DE69721998T2

DE69721998T2 - Piezoelektrischer flüssigkeitsstandmesser

Info

Publication number: DE69721998T2
Application number: DE69721998T
Authority: DE
Inventors: Denis Denneulin; Gil Ching
Original assignee: Marwal Systems SAS
Current assignee: TI Automotive Fuel Systems SAS
Priority date: 1996-07-26
Filing date: 1997-07-24
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2017-07-25
Also published as: FR2751744A1; WO1998004889A1; AR008007A1; FR2751744B1; EP0914594A1; EP0914594B1; CN1228835A; DE69721998D1; JP2000515974A; BR9710598A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Bereich der Flüssigstandsmessung mit piezoelektrischen Zellen.
Die vorliegende Erfindung findet insbesondere Anwendung bei der Füllhöhenmessung von Treibstoff in einem Tank eines Kraftfahrzeugs.
Der Fachmann kennt Messsysteme auf der Basis von piezoelektrischen Zellen, bei denen eine akustische Welle in eine Flüssigkeit eingestrahlt wird und diese beispielsweise nach Reflexion durch eine Prallplatte erfasst wird, um die Höhe der Flüssigkeit zu bestimmen, die von der Welle durchlaufen wurde, und zwar anhand der Zeit, die zwischen Abstrahlung und Empfang verstrichen ist.
In EP-A-0 182 140 wird ein piezoelektrisches Flüssigstandsmesssystem beschrieben, das mit piezoelektrischen Einrichtungen zum Aussenden einer akustischen Welle in eine Flüssigkeit und Erfassen der Welle versehen ist, um den in der Flüssigkeit durchlaufenen Weg anhand der Zeit zwischen Abstrahlung und Empfang zu bestimmen. In dieser Schrift wird außerdem ein System mit wenigstens zwei separaten piezoelektrischen Elementen auf einer gleichen piezoelektrischen Scheibe beschrieben.
Diese bekannten Messsysteme zielen darauf ab, dass im Gegensatz zu Messgeräten mit Schwimmern, zum Beispiel Messgeräten, die einen Schwimmer an einem Dreharm umfassen, weder elektrische noch mechanische Kontakte benötigt werden.
Die vorliegende Erfindung hat nun zum Ziel, die bekannten piezoelektrischen Messsysteme zu verbessern.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß erreicht mit einem piezoelektrischen Messsystem, wie es in dem beigefügten Anspruch 1 definiert wird.
Weitere Merkmale, Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Einzelheiten, wobei Bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnungen, die nur als Beispiel ohne Einschränkung dienen.
1 zeigt schematisch einen vertikalen Schnitt durch einen Treibstofftank mit einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung.
2 zeigt in Draufsicht eine piezoelektrische Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung.
3, 4 und 5 zeigen jeweils eine Ansicht von der Seite der Flüssigkeit, eine Ansicht von der gegenüberliegenden Seite und eine transversale Schnittzeichnung eines Messgerätes gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6, 7 und 8 zeigen jeweils eine Ansicht von der Seite der Flüssigkeit, eine Ansicht von der gegenüberliegenden Seite und eine transversale Schnittzeichnung eines piezoelektrischen Messgerätes gemäß einer ersten Abwandlung der vorliegenden Erfindung.
9, 10 und 11 zeigen jeweils eine Ansicht von der Seite der Flüssigkeit, eine Ansicht von der gegenüberliegenden Seite und eine transversale Schnittzeichnung eines piezoelektrischen Messgerätes gemäß einer zweiten Abwandlung der vorliegenden Erfindung.
In der beigefügten 1 ist ein Flüssigkeitstank 10, beispielsweise für Treibstoff von Kraftfahrzeugen, gezeigt. Die Form des Tanks 10 in 1 ist beliebig. Die Form dieses Tanks 10 kann auf vielfache Art verändert werden.
In 1 ist die Flüssigkeit in dem Tank 10 allgemein mit 20 bezeichnet, und ihr oberer Pegel wird mit 22 bezeichnet.
Erfindungsgemäß ist an der Basis des Tanks 10 auf einem Träger 30 ein piezoelektrisches Element 40 vorgesehen, das zwei unterschiedliche aktive piezoelektrische Abschnitte 42, 44 auf ein und derselben piezoelektrischen Scheibe umfasst.
