DE4025326A1 - Verfahren und vorrichtung zu fuellstandsmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter, wie einer Ölwanne, einem Tank in Kraftfahrzeu­ gen oder dergleichen.

Füllstandsmesser sind an sich bekannt. Es gibt Füllstands­ messer mit einem Schwimmer, deren Höhe im Behälter in geeigneter Weise abgenommen wird. Weiterhin kann die durch Änderung des Füllstandes bedingte Kapazitätsänderung ei­ nes senkrecht in der Flüssigkeit befindlichen Kondensators gemessen werden. Zeitliche und räumliche Schwankungen des Tankinhalts können durch zeitliche Mittelwertbildung, z. B. durch elektronische Integration ausgeglichen werden, so daß im Mittel ein richtiger Füllstand, unabhängig von der Bewegung des Mediums, angezeigt wird. Ein Nachteil besteht darin, daß rasche Änderungen im Füllstand nicht erkannt werden können. Letzteres kann zu nicht rechtzeitig erkennbaren Verseuchungen von Erdreich und Grundwasser durch ausfließendes Öl oder Chemikalien bei entsprechen­ den Behältern führen. Bei Verbrennungsmotoren kann ein plötzlicher Ölverlust infolge von Leckagen oder defekten Teilen im Motorraum nicht rechtzeitig erkannt werden, so daß irreversible Schäden in beträchtlicher Höhe am Motor entstehen können. Letzteres gilt insbesondere für moderne Motoren mit Ölwannen, deren Volumen insbesondere zur Reduzierung des Luftwiderstandbeiwertes, aber auch zur Reduzierung der bei einem Ölwechsel erforderlichen Ölmenge stark reduziert wurde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die eine zuverlässige und schnelle Füllstandsmessung auch bei zeitlichen und örtlichen Verlagerungen der Füllflüssigkeit, beispiels­ weise infolge von Schräglage, Kurvenfahrt, Beschleuni­ gungen und Verzögerungen ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe durch ein Ver­ fahren der eingangs genannten Art gelöst, welches da­ durch gekennzeichnet ist, daß zumindestens ein Ultra­ schallimpuls durch die Flüssigkeit vom Bodenbereich oder vom Seitenwandbereich zu deren Oberfläche gesandt und nach Reflexion wieder empfangen wird. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung sieht zur Lösung der Aufgabe vor, daß der Sendeimpuls mittels einer Sendeimpulsunterdrückung aus­ geblendet wird. Die Wandler sind vorzugsweise am Boden des Behälters angeordnet, können aber auch an allen vier Seitenwänden der Ölwanne als Ultraschallarrays angeordnet sein. Die Sendefrequenz ist derart, daß die Zeit zwischen der Aussendung zweier Ultraschallimpulse größer ist als die maximal mögliche Laufzeit des einmal reflektierten Impulses, der alleine ausgewertet wird.

Bevorzugte Weiterentwicklungen sehen vor, daß mehrere Ultraschallwandler am Boden oder an der Behälterwand an­ geordnet sind und daß der mittlere Füllstand bzw. das tatsächliche Füllvolumen aus den einzelnen Laufzeiten der verschiedenen Wandler jeweils ermittelt wird. Weite­ re Ausgestaltungen sehen vor, daß der Impuls derart aus­ gesandt wird, daß ein Ultraschallwandler lediglich kurz­ zeitig zum Schwingen angestoßen (angeregt) wird und an­ schließend ausschwingt und daß eine Schaltkurve erzeugt wird, die der Hüllkurve des Sendeimpulses entspricht und daß Sende- und Empfangssignal mit der Schaltkurve ver­ glichen bzw. die entsprechende Differenz gebildet wird, wobei sich eine Weiterbildung dadurch auszeichnet, daß die Schaltkurve um einen negativen Wert gegenüber der Nullinie des Sendeimpulses verschoben wird.

