DE3134912A1

DE3134912A1 - Schaltungsanordnung zur kontinuierlichen messung desfuellstandes in einem mit fluessigkeit zumindest teilweise gefuellten behaelter

Info

Publication number: DE3134912A1
Application number: DE19813134912
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. 7760 Radolfzell Schülzke
Original assignee: Werner Messmer & Co KG GmbH; MESSMER KG WERNER; Werner Messmer & Co Kg 7760 Radolfzell GmbH
Current assignee: TRW Messmer and Co KG
Priority date: 1981-09-03
Filing date: 1981-09-03
Publication date: 1983-03-17
Also published as: FR2512201B1; FR2512201A1; GB2105476A; GB2105476B; DE3134912C2

Description

Firma Werner Messmer GmbH & Co. KG Radolfzell am Bodensee

Schaltungsanordnung zur kontinuierlichen Messung des Füllstandes in einem mit Flüssigkeit zumindest teilweise gefüllten Behälter

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur kontinuierlichen Messung des Füllstandes in einem mit Flüssigkeit zumindest teilweise gefüllten Behälter mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.

Im Kraftfahrzeug wird neben der Anzeige des Füllstandes des Kraftstoffbehälters zunehmend die analoge Füllstandsanzeige für Kühlwasser und Öl gewünscht. Gegenüber schaltenden, z.B. die Unterschreitung eines minimalen Füllstandes meldenden Grenzwertmeldern bieten analoge Anzeigen die Möglichkeit zur wesentlich vorausschauenderen Nachfüllung und Erkennung von Fehlern.

Analoge Füllstandsmeßeinrichtungen, die die Widerstandsänderung eines beheizten, mit hohem T,, behafteten und zwischen minimalem und maximalem Füllstand angeordneten Widerstandssensors ausnutzen, sind allgemein bekannt.

Aus den DE-OS 14 73 132, 24 55 198, 27 18 295 und den DE-AS 21 40 963 und 28 41 889 sind An Ordnungen bekannt, die aus zwei Widerständen bestehen, wobei jeweils nur ein Widerstand abhängig vom Füllstand auf eine Übertemperatur gegenüber dem

ihn umgebendem Medium geheizt wird, während der zweite Widerstand zur Erfassung der Flüssigkeitstemperatur und Kompensation des Flüssigkeitsstandssignals dient. Sofern der Füllstand einer Flüssigkeit mit wechselnder Temperatur zu erfassen ist, ist ohne eine solche Kompensation nicht auszukommen, da eine resultierende Temperatur des Meßwiderstandes aus Flüssigkeitstemperatur und übert-emperatur vorliegt. So kann z.B. eine Einwiderstandseinrichtung ohne Kompensationswiderstand den gleichen resultierenden Widerstand im Fall niederer FlUssigkeitstemperatur und niederem Füllstand, wie auch im Fall hoher Temperatur und hohen Füllstandes haben. Zur Beseitigung dieser Mehrdeutigkeit ist ein Sensor mit Kompensationswiderstand unbedingt erforderlich.

Die DE-OS 24 55 198, 14 7 3 132 und die DE-AS 21 40 963, 28 41 beschreiben Schaltungsanordnungen zur Bildung eines möglichst kompensierten Füllstandssignals, wobei geeignet verstärkte Signalspannungen in Relation zueinander bzw. voneinander subtrahiert werden. Bei beiden bekannten Auswertmethoden verbleibt aber eine erhebliche Temperaturabhängigkeit, insbesondere des Füllstandssignals bei niederem Niveau, also ausgetauchtem Meßfühler. Die Ursache hierfür liegt darin, daß nicht nur der Meß- und Kompe-nsationsteil des Sensors einen temperaturabhängigen Widerstand hat, sondern daß auch der Wärmewiderstand des ausgetauchten Meßteils des Sensors temperaturabhängig ist.

In der DE-AS 28 41 889 wird eine zur Temperatur über der Flüssigkeit gegenläufige Änderung der Heiz-/Meßströme für einen Sensor beschrieben, der parallel angeordnete Widerstände aufweist. Die vorhandene Regelschaltung steuert den Strom der den Sensor speisenden Stromquelle in Abhängigkeit von der Temperatur über dem Flüssigkeitsspiegel. Die beschriebene Einflußnahme auf den Strom ist für einen Öl/Wasser-Sensor, wo aus Genauigkeitsgründen und zur Erlangung eines großen Meßeffektes z.B. ein §,1 mm 0 Nickel-Eisen-Draht auf ca. 100⁰C Übertemperatur gebracht wird, gerade verkehrt. Außerdem ist es aus Kostengründen wünschenswert, keine

extra Regelschaltung anwenden zu müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schaltungsanordnung nach der DE-AS 28 41 889 dahingehend zu verbessern, daß sie einfacher und daher billiger aufgebaut werden kann und trotzdem präziser arbeitet.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den die Erfindung kennzeichnenden Merkmalen nach dem Patentanspruch 1.

