DE10133692A1

DE10133692A1 - Verfahren und Sensor zur Füllstandsmessung einer Flüssigkeit in einem Behälter

Info

Publication number: DE10133692A1
Application number: DE10133692A
Authority: DE
Inventors: Walter Bauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: BAUER, WALTER, DR., 71735 EBERDINGEN, DE
Priority date: 2000-07-14
Filing date: 2001-07-12
Publication date: 2002-02-21
Also published as: WO2002006776A3; WO2002006776A2

Abstract

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Füllstandsmessung einer Flüssigkeit in einem Behälter vorgeschlagen, wobei wenigstens ein Sensor (3) in dem Behälter (1) angeordnet ist. Der Sensor (3) ist als Wellenleiter mit einer Luftzelle (22) zwischen den beiden Elektroden (21, 24) ausgebildet, in die entsprechend dem Flüssigkeitsstand eine bestimmte Menge der Flüssigkeit (2) strömt. Durch Bestimmung der Kapazität bzw. deren Änderung in Abhängigkeit vom eingetauchten Sensor (3) kann die Volumenmenge oder der Füllstand in dem Behälter (1) bestimmt werden. Als Auswerteverfahren wird vorgeschlagen, entweder eine Kapazitätsänderung zu messen oder den Sensor (3) mit einem hochfrequenten Signal zu belasten und Welleneigenschaften zur Flüssigkeitsbestimmung zu nutzen. Beispielsweise kann die Resonanzfrequenz, das Stehwellenverhältnis, die Frequenz einer definiert ausgebildeten Stehwelle zwischen der Flüssigkeit und dem Einspeisepunkt, die Impedanz oder eine sonstige elektrische Eigenschaft zur Messung ausgenutzt werden. Je nach Tankform können auch mehrere Sensoren (3) im Behälter (1) angeordnet und einzeln oder durch Parallelschaltung ausgewertet werden. Eine spezielle Ausgestaltung benutzt einen speziellen Verzögerungswellenleiter und arbeitet mittels eines elektrischen Puls-Echo-Vefahrens.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren bzw. einem Sensor sowie einer Vorrichtung mit wenigstens zwei Sensoren zur Füllstandsmessung einer Flüssigkeit in einem Behälter, nach der Gattung der nebengeordneten Ansprüche. Füllstandsmesser für verschiedenste Flüssigkeiten sind bereits bekannt und werden in zahlreichen Technologien gefertigt. Die bekannten Füllstandsmesser arbeiten beispielsweise nach mechanischen, elektrischen, thermischen, kapazitiven, induktiven oder frequenzmodellierten Verfahren. Beispielsweise werden zur Kraftstoffmessung in einem Fahrzeugtank Widerstandssensoren verwendet, wobei mittels eines Schwimmers das Widerstandsverhältnis eines Teilers in Abhängigkeit vom Pegelstand im Flüssigkeitsbehälter geändert wird. Dieses Widerstandsverhältnis dient zur Auswertung für den Pegelstand oder die Flüssigkeitsmenge. Mechanische Sensoren haben jedoch den Nachteil, dass ihre Mechanik relativ empfindlich ist insbesondere im rauhen Alltagsbetrieb eines Kraftfahrzeugs. Andererseits schwankt das Gebersignal durch die Erschütterungen während der Fahrt sehr stark, so dass weitere Maßnahmen ergriffen werden müssen, um die sich ständig ändernden Meßwerte auszugleichen. Rein elektrisch messende Sensoren haben dagegen den Nachteil, dass sie aufwendig gebaut sind. Insbesondere bei Behältern mit unregelmäßiger Geometrie ist das Meßergebnis nicht ohne weiteres linearisierbar, so dass die Skala für eine Füllstandsanzeige schwieriger herstellbar ist.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. der Sensor sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung mit wenigstens zwei Sensoren mit den kennzeichnenden Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil, dass der Pegelstand der Flüssigkeit mit Hilfe der Änderung einer elektrischen Größe erfaßt wird. Dieses erfolgt nach einer rein elektrischen Meßmethode, so daß mechanisch bewegliche Teile nicht erforderlich sind.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich. Besonders vorteilhaft ist, dass der Sensor ein analoges, Frequenz- oder Zeit-Signal für den Pegelstand liefert, wobei das Signal auf Grund des mechanischen Aufbaus des Sensors im wesentlichen unabhängig ist von starken Erschütterungen und Wellenbewegungen im Flüssigkeitsbehälter.

