DE4117400C2 - Meßvorrichtung für die Höhe eines Füllstands - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung für die Höhe eines Füllstands einer in ihren Eigenschaften stark variierenden Flüssigkeit in einem Behälter, insbesondere zur Ölstandsmessung in einem Motor.

Es ist eine Vielzahl von Verfahren zur Füllstandsmessung bekannt. Ein Überblick über die aktuelle Füllstandsmeßtechnik enthält die Monografie von Ellen Amberger "Füllstandsmeßtechnik", Verlag Moderne Industrie AG & Co., Landsberg/Lech, 1988. Die darin beschriebenen mechanischen Verfahren zur Füllstandsmessung mit Schwimmern durch eine Gewichtsmessung oder mit Verdrängungs­ körpern lassen sich bei beengten räumlichen Verhältnissen nur problematisch realisieren. Für die Ölstandsmessung bei einem Fahrzeugmotor wären Änderungen am Motor erforderlich. Darüber hinaus wären die mechanischen Teile im Motor normalerweise nicht zugänglich, was eine Reparatur oder Wartung unmöglich macht.

Die optischen, akustischen und elektrischen Verfahren scheitern bei in ihren Eigenschaften stark variierenden Flüssigkeiten, wie dies beispielsweise Motoröl ist. Die Änderungen der Viskosität, der Transparenz und der Oberflächenbeschaffenheit verfälscht die erhaltenen Meßwerte. Starke Temperaturschwankungen, wie sie beim Motoröl eintreten, stellen höchste Anforderungen an analoge Meßverfahren. Für eine automatische Auswertung der Meßwerte ist daher ein Meßverfahren anzustreben, das eine frühzeitige Digitalisierung der Meßwerte erlaubt und so in beispielsweise die Borddatenverarbeitung eines Fahrzeugs leicht integrierbar ist.

Durch die DE-PS 3 04 432 ist ein Peilrohr für die Messung eines eventuellen Wasserstandes in Schiffsräumen bekannt, das auf den Boden des Schiffsraumes abgesenkt wird. Das Peilrohr ist so aus­ gebildet, daß sich innerhalb des Rohres ein gleicher Wasserstand wie im Schiffsraum ausbilden kann. Eine in dem Peilrohr enthaltene Skala wird daher in entsprechender Höhe befeuchtet. Die Teilstrecke der Skala, die feucht ist, gibt dann den Wasserstand an, der somit nach dem Herausziehen des Peilrohres an der Skala abgelesen werden kann.

Ein Ölstandsanzeiger ist durch die DE-AS 19 45 241 bekannt, wobei ein unten offenes Rohr so in das Kurbelgehäuse einer Kolben­ maschine eingeführt wird, daß sich im Innern des Rohres ein gleicher Flüssigkeitsstand wie in dem Kurbelgehäuse ausbildet. In dem sich einseitig verjüngenden Rohr ist eine Kolbenstange geführt, die in dem verjüngten Teil des Rohres abgedichtet geführt ist und einen bei einer Bewegung der Kolbenstange den erweiterten Teil des Rohres abdichtenden Kolben trägt. Die weitere Bewegung der Kolbenstange ist in Abhängigkeit von dem gefangenen Ölvolumen möglich und endet, wenn die oberhalb des Ölvolumens gefangene Luft soweit komprimiert ist, daß gegen den dabei entstehenden Druck eine weitere Bewegung der Kolbenstange nicht mehr möglich ist. Das Maß der möglichen Bewegung der Kolbenstange wird als Maß für den Füllstand im Rohr in einer Anzeigeein­ richtung ausgewertet.

Durch die DE 37 33 761 A1 ist ein Gerät zur Messung einer Schichtdicke von Absetzschichten in Abscheidern bekannt, das aus einem fest installierten, sich drehenden Fühlelement besteht. Steigt die Absetzschicht so weit an, daß sie das rotierende Fühlelement erreicht, benötigt das Fühlelement eine erhöhte Antriebsenergie, die gemessen wird und einen Alarm bzw. einen Schaltimpuls auslöst. Das Fühlelement kann auch mit einem Hub- Dreh-Antrieb versehen werden. Vorgesehen ist die Erkennung des Vorhandenseins der Absetzschicht und das Geben einer Anzeige, eines Alarms oder eines Befehls zum Abziehen der Absetzschicht. Eine Füllstandsmessung für eine Flüssigkeit ist hierbei nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung der eingangs erwähnten Art anzugeben, die für in ihren Eigenschaften stark variierende Flüssigkeiten eine zuverlässige elektronische Füllstandsmessung erlaubt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit der im Patentanspruch 1 angegebenen Meßvorrichtung gelöst.