Nach der Erfindung wird zweckmäßigerweise von dem mit Konstantstrom betriebenen, zweigeteilten Sensor mit Subtraktionsauswertung ausgegangen. Für eine solche Sensoranordnung ergibt sich ein temperaturabhängiger Restfehler, derart, daß das Flüssigkeitsstandssignal für niederen Flüssigkeitsstand (teilweise bzw. ganz ausgetauchter Meßwiderstand) mit wachsender Temperatur kleiner wird. Die Ursache liegt darin, daß der Wärmewiderstand des ausgetauchten, von der umgebenden Luft (gasförmiges Medium)beeinflußten Meßwiderstandsteils mit wachsender Temperatur sinkt. Man muß deshalb bei hoher Umgebungstemperatur einen größeren Heizstrom, als bei tieferer Umgebungstemperatur aufwenden, um zu einer Übertemperatur zu kommen, die den gleichen A- U^-Effekt bei einem bestimmten Flüssigkeitsstand bringt. Kostengünstig und präzise realisierbar ist das durch eine einstellbare Rückkopplung des U^-Signals auf den (ursprünglich konstanten) Heizstrom für den Sensor in dem Sinne, daß ein Uw-Signal entsprechend höherer Temperatur zur abgestimmten Erhöhung des Heizstromes führt, so daß sich konstante U = U_c - V^U^ im gesamten Temperaturbereich für gleiche Flüssigkeitsstände ergeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Meßvorrichtung

und
Fig. 2 ein Schaltbild.

Die Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung des Füllstandes in einem mit Flüssigkeit gefüllten Behälter weist einen im Behälter angeordneten Sensor S auf, der von zwei in Reihe geschalteten Widerständen R_M und R„ gebildet wird. Der Meßwiderstand R_M taucht in die Flüssigkeit ein. Dabei kann der Flüssigkeitsstand sich zwischen "max" und "min" verändern. Bei dem Flüssigkeitsstand "max" ist der Meßwiderstand R^ voll eingetaucht. Bei dem Flüssigkeitsstand "min" wird der Meßwiderstand nicht mehr von Flüssigkeit umhüllt.

Der in Reihe geschaltete Kompensationswiderstand R^ taucht ständig voll in die Flüssigkeit ein.

Ein ausgeführter Sensor S besteht aus 0,1...0,2 mm 0 Nickel- oder Nickeleisen-Widerstandsdraht. Je nach der gewünschten Impedanz und Flüssigkeitsstandcharakteristik ist eine stabförmige oder um einen Trägerkörper gewendelte Anordnung des Sensorelementes möglich.

Der Sensor S wird von einer Konstantstromquell e ST., gespeist. Diese Konstantstromquelle liefert einen Strom i mit konstantem Wert, so lange die Temperatur der Flüssigkeit im Behälter einen gleichbleibenden Wert besitzt. Der Wert des Stromes i ist dabei unabhängig von dem Flüssigkeitsstand im Behälter.

Der Strom i besitzt einen solchen Wert, daß die Widerstände R.. und R„, die beide einen relativ hohen Temperaturkoeffizienten besitzen, aufgeheizt werden. Für einen gebauten öl/Wasser-Sensor erfolgt dabei eine Aufheizung auf ca. 100⁰C Übertemperatur gegenüber derje-nigen des im Behälter bei abgesgiktem Flüssigkeitsstand vorhandenen gasförmigen Medium,

7 -

An dem Sensor S mit dem Widerstand R_c = R_v + R_M entsteht

O l\ rl

ein Meßsignal U^, das über eine Leitung a an den positiven Eingang eines Differenzverstärkers V, geleitet wird.

An dem Kompensationswiderstand R^ fällt das Kompensationssignal U_K ab, welches über eine Leitung b dem Eingang eines Verstärkers V₂ zugeleitet wird. Der Ausgang dieses Verstärkers V₂ ist über eine Leitung c an den negativen Eingang des Differenzverstärkers V₁ angeschlossen.

Der Ausgang des Differenzverstärkers V.. liefert das Anzeigesignal U, = U_c - V„ χ U₁,, wobei V„ = R_c R_M + R„ ist.

