DE3125591A1

DE3125591A1 - Fuellstandsmesser

Info

Publication number: DE3125591A1
Application number: DE19813125591
Authority: DE
Inventors: Jürgen 7100 Heilbronn Sieber
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Electronic GmbH
Priority date: 1981-06-30
Filing date: 1981-06-30
Publication date: 1983-01-20

Description

Füllstandsmesser
Die Erfindung betrifft einen Füllstandsmesser, insbesondere zum Messen des Tankinhaltes von Kraftfahrzeugen, mit temperaturabhängigen Bauelementen, die, wenn sie von einem Strom durchflossen werden, eine Temperaturerhöhung erfahren.
Füllstandsmesser werden auf verschiedenen Gebieten der Technik zur Bestimmung des Flüssigkeitspegels von Flüssigkeiten benötigt. Füllstandsmesser finden vor allem in der Kraftfahrzeugtechnik zur Bestimmung des Tankinhaltes Anwendung. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Füllstandsmesser anzugeben, der kostengünstig mittels im Handel erhältlicher Standardbauelemente hergestellt werden kann. Diese Aufgabe wird bei einem Füllstandsmesser der eingangs erwähnten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß er eine Vielzahl von temperaturabhängigen Bauelementen aufweist, daß er als temperaturabhängige Bauelemente Einzel-Bauelemente aufweist und daß diese temperaturabhängigen Einzel-Bauelemente miteinander thermisch gut leitend verbunden sind.
Der Füllstandsmesser nach der Erfindung weist mehr als drei temperaturabhängige Einzel-Bauelemente auf. Die temperaturabhängigen Einzel-Bauelemente sind zumindest teilweise in Reihe zueinander oder zumindest teilweise zueinander parallel geschaltet. Die temperaturabhängigen Einzel-Bauelemente sind vorzugsweise gleichmäßig auf den Abstand zwischen niedrigster und höchster Füllhöhe verteilt. Die Zuleitungen zwischen den temperatur abhängigen Einzel-Bauelementen haben vorzugsweise eine möglichst gute thermische Leitfähigkeit. Diese Forderung muß vor allem dann erfüllt sein, wenn eine realtiv niedrige Speisespannung zur Verfügung steht und bei einer Reihenschaltung sämtlicher Dioden infolge der niedrigen Speisespannung nur realtiv wenige temperaturabhängige Bauelemente eingesetzt werden können und trotzdem eine gute Auflösung erzielt werden soll.
Bei zu niedriger Speisespannung besteht allerdings auch die Möglichkeit, mehrere Kettenschaltungen nebeneinander einander überlappend anzuordnen. Auf diese Weise überstreicht man den gesamten Flüssigkeitsbereich mit der zur Auflösung erforderlichen (hohen) Zahl von temperaturabhängigen Bauelementen trotz niedriger Speisespannung.
Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen erläutert.
Die Figur 1 zeigt einen Füllstandsmesser nach der Erfindung, der beispielsweise aus der Reihenschaltung von Halbleiterdioden 1 und somit aus einer Diodenkette besteht. Bei der Wahl der Dioden ist darauf zu achten, daß ein guter thermischer Kontakt zwischen den zu kontaktierenden Halbleiterzonen und den Anschlußleitungen bzw. Anschlußdrähten der Diode besteht. Diese Bedingung erfüllen beispielsweise Dioden vom Typ BA 282. Der Füllstandsmesser nach der Erfindung kann also aus der Zusammenschaltung handelsüblicher Einzeldioden bestehen.
Die Genauigkeit der durch den Füllstandsmesser nach der Erfindung erzielten Füllstandsanzeige wird im allgemeinen umso genauer, je mehr Dioden die Diodenkette aufweist.
Der Anzahl der Einzelbauelemente bzw. der Dioden im Ausführungsbeispiel der Figur 1 sind jedoch Grenzen gesetzt, und zwar durch die Betriebs spannung, die zur Verfügung steht.