Vorteilhaft ist weiter, dass der Sensor in Form eines koaxialen Kondensators oder Wellenleiters aufgebaut ist, wobei zwischen zwei Elektroden einen Luftzelle vorgesehen ist, in die entsprechend des Pegelstandes die Flüssigkeit eindringen kann. Aufgrund der relativ engen Luftzelle werden dabei starke Pegelschwankungen vorteilhaft weitgehend unterdrückt.

Insbesondere durch Ausbildung des Wellenleiters in Form eines handelsüblichen Luftzellenkabels wird vorteilhaft erreicht, dass dieser Sensor an nahezu jede Behälterform so angepaßt werden kann, dass beispielsweise eine einfache lineare oder logarithmische Skalierung auf einem Anzeigegerät möglich ist. So kann bei Ausbildung des Sensors als Wellenleiter auch mittels eines Hochfrequenzsignals oder mittels eines kurzen elektrischen Impulses die Position des Impedanzsprungs am Übergang zwischen Luft und dem Flüssigkeitsmedium oder die Änderung des Stehwellenverhältnisses am Wellenleiter bzw. die Signallaufzeit vorteilhaft als Maß für den Pegelstand bestimmt werden.

Zur Kalibrierung des Meßwertes ist auch ein Differenzsensor verwendbar, der beispielsweise voll mit der Flüssigkeit umgeben ist und somit ein entsprechendes Referenzsignal liefert. Dieser Sensor kann beispielsweise auch im Tankrohr oder einem Ablaufrohr angeordnet sein, um beispielsweise einen gewünschten Flüssigkeitsablauf lückenlos zu überwachen.

Da die Flüssigkeit zwischen den beiden Elektroden des Sensors als Dielektrikum wirkt, kann aufgrund der spezifischen Eigenschaft der Flüssigkeit festgestellt werden, ob unerwünschte Beimischungen einer weiteren, anderen Flüssigkeit vorhanden sind. Beispielsweise kann auf diese Weise festgestellt werden, ob sich Wasser im Kraftstoff befindet und gegebenenfalls wie hoch der Anteil ist.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat der Meßwertaufnehmer die Form eines Verzögerungs- Wellenleiters. Dadurch kann die Laufzeit der elektrischen Signale erhöht werden, wodurch bei der Auswertung der Pulsechos oder sonstiger, insbesonders hochfrequenter elektrischer Eigenschaften einfachere, langsamere und damit kostengünstigere Elektronikbausteine in einer Auswerteschaltung eingesetzt werden können.

Zeichnung

Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Behälter mit mehreren Sensoren und Fig. 2 zeigt den Aufbau eines Sensors in räumlicher Darstellung und in den Fig. 3 und 4 sind Ausführungsformen eines Sensors bzw. der zugehörigen Wellenleiter dargestellt. In Fig. 5 ist eine Auswerteschaltung für einen Füllstandssensor dargestellt, die mittels elektrischem Puls-Echo-Verfahren arbeitet.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Gemäß Fig. 1 sind innerhalb oder außerhalb von einem beliebig geformten Behälter 1, beispielsweise einem Kraftstofftank eines Kraftfahrzeugs wenigstens ein Sensor 3 angebracht, die den gesamten Behälter oder unterschiedliche Bereiche des Behälters 1 überwachen können. Eingezeichnet sind Sensoren 3a, 3b, es können aber auch noch mehr, beispielsweise 4 Sensoren 3 vorhanden sein, die unterschiedliche Tankbereiche überwachen. Der Behälter 1 ist z. B. teilweise mit einer Flüssigkeit 2 gefüllt, die auch bis zum etwa gleichen Pegelstand innerhalb der Sensoren 3 aufsteigt. Am Boden des Behälters 1 ist ein Referenzsensor 4 angeordnet, der vollständig von der Flüssigkeit 2 durchströmt wird. In alternativer Ausgestaltung ist ein weiterer Sensor 5 vorgesehen, der beispielsweise in einem Auslaufrohr 11 des Behälters 1 angeordnet ist. Eine Pumpe 6, die vor dem Auslaufrohr 11 angeordnet ist, ist im Fall eines Kraftstofftanks für die Kraftstofförderung vorsehbar. Desgleichen hat der Behälter 1 einen Tankverschluß 13, der zum Befüllen des Behälters 1 verwendet wird. Weitere Durchführungen 12 sind insbesondere für den Ein- und Ausbau der Sensoren 3 und zur Kabeldurchführung für die elektrischen Leitungen 9a, 9b vorgesehen.

