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Einrichtung zur Anzeige des Füllstandes in einem Behälter
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Anzeige des Füllstandes
in einem Behälter, insbesondere einem Kraftfahrzeugtank, gemäß den Merkmalen des
Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Bei einer solchen Anzeigeeinrichtung muß man dafür sorgen, daß beim
Einschalten der Spannungsquelle für die Signalauswerteschaltung der Meßwert möglichst
schnell von dem Anzeigegerät angezeigt wird. Andererseits sollten aber störende
Schwankungen des Meßwertes, die durch die Fahrzeugbewegung hervorgerufen werden,
ausgefiltert werden. Zur Lösung dieser Probleme ist in der DE-OS 28 49 066 bereits
eine Tankanzeigeeinrichtung beschrieben, bei der das Signal des Meßwertgebers einem
Analog-Digital-Wandler zugeführt wird, der von einem Taktgeber gesteuert wird. Dieser
Taktgeber arbeitet offenbar mit einer konstanten und möglichst hohen Taktfrequenz,
damit das Signal des analogen Meßwertgebers in digitaler Form unverzögert am Ausgang
dieses Wandlers erscheint. Die Signalauswerteschaltung bei dieser Ausführung weist
eine Reihe von weiteren Bausteinen auf, mit denen ein digitaler Tiefpaß realisiert
wird. Dieser digitale Tiefpaß soll die Meßwertschwankungen ausfiltern.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anzeigeeinrichtung
dieser Art hinsichtlich des konstruktiven Aufwandes zu vereinfachen, ohne daß dadurch
die Funktion verschlechtert wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, daß ein Analog-Digital-Wandler
bereits eine einem Tiefpaß vergleichbare Wirkung hat, wenn man die Taktfrequenz
des diesem Wandler zugeordneten Taktgenerators richtig auswählt. Bei einem solchen
Analog-Digital-Wandler ändert sich nämlich die Ausgangsgröße immer nur um einen
bestimmten Betrag pro Zähltakt, unabhängig davon um welchen Betrag sich dabei die
Eingangsgröße ändert. Das Ausgangs signal am Analog-Digital-Wandler kann also schnellen
Änderungen des Meßwertes nicht folgen. Der Einsatz eines solchen Analog-Digital-Wandlers
mit
einer niedrigen Taktfrequenz würde jedoch die Anzeige beim erstmaligen Einschalten
der Anzeigeeinrichtung unzulässig lange verzögern. Damit auch dieses Problem gelöst
wird, wird erfindungsgemäß die Taktfrequenz des Taktgenerators zunächst auf einen
hohen Wert eingestellt, so daß der Meßwert etwa beim Einschalten der Zündung nahezu
unverzögert angezeigt wird.
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Insgesamt ist damit durch Verwendung eines an sich herkömmlichen Analog-Digital-Wandlers,
dessen Taktfrequenz umschaltbar ist, praktisch ein Tiefpaß mit veränderlicher Zeitkonstante
geschaffen, so daß weitere Bausteine in der Signalauswerteschaltung nicht benötigt
werden.
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Man könnte sich eine Ausführung denken, bei der der Taktgenerator
zunächst beim Einschalten der Spannungsquelle mit einer hohen Taktfrequenz arbeitet
und auf die niedrige Taktfrequenz umschaltet, sobald der Anzeigewert nur noch um
einen bestimmten Betrag vom Meßwert abweicht. Der Zeiger des Anzeigegerätes würde
dann ausgehend von der Ruhestellung zunächst rasch zum Endwert hin bewegt werden,
das letzte Stück aber aufgrund der Verringerung der Taktfrequenz nur noch langsam
wandern.
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Einfacher ist hingegen eine Lösung, bei der der Taktgenerator auf
die niedrige Taktfrequenz umgestellt wird, wenn der Anzeigewert erstmals dem Meßwert
entspricht. Dann sind nämlich keine zusätzlichen Bausteine notwendig, denn bei herkömmlichen
Analog-Digial-Wandlern wird ohnehin das Eingangssignal mit dem Ausgangssignal verglichen.