Im Betriebszustand wird nämlich die Diodenkette zur Erwärmung der Dioden von einem Konstantstrom durchflossen, der einen Spannungsabfall an den Einzeldioden und damit einen Ges amtspannungs anfall an der Diodenkette verursacht. Der Ges amtspannungs abfall an der Diodenkette kann jedoch nicht größer sein als die zur Verfügung stehende Bestriebsspannung. Steht beispielsweise wie bei Kraftfahrzeugen eine Betriebsspannung von 12 V bzw. bei nicht voller Batterieladung von nur 10 V zur Verfügung und tritt an den Einzeldioden bei Stromdurchfluß von 100 mA in Flußrichtung beispielsweise ein Spannungsabfall von je 0,9 V auf, so können höchstens 11 Dioden für die Diodenkette verwendet werden, da 11 Dioden bereits einen Spannungsabfall von 9,9 V verursachen.
Auf der anderen Seite muß sich aber die Diodenkette bei der Füllstandsmessung in einem Flüssigkeitstank vom Tankboden bis zur Höhe des höchsten Füllstandes erstrecken.
Die dieser Distanz entsprechende Länge beträgt beispielsweise bei einem Kraftfahrzeugtank 24 cm. Nun sollte man annehmen, daß eine genaue Auflösung bzw. genaue Messung des Füllstandes nur unter der Voraussetzung möglich ist, daß nahezu die gesamte Strecke vom Tankboden bis zur höchsten Füllhöhe (24 cm) von Dioden eingenommen ist, während die Anschlußdrähte zwischen den Dioden nur einen geringen Teil der genannten Strecke (24 cm) ausmachen. Bei einer Distanz von 24 cm und einer Diodenlänge von 5 mm wären das immerhin 40 Dioden, während wegen des zulässigen Spannungsabfalls von höchstens 10 V maximal nur 11 Dioden eingesetzt werden können.
Der Erfindung liegt jedoch die Erkenntnis zugrunde, daß eine genügend genaue Messung bzw. Auflösung überraschenderweise auch mit wesentlich weniger Dioden und im Ausführungsbeispiel beispielsweise mit den 11 bei der minimalen Betriebsspannung von 10 V zulässigen Dioden - statt 40 Dioden - erzielt werden kann, allerdings nur unter der Voraussetzung, daß die Dioden miteinander gut wärmeleitend verbunden sind. Dieser Sachverhalt läßt sich wie folgt erklären. Wird die Diodenkette von einem Strom durchflossen, so erwärmen sich die Dioden der Kette. Wird die Kette durch eine Flüssigkeit gekühlt, so erhöht sich die Spannung, die an der Diodenkette liegt, gegenüber der Spannung an der Diodenkette, die ohne Kühlung durch die Flüssigkeit vorhanden ist. Die Figur 2 zeigt die Spannungserhöhung, die die Diodenkette in Abhängigkeit vom Flüssigkeitspegel erfährt.
Auf der Ordinate des Diagramms der Figur 2 ist die Spannungsänderung (AU) aufgetragen, die die Diodenkette in Abhängigkeit von dem auf der Abszisse aufgetragenen Füllstand erfährt. Die auf der Ordinate aufgetragene Spannungs erhöhung ist bezogen auf die im Nullpunkt vorhandene Spannung bei nicht gekühlter Diodenkette, d. h.
beim Füllstand Null. Je höher der Füllstand im Tank ist, desto größer ist die Spannungs erhöhung gegenüber dem Füllstand Null.
Bei der Verwendung von nur wenigen Dioden - im Ausführungsbeispiel beispielsweise nur 11 Dioden statt 40 Dioden -sollte man eine schlechte Auflösung und damit die Treppenkurve (2) der Figur 2 erwarten. In Wirklichkeit ergibt sich jedoch bei Verwendung von nur wenigen Dioden (elf) eine durch die Meßpunkte 3 gekennzeichnete Kurve, die nahezu ideal der Idealkurve 4 (lineare Kurve) entspricht. Die ideale Kurve 4 wird erreicht, obwohl die 11 Dioden im Ausführungsbeispiel einen Abstand von 2,5 cm haben, von dem noch die Diodenlänge in Abzug zu bringen ist. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Idealkurve 4 bei Verwendung von so wenigen Dioden wie im Ausführungsbeispiel nur erzielt werden kann, wenn auch die Zuleitungen zwischen den Dioden zum Spannungserhöhungseffekt infolge Kühlung beitragen, indem sie die auf sie einwirkende Kühlung durch die Flüssigkeit auf die benachbarten Dioden übertragen. Die Spannungsänderung an den Dioden infolge Kühl einwirkung ist somit nicht nur eine Funktion der unmittelbaren Kühleinwirkung der Flüssigkeitauf die Dioden, sondern auch eine Funktion der Kühleinwirkung, die durch die Flüssigkeit auf die Zuleitungen erfolgt.