Erfindungsgemäß wird eine Anordnung mit einem in einem Rohr geführten Kolben verwendet, wobei das Rohr so ausgebildet ist, daß es mit der Flüssigkeit in dem Behälter kommuniziert, so daß sich innerhalb und außerhalb des Rohres gleiche Füllstände einstellen. Der Kolben wird von einer oberen Ausgangsstellung gegen die Flüssigkeit verfahren und erreicht die Flüssigkeits­ oberfläche. In der Meßvorrichtung ist dafür Sorge getragen, daß die Flüssigkeit in dem Rohr nun nicht oder nur schwer entweichen kann, so daß der Elektromotor eine plötzliche stark erhöhte Stromaufnahme aufweist, wenn der Kolben gegen die nicht oder praktisch nicht entweichende, nicht komprimierbare Flüssigkeit drückt. Der Stromanstieg des Elektromotors wird detektiert und der Elektromotor abgeschaltet bzw. der Kolben in seine Ausgangs­ stellung zurückverfahren. Der benötigte Weg für die Verstellung des Kolbens wird als Meßsignal für die Füllstandshöhe ausgewertet.

Dabei ist es besonders zweckmäßig, wenn der Kolben als Mutter auf einer durch den Elektromotor angetriebenen Spindel geführt ist, insbesondere wenn der Elektromotor ein Schrittmotor ist, der mit einem Schrittzähler verbunden ist. In diesem Fall gestaltet sich die Auswertung der Messung sehr einfach, weil lediglich die Zählerstände des Schrittzählers in der Ausgangsstellung und in der Abschaltstellung verglichen und ausgewertet werden müssen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist auf der Spindel ein Anschlag montiert, gegen den der Kolben in seiner oberen Ausgangsstellung anläuft. Dabei ist es zweckmäßig, wenn der Anschlag und der Kolben zueinander zeigende Ansätze aufweisen, die die Anschlagfunktion ausüben. Dadurch wird ein winkelgenauer Anschlag erreicht. Zusätzlich kann zwischen dem Anschlag und dem Kolben ein Zwischenraum verbleiben, auf dessen Höhe eine Bohrung in der Mantelwand des Rohres - demzufolge unmittelbar unterhalb des Anschlages - angeordnet ist. Durch diese Bohrung wird eine Kommunikation zwischen den Lufträumen oberhalb des Kolbens und in dem Behälter bewirkt. Außerdem kann etwaiges, auf die Oberseite des Kolbens gelangtes Lecköl durch diese Bohrung in den Behälter zurückfließen.

Es ist zweckmäßig, das Rohr im wesentlichen abzuschließen und die Kommunikation mit dem Flüssigkeitsstand in dem Behälter über eine Drosselbohrung im unteren Bereich des Rohres herzustellen. Dadurch kann der Flüssigkeitsstand in dem Rohr den Flüssigkeits­ stand des Behälters annehmen, etwaige Schwingungen werden jedoch nicht übertragen. Die Drosselbohrung kann, wenn sie klein genug ausgeführt ist, das Rückfließen der Flüssigkeit aus dem Rohr unter der Einwirkung des bewegten Kolbens so stark behindern, daß ein deutlich verwertbares Meßsignal durch die Erhöhung des Stromes des Antriebsmotors erhalten wird. Bei einer so kleinen Drosselbohrung entsteht allerdings auch eine erhebliche Zeitverzögerung für das Nachfolgen des Flüssigkeitsstands in dem Rohr gegenüber dem Flüssigkeitsstand in dem Behälter.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Drosselbohrung durch einen Schieber verschließbar. Der Schieber kann dabei ein mit der Spindel verbundener Drehschieber sein und eine Bohrung aufweisen, die in einer Drehstellung der Spindel mit der Drosselbohrung des Rohrs fluchtet. In diesem Fall kann zwar beim Auftreffen des Kolbens auf die Flüssigkeitsoberfläche in dem Rohr über die Drosselbohrung eine offene Verbindung zum Behälter vorhanden sein, diese Verbindung ist aber nach den nächsten Drehschritten der Spindel geschlossen, wodurch es zu der sofortigen Erhöhung der Stromaufnahme des Elektromotors kommt. Der hierbei entstehende Meßfehler ist dabei auf wenige Antriebsschritte begrenzt. Mit der auf diese Weise verschließbaren Drosselbohrung läßt sich daher ein sehr deutliches und präzise auswertbares Meßsignal erzeugen, da das Rohr unterhalb des Kolbens beim Entstehen des Meßsignals vollständig verschlossen ist.

