DE2841889B2 - Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung des Füllstandes in einem mit Flüssigkeit zumindest teilweise gefüllten Behälter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung des Füllstandes in einem mit Flüssigkeit zumindest teilweise gefüllten Behälter, insbesondere in einem Kraftstofftank, weiche einen stromdurchflossenen, temperaturabhängigen elektrischen Meßwiderstand und Vorrichtungen, die eine Beheizung des Meßwiderstandes bewirken, enthält, wobei der Meßwiderstand durch die ihr, teilweise umgebende Flüssigkeit keinen unzulässigen elektrischen Nebenschluß erfährt, wobei ferner d^r Meßwiderstand teilweise in die Flüssigkeit eintaucht und sich über den gesamten zu messenden Bereich des Füllslandes erstreckt, und welche ein Meßgerät enthält, welches eine durch die Änderung des Füllstandes bewirkte Änderung des Widerstandswertes anzeigt und in welcher diese Änderung des Widerstandswertes des Meßwiderstandes als Maß für den Flüssigkeitsstand im Behälter ausgewertet wird.

Eine ähnliche Nivtaustands-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 diejenigen eines unbeheizten Mantelleiters in einem anderen Brückenzweig der Widerstandsmeßbrückc angeordnet sind. Die dort beschriebene NiveaustandsMcßcinrichtung dient ins-

besondere 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 Einrich- "> tung nach dem Stand der Technik wie die ebenfalls bekannten Einrichtungen mit Keramik-Widerständen, z. B. Heißleitern gemäß Elektro-Technilt Nr. 11,12.3.1S55 nicht geeignet. Die Masse des zu erwärmenden Meßkörpers ist im Verhältnis zu seiner von der in 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 is 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 Flüssigkeit im Grenzbereich hervorrufen. Dies hat nicht nur einen Verlust an Flüssigkeit durch Verdampfung, sondern bei Verwen· dung für brennbare Flüssigkeiten auch eine erhöhte Explosionsgefahr zur Folge. Auf Grund der notwendigen Heizleistung und der niedrigen Wärmeleitfähigkeit von Treibstoffen tritt bei dieser Meßeinrichtung auch in dem innerhalb der Flüssigkeit liegenden Teil des Jo Widerstandes eine stark signalschwächende Erwärmung auf.

Werden gemäß der CH-PS 2 42 648 gespannte Metalldrähte als Meßwiderstände eingesetzt, so sind diese für den Einsatz in Benzintanks für Kraftfahrzeuge v> grundsätzlich nicht geeignet Die Forderung nach einer ausreichenden mechanischen Festigkeit des Drahtes, nach einem hohen Widerstandswert des Drahtes und nach einer relativ geringen Übertemperatur des über dem Flüssigkeitsspiegel befindlichen Teils des Drahtes *o lassen sich durch einen gespannten Widerstandsdraht nicht in ausreichendem Maße gleichzeitig erfüllen. Verwendet man die volle Spannung des Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges von etwa 10 V, so ergibt sich beim kleinsten Drahtdurchmesser, welcher den mechanischen ·»* Belastungen noch gewachsen sein dürfte, eine Obertemperatur über dem Flüssigkeitsspiegel von mindestens 100 K. Diese Übertemperatur kann bei dem hier in Frage kommenden Widerstandsmaterial, nämlich Nikkei, bereits zu einer Entzündung des Kraftstoffes führen, '>" insbesondere da Nickel Katalysatoreigenschaften besitzt. Außerdem verdampft bei einer derartigen Übertemperatur bereits so viel Benzin, daß der Benzindampf die Messung verfälscht Setzt man dagegen die Spannung am Widerstandsdraht herunter, v> beispielsweise durch Verwendung einer Brückenschaltung, so vermindert sich das auszuwertende Differenzsignal mit dem Quadrat der Spannung. Während bei Ausnutzung der vollen Spannung von etwa 10 V an einem Nickeldraht noch eine Differenzspannung von w» 400 mV ausgewertet werden kann, sinkt der Wert bei der Verwendung einer Brückenschaltung auf 100 mV. Diese Spannung liegt bereits in dem Bereich von Thermospannungen oder von galvanischen Spannungen, die in jedei Leitung auftreten, sobald der ^h'< Leiiungskreis zwei verschieden- Metalle enthält. Um diese prinzipiellen Schwierigkeiten zu überwinden, ist ein zusätzlicher Komoensationsaufwand erforderlich.

