WO2008080857A2 - Vorrichtung und verfahren zur bestimmung eines füllstandes und einer temperatur eines fluids - Google Patents

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WO2008080857A2 PCT/EP2007/064247 EP2007064247W WO2008080857A2 WO 2008080857 A2 WO2008080857 A2 WO 2008080857A2 EP 2007064247 W EP2007064247 W EP 2007064247W WO 2008080857 A2 WO2008080857 A2 WO 2008080857A2
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Volker Pesahl
Torsten Reitmeier
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Continental Automotive Gmbh
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    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/24—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of resistance of resistors due to contact with conductor fluid
    • G01F23/246—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of resistance of resistors due to contact with conductor fluid thermal devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G01K7/18—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K2205/00—Application of thermometers in motors, e.g. of a vehicle

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for determining a level and a temperature of a fluid.
  • a measuring arrangement for the electrothermal level measurement, in which a heating or hot wire is mounted vertically or at a certain angle in the engine oil.
  • the length of the hot wire is to be chosen so that the measuring range of the wire is not exceeded or undershot at both maximum and minimum oil level.
  • the resistance of the hot wire is proportional to the temperature of the wire, so it has PTC characteristics.
  • the hot wire for level measurement is provided with a time-limited current pulse with constant current strength heated. The voltages dropping on the hot wire at the beginning of the current pulse and at the end of the current pulse are measured and used to determine the filling level. At a high oil level, the electrical heating power supplied to the wire is largely dissipated to the surrounding oil.
  • the wire heats up so only slightly, so that even a small increase in resistance is measurable.
  • the wire is mostly in air. Since air is a poor conductor of heat, only little electric heating power is delivered and the fluid can cool the heating wire only to a small extent. Thus, the wire heats up comparatively strong. This large heating results in a large voltage difference between the two measured voltages. The voltage difference is therefore inversely proportional to the filling level.
  • a device for determining a fill level in which measured values of a heating wire which is cooled by the fluid over a different sized range are recorded as a function of a respective fill level of a fluid.
  • This component is operated in the form that a respective voltage drop is measured at the beginning and at the end of a defined energization of the heating wire.
  • a corresponding sensor element in the form of an NTC resistor is provided for temperature measurement.
  • the devices for both measurements are arranged in a common elongate housing, which is arranged in an oil pan of a motor vehicle engine in the form of only one component.
  • a device according to the disclosure of EP 1 180 667 A2 has basically proven itself in practical use.
  • the object of the present invention is to provide an even more compact device and a more efficient measuring method using a heating wire with PTC or PTC characteristic.
  • a device is characterized in that an evaluation circuit has means for measuring voltage when the sensor wire is acted upon as a fluid temperature sensor with a measuring current and at the same time is configured as a filling level sensor by connection to an arithmetic unit with integrator via determination of a cooling behavior.
  • the heating and sensor wire when the heating and sensor wire is energized, a distinction is made between a heating current and a sensor or measuring current.
  • the heating current is an unregulated, comparatively high current
  • the measuring current is a regulated and very low current, which only serves for a resistance measurement outside of a heating of the heating and sensor wire.
  • calculation or determination of an electrical resistance is no longer carried out during the heating of the heating wire caused by the application of a current pulse.
  • the heating of the thermoelectric sensor wire and the measurement of the resistance characteristic of the sensor wire during the cooling phase by time-separated and the different sized currents. By determining the resistance, the measurement result is largely insensitive to tolerance fluctuations in the measuring current / measuring voltage used.
  • the heating current is in a preferred embodiment of the invention some 100 mA and can be turned on and off.
  • a control of the heating current is preferably not necessary, so that a e.g. can be omitted in the form of a transistor controllable current or voltage source.
  • the measuring current and / or the measuring voltage are selected to be sufficiently small so that the electrical power converted in the sensor wire additionally heats the latter only insignificantly and fluctuations in the measuring current and / or the measuring voltage due to tolerances have a negligible influence on the measurement result.
  • a corresponding number of measuring points is determined in a measuring interval using a plurality of measurements. From the measuring points, an area under the cooling curve can be approximated by multiplication by the width of a respective sampling interval.
  • a method according to the invention works reliably even at high filling levels, since different heating curves of the heating wire result due to the different coefficients of thermal conductivity between air and fluid at different levels of fluid fill level. Consequently, these cooling curves, viewed over the time axis, in the measuring intervals of defined length also include areas of different sizes which indicate an easily determinable thermal energy content of the heating or sensor wire. As a result, inaccuracies are largely avoided, especially with high fluid levels, as they occur in known devices and methods.
  • no additional temperature sensor is provided, for example in the form of a separate NTC resistor. In a combination sensor according to the invention, therefore, only one sensor element in the form of a heating wire that is in contact with the fluid to be monitored is advantageously present for both measurements.
  • a respective fluid temperature can also be determined with sufficient accuracy.
  • advantageously only one measuring interval is required, which is quasi shared, at least in an initial range of two different evaluation methods.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a device according to the invention
  • FIG. 2 shows a representation of the embodiments of FIG. 1 cut vertically in a plane which is perpendicular to the plane of the sectional illustration of FIG. 1;
  • FIG. 3 shows an illustration of a known device in the sectional plane of FIG. 1;
  • FIG. 4 shows a representation of the known device in a sectional plane according to FIG. 2;
  • FIGS. 5a and 5b are diagrams for illustrating basic temperature profiles over time with a number of
  • FIGS. 6a and 6b are diagrams for illustrating basic temperature profiles over time with a number of measuring points for determining a cooling curve according to a method according to the invention, with representation of measuring and heating current in the various phases;
  • FIG. 7 shows a diagram with schematic representations of FIG
  • Cooling curves at two different level levels of a fluid shows a diagram of a time-discrete resistance measurement of an initial state and a cooling curve of a thermoelectric wire and
  • Figures 9a and 9b two diagrams for determining an oil level as a function of a plurality of variables
  • FIG. 10 shows a block diagram of an electronic system with a connected sensor wire.
  • FIG. 3 shows a sensor device 0 for determining fill level and fluid temperature with a housing 1 made of plastic, which is constructed from two half shells 2, 3.
  • the two half-shells 2, 3 each have an enlarged diameter in a connecting region 4.5, which engages near its upper end with an inwardly directed collar 6 in a circumferential groove 7 of a contact socket 8 respectively.
  • the housing 1 is inserted together with the contact socket 8 in a connection piece 9, which is provided on the outside with a screw-in thread 10 and has known sealing means.
  • Each connecting region 4, 5 has a radial opening 11, 12. Up to the area of these apertures 11, 12, pairs of electrical conductors 13, 14 protrude from the contact base 8 and pairs of electrical conductors from the housing 1 protrude. ter 15, 16 into and are connected by welds 17 together.
  • the half-shell 3 is designed for level measurement. For this is located near its lower end, a clamping body 18 which is held in the longitudinal direction of the half-shell 3 in her displaceable and biased by a spring 19 away from the connection area 4.
