DE3148383A1

DE3148383A1 - Vorrichtung zur messung des fuellstandes

Info

Publication number: DE3148383A1
Application number: DE19813148383
Authority: DE
Inventors: Michael Ing.(Grad.) 6204 Taunusstein Pohling; Helmut Dipl.-Ing. 8000 München Rabl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Adam Opel GmbH
Priority date: 1981-12-07
Filing date: 1981-12-07
Publication date: 1983-06-16
Also published as: DE3148383C2

Description

Vorrichtuniq zur Messung~des Füllstandes
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Füllstandes in einem eine Flüssigkeit enthaltenden Behälter, insbesondere einem Kraftstofftank in Kraftfahrzeugen, bei der innerhalb des Behälters eine Kaltleiter (PTC)-Sonde angeordnet ist, die mit einer außerhalb des Behälters angeordneten Anzeigevorrichtung verbunden ist.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-A1-2549258 bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung ist als meßelement ein stabformiger Kaltleiter vorgesehen, der senkrecht in den Brennstoffbehälter eingebaut ist.
Derartige Kaltleiter, die auch als PTC-Widerstände bezeichnet werden, bestehen-aus keramischen Massen, welche hauptsächlich Erdalkalititanate enthalten, die durch geeignete Dotierung haibleitend gemacht sind. Die Widerstands-Temperatur-Kennlinie dieser Kaltleiter verläuft bekanntlich derart, daß der Widerstand oberhalb der Curietemperatur innerhalb eines engen Temperaturbereichs um einige Zehner-Potenzen zunimmt. Durch Abänderungen der stofflichen Zusammensetzung des Kaltleitermaterials läßt sich der Beginn des Widerstandanstiegs innerhalb eines Bereiches von (bei den gebräuchlichen Kaltleiterformen) - 30 bis + 160 0C frei wählen.
Bei der Anwendung als Flüssigkeitsstandsfühler wird der.
Kaltleiter durch die angelegte Meßspannung bis in den Temperaturbereich des steilen Widerstandsanstiegs aufgeheizt. Im Strom-Spannungs-Diagramm liegt dieser Betriebszustand im Gebiet fallender Strom-Spannungs-Kennlinie. Dabei ist bei konstant gehaltener Spannung der Strom durch den Kaltleiter in der Flüssigkeit ungefähr doppelt so groß wie der Strom, der durch ihn in Luft fließt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der Kaltleiter in Flüssigkeit mehr Wärme abgeben kann, d. h.
stärker abgekühlt wird als in Luft; stärkerer Abkühlung und damit kleinerer Temperatur entspricht aber kleinerer Widerstand und damit höherer Strom.
Die Fiillstandsanzeigevorrichtung der eingangs angegebenen Art hat den Vorteil, daß sie nicht - wie bei den herkömmlichen Füllstandanzeigevorrichtungen - einen Schwimmer im Tank benötigt, der in irgendeiner Weise einen elektrischen Widerstandsdraht mehr oder weniger überbrückt.
Es sind somit keine mechanisch beweglichen Teile im Tank notwendig. Auch andere bekannte Systeme, die beispielsweise die kapazitiven Anderungen entlang einer Sonde ausnützen, die von einer Tankflüssigkeit mehr oder weniger umspült ist, sind problematisch, wenn mit Flüssigkeiten gerechnet werden muß, die unterschiedliche dielektrische Eigenschaften aufweisen. Außerdem liefern derartige Systeme nur geringe Ausgangssignale.
Obgleich somit die Füllstandsanzeigevorrichtung der eingangs genannten Art Vorteile gegenüber den herkömmlichen Anzeigevorrichtungen aufweist, können sich jedoch Probleme ergeben, die in der Natur des Kaltleitermaterials begründet sind. Wie bereits erwähnt, bestehen derartige Kaltleiter aus keramischen Massen, wobei bei einem langen Kaltleiterstab, der in der bekannten Vorrichtung eingesetzt wird, auf besonders sorgfältige Herstellungsverfahren geachtet werden muß. Sind nämlich aus irgendeinem Grunde Inhomogenitäten im Kaltleiterstab vorhanden, so besteht die Gefahr, daß im Stab durch die mechanischen Spannungen, welche durch die unterschiedliche Temperatur verteilung im Kaltleitermaterial hervorgerufen werden, im Laufe der Zeit Risse entstehen, wodurch die Messvorrichtung schlimmstenfalls unbrauchbar wird, aber auf Jeden Fall eine änderung der bei der Herstellung geeichten Anzeige hervorgerufen wird.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Messung des Füllstandes anzugeben, welche kostengunstig herzustellen ist, und die die genannten Schwierigkeiten nicht aufweist.
