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Gegenstand
der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Messung von Füllständen in
einem Kraftstoffbehälter
mit einer Signalquelle zur Erzeugung von mindestens einem Radarsignal,
mit einer Sende- und Empfangseinrichtung zum Abstrahlen des Radarsignals
und zum Empfangen eines von einem Fluid reflektierten Radarsignals
und einer Auswerteeinheit, welche in Abhängigkeit des reflektierten
Radarsignals ein dem Füllstand
entsprechendes elektrisches Signal erzeugt, und einem in dem Kraftstoffbehälter angeordneten
Wellenleiter für
das Radarsignal, der sich von der Sende- und Empfangseinrichtung
bis zur gegenüberliegenden
Behälterwand
erstreckt.
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Aus
der
EP 1 192 427 B1 ist
bekannt, Füllstände von
Fluiden in stationären
Vorratsbehältern mit
einer Radarmesseinheit zu messen. Dazu besitzt der Vorratsbehälter eine Öffnung,
in die die Radarmesseinheit mit dem Sender, dem Empfänger und der
Messelektronik eingesetzt ist. Ein zur Radarmesseinheit gehörender Flansch
verschließt
die Öffnung
im Vorratsbehälter.
Der Sender und Empfänger ist
innerhalb des Vorratsbehälters
angeordnet. Über eine
Bohrung im Flansch steht die Radarelektronik mit dem Sender und
Empfänger
in Verbindung. Derartige frei strahlende Messvorrichtungen sind
für stationär angeordnete
und einfach gestaltete Behälter geeignet.
Bei bewegten Fluiden, aufgrund nicht stationärer Vorratsbehälter, und/oder
Vorratsbehältern mit
komplizierter Bauform kommt es zu erheblichen Schwierigkeiten, ein
dem Füllstand
entsprechendes Signal zu erhalten. Ein weiterer Nachteil besteht
bei aggressiven Fluiden darin, dass sowohl der Sender und Empfänger als
auch alle anderen mit dem Inneren des Vorratsbehälters in Verbindung stehende
Teile der Radarmesseinheit beständig
gegen aggressive Fluide sein müssen.
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Es
ist weiterhin bekannt, Störeffekte,
welche das Radarsignal beeinflussen, zu minimieren, indem ein Wellenleiter
zur gezielten Führung
und Verlaufsbegrenzung des Radarsignals angeordnet wird. Der Wellenleiter
erstreckt sich dazu in der Regel von der Sende- und Empfangseinrichtung
bis zur gegenüberliegenden
Behälterwand.
An den beiden Enden des Wellenleiters kommt es mitunter zu Reflexionen,
welche in der Größenordnung
des Messsignals liegen können.
Diese Reflexionen überlagern
das Messsignal, so dass in im Bereich der Enden des Wellenleiters
die Messung des Füllstandes
mit erheblichen Problemen behaftet ist.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum
Messen von Füllständen in
einem Kraftstoffbehälter
zu schaffen, mit der der Füllstand
mittels Radar über
die gesamte Füllhöhe mit ausreichender
Genauigkeit ermittelt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
dass der Wellenleiter im Bereich seiner beiden Enden abgewinkelt
ist, so dass sich der nicht abgewinkelte Bereich im Wesentlichen über die
gesamte Füllhöhe des Behälters erstreckt.
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Die
Abwinklungen des Wellenleiters bewirken, dass sich über die
Füllhöhe des Behälters nur noch
der Bereich des Wellenleiters erstreckt, in dem keine störenden Reflexionen
das Messsignal überlagern.
Dagegen sind die Enden des Wellenleiters, in denen dass Messsignal
durch Reflexionen überlagert wird,
bezogen auf die Füllhöhe im Wesentlichen
eliminiert. Damit ist der Füllstand
im Behälter über die gesamte
Füllhöhe mit ausreichender
Genauigkeit ermittelbar, da die Bereiche mit störenden Reflexionen nicht mehr
zum eigentlichen Messbereich zählen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Eliminierung der Störbereiche
mit einer relativ einfachen Gestaltung des Wellenleiters und damit
besonders kostengünstig
erreicht wird.
