DE3736208A1 - Fluessigkeitsstandmessanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen des Flüssigkeitsstandes in einem Behälter, z.B. einem Kraft­ stofftank in Kraftfahrzeugen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer aus der EP-A 25 525 bekannten Anordnung die­ ser Art bestehen die Sensoren aus in Reihe geschalteten Widerstandselementen, die von einem Strom durchflossen und dadurch beheizt werden. Ist ein Element in die Flüssig­ keit im Behälter eingetaucht, so ist der Wärmeübergang vom Widerstandselement an die Flüssigkeit so gut, daß das Widerstandselement nahezu die gleiche Temperatur hat wie die umgebende Flüssigkeit. Ist das Widerstandselement nicht in die Flüssigkeit eingetaucht, so ist der Wärmeübergang wesentlich schlechter, so daß das Widerstandselement eine Temperatur annimmt, die höher ist als die der Flüssigkeit im Behälter. Die Widerstandselemente haben einen negativen Temperaturkoeffizienten, so daß der durch den Stromfluß bewirkte Spannungsabfall im nichteingetauchten Zustand größer ist als im eingetauchten Zustand und zur Anzeige des Flüssigkeitsstandes auswertbar ist. Bei einer weiteren, aus der DE-PS 31 48 383 bekannten Flüssigkeitsstandmeß­ anordnung sind die temperaturabhängigen Widerstandselemente parallelgeschaltet und jeweils mit einer Meßleitung ver­ sehen, an der im eingetauchten Zustand ein höheres Ausgangs­ signal anliegt als im nichteingetauchten Zustand.

Bei den bekannten Flüssigkeitsstandmeßanordnungen mit temperaturabhängigen Widerstandselementen ist die relative Änderung des Ausgangssignals, also die Differenz der Aus­ gangssignale im eingetauchten Zustand und im nichteinge­ tauchten Zustand bezogen auf das Ausgangssignal im einge­ tauchten Zustand verhältnismäßig gering und der Schaltungs­ aufwand für die Auswerteschaltung ist dementsprechend groß.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigkeitsstandmeßanordnung anzugeben, bei der das Ausgangssignal der Sensoren eine wesentlich stärkere Änderung erfährt.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Sensoren durch Thermoelemente gebildet sind.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Flüssigkeitstandmeßan­ ordnung besteht darin, daß die relative Änderung der Aus­ gangssignale sehr groß ist, so daß eine digitale Auswertung der Ausgangssignale, also eine JA/NEIN-Abfrage vorgenommen werden kann, ohne daß der Betrag der Thermospannungen genau bestimmt werden muß. Da nur der Temperaturunter­ schied zwischen unmittelbar benachbarten heißen und kalten Lötstellen der einzelnen Thermoelemente ausgewertet werden muß, ist auch keine Temperaturkompensation erforderlich.

Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Flüs­ sigkeitsstandmeßanordnung sind in den Unteransprüchen ge­ kennzeichnet.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Flüssigkeitsstandmeßanordnung;

Fig. 2 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Flüssigkeitsstandmeßanordnung;

Fig. 3 ein Diagramm, welches die räumliche Anordnung der Sensoren einer erfindungsgemäßen Füllstandsmeßan­ ordnung angibt, um in einem kugelförmigen Tank ein linearisiertes Ausgangssignal zu erhalten, sowie die Beziehung zwischen Füllhöhe und Füllgrad in einem derartigen Tank, und

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung, die einen Teil einer erfindungsgemäßen Flüssigkeitsstandmeßanord­ nung zeigt, wobei die Thermoelemente durch Auf­ bringen dünner Metallschichten hergestellt sind.