Zur weiteren Auswertung des bereinigten Signals kann ent­ weder zunächst eine analoge Weiterverarbeitung vorgesehen sein, indem über die Laufzeit des Ultraschallsignals eine zeitliche Integration eines Spannungswertes derart erfolgt, daß der integrierte Wert ein Maß für die Laufzeit und damit die Füllhöhe ist oder aber eine digitale Weiterverarbeitung, indem durch den Sendeimpuls ein Zähler gestartet und durch den Empfangsimpuls der Zähler gestoppt wird. Eine andere Ausgestaltung sieht darüber hinaus vor, daß das Empfangs­ signal über einen Vergleich mit einem Schwellwert einen Stoppimpuls für den Zähler erzeugt wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeich­ net, daß im unteren Bereich des Behälters mindestens ein Ultraschallwandler angeordnet ist, dessen Sendesignal zur Oberfläche der Flüssigkeit gerichtet ist, deren Füll­ höhe bestimmt werden soll. Während grundsätzlich nur ein Wandler vorgesehen sein kann, sieht eine bevorzugte Aus­ gestaltung vor, daß mehrere Ultraschallwandler im unteren Bereich des Behälters angeordnet sind. Die Wandler kön­ nen dabei, wie schon oben angedeutet, derart eingesetzt werden, daß sie sowohl Ultraschallsender als auch -emp­ fänger sind; das von einem als Sender fungierenden Ultra­ schallwandler ausgesendete Signal kann aber von einem anderen Wandler als Empfänger empfangen werden, wobei beide nur die jeweilige entsprechende Funktion ausüben; in diesem Falle ist ein elektronisches Ausblenden des Sendeimpulses, wie es oben erläutert wurde, nicht not­ wendig, kann aber eine aufwendigere Elektronik verlangen.

In konstruktiver Weiterbildung ist vorgesehen, daß die Ultraschallwandler an der Bodenfläche des Behälters an­ geordnet sind oder daß Ultraschallwandler im unteren Be­ reich der Seitenwandung des Behälters angeordnet sind und im Inneren des Behälters Umlenkeinrichtungen zur Umlenkung des von den Wandlern ausgesandten Ultraschallsignals zur Oberfläche der Flüssigkeit angebracht sind. Die Befesti­ gung der Ultraschallwandler am Behälter kann auf ver­ schiedene Weise erfolgen, nämlich durch Kleben, Klemmen, Schrauben, zum Teil auch in Kombination der verschiedenen Befestigungsweisen.

Andere Weiterbildungen sehen vor, daß mehrere Ultraschall­ sender matrixartig am Boden des Behälters angeordnet sind und daß in der Nähe der Eckpunkte des Bodens des Behälters jeweils ein, also insgesamt vier Ultraschallwandler an­ geordnet sind.

Eine weitere konkrete Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß oberhalb der Ultraschallwandler zur Flüssig­ keitsoberfläche hin offene Hohlzylinder angeordnet sind, die im unteren Bereich ihrer Wandung zumindestens eine Öffnung zum Restbehälter hin aufweisen. Eine solche Ausge­ staltung ist insbesondere vorteilhaft, wenn ein Wandler so­ wohl als Sender als auch Empfänger für die von ihm aus­ gesandten und an der Flüssigkeitsoberfläche reflektierten Signal dient. Wenn ein entsprechender Leitzylinder nicht vorhanden ist, so kann der Wandler Signale empfangen, wenn ein von seinem Sendeimpuls erreichtes Flüssigkeits­ oberflächensegment senkrecht zu der Sendeimpulsrichtung steht, was, wie sich herausgestellt hat, bei einer "ge­ schüttelten" Flüssigkeit hinreichend oft der Fall ist. Die Wahrscheinlichkeit könnte in einer solchen Ausgestal­ tung darüber hinaus noch dadurch erhöht werden, daß über dem Wandler eine Ultraschallinse angeordnet ist, die den vom Wandler ausgesandten Ultraschallimpuls zerstreut, so daß er eine größere Fläche der Oberfläche der Flüs­ sigkeit bestreicht, wodurch die Wahrscheinlichkeit er­ höht wird, daß die Reflexionsbedingung erfüllt ist.

Wenn aber, wie in bevorzugter Ausgestaltung vorgesehen, ein Zylinder vorgesehen ist, der durch ein Loch in sei­ ner Seitenwandung mit dem Restbehälter in Flüssigkeits­ verbindung steht, so kann das an der vom Zylindermantel umschlossenen Flüssigkeitsoberfläche reflektierte Signal wiederholt durch die Zylinderwandungen zurückreflektiert werden, bis es den Wandler wieder erreicht. Der durch die Mehrfachreflexion und den hierdurch vergrößerten Rücklaufweg bedingte Fehler kann dadurch ausgeschaltet werden, daß mehrere entsprechende Anordnungen vorhanden sind.