Die elektrischen Leitungen 9 sind mit einer Auswertevorrichtung 7 verbunden, die im wesentlichen eine Meßvorrichtung aufweist, die z. B. die Kapazität der wenigstens teilweise eingetauchten Sensoren 3 mit Hilfe bekannter Meßverfahren mißt und daraus ein entsprechendes Anzeigesignal über eine Leitung 10 an eine Anzeige 8 liefert. Alternative mögliche Meßgrößen sind beispielsweise die Welleneigenschaften des koaxial aufgebauten Wellenleiters.

Fig. 2 zeigt eine Teilansicht eines Sensors 3, der im wesentlichen als koaxial aufgebauter Kondensator bzw. Wellenleiter aufgebaut ist. Derartige Wellenleiter sind beispielsweise als koaxiale Luftzellenkabel handelsüblich und werden für die Übertragung hochfrequenter elektrischer Signale verwendet. Der Wellenleiter weist eine erste Elektrode 21 auf, die als Mittelleiter ausgebildet ist. Um die erste Elektrode 21 ist eine zweite Elektrode 24 angeordnet, die durch ein Stützskelett 23 koaxial zur ersten Elektrode 21 gehalten wird. Das Stützskelett 23 weist eine oder mehrere Luftzellen 22 auf, so dass beim Eintauchen des Wellenleiters in die Flüssigkeit diese zwischen die beiden Elektroden 21, 24 strömen kann, da das Ende des Wellenleiters nicht verschlossen ist. Zum Schutz gegen elektrische Kurzschlüsse ist vorzugsweise um die zweite Elektrode 24 eine Isolierung 25 aufgebracht. Die in die Flüssigkeit eingetauchten Enden werden ebenfalls isoliert. Der Aufbau und die Struktur des Wellenleiters ist so ausgebildet, dass dieser halb steif ist und somit auch in Winkel-, Bogen- oder in Schleifenform innerhalb des Behälters 1 oder beispielsweise auch im Auslaufrohr 11, entlang der Aussenwand oder auch abseits von dieser verlegt werden kann. Auf diese Weise gelingt es, den Meßwert so umzuformen, dass je nach Wunsch eine lineare, logarithmische oder sonst geeignete Skalierung auf der Anzeige 8 möglich ist. Zur Bestimmung des Pegelstandes im Behälter 1 werden bekannte Meßverfahren verwendet, wobei im einfachsten Fall die Kapazität zwischen den Elektroden gemessen wird. Dabei kann die Sensorkapazität auch zur Erzeugung einer abhängigen Frequenz- oder Impulsdauer in einer entsprechenden Schaltung (Oszillator, RC- oder LC-Zeitglied) verwendet werden. Eine alternative Auswerteschaltung kann durch Einspeisung einer hochfrequenten Spannung die Welleneigenschaften wie das Stehwellenverhältnis, die Frequenz einer definiert ausgebildeten Stehwelle zwischen der Flüssigkeit und dem Einspeisepunkt, die Impedanz oder sonstige elektrische Eigenschaften messen, die sich ändern, wenn die Luftzellen 22 mit der Flüssigkeit 2 gefüllt werden. Des weiteren ist der Wellenleiter so ausgebildet, dass er bei seiner Verformung in die gewünschten Richtungen seine elektrischen Eigenschaften nicht nennenswert ändert. Durch die Verformung des Wellenleiters kann somit auch eine Anpassung an komplizierte Behälterformen erreicht werden. Dadurch gelingt es, das Volumen bzw. die Massebestimmung linear zur Füllänge des Sensors 3 zu bestimmen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist auch vorgesehen, bei der Messung der Kapazität mehrere Sensoren 3 parallel zu schalten und an mehreren Stellen des Behälters 1 anzuordnen, um beispielsweise auch Neigungs- und Beschleunigungsabhängigkeiten des Meßsignals bei ortsveränderlichen Behältern 1 zu kompensieren. Des weiteren ist vorgesehen, zur Kompensation der Stoffabhängigkeiten gegebenenfalls einen Referenzsensor 4 zu installieren der vorzugsweise gleichartig ausgebildet ist und eine bekannte Länge aufweist. Dieser Referenzsensor 4 wird so angeordnet, dass er möglichst vollständig in der Flüssigkeit 2 eingetaucht ist. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Referenzsensor 4 als Stück der Ansaug-, Vorlauf- oder Rücklaufleitung ausgebildet ist oder an der tiefsten Stelle des Behälters 1 angeordnet ist, vorzugsweise im Bereich eines Ansaugpunktes für die Pumpe 6. Auch ist vorgesehen, dass der Absolutwert des Referenzsensors 4 zur Kompensation einer Mengenverfälschung durch unerwünschte Beimischungen, beispielsweise Wasser im Kraftstoff verwendet wird. Dabei kann auch der Anteil der beigemischten Menge (Wasser) bestimmt werden, wie noch nachfolgend näher erläutert wird. Ebenso ist es möglich, auch einen Bodensatz zu erkennen, wenn ein zusätzlicher Sensor entsprechend angeordnet wurde. Befindet sich am Boden des Behälters 1 eine Wasserschicht, kann zur Verhinderung einer Fehlmessung der Sensor in zeitlichen Abständen mit dem Kraftstoff durchspült und somit vom Wasser befreit werden.