  • This clamping body 18 has a pin 20, by which a heating wire 21 is deflected by 180 °, which runs in the half-shell 3 over a substantial portion of its length and is connected to the two conductors 15.
  • This heating wire 21 is current-flowed during the level measurement. It is more or less cooled by the medium to be measured as a function of the fill level, so that its total electrical resistance changes accordingly and the fill level can be determined by measuring the electrical variables.
  • the half-shell 2 has in its lower end face a recess 22 with a temperature-responsive sensor element 23, here an NTC element.
  • This NTC sensor element 23 is connected to the outside via the conductors 16, are transmitted by the corresponding temperature signals.
  • FIG. 4 shows the half-shell 3 alone and rotated by 90 ° with respect to the sectional view of FIG.
  • the clamping body 18 with the pin 20 which biases and deflects the heating wire 21.
  • the heating wire 21 thus runs in a U-shape, with its two respective regions forming a limb of the U-shape in FIG. 2 being designated 21 'and 21 ".
  • the illustrated sensor device For installation of the illustrated sensor device 0, first all built-in components are installed in the two half-shells 2, 3 and the contact socket 8. Then you weld a half-shell 2, 3 to the contact base 8 and then connects the other half-shell 2, 3 with the first half-shell 2, 3, for example, by clipping, welding, caulking or staples. Thereafter, the already connected half-shells 2, 3 are welded to the contact base 8. In the final assembly, the unit is inserted into the connection piece 9 with an external hexagon contour, which has integrated sealing means. Subsequently, the arrangement with the separately arranged sensors 21, 23 for temperature and level measurement by rolling completed. In an installed position, a connection is made via electrical lines on the contact base 8 in the manner indicated in FIGS. 3 and 4.
  • Fluid level measurement will be discussed below with reference to Figures 5a, b and 6a, b.
  • the structure known from FIG. 3 is simplified in one exemplary embodiment in the manner illustrated in FIG. 1:
  • the recess 22 which is thermally decoupled with respect to the heating wire 21 as far as possible with the sensor element 23 protected therein is replaced without replacement.
  • the half-shell 2 can be shortened.
  • the half-shell 2 can also be completely omitted, as well as a
  • Ladder 16 is no longer needed.
  • the heating wire 21 would be brought directly into good contact with the fluid without the need of flood holes, which is ensured by a specific shape of the half-shell 3 in a manner familiar to those skilled a required protection and mechanical stability of the arrangement.
  • the evaluation circuit is also designed accordingly as a connection element for a LIN or CAN bus or another data network.
  • FIG. 2 shows, analogously to the representation of FIG. 4, an exemplary embodiment in which the above-mentioned simplifications and savings of separate components have been implemented more concretely, without an external appearance or dimensions of the sensor device 0 having been changed.
  • the contact base 8 is now made in one piece with the connector 9.
  • the connecting areas 4, 5 are omitted.
  • the electrical conductors 13, 15 are integrally formed and are cast.
  • the half-shell 3 could now be manufactured in one piece with the contact base 8 and the connecting piece 9, so that only the heating wire 21 would have to be connected to a free end of the conductor 15 in an assembly.
  • the elasticity of the material for tensioning the heating wire 21 is used in a not further concrete embodiment of the invention.
  • a clamping body 18 is integrally formed with a spring element 19 and in particular integrally connected to the housing 1 of the device 0 or formed on this.
  • a dashed line in Figures 1 and 2 area A is formed around the pin 20 C- or S-shaped, for example by arrangement of notches or recesses 24 with corresponding transition radii.
  • the area A can thus be elastically deflected or compressed in a required area itself in a predetermined manner.
  • a square-wave pulse of constant-regulated current is applied to the heating wire 21 over the duration of a measuring interval in order to measure a heating curve.
  • the heating wire 21 is flowed through by a constant current I during a measuring interval for a period ⁇ t of approximately 400 ms. Due to the flow of current, the heating wire 21 heats up and its ohmic resistance R s n s rises.
  • FIG. 5 a shows a profile of corresponding voltage or resistance values of a heating wire 21 at a high and a low fluid temperature over time t.
  • a region B with a sufficiently good approximation, there is a quadratic relationship between a voltage O sens tapped at respective times t at the heating wire 21 and the time t.
  • a current I s n s is applied to the heating wire 21 of the device 0 in the form of a regulated rectangular pulse starting at a time t 0 up to a time t i.
  • a resistance value R se ns (t 0 ) are determined.
  • the se based on the resistance characteristic R ns (t) calculated resistance value R se ns (t 0) is then a read only memory or look-up table, a stationary initial temperature of the heating wire 21, which has coincided with the fluid temperature.
  • a fill-level sensor operating according to the hot-wire principle in which a predetermined current flow through the sensor wire causes a temperature increase in the wire. Since the wire used in the present embodiment also has a PTC characteristic, an increase in the electrical resistance occurs in the wire as the temperature increases, as indicated in FIG. 6a. During this heating process, the electrical heating energy is partly released to the surrounding media. The energy difference from the supplied electrical energy and the heat energy emitted heats the hot wire. Due to the different coefficients of thermal conductivity of air and fluid, different filling level heights cause different heating curves of the hot wire, as already described above.
  • the time diagrams of FIGS. 6a and 6b show the basic time sequence of a measurement according to a method according to the invention: the sensor resistance has, at the beginning of the measurement, the temperature of the surrounding oil, and thus the resistance R 0 associated with a specific temperature.
  • the initial resistance R 0 of the sensor wire was measured with a small measuring current I mess and a small measuring voltage U meSs . Since the resistance of the sensor wire used increases substantially linearly with the temperature, the starting temperature of the wire and thus the oil temperature can be determined from this measurement, without the measurement itself significantly influencing the result by additional heating.
  • the sensor is heated by a heating current Ih e substantially greater than the measuring current I msSs . This increases the electrical resistance R of the wire. Then, during a phase t meSs 2, the electrical resistance of the sensor wire is determined by means of a small measuring current I meSs 2. As this again only a small electrical power is delivered to the sensor wire, the sensor wire cools. This also reduces the wire resistance well measurable. After a waiting period, after which the sensor wire has resumed the temperature of the oil, the measurement can be restarted.
  • Oil level cools the wire very quickly, the resistance of the sensor has thus quickly reduced back to the initial value R 0 .
  • the initial resistance R 0 is measured before the start of heating, an original oil temperature is determined from the initial resistance R 0 .
  • the determination of the initial resistance R 0 is carried out with several resistance measurements during the time t mSs i also in the form of time-discrete measurement according to the illustration of FIG. 8.
  • a resistance value R ma ⁇ is determined at the end of the heating phase, ie after the end of the phase t he iz • Due to different heating currents Iloom and / or heating voltages U he iz and different levels, the sensor wire is heated to different degrees during the heating period. Accordingly, a maximally achieved sensor resistance R ma ⁇ is different.
