DE19933044B4

DE19933044B4 - Füllstandsgeber für einen Flüssigkeitsbehälter und Verfahren zur Ermittlung des Füllstandes in einem Flüssigkeitsbehälter

Info

Publication number: DE19933044B4
Application number: DE19933044A
Authority: DE
Inventors: Karl Eck
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-07-15
Filing date: 1999-07-15
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2019-07-16
Also published as: US6418787B1; DE19933044A1

Abstract

Bekannte Füllstandsgeber mit ihren Anschlußleitungen sind vielfach im Behälter angeordnet. Dadurch bedingen diese Geber aufwendige Durchführungen durch die Behälterwandung. Andere bekannte Füllstandsgeber vermeiden derartige Durchführungen durch kompliziert gestaltete Behälterformen, bzw. gekapselte Sensoranordnungen. Der neue Füllstandsgeber soll einfach aufgebaut sein und ohne Zuführleitungen zu den Sensoren durch die Behälterwandung auskommen. DOLLAR A Der neue Füllstandsgeber besitzt mehrere Sensoren aus magnetostriktivem Material, die durch ein von einer Sende- und Empfangseinheit ausgesandten magnetischen Wechselfeld zu Schwingungen angeregt werden, die mit unterschiedlichen Frequenzen schwingenden Sensoren werden von der Sende- und Empfangseinheit detektiert. Die gewonnenen Signale werden einer Auswerteeinheit zugeführt und zur Bildung eines Signals für den Füllstand verwendet. DOLLAR A Der Füllstandsgeber und das Verfahren eignen sich besonders beim Einsatz in Kraftstoffbehältern von Kraftfahrzeugen.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Füllstandsgeber für einen Flüssigkeitsbehälter, vorzugsweise für einen Kraftstoffbehälter in einem Kraftfahrzeug, mit mehreren Sensoren und ein Verfahren zur Ermittlung des Füllstandes in dem Flüssigkeitsbehälter.
Füllstandsgeber zur Ermittlung von Füllständen in Flüssigkeitsbehältern werden vielfach in der Praxis eingesetzt und sind somit bekannt. In Abhängigkeit vom Einbauort des Flüssigkeitsbehälters können derartige Behälter die unterschiedlichsten Formen aufweisen.

Es ist ein Sensor bekannt, der aus einem an der Außenwand eines Behälters anzubringenden Ring besteht, so dass die Wand in diesem Bereich eine Membran bildet. Auf die Membran ist ein Erregungswandler aufgesetzt, der die Membran in Schwingung versetzt. Ein ebenfalls auf die Membran aufgesetzte Empfangswandler nimmt diese Schwingung auf und leitet sie weiter ( DE 40 08 135 A1 ). Nachteilig ist der Aufwand für die Erzeugung und Montage des Sensors, der aufgrund des erforderlichen innigen Kontakts des Rings und der Wandler an der Außenwand, sehr hoch ist.

Insbesondere bei Flüssigkeitsbehältern in Kraftfahrzeugen, z. B. Kraftstofftanks, sind diese sehr stark an vorgegebene Räume angepasst. So besitzen viele der heute verwendeten Kraftstofftanks zwei oder mehrere Kammern. Um auch bei derart kompliziert geformten Flüssigkeitsbehältern einen Füllstand ermitteln zu können, ist es bekannt, in jeder der Kammern einen Füllstandsgeber anzuordnen. Als Füllstandsgeber werden dabei größtenteils schwimmerbetätigte Hebelgeber oder aus mehreren Sensoren bestehende Geber verwendet.