Nachfolgend wird die Funktionsweise des Sensors 3 unter Anwendung unterschiedlicher Auswerteverfahren näher erläutert.

Nach einem ersten Auswerteverfahren wird die Kapazität C des Sensors 3 gemessen. Sie setzt sich zusammen aus einer konstanten Grundkapazität C₀ des mit Luft gefüllten Sensors 3 und einem linear mit der Füllmenge (Masse bzw. Volumen bei konstanter Temperatur) ansteigenden, durch die Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit 2 und durch den geometrischen Aufbau des Sensors bestimmte Zusatzkapazität dC.

dC = C - C₀

Bei mehreren parallel geschalteten Sensoren 3 sind die Kapazitätswerte der einzelnen Sensoren zu addieren. Die Füllmenge V ergibt sich somit

V = Ks(s).dC/KM,

wobei für die Änderung des Volumens dV in Abhängigkeit von der Eintauchlänge ds der Umrechnungsfaktor Ks(s) nach der Formel

Ks(s) = dV(s)/ds

bestimmt wird. Ks(s) kann durch die Formgebung kontinuierlich über die gesamte Länge durch die Schräglage beeinflußt werden. Für eine Linearisierung des Signals ist Ks(s) durch Einstellung der Schräglage über die gesamte Füllhöhe vorzugsweise konstant zu halten. Der Faktor KM ist ein Proportionalitätsfaktor, der die Abhängigkeit der Kapazitätsänderung dCx von der Füllängenänderung auf Grund des Mediums, der Geometrie und des Materials des Sensors 3 berücksichtigt. KM wird nach der Formel berechnet:

KM = dCx/dl

Somit sind alle Parameter zur Bestimmung des Volumens V für die Flüssigkeit 2 im Behälter 1 bekannt.

Ein zweites alternatives Auswerteverfahren für die Bestimmung der Flüssigkeitsmenge bzw. dem Pegelstand im Behälter 1 nutzt die Reflexion von Hochfrequenzwellen an Impedanzsprüngen im Wellenleiter aus. Dabei ändert der in der Flüssigkeit 2 eingetauchte Teil des Sensors 3 seine längenspezifische Kapazität Cx und somit seine Impedanz Z sprunghaft zwischen dem eingetauchten und nicht eingetauchten Teil des Sensors. Die Impedanz Z berechnet sich für den Wellenleiter nach der Formel

Z = (Lx/Cx)^0,5

wobei Lx die längenspezifische Induktivität und Cx die längenspezifische Kapazität des Wellenleiters sind. Das Meßprinzip besteht darin, dass am nicht eingetauchten Ende des Sensors 3 ein Hochfrequenzsignal eingespeist wird, das teilweise am Impedanzsprung, also an der Oberfläche der Flüssigkeit des teilweise eingetauchten Sensors 3, reflektiert wird, so daß eine teilweise stehende Welle entsteht. Um eine störende Reflexion am Ende des Sensors 3 zu vermeiden, muß dieser mit einem entsprechenden Abschlußwiderstand versehen werden. Durch Vermessung oder durch Variation der Speisefrequenz und Fixierung der Knoten und Bäuche dieser stehenden Welle kann auf die Entfernung des Pegelstandes im Bezug auf den Vermessungspunkt (Einspeisepunkt) geschlossen werden. Aus dem Verhältnis des maximalen und minimalen Stromes entlang des Wellenleiters (Stehwellenverhältnis) kann ebenfalls auf die veränderte längenspezifische Kapazität Cx und somit auf die Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit 2 geschlossen werden. Natürlich werden die gewählten Strom- und Spannungswerte so gewählt, dass keine Gefährdung entstehen kann.

