DE3333582A1

DE3333582A1 - Vorrichtung zur messung des fuellstands eines behaelters ohne mechanisch bewegte teile

Info

Publication number: DE3333582A1
Application number: DE19833333582
Authority: DE
Inventors: Jean-Jacques 92250 La Garenne Bezard; Jean-Claude 91300 Massy Pras
Original assignee: Jaeger SA
Current assignee: Jaeger SA
Priority date: 1982-09-17
Filing date: 1983-09-16
Publication date: 1984-03-22
Also published as: FR2533311A1; ES8405515A1; GB2127555B; GB2127555A; IT8322683A0; GB8324331D0; ES525779A0; IT1169794B

Description

A Λ B ft O

ς, B « Ι» ί

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Flüssigkeitsfüllstands eines Behälters nach dem Widerstands-Sonden-Meßprinz ip_y mit mindestens einem elektrischen Leiter als Sonde mit einem von Null unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten und einem elektrischen Widerstand, der sich entsprechend der Eintauchtiefe der *0 Sonde in der Flüssigkeit ändert=

Solche Vorrichtungen können beispielsweise in einem Kraftstofftank eines Kraftfahrzeugs vorgesehen sein.

zur Füllstandskontrolle wurde bereits eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der Thermistoren,, die in die Flüssigkeit eingetaucht oder außerhalb der Flüssigkeit liegend ein Signal liefern, das einem punktuellen Pegel im Behälterinneren entspricht, wobei die Interpolation zwischen den beiden Pegeln von einem im Fahrzeug eingebauten Durchflußmesser vorgenommen wird.

Auf diese Weise wird ein zu Beginn auf die im Behälter vorhandene Flüssigkeitsmenge eingestellter Zähler durch Impulse aus dem Durchflußmesser zurückgestellt, wobei der Durchflußmesser in der Zuleitung zum Vergaser angeordnet ist und automatisch mit Erreichen jedes durch die Thermistoren bestimmten Pegels zurückgesetzt wird. Der Flüssigkeitsstand ist also zu jedem Zeitpunkt ablesbar. Nachteilig hierbei ist, daß bei einem solchen System ein permanent im Fahrzeug eingebauter Durchflußmesser erforderlich ist.

Ferner sind Vorrichtungen zur Füllstandskontrolle vorgeschlagen worden, bei denen eine einzige Drahtsonde Verwendung findet, die mit Strom oder Spannung derart versorgt wird, daß das Potential an ihren Klemmen vom Flüs-

* sigkeitspegel bestimmt ist. Zu dieser Lösung gelangt man, wenn man für die Drahtsonde einen Leiter mit hohem Temperaturkoeffizienten wählt und sich den Umstand zunutze macht, daß sich der in die Flüssigkeit eingetauchte Leiter abkühlt, wodurch sich sein Widerstand ändert,und folglich an seinen Klemmen eine unterschiedliche Spannung anliegt, die von der Länge des eingetauchten Leiterstücks abhängt.

Die Messungen nach diesem Verfahren sind jedoch infolge der Länge des Leiters schwierig, da dieser keinen konstanten linearen Temperaturkoeffizienten aufweist, so daß komplexe Korrekturfaktoren der Auswerteeinrichtung zugeordnet sind, also in den Speicher des die Auswertung vornehmenden Mikroprozessors aufgenommen werden müssen. Da die Versorgungsspannung überdies am gesamten Leiter anliegt, ist der Spannungsgradient schwach und Meßfehler sind nicht ausgeschlossen.

Durch die Erfindung soll diesem Mangel abgeholfen werden und der Einsatz von teuren Vorrichtungen wie Durchflußmessern, sofern sie nicht auch für andere Zwecke eingesetzt werden, vermieden werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bekannten Vorrichtungen zur Füllstandskontrolle so zu verbessern, daß ohne Verwendung mechanisch bewegter Teile die Genauigkeit der Messung erhöht wird und die bei den bekannten Vorrichtungen vorhandenen Schwierigkeiten so weit wie möglieh vermieden werden.