Aus der EP 0 690 293 A2 sind Füllstandsgeber mit magnetostriktiven Sensoren für Flugzeuge bekannt. Jeweils ein Füllstandsgeber besteht aus einem Rohr mit einem vertikal beweglich angeordneten Schwimmer. In diesem Schwimmer ist ein Magnet angeordnet. In dem Rohr sind Sensoren aus magnetostriktivem Material mit einem Ende an einer Leiste aus magnetischem Material befestigt. Am gegenüberliegenden Ende der Sensoren befindet sich ein Drahtwiderstand. Gelangt der Schwimmer mit dem Magneten in den Bereich des Sensors, kommt es zum Kontakt des Sensors mit dem Drahtwiderstand. Mit einer am Boden des Kraftstoffbehälters angeordneten Meßeinheit wird über die Größe des gemessenen Widerstandes die Füllstandshöhe im Kraftstoffbehälter an der Stelle des jeweiligen Füllstandsgebers ermittelt. Nachteilig an derartigen Einrichtungen zur Ermittlung des Füllstandes ist der hohe Aufwand hinsichtlich der Füllstandsgeber. Jeder Füllstandsgeber besitzt mehrere Sensoren, die in eine empfindliche Meßanordnung eingebunden sind. Diese Anordnungen müssen separat gekapselt sein. Des weiteren benötigt jeder Füllstandsgeber einen Schwimmer mit einem Magneten, um die Höhe des Flüssigkeitsniveaus auf die Sensoren zu übertragen. Zusätzlicher Montageaufwand ergibt sich daraus, daß das Rohr am Boden des Kraftstoffbehälters befestigt werden muß. Schließlich ist jedem Füllstandsgeber eine eigene Meßeinheit zugeordnet. Neben dem hohen Aufwand durch die Vielzahl von Füllstandsgebern steigt die Störanfälligkeit eines derartigen Systems mit der Anzahl der verwendeten Bauteile. Ein weiterer großer Nachteil bei der Verwendung mehrerer Füllstandsgeber in einem Flüssigkeitsbehälter besteht darin, daß das nutzbare Behältervolumen in einem nicht zu vernachlässigendem Maße verringert wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Füllstandsgeber und ein Verfahren zur Ermittlung des Füllstandes zu schaffen. Der Füllstandsgeber soll einfach aufgebaut und störunanfällig sein. Des weiteren soll er keine zusätzlichen Schutzmaßnahmen für elektrische Leitungen oder die Auswerteeinheit erfordern. Der Füllstandsgeber soll universell einsetzbar, leicht zu montieren und kostengünstig sein. Die Anordnung des Füllstandsgebers soll das nutzbare Behältervolumen nicht wesentlich verkleinern.

Gelöst wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüche beschrieben.

Der erfindungsgemäße Füllstandsgeber besitzt mehrere Sensoren aus magnetostriktivem Material, eine Sendeeinheit für ein magnetisches Wechselfeld, eine Empfangseinheit für mechanische Schwingungen und eine Auswerteeinheit. Die Sensoren sind im Flüssigkeitsbehälter angeordnet. Alle anderen Bauteile des Füllstandsgebers befinden sich außerhalb des Flüssigkeitsbehälters. Zur Ermittlung des Füllstandes werden die Sensoren vom Sender mit einem magnetischen Wechselfeld beaufschlagt. Dadurch wird jeder Sensor in Schwingungen versetzt, die wiederum von der Empfangseinheit detektiert werden. Die gemessenen Werte werden danach der Auswerteeinheit zugeführt. Um zu ermitteln, ob der Sensor sich in der Flüssigkeit oder an Luft befindet, wird der Umstand ausgenutzt, daß das Schwingungsverhalten des Sensors in der Flüssigkeit verschieden von dem an Luft ist.