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In
einer einfachen Ausgestaltung sind die abgewinkelten Bereiche innerhalb
des Kraftstoffbehälters
angeordnet. Die Höhe
der störenden
Bereiche ist dadurch nur noch durch den Durchmesser des Wellenleiters
bestimmt. Diese Ausgestaltung ist mit besonders geringem Aufwand
zu erreichen.
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Die
vollständige
Eliminierung zumindest eines störenden
Bereichs aus dem Bereich der zu messenden Füllhöhe wird gemäß einer anderen Ausgestaltung
dadurch erreicht, dass zumindest einer der abgewinkelten Bereiche
des Wellenleiters außerhalb
des Kraftstoffbehälters
angeordnet ist.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Wellenleiter ein Hohlleiter.
Diese Ausbildung als Hohlleiter hat den Vorteil, dass das in dem
Hohlleiter befindliche Fluid bei auf den Kraftstoffbehälter einwirkenden
Kräften
gedämpft
wird. Zumindest ist der Flüssigkeitsspiegel
im Hohlleiter geringeren Bewegungen unterworfen als der Flüssigkeitsspiegel
des restlichen Fluids im Kraftstoffbehälter. Die Messung mittels Radar
kann dabei nach dem FMCW-Verfahren (Frequency Modulated Continous
Wave) erfolgen. Das verwendete Frequenzband reicht dabei von 3 GHz
bis 0,3 GHz.
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Eine
weitere Dämpfung
des im Hohlleiter befindlichen Fluids wird mit einem im Hohlleiter
angeordneten Schwimmer erreicht. Die mechanische Robustheit der
Vorrichtung wird hierbei durch die Anordnung eines Schwimmers als
bewegtes Teil nicht beeinträchtigt.
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Der
Verbesserung des reflektierten Radarsignals dient es, wenn der Schwimmer
zumindest auf der der Sende- und Empfangseinheit zugewandten Seite
eine Metallschicht aufweist. Bei dem Schwimmer kann es sich um einen
metallisierten Schwimmer aus Nitrophyl handeln.
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Eine
gute Signalleitung wird gemäß einer weiteren
Ausgestaltung dadurch erreicht, dass in dem Wellenleiter koaxial
ein Draht für
die Signalleitung angeordnet ist. Der Wellenleiter hat in dieser Ausbildung
eine abschirmende Wirkung gegenüber äußeren Einflüssen.
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Eine
verbesserte Anpassung an den Kraftstoffbehälter wird mit einem Wellenleiter
erreicht, der einen nichtlinearen Verlauf aufweist. Eine derartige Ausgestaltung
des Wellenleiters erhöht
die Einsatzmöglichkeiten
der Messvorrichtung. Diese Ausgestaltung erlaubt, dass beide Enden
des Wellenleiters, bezogen auf die vertikale Erstreckung, nicht übereinander
angeordnet sind. Damit kann beispielsweise das untere Ende des Wellenleiters
auch in schwer zugänglichen
Bereichen des Kraftstoffbehälters
angeordnet sein, während
das obere Ende des Wellenleiters in einem gut zugänglichen
Bereich angeordnet ist, oder umgekehrt. Die gute Zugänglichkeit
ist dabei eine Voraussetzung, um die Messvorrichtung einfach montieren
zu können.
Damit sind auch dreidimensionale Gestaltungen möglich. Es muss lediglich sichergestellt
sein, dass das zu messende Fluid bzw. der Schwimmer ohne zusätzlichen
Einfluss innerhalb des Hohlleiters frei steigen und fallen kann,
d. h. siphonartige Gestaltungen sind nicht möglich.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe weiter dadurch gelöst,
dass der Wellenleiter eine Helixform besitzt. Die Helixform hat
den Vorteil, dass sich das Radarsignal nicht nur in dem von dem
Wellenleiter umschlossenen Raum linear ausbreitet. Das Radarsignal
wird teilweise in den Wellenleiter eingekoppelt. Da bei einer Helix
die Länge
der gestreckten Helix wesentlich länger ist, besitzen auch die
Bereiche der Enden als Helix eine wesentlich kürzere Länge als im gestreckten Zustand.
