DE10133692A1 - Method of measuring level of liquid in container involves forming indication signal from variable capacitance of capacitor or characteristic impedance of immersion sensor - Google Patents
Method of measuring level of liquid in container involves forming indication signal from variable capacitance of capacitor or characteristic impedance of immersion sensorInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren bzw. einem Sensor sowie einer Vorrichtung mit wenigstens zwei Sensoren zur Füllstandsmessung einer Flüssigkeit in einem Behälter, nach der Gattung der nebengeordneten Ansprüche. Füllstandsmesser für verschiedenste Flüssigkeiten sind bereits bekannt und werden in zahlreichen Technologien gefertigt. Die bekannten Füllstandsmesser arbeiten beispielsweise nach mechanischen, elektrischen, thermischen, kapazitiven, induktiven oder frequenzmodellierten Verfahren. Beispielsweise werden zur Kraftstoffmessung in einem Fahrzeugtank Widerstandssensoren verwendet, wobei mittels eines Schwimmers das Widerstandsverhältnis eines Teilers in Abhängigkeit vom Pegelstand im Flüssigkeitsbehälter geändert wird. Dieses Widerstandsverhältnis dient zur Auswertung für den Pegelstand oder die Flüssigkeitsmenge. Mechanische Sensoren haben jedoch den Nachteil, dass ihre Mechanik relativ empfindlich ist insbesondere im rauhen Alltagsbetrieb eines Kraftfahrzeugs. Andererseits schwankt das Gebersignal durch die Erschütterungen während der Fahrt sehr stark, so dass weitere Maßnahmen ergriffen werden müssen, um die sich ständig ändernden Meßwerte auszugleichen. Rein elektrisch messende Sensoren haben dagegen den Nachteil, dass sie aufwendig gebaut sind. Insbesondere bei Behältern mit unregelmäßiger Geometrie ist das Meßergebnis nicht ohne weiteres linearisierbar, so dass die Skala für eine Füllstandsanzeige schwieriger herstellbar ist.The invention is based on a method or a sensor and a device with at least two sensors Level measurement of a liquid in a container, according to the genus of secondary claims. Level meter for various liquids are already known and are manufactured in numerous technologies. The well-known Level meters work for example according to mechanical, electrical, thermal, capacitive, inductive or frequency-modeled procedures. For example, Fuel measurement in a vehicle tank resistance sensors used, by means of a float Resistance ratio of a divider depending on Level in the liquid container is changed. This Resistance ratio is used for the evaluation of the Level or the amount of liquid. Mechanical sensors have the disadvantage, however, that their mechanics are relative One is particularly sensitive in rough everyday operation Motor vehicle. On the other hand, the encoder signal fluctuates the vibrations during the trip very strong, so that further measures need to be taken to address the to compensate for constantly changing measured values. Purely electric Measuring sensors, on the other hand, have the disadvantage that they are built complex. Especially with containers with irregular geometry, the measurement result is not without further linearizable so that the scale for one Level indicator is more difficult to manufacture.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. der Sensor sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung mit wenigstens zwei Sensoren mit den kennzeichnenden Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil, dass der Pegelstand der Flüssigkeit mit Hilfe der Änderung einer elektrischen Größe erfaßt wird. Dieses erfolgt nach einer rein elektrischen Meßmethode, so daß mechanisch bewegliche Teile nicht erforderlich sind.The inventive method or the sensor and the Device according to the invention with at least two sensors with the characteristic features of the siblings In contrast, claims has the advantage that the water level the liquid with the help of changing an electrical Size is detected. This is done after a pure electrical measuring method, so that mechanically moving parts are not required.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich. Besonders vorteilhaft ist, dass der Sensor ein analoges, Frequenz- oder Zeit-Signal für den Pegelstand liefert, wobei das Signal auf Grund des mechanischen Aufbaus des Sensors im wesentlichen unabhängig ist von starken Erschütterungen und Wellenbewegungen im Flüssigkeitsbehälter.By those listed in the dependent claims Measures are advantageous training and Improvements to the method specified in the main claim possible. It is particularly advantageous that the sensor analog, frequency or time signal for the level delivers, the signal due to the mechanical structure the sensor is essentially independent of strong ones Shocks and wave movements in the Liquid container.
Vorteilhaft ist weiter, dass der Sensor in Form eines koaxialen Kondensators oder Wellenleiters aufgebaut ist, wobei zwischen zwei Elektroden einen Luftzelle vorgesehen ist, in die entsprechend des Pegelstandes die Flüssigkeit eindringen kann. Aufgrund der relativ engen Luftzelle werden dabei starke Pegelschwankungen vorteilhaft weitgehend unterdrückt. It is also advantageous that the sensor is in the form of a coaxial capacitor or waveguide is constructed, an air cell being provided between two electrodes is in the liquid according to the level can penetrate. Because of the relatively narrow air cell strong fluctuations in level advantageously largely suppressed.
Insbesondere durch Ausbildung des Wellenleiters in Form eines handelsüblichen Luftzellenkabels wird vorteilhaft erreicht, dass dieser Sensor an nahezu jede Behälterform so angepaßt werden kann, dass beispielsweise eine einfache lineare oder logarithmische Skalierung auf einem Anzeigegerät möglich ist. So kann bei Ausbildung des Sensors als Wellenleiter auch mittels eines Hochfrequenzsignals oder mittels eines kurzen elektrischen Impulses die Position des Impedanzsprungs am Übergang zwischen Luft und dem Flüssigkeitsmedium oder die Änderung des Stehwellenverhältnisses am Wellenleiter bzw. die Signallaufzeit vorteilhaft als Maß für den Pegelstand bestimmt werden.In particular, by shaping the waveguide a commercially available air cell cable is advantageous achieved that this sensor attached to almost every container shape can be adapted, for example, a simple linear or logarithmic scaling on one Display device is possible. So when training the sensor as a waveguide also by means of a high-frequency signal or by means of a short electrical pulse the position of the Impedance jump at the transition between air and the Liquid medium or the change of Standing wave ratio on the waveguide or Signal transit time advantageous as a measure of the level be determined.
