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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Bestimmung eines Füllstandes
und einer Temperatur eines Fluids.
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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.
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Nach
dem Stand der Technik wird ein Hitzdraht 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, weil das Fluid den Heizdraht in nur geringem
Maße abkühlen kann.
Diese große
Erwärmung
hat eine große
Spannungsdifferenz zwischen den beiden gemessenen Spannungen zur
Folge. Bei hohem Füllstand
ist die Spannungsdifferenz jedoch aufgrund der besseren Kühlung ge ring.
Die Spannungsdifferenz ist also umgekehrt proportional zur Füllstandshöhe.
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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-Widerstandes 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 Offenbarung
der
EP 1 180 667 A2 hat
sich im praktischen Einsatz grundsätzlich bewährt.
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Die
US 5,134,248 A offenbart
eine Vorrichtung zur kombinierten Flüssigkeits-Füllstands- und Temperaturmessung,
bei der ein Einsatz eines Widerstands-Temperatur-Bauteils RTD mit
im Wesentlichen linearer Abhängigkeit
des Widerstandes über einen
zu messenden Temperaturbereich offenbart ist. Hierbei wird dieses
Bauteil in vertikaler Ausrichtung in einen Flüssigkeitsbehälter in
mindestens teilweisem Kontakt mit dieser Flüssigkeit angeordnet. Das Bauteil
wird vor einem Messeinsatz dadurch geeicht, dass es bei einem ganz
entleerten und einem ganz gefüllten
Behälter
jeweils entsprechenden Widerstandsmessungen unterzogen wird. Die
Messung einer mittleren Flüssigkeitstemperatur
wird dann durch Anlegen eines Messstromes unter Bestimmung einer entsprechenden
Spannung ermittelt.
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Die
EP 0 674 157 A1 offenbart
eine Vorrichtung zum Erkennen von Temperatur und Füllstand
einer Flüssigkeit,
wobei diese Vorrichtung für
beide Messaufgaben nur ein Widerstandselement aufweist. Es sind
Mittel zur Zuführung
einer definierten elektrischen Leistung und Mittel zum Umschalten
zwischen einer Heizleistung und einer davon verschiedenen Heizleistung
vorgesehen. Unter Auswertung eines zeitlichen Verhaltens der Widerstandsänderung
nach einer Umschaltung wird auf die Messgrößentemperatur und den Füllstand
der Flüssigkeit
zurückgeschlossen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine noch kompaktere Vorrichtung
und ein effizienteres Messverfahren bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche dadurch
gelöst,
dass der Heizdraht eine PTC- bzw. Kaltleiter-Charakteristik aufweist
und mit einer Auswerteschaltung durch Mittel zur Spannungsmessung
bei Strombeaufschlagung als Fluidtemperatur-Sensor und durch Verbindung
mit einem Rechenwerk mit Integrator zugleich über Bestimmung einer an das
Fluid abgegebenen Heizenergie als Füllstandssensor ausgebildet
ist. Nach einem erfindungsgemäßen Verfahren
werden Sensorstrom und Sensorspannung während einer durch einen Strompuls
bewirkten Erwärmung
des Heizdrahts zur Berechnung eines elektrischen Widerstands gemessen,
wobei in einem Messintervall unter Verwendung einer Mehrzahl von
Messungen eine entsprechende Zahl von Messpunkten bestimmt wird,
aus denen über
die Zeitachse gesehen für
einen Anfangsbereich durch Approximation und Extrapolation ein Sensordrahtwiderstand
im unbestromten Zustand und somit eine anfängliche, stationäre Fluidtemperatur
bestimmt wird. Aus den gleichen Messwerten des Heizdrahtes wird über eine
Energiedifferenz aus der Erwärmung
des Heizdrahtes und der über
die Zeit zugeführten
elektrischen Heizenergie die an das Fluid abgegebene Energie bestimmt,
die jeweils mit einem Füllstand
korrespondiert.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
arbeitet auch bei hohen Füllständen zuverlässig, da
sich bedingt durch die unterschiedlichen Wärmeleitkoeffizienten zwischen
Luft und Fluid bei unterschiedlichen Fluid-Füllstandshöhen verschiedene Erwärmungskurven
des Heizdrahts ergeben. Diese Erwärmungskurven schließen über der
Zeitachse gesehen in Messintervallen definierter Länge folglich
auch unterschiedlich große
Flächen
ein, die einen leicht zu bestimmenden thermischen Energiegehalt
des Heizdrahts angeben. Damit werden Ungenauigkeiten gerade bei
hohen Fluid-Füllständen weitgehend
vermieden, wie sie bei bekannten Vorrichtungen und Verfahren auftreten.
