DE3125633C2

DE3125633C2 - Füllstandsmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE3125633C2
Application number: DE19813125633
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl.-Ing. Dr. 7107 Bad Friedrichshall Böhme; Heinz Rinderle; Jürgen 7100 Heilbronn Sieber
Original assignee: Telefunken Electronic 7100 Heilbronn GmbH; Telefunken Electronic GmbH
Current assignee: Telefunken Electronic GmbH
Priority date: 1981-06-30
Filing date: 1981-06-30
Publication date: 1990-01-04
Also published as: DE3125633A1

Abstract

Bei einer Füllstandsmeßeinrichtung für einen Behälter mit Füllgut und Freiraum mit drei Indikatoren sind die Indikatoren so angeordnet, daß der erste Indikator vom Füllgut, der zweite Indikator vom Freiraum und der dritte Indikator zum Teil vom Füllgut und zum anderen Teil vom Freiraum umgeben ist, wobei wenigstens einer der drei Indikatoren als Kette temperaturabhängiger elektrischer Bauelemente ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Füllstandsmeßeinrichtung für einen Behälter mit Füllgut und Freiraum mit einem Indikator, der zum Teil vom Füllgut und zum anderen Teil vom Freiraum umgeben ist

Füllstandsmeßeinrichtungen sind für die Uberwa chung und Steuerung technischer Prozesse erforderlich und weit verbreitet So hängt beispielsweise der Gebrauchswert von Kraftfahrzeugen auch von einer hinreichend genauen Anzeige des Kraftstoffvorrates ab. Eine thermoelektrische Füllstandsmessung hat gegenüber der potentiometrischen den Vorteil, daß keine bewegten Teile notwendig sind und dadurch kleiner Fertigungsaufwand und hohe Zuverlässigkeit erreichbar sind. Im Gegensatz zur dielektrischen Füllstandsmessung ist die thermoelektrische Füllstandsmessung von einer schwachen Leitfähigkeit der Füllung, wie sie z. B. bei Äthanol auftreten kann, und vcn Schwankungen der Zusammensetzung des Kraftstoffes bzw. Füllgutes nahezu unabhängig.

Ein entscheidendes Problem der thermoelektrischen Füllstandsmessung ist die Sicherung ausreichender Stabilität und Genauigkeit Deshalb wird in der DE-AS 28 41 889 vorgeschlagen, einen zweiten, nicht beheizten Widerstandssensor vorzusehen und die Differenz der Widerstände auszuwerten. Diese Lösung gestattet zwar eine verhältnismäßig genaue Ermittlung des Füllstandes bei vollem Behälter, mit sinkendem Füllstand sxeigen jedoch die Meßungenauigkeiten an. In den meisten Fällen ist aber gerade eine genaue Restmengenanzeige erwünscht, wie z. B. in der Kraftfahrzeugtechnik, da eine falsche Kraftstoffanzeige zu einer schwerwiegenden Fehleinschätzung der mit dem vorhandenen Kraftstoff noch zu bewältigenden Wegstrecke führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Füllstandsmeßeinrichtung anzugeben, die den jeweiligen Füllstand einer Flüssigkeit in einem Behälter möglichst genau angibt, die einfach in ihrem Aufbau ist und die sich kostengünstig mit handelsüblichen Bauelementen herstellen läßt Diese Aufgabe wird bei einer Füllstandsmeßeinrichtung der eingangs erwähnten Art nach der Erfindung dadurch gelöst daß zwei weitere Indikatoren vorgesehen sind, die so angeordnet sind, daß der erste dieser weiterer Indikatoren vom Füllgut und der zweite dieser weiteren Indikatoren vom Freiraum umgeben ist, daß jedem Indikator ein Vergleichswiderstand zugeordnet ist, daß die Vergleichswiderstände in Reihe geschaltet sind, daß die Reihenschaltung der Vergleichswiderstände der Reihenschaltung der Indikatoren parallel geschaltet ist und daß eine Auswerteschal'ung vorgesehen ist.

Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Füllstandsmeßeinrichtung mit Auswerteeinrichtung, in der sich die Vergleichswiderstände befinden,

F i g. 2 eine Füllstandsmeßeinrichtung mit gesteuerter Stromquelle,

F i g. 3 eine Füllstaridsmeßeinrichtung mit einer Dividierschaltung,

F i g. 4 eine Füllstandsmeßeinrichtung mit Vorwiderstand und Dividierschaltung.