Ausgehend von einer Vorrichtung zur Füllstandsmessung in einem Behälter mit einer Widerstands-Drahtsonde, deren Temperaturkoeffizient unterschiedlich zu Null ist, und deren Widerstand sich entsprechend der Eintauchtiefe der Sonde in der Flüssigkeit ändert, ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf einem elektrisch iso-

lierenden Substrat eine Vielzahl von jeweils übereinanderliegenden Leitersonden angeordnet ist, die jeweils getrennt an eine Stromversorgung angeschlossen sind, und daß das die Leitersonden tragenden Substrat in den Behälter in einer von der Horizontalen abweichenden Lage eingetaucht ist. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen»

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Füllstandsmessung,

Fig. 2 ein Schaltschema einer der Sonde zugeordneten elektronischen Auswerteeinrichtung,

Fig. 3 ein die Funktion der Vorrichtung darstellendes Flußdiagramm, und

Fig. 4 eine Darstellung der Spannungen an den Klemmen der Sonden der Vorrichtung in Abhängigkeit von der Zeit»

Wie Fig. 1 zeigt, sind die aus einzelnen Leiterstücken bestehenden Sonden S, bis S übereinanderliegend auf einem isolierenden Substrat 20 angeordnet und horizontal derart versetzt, daß sie sich gegenseitig etwas überlappen. Die unteren Enden 30 der Sonden sind miteinander verbunden

QQ und gemeinsam an das gleiche Potential angeschlossen, im vorliegenden Fall an Masse. Die gegenüberliegenden Enden der Sonden sind jeweils getrennt an je eine Kontaktzunge 1 bis 7 angeschlossen, die beispielsweise im oberen Teil des Substrats vorgesehen sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind sieben solcher Sonden gezeigt, die die Bezugszeichen S, bis S₇ tragen. Die gesamte Meßsonde mit ihren Verbindungsleitungen ist vorzugsweise in Form einer

- 6 sogenannten gedruckten Leiterplatte gefertigt.

Die Leiterplatte ist in einen Behälter 40 - Innenbehälter eingesetzt, der nur über eine an seiner Unterseite vorgesehene kalibrierte Öffnung 41 mit dem ihn umgebenden Tank - Außenbehälter - in Verbindung steht. Auf diese Weise wird der Flüssigkeitsstand im Innenbehälter nur wenig von den starken Schwankungen des Pegels im Hauptbehälter beeinflußt.
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Die beschriebene Leiterplatte bildet einen Detektor für den Pegelstand und kann so viele Leitersonden wie erforderlich aufweisen. Deren Länge spielt keine Rolle, doch ist es schon aus Gründen der leichteren rechnerischen Ermittlung vorteilhaft, wenn deren Länge derart bestimmt wird, daß die Pegeländerung von einem Ende zum anderen proportional zur Änderung des Inhalts des Flüssigkeitsbehälters ist. Anderenfalls müßte eine Umrechnungstabelle benutzt werden. Jede Sonde S, bis S gibt also eine be-

1 η stimmte Menge an, was bedeutet, daß die Genauigkeit der Messung mit steigender Anzahl an Sonden zunimmt. In der Praxis ist hierbei als Begrenzung des Aufwands jeweils der Preis ausschlaggebend.

Ein Blockschaltbild einer Steuerelektronik für die Sonden ist in Fig. 2 dargestellt. Die Sonden S, bis S werden getrennt von einer einzigen Spannungsquelle V mit Spannung versorgt, und zwar über Widerstände R,, R„, R₃, ..., R . Diese können untereinander gleich sein oder nicht, je nachdem, ob man die Sonden untereinander zusammenfassen will, indem man die Spannungsgradienten auf den gleichen Wert regelt. Es ist aber auch möglich, eine getrennte Stromquelle für jede Sonde zu verwenden, wie dies in der Figur gezeigt ist, oder eine Stromquelle aus einer Spannung V, was leicht möglich ist, wenn man die Widerstände R, , R₂, R₃, ..., R gegenüber dem Widerstand der Sonden sehr groß wählt. Die Spannungen V₁, V₉, V,_f ...,V wer-

den an die Eingänge eines Analog-Multiplexers M angelegt, dessen Ausgang an einen Analog-Digital-Umsetzer A angeschlossen ist. Das Ergebnis der für 7 Bits durchgeführten

Analog-Digital-Umsetzungen wird an den Eingangsbus eines 5

Mikroprozessors μΡ angelegt, der sämtliche Schalt- und Meßvorgänge steuert. Die Erzeugung und Schaltung der Spannung V oder des Stroms I erfolgt in einem Steuerteil C, das mit dem Mikroprozessor verbunden ist. Die Widerstände R, , .. .', R werden vorzugsweise auf dem Substrat O angeordnet, so daß sie Bestandteil des Detektors in Form der Leiterplatte sind.