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Erfindungsgemäß wird nun
also neben der Füllstandsmessung
für die
Messung der Temperatur des Fluids kein zusätzlicher Temperatursensor z.
B. in Form eines separaten NTC-Widerstands verwendet. 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. Da ein grundsätzlicher
Verlauf einer Erwärmungskurve
des Heizdrahtes sich in seinem Anfangsbereich bis zu einer Erwärmungsdauer
von ca. 100 ms durch eine Funktion zweiter Ordnung mathematisch
gut beschreiben lässt,
kann eine jeweils individuell vorliegende Erwärmungskurve bereits anhand
weniger Messwerte nachgebildet werden.
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Durch
die Verarbeitung mehrerer zeitlich vorgegebener Messpunkte aus diesem
Messintervall und eine nachfolgende Extrapolation wird die Temperaturmessung
insgesamt auch gegenüber
Störeinflüssen unanfälliger,
weil diese im Zuge der Extrapo lation weitgehend ausgeglichen werden.
Vorzugsweise wird hierbei eine rechnerische Anpassung der Messpunkte
des Anfangsbereichs der Erwärmung des
Heizdrahtes bis ca. 100 ms nach dem Start des Stromflusses vorgenommen,
wobei an eine Funktion zweiter Ordnung oder einen quadratischen
Kurvenverlauf approximiert wird. Vorteilhafterweise ist eine Implementierung
dieser Rechenaufgabe als Approximation von Messpunkten an ein Polynom
zweiter Ordnung mit anschließender
Extrapolation in eine Software eines Mikrocontrollers möglich. Damit
kann der Aufwand einer separaten Auswertelogik zugunsten einer Aufwertung
in einer übergeordneten
Einheit entfallen.
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Damit
kann mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zusätzlich
zur Bestimmung einer Füllstandshöhe auch
eine jeweilige Fluidtemperatur 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.
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Durch
den Fortfall eines separaten NTC-Widerstands zur Temperaturmessung
eines Fluids 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.
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Nachfolgend
wird die Erfindung unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel anhand von Abbildungen
der Zeichnung zur Darstellung weiterer Merkmale und Vorteile näher erläutert.
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In
der Zeichnung zeigen in jeweils skizzierten Schnittdarstellungen:
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1:
eine Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2:
eine Darstellung der Ausführungsformen
von 1 senkrecht geschnitten in einer Ebene, die zu
der Ebene der Schnittdarstellung von 1 senkrecht
steht;
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3:
eine Darstellung einer bekannten Vorrichtung in der Schnittebene
von 1;
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4:
eine Darstellung der bekannten Vorrichtung in einer Schnittebene
gemäß 2;
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5a und 5b:
je ein Diagramm zur Darstellung prinzipieller Temperaturverläufe über der Zeit
mit einer Anzahl von Messpunkten zur Ermittlung eines Anfangstemperaturwerts
durch Extrapolation unter Verwendung eines quadratischen Kurvenverlaufes
bei unterschiedlichen Füllständen eines
Fluids und eine Darstellung eines Strom-Pulses;
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6a und 6b:
schematische Darstellungen zur Auswertung bei zwei unterschiedlichen Füllstandsniveaus
eines Fluids über
die Wärmeenergie
des Heizdrahtes als Fläche
unter der gemessenen Kurve.
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Über die
verschiedenen Abbildungen hinweg werden nachfolgend für gleiche
Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet. Ohne Beschränkung der
Erfindung auf diesen speziellen Einsatzfall wird nachfolgend nur
ein Einsatz der Vorrichtun gen zur Bestimmung von Füllstandsniveau
und Temperatur von Motoröl
in einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs dargestellt
und beschrieben.