Der Ultraschallwandler ist vorzugsweise ein Piezokristall. Eine weitere bevorzugte Augestaltung sieht vor, daß am Ultraschallwandler ein Differenzverstärker nachgeordnet ist, dessen anderen Eingang das Ausgangssignal eines Schaltkurvengenerators zugeführt ist.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen aus der nachfolgenden Beschreibung, in der in bevorzugter Ausgestaltung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Flüs­ sigkeitsbehälter mit an dessen Unterseite angeordneten Ultra­ schallwandlern;

Fig. 2 eine Sicht auf die Unterseite des Behälters der Fig. 1;

Fig. 3 die Detaildarstellung eines mit einer akustischen Linse versehe­ nen Ultraschallwandlers;

Fig. 4 einen Darstellung eines Flüssig­ keitsbehälters ähnlich der Dar­ stellung der Fig. 1 mit einer Vielzahl von an der Bodenseite angebrachten Ultraschallwandlern;

Fig. 5 ebenfalls eine Darstellung eines Flüssigkeitsbehälters ähnlich der der Fig. 1 mit mit Leitzylindern versehenen Ultraschallwandlern;

Fig. 6a, b Schallumlenkeinrichtungen zum Einsatz bei der Anbringung der Schallwandler an einer Seiten­ wand des Behälters;

Fig. 7 eine Ausgestaltung zur Erzeu­ gung eines Referenzsignals;

Fig. 8 die Befestigung eines Ultra­ schallwandlers mittels Klem­ mung;

Fig. 9 die Befestigung eines Ultra­ schallwandlers mittels einer Spannschraube;

Fig. 10 ein Blockschaltbild der erfin­ dungsgemäßen Elektronik zum Erzeugen eines Ultraschallsen­ designals und der elektronischen Weiterverarbeitung des empfange­ nen Ultraschallsignals;

Fig. 11 eine detailliertere Darstellung einer Schaltung;

Fig. 12 eine Signaldarstellung; und

Fig. 13 ein Blockschaltbild ähnlich der Fig. 10 für eine erfindungsgemäße Elektronik mit laufzeitabhängiger Verstärkung des Signals.

Am Boden 1a eines Flüssigkeitsbehälters 1, wie beispiels­ weise der Ölwanne eines Kraftfahrzeugs, sind Ultraschall­ wandler 3 angebracht. Zwischen dem Wandler 3 und dem Bo­ den 1a des Behälters ist vorzugsweise ein Koppelmedium 3a vorgesehen. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind die Wandler 3 mittels Kleber 3a an der Unterseite 1a des Behälters 1 festgeklebt, so daß der Kleber das Koppelme­ dium 3a bildet. Im Flüssigkeitsbehälter 1 befindet sich eine Flüssigkeit 5 an deren Oberfläche 5a von den Wand­ lern 3 ausgesandte Ultraschallimpulse 3b entsprechend dem Reflexionsgesetz reflektiert werden. Wenn der Be­ hälter 1 sich in Ruhe befindet mit horizontal ausge­ richtetem Boden 1a, so ist die Oberfläche 5a der Flüs­ sigkeit 5 ebenfalls horizontal und eben, so daß der aus­ gesandte Ultraschallimpuls 3b auf den gleichen Wandler 3 wieder reflektiert wird und das an diesem empfangene Signal weiterverarbeitet werden kann. Befindet sich aber der Behälter 1 und damit die Flüssigkeit 5 sowie deren Oberfläche 5a in Bewegung, so werden ausgestrahlte Schall­ impulse 3a zum Teil in Richtung reflektiert (3c) bei denen der Impuls nicht mehr auf einen Wandler 3 trifft. Aufgrund der unruhigen, bewegten Flüssigkeitsoberfläche 5a in diesem Fall treffen Ultraschallimpulse 3b aber in hinreichendem Umfange auf horizontal gerichtete Flüssigkeitsoberflächen- Elemente (bei 5c), so daß ein Strahl 3a vertikal auf den Ultraschallwandler 3 zurückreflektiert wird. Das Empfangs­ signal kann dann ebenfalls wieder ausgewertet werden. Die "gestreuten" Impulse 3c, die nicht auf einen Wand­ ler 3 treffen, stören nicht.