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Außerdem könnte man sich Lösungen vorstellen, bei denen der Taktgenerator
auf die höhere Taktfrequenz zurückgestellt wird, wenn der Anzeigewert um einen bestimmten
Betrag vom Meßwert abweicht. Damit würde beispielsweise beim Auffüllen des Tankes
der Anzeigewert möglichst rasch dem Meßwert folgen. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung wird jedoch vorgeschlagen, auf diese von der Differenz zwischen Anzeigewert
und Meßwert abhängige Rückstellung des Taktgenerators zu verzichten und stattdessen
diese Rückstellung nur durch das Ein- und/oder Ausschalten der Versorgungsspannung
zu erwirken. Bei dieser Weiterbildung der Erfindung wird berücksichtigt, daß beim
Tanken eines Kraftfahrzeuges die Versorgungsspannung ohnehin abgeschaltet sein sollte.
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Die Erfindung und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachstehend
anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
In dem Schaltbild nach Fig. 1 ist mit 1 ein Betriebsschalter bezeichnet, über den
eine nicht näher dargestellte Spannungsquelle mit der insgesamt mit 2 bezeichneten
Signalauswerteschaltung verbunden werden kann.
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Mit 3 ist ein Meßwertgeber bezeichnet, der in den Tank eines Kraft
fahrzeuges eingebaut ist und einen schwimmerbetätigten Hebel aufweist, der in bekannter
Weise auf ein Potentiometer einwirkt. Ein Anzeigegerät 4 soll den Tankinhalt anzeigen.
Bei diesem Anzeigegerät handelt es sich um ein spannungskompensiertes Instrument
mit zwei Wicklungen. In dem Schaltbild ist außerdem mit 5 ein Netzteil bezeichnet,
das für bestimmte Bausteine die geeignete Versorgungsspannung liefert, was später
noch beschrieben wird.
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Außerdem ist der Vollständigkeit halber ein Schaltkreis 6 dargestellt,
über den eine Reserveanzeigelampe 7 angesteuert wird.
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Die Signalauswerteschaltung 2 beinhaltet einen Analog-Digital-Wandler
10, der in an sich bekannter Weise aus einer Vergleichsstufe 11, einem Taktgenerator
12, einem Vorwärts-Rückwärtszähler 13 und einem Digital-Analog-Wandler 14 aufgebaut
ist. Zusätzlich gehört zu der Signalauswerteschaltung 2 noch ein Speicher 15, dessen
Ausgangssignal zur Umstellung der Taktfrequenz des Taktgenerators 12 ausgewertet
wird.
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Schließlich erkennt man in Fig. 1 noch einen Verstärker 16, über den
das Anzeigegerät 4 gesteuert wird.
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Nachfolgend werden diese Schaltstufen im einzelnen beschrieben.
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Zu dem Netzteil 5 gehören der Widerstand 20 die beiden Kondensatoren
21 und 22 sowie die Zenerdiode 23. Dieses Netzteil ist in herkömmlicher Weise aufgebaut
und liefert an seinem Ausgang 24 eine stabilisierte Ausgangsspannung von 7 Volt.
Zur Vergleichsstufe 11 gehört ein Operationsverstärker 25, dessen nichtinvertierendem
Eingang das Meßwertsignal des Meßwertgebers 3 zugeführt wird. Dem invertierenden
Eingang dieses Operationsverstärkers wird über die Leitung 26 ein Signal zugeführt,
das dem Anzeigewert proportional ist. Das Ausgangssignal dieses Operationsverstärkers
wird über den Widerstand 27 auf den nichtinvertierenden Eingang gekoppelt, der außerdem
an einem Spannungsteiler
gebildet aus den Widerständen 28 und 29
liegt.
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Zu dem Taktgenerator 12 gehören der Operationsverstärker 30, die Widerstände
31, 32, 33 und 34 sowie der Kondensator 35. Der Taktgenerator entspricht insoweit
herkömmlichen Schaltungen, wobei der Widerstand 34 und der Kondensator 35 das die
Taktfrequenz beeinflussende Zeitglied bilden. Dabei kann einem die Taktfrequenz
bestimmenden Baustein, nämlich dem Kondensator 35, ein weiterer Kondensator 36 über
die Entkopplungsdiode 37. und die Schaltstrecke eines Transistors 40.parallelgeschaltet
werden, so daß die Taktfrequenz geändert wird.