Zur Kalibrierung des Meßwertes ist auch ein Differenzsensor verwendbar, der beispielsweise voll mit der Flüssigkeit umgeben ist und somit ein entsprechendes Referenzsignal liefert. Dieser Sensor kann beispielsweise auch im Tankrohr oder einem Ablaufrohr angeordnet sein, um beispielsweise einen gewünschten Flüssigkeitsablauf lückenlos zu überwachen.A differential sensor is also used to calibrate the measured value usable, for example, full of the liquid is surrounded and thus a corresponding reference signal delivers. This sensor can also be found in the tank pipe, for example or a drain pipe can be arranged, for example a desired liquid drain completely monitor.
Da die Flüssigkeit zwischen den beiden Elektroden des Sensors als Dielektrikum wirkt, kann aufgrund der spezifischen Eigenschaft der Flüssigkeit festgestellt werden, ob unerwünschte Beimischungen einer weiteren, anderen Flüssigkeit vorhanden sind. Beispielsweise kann auf diese Weise festgestellt werden, ob sich Wasser im Kraftstoff befindet und gegebenenfalls wie hoch der Anteil ist.Since the liquid between the two electrodes of the Sensor acts as a dielectric, due to the specific property of the liquid found whether undesirable admixtures of another, other liquid are present. For example, on this way it can be determined whether there is water in the There is fuel and, if applicable, how high the proportion is.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat der Meßwertaufnehmer die Form eines Verzögerungs- Wellenleiters. Dadurch kann die Laufzeit der elektrischen Signale erhöht werden, wodurch bei der Auswertung der Pulsechos oder sonstiger, insbesonders hochfrequenter elektrischer Eigenschaften einfachere, langsamere und damit kostengünstigere Elektronikbausteine in einer Auswerteschaltung eingesetzt werden können.In a particularly advantageous embodiment of the invention the sensor has the form of a delay Waveguide. This can reduce the running time of the electrical Signals are increased, so when evaluating the Pulse echoes or other, especially high-frequency electrical properties simpler, slower and therefore less expensive electronic components in one Evaluation circuit can be used.
Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiment of the invention are in the drawing shown and in the description below explained.
Fig. 1 zeigt einen Behälter mit mehreren Sensoren und Fig. 2 zeigt den Aufbau eines Sensors in räumlicher Darstellung und in den Fig. 3 und 4 sind Ausführungsformen eines Sensors bzw. der zugehörigen Wellenleiter dargestellt. In Fig. 5 ist eine Auswerteschaltung für einen Füllstandssensor dargestellt, die mittels elektrischem Puls-Echo-Verfahren arbeitet. Fig. 1 shows a container with a plurality of sensors, and Fig. 2 shows the structure of a sensor in a spatial representation, and in Figs. 3 and 4 embodiments are shown of a sensor or the associated waveguide. In FIG. 5, an evaluation circuit is shown for a level sensor, which operates by means of electric pulse echo method.
Gemäß Fig. 1 sind innerhalb oder außerhalb von einem beliebig geformten Behälter 1, beispielsweise einem Kraftstofftank eines Kraftfahrzeugs wenigstens ein Sensor 3 angebracht, die den gesamten Behälter oder unterschiedliche Bereiche des Behälters 1 überwachen können. Eingezeichnet sind Sensoren 3a, 3b, es können aber auch noch mehr, beispielsweise 4 Sensoren 3 vorhanden sein, die unterschiedliche Tankbereiche überwachen. Der Behälter 1 ist z. B. teilweise mit einer Flüssigkeit 2 gefüllt, die auch bis zum etwa gleichen Pegelstand innerhalb der Sensoren 3 aufsteigt. Am Boden des Behälters 1 ist ein Referenzsensor 4 angeordnet, der vollständig von der Flüssigkeit 2 durchströmt wird. In alternativer Ausgestaltung ist ein weiterer Sensor 5 vorgesehen, der beispielsweise in einem Auslaufrohr 11 des Behälters 1 angeordnet ist. Eine Pumpe 6, die vor dem Auslaufrohr 11 angeordnet ist, ist im Fall eines Kraftstofftanks für die Kraftstofförderung vorsehbar. Desgleichen hat der Behälter 1 einen Tankverschluß 13, der zum Befüllen des Behälters 1 verwendet wird. Weitere Durchführungen 12 sind insbesondere für den Ein- und Ausbau der Sensoren 3 und zur Kabeldurchführung für die elektrischen Leitungen 9a, 9b vorgesehen.According to FIG. 1, at least one sensor 3 is attached inside or outside of an arbitrarily shaped container 1 , for example a fuel tank of a motor vehicle, which can monitor the entire container or different areas of the container 1 . Sensors 3 a, 3 b are shown, but there may also be more, for example 4 sensors 3 , which monitor different tank areas. The container 1 is e.g. B. partially filled with a liquid 2 , which also rises to approximately the same level within the sensors 3 . At the bottom of the container 1 , a reference sensor 4 is arranged, through which the liquid 2 flows completely. In an alternative embodiment, a further sensor 5 is provided, which is arranged, for example, in an outlet pipe 11 of the container 1 . A pump 6 , which is arranged in front of the outlet pipe 11 , can be provided in the case of a fuel tank for the fuel delivery. Likewise, the container 1 has a tank cap 13 , which is used to fill the container 1 . Further bushings 12 are provided in particular for the installation and removal of the sensors 3 and for the cable bushing for the electrical lines 9 a, 9 b.