Diese Aufgabe wird bei einer Füllstandsvorrictung der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Sonde aus einer Kaltleiterkette besteht.
Damit wird der Vorteil erzielt, daß bei der erfindungsgemäßen Kaltleiterkette, die aus einer Anzahl von Kaltleitertabletten besteht, der einzelne Kaltleiter entweder ganz in die Flüssigkeit ein- bzw. austaucht. Es besteht somit nicht die Gefahr von mechanischen Spannungen im Kaltleitermaterial, zumal auch die Einzelelemente verhältnismäßig klein sind.
Es sind zwar bereits Schaltungen zur Niveaukontrolle von Flüssigkeiten bekannt geworden, die mit diskreten Kaltleitern für ein oberes bzw. unteres Niveau arbeiten, jedoch eignen sich derartige Schaltungen nicht zur Füllstandsanzeige, da bei ihnen lediglich die Zustände "voller Tank" bzw. "leerer Tank" angegeben werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt.
Die Wirkungsweise des Gegenstandes der Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.
In der dazugehörenden Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine Kaltleiterkette mit Vielfachkabel und Anzeigelämpchen, Fig. 2 eine Kaltleiterkette mit parallel geschalteten Kaltleitern und Referenzkaltleitern, Fig. 5 eine Kaltleiterkette mit unterschiedlichen Meßelement-Abständen, Fig. 4 die Flüssigkeitsstandmessung bei geometrisch komplizierter Tankausfuhrung, Fig. 5 die Prinzipschaltung einer Auswerte-Elektronik bei parallel geschalteten Kaltleitern, Fig. 6 die Kennlinie der Ausgangsspannung bei parallel geschalteten Kaltleitern in Abhängigkeit vom Füllstand und Fig. 7 eine Vorrichtung mit Reserve-Anzeige.
In der Figur 1 ist die FUllstandsmessung in einem Tank 1 dargestellt, der mit einer Flüssigkeit 2 teilweise gefüllt ist. Zur Messung des Füllstandes wird eine Kaltleiterkette 3 verwendet, die aus vier Einzelkaltleitern 4, 5, 6, 7 besteht. Der eine Anschluß der Kaltleiter 4 bis 7 ist über die gemeinsame Leitung 8 an Masse gelegt. Der andere Anschluß der Kaltleiter 4 bis 7 ist über das Vielfachkabel 9 und die Anzeigelämpchen 10, 11, 12, 13 mit dem Pluspol einer Stromversorgung i , beispielsweise der Kraftfahrzeugbatterie, verbunden.
Die elektrischen Nenndaten der Kaltleiter 4 bis 7 und der Glübfadenwiderstand der Anzeigelämpchen 10 bis 13 sind dabei derart aufeinander abgestimmt, daß sich die Kaltleiter 4 bis 7 bei der angelegten Spannung auf eine Temperatur aufheizen, welche dem Bereich des steilen Widerstandsanstieges entspricht.
Durch die bereits erwähnten physikalischen Zusammenhänge wird bei entsprechender Dimensionierung erreicht, daß die den in die Flüssigkeit 2 eingetauchten Kaltleitern 6, 7 zugeordneten Anzeigelämpchen 12, 13 aufleuchten, da den Kaltleitern 6, 7 durch die Flüssigkeit 2 soviel Wärme entzogen wird, daß sie sich im Bereich niedriger Widerstandswerte befinden.
Den Kaltleitern 4, 5, die aus der Flüssigkeit 2 ausgetaucht sind, wird diese Wärme nicht entzogen, wodurch sie sich derart aufheizen, daß ihr Widerstand so hoch wird, daß der durch sie fließende Reststrom nicht ausreicht, die ihnen zugeordneten Anzeigelämpchen 10, 11 zum Aufleuchten zu bringen. Bei der in der Figur 1 dargestellten Ausfüurungsform wird eine Kaltleiterkette 3 mit vier Einzelkaltleitern 4 bis 7 verwendet, die entsprechend ihrer Anordnung beispielsweise die FUllzustande des Tanks 1 "voll", t73/4-voll", "1/2-volln und "1/4 voll" signalisieren können. Die Anzahl der Einzelkaltleiter kann jedoch auch, je nach gewünschter Auflösung der Anzeige, beliebig anders sein und wird durch wirtschaftliche Uberlebungen bestimmt. Anstelle der in der Figur 1 dargestellten Anzeigelämpchen 10 bts 13 können beispielsweise auch Lumineszenzdioden verwendet werden.