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Mit den Transistoren 40 und 41 sowie den Widerständen 42, 43, 44 und
45 ist ein Schaltkreis aufgebaut, der die Funktion eines Speichers 15 aufweist.
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Dieser Speicher 15 wird über die Diode 46 an dem Ausgangssignal der
Vergleichsstufe 11 gesetzt, wie das später noch beschrieben wird, und beim Einschalten
der Versorgungsspannung über den Kondensator 47 zurückgesetzt.
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Der Vorwärts-Rückwärtszähler 13 ist aus zwei handelsüblich integrierten
Bausteinen 50 und 51 aufgebaut. Dabei sind die Takteingänge dieser Bausteine mit
52, die Rücksetzeingänge mit 53 und die Zählrichtungseingänge mit 54 bezeichnet.
Diese integrierten Bausteine 50, 51 werden über die Leitung 55 aus dem Netzteil
5 gespeist. Die Rücksetzeingänge 53 liegen am gemeinsamen Verbindungspunkt eines
Widerstandes 56 und eines Kondensators 57, dessen anderer Anschluß an der Masseleitung
58 liegt. Damit wird sichergestellt, daß beim Einschalten des Betriebsschalters
1 der Zähler 13 auf den Zählerstand 0 zurückgesetzt wird.
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An die einzelnen Ausgänge des Zählers 13 ist jeweils ein Widerstand
angeschlossen, wobei diese Widerstände zusammen ein Widerstandsnetzwerk 60 bilden,
durch die ein Digital-Analog-Wandler 14 realisiert ist. Das analoge Signal kann
an dem gemeinsamen Schaltungspunkt 61 aller Widerstände abgegriffen werden. Die
Werte dieser einzelnen Widerstände des Widerstandsnetzwerkes 60 sind in bekannter
Weise binär gestuft, so daß am Teilerpunkt 61 eine Spannung meßbar ist, die dem
binären Zahlenwert des Zählers 13 entspricht.
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Diese Spannung wird dem Verstärker 16 mit dem Operationsverstärker
65 und dem davon angesteuerten Transistor 66 zugeführt, dessen Kollektor-Emitter-Strecke
ein Widerstand 67 parallelgeschaltet ist. Uber die Kollektor-Emitter-Strecke dieses
Transistors 66 fließt der das Anzeigegerät 4 erregende Strom.
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Im folgenden wird nun die Funktion der bisher beschriebenen Schaltung
näher erläutert, wobei zunächst davon ausgegangen wird, daß der Betriebsschalter
1 geöffnet ist und im Tank eine bestimmte Flüssigkeitsmenge enthalten sein soll.
Wird nun der Betriebsschalter 1, der beispielsweise der Zündschalter des Kraftfahrzeuges
sein kann, geschlossen, wird der Signalauswerteschaltung 2 eine Betriebsspannung
zugeführt. Da der Kondensator 57 zunächst entladen ist, wird beim Einschalten der
Spannungsquelle der Zähler 13 zurückgesetzt.
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Der Kondensator 47 sorgt dafür, daß der Transistor 40 zunächst gesperrt
ist.
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Am nichtinvertierenden Eingang der Vergleichsstufe 11 liegt eine Spannung
an, die von der Stellung des Meßwertgebers 3 abhängt. Da der Zähler 13 zurückgesetzt
ist, liegt am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 65 praktisch
keine Spannung an, so daß dessen Ausgangssignal ebenfalls nahezu 0 Volt beträgt.