Die Trennung der beiden aktiven Abschnitte 42, 44 derselben Ursprungsscheibe kann auf irgendeine geeignete Art vorgenommen werden, z. B. durch Elektroschneiden oder auch durch mechanisches Trennen.
Bei einer weiteren Ausführungsform bleibt die piezoelektrische Scheibe ohne Durchtrennung zwischen den beiden aktiven Abschnitten 42, 44 erhalten, und die Abgrenzung zwischen ihnen wird durch die Geometrie von auf der Scheibe angeordneten Elektroden definiert. Mit anderen Worten, auf der Seite der Flüssigkeit hängen die Elektroden nicht zusammen, sondern sind durch einen Spalt 46 getrennt.
Wie in 2 gezeigt, ist die Trennlinie 46 zwischen den beiden aktiven Abschnitten 42, 44 vorzugsweise gerade. Außerdem ist in dem Tank 10, vorzugsweise in seinem unteren Abschnitt, ein Referenzhindernis 50 vorgesehen, an dem akustische Wellen reflektiert werden. Genauer gesagt ist das Referenzhindernis 50 gegenüber dem ersten aktiven Abschnitt 42 der piezoelektrischen Zelle angeordnet. Auf diese Art sind die beiden aktiven Abschnitte 42, 44 derart ausgelegt, dass die akustische Welle gegen das Referenzhindernis 50 bzw. gegen die Oberfläche 22 der Flüssigkeit gelenkt wird.
Typischerweise, aber nicht ausschließlich bedeckt der aktive Abschnitt 42, der in Richtung des Referenzhindernisses 50 ausstrahlt, ungefähr ein Drittel der Gesamtfläche der Piezozelle 40, während der zweite aktive Abschnitt 44 in etwa zwei Drittel der Oberfläche dieser Zelle bedeckt.
Vorzugsweise haben die beiden aktiven Abschnitte 42, 44 eine gemeinsame Elektrode 60 neben dem Träger 30 sowie spezielle Elektroden 62, 64 auf ihren gegenüberliegenden Oberflächen auf der Seite der Flüssigkeit 20.
Der Durchmesser der kreisförmigen piezoelektrischen Zelle 40 liegt typischerweise in der Ordnung von 20 mm.
Als Beispiel ohne Einschränkung sind die aktiven piezoelektrischen Abschnitte 42, 44 ausgelegt, um Wellen in der Größenordnung von 2 MHz als Rechtecksignal auszusenden.
Die Funktion des Systems ist im Wesentlichen die Folgende:
Eine akustische Welle wird von dem aktiven piezoelektrischen Abschnitt 42 in Richtung auf das Referenzhindernis 50 ausgesendet. Dieser gleiche aktive Abschnitt 42 dient dazu, die von dem Hindernis 50 reflektierte akustische Welle bei ihrer Rückkehr zu erfassen. Der Abstand zwischen dem aktiven Abschnitt 42 und dem Referenzhindernis 50 ist genau bekannt, und die Messung der Zeit zwischen Ausstrahlung und Empfang der akustischen Welle erlaubt die Berechnung des Geschwindigkeitskoeffizienten der vorhandenen Flüssigkeit 20, beispielsweise für einen speziellen Treibstoff.
Eine zweite akustische Welle wird von dem aktiven Abschnitt 44 in Richtung auf die Oberfläche 22 der Flüssigkeit abgestrahlt. Dieser gleiche aktive Abschnitt 44 dient dazu, die von der Oberfläche 22 der Flüssigkeit reflektierte Welle zu erfassen. Bei Kenntnis des Geschwindigkeitskoeffizienten der Flüssigkeit 20 auf Grund der Messung mit dem ersten aktiven Abschnitt 42 kann man auf Grund der Zeit zwischen Ausstrahlung und Empfang der Echowelle mit dem zweiten aktiven Abschnitt 44 die Flüssigkeitshöhe in dem Tank, d. h. den Abstand zwischen der Oberfläche des aktiven Abschnitts 44 und der Oberfläche der Flüssigkeit 22 berechnen.