Da jeder Sensor bei gleichen Abmessungen das gleiche Schwingungsverhalten aufweist und die gemessenen Werte durch die Auswerteeinheit der einzelnen Sensoren nicht mehr zuordenbar wären, sind alle Sensoren in ihren Abmessungen derart unterschiedlich, daß sich ihr Schwingungsverhalten deutlich voneinander unterscheidet. Indem das magnetische Wechselfeld in seiner Frequenz dem Schwingungsverhalten jedes Sensors angepaßt wird, läßt sich so das Schwingungsverhalten jedes einzelnen Sensors messen. Die gemessenen Werte werden der Auswerteeinheit zugeführt, wo jeder gemessene Wert mit einem entsprechenden Sollwert vergleichen wird, infolgedessen ein erstes Signal für den Füllstand des jeweiligen Füllstand des Sensors gebildet wird. Nach dem alle Sensoren abgefragt wurden, wird ebenfalls in der Auswerteeinheit aus den ersten Signalen ein zweites Signal gebildet, das den Füllstand im Flüssigkeitsbehälter widerspiegelt.

Der wesentlichste Vorteil des erfindungsgemäßen Füllstandsgebers besteht darin, daß nur noch die Sensoren im Flüssigkeitsbehälter angeordnet sind. Alle anderen Bauteile befinden sich außerhalb des Flüssigkeitsbehälters. Da die Sensoren eine Größe von einigen Quadratmillimetern besitzen und keine elektrischen Leitungen zur Kontaktierung oder Meßwertübertragung zu den Sensoren benötigt werden, wird das nutzbare Behältervolumen nicht mehr verringert. Des weiteren gestaltet sich der erfindungsgemäße Füllstandsgeber durch die Verwendung nur noch einer Auswerteeinheit sehr kostengünstig.

Mit der überwiegenden Anordnung des Füllstandsgebers außerhalb des Flüssigkeitsbehälters wird auch der Montageaufwand besonders gering gehalten. Unter Umständen können sogar bisher notwendige separate Öffnungen im Flüssigkeitsbehälter eingespart werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde zudem ein Meßverfahren gefunden, bei dem keinerlei Kräfte, z.B. durch Schwimmer- oder Hebelbewegungen, auftreten. Dadurch gestaltet sich die Befestigung der Sensoren im Flüssigkeitsbehälter besonders einfach. Aufgrund der kabellosen Meßwerterfassung mittels Sende- und Empfangseinheit ist der Einbauort aller anderen Teile des Füllstandsgebers frei wählbar. Das wiederum hat den Vorteil, daß die elektrischen Bauteile nicht mehr in für sie gefährlichen Bereichen angeordnet werden müssen, so daß die Störanfälligkeit sinkt, bzw. der Aufwand für einen sicheren Betrieb verringert wird.

Die Sensoren lassen sich besonders einfach montieren, wenn sie an der Behälterwandung befestigt sind. Die Befestigung, z.B. durch Aufkleben oder Verrasten, kann beliebig sein, wenn gewährleistet ist, daß die Sensoren in ihrer Schwingung nicht eingeschränkt werden. Durch die Anordnung an beliebigen Stellen im Flüssigkeitsbehälter läßt sich auch in kompliziert geformten Flüssigkeitsbehältern der Füllstand exakt ermitteln.

Besonders vorteilhaft ist dabei die Anordnung der Sensoren an anderen Einbauten im Flüssigkeitsbehälter. So entfällt der Montageaufwand im Flüssigkeitsbehälter, wenn die Sensoren an der Außenseite einer Fördereinheit oder an einer Saugstrahlpumpe angebracht werden und anschließend mit ihr in den Füllstandsbehälter eingesetzt werden. Zur leichteren Befestigung der Sensoren, sind diese auf einem Halter angeordnet, so daß nur der Halter an der Fördereinheit zu befestigen ist.

Vorteilhafterweise sind die Sensoren zu Meßstellen zusammengefaßt angeordnet. So bilden die beispielsweise an der Fördereinheit angeordneten Sensoren eine Meßstelle, während die an einer Saugstrahlpumpe angeordneten Sensoren eine weitere Meßstelle bilden. Neben diesen ortsabhängigen Meßstellen ist die Anordnung der Sensoren in niveauabhängigen Meßstellen möglich. Dabei bilden die Sensoren im höchsten und im tiefsten Niveau des Flüssigkeitsbehälters jeweils eine Meßstelle. Dazwischen können je nach gewünschter Auflösung weitere Meßstellen angeordnet sein.