3ol\l\ Ι\ο_ΙίΙ\

^RK ^RK

Um Änderungen der Temperatur der Flüssigkeit zu kompensieren, ist der Ausgang des Verstärkers V₉ über eine Leitung d an die Konstantstromquelle ST., angeschlossen, über diese Rückkopplung, vorzugsweise als Mitkopplung ausgebildet, wird diese Konstantstromquelle STj, so gesteuert, daß ein U_K -Signal entsprechend höherer Temperatur der Flüssigkeit zur abgestimmten Erhöhung des Heizstromes i führt, so daß sich konstante Werte U, = U_c -

α ο

Vi/ χ υ,, im gesamten Temperaturbereich für gleiche Flüssigkeitsstände ergeben.

Die einstellbare Rückkopplung kompensiert die Temperaturabhängigkeit des Wärmewiderstandes des ausgetauchten R^-Widerstandes zum über der Flüssigkeit befindlichen gasförmigen Medium (Luft). Das gasförmige Medium ist mehr oder weniger mit verdampfter Flüssigkeit gesättigt. Das ergibt wiederum eine Abhängigkeit des Wärmewiderstandes von der Flüssigkeit. Hieraus folgt, daß die Sensorausgangssignale, z.B. bei Wasser und ül, unterschiedlich sind. Zur billigen und präzisen Flüssigkeitsstandmessung sind somit unterschiedliche Grade der Rückkopplung notwendig und einstellbar.

Zusätzlich kann noch eine Temperaturanzeige erfolgen, wozu die Leitung b₅ an der das Kompensationssignal LL· auftritt, über eine Leitung e mit einem Verstärker V, verbunden ist, dessen Ausgang ein Temperaturanzeigesignal Uj für eine nicht dargestellte Anzeigevorrichtung liefert.

Die in Fig. 2 dargestellte, ausgeführte Schaltung setzt sich aus allgemein bekannten und leicht realisierbaren Teilschaltungen, wie Spannungsstabilisierung, Stromquelle, Verstärker, zusammen und braucht daher nicht allzu detailliert beschrieben werden. Die Konstantstromquell e ST., nach Fig. 1 umfaßt einen Transistor T, und einen Operationsverstärker B,. Mit ihren peripheren Bauelementen ergibt sich eine präzise, geregelte Stromquelle. Der Operationsverstärker B^ regelt auf eine präzise Speisespannung an R,. über einen präzisen Widerstand R, ergibt sich so ein präziser Strom i, der dem Sensor S zufließt.

Die mit den Widerständen R», R₅ und den Zenerdioden D, und D₂ kaskadierte Referenzspannungserzeugung ergibt einen über weite Batferiespannungs- uund Temperaturbereiche stabilen Referenzwert. Ober die Spannungsteilerwiderstände R-, R₃ wird die Basisvorspannung für den Transistor T, erzeugt. Der positive Eingang des Operationsverstärkers B, liegt am von den Widerständen Ry Rg gebildeten Spannungsteiler, der an der Referenzspannung liegt. Der negative Eingang des Operationsverstärkers B, wird über den Widerstand Rg von der am Widerstand R, abfallenden Speisespannung gespeist. Außerdem liegt im peripheren Kreis der Widerstand R₁₂.

Der Ausgang des Operationsverstärkers B^ ist über den Widerstand Rg an die Basis des Transistors T, angeschlossen.

Ober die Widerstände R,q und R^, wird die Rückkopplung des temperaturabhängigen Kompensationssignals U^ vorgenommen.

Der Operationsverstärker B₂ bildet mit seinen peripheren Bauelementen einen Verstärker für das U_K~ Signal. Er arbeitet mit der erforderlichen Verstärkung V„ = Rw + R^. Das U^-Signal

wird über den Widerstand R₂₁ und den Widerstand R₂₂ dem positiven Einang zugeleitet. Der negative Eingang ist an die Widerstände R₂₃ und R₂₄ angeschlossen. Sein Ausgang ist mit der Basis des Transistors T₂ verbunden, dessen Emitter am Widerstand R₂^ liegt. Der Kollektor leitet das verstärkte U^-Signal weiter an die Widerstände R_1Os R₁₁. Durch diese Schaltungsanordnung wird eine relativ rückwirkungsfreie Ankopplung weiterer Stufen und die Rückkopplung des V,, χ U^-Signals in die Stromquelle gegen die Plus-Leitung ermöglicht.

Der Differenzverstärker wird von dem Operationsverstärker B₃ mit seinen peripheren Bauelementen gebildet. Er dient zur Gewinnung der erforderlichen Verknüpfung U₅ - V_K χ U^. Entsprechend ^29^27 ^{= Κ}28^^Κ26 ^verstärkt ^{er das} Differenzsignal, so daß das resultierende Flüssigkeitsstandsignal u\ einen großen Teil des Batteriespannungsbereiches ausnutzt.