Im Rahmen der Erfindung sind vorzugsweise außerdem Einrichtungen vorgesehen, um den Geschwindigkeitskoeffizienten abzuspeichern, der auf Grund der Messung durch den ersten aktiven Abschnitt 42 bestimmt wurde, bevor der Pegel der Flüssigkeit 20 in dem Tank 10 unter das Referenzhindernis 50 sinkt und folglich die Messung mit dem ersten aktiven Abschnitt 42 gegenstandslos wird.
Außerdem werden im Rahmen der Erfindung die piezoelektrischen Einrichtungen 42, 44 vorzugsweise mit einem Strom versorgt, dessen Stärke derart eingestellt ist, dass die Spannungsmessung an den Anschlüssen der Einrichtungen 42, 44, die ihrerseits temperaturabhängig ist, dazu dienen kann, die Temperatur der Flüssigkeit 20 zu bestimmen. Diese Temperaturmessung kann unter bestimmten Bedingungen genutzt werden, um eine Korrektur der Messung des Flüssigkeitspegels durchzuführen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Eigenschaft der Erfindung umfassen die Messsysteme wenigstens eine Korrespondenztabelle mit Höhe und Volumen, die der Geometrie des Tanks 10 Rechnung trägt und die direkte Ausgabe eines verfügbaren Volumens in dem Tank auf Grund der genannten Messung der Höhe ermöglicht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Eigenschaft der Erfindung umfasst das System außerdem Einrichtungen zum Vergleichen der Geschwindigkeit der akustischen Welle in der Flüssigkeit 20, die mit Hilfe des aktiven piezoelektrischen Abschnitts 42 gemessen wurde, mit einem Wertebereich, der dem zulässigen Treibstoff 20 zugeordnet ist, um den Fahrer des Fahrzeugs durch einen Alarm aufmerksam zu machen, wenn eine wesentliche Abweichung festgestellt wird, beispielsweise darauf dass falscher Treibstoff in den Tank gefüllt wird.
Die Temperatur der Flüssigkeit 20, die wie oben angedeutet bestimmt wurde, kann insbesondere zur Diagnose des Versorgungssystems herangezogen werden.
Die vorliegende Erfindung bietet insbesondere die folgenden Vorteile.
Die Verwendung von zwei getrennten piezoelektrischen Einrichtungen auf ein und derselben piezoelektrischen Scheibe ermöglicht eine zuverlässige Diskriminierung der jeweiligen Signale dieser beiden Einrichtungen durch Unterdrückung parasitären Übersprechens. Außerdem ist die Erfindung ein fach zu montieren und ermöglicht automatisch eine paarweise Anordnung der beiden piezoelektrischen Einrichtungen 42, 44 und führt außerdem zu einem vollständig autonomen Ensemble mit reduziertem Bauraum.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die spezielle Ausführungsform beschränkt, die oben beschrieben wurde, sondern erstreckt sich auf jede Variante der zugrundeliegenden Lehre.
In den 3, 4 und 5 ist eine erste Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der die piezoelektrische Scheibe 40 eine kreisförmige rotationssymmetrische Scheibe mit einer Dicke e von 1 mm und einem Durchmesser von 20 mm ist.
Auf der Seite der Flüssigkeit ist die Scheibe 40 mit einer Metallisierung als zwei Elektroden 62, 64 versehen. Jede dieser Elektroden 62, 64 wird durch einen Kreisbogen sowie eine gerade Sekante begrenzt, die die Enden dieser Bögen verbindet. Als Beispiel ohne Einschränkung beträgt die Breite des geraden Spalts 46 zwischen den Elektroden 62, 64, durch den die genannten Sekanten voneinander getrennt werden, in etwa 1 mm; eine kreisförmige Umrandung mit einer Breite von 1 mm bleibt auf der Oberfläche der Scheibe am Außenrand der Elektroden 62, 64 frei von Metallisierung, so dass jene einen Radius in der Ordnung von 18 mm haben; außerdem ist die Höhe h der Elektrode 62, die sich senkrecht zu ihrer Sekante erstreckt, in der Ordnung von 5 mm.
