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.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Füllstandsanzeiger mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß er zuverlässig und störsicher bei einer hohen Auflösung und einen großen Meßeffekt die Füllstandshöhe bestimmt. Bei einem linearen

Verlauf der Meßsignale ist eine einfache Auswertung der Meßsignale möglich. Sender und Empfänger können in einem Gehäuse kompakt ange¬ ordnet werden, was eine Vereinfachung aller notwendigen Schutzma߬ nahmen gegen Umwelteinflüsse wie z.B. Schmutz, Feuchte oder gegen eine Temperaturdrif der .Eigenschaften von verwendeten elektrischen Bauteilen mit sich bringt. Bei beliebiger Ausgestaltung des Schall¬ leiters können Sender und Empfänger immer außerhalb der zu bestim¬ menden Flüssigkeit angeordnet werden. Im Unterschied zu einem U- förmigen Schalleiter, mit dem Sender und Empfänger außerhalb des Mediums angeordnet werden können, ist nur eine relativ kurze Länge des Schalleiters notwendig. Der Füllstandsanzeiger ist deshalb für beliebige Behälterformen verwendbar. Er baut einfach und kosten¬ günstig.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor¬ teilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 eingegebenen Vorrich¬ tung möglich.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung darge¬ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen Längsschnitt durch einen Füllstandsanzeiger, die Figuren 2 und 3 je eine Abwandlung nach Figur 1, Figur 4 eine perspektivische Darstellung einer konstruktiven Ausführung, Figur 5 eine Prinzipdarstellung, Figur 6 den Füllstandsanzeiger in einem Oszillator geschaltet, Figur 7 ein Meßdiagra m und die Figuren 8 bis 10 je eine Abwandlung zur Bestimmung des Reservebereichs.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

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 Körperschallwellen auf Platten oder Stäben, deren schwin¬ gende Teilchen im wesentlichen senkrecht zur Plattenebene und zur Ausbreitungsgeschwindigkeit bewegt werden. Ferner ist deren Fort¬ pflanzungsgeschwindigkeit im Bereich der Füllhöhe h des Kraftstoffs wesentlich kleiner als in von der Luft über dem Kraftstoff umgeben¬ den Bereich L - h des Schalleiters 11. Die Schallwellen 17 treten, wie in Figur 1 dargestellt, an den Übergangsflächen 18 mit diesen jeweils umgebenden Medium in Kontakt. Die Beeinflussung der Fort¬ pflanzungsgeschwindigkeit der Schallwellen 17 bestimmt sich nach der Größe der Übergangsfläche 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 Ausbreitungsge¬ schwindigkeit (Phasengeschwindigkeit) der Biegewellen. Dieser Meßef¬ fekt wird auch bei dem im Stand der Technik genannten Füllstandsan¬ zeiger ausgenützt.

Durch die Füllstandshöhe h wird aber nicht nur die Laufzeit der Biegewellen 17 zwischen Sender und Empfänger verändert, sondern es ist auch eine Rückwirkung auf die Schallfeldgrößen im Schalleiter 11 am Ort des Sensors selbst oder in dessen Umgebung meßbar. Unter ei-

nem Schallfeld versteht man einen mit Materie, hier z.B. Festkörper¬ teilchen, sonst meist Luft gefüllten Raum, in dem sich Schallwellen ausbreiten. Ein Schallfeld läßt sich quantitativ eindeutig beschrei¬ ben, indem man z.B. für jedes schwingende Mediumteilchen die jewei¬ lige Verschiebung aus seiner Ruhelage angibt, die es örtlich und zeitlich erfährt. Diese Größen bezeichnet man als Schallfeldgrößen. In der Praxis pflegt man die Struktur eines Schallfeldes im allge¬ meinen durch die örtliche und zeitliche Verteilung des Schalldrucks oder der Schallschnelle anzugeben. Da es sich bei Biegewellen um transversale Wellen handelt, spricht man dann hier von Transversal¬ druck bzw. insbesondere in Festkörpern von Transversalkraft und von Transversalschnelle. In einer ebenen, fortschreitenden Welle erfah¬ ren die Mediumteilchen in bzw. entgegen der Richtung der Wellenaus¬ breitung eine Auslenkung, wodurch im Abstand von jeweils einer Wel¬ lenlänge ,in wechselnder Folge Verdichtungen und Verdünnungen in¬ nerhalb des Mediums entstehen, d.h. es liegen Bereiche von Überdruck und Unterdruck vor. Bei Luftschall stellen die schwingenden Luftpar¬ tikel örtliche und zeitliche Änderungen der Luftdichte und somit des Luftdrucks dar. Diese Druckänderungen bezeichnet man als Schall¬ druck. Der Schalldruck kann relativ leicht mit Hilfe von Mikrofonen gemessen werden.