In der Anmeldung P 31 15 776.9 ist eine Füllstandsmeßeinrichtung mit Widerstandssensoren beschrieben, die der Grundform nach F i g. 1 nahekommt. Ein Gefäß oder Behälter enthält ein Füllgut 4, vorzugsweise eine Flüssigkeit. Im Behälter sind drei Indikatoren angeordnet, wobei sich der erste Indikator 7 stets im Füllgut und der zweite Indikator 5 stets im Freiraum 3 über dem Füllgut befindet, während der dritte messende Indikator 6 im Bereich des Füllhöhenspielraumes angeordnet ist. Die Indikatoren sind elektrisch in Reihe geschaltet und mit einer Stromquelle 8, die steuerbar sein kann, verbunden. Eine Versorgungsquelle 1 stellt die Versorgungsspannung zur Verfügung. Die Anschlüsse 9,10,11, 12, 13, 14 der Indikatoren sowie der Stromquelle sind einer Auswerteschaltung 15 zugeführt, in der die elektrisehen Operationen zur Bildung einer dem Füllstand entsprechenden Ausgangsgröße erfolgen. Die den Indikatoren zugeführte elektrische Leistung führt zu einer Erwärmung. Der Grad der Erwärmung hängt von den Eigenschaften der Umgebung ab, so daß sich im Füllgut

ίο eine andere, gewöhnlich geringere Erwärmung als im Freiraum einstellt In der Anmeldung P 31 15 776.9 ist beschrieben, wie aus den zugeordneten Widerstandsänderungen die Füllhöhe unabhängig von Temperatur, Versorgungsspannung und Art des Füllgutes gebildet werden kann.

Der Aufbau der Indikatoren aus Ketten handelsüblicher Bauelemente ergibt gegenüber der genannten Anmeldung eine wesentliche Vereinfachung des Entwurfs der Indikatoitn. In Frage kommen heiß- und kaltleitende Widerstände. Halbleiterdioden oder als Dioden geschaltete Transistoren. Insbesondere Halb^iterdioden sind anderen Bauelementen durch hohe Zuverlässigkeit, geringe Toleranzen und Preiswürdigkeit überlegen. Durch Verwendung einer ausreichenden Anzahl von Baueleme;;ien wird die erforderliche Auflösung der Füllhöhenmessung erreicht. Notwendig ist die Kettenbildung beim Indikator der Füllhöhe. Die Indikatoren für Füllgut und Freiraum können auch durch Einzelbauelemente gebildet sein. Die Glieder der Kette können elektrisch in Reihe, parallel oder auch gemischt verschaltet sein. Die Eigenschaften von Halbleiterdioden begünstigen die Reihenschaltung.

Für Füllstandseinrichtungen gemäß der Erfindung ist eine spezielle Verstärkerschaltung zweckmäßig, für die im folgenden die Bezeichnung Stromfolger benutzt wird. Sie gleicht dem bekannten Operationsverstärker mit Differenzeingang bis auf den Umstand, daß der vom Ausgang angetriebene Strom intern auf den nichtinvertierenden Eingang geführt wird. Der invertierende Eingang heißt Steuereingang, der nichtinvertierende, stromgespeiste Eingang heißt Folgeeingang und wird im Schaltbild an der Schrägseite gezeichnet.

In Fig.2 ist eine vorteilhafte Lösung der Auswerteschaltung für eine Füllstandsmeßeinrichtung dargestellt.

Die Indikatoren sind in der Reihenfolge messender Indikator 6, Indikator 5 für Freiraum und Indikator 7 für Füllgut angeordnet. Auch die umgekehrte Reihenfolge ist möglich. Eine Reihenschaltung von drei Vergleichswiderständen 16,17,18 ist der Reihenschaltung der Indi- katoren parallel geschaltet. Ein Operationsverstärker 22, dessen Eingänge am Verbindungspunkt 11 der Indikatoren 5. 7 für Freiraum und Füllgut und am Verbindungspunki 20 der Vergleichswiderstände 17, 18 angeschlossen ist, steuert die Stromquelle 8. Ein Stromfolger, dessen Steuereingang am Verbindungspunkt IC der Indikatoren 5, 6 für Freiraum und gemischte Umgebung und dessen Folgeeingang am Verbindungspunkt 19 der Vergleichswiderstäiic¹'! 16, 17 angeschlossen ist, liefert das gewünschte Ausgangssignal in Form eines Stroms.