Eine dritte alternative Meßmethode für den Füllstand der Flüssigkeit 2 in dem Behälter 1 besteht darin, dass der Korrekturfaktor KM mit Hilfe des Referenzsensors 4 bestimmt wird. Dabei wird der Korrekturfaktor KM in Abhängigkeit vom aktuellen Füllmedium nach folgender Formel bestimmt:

KM = dCref/lref

bestimmt, wobei die Werte dCref und lref die Referenzwerte für die Kapazität und Länge des Referenzelementes 4 sind. Wird dieser Korrekturfaktor KM in die Formel für das erste Auswerteverfahren eingesetzt, dann ergibt sich für das Volumen

V = Ks.lref.dC/dCref.

Die Bestimmung des Behälterinhalts wird hierdurch - wie auch beim zweiten alternativen Auswerteverfahren - zur reinen Volumenbestimmung abhängig vom Füllmedium und der Temperaturausdehnung des Behälterinhalts. Hingegen ist das erste Auswerteverfahren eher eine Massenbestimmung und damit temperaturunabhängig.

Schließlich ist noch ein viertes Auswerteverfahren für die Volumenbestimmung vorsehbar. Für zwei verschiedene Füllmedien bzw. beliebige Mischungsverhältnisse von diesen beiden werden die spezifischen Konstanten KM als bekannt vorausgesetzt. Der Referenzsensor 4 ermittelt den aktuellen Wert von KM. Hierdurch kann das Mischungsverhältnis der zwei Komponenten, z. B. durch Interpolation ermittelt werden. Das Verfahren bietet somit auch die Möglichkeit, beispielsweise den Wasseranteil im Kraftstoff eines Fahrzeugtanks zu bestimmen oder eventuell falsche oder verschiedene Kraftstoffsorten zu identifizieren.

In einer weiteren Ausgestaltung hat der Messwertaufnehmer die Form eines Verzögerungs-Wellenleiters. Die Laufzeit T für elektrische Signale in einem Leiter errechnet sich aus der längenspezifischen Induktivität L' und der längenspezifischen Kapazität C' nach der Formel

T = √L'C'

Die Impedanz Z des Leiters ist nach der Formel

Z = √L'/C'

bestimmt. In einem Verzögerungswellenleiter kann die Laufzeit elektrischer Signale also vorzugsweise erhöht werden indem L' oder C' erhöht wird. Zusätzlich kann bei Verwendung eines Verzögerungswellenleiters eine Anpassung der Skala (z. B. Linearisierung oder Logarithmierung eines unregelmäßig geformten Behälters) auch durch die Variation von L' und C' über die Sensorlänge erreicht werden. Sinnvollerweise wird dabei durch geeignete Maßnahmen das Verhältnis von L' und C' über die Sensorlänge konstantgehalten, um bei der Auswertung der Hochfrequenz (HF)- oder Pulssignale keine zusätzlichen, ggf. störenden Reflektionen des Signals zu erhalten.

Vorzugsweise kann der Verzögerungswellenleiter in den in Fig. 1 skizzierten folgenden Bauformen eingesetzt werden, mit geeigneten Anpassungen, die in den folgenden Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist der Innenleiter des Wellenleiters eine lange 1-lagige Spule 31 auf einem isolierenden Stabkern 32. Durch den Aufbau des Innenleiters des koaxialen Wellenleiters als Spule wird die längenspezifische Induktivität L' deutlich erhöht. Im Raum zwischen der Oberfläche der Spule und dem Mantelrohr befindet sich das Füllmedium 33, welches durch kleine Löcher 34 entlang und/oder unten und oben des Mantelrohres 35 ins Innere eindringen kann. Mehrere Löcher entlang des Mantelrohres, zumindest im unteren Bereich, sind notwendig, wenn ein Bodensatz eines unerwünschten Mediums (z. B. Wasser) die Messung nicht durch einen überhöhten Stand innerhalb des Sensors verfälschen soll, und starke Schwappbewegungen des Mediums bei ortsveränderlichen Behältern nicht stören sollen.

Die Oberfläche der Spule und die Innenfläche des Mantelrohres bilden die Kapazität des Wellenleiters. Zur Anpassung der Skala kann die längenspezifische Induktivität L' durch die Wicklungsdichte der Spule variiert werden. Die ggf. erwünschte proportionale Änderung der längenspezifischen Kapazität C' wird bei einer Ausdünnung 36 der Spulenwicklung bereits durch die kleinwerdende Oberfläche des Spulenleiters hervorgerufen und kann noch durch Änderung des Spulen- oder des Mantelrohrdurchmessers 37 vervollständigt werden.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist der Innenleiter des Wellenleiters eine lange 1-lagige Spule 41 mit hohlem Kern. Je ein innerhalb 42 und je ein außerhalb 43 der Spule 41 angeordneter leitender Zylinder bilden zusammen den Mantelleiter. Im Gegensatz zur Bauform nach Fig. 3 sind die kleinen Bohrungen 44 im Mantel oder im Innenleiter des Sensors bei ortsveränderlichen Behältern zur Dämpfung notwendig, um eine extreme Schwappbewegung innerhalb des Sensors zu verhindern. Extreme Schräglage des Flüssigkeitsspiegels innerhalb des Sensors würde sonst zur Undetektierbarkeit des Impulsechos führen.