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 für die Verwendung in Kraftfahrzeugen ausreichend robust und zur Messung von brennbaren, leicht flüchtigen Flüssigkeiten, vorzugsweise Vergaserkraftstoffen, geeignet sein.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß

a) der temperaturabhängige Λ-. iß widerstand eine isolierende Trägerfolie und ein; Widerstandsschicht enthält,

b) als Widerstandsschicht eine Metallschicht mit großem Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstandes dient, und

c) die Breite der Widerstandsschicht im Verhältnis zur Dicke der isolierenden Trägerfolie so groß ist daß eine ausreichend kleine Einstellzeit gewährleistet ist.

Diese Vorrichtung hat den Vorteil, daß die Masse der Trägerfolie gering gehalten werden kann, daß die Metallschicht sehr dünn aufgebracht werden kann und somit kein störender Gradient der Temperatur im Widerstand auftritt, daß auf Grund der geringen Masse der Vorrichtung und ihrer geringen Dicke keine störende Übergangszone im Bereich der Flüssigkeitsoberfläche auftritt und daß die Messung mit einer sehr geringen Einsteilzeit erfolgen kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist vorteilhaft eine Widerstandsschicht mit einem Verhältnis ihrer Breite 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 WiderrtanJsjchicht 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 angcgtiffen. Widerstandsschichter, 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 daO auch bei konstruktiv vorgegebenen, relativ geringen I Ingen 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 Widerstandsschicht 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 Schwim- ■> mers 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 Kraftfahrzeuges günstiger Wert für to den Flächenwiderstand einer Widerstandsschicht beträgt 0,6 Ohm pro Quadratzentimeter.

Zur Kompensation von Temperatureinflüssen und dergleichen ist es vorteilhaft, daß die vorgeschlagene Vorrichtung einen nicht beheizten Vergleichswider- r> stand enthält, daß dieser Vergleichswiderstand an eine Stromquelle angeschlossen ist, welche einen kleinen, 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 7). erzeugt werden kann. In diesem Fall werden die Widerstände W₁ und Wu von gleichen, sehr niedrigen Strömen durchflossen, die eine Eigenerwärmung ausschließen. Hierzu eignen sich Ströme unter 1 mA, wahrend für die eigenbeheizten Fühler ein Strom von etwa 40 mA bei einer Streifenbreite von 0,8 mm und einer Dicke der Nickelschicht von etwa 0,15 μπι vorteilhaft ist. Bei dieser Bemessung ergibt sich in Nickelaufdampfschichten ein Temperaturunterschied von ca. I5°C zwischen dem in die Flüssigkeit eintauchenden und dem darüber befindlichen Teil von Wi. Dem entspricht eine Widerstandsänderung von ca. 10%. Diese läßt sich <klolrir/\nicr*h tinc/*hu/iskrti* mil Hpr prfnrdrrlirhen CiC-

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 Metalischichten gebildet.

Hierbei sind die Metallschichten für den MeQ- bzw. 2^r> 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 auf Grund der äußeren Bedingungen im Tank herrschende Lufttemperatur T_L und Kraftstofftemperatur Tb beeinflussen grundsätzlich die Anzeige der Vorrichtung. Daraus resultierende Anzeigefehler sind auf elektronischem Wege zu eliminieren. Dies geschieht r> durch die parallele Anordnung eines Meßwiderstandes W\ und eines Vergleichswiderstandes Wn. Als Meßsignal wird die Differenz AU zwischen dem Spannungsabfall an Wi und dem — reziprok zu den Strömen durch Wj und Wn verstärkten — Spannungsabfall an W_n verwertet. Bei gleichbleibender Streifenbreite über die gesamte Länge der Widerstände Wj und Wn gilt unter der Annahme, daß in beiden Widerständen auf Grund der äußeren Bedingungen eine gleiche Grundtemperaturverteilung herrscht und sich zu dieser im Meßwiderstand Wj an Luft (bzw. über der Flüssigkeit) die durch Erwärmung erzeugte Übertemperatur Δ Taddiert:

AU=J- R- T_KR-AT(L-h) J = Strom durch den Meßwiderstand Wj, R = längenbezogener Widerstandswert der beiden

aufgedampften Widerstandsstreifen.
Tkr = Temperaturkoeffizient von R,
h = Füllstandshöhe im Tank,
L = Tankhöhe bzw. Länge der Widerstandsstreifen.

Zur Folge obiger Gleichung ist Δ U linear abhängig von h, die Lufttemperatur Tl und die Kraftstofftemperatur Tb treten explizit nicht mehr auf. Bei Eigenbeheizung von Wi wird die Obertemperatur Δ T allerdings von T_L w mitbestimmt, zwischen beiden Größen besteht ein linearer Zusammenhang. Zur Ausschaltung des impliziten Einflusses von T_L auf AU müssen beim eigenbeheizten Fühler, bei dem also die Erwärmung des MeBwidersiandes durch aer, Strom im Meßwiderstand erzeugt wird, die Ströme durch die Widerstände W₁ und W_n im gleichen Verhältnis gegenläufig zur Temperatur Tl geändert werden. Dies ist auf elektronischem Wege nauigkeit weiterverarbeiten. Dabei wird nur etwa eine Stromwärme von 0,15 W/cm² erzeugt. Für die (lohe des Spannungsabfalles am Meßwiderstand reichen hierbei maximal 6 V aus, die aus dem Bordnetz eines Kraftfahrzeuges ohne weiteres entnommen werden können.

Die Erfindung wird an Hand von zwei Figuren näher erläuitrt

Die Figuren zeigen zwei Ausführungsbcispiele schematisch.

Eine Konstantstromquelle I bewirkt einen vom Flüssigkeitsstand unabhängigen Strom im Meßwiderstand Wi, welcher aus einer IsoMcrstoffolie 3 und einer schraffiert dargestellten Metallschicht 2 aufgebaut ist. Der Meßwiderstand Wi taucht in eine Flüssigkeit ein. Oberhalb des Flüssigkeitsspiegels 5 erwärm», 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 Ausführungsform gemäß Fig.2 erreicht Dort wird ein Meßwiderstand Wi aus einer Metallschicht 6 auf einer Isolierstoffolie 3 gebildet und ein Vergleichswiderstand Wh aus einer deckungsgleichen, schraffiert dargestellten Metallschicht 7 auf derselben Isolierstoffolie 3. Eine Konstantstromquelle 1 läßt durch den Meßwiderstand Wi einen zur Erwärmung des über dem Flüssigkeitsspiegel 8 befindlichen Teils ausreichenden Strom fließen. Eine zweite Konstantstromquelle 9 bewirkt ebenfalls im Vergleichswiderstand Wn einen vom Füllstand unabhängigen Strom. Dieser Strom ergibt keine störende Erwärmung des Vergleichswiderstandes Wn. Eir Meßinstrument 4 mißt die Differenz zwischen dem Spannungsabfall an Wi und dem im Verhältnis des Stromes durch Wi zum Strom durch Wn verstärkten Spannungsabfall an Wn. Eine ausreichende Differenz dieser Spannungsabfälle ist bei deckungsgleicher Ausbildung der Widerstände Wi und Wn gegeben, wenn der Strom durch den Meßwiderstand Wi um den Faktor 10 größer ist als der Strom durch den Vergleichswiderstand W_n. 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 Wi 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 Wn nur geringe Meßströme geschickt. Die nicht dargestellte Widerstandsschicht wird dann durch den für die Erwärmung erforderlichen, ebenfalls von der Füllstandshöhe unabhängigen Strom durchflossen.

Zur Messung der Füllstandshöhe von elektrisch nicht leiteiH/c» 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.