Beide Verstärker sorgen bei richtiger Sehaltungsdimensionierung dafür, daß die Spannungsdifferenzen der Anschlußpaare 11 und 20 sowie 10 und 19 sehr klein oder null werden. Das Verhältnis des Vergleichswiderstandes 17 zum Vergl.ichswiderstand 18 wird so gewählt, daß es gleich dem Verhältnis des Spannungsabfalls über Indikator 5 zum Spannungsabfall über Indikator 7 im Betriebszustand, d. h. bei mehr oder weniger erwärmten Indikatoren, ist. Die vom Onerationsverstär-

ker 22 über die steuerbare Stromquelle 8 gebildete Regelschleife sorgt dann dafür, daß die gewünschte Erwärmung aufrecht erhalten wird. Das Verhältnis des Vergleichswiderstandes 16 zum Vergleichswiderstand 17 wird so gewählt, daß es dem Verhältnis des Spannungsabfalles über Indikator 6 zum Spannungsabfall über Indikator 5 im Betriebszustand und bei niedrigstem Füllstand entspricht. Dann stimmen die Potentiale der Anschlüsse 10 und 19 überein und der Stromfolger 21 bleibt stromlos. Mit steigendem Füllstand werden die Glieder des messenden Indikators 6 vom Füllgut gekühlt, worauf im Falle von Halbleiterdioden die Spannung über Indikator 6 ansteigt. Der Stromfolger 21 erzwingt daraufhin eine entsprechende Zunahme des Spannungsabfalles über dem Vergleichswiderstand 16. Der dazu erforderliche Zusatzstrom, der der Füllhöhe entspricht, wird vom Stromfolger zum Ausgang geleitet und steht dort mit Stromquellencharakteristik zur Verfügung.

Wenn die Steuerung der Stromquelle 8 nicht zulässig oder erwünscht ist, kann das Meßsignal auch durch eine Dividierschaltung gebildet werden. Dazu zeigt F i g. 3 eine zweckmäßige Anordnung. Eine Reihenschaltung von drei Vergleichswiderständen 16, 17, 18 ist der Reihenschaltung der Indikatoren 6, 5, 7 parallel geschaltet. Zwei Stromfolger 23, 24 sind mit den Steuereingängen an den Verbindungspunkten der Indikatoren 10, 11 und mit den Folgeeingängen an den zugeordneten Verbindungspunkten 19, 20 der Vergleichswiderstände 16, 17, 18 angeschlossen. Der Ausgang des Stromfolgers 23, wird direkt und der Ausgang des Stromfolgers 24 über einen Stromspiegel 25 der Dividiereinheit 29 zugeführt. Dies gilt für den Fall, daß die Dividiereinheit 29 zufließende Eingangsströme erfordert. Benötigt die Dividiereinheit abfließende Eingangsströme, so ist der Stromspiegel in den Pfad des Stromfolgers 23 einzuschalten. Dabei kann der Stromspiegel vorteilhaft aus einem Stromfolger 28 und zwei Widerständen 26, 27 gebildet werden.

Die Funktion der Schaltung wird dadurch gewährleistet, daß die Vergleichswiderstände 16, 17, 18 zu den Spannungsabfällen an den kalten Indikatoren 6, 5, 7. d. h. im Einschaltmoment, verhältnisgleich sind. Im erwärmten Zustand bildet der Stromfolger 24 einen Ausgangsstrom, der dem maximalen Meßwert entspricht und der Stromfolger 23 bildet einen Ausgangsstrom entsprechend dem aktuellen Meßwert. Durch die Bildung des Quotienten in der Dividierschaltung werden die Einflüsse des Stromes der Stromquelle 8 und der Umgebungstemperatur im Prinzip beseitigt und kann ein stabiles Meßsignal gewährleistet werden.

Die Verwendung einer Dividierschaltung hat den Vorteil, daß der Strom, der die Indikatoren heizt, einen größeren Spielraum haben darf. Deshalb ist es. wie in F i g. 4 gezeigt, auch möglich, die Stromquelle 8 durch einen einfachen Vorwiderstand 34 auszuführen.