Die in Fig. 1 dargestellte Flüssigkeitsstandmeßanordnung enthält als Sensoren vier Thermoelemente (T 1- T 4). Jedes der Thermoelemente weist einen als "Heißlötstelle" (H) bezeich­ neten ersten Thermoübergang und einen als "Kaltlötstelle" (K) bezeichneten zweiten Thermoübergang auf. Die Heißlöt­ stellen (H) sind über eine gemeinsame Leitung (L 5) mit einem Bezugspotential verbunden. Die Kaltlötstellen (K) sind jeweils über eine getrennte Ausgangsleitung (L 1- L 4) mit einer (nicht dargestellten) Auswerteschaltung verbun­ den, an die eine (ebenfalls nicht dargestellte) Anzeige­ einrichtung angeschlossen ist. Die Heißlötstellen (H) der Thermoelemente sind jeweils thermisch an einen Widerstand (9) einer elektrischen Heizung (8) gekoppelt, die über eine Leitung (L 6) von Strom durchflossen wird. Die Thermoelemente (T 1- T 4) sind übereinander in einem Behälter angeordnet, dessen Flüssigkeitsstand gemessen und ange­ zeigt werden soll. Sind beispielsweise die Thermoelemente (T 1, T 2 und T 3) in die Flüssigkeit eingetaucht, wogegen sich das Thermoelement (T 4) im Freiraum über dem Flüssigkeits­ spiegel im Behälter befindet, so ist die Temperatur der in die Flüssigkeit eingetauchten Heißlötstellen (H) der Thermo­ elemente (T 1, T 2 und T 3) wegen des guten Wärmeübergangs im wesentlichen gleich der Temperatur der umgebenden Flüssigkeit und damit gleich der Temperatur der ebenfalls in die Flüssigkeit eingetauchten Kaltlötstellen (K) die­ ser Thermoelemente. Die Ausgangsspannung der Leitungen (L 1, L 2 und L 3) hat also gegenüber dem Bezugspotential an der Leitung (L 5) den Wert 0 oder zumindest nur einen sehr geringen Wert. Die beheizte Heißlötstelle (H) des nicht in die Flüssigkeit eingetauchten Thermoelements (4) nimmt jedoch eine wesentlich höhere Temperatur an als die Kaltlötstelle (K) dieses Thermoelements, da die durch den entsprechenden Widerstand (9) der Heizung (8) erzeugte Wärme wegen des schlechteren Wärmeübergangs nur langsam an die Umgebung abgegeben wird. Die Ausgangsspannung der Leitung (L 4) liegt also erheblich über dem Bezugspotential der Leitung (L 5) und sie ist erheblich höher als die Ausgangsspannung an den Leitungen (L 1 bis L 3), welche von 0 nur unwesentlich verschieden sind. Bei der erfin­ dungsgemäßen Flüssigkeitsstandmeßanordnung ist also die relative Änderung des Ausgangssignals zwischen einge­ tauchtem und nichteingetauchtem Zustand gegeben durch das Verhältnis zweier Spannungen, von denen die eine einen verhältnismäßig großen Wert hat, während die andere prak­ tisch 0 ist. Die relative Änderung ist also sehr groß, so daß das Ausgangssignal direkt für die Erzeugung eines Digitalsignals mit den Werten 0 und 1 herangezogen werden kann.

Fig. 2 zeigt eine Flüssigkeitsstandmeßanordnung, mit sechzehn Thermoelemente (T 1 bis T 16). Die den Kalt­ lötstellen zugeordneten Anschlüsse der Thermoelemente sind jeweils mit einem ersten Anschluß eines Schaltelemen­ tes (S 1 bis S 16) in einer Multiplexeinrichtung (4) ver­ bunden. Die zweiten Anschlüsse der Schaltelemente (S 1 bis S 16) sind einander parallelgeschaltet und mit einem ersten Eingang eines Verstärkers (5) verbunden. Die den Heißlötstellen der Thermoelemente zugeordneten Anschlüsse sind parallelgeschaltet und gemeinsam mit einem zweiten Eingang des Verstärkers (5) sowie mit einem Bezugs­ potential (Masse) verbunden. Der Ausgang des Verstärkers (5) ist an eine Signalformungseinrichtung (6) gekoppelt. Die in der Signalformungseinrichtung (6) in ein geeig­ netes digitales Format umgewandelten Signale werden dem Eingang einer digitalen Signalverarbeitungsschaltung (2) zugeführt. Die Multiplexeinrichtung (4) wird von der digitalen Signalverarbeitungsschaltung (2) derart ge­ steuert, daß durch Schließen jeweils eines der Schalt­ elemente (S 1 bis S 16) nacheinander alle Thermoelemente abgefragt werden. Ähnlich den Thermoelementen der in Fig. 1 dargestellten Anordnung sind die Thermoelemente der in Fig. 2 gezeigten Anordnung räumlich übereinander angeordnet, wobei das Thermoelement (T 16) am niedrigsten und das Thermo­ element (T 1) am höchsten angeordnet ist. Die Heißlötstel­ len (H) der Thermoelemente werden durch eine Heizung (8) gemeinsam elektrisch beheizt. Die in die Flüssigkeit im Behälter eingetauchten Thermoelemente geben ein nur sehr kleines Ausgangssignal ab, welches nach dem Durchlaufen des Verstärkers (5) in der Signalformeinrichtung (6) z.B. in ein logisches Signal "0" umgewandelt wird. Die darüber­ liegenden, nicht in die Flüssigkeit eingetauchten Thermo­ elemente, geben dagegen ein verhältnismäßig großes Aus­ gangssignal ab, welches im Verstärker (5) verstärkt und in der Signalformeinrichtung (6) in ein logisches Signal "1" umgewandelt wird. Aus den auf diese Weise gewonnenen digitalen Signalen der sequentiell abgefragten Thermo­ elemente wird in der digitalen Verarbeitungsschaltung (2) ein Signal erzeugt, welches den Füllstand im Be­ hälter repräsentiert und in einer Anzeigeeinrichtung (3) angezeigt wird. Das den Füllstand repräsentierende Signal kann ein Analogsignal sein, welches über eine geeignete analog arbeitende Anzeigeeinrichtung darge­ stellt wird, es kann ein Digitalsignal sein, welches über eine digitale Anzeigeeinrichtung in Form von Ziffern oder in Form eines in Segmente unterteilten Leuchtbalkens darstellbar ist. Die Schaltelemente (S 1 bis S 16) der Multiplexeinrichtung (4) sind Halbleiterelemente, die zusammen mit dem Verstärker (5), der Signalformeinrichtung (6) und der digitalen Verarbeitungseinrichtung (2) auf einer gemeinsamen Platine, vorzugsweise jedoch in einer einzigen Mikroelektronikschaltung angeordnet sein können. Die Schaltelemente werden über Steuerleitungen (7) von der digitalen Verarbeitungsschaltung (2) seriell abgefragt, wobei das Abfragen beispielsweise über ein Schieberegister oder über einen Taktgeber gesteuert werden kann.