Unter der Schallschnelle oder auch nur der Schnelle versteht man die Wechselgeschwindigkeit, mit der die schwingenden Partikel des Schallübertragungsmediums, hier des Schalleiters 11, um ihre Ruhe¬ lage oszillieren. In einer ebenen, fortschreitenden Schallwelle ist die Schallschnelle jeweils an denjenigen Stellen am größten, wo sich die Bewegung der Teilchen am schnellsten ändert. Dies ist z.B. bei den Nulldurchgängen der Fall. Ferner sind bei einer ebenen fort¬ schreitenden Schallwelle die Schallschnelle und der Schalldruck phasengleich. Im Unterschied zur Schallschnelle handelt es sich bei der Schallgeschwindigkeit um die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls, die vorwiegend von den elastischen Eigenschaften des Me-

diums abhängig ist. Die Schallgeschwindigkeit gibt die Geschwin¬ digkeit an, mit der sich die Schallenergie ausbreitet, während die Schallschnelle lediglich die Wechselgeschwindigkeit der Teilchen darstellt.

Ferner zählen zu den Schallfeldgrößen für das Schallfeld von Biege¬ wellen noch das Biegemoment und die Winkelgeschwindigkeit, wobei es sich um die Momentenfeldgrößen des Schallfelds handelt. Für eine einfache Messung der Füllstandshöhe im Tank 10 genügt es, wenn man nur zwei dieser vier Schallfeldgroßen berücksichtigt. Besonders vor¬ teilhaft ist es, wenn man die Transversalschnelle und die Transver¬ salkraft bestimmt. Zur Füllstandsbestimmung wird der Quotient der an einer bestimmten Stelle des Schalleiters 11 gemessenen Transversal¬ schnelle bzw. der Transversalkraft bestimmt, der als mechanische Transversalimpedanz bezeichnet wird. Der Kehrwert der Transversal¬ impedanz heißt Transversaladmittanz. Die Beeinflussung der Transver¬ salimpedanz durch die Füllstandshöhe h kann mit einem Schallwandler 21 allein, wie in Figur 2 dargestellt, oder mit einem getrennten Sender 13 und Empfänger 14, wie aus Figur 1 ersichtlich, erfaßt wer¬ den. Wird ein einziger Schallwandler 21 verwendet, so wird die Rück¬ wirkung der unterschiedlichen Füllstandshöhe h auf das elektrische Sendesignal des Schallwandlers 21 (Senders) bestimmt. Auch ist ein Sender und ein Empfänger in einem einzigen Gehäuse möglich. Bei ei¬ ner getrennten Sender- 13 und Empf ngeranordnung 14 sind diese mög¬ lichst nahe benachbart am Schalter 11 anzuordnen. Ferner können auch, wie in Figur 3 gezeigt, mehrere Sender 13a, 13b und mehrere Empfänger 14a, 14b verwendet werden. Dadurch ist eine Referenzmes¬ sung möglich. Ferner können auch mit mehreren Sendern 13a, 13b die Biegewellen verstärkt werden bzw. deren Form beeinflußt werden. Es können somit Störgrößen eliminiert bzw. unterdrückt werden. Mit mehreren Empfängern 14a, 14b können die durch die Füllstandshöhe h beeinflußten Biegewellen gut empfangen und ausgewertet werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung, die in Figur 4 dar¬ gestellt ist, wird eine der beiden Schallfeldgroßen der Transversal¬ impedanz konstant gehalten, während die andere Größe gemessen wird. Z.B. kann man mit einem Sender eine konstante Transversalkraft auf den Schalleiter einprägen, indem man einen konstanten Strom in den Sender einspeist. Dadurch erhält man am Empfänger, der als Schnelle¬ empfänger ausgebildet ist, eine Meßgröße, die der am Meßort defi¬ nierten Transversalimpedanz proportional ist. Verwendet man als Sen¬ der und als Empfänger zwei gleiche Schallwandler, so besteht die Ge¬ fahr eines Übersprechens, d.h. der eine Schallwandler beeinflußt den anderen, wodurch die Meßwerte verfälscht werden. Im in Figur 4 dar¬ gestellten Beispiel wird für den Sender und für den Empfänger je¬ weils ein nach einem anderen Prinzip arbeitender Schallwandler ver¬ wendet. Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, daß als Sender ein nach dem elektrodynamischen oder elektromagnetischen oder magnetostriktiven Prinzip arbeitender Wandler und als Empfänger ein nach dem elektrostatischen oder piezoelektrischen Prinzip arbei¬ tender Wandler verwendet werden kann.