Zur Verhinderung von Wirbelströmen können die Mantelleiter in Längsrichtung aufgeschlitzt und, falls Notwendig durch eine Isolierung 45 (bzw. 45a, 45b) abgedichtet werden, oder komplett aus mehreren Längssegmenten bestehen. Es kann auch wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 nur der Außenmantel 43, aus mehreren Längssegmenten aufgebaut werden. Der größere Durchmesser dieses Aufbaus führt gegenüber der ersten Bauform zu erheblich längeren Verzögerungszeiten und somit zu einfacheren Auswerteschaltungen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung können in den Füllraum 46 (bzw. 46a, 46b) Stützstäbe 47 als Spulenträger eingebaut werden. Diese können gleichzeitig als Trennwände 48 für sektorförmig angeordnete Füllräume benutzt werden. Zur weiteren Erhöhung der längenspezifischen Induktivität können diese Stütz- und Trennwände oder auch Trennstäbe aus einem hochfrequenztauglichen ferromagnetischen Material hergestellt sein. Es kann auch an anderer geeigneter Stelle, z. B. als Beschichtung der Mantelleiter, ein solches hochfrequenztaugliches ferromagnetisches Material eingebaut sein. Für die Anpassung der Skala gilt dasselbe wie für die Bauform eins nach Fig. 3.

Als Auswertevorrichtung eignet sich vorzugsweise eine Auswerteschaltung für ein Puls-Echo-Verfahren. Eine solche Auswerteschaltung ist in Fig. 5 dargestellt. Beim Puls- Echo-Verfahren wird in einer Impulsformerstufe 51, die mit dem Messtaktoszillator 51a in Verbindung steht, ein kurzer elektrischer Impuls I1 erzeugt. Der elektrische Impuls I1 bzw. aufeinanderfolgende Impulse wird bzw. werden dem Sensor über eine Impedanzanpassung 52 zugeführt. Jeweils am Impedanzsprung SP1 und SP2 an den Übergängen der Füllmedien 53, 54 und am beispielsweise kurzgeschlossenen Ende SP3 des Sensors erfolgt eine Reflektion. Nach der doppelten Laufzeit 2T wird am Eingang des Sensors ein Signal als Echo registriert, das messbar ist. Dieses Signal ist in Block 55 dargestellt. Dabei ist erkennbar, dass nach dem Impuls I1 zunächst das am Impedanzsprung SP1 reflektierte Signal SP1a auftritt, danach das am anderen Impedanzsprung reflektierte Signal SP2a und schließlich das am Ende des Sensors reflektierte Signal SP3a. Die reflektierten Signale SP1a, SP2a, SP3a werden in einem Spannungsfolger 56 aufbereitet und in Komparatoren 57, 58, 59 mit Schwellwerten S1, S2 bzw. S3 verglichen. Über Flipflops 60, 61 bzw. 62 sowie eine sich anschließende Torlogik 63, 64 bzw. 65, mit der die von den Reflexionen verursachten Signalbestandteile voneinander getrennt werden können und eine Pulslängenmessung 66, 67 bzw. 68 kann die Laufzeit 2T für jedes Medium gesondert in eine logische Pulslänge umgewandelt werden. Die sich einstellenden Signalverläufe sind jeweils über den einzelnen Komponenten 57 bis 68 angegeben. Die Zählimpulse werden von einem Zeittaktoszillator 69 bereitgestellt, der über einen Frequenzteiler auch mit den Zählern 70, 71 bzw. 72 in Verbindung steht. Die Pulslänge kann also durch eine einfache Torschaltung für einen Zeittaktoszillator 69 in eine Impulsanzahl umgewandelt werden.