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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.
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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 Leiter 15, 16 hinein und sind
dort durch Schweißungen 17 miteinander
verbunden.
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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 stromdurchflossen. Er wird durch das zu messende
Medium in Abhängigkeit vom
Füllstand
mehr oder weniger gekühlt,
so dass sich sein elektrischer Gesamtwiderstand entsprechend ändert und
dadurch über
eine Messung der elektrischen Größen der
Füllstand
ermittelt werden kann.
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Die
Halbschale 2 hat in ihrer unteren Stirnfläche eine
Ausnehmung 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.
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Die 4 zeigt
die Halbschale 3 nun alleine und gegenüber der Schnittdarstellung
von 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 Schenkel der U-Form bildenden Bereiche
in 2 mit 21' und 21'' bezeichnet werden.
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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 Anschluss über elektrische
Leitungen am Kontaktsockel 8 in der in den 3 und 4 angedeuteten
Art und Weise.
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Erfindungemäß 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 5a, b
und 6a, b eingegangen.
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Durch
einen erfindungsgemäßen Ansatz
vereinfacht sich der von 3 her bekannte Aufbau in einem
Ausführungsbeispiel
in der in 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 dem Fachmann geläufiger Art
und Weise ein erforderlicher Schutz und eine mechanische Stabilität der Anordnung
gewährleistet
wird.
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Durch
den Wegfall eines 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 ausreichend 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 anderes Datennetz entsprechend ausgebildet.
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2 zeigt
analog der Darstellung von 4 ein Ausführungsbeispiel,
in dem die vorstehend genannten Vereinfachungen und Einsparungen von
separaten Bauteilen konkreter umgesetzt 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 ausgebildet und werden
eingegossen.
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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
der Erfindung 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 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 ausgelenkt oder gestaucht werden.
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Ein
erfindungsgemäßes Messverfahren
wird nun unter Bezugnahme auf die skizzierten Abbildungen der 5a,
b und 6a, b beschrieben: In einem stationären Fall
entspricht die Temperatur des mit dem Fluid in Kontakt stehenden
Heizdrahtes 21 der des Fluids. Nun wird über die
Dauer eines Messintervalls ein Rechteckpuls mit konstanter Stromstärke an den
Heizdraht 21 angelegt. Bei einer Messung der Fluidtemperatur
wird der Heizdraht 21 nun während eines Messintervalls
für eine
Zeitdauer Δt von
etwa 400 ms von einem konstanten Strom I durchflossen. 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.
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In 5a ist
ein Verlauf entsprechender Spannungs- bzw. Widerstandswerte eines
Heizdrahtes 21 bei einer hohen und ei ner 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 Usens und
der Zeit t. Gemäß 5b wird
ab einem Zeitpunkt t0 bis zu einem Zeitpunkt
t1 ein Strom Isens in
Form eines Rechteckpulses an den Heizdraht 21 der Vorrichtung 0 angelegt.
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Gemäß der in 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 zeitliche 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 Approximationsverfahren
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.
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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 t1 über eine
Gesamtszeit Δt der
Bestromung von hier etwa 400 ms betrachtet. Gemäß der Darstellung von 5a ergeben
sich bei größeren Füllstandsunterschieden
zu dem Zeitpunkt t1 deutliche Unterschiede
bei der gemessenen Spannungsdifferenz ΔU1 bei niedrigem und ΔU2 bei hohem
Füllstand
FS. Diese 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 Füllstandsunterschieden
fällt ein
Unterschied in der Spannungsdifferenz zum Zeitpunkt t1 jedoch
wesentlich weniger deutlich aus. Damit ist eine Auflösung bekannter
Verfahren also in dem kritischen Bereich zu hoher Fluid-Füllstände nicht
ausreichend sicher.
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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.