Das elektromagnetische Prinzip wird z.B. bei Fernsprechhörern (Hör¬ kapseln) verwendet. Elektromagnetische Schallwandler bestehen aus einem Permanentmagneten mit mindestens einer Wicklung und einem be¬ weglichen Anker aus Weicheisen, der im allgemeinen mit einer Membran mechanisch gekoppelt ist. Der elektrodynamische Schallwandler be¬ steht im Prinzip aus einem feststehenden permanenten Magnetfeld und einem darin beweglichen Leiter, der z.B. zu einer Schwingspule auf¬ gewickelt ist. Elektrostatische Schallwandler (auch dielektrische Wandler genannt) sind im Prinzip Kondensatoren, die z.B. eine sehr dünne, schwingfähige (Membran-)Elektrode und eine starre (Gegen-)Elektrode aufweisen. Bei magnetostriktiven Schallwandlern verwendet man den magnetostriktiven Effekt. Es wird hierbei die Län¬ genänderung ausgewertet, die ferromagnetische Körper in einem Ma¬ gnetfeld erfahren. Für eine einwandfreie Funktion des magnetostrik-

tiven Schallwandlers ist aber eine Vormagnetisierung notwendig. Beim piezoelektrischen Wandler sind z.B. zwei LängsSchwinger miteinander verkittet. Bei einer mechanischen Deformation der Längsschwinger treten an der Oberfläche Ladungen auf, die ausgewertet werden können.

In Figur 4 ist als Sender 13 ein elektrodynamischer Wandler vorge¬ sehen, der durch Einprägen eines konstanten Stroms eine konstante Transversalkraft auf den Schalleiter ausübt. Hierzu ist im Bereich des aus der Flüssigkeit ragenden Endes des Schalleiters 11 eine Senderspule 25 mit z.B. dreißig Windungen aufgeklebt. Ferner ist ein Permanentmagnet 26 vorgesehen, durch dessen durch die Pole gebilde¬ tes Magnetfeld die Windungen der Spule 25 verlaufen. Als Empfänger 14 ist auf die Stirnseite des Schalleiters 11 ein piezoelektrischer Resonanzschwinger, z.B. ein Piezo-Bimorphschwinger aufgeklebt. Die¬ ser Wandler ist oberhalb einer durch die erste Biege-Resonanzfre- quenz des Wandlers bestimmte Grenzfrequenz mit einem nachgeschal¬ teten Differenzierglied als Schnelleempfänger brauchbar. Dies be¬ deutet, daß der Biegeschwinger zu Eigenschwingungen angeregt wird. Er kann oberhalb einer durch die erste Biege-Resonanzfrequenz des Empfängers bestimmten Grenzfrequenz mit einem nachgeschalteten Dif- ferenzierglied verwendet werden.

Die Rückwirkung einer umgebenden Flüssigkeit, z.B. eines Kraft¬ stoffs, auf die Transversaladmittanz bzw. Transversalimpedanz des Schalleiters 11 ist mit Hilfe einer in Figur 5 dargestellten Meßein¬ richtung möglich. In einem geschlossenen elektrischen Schaltkreis 30 sind die Spule 25 und ein Vorwiderstand 31 des Senders 13 verschal¬ tet. Der Stromkreis 30 wird von einer konstanten Stromquelle 32 ge¬ speist. In den Empf ngerkreis 35 sind der piezoelektrische Empfänger 14 und ein Analysator 36 geschaltet. Für die Meßauswertung wird der Quotient der Empfängerspannung und der Senderspannung herangezogen. Bei Eintauchen des Schalleiters 11 werden die Mini a und die Maxima dieses Kurvenverlaufs des Betrags und der Phase nach einer Phasen-

Verschiebung unterworfen. Diese Frequenzverschiebung ist ein Maß für die jeweilige Füllstandshöhe und kann zur Füllstandsmessung ausge¬ nutzt werden. Wird diese FrequenzverSchiebung über der Füllstands¬ höhe h aufgetragen, so erhält man einen nahezu linearen Zusammenhang.