  • This maximum sensor resistance Rm a x is determined from the measured resistance values of the cooling curve. For this purpose, the resistance of the wire during the cooling phase is measured at equidistant intervals ⁇ a, as indicated in FIG. From these values is with appropriate methods, here through
  • a measured variable is obtained from which the oil level can be determined with the aid of the known oil temperature and the maximum measured resistance R ma .
  • a reduction of the resistance sum can be carried out by subtracting in each case the initial value R 0 from the measured resistance.
  • the oil level or is level as a function of three variables as level f (R 0, R SU m, Rmax) to be calculated.
  • Figures 9a, 9b show typical curves of a resistance sum at high and low levels as a function of R ma ⁇ at a certain temperature.
  • a representation as a family of characteristics is sketched in FIG. 9a and as a 3-dimensional surface in FIG. 9b.
  • the oil level is calculated according to this function with the measured input variables in a microcontroller. For this purpose, a suitable look-up table can be used.
  • FIG. 10 shows a possible implementation of a circuit suitable for the method as part of a device.
  • a microcontroller switches the heating current I he iz and / or the heating voltage U he iz, which is obtained from the supply voltage of the entire sensor, via a switching transistor S 1 .
  • the measuring current I meSs and / or the measuring voltage U meSs can be obtained from the regulated voltage from the voltage regulator and is also determined by the
  • Controller via a switching transistor S 2 switchable. After the resistance measurement and the calculation of the fill level takes place the output of the result, eg via a PWM signal or via a suitable bus system, such as LIN.
  • the method described above is particularly suitable for high temperature applications since the heating current is only switched on or off, i.
  • the power loss in a control transistor is minimal, which also reduces the problems with the self-heating of the power transistor.
  • cost reductions in several places are possible because no voltage reference is required, a heating
  • An excusetransistor can be dimensioned comparatively small, a current control circuit is not mandatory and also reduces a number of precision components in the form of resistors or resistor arrays and PCB surface is also saved by smaller number of components. Finally, a further improvement of the measurement accuracy is achieved by the fact that in the above method, the size of the measuring current is not included in the measurement result, whereby a significant inaccuracy factor is eliminated in comparison to previous methods.
  • a simplified structure with significant savings potentials in a manufacturing and operating method is disclosed.
  • a device according to the invention is also well integrated into existing systems.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung eines Füllstandes und einer Temperatur eines Fluids. Um eine noch kompaktere Vorrichtung und ein effizienteres Messverfahren bereitzustellen, wird vorgeschlagen, dass eine Sensorspannung (Umess) und ein Messstrom (Imess) vor und nach einer durch einen Strom (Iheiz) bewirkten Erwärmung des Heizdrahts (21) zur Berechnung eines elektrischen Widerstands (R) gemessen werden.

Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung eines Füllstandes und einer Temperatur eines Fluids
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung eines Füllstandes und einer Temperatur eines Fluids.
Insbesondere aus dem Kraftfahrzeugbereich ist die Notwendigkeit bekannt, den Füllstand und die Temperatur eines Motoröls zu überwachen. Dieser Anwendungsbereich ist zahlenmäßig und damit auch wirtschaftlich von großer Bedeutung. Motoröle werden andererseits aufgrund ihrer Aufgabe als Schmiermittel und gleichzeitig Abtransportmedium für Abwärme auch über einen sehr großen Temperaturbereich betrieben und können über Dauer verschiedene Werkstoffe angreifen. In dem Kraftfahrzeugbereich werden zudem hohe Anforderungen an Zuverlässigkeit und Langlebigkeit einer derartigen Vorrichtung auch in Kontakt mit einem relativ aggressiven Fluid gestellt. Da ein Einsatz im Kraftfahrzeugbereich ein sehr hartes Anforderungsprofil stellt, wird die vorliegende Erfindung nachfolgend ohne Beschränkung in ihrem Einsatzbereich nur vor dem Hintergrund des speziellen Einsatzes zur Überwachung von Füllstand und Temperatur eines Motoröls in einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs dargestellt.
Für die elektrothermische Füllstandsmessung wird eine Messanordnung zugrunde gelegt, bei der ein Heiz- bzw. Hitzdraht senkrecht oder unter einem gewissen Winkel in dem Motoröl angebracht ist. Die Länge des Hitzdrahts ist dabei so zu wählen, dass sowohl bei maximalem als auch bei minimalem Ölstand der Messbereich des Drahts nicht über- oder unterschritten wird. Der Widerstand des Hitzdrahts ist proportional zur Tem- peratur des Drahts, besitzt also PTC-Charakteristik. Nach dem Stand der Technik wird der Hitzdraht zur Füllstandsmessung mit einem zeitlich begrenzten Strompuls mit konstanter Strom- stärke aufgeheizt. Die zu Beginn des Strompulses und am Ende des Strompulses am Hitzdraht abfallenden Spannungen werden gemessen und zur Füllstandsbestimmung verwendet. Bei einem hohen Ölstand wird die dem Draht zugeführte elektrische Heiz- leistung zum großen Teil an das umgebende Öl abgegeben. Der Draht heizt sich also nur unwesentlich auf, so dass auch nur eine geringe Widerstandserhöhung messbar ist. Bei niedrigem Ölfüllstand hingegen befindet sich der Draht größtenteils in Luft. Da Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, wird nur wenig elektrische Heizleistung abgegeben und das Fluid kann den Heizdraht nur in geringem Maße abkühlen. So heizt sich der Draht vergleichsweise stark auf. Diese große Erwärmung hat eine große Spannungsdifferenz zwischen den beiden gemessenen Spannungen zur Folge. Die Spannungsdifferenz ist also umge- kehrt proportional zur Füllstandshöhe.
Aus der EP 1 180 667 A2 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Füllstandes bekannt, bei der in Abhängigkeit von einem jeweiligen Füllstand eines Fluids Messwerte eines über einen unterschiedlich großen Bereich von dem Fluid gekühlten Heizdrahts aufgenommen werden. Betrieben wird dieses Bauteil in der Form, dass zu Beginn und zum Ende einer definierten Bestromung des Heizdrahts ein jeweiliger Spannungsabfall gemessen wird. Zur Temperaturmessung ist ein entsprechendes Sensorelement in Form eines NTC-Widerstands vorgesehen. In sehr kompakter Bauweise sind die Vorrichtungen für beide Messungen in einem gemeinsamen länglichen Gehäuse angeordnet, das in einer Ölwanne eines Kraftfahrzeugmotors in Form nur eines Bauteils angeordnet ist. Eine Vorrichtung gemäß der Of- fenbarung der EP 1 180 667 A2 hat sich im praktischen Einsatz grundsätzlich bewährt.