Die elektrischen Leitungen 9 sind mit einer Auswertevorrichtung 7 verbunden, die im wesentlichen eine Meßvorrichtung aufweist, die z. B. die Kapazität der wenigstens teilweise eingetauchten Sensoren 3 mit Hilfe bekannter Meßverfahren mißt und daraus ein entsprechendes Anzeigesignal über eine Leitung 10 an eine Anzeige 8 liefert. Alternative mögliche Meßgrößen sind beispielsweise die Welleneigenschaften des koaxial aufgebauten Wellenleiters.The electrical lines 9 are connected to an evaluation device 7 which essentially has a measuring device which, for. B. measures the capacity of the at least partially immersed sensors 3 with the aid of known measuring methods and delivers a corresponding display signal via a line 10 to a display 8 . Alternative possible measured variables are, for example, the wave properties of the coaxial waveguide.
Fig. 2 zeigt eine Teilansicht eines Sensors 3, der im wesentlichen als koaxial aufgebauter Kondensator bzw. Wellenleiter aufgebaut ist. Derartige Wellenleiter sind beispielsweise als koaxiale Luftzellenkabel handelsüblich und werden für die Übertragung hochfrequenter elektrischer Signale verwendet. Der Wellenleiter weist eine erste Elektrode 21 auf, die als Mittelleiter ausgebildet ist. Um die erste Elektrode 21 ist eine zweite Elektrode 24 angeordnet, die durch ein Stützskelett 23 koaxial zur ersten Elektrode 21 gehalten wird. Das Stützskelett 23 weist eine oder mehrere Luftzellen 22 auf, so dass beim Eintauchen des Wellenleiters in die Flüssigkeit diese zwischen die beiden Elektroden 21, 24 strömen kann, da das Ende des Wellenleiters nicht verschlossen ist. Zum Schutz gegen elektrische Kurzschlüsse ist vorzugsweise um die zweite Elektrode 24 eine Isolierung 25 aufgebracht. Die in die Flüssigkeit eingetauchten Enden werden ebenfalls isoliert. Der Aufbau und die Struktur des Wellenleiters ist so ausgebildet, dass dieser halb steif ist und somit auch in Winkel-, Bogen- oder in Schleifenform innerhalb des Behälters 1 oder beispielsweise auch im Auslaufrohr 11, entlang der Aussenwand oder auch abseits von dieser verlegt werden kann. Auf diese Weise gelingt es, den Meßwert so umzuformen, dass je nach Wunsch eine lineare, logarithmische oder sonst geeignete Skalierung auf der Anzeige 8 möglich ist. Zur Bestimmung des Pegelstandes im Behälter 1 werden bekannte Meßverfahren verwendet, wobei im einfachsten Fall die Kapazität zwischen den Elektroden gemessen wird. Dabei kann die Sensorkapazität auch zur Erzeugung einer abhängigen Frequenz- oder Impulsdauer in einer entsprechenden Schaltung (Oszillator, RC- oder LC-Zeitglied) verwendet werden. Eine alternative Auswerteschaltung kann durch Einspeisung einer hochfrequenten Spannung die Welleneigenschaften wie das Stehwellenverhältnis, die Frequenz einer definiert ausgebildeten Stehwelle zwischen der Flüssigkeit und dem Einspeisepunkt, die Impedanz oder sonstige elektrische Eigenschaften messen, die sich ändern, wenn die Luftzellen 22 mit der Flüssigkeit 2 gefüllt werden. Des weiteren ist der Wellenleiter so ausgebildet, dass er bei seiner Verformung in die gewünschten Richtungen seine elektrischen Eigenschaften nicht nennenswert ändert. Durch die Verformung des Wellenleiters kann somit auch eine Anpassung an komplizierte Behälterformen erreicht werden. Dadurch gelingt es, das Volumen bzw. die Massebestimmung linear zur Füllänge des Sensors 3 zu bestimmen. FIG. 2 shows a partial view of a sensor 3 , which is essentially constructed as a coaxial capacitor or waveguide. Such waveguides are commercially available, for example, as coaxial air cell cables and are used for the transmission of high-frequency electrical signals. The waveguide has a first electrode 21 which is designed as a central conductor. A second electrode 24 is arranged around the first electrode 21 and is held coaxially to the first electrode 21 by a supporting skeleton 23 . The support skeleton 23 has one or more air cells 22 , so that when the waveguide is immersed in the liquid, it can flow between the two electrodes 21 , 24 , since the end of the waveguide is not closed. To protect against electrical short circuits, insulation 25 is preferably applied around the second electrode 24 . The ends immersed in the liquid are also isolated. The structure and structure of the waveguide is designed such that it is semi-rigid and can therefore also be laid in an angular, curved or loop shape inside the container 1 or, for example, also in the outlet pipe 11 , along the outer wall or also away from it . In this way it is possible to transform the measured value in such a way that a linear, logarithmic or other suitable scaling on the display 8 is possible as desired. Known measuring methods are used to determine the level in the container 1 , the capacitance between the electrodes being measured in the simplest case. The sensor capacitance can also be used to generate a dependent frequency or pulse duration in a corresponding circuit (oscillator, RC or LC timing element). An alternative evaluation circuit can measure the wave properties such as the standing wave ratio, the frequency of a defined standing wave between the liquid and the feed point, the impedance or other electrical properties that change when the air cells 22 are filled with the liquid 2 by feeding in a high-frequency voltage . Furthermore, the waveguide is designed in such a way that it does not significantly change its electrical properties when it is deformed in the desired directions. The deformation of the waveguide can therefore also be adapted to complicated container shapes. This enables the volume or the mass determination to be determined linearly with the filling length of the sensor 3 .
