Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem FüllStandsanzeiger nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist bereits bekannt, den Schall in einen schalleitenden Festkörper einzuleiten und mit Hilfe eines Empfängers die Veränderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit (Phasengeschwindig¬ keit) von Biegewellen zu bestimmen. Im Festkörper wird abhängig von der Höhe des Flüssigkeitsspiegels die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Biegewellen beeinflußt. Als Referenzgröße dient hierbei die Aus¬ breitungsgeschwindigkeit im Festkörper bei einem leeren Flüssig¬ keitsbehälter. Hierzu sind zusätzliche Messungen notwendig. Ferner dürfen Sender und Empfänger nicht mit der Flüssigkeit in Berührung kommen, andernfalls ergeben sich Nachteile wegen mangelnder Dicht¬ heit des Senders bzw. des Empfängers oder ungenügender Resistenz der Klebestellen.Auch sind der Nullpunkt und die Meßempfindlichkeit des Füllstandsanzeigers temperaturabhängig.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Füllstandsanzeiger mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß er sehr genau mißt. Der Einfluß der Temperatur auf den Nullpunkt und auf die

Meßempfindlichkeit des Füllstandsanzeigers kann weitgehend elimi¬ niert werden. Es ist keine Referenzstrecke und keine aufwendige rechnerische Korrektur in einer Auswerteeinheit mehr notwendig. Eine hierfür bisher notwendige, zusätzliche Temperaturbestimmung am Uber- tragungskörper kann entfallen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor¬ teilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Vorrichtung möglich.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge¬ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 eine Ausgestaltung des Füllstandsanzeigers im Längs¬ schnitt und Figur 2 ein Meßdiagramm.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Figur 1 ist mit 10 der Tank für den Kraftstoff eines Kraftfahr¬ zeugs bezeichnet, in den ein Schalleiter 11 eines Füllstandsanzei¬ gers 12 für die Kraftstoffmenge in den Tank ragt. Der Schalleiter 11 weist an seinem oberen, aus dem Kraftstoff ragenden Ende einen Sen¬ der 13, und einen Empfänger 14 auf. Der Sender 13 ist als Schwinger für insbesondere Ultraschallwellen ausgebildet. Sowohl der Sender 13 als auch der Empfänger 14 sind über der maximalen Füllhöhe L des Tanks 10 angeordnet, so daß beide nicht in den Kraftstoff hinein¬ ragen. Die effektive Füllhöhe des Kraftstoffs im Tank 10 ist mit h bezeichnet. Der Sender 13 und der Empfänger 14 sind mit einer nicht näher dargestellten Auswerteeinrichtung 15 verbunden.

Vom Sender 13 werden im Schalleiter 11 Schallwellen 17, sogenannte Biegewellen, d.h. transversale Wellen, deren Ausbreitungsgeschwin-

digkeit frequenzabhängig ist, angeregt. Bei Biegewellen handelt es sich um Körperschallweilen auf Platten oder Stäben, deren schwin¬ gende Teilchen im wesentlichen senkrecht zur Plattenebene und zur Ausbreitungsrichtung bewegt werden. Ferner ist deren Fortpflanzungs¬ geschwindigkeit im Bereich der Füllhöhe h des Kraftstoffs wesentlich kleiner als in von der Luft über dem Kraftstoff umgebenden Bereich L - h des Schalleiters 11. Die Schallwellen 17 treten, wie in Figur 1 dargestellt, an den Übergangsflächen 18 mit diesen jeweils umge¬ benden Medium in Kontakt. Die Beeinflussung der Fortpflanzungsge¬ schwindigkeit der Schallwellen 17 bestimmt sich nach der Größe der Ubergangsfläche 18 und ist abhängig von der geometrischen Form des Schalleiters 11. Abhängig von der Füllstandshöhe h ergibt sich eine mehr oder weniger große Veränderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit (Phasengeschwindigkeit) der Biegewellen. Dieser Meßeffekt wird auch bei dem im Stand der Technik genannten Fullstandsanzeiger ausgenützt.