Damit wird der Transistor 66 voll durchgesteuert und das Anzeigegerät 4 entsprechend
schnell erregt. Die über die Leitung 26 auf den invertierenden Eingang der Vergleichsstufe
11 zurückgekoppelte Emitterspannung ist geringer als die Spannung am nichtinvertierenden
Eingang dieser Vergleichsstufe 11. Damit liegt am Ausgang dieser Vergleichsstufe
ll.ein hohes Signal an, über das die Zählrichtungseingänge 54 so angesteuert werden,
daß der Zähler 13 aufwärtszählt. Da zu diesem Zeitpunkt der Transistor 40 noch gesperrt
ist, arbeitet der Taktgenerator 12 mit einer hohen Taktfrequenz, die nur von dem
Wert des Kondensators 35, nicht aber von dem Wert des Kondensators 36 abhängt. Das
Ausgangssignal dieses Taktgenerators 12 wird dem Zähler 13 zugeführt, der damit
sehr rasch auf einen hohen Wert aufwärtszählt. Dadurch vergrößert sich die Spannung
am Ausgang 61 des Digital-Analog-Wandlers 14, wodurch auch die am Emitter des Transistors
66 abgreifbare Rückkopplungsspannung beeinflußt wird. Sobald der Wert dieser Rückkopplungsspannung
etwa der Meßwertspannung entspricht, schaltet die
Vergleichsstufe
11 um, so daß am Ausgang des Operationsverstärkers 25 nahezu O Volt anliegen. Damit
werden zunächst die Zählrichtungseingänge des Zählers 13 umgesteuert, so daß dieser
Zähler nun abwärts zählt. Zugleich wird nun aber über die Diode 46 der Transistor
41 leitend, der damit auch den Transistor 40 aufsteuert. Folglich wird dem Kondensator
35 über die Schalt strecke dieses Transistors 40 und die Entkopplungsdiode 37 der
Kondensator 36 parallelgeschaltet, so daß die Taktfrequenz des Taktgenerators 30
wesentlich reduziert wird.
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Nimmt nun der Tankinhalt ab, erniedrigt sich auch die Spannung am
nichtinvertierenden Eingang der Vergleichsstufe 11. Durch die Taktimpulse des Taktgenerators
30 wird der Zählerstand des Zählers 13 solange erniedrigt, bis die am Emitter des
Transistors 66 abgegriffene Spannung und damit auch der Anzeigewert am Anzeigegerät
4 dem Meßwert etwa entspricht.
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Dann schaltet die Vergleichsstufe 11 wieder um, so daß der Zähler
13 wieder um eine Einheit aufwärts zählt. Bei unverändertem Meßwert zählt also der
Zähler 13 im Takt der Frequenz des Taktgenerators 30 wechselweise um eine Einheit
aufwärts und abwärts, was aufgrund des hohen Auflösungsvermögens aber kaum Einfluß
auf den Zeigerstand des Anzeigegerätes 4 hat. ändert sich der Meßwert sehr rasch,
folgt der Zeiger des Anzeigegerätes 4 dieser Änderung zeitverzögert, denn der Zählerstand
des Zählers 13 kann in einer durch die Frequenz des Taktgenerators 30 vorgegebenen
Zeitspanne jeweils nur um eine Einheit erhöht werden.
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Insgesamt ist also folgendes festzustellen: Die Signalauswerteschaltung
2 beinhaltet einen Analog-Digital-Wandler, der in ansich bekannter Weise aufgebaut
ist. Das Ausgangssignal dieses Analog-Digital-Wandlers wird am Schaltungspunkt 61
abgegriffen und dient unmittelbar zur Steuerung des Anzeigegerätes 4. Zwischen diesen
Ausgang 61 und das Anzeigegerät 4 ist lediglich eine proportional arbeitende Verstärkerstufe
16 ohne jegliches Zeitverhalten eingebaut. Bei der eingangs erwähnten Ausführung
nach dem Stand der Technik wird dagegen an den Ausgang des Analog-Digital-Wandlers
ein aus mehreren Bausteinen aufgebauter digitaler Tiefpaß angeschaltet. Bei der
erfindungsgemäßen Ausführung wird dieses Tiefpaßverhalten schon dadurch realisiert,
daß dieser
Analog-Digital-Wandler 10 mit einer niedrigen Taktfrequenz
betrieben wird.