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist auch vorgesehen, bei der Messung der Kapazität mehrere Sensoren 3 parallel zu schalten und an mehreren Stellen des Behälters 1 anzuordnen, um beispielsweise auch Neigungs- und Beschleunigungsabhängigkeiten des Meßsignals bei ortsveränderlichen Behältern 1 zu kompensieren. Des weiteren ist vorgesehen, zur Kompensation der Stoffabhängigkeiten gegebenenfalls einen Referenzsensor 4 zu installieren der vorzugsweise gleichartig ausgebildet ist und eine bekannte Länge aufweist. Dieser Referenzsensor 4 wird so angeordnet, dass er möglichst vollständig in der Flüssigkeit 2 eingetaucht ist. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Referenzsensor 4 als Stück der Ansaug-, Vorlauf- oder Rücklaufleitung ausgebildet ist oder an der tiefsten Stelle des Behälters 1 angeordnet ist, vorzugsweise im Bereich eines Ansaugpunktes für die Pumpe 6. Auch ist vorgesehen, dass der Absolutwert des Referenzsensors 4 zur Kompensation einer Mengenverfälschung durch unerwünschte Beimischungen, beispielsweise Wasser im Kraftstoff verwendet wird. Dabei kann auch der Anteil der beigemischten Menge (Wasser) bestimmt werden, wie noch nachfolgend näher erläutert wird. Ebenso ist es möglich, auch einen Bodensatz zu erkennen, wenn ein zusätzlicher Sensor entsprechend angeordnet wurde. Befindet sich am Boden des Behälters 1 eine Wasserschicht, kann zur Verhinderung einer Fehlmessung der Sensor in zeitlichen Abständen mit dem Kraftstoff durchspült und somit vom Wasser befreit werden.In a further embodiment of the invention, it is also provided that, when measuring the capacitance, a plurality of sensors 3 are connected in parallel and arranged at several locations on the container 1 , for example to compensate for inclination and acceleration dependencies of the measurement signal in the case of containers 1 that can be moved. Furthermore, to compensate for the substance dependencies, provision is optionally made to install a reference sensor 4 , which is preferably of identical design and has a known length. This reference sensor 4 is arranged such that it is immersed as completely as possible in the liquid 2 . This can be realized, for example, by designing the reference sensor 4 as a piece of the suction, flow or return line or at the lowest point of the container 1 , preferably in the area of a suction point for the pump 6 . It is also provided that the absolute value of the reference sensor 4 is used to compensate for a quantity falsification by undesired admixtures, for example water in the fuel. The proportion of the amount added (water) can also be determined, as will be explained in more detail below. It is also possible to recognize a sediment if an additional sensor has been arranged accordingly. If there is a water layer at the bottom of the container 1 , the sensor can be flushed with the fuel at intervals to prevent incorrect measurement and thus freed from the water.
Nachfolgend wird die Funktionsweise des Sensors 3 unter Anwendung unterschiedlicher Auswerteverfahren näher erläutert.The mode of operation of the sensor 3 is explained in more detail below using different evaluation methods.
Nach einem ersten Auswerteverfahren wird die Kapazität C des
Sensors 3 gemessen. Sie setzt sich zusammen aus einer
konstanten Grundkapazität C0 des mit Luft gefüllten Sensors
3 und einem linear mit der Füllmenge (Masse bzw. Volumen bei
konstanter Temperatur) ansteigenden, durch die
Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit 2 und durch den
geometrischen Aufbau des Sensors bestimmte Zusatzkapazität
dC.
After a first evaluation method, the capacitance C of the sensor 3 is measured. It is composed of a constant basic capacitance C 0 of the sensor 3 filled with air and an additional capacitance dC which increases linearly with the filling quantity (mass or volume at constant temperature) and is determined by the dielectric constant of the liquid 2 and by the geometric structure of the sensor.
dC = C - C0 dC = C - C 0
Bei mehreren parallel geschalteten Sensoren 3 sind die
Kapazitätswerte der einzelnen Sensoren zu addieren. Die
Füllmenge V ergibt sich somit
If there are several sensors 3 connected in parallel, the capacitance values of the individual sensors must be added. The filling quantity V thus results
V = Ks(s).dC/KM,
V = Ks (s) .dC / KM,
wobei für die Änderung des Volumens dV in Abhängigkeit von
der Eintauchlänge ds der Umrechnungsfaktor Ks(s) nach der
Formel
where for the change in volume dV depending on the immersion length ds the conversion factor Ks (s) according to the formula
Ks(s) = dV(s)/ds
Ks (s) = dV (s) / ds
bestimmt wird. Ks(s) kann durch die Formgebung
kontinuierlich über die gesamte Länge durch die Schräglage
beeinflußt werden. Für eine Linearisierung des Signals ist
Ks(s) durch Einstellung der Schräglage über die gesamte
Füllhöhe vorzugsweise konstant zu halten. Der Faktor KM ist
ein Proportionalitätsfaktor, der die Abhängigkeit der
Kapazitätsänderung dCx von der Füllängenänderung auf Grund
des Mediums, der Geometrie und des Materials des Sensors 3
berücksichtigt. KM wird nach der Formel berechnet:
is determined. The shape can continuously influence Ks (s) over the entire length due to the inclined position. For linearization of the signal, Ks (s) should preferably be kept constant by adjusting the inclined position over the entire fill level. The factor KM is a proportionality factor that takes into account the dependence of the change in capacitance dCx on the change in fill length due to the medium, the geometry and the material of the sensor 3 . KM is calculated using the formula:
KM = dCx/dlKM = dCx / dl
Somit sind alle Parameter zur Bestimmung des Volumens V für die Flüssigkeit 2 im Behälter 1 bekannt.Thus, all parameters for determining the volume V for the liquid 2 in the container 1 are known.