In einem weiteren Auswerteverfahren kann die Sensorspannung bzw. das am Eingang des Sensors meßbare Echosignal direkt digitalisiert oder da es sich bei schnell aufeinander abgegebenen Impulsen I1 auch bei dem reflektierten Signal SP1a, SP2a, SP3a um ein mit hoher Frequenz wiederholbares Signal handelt, auch durch ein Dehnungs- bzw. Samplingverfahren zeitlich gedehnt und digitalisiert werden. Zur zeitlichen Dehnung eignet sich auch ein beispielsweise in der DE-P 198 24 047 bekanntes Abtastverfahren. Das digitalisierte Echosignal ist charakteristisch für die Laufzeit des Impuls-Echos, bzw. die Füllhöhe im Sensor. Das Erkennen der Echos und das Umrechnen in Füllhöhe und/oder Wassergehalt kann dann in einem Prozessrechner erfolgen. Bei einem Füllstandssensor für ein KFZ kann der Prozessrechner Bestandteil der Motorsteuergerätes sein.

Zur genauen Bestimmung der Signallaufzeit bzw. der Füllhöhe können auch andere Parameter wie Auswertung der Flankensteilheit oder der Impulshöhe verwendet werden oder zumindest bei der Bildung von Korrektursignalen berücksichtigt werden. Weiterhin läßt sich ein direkter Formvergleich des Meßsignales oder von Teilen des Meßsignales oder von aus dem Meßsignal gewonnenen Parametern mit aus Eichmessungen erhaltenen Meßsignalen oder Teilen hiervon oder Parametern hiervon durchführen. Dabei kann noch zwischen den zwei am nächsten liegenden Meßsignalen oder von Meßsignalen oder Parametern interpoliert werden. Die zur Durchführung benötigten Mittel sind beispielsweise im Prozessor bzw. einem zugehörigen Steuergerät enthalten.

Eine Kombination der vorstehend beschriebenen Signalauswertung mit dem Einsatz eines Sensors mit Verzögerungswellenleiter ist ebenfalls möglich.

Claims

1. Verfahren zur Füllstandsmessung einer Flüssigkeit (2) in einem Behälter (1), wobei wenigstens ein Sensor (3) innerhalb oder als kommunizierendes Rohr außerhalb des Behälters (1) so angeordnet ist, dass er wenigstens teilweise in die Flüssigkeit eintaucht, wobei der Sensor (3) über eine Leitung (9) ein von der Eintauchtiefe in die Flüssigkeit (2) bzw. deren Füllhöhe abhängiges elektrisches Signal an eine Auswertevorrichtung (7) liefert, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) einen in seiner Kapazität veränderlichen Kondensator oder Wellenwiderstand aufweist, wobei die Kapazität, der Wellenwiderstand oder deren Änderungen durch die Einbautiefe in der Flüssigkeit (2) bestimmt wird, und wobei die Auswertevorrichtung (7) aus den empfangenen elektrischen Signalen ein Anzeigesignal für die Flüssigkeitsmenge oder den Flüssigkeitspegelstand bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ein im Bereich des Flüssigkeitspegels entstehender Impedanzsprung im Wellenleiter zu Reflektionen mit stehenden Wellen führt, die ausgewertet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Flüssigkeitspegels im Wellenleiter durch Variation des eingespeisten Hochfrequenzsignals bestimmt wird, wobei zwischen dem Flüssigkeitspegel und einem bekannten Meßpunkt die Spannungs- oder Stromknoten bzw. -bäuche unter Berücksichtigung der Frequenz und der Ausbreitungsgeschwindigkeit gezählt bzw. eingestellt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Wellenleiter (3) für einen bekannten Meßpunkt wenigstens ein kurzer elektrischer Impuls gegeben wird und dass die Laufzeit des Echosignales bis zum reflektierten Flüssigkeitspegel gemessen und ausgewertet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufzeit des eingespeisten Signales mit seinem Echo am offenen und kurzgeschlossenen Ende des Wellenleiters gemessen wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anpassung des Meßwertes an eine Skala die Länge und/oder Lage des Sensors (3) im Behälter (1) verwendbar ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kalibrierung ein Referenzsensor (4) mit definierten Abmessungen verwendbar ist, der von der Flüssigkeit (2) vollständig durchströmt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsignal zur Erkennung von Beimischungen in der Flüssigkeit (2) verwendbar ist.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Ausgangssignal des Referenzsensors (4) einen Korrekturfaktor (KM) bestimmt wird, der unabhängig vom aktuellen Füllmedium ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei zwei unterschiedlichen Flüssigkeiten (2) deren spezifische Korrekturfaktoren (KM) bekannt sind, das Mischungsverhältnis vorzugsweise von Wasser und Kraftstoff bestimmt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Bestimmung des Füllstandes eines Tanks eines Kraftfahrzeugs, der mit Kraftstoff füllbar ist, eingesetzt wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Meßwerten der einzelnen Sensoren (3) die Beschleunigung und/oder die Schräglage des Behälters (1) bestimmt wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Meßwerten der einzelnen Sensoren (3) ein Eichsignal gebildet wird, das mit dem Meßsignal verglichen wird.