Weiter sind aus den nicht vorveröffentlichen Patentanmeldungen DE 10 2005 053 278.0 und 10 2005 053 539.9 Verfahren zur kombinierten Messung von Füllstand und Temperatur eines Motoröls und sehr kompakt bauende Vorrichtungen zur Umsetzung derartiger Verfahren bekannt. Anhand der Aufheizcharakteris- tik des Hitz- und Sensordrahtes wird die Öltemperatur und der Ölfüllstand bestimmt. Diese Lehren basieren auf einer genauen Regelung eines Heizstromes, um eine unter definierten elektrischen Rahmenbedingungen gemessene Aufheizkurve anhand von Widerstandswerten analysieren zu können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine noch kompaktere Vorrichtung und ein effizienteres Messverfahren unter Verwendung eines Heizdrahtes mit PTC- bzw. Kaltleiter- Charakteristik bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche dadurch gelöst, dass eine Messspannung und ein Messstrom vor und nach einer durch einen Heizstrom bewirkten Er- wärmung des Heizdrahts zur Berechnung eines elektrischen Widerstands des Heizdrahts gemessen werden. Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch aus, dass eine Auswerteschaltung Mittel zur Spannungsmessung bei Beaufschlagung des Sensordrahtes als Fluidtemperatur-Sensor mit einem Messstrom aufweist und durch Verbindung mit einem Rechenwerk mit Integrator zugleich über Bestimmung eines Abkühlverhaltens als Füllstandssensor ausgebildet ist.
Nach einem erfindungsgemäßen Verfahren wird bei einer Bestro- mung des Heiz- und Sensordrahtes zwischen einem Heizstrom und einem Sensor- bzw. Messstrom unterschieden. Insbesondere ist der Heizstrom ein ungeregelter, vergleichsweise hoher Strom, während der Messstrom ein geregelter und sehr geringer Strom ist, der nur einer Widerstandsmessung außerhalb eines Aufhei- zens des Heiz- und Sensordrahtes dient. Es wird also erfindungsgemäß nicht länger während der durch Anlegen eines Strompulses bewirkten Erwärmung des Heizdrahts auch eine Berechnung oder Bestimmung eines elektrischen Widerstands durchgeführt. Bei einer hier vorgeschlagenen Abkühlmethode erfolgt die Aufheizung des thermoelektrischen Sensordrahtes und die Messung der Widerstandscharakteristik des Sensordrahtes während der Abkühlphase durch zeitlich getrennte und zu- dem unterschiedlich große Ströme. Durch die Widerstandsbestimmung ist das Messergebnis weitgehend unempfindlich gegenüber Toleranzschwankungen im verwendeten Messstrom / Messspannung.
Der Heizstrom beträgt in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung einige 100 mA und kann ein- und ausgeschaltet werden. Eine Regelung des Heizstroms ist dabei vorzugsweise nicht notwendig, so dass eine z.B. in Form eines Transistors ausgeführte regelbare Strom- oder Spannungsquelle entfallen kann. Der Messstrom und/oder die Messspannung werden dagegen hinreichend klein gewählt, so dass die im Sensordraht umgesetzte elektrische Leistung diesen nur unwesentlich zusätzlich erwärmt und toleranzbedingte Schwankungen des Messstroms und/oder der Messspannung damit einen vernachlässigbaren Einfluss auf das Messergebnis haben.
Vorzugsweise wird in einem Messintervall unter Verwendung einer Mehrzahl von Messungen eine entsprechende Zahl von Mess- punkten bestimmt. Aus den Messpunkten kann durch Multiplikation mit der Breite eines jeweiligen Abtastintervalls eine Fläche unter der Abkühlkurve approximiert werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren arbeitet auch bei hohen Füll- ständen zuverlässig, da sich bedingt durch die unterschiedlichen Wärmeleitkoeffizienten zwischen Luft und Fluid bei unterschiedlichen Fluid-Füllstandshöhen verschiedene Erwärmungskurven des Heizdrahts ergeben. Diese Abkühlkurven schließen über der Zeitachse gesehen in den Messintervallen definierter Länge folglich auch unterschiedlich große Flächen ein, die einen leicht zu bestimmenden thermischen Energiegehalt des Heiz- bzw. Sensordrahts angeben. Damit werden Unge- nauigkeiten gerade bei hohen Fluid-Füllständen weitgehend vermieden, wie sie bei bekannten Vorrichtungen und Verfahren auftreten. Erfindungsgemäß wird neben der Füllstandsmessung für die Messung der Temperatur des Fluids kein zusätzlicher Temperatursensor vorgesehen, z.B. in Form eines separaten NTC- Widerstands. In einem erfindungsgemäßen Kombinationssensor ist für beide Messungen damit vorteilhafterweise nur noch ein Sensorelement in Form eines Heizdrahts vorhanden, der im Kontakt mit dem zu überwachenden Fluid steht.
Damit kann mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zusätzlich zur Bestimmung einer Füllstandshöhe auch eine jeweilige FIu- idtemperatur mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden. Zur Bestimmung von Fluidtemperatur und Füllstandshöhe des Fluids ist vorteilhafterweise auch nur noch ein Messintervall erforderlich, das mindestens in einem Anfangsbereich von zwei unterschiedlichen Auswertungsverfahren quasi gemeinsam genutzt wird.
Durch den Fortfall eines separaten NTC-Widerstands zur Temperaturmessung eines Fluids, wie nach dem Stand der Technik be- kannt, wird bereits direkt eine Kostenersparnis erzielt, wobei zudem auch keine zusätzliche Auswerteschaltung für die Auswertung der stark nichtlinearen Kennlinie eines NTC- Sensorausgangssignals mehr erforderlich ist. Der Fortfall dieser separat anzuordnenden Auswertelogik für das NTC- Sensorausgangssignal führt zu einer Reduzierung in der Größe des Sensors bzw. Sensorgehäuses und auch zu einer Größenreduzierung im Hinblick auf eine Auswerteschaltung. Die Auswerteschaltung kann nun auf einer vergleichsweise kleineren Schaltungsplatine bzw. PCB untergebracht werden. Weiter führt nun auch die Einsparung einer Regelung für den Heizstrom zu Vorteilen hinsichtlich Energieaufwand und Herstellungskosten.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf ein Aus- führungsbeispiel anhand von Abbildungen der Zeichnung zur
Darstellung weiterer Merkmale und Vorteile näher erläutert. In der Zeichnung zeigen in jeweils skizzierten Schnittdarstellungen :
Figur 1: eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vor- richtung;
Figur 2: eine Darstellung der Ausführungsformen von Figur 1 senkrecht geschnitten in einer Ebene, die zu der Ebene der Schnittdarstellung von Figur 1 senkrecht steht;
Figur 3: eine Darstellung einer bekannten Vorrichtung in der Schnittebene von Figur 1 ;
Figur 4: eine Darstellung der bekannten Vorrichtung in einer Schnittebene gemäß Figur 2 ;
Figuren 5a und 5b: je ein Diagramm zur Darstellung prinzipieller Tem- peraturverläufe über der Zeit mit einer Anzahl von
Messpunkten zur Ermittlung einer Aufheizkurve nach einem nicht vorveröffentlichen Verfahren;
Figuren 6a und 6b: je ein Diagramm zur Darstellung prinzipieller Temperaturverläufe über der Zeit mit einer Anzahl von Messpunkten zur Ermittlung einer Abkühlkurve nach einem erfindungsgemäßen Verfahren mit Darstellung von Mess- und Heizstrom in den verschiedenen Pha- sen;
Figur 7: ein Diagramm mit schematischen Darstellungen von
Abkühlkurven bei zwei unterschiedlichen Füllstandsniveaus eines Fluids; Figur 8: ein Diagramm einer zeitdiskreten Widerstandsmessung eines Anfangszustandes und einer Abkühlkurve eines thermoelektrischen Drahtes und
Figuren 9a und 9b: zwei Diagramme zur Bestimmung eines Ölstandes als Funktion mehrerer Variabler und
Figur 10: ein Blockschaltbild einer Elektronik mit ange- schlossenem Sensordraht.
Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden nachfolgend für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwen- det. Ohne Beschränkung der Erfindung auf diesen speziellen
Einsatzfall wird nachfolgend nur ein Einsatz der Vorrichtungen zur Bestimmung von Füllstandsniveau und Temperatur von Motoröl in einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs dargestellt und beschrieben.
Figur 3 zeigt eine Sensorvorrichtung 0 zur Bestimmung von Füllstand und Fluidtemperatur mit einem Gehäuse 1 aus Kunststoff, welches aus zwei Halbschalen 2, 3 aufgebaut ist. Die beiden Halbschalen 2, 3 haben jeweils in einem oberen Bereich einen im Durchmesser vergrößerten Verbindungsbereich 4,5, der nahe seines oberen Endes mit einem nach innen gerichteten Bund 6 in eine umlaufende Nut 7 eines Kontaktsockels 8 eingreift. Das Gehäuse 1 ist zusammen mit dem Kontaktsockel 8 in ein Anschlussstück 9 eingesetzt, das außenseitig mit einem Einschraubgewinde 10 versehen ist und bekannte Dichtmittel aufweist .
Jeder Verbindungsbereich 4, 5 weist eine radiale Durchbrechung 11, 12 auf. Bis in den Bereich dieser Durchbrechungen 11, 12 ragen vom Kontaktsockel 8 her Paare von elektrischen Leitern 13, 14 und vom Gehäuse 1 her Paare elektrischer Lei- ter 15, 16 hinein und sind dort durch Schweißungen 17 miteinander verbunden.
Die Halbschale 3 ist für die Niveaumessung konzipiert. Dafür befindet sich nahe ihrem unteren Ende ein Spannkörper 18, welcher in Längsrichtung der Halbschale 3 in ihr verschieblich gehalten und von einer Feder 19 vom Verbindungsbereich 4 weg vorgespannt ist. Dieser Spannkörper 18 hat einen Zapfen 20, durch den ein Heizdraht 21 um 180° umgelenkt wird, der in der Halbschale 3 über einen wesentlichen Bereich ihrer Länge verläuft und mit den beiden Leitern 15 verbunden ist. Dieser Heizdraht 21 ist bei der Niveaumessung stromdurchflos- sen. Er wird durch das zu messende Medium in Abhängigkeit vom Füllstand mehr oder weniger gekühlt, so dass sich sein elekt- rischer Gesamtwiderstand entsprechend ändert und dadurch über eine Messung der elektrischen Größen der Füllstand ermittelt werden kann.
Die Halbschale 2 hat in ihrer unteren Stirnfläche eine Aus- nehmung 22 mit einem auf Temperatur ansprechenden Sensorelement 23, hier ein NTC-Element. Dieses NTC- Sensorelement 23 ist nach außen über die Leiter 16 verbunden, durch die entsprechende Temperatursignale übertragen werden.
Die Figur 4 zeigt die Halbschale 3 nun alleine und gegenüber der Schnittdarstellung von Figur 3 um 90° gedreht. Zu erkennen ist wiederum der Spannkörper 18 mit dem Zapfen 20, welcher den Heizdraht 21 spannt und umlenkt. Der Heizdraht 21 verläuft so U-förmig, wobei seine beiden jeweils einen Schen- kel der U-Form bildenden Bereiche in Figur 2 mit 21' und 21" bezeichnet werden.
Zur Montage der dargestellten Sensorvorrichtung 0 werden zunächst alle Einbauteile in die beiden Halbschalen 2, 3 und den Kontaktsockel 8 eingebaut. Dann schweißt man eine Halbschale 2, 3 an den Kontaktsockel 8 und verbindet anschließend die andere Halbschale 2, 3 mit der ersten Halbschale 2, 3, beispielsweise durch Klipsen, Schweißen, Verstemmen oder Klammern. Danach verschweißt man die so bereits verbundenen Halbschalen 2, 3, mit dem Kontaktsockel 8. In der Endmontage wird die Einheit in das Anschlussstück 9 mit Außensechskant- Kontur eingesetzt, das integrierte Dichtmittel aufweist. Anschließend wird die Anordnung mit den getrennt angeordneten Sensoren 21, 23 für Temperatur- und Niveaumessung durch Zurollen fertig gestellt. In einer Einbaulage erfolgt ein An- schluss über elektrische Leitungen am Kontaktsockel 8 in der in den Figuren 3 und 4 angedeuteten Art und Weise.
In dieser Ausführungsform ist nun für die Temperatur- und Niveaumessung nur noch ein Sensor 21 vorgesehen, dessen Signale nun durch zwei Verfahren unabhängig voneinander ausgewertet werden. Auf die Bestimmung einer Fluid-Temperatur und eine
Fluid-Füllstandsmessung wird nachfolgend getrennt unter Bezug auf die Abbildungen der Figuren 5a, b und 6a, b eingegangen.
Durch einen erfindungsgemäßen Ansatz vereinfacht sich der von Figur 3 her bekannte Aufbau in einem Ausführungsbeispiel in der in Figur 1 dargestellten Weise: Die gegenüber dem Heizdraht 21 so weit als möglich thermisch entkoppelte Ausnehmung 22 mit dem darin geschützt angeordneten Sensorelement 23 entfällt ersatzlos. Damit kann die Halbschale 2 gekürzt werden. Die Halbschale 2 kann aber auch ganz entfallen, da auch ein
Leiter 16 nicht mehr benötigt wird. Hierdurch würde der Heizdraht 21 ohne das Erfordernis von Flutlöchern unmittelbar in guten Kontakt mit dem Fluid gebracht werden, wobei durch eine konkrete Formgebung der Halbschale 3 in einer dem Fachmann geläufigen Art und Weise ein erforderlicher Schutz und eine mechanische Stabilität der Anordnung gewährleistet wird.
Durch den Wegfall eines nach dem Stand der Technik benötigten zweiten Sensors vereinfacht sich ferner auch die Verdrahtung im Bereich der radialen Durchbrechungen 11, 12 erheblich.