Die Kaltleiterkette 3 wird im Tank 1 festgehend befestigt, was beispielsweise bei einem Kraftstofftank vorzugsweise am Kraftstoffsaugrohr geschieht.
Wenn die erfindungsgemäße Meßvorrichtung für die Anzeige des Kraftstoffvorrates in einem Kraftfahrzeug verwendet wird, besteht die Gefahr, daß durch die Fahrbedingungen die Oberfläche der Flüssigkeit 2 kurzfristigen Schwankungen unterworfen wird. Hierdurch kann ein Flackern in der Anzeige der Glühlämpchen bewirkt-werden, wodurch unter Umständen eine genaue Zuordnung des tatsächlichen Flüssigkeitsstandes erschwert wird. Um dies zu verhindern wird vorzugsweise ein Kunststoffrohr über die Kaltleiterkette 3 gestülpt, wodurch Schwankungen der Flüssigkeitsoberfläche gedämpft werden und die Anzeigegenauigkeit damit erhöht wird.
Die erfindungsgemäße Neßvorrichtung hat den Vorteil, daß sie keine beweglichen Teile aufweist, eine hohe Anzeigegenauigkeit hat, kostenglnstig herzustellen ist, sowie eine geringe Störanfälligkeit aufweist, wobei die Betriebsspannung keinen Einfluß auf die Anzeige ausübt.
In der Figur 2 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der eine Kaltleiterkette 14 in einem Tank 15 mit Flüssigkeit 16 angeordnet ist. Die Kaltleiterkette 14 ist aus acht parallel geschalteten Einzelkaltleitern 17 aufgebaut. Außerhalb des Tanks 15, also an einer Stelle an der die Flüssigkeit 16 nicht hingelangen kann, ist ein Referenzkaltleiter 18 angeordnet.
Drei Anschlüsse 19, 20, 21 der Kaltleiterkette 14 sind nach außen gefUhrt,-wobei beispielsweise der Anschluß 19 ein gemeinsamer Anschluß für alle Kaltleiter der Kaltleiterkette 14, der Anschluß 20 der andere Anschluß für die parallel geschalteten Kaltleiter 17 und der Anschluß 21 den anderen Anschluß für den Referenzkaltleiter 18 darstellt. Die Anschlüsse 19 bis 21 sind beispielsweise mit einer Auswerte-Elektronik verbunden, deren Wirkungsweise anhand eines anderen Ausführungsbeispiels beschrieben wird.
In der Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Kaltleiterkette nach der Erfindung dargestellt, die in einem Tank 23 mit unterschiedlichen Tank-Querschnitten eingesetzt ist. Um eine lineare Anzeige des Füllstandes der im Tank 23 enthaltenen Flüssigkeit 24 zu erhalten sind die Abstände der einzelnen Kaltleiter 25 der Kaltleiterkette 22 untereinander nicht gleich. Vorteilhafterweise werden dabei die Abstände d der einzelnen Kaltleiter 25 untereinander derart gewählt, daß sie umgekehrt proportional zum vorhandenen Tank-Querschnitt q an der betreffenden Stelle sind: d'v 1/q.
Am oberen Ende der Kaltleiterkette 22 ist außerhalb des Tanks 23 wieder ein Referenz-Kaltleiter 26 angeordnet.
Die Anschlüsse 27, 28, 29 der Kaltleiterkette 22 sind in gleicher Weise wie bei der Figur 2 beschrieben mit den Kaltleitern 25 bzw. 26 verbunden und werden beispielsweise an eine Auswertelektronik angeschlossen.