Auf diese Weise wird durch die Helixform des Wellenleiters die Länge der
Enden, in denen störende Überlagerungen
des Messsignals auftreten, bezogen auf die Füllhöhe deutlich verringert. Ein
derart gestalteter Wellenleiter ist besonders einfach herzustellen
und zeichnet sich durch sein geringes Gewicht gegenüber einem
massiven Wellenleiter aus. Darüber
hinaus besitzt ein Wellenleiter aufgrund der Helixform eine größere Flexibilität, wodurch
der Wellenleiter in unterschiedlichen Kraftstoffbehälter einsetzbar
ist.
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Die
Verringerung der Bereiche der Füllhöhe, die
aufgrund der in den Endbereichen des Wellenleiters auftretenden Überlagerungen
des Messsignals für
eine Füllstandsmessung
nicht herangezogen werden können,
lässt sich
gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung weiter verringern, wenn die Steigung der
Windungen im Bereich der Enden des Wellenleiters kleiner ist als
im Bereich zwischen den beiden Enden des Wellenleiters.
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Die
Verringerung der Bereiche der Füllhöhe, die
aufgrund der in den Endbereichen des Wellenleiters auftretenden Überlagerungen
des Messsignals für
eine Füllstandsmessung
nicht herangezogen werden können,
lässt sich
in einfacher Weise durch die Abwinklung im Bereich der Enden des
Wellenleiters erreichen. Die Abwinklungen ermöglichen das Ausbilden der Windungen
des Wellenleiters mit konstanter Steigung. Zusätzlich gestaltet sich die Fertigung des
Wellenleiters besonders einfach, da für die Anpassung des Wellenleiters
an den Einsatzort im Kraftstoffbehälter lediglich die Länge angepasst
werden muss.
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Da
das Volumen eines Kraftstoffbehälters aufgrund
der geometrischen Form des Kraftstoffbehälters nicht proportional zum
Füllstand
ist, erfordert eine exakte Füllstandsmessung
eine genaue Kenntnis des Verhältnisses
von Füllstand
und Volumen. Dieses Verhältnis
lässt sich
durch eine Behälterkennlinie
abbilden und muss bei der Füllstandsermittlung berücksichtigt
werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung lässt sich die Behälterkennlinie
im Wellenleiter abbilden, indem die Steigung der Windungen in dem
Bereich, der zwischen den Bereichen der Enden des Wellenleiters
angeordnet ist, an die Behälterkennlinie
des Kraftstoffbehälters
angepasst ist. Dazu ist die Steigung der Windungen in Bereichen
mit großen
Volumen ja Füllhöhe kleiner
als in Bereichen, die bezogen auf die Füllhöhe ein kleines Volumen aufweisen.
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In
einer anderen Ausgestaltung besitzt der Wellenleiter einen schrägen Verlauf.
Mit einer derartigen Anordnung des Wellenleiters lässt sich
die Auflösung
der Messvorrichtung in einfacher Weise erhöhen, da gegenüber einer
senkrechten Anordnung des Wellenleiters eine längere Messstrecke bei gleicher
Höhe vorhanden
ist.
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Es
hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, die Signalquelle, die
Sende- und Empfangseinrichtung und die Auswerteeinheit außerhalb
des Kraftstoffbehälters
anzuordnen. In dieser Ausgestaltung strahlt die Signalquelle das
Radarsignal durch die Behälterwand
in den Wellenleiter ein und empfängt das
reflektierte Signal durch die Behälterwand. Mit der außenliegenden
Anordnung wird eine hohe mechanische und chemische Robustheit erreicht,
die bei innenliegenden Systemen immer begrenzt ist, oder durch größere Dimensionierung
oder entsprechende Werkstoffauswahl mit wesentlich höheren Kosten
erreicht werden kann. Insbesondere die außenliegende Elektronik muss
nicht durch zusätzliche Schutzmaßnahmen
vor dem Kraftstoff geschützt
werden. Lediglich innenliegende Wellenleiter ist derart auszubilden,
dass er die notwendige mechanische und chemische Robustheit besitzt,
was aufgrund seines einfachen Aufbaus ohne große zusätzliche Kosten erfolgen kann.