Beim Einsatz der Sensoren in Flüssigkeitsbehältern mit aggressiven Medien ist es vorteilhaft, die Sensoren mit einer schützenden Beschichtung, z.B. einer Folie zu überziehen, wobei dann der Einfluß der Beschichtung auf das Schwingungsverhalten der Sensoren berücksichtigt werden muß.

Durch die frei wählbare Anordnung der Sende- und Empfangseinheit ist deren Anordnung an einer zentralen Stelle für elektrische Meß- und Steuereinrichtungen besonders günstig, da sich die elektrischen Leitungen besonders kurz ausführen lassen, was neben der besseren Signalverarbeitung zu einer Gewichts- und Kostenersparnis führt. Dabei kann es jedoch auch vorteilhaft sein, die Sende- und Empfangseinheit räumlich getrennt anzuordnen.

Vorteilhafterweise wird die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes so gewählt, daß die Sensoren mit Resonanzfrequenz schwingen. In einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens wird für jeden Sensor ein Wechselfeld mit einem Frequenzbereich gewählt, in dem die Resonanzfrequenz des Sensors liegt, und der intervallartig durchlaufen wird. Als Resonanzfrequenzen können dabei die Resonanzfrequenzen der Sensoren an Luft oder in der Flüssigkeit gewählt werden. Zur Bildung des Signals für den Füllstand in der Auswerteeinheit werden vorteilhafterweise die Frequenz, die Amplitude und/oder die Abklingzeit der Schwingung der Sensoren benutzt. Durch einen Vergleich der gemessenen Werte mit der in der Auswerteeinheit abgelegten vorgegebenen Werte des Sensors kann sehr einfach ermittelt werden, ob der Sensor innerhalb oder außerhalb der Flüssigkeit liegt.

Die Frequenz des Wechselfeldes wird vorzugsweise zwischen 20 und 100 Kilohertz gewählt. Da sich die Füllstände in Flüssigkeitsbehältern oft sehr langsam ändern, wird in einer Ausgestaltung des Verfahrens der Füllstand nicht permanent, sondern intervallweise ermittelt. Die Intervalle können einige Millisekunden bis zu einige Minuten betragen. Kurze Meßintervalle sind besonders dann vorteilhaft, wenn äußere Einflüsse, z.B. Fliehkräfte, zu verfälschten Meßergebnissen führen. Dazu werden die von der Auswerteeinheit gebildeten Signale nicht sofort als Füllstandssignal weitergeleitet, sondern über die Zeit gemittelt. Aus dem Mittelwert wird anschließend das Signal für den Füllstand gebildet. Somit lassen sich Störgrößen wirkungsvoll eliminieren.

Für eine richtige Füllstandsermittlung muß gewährleistet sein, daß ein gemessener Wert auch dem richtigen Sensor zugeordnet wird. Dabei ist es unerheblich, ob die Auswerteeinheit dem Sender ein Signal für den abzufra genden Sensor gibt, damit der Sender daraufhin das Wechselfeld mit der für den abzufragenden Sensor charakteristischen Frequenz ausstrahlt, oder ob die Reihenfolge der Abfrage der Sensoren im Sender und der Auswerteeinheit getrennt abgelegt nach einem festen Programm erfolgt.