Aufgrund der Laufzeit des ausgesandten Ultraschallimpul­ ses 3a und des zum Wandler 3 reflektierten Impulsanteils 3b, kann die Füllstandshöhe bei dem jeweiligen Wandler 3 durch Multiplikation der halben Gesamtlaufzeit mit der Schallgeschwindigkeit im Medium der Flüssigkeit 5 bestimmt werden. Bei ruhigem, stationären Behälter 1 reicht im Prinzip ein Wandler. Bei bewegten Behältern 1, wie dies bei Ölwannen oder Kraftstofftanks von Kraftfahrzeugen der Fall ist, wird man mehrere, mindestens zwei, vorzugsweise aber mindestens vier Wandler vorsehen, wie dies für einen Behälter 1 aus der Darstellung der Unterseite desselben in der Fig. 2 erkennbar ist. Die Wandler 3 sind dort in den Eckbereichen der Bodenfläche 1a des Behälters 1 ange­ ordnet. Bei Reflexion an einer zum Boden geneigten Flüs­ sigkeitsoberfläche und Empfang des reflektierten Signals 3b durch einen in einer Entfernung a angeordneten Empfänger ergibt sich die Flüssigkeitshöhe über dem Sender 3 durch

wobei T die Signalgesamtlaufzeit und c die Schallgeschwindigkeit im Medium ist. Um ein Abbild der gesamten Flüssigkeitsoberfläche zu erhalten, können alle vorhandenen Ultraschallwandler als Sender abgefragt werden.

Gegebenenfalls kann auch der Boden 1a des Behälters 1 im Bereich des Ultraschallwandlers 3 mit einer akusti­ schen (Streu-) Linse 6 versehen sein, die den Impuls des Wandlers 3 auffächert und in mehrere Richtungen streut. Während ein Teil des Schall dadurch seitlich fortreflek­ tiert wird (bei 7a), wird hierdurch die Wahrscheinlichkeit erhöht, daß Schallanteile 7b zunächst zur akustischen Linse 6 zurück und durch diese zum Wandler 3 zurückreflektiert werden (Fig. 3), da die Wahrscheinlichkeit, daß Bereiche des Sendeimpulses senkrecht auch eine schief stehende Flüssigkeitsoberfläche 5a treffen, durch die akustische Linse 6 erhöht wird.

Während vorstehend jeder Wandler 3 sowohl als Ultraschall­ sender als auch als Ultraschallempfänger dient, könnte auch vorgesehen sein, daß die Funktionen körperlich-räum­ lich getrennt und in unterschiedlichen Wandlern verwirk­ licht sind, wobei jeweils ein Sender und ein Empfänger unmittelbar nebeneinander angeordnet sind.

Bei der Ausgestaltung der Fig. 4 sind am Boden 1a des Behältnisses 1 matrixartig eine Vielzahl von Ultraschall­ wandlern 3 angeordnet, deren Sende- und Empfangsfunktio­ nen ebenfalls getrennt oder aber jeweils in einem Wand­ ler 3 verwirklicht sein können. Hierdurch wird der Sen­ deimpuls 3a zu einem anderen Wandler hinreflektiert, der das reflektierte Signal als Empfangssignal aufnimmt und der Weiterverarbeitung zuführt. Die in Fig. 4 gezeigte Ultraschallwandleranordnung kann sich über die gesamte Bodenfläche des Behälters 1 erstrecken, um eine sichere Signaldetektion zu ermöglichen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung (Fig. 5) sind Leit­ zylinder 2 oder Ultraschall-Führungsrohre angeordnet, die zum Angleich der Füllstände in ihnen an den Füll­ stand im Restbehälter 1a in ihrem unteren Wandungsbereich jeweils mindestens eine Bohrung 4 in ihrem Mantel aufwei­ sen. Steht die Flüssigkeitsoberfläche 5a nicht parallel zum Wandler 3, so wird der von diesem ausgesandte Sende­ impuls 3 dann, wenn er von der Flüssigkeitsfläche 5a, 2 zur Seite reflektiert wird, auf die Wandung des Zylinders 2 treffen, von dieser wieder reflektiert werden, bis der reflektierte Impuls zum Wandler 3 gelangt und dort wieder detektiert und der Weiterverarbeitung zugeführt werden kann.

Auch hier sind vorzugsweise wieder mehrere, insbesondere vier Wandler vorgesehen. Durch Messungen mit allen vier Wandlern kann nicht nur der mittlere Füllstand bestimmt, sondern auch durch die unterschiedlichen Laufzeiten bei verschiedenen Wandlern die mittlere Neigung der Flüssig­ keitsoberfläche relativ zum Boden bestimmt und hierdurch die durch die Mehrfachreflexion bedingte Laufzeitverlän­ gerung berücksichtigt bzw. kompensiert werden.