Zur Auswertung des Meßsignals ist es zweckmäßig, einen Speicher zur Abspeicherung des Schrittzählerstands in der Ausgangsstellung und in der Stellung, in der die Erhöhung des Stromes des Elektro­ motors detektiert worden ist, vorzusehen. Eine Auswertungs­ schaltung kann dann die gespeicherten Zählerstände in eine Angabe über die Füllstandshöhe umsetzen.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Eine elektrischer Schrittmotor 1 ist über ein Verbindungsstück 2 mit einem Rohr 3 verbunden, ist also im wesentlichen am oberen Ende des Rohres 3 angeordnet. Die Antriebswelle des Motors 1 ist über eine Kupplung 4 mit einer Spindel 5 verbunden, die in der Längsachse des Rohres 3 angeordnet ist. Mit der Spindel 5 ist ein Anschlag 6 drehfest verbunden, rotiert also mit der Spindel 5 mit.

Drehfest zum Rohr 3 ist ein Kolben 7 auf der Spindel 5 unterhalb des Anschlages 6 gelagert, so daß durch die Drehung der Spindel 5 der Kolben relativ zur Spindel auf- bzw. abwärts wandert. Die drehfeste Ausbildung des Kolbens 7 relativ zum Rohr 3 kann dadurch erreicht werden, daß das Rohr 3 als Vier- oder Mehrkantrohr ausgebildet ist. Bei einem runden Rohr 3 kann die drehfeste Verbindung beispielsweise durch einen mit dem Kolben 7 verbundenen seitlichen Stift erfolgen, der in einer Längsnut in der Innenwandung des Rohres 3 geführt wird. Das untere Ende des Rohres 3 ist durch einen Boden 8 verschlossen, in dem sich eine Bohrung E befindet. Durch das Bodenstück 8 ist ein Ende der Spindel 5 hindurchgeführt. An dem aus dem Bodenstück 8 heraus­ stehenden Stück der Spindel 5 ist ein Drehschieber 9 montiert, der eine in einer Drehstellung der Spindel 5 mit der Bohrung E vollständig fluchtende Bohrung F aufweist. Bei üblichen Winkel­ schritten von Schrittmotoren (beispielsweise 10°) ist mehr als ein Winkelschritt erforderlich, um den Durchgang durch die Bohrungen E, F vollständig zu verschließen.

Der Anschlag 6 weist zwei nach unten ragende Ansätze A und der Kolben 7 zwei nach oben ragende Ansätze B auf, die gemeinsam die Anschlagfunktion erfüllen, wenn die sich mit der Spindel 5 mitdrehenden Ansätze A gegen die rotationsfest bezüglich der Spindel 5 stehenden Ansätze B des Kolbens 7 anlaufen. Die Ausgangsstellung des Kolbens 7 ist daher durch eine definierte Drehstellung der Spindel 5 gekennzeichnet, in der die Bohrungen E und F miteinander fluchten. In dieser Ausgangsstellung gelangt Öl des Kurbelgehäuses durch die miteinander fluchtenden Bohrungen E, F, von denen wenigstens eine eine definierte Drosselbohrung ist, in das Innere des Rohres 3 und bilden dort den Flüssigkeitsstand C aus. Durch einen entsprechenden Antrieb der Spindel 5 verfährt nun der Kolben 7 translatorisch in Richtung auf die Oberfläche der Flüssigkeit C. Beim Auftreffen der Kolbenunterseite auf die Flüssigkeitsoberfläche C entsteht eine höhere Stromaufnahme des Schrittmotors 1, die als Meßsignal detektiert wird. Ein mit dem Schrittmotor 1 verbundener Schrittzähler gibt beim Auftreten des Meßsignals den Zählerstand in einen Meßwertspeicher, in dem bereits der Zählerstand für die Ausgangsstellung, in der die Nasen A und B miteinander kontaktiert hatten, ebenfalls abgespeichert ist. Das Abspeicherungssignal für den Zählerstand in der Ausgangsstellung kann im übrigen in gleicher Weise initialisiert werden, weil beim Anlaufen der Nasen A an die Nasen B ebenfalls eine erhöhte Stromaufnahme des Schrittmotors 1 erfolgt.