Weiter zeigt Fig.4 eine Ausbildung der Auswerteschaltung für den Fall, daß der messende Indikator 6 zwischen die beiden Indikatoren 5, 7 für Freiraum und Füllgut geschaltet ist. Dann werden 4 Vergleichswiderstände und 3 Stromfolger benötigt Ein Stromfolger 31 dient der Erzeugung des füllstandsabhängigen Signals, sein Steuereingang ist am Verbindungspunkt 10 der Indikatoren 5 und 6 angeschlossen und sein Folgeeingang führt über je einen Vergieichswiderstand 16, 17 zum es Ausgang eines Trennverstärkers 35 und zum Verbindungspunkt 9 der Reihenschaltung der Indikatoren mit der Stromquelle 8. Zwei Stromfolger 32, 33 erzeugen das dem maximalen Meßwert entsprechende Signal. Der Stromfolger 33 ist mit dem Steuereingang am Ausgang des Trennverstärkers 35 und mit dem Folgeeingang über einen Vergieichswiderstand 18 am füllgutseiligen Ende 12 der Reihenschaltung der Indikatoren 5,6, 7 angeschlossen. Sein Ausgang führt zum Folgeeingang des Stromfolgers 32.

Weiter ist zwischen Folgeeingang des Stromfolgers 32 und dem Verbindungspunkt 9 ein Vergleichswiderstand 30 eingefügt. Der Steuereingang ist am Verbindungspunkt 10 angeschlossen. Die Ausgänge der Stromfolger 31,32 werden der Dividierschaltung 29 zugeführt. Der Trennverstärker 35 ist am Verbindungspunkt 11 der Indikatoren für Füllgut und gemischter Umgebung angeschlossen; er kann entfallen, wenn der im Vergleichswiderstand 16 fließende Strom klein genug gegenüber dem in der Indikatorkette fließenden Strom ist.

Die Erzeugung des füllstandsabhängigen Stromes gleicht der von F i g. 2 und F i g. 3. Der dem maximalen Meßwert entsprechende Strom wird erzeugt, indem zwei Ströme, die den Spannungsabfällen über dem Indikator 5 des Freiraumes und dem Indikator 7 des Füllgutes entsprechen, zur Differenz gebracht werden. Die Differenzbildung erfolgt am Folgeeingang des Stromfolgers 32. Der über den Vergleichswiderstand 30 zufließende Strom entspricht dem Spannungsabfall am Indikator (irs Freiraumes. Der zum Stromfolger 33 abfließende Strom wird vom Vergleichswiderstand 18 ausgelöst und entspricht dem Spannungsabfall am Indikator 7 des Füllgutes. Somit entsprechen wie vorher die Ausgangsströme der Stromfolger 31 und 32 dem gemessenen Füllstand und dem maximalen Füllstand und können wie vorher beschrieben der Dividierschaltung zugeführt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Füllstandsmeßeinrichtung für einen Behälter mit Füllgut und Freiraum mit einem Indikator, der zum Teil vom Füllgut und zum anderen Teil vom Freiraum umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei weitere Indikatoren (7, 5) vorgesehen sind, die so angeordnet sind, daß der erste (7) dieser weiteren Indikatoren vom Füllgut und der zweite (5) dieser weiteren Indikatoren vom Freiraum umgeben ist, daß jedem Indikator ein Vergleichswiderstand (16,17,18) zugeordnet ist, daß die Vergleichswiderstände (16,17,18) in Reihe geschaltet sind, daß die Reihenschaltung der Vergleichswi- is derstände (16,17,18) der Reihenschaltung der Indikatoren (5, 6, 7) parallel geschaltet ist und daß eine Auswerteschaltung vorgesehen ist

2. Füllstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Indikator (5) des Freiraumes zwischen die anderen beiden Indikatoren (6, 7) geschaltet ist, daß die Auswerteschaltung die drei Vergleichswiderstände (16, 17, 18), einen Operationsverstärker (22) und einen Stromfolger (21) aufweist, daß der ersxe Eingang des Operations-Verstärkers (22) am Verbind^ngspunkt (11) der Indikatoren (5, 7) für Freiraum und Füllgut angeschlossen ist, daß der zweite Eingang des Operationsverstärkers (22) am ersten Verbindungspunkt (20) der Vergleichswiderstände (17, 18) angeschlossen ist, daß der Au gang des Operationsverstärkers (22) die Stromquelle (8) steuert, daß der Steuereingang des Stromfolgers (21) am Verbindungspunkt (10) der Indikatoren (5, 6) für Freirsum v\d gemischte Umgebung angeschlossen ist und daß der Folgeeingang am zweiten Verbir.dungspunkt (19) der Vergieichswiderstände (16,17) angeschlossen ist.

3. Füllstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Indikator (5) des Freiraums zwischen die beiden anderen Indikatoren (6,7) geschaltet ist, daß die Reihenschaltung von drei Vergleichswiderständen (16,17,18) der Reihenschaltung der Indikatoren (6, 5, 7) parallel geschaltet ist, daß die Steuereingänge eines ersten Stromfolgers (23) und eines zweiten Stromfolgers (24) an die Verbindungspunkte (10,11) der Indikatoren (6,5,7) und die Folgeeingänge an die zugeordneten Verbindungspunkte (19, 20) der Vergleichswiderstände (16, 17, 18) angeschlossen sind, daß der Ausgang des zweiten Stromfolgers (24) auf einen Stromspiegel (25) geführt ist, und daß die Ausgänge des Stromspiegeis (25) und des ersten Stromfolgers (23) zu den Eingängen einer Dividierschaltung (29) führen.

4. Füllstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromspiegel (25) zwischen dem ersten Stromfolger (23) und der Dividierschaltung (29) eingefügt ist.

5. Füllstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strpmspiegel (25) aus einem Stromfolger (28) und zwei Widerständen (26, 27) besteht.

6. Füllstandsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stromquelle (8) als Vorwiderstand (34) zu einer Spannungsquelle (1) ausgeführt ist.

7. Füllstandsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Indikator (6) der gemischten Umgebung zwischen die beiden anderen Indikatoren (5, 7) geschaltet ist, daß der Steuereingang zweier Stromfolger (31, 32) am Verbindungspunkt (10) der Indikatoren (5,6) für Freiraum und gemischte Umgebung angeschlossen ist, daß der Folgeeingang des ersten Stromfolgers

(31) über einen ersten und zweiten Vergleichswiderstand (16,17) mit dem Ausgang eines Tre^nverstärkers (35) und dem Verbindungspunkt (9) der Reihenschaltung der Indikatoren (5, 6, 7) mit der Stromquelle (8) verbunden ist, wobei der Trennverstärker (35) am Verbindungspunkt (11) der Indikatoren (7,6) für Füllgut und gemischte Umgebung angeschlossen ist daß der Folgeeingang des zweiten Stromfolgers

(32) mit dem Ausgang eines dritten Stromfolgers (33) und über einen dritten Vergleichswiderstand (30) mit dem Verbindungspunkt (9) der Reihenschaltung der Indikatoren (5,6,7) mit der Stromquelle (8) verbunden ist, wobei der Steuereingang des dritten Stromfolgers (33) am Eingang oder am Ausgang des Trennverstärkers (35) angeschlossen ist und der Folgeeingang über einen vierten Vergleichswiderstand (18) mit dem füllgutseitigen Ende (12) der Reihenschaltung der Indikatoren (5,6,7) verbunden ist

8. Füllstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß anstehe des Trennverstärkers (35) eine Verbindung vorgesehen ist.

9. Füllstandsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer άζΐ drei Indikatoren (5, 6, 7) als Kette temperaturabhängiger elektrischer Bauelemente ausgebildet ist

10. Füllstandsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Indikatoren (5,6,7) in Reihe geschaltet sind.

11. Fülisiandsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Bauelemente tier Indikatoren in Reihe geschaltet sind.

12. Füllstandsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente der Indikatoren kalt- oder heißleitende Widerstände sind.

13. Füllstandsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente der Indikatoren Halbleiterdioden oder als Dioden geschaltete Transistoren sind.

14. Füllstandimeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zu den Indikatoren (5 6, 7) eine Stromquelle (8), die steuerbar sein kann, geschaltet ist.

15. Füllstandsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Indikatoren (5, 6, 7) mit Anschlüssen (9, 10, 11, 12) versehen sind und daß diese Anschlüsse mit einer Auswerteschaltung (15) verbunden sind.

16. Füllstandsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse (13, 14) der Stromquelle (8) mit einer Auswerteschaltung (15) verbunden sind.