Die Reihenfolge der Abfrage der einzelnen Sensoren ist beliebig und kann sowohl ortsabhängig als auch niveauabhängig erfolgen. Insbesondere bei der niveauabhängigen Meßstellenabfrage läßt sich der Meßaufwand minimieren, indem in Abhängigkeit vom ermittelten Füllstand nur die interessierenden Meßstellen abgefragt werden. So werden bei relativ hohem Füllstand nur die Meßstellen der oberen Niveaus des Flüssigkeitsbehälters abgefragt. Analog dazu werden bei niedrigem Füllstand nur die Meßstellen der untersten Niveaus abgefragt.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die zugehörigen Figuren zeigen in
1 die Anordnung des erfindungsgemäßen Füllstandsgebers in einem Kraftfahrzeug,
2 die Anordnung mehrerer Sensoren in einem aus mehreren Kammern bestehenden Kraftstofftank.
Das in 1 schematisch dargestellte Kraftfahrzeug 1 besitzt im hinteren Teil einen Kraftstofftank (Flüssigkeitsbehälter 2). Sensoren 3, 3' aus magnetostriktivem Material sind an der Innenwand des Kraftstofftanks (2) befestigt. Eine Sende- und Empfangseinheit 4 ist im vorderen Teil des Kraftfahrzeuges 1 angeordnet. Die Sende- und Empfangseinheit 4 erzeugt in Intervallen von einer Sekunde ein magnetisches Wechselfeld 5 und regt dadurch die Sensoren 3, 3' zu Schwingungen an. Die Frequenz der Schwingungen der Sensoren 3, 3' werden von der Sende- und Empfangseinheit 4 aufgenommen und einer Aus werteeinheit 6 zugeführt. Das dort gebildete Signal wird danach an eine Anzeigeeinheit 7 für den Füllstand weitergeleitet.
2 zeigt einen Ausschnitt des Kraftstofftanks (2), der in die Kammern 8, 8' unterteilt ist. In der Kammer 8 ist eine Fördereinheit 9 zum Fördern des Kraftstoffs zum Motor des Kraftfahrzeugs angeordnet, während in der Kammer 8' eine Saugstrahlpumpe 10 zum Fördern des Kraftstoffs aus der Kammer 8' in den Schwalltopf der Fördereinheit 9 angeordnet ist. An beiden Einbauten (Bauteile 9, 10) ist je ein Halter 11 befestigt, auf dem sich jeweils eine Meßstelle bildende Sensoren 3a – d befinden. Alle Sensoren 3a – d sind in ihren Abmessungen derart unterschiedlich, daß ihre Eigenfrequenzen sich voneinander signifikant unterscheiden. Zur Ermittlung des Füllstandes wird von der Sende- und Empfangseinheit 4 ein magnetisches Wechselfeld 5 mit einer Frequenz erzeugt, die der Eigenfrequenz des Sensors 3a an Luft entspricht. Daraufhin wird der Sensor 3a in Schwingung versetzt, während die Sensoren 3b – d bei dieser Frequenz nahezu keine Schwingungen ausführen. Die gemessenen Werte der Schwingung werden der Auswerteeinheit 6 zugeführt. Aufgrund eines entsprechenden Signals der Sende- und Empfangseinheit 4 werden die gemessenen Werte mit einem Sollwert des Sensors 3a verglichen. Daraus wird ein erstes Signal gebildet, das zwischengespeichert wird. Danach wird der gesamte Vorgang wiederholt, wobei das magnetische Wechselfeld 5 nun eine Frequenz besitzt, die der Eigenfrequenz des Sensors 3c an Luft entspricht. Nach erfolgter Auswertung werden so die Sensoren 3b und 3d abgefragt. Zum Schluß wird aus den ersten Signalen der Sensoren 3a – d ein zweites Signal gebildet, das dann den Füllstand in dem Kraftstofftank (2) widerspiegelt. Neben der Füllstandsanzeige in Kraftstofftanks von Kraftfahrzeugen umfaßt die Erfindung aber auch alle anderen Flüssigkeitsbehälter, in denen ein Füllstand gemessen werden soll. Das Verfahren ist dabei auch bei einfach geformten Flüssigkeitsbehältern anwendbar, wenn mehrere Sensoren zum Ermitteln unterschiedlicher Füllstände eingesetzt sind.