In der Figur 4 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, wie der Füllstand einer Flüssigkeit 32 bei einer geometrisch komplizierten Ausführung des Tanks 31 vorgenommen werden kann. Die Kaltleiterkette 30 mit den Meßkaltleitern 33 und dem Referenzkaltleiter 34 ist flexibel ausgebildet, was sich vorzugsweise dadurch erreichen läßt, daß die Kaltleiterkette 30 mit einem Schrumpfschlauch 35 umhüllt ist. Dadurch läßt sich die Kaltleiterkette 30 beliebigen Tankausführungen anpassen. Die Umhüllung mit dem Schrumpfschlauch hat noch den Vorteil, daß die Meßkaltleiter 33 mit den Kontaktstellen und den Zuleitungsdrähten nicht direkt mit der Flüssigkeit 32 im Tank 31 in Berührung kommen können, aber trotzdem ein guter Wärmekontakt zwischen Flüssigkeit 32 und Meßkaltleitern 33 erhalten bleibt. Auch bei dieser Ausführungsform sind die Abstände d der einzelnen Kaltleiter 33 umgekehrt proportional zum Querschnitt q an der betreffenden Stelle des Tanks 31, wobei d senkrecht zu der durch q gebildeten Ebene gemessen wird.
In der Figur 5 ist die Prinzipschaltung einer Auswerte-Elektronik für eine Kaltleiterkette 36 mit acht parallel geschalteten Kaltleitern 37 a bis 37 g sowie einem Referenzkaltleiter 38 dargestellt. Der Anschluß 39 dient als gemeinsamer Anschluß für alle Kaltleiter und ist mit dem Pluspol einer Spannungsquelle Ug verbunden. Um eine reproduzierbare Anzeige zu erhalten ist es erforderlich, daß die Spannungsquelle U3 stabilisiert ist. Der gemeinsame Anschluß 40 der parallel geschalteten Meßkaltleiter 37 a bis 37 g ist über den Lastwiderstand R, der gegen Masse liegt, verbunden. Der Anschluß 41 des Referenz= Kaltleiters 38 liegt ebenfalls über einen Lastwiderstand, der aus dem Festwiderstand R1 und dem veränderlichen Widerstand R2 besteht, an Masse. Die an den Punkten 40 und 41 entstehenden Spannungen werden über die Widerstände Rf bzw, R4 den beiden Eingängen des Operationsverstärkers OP 1 zugeführt. Die Widerstände , R1o, R11 und R12 sind die zum Betrieb des Operationsverstärkers in bekannter Weise erforderlichen äußeren Beschaltungselemente.
Mit Hilfe des Widerstandes R2 wird die Schaltung derart abgeglichen, daß das Meßinstrument I auf Nullstellung ist, wenn sämtliche Meßkaltleiter 37 a bis 37 g in Luft sind, d. h. wenn der Tank leer ist. Der Maximalausschlag des Meßinstruments I wird erreicht, wenn sämtliche Meßkaltleiter 37 a bis 37 g in die Tankflüssigkeit eingetaucht sind.
Der Operationsverstärker OP 2, dessen Ausgang mit einem Eingang des Operationsverstärkers OP 1 verbunden ist, wirkt als Schalter und hat die Aufgabe, daß nach dem Einschalten der Anordnung während der Aufheizphase der Kaltleiter vom Meßinstrument 1 kein undefinierter Zustand angezeigt wird. Der Operationsverstärker OP 2 ist so geschaltet, daß die Anzeige erst freigegeben ist, wenn der Kondensator C bis zu einer gewissen Spannung a aufgeladen ist. Die Ladezeitkonstante des Kondensators C ist dabei derart gewählt, daß sie größer als die Zeitkonstante für das Aufheizen der Kaltleiter ist. Mit Hilfe des Potentiometers R6 kann eine evtl. erforderliche Anpassung vorgenommen werden. Die Operationsverstärker OP 1 und OP 2 sind vorzugsweise als Doppeloperationsverstärker ausgebildet und in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht.