Während bisher die Wandler 3 immer an der Unterseite bzw. dem Boden 1a des Behälters angebracht wurden und zwar derart, daß sie im Ruhezustand des Behälters horizontal ausgerichtet sind, kann, wenn die Einbauverhältnisse dies erfordern, in besonderen Fällen auch vorgesehen werden, daß die Wandler 3 an Seitenwandungen 1b des Behälters 1 befestigt werden. In diesem Falle müssen aber Umlenk­ einrichtungen 8 vorgesehen sein, die den vom Wandler 3 zunachst horizontal oder nahezu horizontal durch die Wan­ dung 1b gestrahlten Sendeimpuls 3b senkrecht nach oben lenken. Eine derartige Umlenkeinrichtung 8 kann in einer an der Innenseite des Behälters in geeigneter Weise aus­ gebildeten Nase bestehen. Alternativ kann die Umlenkein­ richtung auch aus einem an der Innenseite des Behälters befestigten, insbesondere festgeschweißten Umlenkblech bestehen, wie dies in der Fig. 6b dargestellt ist.

Um Schallgeschwindigkeitsänderungen aufgrund von Visko­ sitätsänderungen der Flüssigkeit, insbesondere aufgrund von Temperaturänderungen berücksichtigen zu können, kann mit Abstand zu einem Wandler 3 im Inneren des Behälters 1 eine definierte Reflexionsfläche 9 an einem Referenz­ reflektor 10 vorgesehen sein. Hierdurch ist eine vorge­ gebene Laufstrecke für einen Teil des Ultraschallsignals gegeben, mit der die zur Bestimmung des Prüfstandes er­ forderliche Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit kalibriert werden kann. Während im dargestellten Aus­ führungsbeispiel ein Teil der vom Wandler 3 ausgesandten Ultraschallwelle 3b zur Bestimmung des Referenzwertes genutzt wird, könnte hierzu auch ein separater Ultra­ schallwandler vorgesehen sein, der vollständig durch die Referenzfläche 9 überdeckt ist.

Wie schon oben dargelegt, wird das Ultraschallsignal nach Durchlaufen der doppelten Füllstands-Wegstrecke als Emp­ fangssignal am hierzu elektrischen Ultraschallwandler detektiert. Das Maximum des von der elektronischen Sig­ nalverarbeitung modifizierten Signals wird zeitlich er­ faßt und durch die aufsteigende Flanke eines Rechteck­ signals zeitlich markiert. Durch eine "Schaltkurve" wer­ den die durch die endliche Breite des Sendesignals sowie durch Schallschwächungseffekte des flüssigen Mediums be­ wirkten Störungen eliminiert.

Während die Ultraschallwandler grundsätzlich in der be­ schriebenen Weise mittels Kleber am Behälter 1 befestigt sein können, können auch andere Befestigungsmöglichkeiten vorgesehen werden, insbesondere wenn eine lösbare Befe­ stigung der Wandler 3 gewünscht wird. So können die Wand­ ler klemmend oder mittels Verschraubung befestigt werden, wie dies in den Fig. 8 und 9 dargestellt ist. Bei der Ausgestaltung der Fig. 8 sind am Behältnis 1 (insbeson­ dere Boden des Behältnisses 1) mit Hinterschneidungen 11 versehene Ansätze 12 vorgesehen, zwischen denen der Wandler 3 ebenfalls unter Zwischenanordnung eines Kopp­ lungsmittels 3a, das hier ein Gel, Silikon oder derglei­ chen sein kann, an der Unterseite 1a des Behältnisses angebracht wird. Die Hinterschneidungen 11 werden durch Ränder 13 einer Feder 14 hintergriffen, die mit ihrem Mittelteil 15 gegen den Wandler 3 und diesen damit gegen die Unterseite 1a des Behälters drückt. Bei einer ande­ ren Ausgestaltung (Fig. 8) ist der Boden 1a des Behäl­ ters 1 ebenfalls mit Ansätzen oder Vorsprüngen 12 ver­ sehen, die vorzugsweise eine Ausnehmung 16 umgeben, in der der Wandler 3 unter Zwischenlage der Kopplungsschicht 3a angeordnet ist. Es ist weiterhin eine Andrückplatte 17 vorgesehen, die zum Wandler 3 gerichtete Ansätze 18 aufweist und mittels einer Schraube (die nur gestrichelt dargestellt ist) gegen den Boden 1a und damit mit seinen Ansätzen 18 gegen den Wandler 3 gespannt werden kann, so daß dieser gegen den Boden 1a des Behälters gedrückt wird.