Ein zweites alternatives Auswerteverfahren für die
Bestimmung der Flüssigkeitsmenge bzw. dem Pegelstand im
Behälter 1 nutzt die Reflexion von Hochfrequenzwellen an
Impedanzsprüngen im Wellenleiter aus. Dabei ändert der in
der Flüssigkeit 2 eingetauchte Teil des Sensors 3 seine
längenspezifische Kapazität Cx und somit seine Impedanz Z
sprunghaft zwischen dem eingetauchten und nicht
eingetauchten Teil des Sensors. Die Impedanz Z berechnet
sich für den Wellenleiter nach der Formel
A second alternative evaluation method for determining the amount of liquid or the level in the container 1 uses the reflection of high-frequency waves at jumps in impedance in the waveguide. The part of the sensor 3 immersed in the liquid 2 suddenly changes its length-specific capacitance Cx and thus its impedance Z between the immersed and non-immersed part of the sensor. The impedance Z is calculated for the waveguide using the formula
Z = (Lx/Cx)0,5
Z = (Lx / Cx) 0.5
wobei Lx die längenspezifische Induktivität und Cx die längenspezifische Kapazität des Wellenleiters sind. Das Meßprinzip besteht darin, dass am nicht eingetauchten Ende des Sensors 3 ein Hochfrequenzsignal eingespeist wird, das teilweise am Impedanzsprung, also an der Oberfläche der Flüssigkeit des teilweise eingetauchten Sensors 3, reflektiert wird, so daß eine teilweise stehende Welle entsteht. Um eine störende Reflexion am Ende des Sensors 3 zu vermeiden, muß dieser mit einem entsprechenden Abschlußwiderstand versehen werden. Durch Vermessung oder durch Variation der Speisefrequenz und Fixierung der Knoten und Bäuche dieser stehenden Welle kann auf die Entfernung des Pegelstandes im Bezug auf den Vermessungspunkt (Einspeisepunkt) geschlossen werden. Aus dem Verhältnis des maximalen und minimalen Stromes entlang des Wellenleiters (Stehwellenverhältnis) kann ebenfalls auf die veränderte längenspezifische Kapazität Cx und somit auf die Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit 2 geschlossen werden. Natürlich werden die gewählten Strom- und Spannungswerte so gewählt, dass keine Gefährdung entstehen kann.where Lx is the length-specific inductance and Cx is the length-specific capacitance of the waveguide. The measuring principle is that a high-frequency signal is fed in at the non-immersed end of the sensor 3 , which is partially reflected by the jump in impedance, that is to say on the surface of the liquid of the partially immersed sensor 3 , so that a partially standing wave is produced. In order to avoid a disturbing reflection at the end of the sensor 3 , this must be provided with an appropriate terminating resistor. By measuring or by varying the feed frequency and fixing the nodes and bellies of this standing wave, the distance of the water level in relation to the measurement point (feed point) can be deduced. The ratio of the maximum and minimum current along the waveguide (standing wave ratio) can also be used to draw conclusions about the changed length-specific capacitance Cx and thus the dielectric constant of the liquid 2 . Of course, the selected current and voltage values are chosen so that no hazard can arise.
Eine dritte alternative Meßmethode für den Füllstand der
Flüssigkeit 2 in dem Behälter 1 besteht darin, dass der
Korrekturfaktor KM mit Hilfe des Referenzsensors 4 bestimmt
wird. Dabei wird der Korrekturfaktor KM in Abhängigkeit vom
aktuellen Füllmedium nach folgender Formel bestimmt:
A third alternative measurement method for the fill level of the liquid 2 in the container 1 consists in that the correction factor KM is determined with the aid of the reference sensor 4 . The correction factor KM is determined depending on the current filling medium using the following formula:
KM = dCref/lref
KM = dCref / lref
bestimmt, wobei die Werte dCref und lref die Referenzwerte
für die Kapazität und Länge des Referenzelementes 4 sind.
Wird dieser Korrekturfaktor KM in die Formel für das erste
Auswerteverfahren eingesetzt, dann ergibt sich für das
Volumen
determined, the values dCref and lref being the reference values for the capacitance and length of the reference element 4 . If this correction factor KM is used in the formula for the first evaluation method, the result is for the volume
V = Ks.lref.dC/dCref.V = Ks.lref.dC / dCref.
Die Bestimmung des Behälterinhalts wird hierdurch - wie auch beim zweiten alternativen Auswerteverfahren - zur reinen Volumenbestimmung abhängig vom Füllmedium und der Temperaturausdehnung des Behälterinhalts. Hingegen ist das erste Auswerteverfahren eher eine Massenbestimmung und damit temperaturunabhängig.The determination of the container content is thereby - as well in the second alternative evaluation method - to the pure Volume determination depending on the filling medium and the Temperature expansion of the container contents. However, it is first evaluation method rather a mass determination and thus independent of temperature.