Das Sensorsignal U_s wird über den Widerstand R₂g dem positiven Eingang des Operationsverstärkers B₃ zugeleitet, während sein negativer Eingang über den Widerstand R₂^ an den Emitter des Transistors R₂ angeschlossen ist. Der Widerstand R_2g ist vom negativen Eingang zum Ausgang angeschlossen.

Der Operationsverstärker B, bildet mit seinen peripheren Bauelementen einen Verstärker, welcher die Temperaturanzeige eines bestimmten Teils des Kompensationssignals U^ in gespreizter Form erlaubt. Hierzu ist der positive Eingang über den Widerstand R₃₀ an den Transistor T_? angeschlossen. Der Widerstand R₃₁ liegt gegen die negative Batteriespe isespannungsleitung. R₃₃ und R₃₄ liegen am negativen Eingang des Operationsverstärkers.

- 10 -

ίο

Am Ausgang kann die Spannung Uj für die Temperaturanzeige abgenommen werden.

Die Transistoren T₃ und T. mit ihren peripheren Bauelementen, den Widerständen R₁₃, R₁₄, R₁₅, R_lg, R₁₇, R₁₈, R₁₉ und R₂₀ sowie der Diode D₄ bilden einen Spannungsregler, der genaue, zur Arbeitspunkteinstellung der Verstärker notwendige Referenzspannungen erzeugt.

Der Kondensator C,und die Diode D₃ bilden als periphere Bauelemente mit dem Widerstand R,^ einen Oberspannungsschutz für die Versorgungsspannung der Operationsverstärker B,...B..

Anlage Seite 11 - Stückliste -

Stück! iste

^Rl	10 JU +-	K JL	KJl+	5 % TK 100 ppm	1 Watt Draht	Il
R₂	1,6	KJl	Κ-Π	Il	Il
^R3	1,3	*-JL*	κ -η	Il	:a. 0,1 K JL
R₄	270	SL	κ _α	Il	1 %
^R5	620	*K JL*	κ Ji	Il	Il
^R6	1,8	3,2 K	κ Ji	Il	Il
^R7	ca.	K Jl	kJI	a»	Il
^R8	10 !	K Jl	κ _ίλ	Il	Il
R₉	6,8	20Κ-Π-	Il	Il
^R10	ca.	700-ß-	Il	Il
^Rll	ca.	JL·	Il	Il
R₁₂	15	Jl-
^R13	300	Jl
R₁₄	1 K	Abgleich c
^R15	4,3
^R16	5,6
^R17	6,2
^R18	2,4
R₁₉	1,5
^R20	20
R₂₁	100
R₂₂	20
^R23

100 K JI + 1 κ Sl ίο κ Sl ίο κ Ji ." 62Κ JI 62Κ 1OK 51Κ 51Κ

JL Jl Sl

ίο κ il

100

ZPD 8,2 ZPD 5,1 ZY ZPD 5,1

BD BC BC BC

LM 2902 " " "

Patentanwälte Dfpl.-lng. E. Eder DIpl.-lng. K.

8 München 40,. EI'

Leerseite

Claims

Firma Werner Messmer GmbH & Co. KG. Radolfzell am Bodensee Schaltungsanordnung zur kontinuierlichen Messung des Füllstandes in einem mit Flüssigkeit zumindest teilweise gefüll ten Behälter Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur kontinuierlichen Messung des Füllstandes in einem mit Flüssigkeit zumindest teilweise gefüllten Behälter, insbesondere in einem Kraftstofftank, mit einem an eine Konstantstromquelle angeschlossenen, von dieser aufheizbaren Meßwiderstand mit relativ hohem Temperaturkoeffizienten, der in die Flüssigkeit eintauchend angeordnet ist, einem ebenfalls an eine Konstantstromquelle angeschlossenen Kompensationswiderstand mit relativ hohem Temperaturkoeffizienten, der auch in die Flüssigkeit tauchend angeordnet ist, einer Auswertschaltung, die das zugeleitete Meßsignal und das Kompensationssignal unter Differenzbildung verarbeitet und eine dem jeweiligen Flüssigkeitsstand entsprechende Anzeige bewirkt, wobei der Strom durch den Meßwiderstand abhängig von der Temperatur über dem Flüssigkeitsspiegel gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationswiderstand (R.,) auch bei Minimumflüssigkeitsstand in Flüssigkeit tauchend angeordnet ist, daß Kompensations- und Meßwiderstand (R_M) in Reihe geschaltet und an eine gemeinsame Konstantstromquelle (ST,,) angeschlossen sind und daß ein einstellbarer Rückkopplungs-

kreis zwischen Eingang der Auswertschaltung (V,) für das Kompensationssignal (U,,) und Konstantstromquelle vorhanden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationswiderstand (RJ zusätzlich an eine Temperaturanzeige (U_T) angeschlossen ist.