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Damit beim Einschalten der Anzeigewert rasch dem Meßwert entspricht,
ist die Taktfrequenz des Taktgenerators 12 umschaltbar. Der Speicher 15, dessen
Ausgangssignal zur Umschaltung der Taktfrequenz des Taktgenerators ausgewertet wird,
ist beim Einschalten des Betriebsschalters 1 wegen des Kondensators 47 zurückgesetzt,
so daß der Taktgenerator zunächst mit hoher Taktfrequenz arbeitet. Die niedrige
Taktfrequenz wird dann eingeschaltet, wenn erstmals der Anzeigewert etwa dem Meßwert
entspricht. Dann wird nämlich der Speicher 15 über die Diode 46 gesetzt. Wenn die
Ausgangsspannung an der Vergleichsstufe 11 aufgrund von Meßwert schwankungen wieder
auf ein hohes Potential umspringen sollte, hat dies keinen Einfluß auf den Schaltzustand
des Speichers 15, da dieses Signal durch die Diode 46 gesperrt wird. Der Speicher
und damit auch die Taktfrequenz des Taktgenerators wird nur durch das Ein- und/oder
Ausschalten des Betriebsschalters 1 zurückgesetzt.
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Die Umschaltung der Taktfrequenz des Taktgenerators 12 erfolgt in
einfacher Weise dadurch, daß einem die Taktfrequenz bestimmenden Baustein, nämlich
dem Kondensator 35 ein weiterer Baustein, nämlich der Kondensator 36 parallelgeschaltet
wird. Diese Zuschaltung des Kondensators 36 erfolgt dadurch, daß die Schaltstrecke
des Transistors 40 durchgesteuert wird.
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Bei einer konkreten Ausführung bewegt sich die Spannung am nichtinvertierenden
Eingang der Vergleichsstufe 11 im Bereich zwischen 1 und 6 Volt. Damit diese Spannung
von dem Digital-Analog-Wandler 14 bestmöglich aufgelöst wird, ist die Versorgungsspannung
dieses Widerstandsnetzwerkes dem Spannungsbereich des Meßwertgebers angepaßt. Deswegen
ist das Netzteil 5 erforderlich, das die in einem Kraftfahrzeug übliche Spannung
von 12 Volt auf eine Spannung von etwa 7 Volt reduziert.
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Zu dem Schaltkreis 6 zur Ansteuerung der Reserveanzeigelampe 7 dient
ein Schwellwertschalter 70, der einen zweistufigen Verstärker mit den Transistoren
71 und 72 ansteuert. Der invertierende Eingang dieses Schwellwertschalters 70 ist
über einen Widerstand 73 mit dem Emitter des Transistors 66 verbunden. Uber den
Spannungsteiler mit den Widerständen 74 und 75 wird die Schwelle des Schwellwertschalters
70 festgelegt. Durch den
Widerstand 76 und den Kondensator 77 ist
ein Zeitglied realisiert, so daß die Transistoren 71 und 72 nach dem Umschalten
des Schwellwertschalters 70 mit einer gewissen Zeitverzögerung durchgesteuert werden.
Über den Widerstand 78 wird der Basisstrom für den Transtistor 72 begrenzt. Mit
79 ist ein Strombegrenzungswiderstand bezeichnet. Die zwischen den Ausgang des zweistufigen
Verstärkers und den nichtinvertierenden Eingang des Schwellwertschalters 70 geschaltete
Diode 80 sorgt für eine Speicherwirkung dieses Schaltkreises, so daß eine einmal
eingeschaltete Anzeigelampe 7 erst dann wieder erlöschen kann, wenn der Betriebsschalter
1 ausgeschaltet wird.
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Abschließend wird darauf hingewiesen, daß bei einem konkreten Ausführungsbeispiel
dieser Schaltung die niedrige Taktfrequenz des Taktgenerators 12 in der Größenordnung
von 1 Hertz liegt, während die hohe Taktfrequenz zwischen 100 und 200 Hertz liegen
soll. Mit einer derart dimensionierten Schaltung kann man Verzögerungszeiten von
etwa 2 Minuten erreichen. Unter Verzögerungszeit wird dabei die Zeitspanne verstanden,
die der Zeiger des Anzeigegeräts benötigt, um von seiner Minimalstellung in seine
Maximalstellung zu gelangen, wenn der Analog-Digital-Wandler mit der niedrigen Taktfrequenz
getaktet wird. Bei der um zwei Größenordnungen höheren Taktfrequenz wird dagegen
ein rasches Ansprechen des Anzeigegerätes 4 gewährleistet.