Flüssigkeit zumindest teilweise gefüllten Behälter, insbesondere in einem Kraftstofftank, welche einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand und Vorrichtungen, die eine Beheizung des Widerstandes bewirken, enthält und welche ein Meßgerät enthält, welches eine durch die Änderung des Füllstandes bewirkte Änderung des Widerstandswertes anzeigt, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der temperaturabhängige Widerstand(W1) aus einer isolierenden Trägerfolie (3) und einer Metallschicht (2) mit großem Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstandes aufgebaut ist, daß an diesen Widerstand eine Stromquelle (1) angeschlossen ist, welche einen vom Flüssigkeitsstand unabhängigen elektrischen Strom abgeben kann und daß der Spannungsabfall am Meßwiderstand als Maß für den Flüssigkeitsstand ausgewertet wird.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a a u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Widerstandsschicht ein Verhältni' ihrer Breite zu ihrer Dicke von mehr als 100:1 aufweist.
3. 3. vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als isolierender Träger eine Kunststoffolie dient.
4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a -d u r c h g e k e n n z e i c n n e t , daß die Breite der Widerstands schicht zumindest um den Faktor zehn größer ist als die Dicke der isolierenden Trägerfolie.
5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Widerstandsschicht aus Eisen besteht.
6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Flächenwiderstand der Widerstandsschicht etwa 0,6 Ohm pro Quadrat aufweist.
7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sie einen nicht beheizten Vergleichswiderstand (WII) enthält, daß dieser Vergleichswiderstand (WII) an eine Stromquelle (9) angeschlossen ist, welche einen kleinen, den Widerstand nicht erwärmenden Strom abgibt und daß als Meßsignal die Differenz aus dem Spannungsabfall am Meßwiderstand (WT) den Meßwiderstand und dem im vernaltis des Stromes durch/(W+) zum Strom den Vergleichswiderstand durch/(WII) verstarkten Spannungsabfall am Vergleichswiderstand (WII) ausgewertet wird.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Vergleichswiderstand (WII) und der Meßwiderstand (WI) aus auf einer gemeinsamen Trägerfolie (3) befindlichen Metallschichten (6,7) gebildet sind.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Metallschichten für den Meßwiderstand (W1) bzw. den Vergleichswiderstand (WII) deckungsgleich und von gleicher Dicke und aus gleichem Material gebildet sind.
10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 , d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sie eine elektronische Schaltung zur Regelung des Stromes in Abhängigkeit von der Temperatur über dem FlUssigkeitsspiegel enthält.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß zur Beheizung des Meßwiderstandes eine gesonderte Heizung vorgesehen ist und daß der Meßwiderstand nur durch einen geringen Meßstrom durchflossen wird, welcher ihn nicht aufheizt.