Die zweite Fläche der Scheibe 60, d. h. die Fläche gegenüber der Flüssigkeit, ist mit einer einzigen, gemeinsamen, zentralen und kreisförmigen Elektrode 60 versehen, deren Radius identisch mit dem der Elektroden 62, 64 ist, d. h. im Bereich von 18 mm liegt.
In den 6, 7 und 8 ist eine erste Abänderung der Ausführungsform gezeigt, bei der eine piezoelektrische Scheibe 40 mit einer Dicke e von 1 mm und einem Außendurchmesser von 20 mm mit zwei Elektroden 62, 64 auf ihrer Seite zur Flüssigkeit hin versehen ist, wobei jede kreisförmig ist und einen Durchmesser von 4,5 mm bzw. 11,5 mm hat.
Die Elektrode 62 hat ihre Mitte in einem Abstand von 7,5 mm von der Mitte der Scheibe 40. Die Elektrode 64 hat ihre Mitte in einem Abstand von 4 mm von der Mitte der Scheibe 40. Die Mittelpunkte der beiden Elektroden 62, 64 befinden sich in einer gemeinsamen Ebene durch die Achse der Scheibe 40. Diese Elektroden 62, 64 sind mit einer im Wesentlichen radialen Ausstülpung versehen, um die elektrische Verbindung, beispielsweise als Lötstelle, sicherzustellen.
Die zweite Seite der Scheibe 40, d. h. die Seite gegenüber der Flüssigkeit, ist mit einer einzigen gemeinsamen kreisförmigen zentralen Elektrode 60 mit einem Durchmesser in der Ordnung von 18 mm versehen, im Wesentlichen in Übereinstimmung mit dem größten Abstand zwischen dem Außenrand der beiden Elektroden 62, 64.
Schließlich ist in den 9, 10 und 11 eine zweite Variante der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der die piezoelektrische Scheibe 40 mit einer Dicke von 1 mm und einem Durchmesser in der Ordnung von 20 mm auf ihrer Seite zur Flüssigkeit hin mit zwei Elektroden 62, 64 versehen ist, die rotationssymmetrisch und konzentrisch sind. Diese beiden Elektroden 62, 64 sind somit durch einen kreisförmigen Spalt 46 getrennt. Außerdem ist die radial außen liegende Elektrode 64 mit einem radialen Spalt versehen, der eine Ausstülpung aufnimmt, die mit der zentralen Elektrode 62 verbunden ist, um die Kontaktierung sicherzustellen.
Als Beispiel ohne Einschränkung kann die zentrale Elektrode 62 einen Durchmesser in der Ordnung von 11,5 mm, der kreisförmige Spalt 46 eine Breite in der Ordnung von 1 mm haben, und die radial äußere Elektrode 64 kann sich bis zum Rand der Scheibe 40 erstrecken.
Die gegenüberliegende Fläche der Scheibe 40 ist mit einer einzigen gemeinsamen kreisförmigen Elektrode 60 verse hen. Jedoch ist diese Elektrode 60, die auf der Scheibe 40 zentriert ist, nach 10 dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Außendurchmesser aufweist, der kleiner als der der radial äußeren Elektrode 64 in 9 ist. Diese Anordnung ermöglicht es, das piezoelektrische Material zwischen der gemeinsamen Elektrode 60 und der kreisförmigen Außenelektrode 64 schräg in Bezug auf die Achse der Scheibe in Betrieb zu nehmen, um die Abstrahlungs-/Empfangs-Hauptkeule in Bezug auf den Flüssigkeitstank auszurichten.