Die Elektronik 60 zur elektronischen Signalverarbeitung (Fig. 10) enthält zunächst einen Taktgenerator 66. Die­ ser weist einen Oszillator mit Frequenzen im Bereich von 1 bis 10 MHz auf. Der Takt wird heruntergeteilt, bis ei­ ne Periode größer ist als die doppelte Laufzeit des Ul­ traschallsignals und damit auf einen Wert in der Größen­ ordnung von wenigen KHz, wie beispielsweise 2,5 KHz. Es ist ein Verstärker 74 zur Verstärkung der Taktgenerator­ signale vorgesehen. Mit dem Ausgang des Verstärkers wird ein Piezokristall des Ultraschallwandlers 76 angesteuert und zu gedämpften Schwingungen angeregt, die sich als Ultraschallsignal in der Flüssigkeit 5 fortsetzen, an der Oberfläche 5a der Flüssigkeit reflektiert und vom Wandler 76 wieder empfangen werden. Dem Wandler 76 ist ein Empfangsverstärker 75 nachgeordnet, der die von der Oberfläche der Flüssigkeit reflektierten und empfangenen Signale verstärkt und sie auf einen Eingang eines Diffe­ renzverstärkers 69 gibt. Der andere Eingang des Diffe­ renzverstärkers 69 erhält sein Eingangssignal über eine Schaltpegelanpassungseinrichtung 68 von einem Schalt­ kurvengenerator 67. Der Schaltkurvengenerator 67 kann ein Rechteckgenerator sein, der gegebenenfalls mit einem Kondensator derart verbunden ist, daß am Eingang des Dif­ ferenzverstärkers 69 nach einer Vorlaufzeit (die der Brei­ te des Recktecksignals entspricht) dann zunächst ein ex­ ponentiell abfallendes Signals 29 anliegt (Fig. 12). Die "Schaltkurve" ist dabei in geeigneter Weise wählbar und wird derart gewählt, daß sie die Sendeschwingung 30 des Wandlers 76 im wesentlichen einhüllt, so daß im Zeitbereich der Sendeschwingung der Differenzverstärker 69 nahezu oder praktisch ein Nullsignal ergibt. Die "Schaltkurve" ist demgegenüber während der Laufzeit des Ultraschallsignals auf nahezu Null abgefallen, so daß der Differenzverstärker das Empfangssignal 31 wesentlich als solches weitergibt.

Das am Ausgang des Differenzverstärkers 69 liegende Sig­ nal 33 wird bei Durchlaufen eines Tiefpasses 70 geglättet und erzeugt über eine Schaltschwelle einen Stoppimpuls 35 für einen Zähler 72 (Fig. 13), dessen Zählerstand proportional der Laufzeit des reflektierten Ultraschall­ signals ist. Der Zählwert kann in einem Rechner 64 weiter­ verarbeitet und das Meßergebnis über eine Anzeige 73 an­ gezeigt werden.

Der Taktgenerator 66 weist einen Binärzähler 81 (IC 4440) als Teiler auf, dem eine RC-Kombination 82 als Differen­ zierglied nachgeschaltet ist, das die vom Teiler 81 ge­ lieferten Rechteckimpulse in kurzzeitige Spitzen umwan­ delt, die einen nachfolgenden Transistor 83 durchschal­ ten, wodurch der Piezo-Schallwandler 76 über einen Über­ trager 84 kurzzeitig angeregt wird. Der Piezo-Wandler schwingt nach der erfolgten Anregung gedämpft aus.

Dem Wandler 76 ist der durch Inverter (IC 4069) gebilde­ te invertierende Empfangsverstärker 65 nachgeordnet, dem der Differenzverstärker 69 folgt, auf dessen anderen Ein­ gang die erwähnte Schaltkurve gelegt ist.

Der Schaltkurvengenerator 67 weist einen Multivibrator auf (IC 4047) auf dessen positiven Triggereingang der Ausgang des Teilers 81 gegeben ist und dessen Ausgang (hier Q) einer Komperatoren und Potentiometer aufweisen­ den Schaltpegelanpassung 68 zugeführt ist, wobei durch die Potentiometer die "Schaltkurve" einstellbar und ins­ besondere als Hüllkurve an die Ausschwingkurve des Wand­ lers 76 anpaßbar ist, das heißt insbesondere hinsicht­ lich der Breite ihres exponentiellen Abfalls sowie hin­ sichtlich ihrer Nullverschiebung.