In Fig. 3 ist für einen kugelförmigen Tank mit einer Höhe (h) die Abhängigkeit des Füllgrades (in %) von der relati­ ven Füllhöhe (x/h) dargestellt. Rechts davon ist die­ jenige Anordnung der Thermoelemente bezüglich der Höhe an­ gegeben, bei der ein Ausgangssignal mit äquidistanten Schritten von jeweils 10% abgegeben wird. Wie ersichtlich und wie unter Hinweis auf die Kugelform des Tanks nicht näher zu erläutert werden braucht, sind die Thermoelemente im mittleren Bereich des Tanks näher beieinander angeord­ net, während sie im oberen und im unteren Bereich weiter voneinander entfernt sind, so daß der Abstand zwischen zwei Thermoelementen jeweils dem gleichen Teilvolumen ent­ spricht.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungs­ gemäßen Flüssigkeitsstandmeßanordnung sind die überein­ ander angeordneten Thermoelemente elektrisch in Serie ge­ schaltet, wobei ein quasi-analoges stufenförmiges Ausgangs­ signal abgegeben wird. Eine solche Ausführungsform, die in einfachen, weniger kritischen Anwendungsfällen vorge­ zogen werden kann, hat den Vorteil, daß die Sensoranord­ nung und die Auswerteschaltung noch einfacher aufgebaut sind, denn die Sensoranordnung muß nicht mehr als vier Anschlüsse, nämlich zwei für die seriengeschalteten Thermo­ elemente und zwei für die elektrische Beheizung enthalten, und es ist keine Multiplexeinrichtung erforderlich.

Vorzugsweise sind die Thermoelemente und die Heizelemente bzw. das gemeinsame Heizelement in Folientechnik durch Aufbringen und Ätzen von Metallschichten auf einer partiell verkupferten Kunststoffolie hergestellt, wodurch insbesondere bei einer Sensoranordnung mit einer Vielzahl von Thermoelementen eine kostengünstige und rationelle Herstellung möglich ist.