Nunmehr sei anhand des in Fig. 3 dargestellten Flußdiagramms die Wirkungsweise der Vorrichtung beschrieben. Bei

*° einer ersten Programmstufe 100 werden die Sonden S, bis S zunächst an Spannung gelegt. Danach wird die Spannung, beginnend an den Klemmen der Sonde S,, abgetastet und vom Analog-Digital-Umsetzer in eine Binärzahl umgesetzt und schließlich im Mikroprozessor gespeichert. Der gleiche Vorgang wiederholt sich in den Programmstufen 102 und 103 für alle weiteren Sonden S- bis S der Vorrichtung. Schließlich bewirkt der Mikroprozessor in den Programmstufen 103 und 105 während einer Zeit t, (über einige Sekunden) einen Rücksprung auf das Hauptprogramm. Nach Ablauf dieser Zeit werden die vorhergehenden Vorgänge wiederholt, und zwar von Programmstufe 106 bis Programmstufe 108. In der Programmstufe 109 schließlich wird die Spannungsversorgung der Sonden abgeschaltet.

in die Speicher des Mikroprozessors sind also für jede Sonde zwei Spannungswerte eingelesen worden, von denen der erste der Spannung an den Klemmen einer kalten Sonde entspricht und der zweite der Spannung an den Klemmen der gleichen„aber erwärmten Sonde. Wird nämlich eine Widerstands-Leitersonde von einem Strom durchflossen, so steigt deren Innentemperatur. Da der Leiter einen hohen Temperaturkoeffizienten besitzt, ändert sich der Widerstand, und

zwar um so stärker, je mehr die Temperatur der Sonde ansteigt. Dies ist im Diagramm nach Fig. 4 gezeigt. Bei t„ ist die Spannung an den Klemmen V₀,und am Ende von t, hat sie den Wert V , wenn die Sonde außerhalb der Flüssigkeit

^a

liegt, und den Wert V, , wenn sie eingetaucht ist. Es gilt

V > V, , wenn der Temperaturkoeffizient der Sonde positiv a ω

ist. Zwischen diesen beiden Endlagen liegen jeweils die Werte der Spannung V., die der jeweiligen Eintauchtiefe

der Sonde entsprechen.
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Da jede Sonde per Definition stark temperaturempfindlich ist, hängt die Spannung V-, die bei t_Q gemessen wird, im wesentlichen von den ümgebungsbedingungen ab und kann daher nicht konstant sein. Aus diesem Grund wird das Verhältnis zwischen den beiden Spannungswerten bei t_Q und t, ausgewertet, das nur vom Temperaturanstieg der stromführenden Sonde abhängt. Der Nennwert -der einzelnen Sonde kann im übrigen beliebig sein, so daß sich ein Abgleich zu Beginn einer Messung, der sich aus Streuungen des Leitungswiderstands der Leiter ergibt, erübrigt.

Aus dem Flußdiagramm nach Fig. 3 geht hervor, daß der Mikroprozessor die Spannungen an den Klemmen der Sonden nacheinander vergleicht, siehe Programmstufe 110:

s·

ι ~ ς

Speicherung des Verhältnisses gemäß Programmstufe 111, Programmstufe 112:

s·

Xf _ *■ ι

7 —ς

Z ^b2

Speicherung des Werts gemäß Programmstufe 113, Programmstufe 114:

„ _ η

Speicherung des Werts gemäß Programmstufe 115.

Ausgehend von der Tatsache, daß der Wert des Verhältnisses K zunimmt, je mehr Leistung die Sonde S innerhalb der Flüssigkeit abgibt, wird zuerst K in Programmstufe 116

geprüft, um festzustellen, ob dieser Wert größer ist als 5

ein bestimmter Wert N, der einer gänzlich aufgetauchten, also flüssigkeitsfreien Sonde entspricht. Ist dies nicht der Fall, befindet sich die Sonde teilweise in der Flüssigkeit. Über den Mikroprozessor wird nun in einem Festspeicher der zugeordnete Wert ermittelt, der dem Verhältnis K, zu den Literwerten entspricht. Danach wird zu der ermittelten Menge die n-1 Sonden entsprechende Literzahl hinzugezählt (Programmstufe 117 und 118). Die verbleibende Flüssigkeitsmenge ist demnach im Arbeitsspeicher abtastbar.
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Ist K, > N, bedeutet dies, daß die betreffende Sonde gänzlich außerhalb der Flüssigkeit liegt. Der Mikroprozessor prüft nunmehr die nachfolgende Sonde S„ gemäß Programmstufe 119, und das zuvor beschriebene Verfahren wiederholt

sich gemäß den Programmstufen 120 und 121, wenn K_ < N

ist (die n-2 Sonden entsprechende Literzahl wird nunmehr hinzugerechnet). Ist K„ = N, wird an der nachfolgenden
Sonde gemessen und dann fortlaufend bis zur letzten Sonde, die im dargestellten Beispiel mit S bezeichnet ist.