Schließlich wird im Kontaktsockel 8 nur noch ein Leiterpaar 13 nach außen geführt. Damit ist im Kontaktsockel 8 auch aus- reichend Raum vorhanden, um hier eine nicht weiter dargestellte Auswerteschaltung unterzubringen. Die Auswerteschaltung ist in einer Ausführungsform der Erfindung auch gleich als Anschlussglied für einen LIN- oder CAN-Bus oder ein ande- res Datennetz entsprechend ausgebildet.
Figur 2 zeigt analog der Darstellung von Figur 4 ein Ausführungsbeispiel, in dem die vorstehend genannten Vereinfachungen und Einsparungen von separaten Bauteilen konkreter umge- setzt worden sind, ohne dass dabei ein äußeres Erscheinungsbild oder Abmessungen der Sensorvorrichtung 0 verändert worden wären: Der Kontaktsockel 8 ist nun mit dem Anschlussstück 9 einstückig ausgeführt. Die Verbindungsbereiche 4, 5 entfallen. Die elektrischen Leiter 13, 15 sind einstückig ausgebil- det und werden eingegossen.
Prinzipiell könnte nun auch die Halbschale 3 mit dem Kontaktsockel 8 und dem Anschlussstück 9 einstückig gefertigt werden, so dass in einer Montage nur noch der Heizdraht 21 an einem freien Ende des Leiters 15 angeschlossen werden müsste. Statt durch einen Aufbau aus Spannkörper 18 mit separatem federelastischen Element 19 wird in einer nicht weiter konkret dargestellten Ausführungsform der Erfindung die Elastizität des Werkstoffs zum Spannen des Heizdrahtes 21 genutzt werden.
Dabei ist in einer Ausführungsform ein Spannkörper 18 mit einem Federelement 19 einstückig ausgebildet und insbesondere auch einstückig mit dem Gehäuse 1 der Vorrichtung 0 verbunden oder an diese angeformt. Hierzu ist ein in den Figuren 1 und 2 gestrichelt eingezeichneter Bereich A um den Zapfen 20 C- oder S-förmig ausgebildet, beispielsweise durch Anordnung von Einkerbungen oder Ausnehmungen 24 mit entsprechenden Übergangsradien. Der Bereich A kann so in einem erforderlichen Bereich selber in vorbestimmter Weise federelastisch ausge- lenkt oder gestaucht werden. Ein nicht vorveröffentlichtes Messverfahren wird nun unter Bezugnahme auf die skizzierten Abbildungen der Figuren 5a und 5b beschrieben: In einem stationären Fall entspricht die Temperatur des mit dem Fluid in Kontakt stehenden Heizdrahtes 21 der des Fluids. Nach den Eingangs genannten nicht vorveröffentlichen Ansätzen wird über die Dauer eines Messintervalls ein Rechteckpuls mit konstant geregelter Stromstärke an den Heizdraht 21 angelegt, um eine Aufheizkurve zu messen. Bei einer Messung der Fluidtemperatur wird der Heizdraht 21 wäh- rend eines Messintervalls für eine Zeitdauer Δt von etwa 400 ms von einem konstanten Strom I durchflössen. Durch den Stromfluss erwärmt sich der Heizdraht 21 und sein ohmscher Widerstand Rsens steigt an. In Abhängigkeit einer jeweiligen Ausgangs- bzw. stationären Starttemperatur und eines hohen oder niedrigen Fluidfüllstandes FS ergibt sich bei kontinuierlicher Messung jeweils ein in seinem Anfangsbereich bis zu einer Erwärmungs- bzw. Stromflussdauer von T = 100 ms in einem Bereich B im Wesentlichen quadratischer Kurvenverlauf des Widerstandes Rsens bzw. der Temperatur des Heizdrahtes 21 über der Zeit t.
In Figur 5a ist ein Verlauf entsprechender Spannungs- bzw. Widerstandswerte eines Heizdrahtes 21 bei einer hohen und einer niedrigen Fluidtemperatur über der Zeit t eingezeichnet. In einem Bereich B gilt mit ausreichend guter Näherung ein quadratischer Zusammenhang einer zu jeweiligen Zeitpunkten t an dem Heizdraht 21 abgegriffenen Spannung Osens und der Zeit t. Gemäß Figur 5b wird ab einem Zeitpunkt t0 bis zu einem Zeitpunkt ti ein Strom Isens in Form eines geregelten Recht- eckpulses an den Heizdraht 21 der Vorrichtung 0 angelegt.
Gemäß der in Figur 5a ab einem Zeitpunkt t ' dargestellten Punkte wird nun keine kontinuierliche Messung, sondern eine Messung der über dem Heizdraht 21 abfallenden Spannung Usens zu mehreren Zeitpunkten vorgenommen. Diese Messpunkte weisen zueinander einen äquidistanten Abstand von ca. 1 bis etwa 4 ms auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der zeitli- che Abstand zwischen Messpunkten zu 2 ms gewählt. Durch die Messwerte zu den jeweiligen Abtastzeitpunkten t werden Werte
USens(t') ermittelt, die sich durch Rsens(t)= Usens (t) / ISens umrechnen lassen. Nun wird unter Anwendung bekannter Approxi- mationsverfahren eine Ausgleichskurve f als Funktion zweiter Ordnung durch diese ermittelten Werte Rsens (t) hindurchgelegt. Hier findet ein Verfahren mit Minimierung des Quadrates der Abweichungen der jeweiligen Messpunkte zu der Kurve f Anwendung. Da ein Abstand vom Start der definierten Bestromung des Heizdrahtes 21 bei t0 bis zu einem ersten Messpunkt bei einem Zeitpunkt t ' genau bekannt ist, kann nun anhand dieser Ausgleichskurve f bzw. des Widerstandverlaufes Rsens (t) rückwärts ein Widerstandwert Rsens (t0) ermittelt werden. Der anhand des Widerstandverlaufes Rsens (t) errechnete Widerstandwert Rsens (t0) gibt dann über einen Festspeicher bzw. Look-up table eine stationäre Anfangstemperatur des Heizdrahtes 21 an, die mit der Fluidtemperatur übereingestimmt hat.