Fig. 4 ist eine perspektivische Darstellung, die einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Flüssigkeitsstandmeß­ anordnung zeigt, die durch Aufbringen von Metallschichten auf ein Substrat in Folientechnik hergestellt ist. Auf ein (in der Zeichnung aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestelltes) Substrat aus einem elektrisch nicht­ leitenden Material ist eine erste Schicht eines ersten Metalls aufgebracht. Auf der Schicht (12) des ersten Metalls befindet sich eine zweite Schicht (13) eines zweiten Metalls. Die zweite Schicht (13) hat einen klei­ neren Flächenwiderstand als die erste Schicht (12) und das erste und das zweite Metall weisen unterschiedliche thermoelektrische Potentiale auf, so daß an Übergängen zwischen dem ersten und dem zweiten Metall thermoelektri­ sche Spannungen entstehen. Durch partielles Entfernen der Metallschicht (13), z.B. durch Ätzen, sind die Zuleitungen (14 und 15) und erste Schenkel (16 und 17) eines Thermo­ elements gebildet, indem diese Bereiche beim Ätzen erhal­ ten worden sind. Über einem zweiten Schenkel (18) des Thermoelements ist die zweite Schicht (13) entfernt worden. In dem die Zuleitungen (14 und 15), die ersten Schenkel (16 und 17) und den zweiten Schenkel (18) des Thermo­ elements umgebenden Bereich ist die erste Schicht (12) vom Substrat entfernt, womit der zweite Schenkel (18) des Thermoelements gebildet worden ist. Da die zweite Schicht (13) des zweiten Metalls einen kleineren Flächenwiderstand hat als die erste Schicht (12) des ersten Metalls, wird im Bereich der Zuleitungen (14 und 15) und der ersten Schenkel (16 und 17) des Thermoelements die darunterlie­ gende Schicht des ersten Metalls kurzgeschlossen, wobei an den Übergängen von den ersten Schenkeln (16 und 17) zum zweiten Schenkel (18) des Thermoelements thermoelek­ trische Übergänge entstehen, die mit einer "Kaltlötstelle" (K) und einer "Heißlötstelle" (H) korrespondieren. Die Heizung für die Heißlötstelle (H) wird durch Aufbringen eines Heizelements gebildet, welche z.B. durch einen Streifen (8) einer Schicht eines geeigneten Metalls ge­ bildet sein kann. Diese Schicht (8) kann auf der Rückseite des (in der Zeichnung nicht dargestellten) Substrats auf­ gebracht sein, wobei durch das Substrat eine elektische Isolation zwischen der ersten Schicht (12) und dem Heiz­ element (8) bewirkt wird, oder das Heizelement kann auf derselben Seite des Substrats angebracht sein wie die Schichten (12 und 13), wobei zwischen dem Thermoelement und dem Heizelement eine geeignete Isolierung vorgesehen ist. Vorzugsweise wird als Metall für die erste Schicht (12) eine Kupfer-Nickel-Legierung wie Konstantan (CuNi44) und als Metall für die zweite Schicht (13) Kupfer verwen­ det. Die Leitfähigkeit von Kupfer ist rund 30mal größer als die von Konstantan, so daß in den entsprechenden Be­ reichen die Konstantanschicht (12) durch die darüberlie­ gende Kupferschicht (13) nebengeschlossen wird. Als Sub­ strat ist eine Folie aus einem thermostabilen Polyimid mit der Handelsbezeichnung Kapton geeignet.

Claims (10)

1. Anordnung zum Messen des Flüssigkeitsstandes in einem Behälter mit mehreren in unterschiedlicher Höhe im Inneren des Behälters angeordneten Sensoren, die im eingetauchten und nichteingetauchten Zustand unterschiedliche, zur Anzeige des Flüssigkeitsstandes auswertbare elektrische Signale erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren durch Thermoelemente (T 1, T 2, T 3...) gebildet sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente elektrisch beheizt sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung durch ein den Thermoelementen gemeinsames Heizelement (8) erfolgt.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente mit ihren Schenkeln parallel zur Flüssigkeitsoberfläche angeordnet sind.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente parallel geschaltet sind und getrennte Ausgangssignale abgeben, und daß eine Auswerteschaltung (2) vorgesehen ist, die die Ausgangs­ signale der Thermoelemente durch Multiplexen abfragt.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente ein gemeinsames Ausgangssignal ab­ geben.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente in Serie geschaltet sind.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente und/oder die Heiz­ elemente als Folien durch Aufbringen von Metallschichten auf ein Substrat hergestellt sind.

9. Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch folgende Verfahrens­ schritte:

• - Aufbringen einer ersten Schicht eines ersten Metalls auf ein elektrisch nichtleitendes Substrat,
• - Aufbringen einer zweiten Schicht eines zweiten Metalls auf die Schicht des ersten Metalls, wobei die zweite Schicht einen kleineren Flächenwiderstand hat als die erste Schicht und das erste und zweite Metall unterschied­ liche thermoelektrische Potentiale haben,
• - Bildung der Zuleitungen und erster Schenkel des Thermo­ elementes durch partielles Entfernen der zweiten Schicht,
• - Bildung eines zweiten Schenkels des Thermoelementes durch partielles Entfernen der zweiten Schicht,
• - Aufbringen eines Heizelements.

10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Kupfer-Nickel-Legierung für die erste Schicht und von Kupfer für die zweite Schicht.