In der Figur 6 ist der Schalleiter 11 als Frequenz bestimmendes Glied in einem selbstschwingenden Oszillator 40 dargestellt. Der Os¬ zillator 40 weist ferner einen Stromverstärker 41, einen Bandpaß 42 und eine Endstufe 43 auf. Der Oszillator 40 schwingt mit der Fre¬ quenz, für welche die Schwingbedingung A > 1 für V = 0 gilt, wobei A die Verstärkung des Stromverstärkers 41 und <f die Phasendrehung des offenen Kreises ist. Bei Eintauchen des Schalleiters 11 in den Kraftstoff wird ein nahezu linearer Zusammenhang zwischen der oben erwähnten Frequenzverschiebung des Oszillators 40 und der Füll¬ standshöhe h, wie in Figur 7 gezeigt, erzielt.

Die durch die Füllstandshöhe h hervorgerufene Phasenwinkeländerung der mechanischen Transversalimpedanz wiederholt sich nach einem Halbwinkel (nach 180°) wieder. Ab dieser Phasenwinkeländerung kann das Meßsignal nicht mehr eindeutig einer bestimmten Füllstandshöhe h zugeordnet werden. Um die Phasenwinkeländerung auf diesen Halbwinkel zu begrenzen, ist die geometrische Form des Schalleiters 11 ent¬ sprechend auszubilden.

Während in den bisherigen Ausführungsbeispielen ein stabförmiger Schalleiter 11 dargestellt wurde, weist der Schalleiter 45 nach Figur 8 eine im Querschnitt rechteckige Form auf. Die Breite b des Schalleiters 45 kann mit Hilfe der Gleichung

bestimmt werden, wobei

c = Änderung der Biegewellengeschwindigkeit bei Eintauchen in B ein Medium c = Änderung der Biegewellengeschwindigkeit bei "unendlich breiter Platte" (idealisierter Zustand)

b = Breite des Schalleiters 45 JL = Biegewellenlänge.

Diese Gleichung gilt insbesondere für das Medium Wasser, unterschei¬ det sich jedoch nicht wesentlich für das Medium Benzin. Die Phasen¬ winkeländerung kann aus der Biegewellengeschwindigkeitsänderung be¬ stimmt werden.

Will man die zu bestimmenden Phasenwinkeländerungen nicht mehr auf einen Halbwinkel begrenzen, so ist eine zusätzliche Messung mit Hilfe eines Hilfsignals mit einer tieferen Frequenz auszuführen, um die Mehrdeutigkeit der Füllhöhenbestimmung zu eliminieren. Hierzu ist z.B. eine Anordnung mit mehreren Sendern 13a, 13b und Empfän¬ gern 14a, 14b, wie bereits in Figur 3 dargestellt, zu verwenden.

Ferner ist es auch wichtig, in einem Restbereich des Behälters 10 der Flüssigkeit, z.B. im Reservebereich des Kraftstoffs, eine be¬ sonders genaue Messung der Füllstandshöhe h durchzuführen. Mit ab¬ nehmender Füllstandshöhe soll eine zunehmende Meßempfindlichkeit erzielt werden. Die Figuren 9 und 10 zeigen hierzu besondere kon¬ struktive Ausführungsformen des Schalleiters 11. In Figur 9 ist der Schalleiter 46 trapezförmig ausgebildet, wobei die breitere der parallelen Trapezseiten am Boden des Behälters 10 anliegt. In Figur 10 ist der Schalleiter 47 im Reservebereich gebogen. Hierdurch wird ein der Füllstandshöhe h entsprechend überproportionaler langer Teil des Schalleiters 11 in die Flüssigkeit eingetaucht. Ferner ist es auch möglich den Durchmesser des Schalleiters 11 im mittleren Be¬ reich der Füllstandshöhe h zu verringern, um in den beiden Randbe-

reichen eine höhere Meßempfindlichkeit zu erreichen. Diese Ausbil¬ dung kann auch zur Kompensation von unregelmäßigen Behälterformen verwendet werden. Je dicker dabei der Stab ist, desto größer ist die Meßempfindlichkeit.