In einem Verfahren zur Ermittlung eines Fluid-Füllstandes werden nun die vorstehend zur Bestimmung einer stationären
Anfangstemperatur des Heizdrahtes 21 bzw. einer Fluidtemperatur Messwerte bis zu einem Zeitpunkt ti über eine Gesamtszeit Δt der Bestromung von hier etwa 400 ms betrachtet. Gemäß der Darstellung von Figur 5a ergeben sich bei größeren Füll- standsunterschieden zu dem Zeitpunkt ti deutliche Unterschiede bei der gemessenen Spannungsdifferenz ΔU1 bei niedrigem und ΔU2 bei hohem Füllstand FS. Dieses Verhalten wurde in bekannten Verfahren genutzt: Der Hitzdraht wird demnach mit einem zeitlich begrenzten Strompuls mit konstanter Stromstärke aufgeheizt. Die zu Beginn des Strompulses und am Ende des
Strompulses am Hitzdraht abfallenden Spannungen werden gemessen und zur Füllstandsbestimmung verwendet. Bei niedrigem Füllstand erwärmt sich der Draht stark, was eine große Spannungsdifferenz ΔU zwischen den beiden gemessenen Spannungen zur Folge hat. Bei hohem Füllstand ist die Spannungsdifferenz vergleichsweise gering. Die Spannungsdifferenz ist also umgekehrt proportional zur Füllstandshöhe. Bei geringeren Füll- standsunterschieden fällt ein Unterschied in der Spannungsdifferenz zum Zeitpunkt ti jedoch wesentlich weniger deutlich aus. Damit ist eine Auflösung bekannter Verfahren also in dem kritischen Bereich zu hoher Fluid-Füllstände nicht ausrei- chend sicher. Auch würde eine Betrachtung einer Steigung der Ausgleichskurve f zu einem extrapolierten Startzeitpunkt t0 oder einem anderen fest vorgegebenen Zeitpunkt als Maß für einen Füllstand FS schon aufgrund der eingesetzten Approximation nur relativ ungenaue Werte.
Auch in der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung wird ein nach dem Hitzdrahtprinzip funktionierender Füllstandsensor verwendet, bei dem ein vorgegebener Stromfluss durch den Sensordraht einen Temperaturanstieg im Draht bewirkt. Da auch der in der vorliegenden Ausführungsform verwendete Draht eine Kaltleiter- bzw. PTC-Charakteristik besitzt, erfolgt bei einer Temperaturerhöhung im Draht auch eine Erhöhung des elektrischen Widerstands, wie in Figur 6a angedeutet. Während dieses Aufheizprozesses wird die elektrische Heizenergie teil- weise an die umgebenden Medien abgegeben. Die Energiedifferenz aus der zugeführten elektrischen Energie und der abgegebenen Heizenergie erwärmt den Hitzdraht. Bedingt durch die unterschiedlichen Wärmeleitkoeffizienten von Luft und Fluid bewirken unterschiedliche Füllstandshöhen verschiedene Erwär- mungskurven des Hitzdrahts, wie bereits vorstehend beschrieben. Im Gegensatz zu dem unter Bezugnahme auf die Abbildungen der Figur 5a und 5b beschriebenen Verfahren wird erfindungsgemäß nun zwischen einem Messstrom Imess und einem Heizstrom Iheiz unterschieden. Er ergibt sich damit nach Figur 6b ein deutlich von Figur 5b abweichender Stromverlauf.
Die zeitlichen Diagramme der Figuren 6a und 6b zeigen den prinzipiellen zeitlichen Ablauf einer Messung nach einem erfindungsgemäßen Verfahren: Der Sensorwiderstand hat zu Beginn der Messung die Temperatur des umgebenden Öls, und somit den zu einer bestimmten Temperatur gehörigen Widerstand R0. Zunächst wird also während einer Zeit tmeSsi der Anfangswider- stand R0 des Sensordrahts mit einem kleinen Messstrom Imess und einer kleinen Messspannung UmeSs gemessen. Da der Widerstand des verwendeten Sensordrahtes im Wesentlichen linear mit der Temperatur ansteigt, kann aus dieser Messung die An- fangstemperatur des Drahtes und somit die Öltemperatur ermittelt werden, ohne dass die Messung selber das Ergebnis durch zusätzliche Erwärmung nennenswert beeinflusst. Während einer anschließenden Zeitspanne theiz wird der Sensor durch einen gegenüber dem Messstrom ImeSs wesentlich größeren Heizstrom Iheiz erwärmt. Dadurch vergrößert sich der elektrische Widerstand R des Drahtes. Daraufhin wird während einer Phase tmeSs2 der elektrische Widerstand des Sensordrahts mit Hilfe eines kleinen Messstroms ImeSs2 bestimmt. Da so wiederum nur eine geringe elektrische Leistung an den Sensordraht abgegeben wird, kühlt der Sensordraht ab. Damit verringert sich auch der Drahtwiderstand gut messbar. Nach einer Wartezeit, nach der der Sensordraht wieder die Temperatur des Öls angenommen hat, kann die Messung neu gestartet werden.
Die Auswirkungen von Füllstandsänderungen auf die Abkühlcharakteristik des Sensordrahtes sind in der Abbildung von Figur 7 in Form einer Skizze für hohen und niedrigen Ölfüllstand bei gleicher Öltemperatur und gleichem Heizstrom skizziert. Bei niedrigem Ölfüllstand kühlt der Draht nur langsam ab, der Sensorwiderstand ändert sich also nur langsam. Bei hohem
Ölstand kühlt der Draht sehr schnell ab, der Widerstand des Sensors hat sich also schnell wieder auf den Anfangswert R0 verringert .
Auf Basis einer Ermittlung folgender Messgrößen kann nun ein jeweils aktueller Ölstand bestimmt werden. Es ist nach dem dargestellten Abkühlverfahren die Bestimmung von drei Messgrößen erforderlich:
1. Der Anfangswiderstand R0 wird vor Beginn des Heizens ge- messen, aus dem Anfangswiderstand R0 wird eine ursprüngliche Öltemperatur bestimmt. Die Bestimmung des Anfangswiderstands R0 erfolgt mit mehreren Widerstandsmessungen während der Zeit tmeSsi auch in Form zeitdiskreter Messung gemäß der Abbildung von Figur 8.
2. Ein Widerstandswert Rmaχ wird zum Abschluss der Heizphase bestimmt, also nach Ablauf der Phase theiz • Durch unterschiedliche Heizströme Iheiz und/oder Heizspannungen Uheiz und verschiedene Füllstände wird der Sensordraht während der Heizperiode unterschiedlich stark aufgeheizt. Dementsprechend ist auch ein maximal erreichter Sensorwi- derstand Rmaχ verschieden. Dieser maximale Sensorwiderstand Rmax wird aus den gemessenen Widerstandswerten der Abkühlkurve ermittelt. Dazu wird in zeitlich äquidistan- ten Abständen Δa der Widerstand des Drahtes während der Abkühlphase gemessen, wie in Figur 8 angedeutet. Aus diesen Werten ist mit geeigneten Methoden, hier durch
Ermittlung einer Ausgleichskurve unter Anwendung bekannter Approximationsverfahren, der maximale Widerstand Rmaχ nach dem Heizvorgang zu bestimmen.
3. Schließlich wird eine Widerstandssumme Rsum bestimmt.
Durch Summation der gemessenen Widerstandswerte der Abkühlkurve des thermoelektrischen Drahtes erhält man eine Messgröße, aus der mit Hilfe der bekannten Öltemperatur und des maximal gemessenen Widerstands Rmaχ der Ölstand bestimmt werden kann. Um die Verarbeitung in einem Mik- rocontroller zu erleichtern, kann eine Verkleinerung der Widerstandssumme erfolgen, indem jeweils der Anfangswert R0 vom gemessenen Widerstand subtrahiert wird.