Ein weiterer Vorteil der außenliegenden
Anordnung besteht darin, dass kein zusätzlicher Flansch zum Einbringen
der Messvorrichtung notwendig ist. Da Flansche immer Stellen erhöhter Permeation
von Kraftstoffdämpfen
aus dem Kraftstoffbehälter
sind, wird mit dieser Ausgestaltung das Permeationsverhalten des
Kraftstoffbehälters
nicht verschlechtert.
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In
einer weiteren Ausgestaltung sind die Signalquelle, die Sende- und
Empfangseinrichtung und die Auswerteeinheit an der Unterseite des
Kraftstoffbehälters
angeordnet. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Messvorrichtung
bodenreferenziert ist. Die Bodenreferenzierung ist insofern wichtig,
da bei Kraftstoffbehältern
aus Kunststoff das Problem auftritt, dass sich der Kraftstoffbehälter, insbesondere der
Boden des Kraftstoffbehälters,
in Abhängigkeit vom
darin enthaltenen Kraftstoff verformt. So ist der Abstand zwischen
dem Boden des Kraftstoffbehälters
und der oberen Wandung bei einem nahezu vollem Kraftstoffbehälter größer als
bei einem nahezu leeren Kraftstoffbehälter. Diese Abstandsänderung, die
sich auch auf den Pegel des darin enthaltenen Kraftstoffs auswirkt,
führt zu
Ungenauigkeiten der Füllstandsmessung,
die sich mit einer Bodenreferenzierung eliminieren lassen.
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In
einer anderen Ausgestaltung sind die Signalquelle, die Sende- und
Empfangseinrichtung und die Auswerteeinheit an der Oberseite des
Kraftstoffbehälters
angeordnet. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann von Vorteil,
wenn der unter dem Kraftstoffbehälter
zur Verfügung
stehende Bauraum begrenzt ist. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung
besteht darin, dass die Messvorrichtung in dieser Anordnung zwischen
Karosserie und Kraftstoffbehälter relativ
gut gegen Umwelteinflüsse
geschützt
ist. Bei dieser Messanordnung ist aufgrund der fehlenden Bodenreferenzierung,
infolge der vom Füllstand
und damit gewichtsabhängigen Änderung
des Abstandes des Bodens des Kraftstoffbehälters und seiner oberen Wandung,
eine Korrektur des Messsignals notwendig.
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Eine
Korrektur des Messsignals kann bereits dadurch erfolgen, dass nicht
nur der Abstand zwischen Signalquelle und Flüssigkeitspegel gemessen wird,
sondern dass gleichzeitig der Abstand bis zum Boden des Kraftstoffbehälters gemessen
wird, und aus beiden Signalen der eigentliche Füllstand ermittelt wird.
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In
einer anderen Ausgestaltung sind jeweils außerhalb des Kraftstoffbehälters, sowohl
an der oberen Wandung und am Boden die Signalquelle, die Sende-
und Empfangseinrichtung und die Auswerteeinheit angeordnet.
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An
mehreren Ausführungsbeispielen
wird die Erfindung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung von
Füllständen nach
dem Stand der Technik,
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2a: einen Kraftstoffbehälter mit
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Messung von Füllständen,
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2b: eine zweite Ausführungsform des Wellenleiters
nach 2a,
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3-5:
weitere Ausführungsformen des
Wellenleiters.
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1 zeigt
einen aus Kunststoff bestehenden Kraftstoffbehälter 1 in einem Querschnitt
nach dem Stand der Technik. Der Kraftstoffbehälter 1 ist mit Kraftstoff 2 gefüllt. Eine
Baueinheit 3, welche die Signalquelle, die Sende- und Empfangseinheit
und die Auswerteschaltung enthält,
ist oberhalb des Kraftstoffbehälters 1 angeordnet.
Das Radarsignal wird durch die Wandung des Kraftstoffbehälters 1 in einen
Wellenleiter 4 eingestrahlt, von der Oberfläche des
Kraftstoffpegels reflektiert und wieder in Richtung der Sende- und
Empfangseinheit geführt.
In den mit A und B gekennzeichneten Bereichen der Enden 5, 6 des
Wellenleiters 4 führen
störende
Reflexionen zu Überlagerungen
des Messsignals, so dass die Bereiche A, B für die Messung nicht herangezogen
werden können.