igt K < N ,(Programmstufe 122), wird der zugeordnete Wert zwischen dem Spannungsverhältnis und der Literzahl gemäß Programmstufe 123 ermittelt. Da dies die letzte Sonde ist, bedarf es keines weiteren Abtastvorgangs, denn die im
Festspeicher ermittelte Literzahl entspricht unmittelbar den i_m Tank verbliebenen Litern. Der -Tank ist leer, wenn K=N ist.

Nach einer ausreichenden Abkühlzeit der Sonden läuft das beschriebene Programm, gesteuert durch den Mikroprozessor, erneut ab.

Bei einem definierten Füllstand oder bei mehreren definier-

-ΙΟ-ten Füllstände kann eine Warnanzeige wie gemäß Programmstufe 124 gezeigt, zwischengeschaltet werden.

Es ist ferner nicht zwingend erforderlich, die Sonden geradlinig auszubilden, sondern sie können zum Ausgleich von Unregelmäßigkeiten im Behältervolumen auch einen gekrümmten Verlauf haben, so daß sich ihr Widerstand in Abhängigkeit von der jeweiligen Eintauchtiefe nach einem vorbestimmten gesetzmäßigen Verlauf ändert. Diese spezielle Ausbildung kann verwendet werden, wenn die Kapazität des Festspeichers nicht groß genug ist oder wenn das Auswertesystem keinen Festspeicher hat.

Leerseite

Claims

82 15 750
Jaeger, F-92303 Levallois-Perret

Vorrichtung zur Messung des Füllstands eines Behälters

ohne mechanisch bewegte Teile

Patentansprüche

[ 1«y Vorrichtung zur Messung des Flüssigkeitsfüllstands ^ines Behälters nach dem Widerstands-Sonden-Meßprinzip,

mit mindestens einem elektrischen Leiter als Sonde mit einem von Null unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten und einem elektrischen Widerstand,, der sich entsprechend der Eintauchtiefe der Sonde in der Flüssigkeit ändert, d a OQ durch gekennzeichnet^ daß auf einem elektrisch isolierenden Substrat (20) eine Vielzahl von jeweils übereinanderliegenden Leitersonden (S-, bis S ) angeordnet ist, die jeweils getrennt an eine Stromversorgung (V) angeschlossen sind, und daß das die Leitersonden 2g tragende Substrat in den Behälter (40) in einer von der Horizontalen abweichenden Lage eingetaucht ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sich die Enden der einzelnen Sonden (S, bis S ) auf dem Substrat (20) jeweils derart überlappen, daß bei einer vollständig eingetauchten Sonde die jeweils darüberliegende Sonde gerade noch in die Flüssigkeit eintaucht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch" gekennzeichnet / daß die Sonden (S, bis S ) unterschiedliche Längen haben, so daß eine bessere Anpassung an Sonderformen von Behältern (40) möglich ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß zwecks Ausgleich von etwai- gen Nichtlinearitäten zwischen der Höhe der Flüssigkeit im Behälter und dem Fassungsvermögen die Sonden (S, bis S ) nicht zwangsläufig geradlinig ausgebildet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekenn ze ich net durch die Verwendung einer Vorrichtung (M) ,, die nacheinander die Spannung (V, bis V) an den Klemmen der einzelnen Sonden (S, bis S ) prüft und diese nach entsprechender Aufbereitung einem System (μΡ) zuleitet, das die Spannung speichert und schließlich auswertet.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Spannung (V, bis V ) an den Klemmen jeder Sonde (S, bis S) zwecks Unabhängigkeit von den Umweltbedingungen zum Zeitpunkt der Zuführung gemessen wird, dann nochmals nach einer Zeit (t, ), wobei der Verhältniswert zwischen diesen beiden Spannungen ausgewertet wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e kennzeichnet, daß in einem Festspeicher die Werte gespeichert sind, die dem Verhältniswert der gemessenen Spannung zur Flüssigkeitsmenge zuzuordnen sind.