Als temperaturabhängige Fehlerquellen des Nullpunkts des Füllstands¬ anzeigers 12 gehen die Temperaturabhängigkeiten des Elastizitätsmo¬ duls E des Schalleiters 11, dessen Länge 1, dessen Dicke d und die Dichte © des verwendeten Materials ein. Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, daß sich die Temperaturabhängigkeit des Nullpunkts kompensiert, wenn für die Materialeigenschaften des Schalleiters gilt:

TKE = -TKL

wobei TKE der Temperaturkoeffizient des Elastizitätsmoduls E ist und TKL der Temperaturkoeffizient der Längenausdehnung L des Schallei¬ ters 11 ist. Diese Bedingung wird z.B. recht gut erfüllt vom Werk-

Stoff Thermelast (R) 4002 (Vacuumschmelze, Hanau). Der Temperatur¬ koeffizient des E-Moduls und des Längenausdehnungskoeffizienten L ist in folgender Tabelle für verschiedene Materialien dargestellt:

Material

Kupfer Aluminium

Stahl (unleg.) fR. Thermelast ' 4002

Ferner hängt die Beeinflussung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Biegewellen in dem Schalleiter 11 durch das umgebende Medium von den physikalischen Kenngrößen Dichte und Kompressionsmodul des Mediums ab. Dadurch ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Biegewellen auch von der Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit abhängig. Alle die¬ se Größen sind temperaturabhängig, so daß auch der Einfluß auf die Biegewellengeschwindigkeit temperaturabhängig ist. Erfindungsgemäß hat sich herausgestellt, daß dieser Meßfehler stark von der Meßfre¬ quenz der vom Sender 13 eingespeisten Schallwellen abhängt. Dieser Temperatureinfluß ist umso größer, je näher die Frequenz bei der Grenzfrequenz liegt, bei der die Geschwindigkeit der Biegewelle im flüssigkeitsumgebenen Schalleiter gleich der Dichtewelle in der Flüssigkeit ist.

Wird der Füllstandsanzeiger für den Tank eines Kraftfahrzeugs einge¬ setzt, so liegt im allgemeinen ein Arbeitsbereich von -20° C bis 60° C vor. Für diesen Arbeitsbereich kann man eine Signalfrequenz f des Senders 13 angeben, für welche die mittlere Abweichung gegenüber der bei einer angenommenen mittleren Arbeitstemperatur von 20° C ge¬ gebenen Meßempfindlichkeit minimal wird. Unter dem Begriff der Me߬ empfindlichkeit ist die Änderung der Geschwindigkeit der Biegewellen durch die Flüssigkeitsbelastung zu verstehen. Wird die Frequenz f des Senders 13 in Abhängigkeit von den Flüssigkeitsdaten, den Mate¬ rialdaten und den Abmessungen des Schalleiters gewählt, so wird die Meßempfindlichkeit des Füllstandsanzeigers kaum mehr durch die oben beschriebenen Parameter verfälscht. Die Daten der Flüssigkeit und

die Daten des Materials des Schalleiters liegen jeweils bereits fest. Es hat sich nun vorteilhafterweise herausgestellt, daß die Frequenz f annähernd umgekehrt proportional zur Dicke d des Schalleiters 11 ist. Mit Hilfe der Gleichung f fc 50 kHzmm/d kann die optimale Signalfrequenz f bestimmt werden. Diese an¬ gegebene Gleichung gilt insbesondere, wenn als Material für den Schalleiter 11 Thermelast (R) 4002 oder auch Stahl verwendet wird.

In der Figur 2 ist für diesen Werkstoff und einer Größe von

3 1000 * 10 * 1,5 mm die Abhängigkeit der Meßempfindlichkeit als

Funktion der Temperatur für die drei Meßfrequenzen f = 20 kHz, f = 31 kHz und f = 40 kHz dargestellt. Als Medium ist hierzu

Benzin verwendet. Auf der y-Achse ist als relative Abhängigkeit der

Meßempfindlichkeit die Änderung ό c/ Δ c„ der Biegewellengeschwin- digkeit c durch die Belastung des Mediums aufgetragen. Wie aus der

Figur 2 ersichtlich ist, ist für die Frequenz = 31 kHz der maximale Fehler im Temperaturbereich von -20° C bis 60° C unter

0,8 %, so daß mit Hilfe einer Auswerteschaltung der mittlere

Fehler kleiner als ^_0,4 % ist.

Kombiniert man beide oben beschriebenen Verfahren zur Temperatur¬ kompensation der Meßempfindlichkeit und zur Temperaturkompensation des Nullpunkts, so erhält man einen im weiten Temperaturbereich tem¬ peraturunabhängigen Füllstandsanzeiger.