Die Länge
der Bereiche A und B beträgt
einige Zentimeter. Die nutzbare Messstrecke für die Füllhöhe erstreckt sich daher über den
mit C gekennzeichneten Bereich.
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Der
in 2a dargestellte Kraftstoffbehälter 1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Wellenleiter 4,
der im Bereich seiner Enden 5,6 abgewinkelt ist.
Die Länge
der Abwinklungen an den Enden 5, 6 sind so gewählt, dass
die Bereiche des Wellenleiters 4 mit den störenden Überlagerungen
abgewinkelt sind. Der Wellenleiter 4 ist vollständig im
Kraftstoffbehälter 1 angeordnet.
Aufgrund der Abwinklungen des Wellenleiters 4 reduzieren
sich die Bereiche A und B auf ungefähr 1 cm–2 cm. Dies führt zu einer
deutlichen Verlängerung
der nutzbaren Messstrecke, welche als Bereich C dargestellt ist.
Insbesondere die Reduzierung des Bereichs B führt dazu, dass mit dem Wellenleiter 4 bis
in den Bodenbereich des Kraftstoffbehälters 1 der Füllstand
gemessen werden kann, wo aufgrund der Restmengenproblematik eine
besonders genaue Messung erforderlich ist.
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2b zeigt eine leicht veränderte Anordnung
des Wellenleiters 4 gegenüber 2a.
Die Enden 5, 6 sind wiederum abgewinkelt, wobei
der Wellenleiter mit dem Ende 5 derart angeordnet ist,
dass sich die Abwinklung außerhalb
des Kraftstoffbehälter 1 befindet. Über eine
Durchführung 7 ist
der Wellenleiter 4 durch die Behälterwandung geführt. Aufgrund dieser
Anordnung des Wellenleiters 4 ist der Bereich A eliminiert,
wodurch sich die nutzbare Messstrecke als Bereich C verlängert und
sich bis zur oberen Behälterwand
erstreckt. In gleicher Weise ist eine derartige Anordnung des Endes 6 des
Bereichs B möglich.
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Der
in 3 dargestellte Kraftstoffbehälter 1 besitzt in
seinem oberen Bereich die Baueinheit 3 mit der Signalquelle,
der Sende- und Empfangseinheit und der Auswerteschaltung. Mit der
Baueinheit 3 ist ein Wellenleiter 4 verbunden,
der aus einem Draht in Form einer Helix besteht. Aufgrund der Helixform
ist die Drahtlänge
wesentlich größer als
die Länge
in axialer Erstreckung, so dass die Bereiche A und B eine sehr kleine
Ausdehnung aufweisen. Dementsprechend groß ist die nutzbare Messstrecke
C.
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In 4 ist
ein Wellenleiter 4 mit einer Helixform dargestellt. Zur
weiteren Verringerung der Bereiche A und B ist die Steigung der
Windungen in diesen Bereichen kleiner als im Bereich C, welcher
die nutzbare Messstrecke darstellt. Aufgrund der kleineren Steigung
besitzt der Wellenleiter 4 in den Bereichen A und B bei
gleicher axialer Erstreckung eine größere Drahtlänge als im Bereich C. Da die
Bereiche, in denen störende
Reflexionen das Messsignal überlagern
von der Drahtlänge
abhängen,
wird dadurch die Länge
der Bereiche A und B reduziert, so dass der Bereich C als Messstrecke
sich nahezu über
die gesamte Höhe
des Kraftstoffbehälter 1 erstreckt.
Neben der Reduzierung der vertikalen Länge der Bereiche A und B aufgrund
der kleineren Steigung der Windungen des Wellenleiters 4 gegenüber den
Windungen im Bereich C, lässt
sich durch gezielte Wahl der Steigung die Drahtlänge in Bezug auf die Höhe die Behälterkennlinie,
d.h. das Behältervolumen
in Abhängigkeit
vom Füllstand,
im Wellenleiter 4 abbilden.
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Einen
Wellenleiter 4 mit konstanter Steigung ist in 5 dargestellt.
Eine Reduzierung der Länge der
Bereiche A und B wird mit diesem Wellenleiter 4 dadurch
erreicht, dass die Enden 5, 6 des Wellenleiters 4 abgewinkelt
sind.