Schließlich ist noch ein viertes Auswerteverfahren für die Volumenbestimmung vorsehbar. Für zwei verschiedene Füllmedien bzw. beliebige Mischungsverhältnisse von diesen beiden werden die spezifischen Konstanten KM als bekannt vorausgesetzt. Der Referenzsensor 4 ermittelt den aktuellen Wert von KM. Hierdurch kann das Mischungsverhältnis der zwei Komponenten, z. B. durch Interpolation ermittelt werden. Das Verfahren bietet somit auch die Möglichkeit, beispielsweise den Wasseranteil im Kraftstoff eines Fahrzeugtanks zu bestimmen oder eventuell falsche oder verschiedene Kraftstoffsorten zu identifizieren.Finally, a fourth evaluation method for volume determination can be provided. The specific constants KM are assumed to be known for two different filling media or any mixing ratios of these two. The reference sensor 4 determines the current value of KM. This allows the mixing ratio of the two components, e.g. B. can be determined by interpolation. The method thus also offers the possibility, for example, of determining the water content in the fuel of a vehicle tank or possibly identifying incorrect or different types of fuel.
In einer weiteren Ausgestaltung hat der Messwertaufnehmer
die Form eines Verzögerungs-Wellenleiters. Die Laufzeit T
für elektrische Signale in einem Leiter errechnet sich aus
der längenspezifischen Induktivität L' und der
längenspezifischen Kapazität C' nach der Formel
In a further embodiment, the sensor has the form of a delay waveguide. The transit time T for electrical signals in a conductor is calculated from the length-specific inductance L 'and the length-specific capacitance C' according to the formula
T = √L'C' T = √L'C '
Die Impedanz Z des Leiters ist nach der Formel
The impedance Z of the conductor is according to the formula
Z = √L'/C'
Z = √L '/ C'
bestimmt. In einem Verzögerungswellenleiter kann die Laufzeit elektrischer Signale also vorzugsweise erhöht werden indem L' oder C' erhöht wird. Zusätzlich kann bei Verwendung eines Verzögerungswellenleiters eine Anpassung der Skala (z. B. Linearisierung oder Logarithmierung eines unregelmäßig geformten Behälters) auch durch die Variation von L' und C' über die Sensorlänge erreicht werden. Sinnvollerweise wird dabei durch geeignete Maßnahmen das Verhältnis von L' und C' über die Sensorlänge konstantgehalten, um bei der Auswertung der Hochfrequenz (HF)- oder Pulssignale keine zusätzlichen, ggf. störenden Reflektionen des Signals zu erhalten.certainly. In a delay waveguide, the Runtime of electrical signals is therefore preferably increased are increased by increasing L 'or C'. In addition, at Adjustment using a delay waveguide the scale (e.g. linearization or logarithmization of a irregularly shaped container) also by the variation of L 'and C' over the sensor length. It makes sense to do this by taking suitable measures Ratio of L 'and C' over the sensor length kept constant in order to evaluate the high frequency (HF) - or pulse signals no additional, possibly disturbing To get reflections of the signal.
Vorzugsweise kann der Verzögerungswellenleiter in den in Fig. 1 skizzierten folgenden Bauformen eingesetzt werden, mit geeigneten Anpassungen, die in den folgenden Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden.The delay waveguide can preferably be used in the following designs outlined in FIG. 1, with suitable adaptations which are described in more detail in the following exemplary embodiments.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist der Innenleiter des Wellenleiters eine lange 1-lagige Spule 31 auf einem isolierenden Stabkern 32. Durch den Aufbau des Innenleiters des koaxialen Wellenleiters als Spule wird die längenspezifische Induktivität L' deutlich erhöht. Im Raum zwischen der Oberfläche der Spule und dem Mantelrohr befindet sich das Füllmedium 33, welches durch kleine Löcher 34 entlang und/oder unten und oben des Mantelrohres 35 ins Innere eindringen kann. Mehrere Löcher entlang des Mantelrohres, zumindest im unteren Bereich, sind notwendig, wenn ein Bodensatz eines unerwünschten Mediums (z. B. Wasser) die Messung nicht durch einen überhöhten Stand innerhalb des Sensors verfälschen soll, und starke Schwappbewegungen des Mediums bei ortsveränderlichen Behältern nicht stören sollen.In the embodiment of Fig. 3 is the inner conductor of the waveguide a long 1-layer coil 31 on an insulating rod core 32. The length-specific inductance L 'is significantly increased by the construction of the inner conductor of the coaxial waveguide as a coil. In the space between the surface of the coil and the jacket tube is the filling medium 33 , which can penetrate through small holes 34 along and / or below and above the jacket tube 35 . Several holes along the casing tube, at least in the lower area, are necessary if a sediment of an undesired medium (e.g. water) is not to falsify the measurement due to an excessive level within the sensor, and strong sloshing movements of the medium do not interfere with portable containers should.