Claims

Piezoelektrisches Flüssigstandsmesssystem, insbesondere für einen Treibstofftank von einem Kraftfahrzeug, mit piezoelektrischen Einrichtungen (40) zum Abstrahlen einer akustischen Welle in eine Flüssigkeit (20) und Erfassen der Welle zum Bestimmen des in der Flüssigkeit (20) durchlaufenen Weges auf Grund der Zeit zwischen Abstrahlung und Empfang, wobei die piezoelektrischen Einrichtungen zwei getrennte aktive Abschnitte (42, 44) auf einer gleichen piezoelektrischen Scheibe (40) umfassen, die in dem zu vermessenden Tank angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem ein Referenzhindernis (50) umfasst, das in einem vorgegebenen und bekannten Abstand von den piezoelektrischen Einrichtungen (40) angeordnet ist, und dass seine beiden aktiven Abschnitte dazu dienen, jeweils eine akustische Welle in Richtung auf das Referenzhindernis (50) und in Richtung auf die Oberfläche (22) der zu messenden Flüssigkeit zu senden, und dass es Einrichtungen zum Vergleichen des Geschwindigkeitskoeffizienten, der auf Grund der Zeit zwischen Ausstrahlung einer Welle in Richtung auf das Referenzhindernis (50) und die Erfassung der durch dieses Hindernis (50) reflektierten Welle gemessen wurde, mit einem Zulässigkeitsbereich für die Geschwindigkeit und Einrichtungen zum Initiieren eines speziellen Verfahrens umfasst, wenn die gemessene Geschwindigkeit außerhalb dieses Zulässigkeitsbereiches liegt.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei aktiven Abschnitte (42, 44) durch Elektroschneiden getrennt werden.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei aktiven Abschnitte (42, 44) durch mechanisches Spalten getrennt werden.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Scheibe (40) unversehrt ist und die Abgrenzung zwischen den zwei aktiven Abschnitten (42, 44) durch einen Spalt (46) erfolgt, durch den Elektroden (62, 64) separiert werden.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei aktiven Abschnitte (42, 44) jeweils in etwa ein Drittel bzw. zwei Drittel der ursprünglichen piezoelektrischen Scheibe bedecken.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (46), der die beiden piezoelektrischen aktiven Abschnitte (42, 44) trennt, gerade ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Zelle (40) für die beiden aktiven Abschnitte (42, 44) gemeinsame eine Elektrode (60) und jeweilige Elektroden (62, 64) umfasst.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der piezoelektrischen Zelle in der Ordnung von 20 mm liegt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es Einrichtungen zum Abspeichern des Geschwindigkeitskoeffizienten des Treibstoffs umfasst, der auf Grund der Zeit zwischen Ausstrahlung einer Welle auf das Referenzhindernis (50) und Empfang dieser Welle durch den entsprechenden aktiven Abschnitt (42) bestimmt wurde, um den abgespeicherten Geschwindigkeitskoeffizienten zu sichern, bevor der Pegel der Flüssigkeit unter das Referenzhindernis (50) sinkt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es Einrichtungen zum Versorgen der piezoelektrischen Zelle (40) mit einem Strom, der eingestellt ist, und Einrichtungen zum Messen der Spannung an den Anschlüssen der piezoelektrischen Zelle (40) umfasst, um daraus die Temperatur der Flüssigkeit (20) abzuleiten und eine Korrektur der Füllstandsmessung in Abhängigkeit von dieser Temperatur durchzuführen.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es Einrichtungen umfasst zum Abspeichern von wenigstens einer Korrespondenztabelle mit gemessenem Flüssigkeitspegel und dessen Volumen.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das spezielle Verfahren, das initiiert wird, wenn die gemessene Geschwindigkeit aus dem Zulässigkeitsbereich fällt, ein Alarm ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Scheibe (40) auf ihrer Seite zur Flüssigkeit hin mit zwei Elektroden (62, 64), die durch einen Außenrand in Kreisabschnitte unterteilt und durch gerade, parallele Sekanten abgegrenzt werden, und auf ihrer Fläche gegenüber der Flüssigkeit mit einer gemeinsamen kreisförmigen Elektrode versehen ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Scheibe (40) auf ihrer Seite zur Flüssigkeit hin mit zwei kreisförmigen, benachbarten Elektroden (62, 64) und auf ihrer Seite gegenüber mit einer kreisförmigen gemeinsamen Elektrode (60) versehen ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Scheibe (40) auf ihrer Seite zur Flüssigkeit hin mit zwei konzentrischen Elektroden (62, 64) und auf ihrer Seite gegenüber mit einer zentralen kreisförmigen gemeinsamen Elektrode (60) versehen ist.
System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Elektrode (60) auf der zweiten Fläche der piezoelektrischen Scheibe (40) einen Außendurchmesser aufweist, der kleiner als der Außendurchmesser der externen Elektrode (64) auf der Seite der Scheibe zur Flüssigkeit hin ist.