Steht also nur eine relativ geringe Betriebsspannung zur Verfügung, die ihrerseits den Einsatz von relativ wenigen Dioden bedingt, so ist es wichtig, daß die Zuleitungen zwischen den Bauelementen zum Kühleffekt beitragen, wozu sie allerdings nur imstande sind, wenn sie thermisch gut leitend sind. Infolge des Kühleffektes durch die Zuleileitungen kommt es also dazu, daß selbst Dioden, die sich außerhalb der Flüssigkeit befinden, durch die Zuleitungen gekühlt werden und auf diese Weise - obwohl selbst nicht in der Flüssigkeit befindlich - zur Spannungsänderung beitragen, und zwar bedingt durch den Kühleffekt, der auf die nicht in der Flüssigkeit befindlichen Dioden über die durch die Flüssigkeit gekühlte Zuleitung einwirkt.
Die Figur 3 zeigt eine Diodenkette mit den Dioden 1, die teilweise in eine in einem Behälter 5 befindliche Flüssigkeit 6 eingetaucht ist. Zur Spannungs erhöhung infolge Kühlung durch die Flüssigkeit tragen nicht nur die vier in der Flüssigkeit befindlichen Dioden (1) bei, sondern teilweise auch noch die außerhalb der Flüssigkeit 6 befindliche Diode 7, weil sie durch die zum Teil in der Flüssigkeit befindliche Zuleitung 8 eine Kühlung erfährt. Die Spannungserhöhung, die die Diodenkette infolge Eintauchens in die Flüssigkeit erfährt, ist also nicht nur von den in der Flüssigkeit befindlichen Dioden abhängig sondern auch von außerhalb der Flüssigkeit befindlichen Dioden, sofern diese eine Kühlung über Zuleitungen erfahren.
Mittels der Konstantstromquelle 9 wird durch die Diodenkette ein Konstantstrom beschickt, der an den Dioden und damit an der Diodenkette einen Spannungsabfall erzeugt.
Je mehr Flüssigkeit 6 sich im Behälter 5 befindet, desto mehr wird die Diodenkette gekühlt und desto höher ist infolgedessen der Spannungsabfall an der Diodenkette, so daß die Spannungsänderung, die die Diodenkette infolge Kühlung durch die Flüssigkeit erfährt, ein Maß für den Flüssigkeitspegel ist. An den Punkten 10 und 11 wird die Betriebsspannung zugeführt, während an den Punkten 12 und 13 die an der Diodenkette liegende Spannung gemessen wird.
Ist die zur Verfügung stehende Spannung begrenzt und benötigt man für eine brauchbare Auflösung mehr Dioden, als durch die Spannungsquelle bei Hintereinanderschaltung aller Dioden gespeist werden können, so teilt man die Dioden gemäß der Figur 4 auf mehrere Diodenketten auf, die durch gesonderte Konstantstromquellen (9', 9", 9''') gespeist werden. Die an den einzelnen Diodenkettem (14, 15, 16) liegenden Spannungen müssen in diesem Fall addiert werden.
Ein Füllstandsmesser nach der Erfindung kann statt durch eine Reihenschaltung auch durch eine Parallelschaltung von Dioden bzw. temperaturabhängigen Bauelementen gemäß der Erfindung realisiert werden. Die Figur 5 zeigt eine solche Parallelschaltung von Dioden (1). Die Dioden haben einen hohen Bahnwiderstand, damit sich Streuungen in der Charakteristik der Dioden nicht störend bemerkbar machen und eine vernünftige Strommessung möglich ist. Bei einer Parallelschaltung von Dioden erfolgt nicht wie bei einer Diodenkette eine Konstantstromeinspeisung, sondern es wird an die Parallelschaltung gemäß der Figur 5 eine konstante Spannung angelegt und mittels des Strommessers 17 der durch die Parallelschaltung der Dioden fließende Strom ermittelt. In diesem Fall ist die durch die Kühlung der Flüssigkeit bedingte Stromänderung ein Maß für den Flüssigkeitspegel.
Als temperaturabhängige Bauelemente für den Füllstandsmesser können anstelle von Dioden auch andere temperaturabhängige Bauelemente wie z. B. als Dioden geschaltete Transistoren (18 in Fiqur 6), NTC-Widerstände t19 in Figur 7) oder PTC-Widerstände t20 in Figur 8) verwendet werden. Dies gilt für die Reihenschaltung als auch für die Parallelschaltung. Natürlich ist auch die Kombination unterschiedlicher Bauelemente möglich, wie beispielsweise die Figur 9 zeigt, bei der bei der Parallelschaltung jeweils zu einer Diode (1) ein temperaturabhängiger NTC-Widerstand 19 in Reihe geschaltet ist.
Leerseite