Die Oberfläche der Spule und die Innenfläche des Mantelrohres bilden die Kapazität des Wellenleiters. Zur Anpassung der Skala kann die längenspezifische Induktivität L' durch die Wicklungsdichte der Spule variiert werden. Die ggf. erwünschte proportionale Änderung der längenspezifischen Kapazität C' wird bei einer Ausdünnung 36 der Spulenwicklung bereits durch die kleinwerdende Oberfläche des Spulenleiters hervorgerufen und kann noch durch Änderung des Spulen- oder des Mantelrohrdurchmessers 37 vervollständigt werden.The surface of the coil and the inner surface of the jacket tube form the capacitance of the waveguide. To adjust the scale, the length-specific inductance L 'can be varied by the winding density of the coil. The possibly desired proportional change in the length-specific capacitance C 'is already caused by a thinning 36 of the coil winding due to the surface area of the coil conductor becoming smaller and can still be completed by changing the coil or jacket tube diameter 37 .
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist der Innenleiter des Wellenleiters eine lange 1-lagige Spule 41 mit hohlem Kern. Je ein innerhalb 42 und je ein außerhalb 43 der Spule 41 angeordneter leitender Zylinder bilden zusammen den Mantelleiter. Im Gegensatz zur Bauform nach Fig. 3 sind die kleinen Bohrungen 44 im Mantel oder im Innenleiter des Sensors bei ortsveränderlichen Behältern zur Dämpfung notwendig, um eine extreme Schwappbewegung innerhalb des Sensors zu verhindern. Extreme Schräglage des Flüssigkeitsspiegels innerhalb des Sensors würde sonst zur Undetektierbarkeit des Impulsechos führen.In the exemplary embodiment according to FIG. 4, the inner conductor of the waveguide is a long 1-layer coil 41 with a hollow core. One inside cylinder 42 and one outside 43 of the coil 41 arranged together form the sheathed conductor. In contrast to the design according to FIG. 3, the small bores 44 in the jacket or in the inner conductor of the sensor are necessary for damping containers which can be moved in order to prevent an extreme sloshing movement within the sensor. Extreme slanting of the liquid level within the sensor would otherwise lead to the undetectability of the pulse echo.
Zur Verhinderung von Wirbelströmen können die Mantelleiter in Längsrichtung aufgeschlitzt und, falls Notwendig durch eine Isolierung 45 (bzw. 45a, 45b) abgedichtet werden, oder komplett aus mehreren Längssegmenten bestehen. Es kann auch wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 nur der Außenmantel 43, aus mehreren Längssegmenten aufgebaut werden. Der größere Durchmesser dieses Aufbaus führt gegenüber der ersten Bauform zu erheblich längeren Verzögerungszeiten und somit zu einfacheren Auswerteschaltungen.To prevent eddy currents, the sheathed conductors can be slit open in the longitudinal direction and, if necessary, sealed by insulation 45 (or 45 a, 45 b), or consist entirely of several longitudinal segments. As in the exemplary embodiment according to FIG. 2, only the outer jacket 43 can be constructed from a plurality of longitudinal segments. The larger diameter of this structure leads to considerably longer delay times compared to the first design and thus to simpler evaluation circuits.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung können in den Füllraum 46 (bzw. 46a, 46b) Stützstäbe 47 als Spulenträger eingebaut werden. Diese können gleichzeitig als Trennwände 48 für sektorförmig angeordnete Füllräume benutzt werden. Zur weiteren Erhöhung der längenspezifischen Induktivität können diese Stütz- und Trennwände oder auch Trennstäbe aus einem hochfrequenztauglichen ferromagnetischen Material hergestellt sein. Es kann auch an anderer geeigneter Stelle, z. B. als Beschichtung der Mantelleiter, ein solches hochfrequenztaugliches ferromagnetisches Material eingebaut sein. Für die Anpassung der Skala gilt dasselbe wie für die Bauform eins nach Fig. 3.In an advantageous embodiment, support rods 47 can be installed as coil carriers in the filling space 46 (or 46 a, 46 b). These can also be used as partitions 48 for filling rooms arranged in a sector. To further increase the length-specific inductance, these supporting and dividing walls or dividing bars can be produced from a ferromagnetic material suitable for high frequencies. It can also be in another suitable location, e.g. B. as a coating of the sheathed conductor, such a high-frequency suitable ferromagnetic material. The same applies to the adjustment of the scale as for the design one according to FIG. 3.