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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 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. Während
dieses Aufheizprozesses wird die elektrische Heizenergie teilweise
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 Erwärmungskurven
des Hitzdrahts, wie bereits vorstehend beschrieben. In der vorliegenden
Ausführungsform
der Erfindung werden der Sensorstrom Isens und
die Sensorspannung Usens an mehreren Messpunkten
während
der Aufheizphase einer Länge Δt gemessen.
Damit ermittelt man zu jedem Messpunkt den zugehörigen Sensorwiderstand Rsens. Es ergeben sich die in 5a, 5b, 6a und 6b dargestellten
füllstandsabhängigen Erwärmungskurven,
die nun über
die gesamte Zeit des Stromflusses betrachtet werden. Zur Füllstandsbestimmung
wird nun die Fläche
unter dieser Kurve Rsens(t) berechnet. Dieses
Flächenintegral
ist umgekehrt proportional zu der Füllstandshöhe FS. Wiederum wird hierbei
ein Look-up table mit normierten Werten zur Füllstandsbestimmung verwendet.
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Auch
bei geringerem Unterschied zweier Füllstände und entsprechend geringem
Unterschied zwischen Spannungsdifferenzen ΔU zum Ende einer Bestromung
ergeben sich größere und
damit deutlichere Unterschiede zwischen den Flächen unter den jeweiligen Kurven
Rsens(t). Vorteilhafterweise ergibt sich
somit eine deutlich erhöhte
Genauigkeit bei der Bestimmung eines Füllstands FS. Das Verfahren weist
schon aufgrund einer Verwendung einer Vielzahl von einzelnen Messpunkten
eine geringere Empfindlichkeit der Füllstandsbestimmung gegenüber Störungen auf.
Zudem ergibt sich eine automatische Korrektur einer auf Basis der
Kurve Rsens(t) errechneten Füllstandshöhe auch
bei Abweichungen des als zeitlich konstant angenommenen Messstroms
Isens von einem idealen Rechteckpuls. Es
wird also fortlaufend eine Berechnung Rsens(t)
= Usens(t)/Isens(t)
mit automatischem Fehlerausgleich bei Stromschwankungen durchgeführt, die
in einen Bordnetz von Kraftfahrzeugen insbesondere durch Einschalten
von großen
Verbrauchern häufig
auftreten. Ein jeweiliges Software-Rechenkonzept ist in einem Mikrocontroller
bei Anwendung verschiedener Integrationsverfahren integrierbar,
z. B. eines Newton-Ansatzes.
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Damit
wird erfindungsgemäß neben
einer leichten Montage in einer Ölwanne
auch ein vereinfachter Aufbau mit deutlichen Einsparpotentialen
bei einem Herstellungs- und einem Betriebsverfahren offenbart. Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist in existierende Systeme zudem gut integrierbar.
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- 0
- Sensorvorrichtung
insgesamt
- 1
- Gehäuse aus
Kunststoff
- 2
- Halbschale
- 3
- Halbschale
- 4
- Verbindungsbereich
- 5
- Verbindungsbereich
- 6
- Bund
- 7
- Nut
- 8
- Kontaktsockel
- 9
- Anschlussstück/Verbindungsstück mit Außensechskant
- 10
- Einschraubgewinde
an 9
- 11
- radiale
Durchbrechung
- 12
- radiale
Durchbrechung
- 13
- elektrische
Durchführungsleitung
- 14
- elektrische
Durchführungsleitung
- 15
- elektrisches
Leiterpaar
- 16
- elektrisches
Leiterpaar
- 17
- Verschweißung
- 18
- Spannkörper
- 19
- Federelement
- 20
- Zapfen/Umlenkungshaken
für Heizdraht
- 21
- Heizdraht
- 22
- Ausnehmung
- 23
- Sensorelement
- 24
- Ausnehmung
- FS
- Füllstand
- A
- elastischer
Bereich von 3
- B
- Anfangsbereich
- Rsens
- Heizdraht-Widerstand
- t0
- Anfangszeitpunkt
- t1
- Endzeitpunkt
- t'
- Zeitpunkt
eines ersten Messpunktes
- T
- Endbereich
einer Approximation
- Δt
- Gesamtzeit
der definierten Bestromung
- f(t)
- Ausgleichskurve