Durch den Differenzverstärker 69 wird wiederum ein Recht­ ecksignal geschaffen, daß eine Flanke bei empfangenem und reflektiertem Impuls aufweist. Dieses Signal wird über einen Tiefpaß 70 auf den Rücksetzeingang eines stabilen Multivibrators 71 zur Erzeugung eines Stoppimpulses für einen Zähler 72 gegeben, wobei der Startimpuls wieder vom Ausgang des Teilers 81 abgeleitet und auf den posi­ tiven Triggereingang des Multivibrators 71 gegeben ist. Die Zählimpulse werden (nach Teilung mit einem geringeren Teiler) ebenfalls vom Teiler 81 abgeleitet und über NAND- Gatter (IC 4011) mit Start- und Stoppimpuls des Multi­ vibrators 71 verknüpft zum Zähler 72 geleitet, dem eine Parallelschnittstelle 86 zur weiteren Übertragung zwecks Weiterverarbeitung des Zählergebnisses nachgeordnet ist (Fig. 11).

Während in der Darstellung der Fig. 10 und 11 ledig­ lich die Verarbeitungselektronik für einen Wandler 3 bzw. 76 dargestellt wurde, können entsprechende Schaltungen für sämtliche Wandler vorgesehen sein, deren Ergebnisse sämtlich in den Rechner 64 einlaufen. Stattdessen kann die unter Bezugnahme auf die Fig. 10 beschriebene Schal­ tung auch im Multiplex wechselweise von den einzelnen Sensoren beaufschlagt werden. Ein externes Korrektursig­ nal oder ein aus dem Referenzsignal (Fig. 7) abgeleite­ tes Signal kann unter anderem die mediumabhängige Ultra­ schallgeschwindigkeit dem Rechner übermitteln, damit die­ se berücksichtigt wird.

Am Taktgenerator wird über Teiler ein Meßtaktsignal abge­ leitet, das durch eine RC-Kombination differenziert wird. Das differenzierte Signal schaltet einen Transistor für sehr kurze Zeit durch, wodurch der Piezokristall zum Schwin­ gen angeregt wird. Gleichzeitig mit dem Aussenden des Signals des Schallwandlers wird die erwähnte Schaltkurve geschaffen, sowie ein Zähler in Lauf gesetzt. Über den erwähnten Differenzverstärker wird das Differenzsignal aus Empfangssignalen und Schaltkurve gebildet. Das analoge Empfangssignal wird so umgeformt, daß es als Stoppimpuls für den Zähler dienen kann.

Statt eines digitalen Arbeitens mit einem Zähler kann in alternativer Ausgestaltung des erfindunsgemäßen Ver­ fahrens auch vorgesehen sein, daß mit Aussenden des Sen­ deimpulses eine konstante Spannung integriert wird, bis das Empfangssignal empfangen wird, so daß der integrierte Wert ein Maß für die Laufzeit ergibt; dieser kann in ei­ ner Sample- und Hold-Schaltung gehalten werden.

Da das Empfangssignal besonders bei höherem Füllstand und längerer Laufzeit oft ein sehr geschwächtes Signal ist, kann in bevorzugter Ausgestaltung weiterhin vorgesehen sein, daß eine von der Amplitude des Empfangssignals (um­ gekehrt proportionale) abhängige Verstärkung des Empfangs­ signals erfolgt. Da die Intensität des Empfangssignals mit der Laufzeit abnimmt, kann auch vorgesehen sein, daß eine von der Laufzeit des Schaltsignals (direkt) abhängige Verstärkung durchgeführt wird. Eine entsprechende Schal­ tung ist in Fig. 13 dargestellt. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 10 bezeichnet. Dem Taktgenerator 66 ist ein Teiler 66a nachgeordnet. Einem nun spannungsgesteuerten Empfangsverstärker 75a ist ein Integrierer 81 zugeordnet, der von einer Vorspannungs­ quelle 82 verfolgt wird. Die Verstärkung nimmt also mit der Laufzeit zu. Es ist weiter eine Sendeimpulsunterdrük­ kung 83 vorgesehen. Dieser schließt sich ein Komparator 84 an, den nur das reflektierte empfangene Signal erreicht, und der über 84a einen Stoppimpuls für den Takt des Takt­ generators 66 zählenden Zählers 72 sowie ein Zurücksetzen des Integrierers 81 bewirkt.

Fehlmessungen können dadurch ausgeschaltet bzw. reduziert werden, indem ein Meßtor geöffnet ist, das lediglich so lang ist, wie die Laufzeit des Ultraschallsignals bei maximalem Ölstand, so daß später empfangene Signale aus­ gesperrt werden und das Meßergebnis nicht verfälschen können.