Claims

Füllstandsgeber für einen Flüssigkeitsbehälter mit mehreren Sensoren und einer Auswerteeinheit für die von den Sensoren gemessenen Werte, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (3a – d) aus magnetostriktivem Material bestehen, daß das magnetostriktive Material jedes Sensors (3a – d) durch ein magnetisches Wechselfeld (5) zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, daß die Sensoren (3a – d) in ihren Abmessungen derart unterschiedlich sind, daß jeder Sensor (3a – d) ein eigenes charakteristisches Schwingungsverhalten besitzt, daß alle Sensoren (3a – d) innerhalb des Flüssigkeitsbehälters (2) befestigt sind, daß eine Sende- und Empfangseinheit (4) zum Senden und Empfangen des magnetischen Wechselfeldes (5) außerhalb des Flüssigkeitsbehälters (2) angeordnet ist, und daß die Sende- und Empfangseinheit (4) mit einer Auswerteeinheit (6) zur Detektion der mechanischen Schwingungen der Sensoren (3a – d) verbunden ist.
Füllstandsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Sensoren (3a – d) eine Beschichtung, vorzugsweise eine Folie, angeordnet ist.
Füllstandsgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (3a – d) an der Wand des Flüssigkeitsbehälters (2) durch Kleben oder Verrasten angeordnet sind.
Füllstandsgeber nach zumindest einem der vorstehendem Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (3a – d) an im Flüssigkeitsbehälter (2) befindlichen Bauteilen (9, 10), vorzugsweise an einem Schwalltopf einer Fördereinheit, angeordnet sind.
Füllstandsgeber nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (3a – d) an einer Stelle des Flüssigkeitsbehälters (2) übereinander angeordnet sind.
Füllstandsgeber nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (3a – d) an mehreren Meßstellen übereinander angeordnet sind.
Füllstandsgeber nach zumindest einem der. vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende- und Empfangseinheit (4) räumlich getrennt angeordnet sind.
Verfahren zur Ermittlung eines Füllstandes in einem Flüssigkeitsbehälter mit einem Füllstandsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren mit einem außerhalb des Flüssigkeitsbehälters erzeugten magnetischen Wechselfeld beaufschlagt werden, dass das magnetische Wechselfeld derart variiert wird, dass es nacheinander an das Schwingungsverhalten eines jeden Sensors angepasst wird, dass die dadurch erzeugten Schwingungen detektiert und einer Auswerteelektronik zugeführt werden, dass die gemessenen Werte jeweils einem Sensor zugeordnet und daraus ein erstes Signal für den Bedeckungsgrad des jeweiligen Sensors gebildet wird; und dass aus den ersten Signalen der einzelnen Sensoren ein zweites Signal für den Füllstand im Flüssigkeitsbehälter gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes so gewählt wird, dass der jeweilige Sensor mit Eigenfrequenz schwingt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes ein Frequenzbereich ist, in dem die Eigenfrequenz des jeweiligen Sensors liegt, und dass der Frequenzbereich intervallartig durchlaufen wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8 – 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes derart gewählt wird, dass der jeweilige Sensor mit Eigenfrequenz an Luft schwingt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8 – 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes derart gewählt wird, dass der jeweilige Sensor mit Eigenfrequenz in der Flüssigkeit schwingt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8 – 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz, die Amplitude und/oder die Abklingzeit der Schwingung des jeweiligen Sensors gemessen wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8 – 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes zwischen 20 und 100 Kilohertz gewählt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8 – 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Füllstandes im Flüssigkeitsbehälter intervallweise durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Intervalle aus einem Bereich von einigen Millisekunden bis einigen Minuten gewählt werden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8 – 16, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Auswerteeinheit gebildeten zweiten Signale über die Zeit gemittelt werden und aus dem Mittelwert das Signal für den Füllstand gebildet wird.