In der Figur 6 ist die Kennlinie dargestellt, die sich bei einer Kaltleiterkette mit acht parallel geschalteten Meßkaltleitern ergibt, die im Abstand von Jeweils 2 cm angeordnet sind. Die Ausgangsspannung u am Ausgang des Transistors C in Figur 5 wurde dabei mit 100 % &ngesetzt, wenn alle Meßkaltleiter in die Tankflssigkeit eingetaucht sind, daß heißt, wenn der Tank voll ist. Der Figur 6 ist zu entnehmen, daß immer, wenn die Flüssigkeit bei einer Erhöhung oder Erniedrigung des FUllstandes die Stelle eines Meßkaltleiters erreicht, eine Stufe entsteht, die aber in Folge der Wärmeleitung durch die Verbindungsdrähte und die Schutzumhiillung so stark verschliffen ist, daß der Beobachter die StufenfGrmigkeit der Kennlinie kaum wahrnimmt. Infolge der Wärmeträgheit des Sensors wird ein kurzzeitiges Schwabbeln so stark gedämpft, daß es auch bei einem schnell reagierenden Instrument in der Anzeige nicht wahrnehmbar ist.
Die Anzahl der Meßkaltleiter in der Raltleiterkette richtet sich nach den Anforderungen, die an die Anzeige gestellt werden. In den Ausführungsbeispielen sind Kaltleiterketten dargestellt, welche 8 parallel geschaltete Meßkaltleiter enthalten. Bei einer höheren Anzahl ist zu berücksichtigen, daß neben einer Verteuerung des Sensors auch ein entsprechend erhöhter Strombedarf entsteht.
Bei einer niedrigeren Anzahl besteht die Gefahr, daß die Auflösung leidet, da die Kennlinie zu große Stufen aufweist.
In der Figur 7 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der die erfindungsgemäße Kaltleiterkette neben den parallel geschalteten Meßkaltleitern 42 und dem Referenzkaltleiter 43 einen weiteren Kaltleiter 44 enthält. Der Anschluß 45 dient dabei als gemeinsamer Anschluß für alle Kaltleiter, während der Anschluß 48 des Kaltleiters 44 ebenso gesondert herausgeführt ist wie der Anschluß 47 des Referenzkaltleiters 43. Die Meßkaltleiter 42 weisen, da sie parallel geschaltet sind, einen gemeinsamen Anschluß 46 auf.
In der Auswerteelektronik s werden die Ausgangssignale der Kaltleiter in einer Weise verarbeitet, wie es beispielsweise anhand der Figur 5 beschrieben wurde. Das Instrument I zeigt damit Vollausschlag, wenn sämtliche Meßkaltleiter 42 in die Flüssigkeit eingetaucht sind.
Der Kaltleiter 44 dient als Geber für einer Reserveanzeige mittels des Lämpchens L, daß dann aufleucntet, wenn nur noch der Kaltleiter 44 mit Flüssigkeit bedeckt ist. Das analoge Anzeigeinstrument ist.dann auf der Stellung Null bzw. "leer" da sich die Meßkaltleiter 42 alle außerhalb der Flüssigkeit befinden.
10 Patentansprüche 7 Figuren

Claims

Patentans rüche (71. Vorrichtung zur Messung des Füllstandes in einem eine Flüssigkeit enthaltenden Behälter, insbesondere einem Kraftstofftank in Kraftfahrzeugen, bei der innerhalb des Behälters eine Kaltleiter (PTC)-Sonde angeordnet ist, die mit einer außerhalb des Gerätes angeordneten Anzeige vorrichtung verbunden ist, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß die Sonde aus einer Kaltleiterkette besteht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß der eine Anschluß jedes Kaltleiters der Sonde über ein Vielfachkabel mit der Anzeigevorrichtung verbunden ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Anzeigevorrichtung für Jeden einzelnen Kaltleiter eine Glühlampe bzw. Leuchtdiode enthält, die mit dem Kaltleiter in Reihe geschaltet sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a -durch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Kaltleiterkette in einem Kunststoffrohr angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Kaltleiterkette aus parallel geschalteten Kaltleitern mit gemeinsam herausgeführten Anschlüssen besteht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c -h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Kaltleiterkette zusätzlich einen stets außerhalb der Flüssigkeit angeordneten Referenzkaltleiter mit getrennt heraus geführtem Anschluß enthält.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Kaltleiterkette einen Kaltleiter für eine Reserve-Anzeige mit getrennt herausgeführtem Anschluß enthält.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Kaltleiterkette in einem Schrumpfschlauch angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ausgänge der Kaltleiterkette mit einer Auswerte-Elektronik verbunden sind, die einen Operationsverstärker enthält, an dessen Ausgang ein Meßinstrument angeschlossen ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Abstände zwischen den einzelnen Kaltleitern der Kaltleiterkette unterschiedlich sind.