14. Sensor, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) einen Meßwertaufnehmer in Form eines Verzögerungs-Wellenleiters aufweist.

15. Sensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Verzögerungs-Wellenleiter eine längenspezifische Induktivität und eine längenspezifische Kapazität aufweist.

16. Sensor nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) ein Differenzsensor ist.

17. Sensor nach Anspruch 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) ein koaxial aufgebauter Wellenleiter ist, dass der Wellenleiter eine zentrale erste Elektrode (21) aufweist, um die mittels eines Stützskeletts (23) eine zweite Elektrode (24) koaxial angeordnet ist, und dass zwischen den beiden Elektroden (21, 24) wenigstens eine Luftzelle (22) ausgebildet ist, in die entsprechend dem Füllstand im Behälter (1) die Flüssigkeit (2) eindringen kann.

18. Sensor nach Anspruch 14, 15, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) ein analoges Signal für den Pegelstand liefert.

19. Sensor nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) in Form eines koaxiale n Kondensators oder eines Wellenleiters aufgebaut ist, wobei ein Leitungsdraht eine erste Elektrode (21) und eine metallische Ummantelung eine zweite Elektrode (24) bilden, zwischen die sich im wesentlichen die zumessende Flüssigkeit (2) befindet.

20. Sensor nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter einen Luftzellenkabel ist, wobei zwischen der ersten Elektrode (21) und der zweiten Elektrode (24) wenigstens eine Luftzelle (22) ausgebildet ist.

21. Sensor nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) als Wellenleiter für ein Hochfrequenzsignal betreibbar ist und dass die Änderung der Impedanz (Z) ein Maß für das Flüssigkeitsvolumen ist.

22. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter in Form eines Verzögerungswellenleiters aufgebaut ist, über den die Laufzeit elektrischer Signale verlängert werden kann.

23. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die längenspezifische Induktivität und die längenspezifische Kapazität des Verzögerungswellenleiters durch konstruktive Maßnahmen in der gewünschten Weise festgelegt werden.

24. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenleiter des Verzögerungswellenleiters als einlagige Spule auf einem isolierenden Stabkern aufgebaut ist.

25. Sensor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mantelrohr mit kleinen Löchern vorhanden ist, das die Oberfläche der einlagigen Spule umgibt, wodurch die Oberfläche der Spule und die Innenfläche des Mantelrohrs die längenspezifische Kapazität des Wellenleiters bilden.

26. Sensor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter des Mantelrohres in Längsrichtung geschlitzt sind und durch eine Isolierung abgedichtet sind oder aus mehreren Längssegmenten aufgebaut sind.

27. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vorgebbare Bestandteile des Mantelrohres oder zusätzlicher Stützstäbe oder zusätzliche Trennwände aus hochfrequenztauglichem ferromagnetischem Material sind.

28. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteschaltung vorhanden ist, die Mittel zur Durchführung eines ein Puls-Echo-Verfahren umfaßt, mit wenigstens drei Komparatoren (57, 58, 59), die das die reflektierten Signalanteile umfassende Sensorsignal mit vorgebbaren Schwellen (S1, S2, S3) vergleichen und mit nachgeschalteten Flipflops (60-65), die eine Torlogik zur Signaltrennung bilden und Mitteln zur Pulslängenmessung (66-72) zur Bestimmung der Laufzeit der reflektierten Signale.

29. Sensor nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Pulslängenmessung wenigstens drei logische Elemente (66, 67, 68) umfaßt, denen die von den Reflexionen verursachten Signalbestandteile zuführbar sind und nachgeschaltete Zähler (70, 71, 72), wobei die drei logischen Elemente (66, 67, 68) und die Zähler (70, 71, 72) mit einem Zeittaktoszillator (69) in Verbindung stehen.

30. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Auswertemittel vorhanden sind, die wenigstens einen Prozessor umfassen und Mittel zur Digitalisierung der Sensorspannung und weitere Mittel zur zeitlich gedehnten Signalabtastung.

31. Sensor nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Digitalisierung der Sensorspannung und zur zeitlich gedehnten Signalabtastung eine Abtast- Steuereinrichtung umfassen.

32. Sensor nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Mittel zum Formvergleich des Meßsignales oder aus dem Meßsignal abgeleiteter Größen mit entsprechend gebildeten Eichsignalen vorhanden sind und die Vergleichsergebnisse bei der Signalauswertung mitberücksichtigt werden.