Als Auswertevorrichtung eignet sich vorzugsweise eine Auswerteschaltung für ein Puls-Echo-Verfahren. Eine solche Auswerteschaltung ist in Fig. 5 dargestellt. Beim Puls- Echo-Verfahren wird in einer Impulsformerstufe 51, die mit dem Messtaktoszillator 51a in Verbindung steht, ein kurzer elektrischer Impuls I1 erzeugt. Der elektrische Impuls I1 bzw. aufeinanderfolgende Impulse wird bzw. werden dem Sensor über eine Impedanzanpassung 52 zugeführt. Jeweils am Impedanzsprung SP1 und SP2 an den Übergängen der Füllmedien 53, 54 und am beispielsweise kurzgeschlossenen Ende SP3 des Sensors erfolgt eine Reflektion. Nach der doppelten Laufzeit 2T wird am Eingang des Sensors ein Signal als Echo registriert, das messbar ist. Dieses Signal ist in Block 55 dargestellt. Dabei ist erkennbar, dass nach dem Impuls I1 zunächst das am Impedanzsprung SP1 reflektierte Signal SP1a auftritt, danach das am anderen Impedanzsprung reflektierte Signal SP2a und schließlich das am Ende des Sensors reflektierte Signal SP3a. Die reflektierten Signale SP1a, SP2a, SP3a werden in einem Spannungsfolger 56 aufbereitet und in Komparatoren 57, 58, 59 mit Schwellwerten S1, S2 bzw. S3 verglichen. Über Flipflops 60, 61 bzw. 62 sowie eine sich anschließende Torlogik 63, 64 bzw. 65, mit der die von den Reflexionen verursachten Signalbestandteile voneinander getrennt werden können und eine Pulslängenmessung 66, 67 bzw. 68 kann die Laufzeit 2T für jedes Medium gesondert in eine logische Pulslänge umgewandelt werden. Die sich einstellenden Signalverläufe sind jeweils über den einzelnen Komponenten 57 bis 68 angegeben. Die Zählimpulse werden von einem Zeittaktoszillator 69 bereitgestellt, der über einen Frequenzteiler auch mit den Zählern 70, 71 bzw. 72 in Verbindung steht. Die Pulslänge kann also durch eine einfache Torschaltung für einen Zeittaktoszillator 69 in eine Impulsanzahl umgewandelt werden.An evaluation circuit for a pulse-echo method is preferably suitable as the evaluation device. Such an evaluation circuit is shown in FIG. 5. When pulse echo method generates a short electrical pulse I1 in a pulse shaper 51, which communicates with the measuring clock oscillator 51 in a connection. The electrical pulse I1 or successive pulses is or are supplied to the sensor via an impedance matching 52 . A reflection takes place at the impedance step SP1 and SP2 at the transitions of the filling media 53 , 54 and at the short-circuited end SP3 of the sensor, for example. After the double running time 2 T, a signal is registered as an echo at the input of the sensor, which is measurable. This signal is shown in block 55 . It can be seen that after the pulse I1, the signal SP1a reflected at the jump in impedance SP1 occurs first, then the signal SP2a reflected in the other jump in impedance and finally the signal SP3a reflected at the end of the sensor. The reflected signals SP1a, SP2a, SP3a are processed in a voltage follower 56 and compared in comparators 57 , 58 , 59 with threshold values S1, S2 and S3. Using flip-flops 60 , 61 or 62 and a subsequent gate logic 63 , 64 or 65 , with which the signal components caused by the reflections can be separated from one another and a pulse length measurement 66 , 67 or 68 , the transit time 2 T can be separated for each medium be converted into a logical pulse length. The signal curves that occur are indicated above the individual components 57 to 68 . The counting pulses are provided by a clock oscillator 69 , which is also connected to the counters 70 , 71 and 72 via a frequency divider. The pulse length can thus be converted into a number of pulses by a simple gate circuit for a clock oscillator 69 .
In einem weiteren Auswerteverfahren kann die Sensorspannung bzw. das am Eingang des Sensors meßbare Echosignal direkt digitalisiert oder da es sich bei schnell aufeinander abgegebenen Impulsen I1 auch bei dem reflektierten Signal SP1a, SP2a, SP3a um ein mit hoher Frequenz wiederholbares Signal handelt, auch durch ein Dehnungs- bzw. Samplingverfahren zeitlich gedehnt und digitalisiert werden. Zur zeitlichen Dehnung eignet sich auch ein beispielsweise in der DE-P 198 24 047 bekanntes Abtastverfahren. Das digitalisierte Echosignal ist charakteristisch für die Laufzeit des Impuls-Echos, bzw. die Füllhöhe im Sensor. Das Erkennen der Echos und das Umrechnen in Füllhöhe und/oder Wassergehalt kann dann in einem Prozessrechner erfolgen. Bei einem Füllstandssensor für ein KFZ kann der Prozessrechner Bestandteil der Motorsteuergerätes sein.The sensor voltage can be used in a further evaluation method or the echo signal measurable at the input of the sensor directly digitized or because it is quickly on each other emitted pulses I1 even with the reflected signal SP1a, SP2a, SP3a by a repeatable with high frequency Signal acts, also through an expansion or Sampling procedures are stretched and digitized. For example, a time extension is also suitable scanning method known in DE-P 198 24 047. The digitized echo signal is characteristic of the Runtime of the pulse echo, or the fill level in the sensor. The Detection of the echoes and the conversion into level and / or Water content can then take place in a process computer. At The process computer can use a level sensor for a motor vehicle Be part of the engine control unit.
Zur genauen Bestimmung der Signallaufzeit bzw. der Füllhöhe können auch andere Parameter wie Auswertung der Flankensteilheit oder der Impulshöhe verwendet werden oder zumindest bei der Bildung von Korrektursignalen berücksichtigt werden. Weiterhin läßt sich ein direkter Formvergleich des Meßsignales oder von Teilen des Meßsignales oder von aus dem Meßsignal gewonnenen Parametern mit aus Eichmessungen erhaltenen Meßsignalen oder Teilen hiervon oder Parametern hiervon durchführen. Dabei kann noch zwischen den zwei am nächsten liegenden Meßsignalen oder von Meßsignalen oder Parametern interpoliert werden. Die zur Durchführung benötigten Mittel sind beispielsweise im Prozessor bzw. einem zugehörigen Steuergerät enthalten.For precise determination of the signal transit time or the fill level can also use other parameters such as evaluation of the Slope or the pulse height can be used or at least when generating correction signals be taken into account. Furthermore, a direct Form comparison of the measurement signal or parts of the Measurement signals or from parameters obtained from the measurement signal with measurement signals or parts obtained from calibration measurements of this or perform parameters thereof. It can still between the two closest measurement signals or from Measurement signals or parameters can be interpolated. The for Funding required are for example in Processor or an associated control unit included.
Eine Kombination der vorstehend beschriebenen Signalauswertung mit dem Einsatz eines Sensors mit Verzögerungswellenleiter ist ebenfalls möglich.A combination of those described above Signal evaluation with the use of a sensor Delay waveguide is also possible.
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