Zusammenfassung Vorrichtung zur Messung des Füllstandes

in einem mit Flüssigkeit
zumindest teilweise gefüllten Behälter

Zur Messung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Kraftstofftank wird eine auf eine Isoliersloffolie (3) aufgebrachte Widerstandsschicht (2) mit großem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes beheizt. In der Flüssigkeit bleibt die Widerstandsschicht (2) kalt, außerhalb wird sie warm. Die Differenz des Widerstandes zum Widerstand bei leerem Tank ist dem Füllstand proportional.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung des Füllstandes in einem mit Flüssigkeit zumindest teilweise gefüllten Behälter, insbesondere in einem Kraftstofftank, welche einen stromdurchflossenen, temperaturabhängigen elektrischen Meßwiderstand und Vorrichtungen, die eine Beheizung des Meßwiderstandes bewirken, enthält, wobei der MeB- ι ο widerstand durch die ihn teilweise umgebende Flüssigkeit keinen unzulässigen elektrischen Nebenschluß erfährt, wobei ferner der Meßwiderstand teilweise in die Flüssigkeit eintaucht und sich Ober den gesamten zu messenden Bereich des Füllstandes erstreckt, und welche ein Meßgerät enthält, welches eine durch die Änderung des Füllstandes bewirkte Änderung des Widerstandswertes anzeigt und in welcher diese Änderung des Widerstandswertes des Meß Widerstandes als Maß für den Flüssigkeitsstand im Behälter ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der temperaturabhängige Meßwiderstand (W\) eine isolierende Trägerfolie (3) und eine Widerstandsschicht enthält,

b) als Widerstandsschicht eine Metallschicht (2) mit großem Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstandes dient, und

c) die Breite der Widerstandsschicht im Verhältnis zur Dicke der isolierenden Trägerfolie (3) so m groß ist, daß eine ausreichend kleine Einstellzeit gewährleistet is^

2. Vorrichtung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstands, schicht ein Verhältnis ihrer Breite zu ihrer Dicke von mehr als 100:1 v> aufweist

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als isolierender Träger eine Kunststoffolie dient

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ·"> dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Widerstandsschicht zumindest um den Faktor 10 größer ist als die Dicke der isolierenden Trägerfolie.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstands- ⁴'-schicht aus Eisen besteht

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Flächen widerstand der Widerstandsschicht etwa 0,6 Ohm/Quadratzentimeter aufweist. w

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an den Meßwiderstand eine Stromquelle (I) angeschlossen ist, welche einen vom Flüssigkeitsstand unabhängigen elektrischen Strom abgeben kann und daß der Spannungsabfall ^r>^r> am Meßwiderstand als Maß für den Flüssigkeitsstand ausgewertet wird.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, welche einen nicht beheizten Vergleichswiderstand enthält, wobei der Vergleichswiderstand (Ww) an w> eine Stromquelle (9) angeschlossen ist, welche einen kleinen, den Widerstand nicht erwärmenden Strom abgibt und wobei als Meßsignal die Differenz aus drni Spannungsabfall am Mcßwiderstand (W\) und dem im Verhältnis des Stromes durch den Meß· ^f>" widerstand (W\) zum Strom durch den Vergleichswiderstand (Wn) verstärkten Spannungsabfall am Vergleichswiderstand (W_n) ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet» daß der Vergleichswiderstand (Ww) und der Meßwiderstand (W\) aus auf einer gemeinsamen Trägerfolie (3) befindlichen Metallschichten (6,7) gebildet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichten für den Meßwiderstand (W\) bzw. den Vergleichswiderstand (Wn) deckungsgleich und von gleicher Dickv und aus gleichem Material gebildet sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelschaltung zur Steuerung des Stromes in Abhängigkeit von der Temperatur über dem Flüssigkeitsspiegel vorgesehen ist

H. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beheizung des Meßwiderstandes eine vom Meßstromkreis getrennte Heizung vorgesehen ist

IZ Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand nur durch geringen Meßstrom durchflossen wird, welcher ihn nicht unzulässig aufheizt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Widerstandsschichten an die Größe der Flüssigkeitsoberfläche beim jeweiligen Füllstand so angepaßt ist, daß sich am Meßinstrument eine lineare Anzeige ergibt