Claims (27)

1. Verfahren zum Messen des Füllstandes einer Flüssig­ keit in einem Behälter, insbesondere in der Ölwanne eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, daß zumindestens ein Ultraschallimpuls durch die Flüs­ sigkeit zu deren Oberfläche gesandt und nach Re­ flexion wieder empfangen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallimpuls vom gleichen Wandler aus­ gesendet und empfangen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Impuls derart ausgesandt wird, daß ein Ultraschallwandler lediglich kurzzeitig, vorzugsweise in einem Stoßimpuls, zum Schwingen angestoßen (angeregt) wird und anschließend aus­ schwingt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltkurve erzeugt wird, die der Hüllkurve des Sendeimpulses entspricht und daß Sende- und Empfangssignal mit der Schaltkurve verglichen bzw. die entsprechende Differenz gebil­ det wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkurve um einen negativen Wert gegen­ über der Nullinie des Sendeimpulses verschoben ist.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über die Laufzeit des Ultraschallsignals eine Integration eines Spannungs­ werts derart erfolgt, daß der integrierte Wert ein Maß für die Laufzeit ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Sendeimpuls ein Zäh­ ler gestartet und durch den Empfangsimpuls der Zäh­ ler gestoppt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Empfangssignal tiefpaßgefiltert wird und über einen Vergleich mit einem Schwellwert einen Stoppimpuls für den Zähler erzeugt.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ultraschall- Sendesignale an verschiedenen Stellen des Boden­ bereichs des Behälters erzeugt werden und der Mit­ telwert der gemessenen Laufzeiten der unterschied­ lichen Sender-Empfängeranordnungen berechnet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sendeimpuls mittels einer Sendeimpulsunterdrückung ausgeblendet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß über die Laufzeit des Ultra­ schallsignals eine Integration eines Spannungswer­ tes derart erfolgt, daß der integrierte Wert als Steuerspannung für einen spannungsgesteuerten Emp­ fangsverstärker verwendet wird.

12. Vorrichtung zur Messung der Füllhöhe in einem Be­ hälter, wie insbesondere der Ölstand eines Kraft­ fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, daß am Behälter, insbesondere im unteren Bereich des Behälters (1) mindestens ein Ultraschallwandler (3) angeordnet ist, dessen Sendesignal zur Oberfläche (5a) der Flüssig­ keit (5) gerichtet ist, deren Füllhöhe bestimmt werden soll.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß mehrere Ultraschallwandler (3) im unteren Bereich des Behälters (1) angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ultraschallwandler an der Bodenfläche (1a) des Behälters (1) angeordnet sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeich­ net durch Ultraschallwandler (3) im unteren Bereich der Seitenwandung (1b) des Behälters (1) Umlenk­ einrichtungen (8) und im Inneren des Behälters (1) zur Umlenkung des von den Wandlern (3) ausgesandten Ultraschallsignals (3a) zur Oberfläche (5a) der Flüssigkeit (5), deren Füllstand im Behälter (1) untersucht werden soll.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwandler (3) am Behälter (1) festgeklebt sind.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß die Wandler (3) elastisch gegen die Behälterwandung geklemmt sind.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß die Wandler (3) mittels Schrauben gegen die Behälterwandung verspannt sind.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ultraschall­ sender (3) matrixartig am Boden (1a) des Behälters (1) angeordnet sind.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, da­ durch gekennzeichnet, daß in der Nähe der Eckpunk­ te des Bodens (1a) des Behälters jeweils ein, also insgesamt vier Ultraschallwandler (3) angeordnet sind.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwandler (3) als separate Sender und Empfänger ausgebildet sind.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Ultra­ schallwandler (3) zur Flüssigkeitsoberfläche (5a) hin offene Hohlzylinder (2) angeordnet sind, die im unteren Bereich ihrer Wandung zumindestens eine Öffnung (4) zum Restbehälter (1) hin aufweisen.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwandler piezoelektrische Kristalle sind.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Wandler (3) und Wandung des Behälters (1) ein Koppelmedium an­ geordnet ist.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß am Ultraschallwandler (3, 76) ein Differenzverstärker (69) nachgeordnet ist, dessen anderen Eingang das Ausgangssignal ei­ nes Schaltkurvengenerators (67) zugeführt ist.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 25, gekennzeichnet durch einen Taktgenerator (66) startbaren und durch das Empfangssignal des Sen­ sors (3, 76) anhaltbaren Zählers (72).

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Ultraschall­ wandler eine akustische Linse angeordnet ist.