Claims

Patentansprüche lX Füllstandsmesser, insbesondere zum Messen des Tankinhaltes von Kraftfahrzeugen, mit temperaturabhängigen Bauelementen, die, wenn sie von einem Strom durchflossen werden, eine Temperaturerhöhung erfahren, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Vielzahl von temperaturabhängigen Bauelementen aufweist, daß er als temperaturabhängige Bauelemente Einzel-Bauelemente aufweist und daß diese temperaturabhängigen Einzel-Bauelemente miteinander thermisch gut leitend verbunden sind.
2) Füllstandsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er mehr als drei temperatur abhängige Einzel-Bauelemente aufweist.
3) Füllstandsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängigen Einzel-Bauelemente zumindest teilweise in Reihe geschaltet sind.
4) Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängigen Einzel-Bauelemente zumindest teilweise parallel zueinander geschaltet sind.
5) Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängigen Einzel-Bauelemente gleichmäßig auf den Abstand zwischen niedrigster und höchster Füllhöhe verteilt sind.
6) Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängigen Einzel-Bauelemente durch Zuleitungen miteinander verbunden sind und daß diese Zuleitungen eine möglichst gute thermische Leitfähigkeit aufweisen.
7) Füllstandsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen aus Kupfer oder aus kupferummanteltem Eisen bestehen.
8) Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Reihenschaltungen von temperaturabhängigen Einzel-Bauelementen vorgesehen sind und daß diese Reihenschaltungen nicht von einem gemeinsamen Strom, sondern von gesonderten Strömen durchflossen werden.
9) Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängigen Einzel-Bauelemente Halbleiterbauelemente mit mindestens einer Sperrschicht sind.
10) Füllstandsmesser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängigen Einzel-Bauelemente einen Schottky-Kontakt oder einen pn-Übergang zur Bildung eine Sperrschicht aufweisen.
11) Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als temperaturabhängige Einzel-Bauelemente Transistoren und von diesen eine Diodenstrecke verwendet werden.
12) Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängigen Einzel-Bauelemente PTC-Widerstände sind.
13) Füllstandsmesser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängigen Einzel-Bauelemente NTC-Widerstände sind.
14) Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung oder Parallelschaltung der temperaturabhängigen Einzel-Bauelemente aus einer Mischung von Halbleiterbauelementen mit mindestens einer Sperrschicht und temperatur abhängigen Widerständen besteht.
15) Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß so viele temperaturabhängige Einzel-Bauelemente vorgesehen sind oder die Länge der Zuleitungen zwischen den temperatur abhängigen Einzel-Bauelementen derart gewählt ist, daß sich bei einer Änderung der Füllstandshöhe eine Spannungsänderung an der Kette der temperaturabhängigen Einzel-Bauelemente ergibt, die linear zur Füllstandsänderung ist.
16) Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kette der temperaturabhängigen Einzel-Bauelemente so lang bemessen ist, daß ihre Länge mindestens gleich der Maximalhöhe der zu messenden Flüssigkeit ist.
17) Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängigen Einzel-Bauelemente von einem Gehäuse umgeben sind, welches jedoch der zu messenden Flüssigkeit Zutritt zu den Einzel-Bauelementen ermöglicht.
18) Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speisung der temperaturabhängigen Einzel-Bauelemente eine Konstantstromquelle vorgesehen ist.
19) Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speisung der temperaturabhängigen Einzel-Bauelemente eine Konstantspannungsquelle vorgesehen ist.