Das vorstehend beschriebene Verfahren wird in einer nicht weiter dargestellten Ausführungsform dadurch von der Abtastzeit unabhängig gemacht, dass der jeweilige Widerstandswert mit dem Abtastintervall multipliziert wird. Graphisch gesehen ist diese Vorgehensweise als Integration der Fläche unter der Abkühlkurve zu interpretieren, wie durch die schraffierte Fläche in Figur 7 angedeutet. Das vorstehend beschriebene Verfahren weist schon aufgrund einer Verwendung einer Viel- zahl von einzelnen Messpunkten eine geringere Empfindlichkeit der Füllstandsbestimmung gegenüber Störungen auf. Es wird also fortlaufend eine Berechnung R (t) =Umess (t) /Imess (t) mit automatischem Fehlerausgleich durchgeführt. Ein jeweiliges Soft- ware-Rechenkonzept ist in einem MikroController bei Anwendung verschiedener Integrationsverfahren integrierbar, z.B. eines Newton-Ansatzes .
Zur Bestimmung des Ölstands wird folgendes Verfahren angewen- det: Der Ölstand bzw. level ist als Funktion von drei Variablen als level = f (R0, RSUm, Rmax) zu berechnen. Die Abbildungen der Figuren 9a, 9b zeigen typische Verläufe einer Widerstandssumme bei hohen und niedrigen Füllständen als Funktion von Rmaχ bei einer bestimmten Temperatur. Eine Darstellung als Kennlinienschar ist in Figur 9a und als 3-dimensionale Fläche in Figur 9b skizziert. Die Berechnung des Ölstandes erfolgt nach dieser Funktion mit den gemessenen Eingangsgrößen in einem MikroController. Dazu kann eine geeignete Look-up-table verwendet werden.
Hinsichtlich einer Einsparung von Speicherplatz im Controller zweckmäßiger wird jedoch eine Berechnung des Füllstandes über ein multivariates Polynom angewendet. So müssen nur die Koeffizienten der einzelnen Terme gespeichert werden. Diese Koef- fizienten bzw. die Werte der Look-up-table sind durch geeignete Messungen zu ermitteln.
Das Blockschaltbild von Figur 10 zeigt eine mögliche Realisierung einer zu dem Verfahren passenden Schaltung als Teil einer Vorrichtung. Ein MikroController schaltet dabei den Heizstrom Iheiz und/oder die Heizspannung Uheiz, der aus der Versorgungsspannung des gesamten Sensors bezogen wird, über einen Schalttransistor S1. Der Messstrom ImeSs und/oder die Messspannung UmeSs kann aus der geregelten Spannung aus dem Spannungsregler bezogen werden und ist ebenfalls durch den
Controller über einen Schalttransistor S2 schaltbar. Nach der Widerstandsmessung und der Berechnung des Füllstands erfolgt die Ausgabe des Ergebnisses z.B. über ein PWM-Signal oder ü- ber ein geeignetes Bussystem, wie z.B. LIN.
Das vorstehend beschriebene Verfahren ist besonders für Hoch- temperaturanwendungen geeignet, da der Heizstrom nur ein- bzw. ausgeschaltet wird, d.h. die Verlustleistung in einem Steuertransistor ist minimal, wodurch sich auch die Probleme mit der Eigenerwärmung des Leistungstransistors verringern. Zudem sind Kostenreduzierungen an mehreren Stellen möglich, da keine Spannungsreferenz erforderlich ist, ein Heiz-
Ansteuertransistor vergleichsweise kleiner dimensioniert werden kann, eine Stromregelschaltung nicht zwingend erforderlich ist und auch eine Anzahl von Präzisionsbauteilen in Form von Widerständen oder Widerstandsarrays reduziert und zudem Leiterplattenfläche durch geringere Bauelementeanzahl Eingespart wird. Schließlich wird eine weitere Verbesserung der Messgenauigkeit dadurch erreicht, dass bei der vorstehenden Methode die Größe des Messstroms nicht in das Messergebnis mit eingeht, wodurch ein wesentlicher Ungenauigkeitsfaktor im Vergleich zu bisherigen Methoden entfällt.
Damit wird erfindungsgemäß neben einer leichten Montage in einer Ölwanne auch ein vereinfachter Aufbau mit deutlichen Einsparpotentialen bei einem Herstellungs- und einem Be- triebsverfahren offenbart. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist in existierende Systeme zudem gut integrierbar.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung eines Füllstandes und einer Temperatur eines Fluids, bei der in Abhängigkeit von einem jeweiligen Füllstand elektrische Messwerte an einem über einen unterschiedlich großen Bereich von dem Fluid gekühlten Heizdraht aufgenommen werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messspannung (UmeSs) und ein Messstrom
(ImeSs) vor und nach einer durch einen Heizstrom (IheiZ) bewirkten Erwärmung des Heizdrahts (21) zur Berechnung eines elektrischen Widerstands (R) des Heizdrahts (21) gemessen werden.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass über die Zeit einer Abkühlung eine Fläche unter einer Kurve (R (t) ) des Sensordrahtwiderstands (R) als Maß für einen aktuellen Fluid- Füllstand (level) bestimmt wird.
3. Vorrichtung zur Bestimmung eines Füllstandes und einer Temperatur eines Fluids, bei der Mittel vorgesehen sind, um in Abhängigkeit von einem jeweiligen Füllstand elektrische Messwerte an einem über einen unterschiedlich großen Bereich von dem Fluid gekühlten Heizdraht aufzunehmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Umsetzung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch ausgebildet ist, dass Mittel zum Ein- und Ausschalten eines Heizstroms (Iheiz) und eines davon verschiedenen geregelten Messstroms (ImeSs) vorgesehen sind, der Heizdraht (21) eine PTC- bzw. Kaltleiter- Charakteristik aufweist und der Heizdraht (21) mit einer Auswerteschaltung durch Mittel zur Spannungsmessung bei Beaufschlagung mit dem Messstrom (Imess) als Fluidtemperatur-Sensor und durch Verbindung mit einem Rechenwerk ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizdraht (21) U-förmig in oder an einem länglichen Gehäuse (1) unter Zugspannung mit einer Umlenkung in einen Bereich (A) angeordnet ist und über zwei Anschlusselemente mit der Auswerteschaltung verbunden ist, wobei ein Spannkörper (18) und ein Federelement (19) einstückig ausgebildet sind und insbesondere auch einstückig mit einem Gehäuse (1) der Vorrichtung (0) verbunden oder an diese angeformt sind.
5. Vorrichtung nach einem der beiden vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung zur Untersuchung eines zeitlichen Verlaufs eines Abkühlverhaltens des Heizdrahts (21) bei Beaufschlagung mit konstantem Messstrom (Imess) über Messin- tervalle (tmessi, tmeSs2) von jeweils etwa 200 ms bis ca. 800 ms, vorzugsweise aber ca. 400 ms zeitlicher Länge, bei Ermittlung von Wertpaaren aus Zeitpunkt und zugehörigem Widerstandswert ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung einen Integrator umfasst.
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