Das Meßprinzip der dargestellten Meßvorrichtung ist gegen die in einem Kolbenmotor entstehenden Umwelteinflüsse unempfindlich und erlaubt eine zuverlässige elektronische Füllstandsmessung. Von wesentlichem Vorteil ist, daß sich die erfindungsgemäße Meßvorrichtung praktisch in der Form eines herkömmlichen manuellen Ölmeßstabs ausbilden läßt, wobei die im Motor für den Ölmeßstab vorgesehene Bohrung ggfs. etwas vergrößert werden muß.

Claims (13)

1. Meßvorrichtung für den Füllstand einer in ihren Eigenschaften stark variierenden Flüssigkeit in einem Behälter, insbesondere zur Ölstandsmessung in einem Motor, mit einem in die Flüssigkeit eintauchenden Rohr (3), in dem sich der Flüssigkeitsspiegel (C) wie in dem Behälter ausbilden kann, einem in dem Rohr (3) verschiebbaren Kolben (7), einer Einrichtung zur Be- oder Verhinderung des Ausweichens der Flüssigkeit vor der Kolbenbewegung, einen Elektromotor (1) zum Verfahren des Kolbens (7) von einer definierten Ausgangsstellung oberhalb des Flüssigkeitsspiegels (C) in Richtung auf die Flüssigkeit, einer einen Luftausgleich zwischen den Räumen auf beiden Seiten des Kolbens (7) erlaubenden Führung des Kolbens (7) in dem Rohr (3) und einem Stromdetektor zur Ermittlung einer Erhöhung des Stroms des Elektromotors (1) beim Auftreffen des Kolbens (7) auf die Flüssigkeit.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (7) als Mutter auf einer durch den Elektromotor (1) angetriebenen Spindel (5) geführt ist.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor ein Schrittmotor (1) ist, der mit einem Schrittzähler verbunden ist.

4. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Spindel (5) ein zur Spindel (5) drehfester Anschlag (6) montiert ist, gegen den der Kolben (7) in seiner oberen Ausgangsstellung anläuft.

5. Meßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (6) und der Kolben (7) zueinander­ zeigende Ansätze (A, B) aufweisen, die die Anschlagfunktion ausüben.

6. Meßvorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine unmittelbar unterhalb des Anschlags (6) angeordnete Bohrung (D) in der Mantelwand des Rohres (3).

7. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Drosselbohrung (E) im unteren Bereich des Rohres (3).

8. Meßvorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Schieber (9) zum Verschließen der Drosselbohrung (E).

9. Meßvorrichtung nach Anspruch 2 und Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schieber ein mit der Spindel (5) verbundener Drehschieber (9) ist.

10. Meßvorrichtung nach Anspruch 7 und Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Drehschieber (9) in wenigstens einer Drehstellung der Spindel (5) eine mit der Bohrung (E) des Rohrs (3) fluchtende Bohrung (F) aufweist.

11. Meßvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindel (5) in der Ausgangsstellung des Kolbens (7) eine Drehstellung einnimmt, in der die Bohrungen (E, F) miteinander fluchten.

12. Meßvorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Speicher zur Abspeicherung des Schrittzählerstandes in der Ausgangsstellung und in der Stellung, in der die Erhöhung des Stroms des Elektromotors (1) detektiert worden ist.

13. Meßvorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Auswertungsschaltung zur Umsetzung der gespeicherten Zählerstände in eine Angabe über die Füllstandshöhe.