DE4025326A1 - Verfahren und vorrichtung zu fuellstandsmessung - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zu fuellstandsmessungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Messen des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem
Behälter, wie einer Ölwanne, einem Tank in Kraftfahrzeu
gen oder dergleichen.
Füllstandsmesser sind an sich bekannt. Es gibt Füllstands
messer mit einem Schwimmer, deren Höhe im Behälter in
geeigneter Weise abgenommen wird. Weiterhin kann die durch
Änderung des Füllstandes bedingte Kapazitätsänderung ei
nes senkrecht in der Flüssigkeit befindlichen Kondensators
gemessen werden. Zeitliche und räumliche Schwankungen
des Tankinhalts können durch zeitliche Mittelwertbildung,
z. B. durch elektronische Integration ausgeglichen werden,
so daß im Mittel ein richtiger Füllstand, unabhängig von
der Bewegung des Mediums, angezeigt wird. Ein Nachteil
besteht darin, daß rasche Änderungen im Füllstand nicht
erkannt werden können. Letzteres kann zu nicht rechtzeitig
erkennbaren Verseuchungen von Erdreich und Grundwasser
durch ausfließendes Öl oder Chemikalien bei entsprechen
den Behältern führen. Bei Verbrennungsmotoren kann ein
plötzlicher Ölverlust infolge von Leckagen oder defekten
Teilen im Motorraum nicht rechtzeitig erkannt werden,
so daß irreversible Schäden in beträchtlicher Höhe am
Motor entstehen können. Letzteres gilt insbesondere für
moderne Motoren mit Ölwannen, deren Volumen insbesondere
zur Reduzierung des Luftwiderstandbeiwertes, aber auch
zur Reduzierung der bei einem Ölwechsel erforderlichen
Ölmenge stark reduziert wurde.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung anzugeben, die eine zuverlässige
und schnelle Füllstandsmessung auch bei zeitlichen und
örtlichen Verlagerungen der Füllflüssigkeit, beispiels
weise infolge von Schräglage, Kurvenfahrt, Beschleuni
gungen und Verzögerungen ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe durch ein Ver
fahren der eingangs genannten Art gelöst, welches da
durch gekennzeichnet ist, daß zumindestens ein Ultra
schallimpuls durch die Flüssigkeit vom Bodenbereich oder
vom Seitenwandbereich zu deren Oberfläche gesandt und nach
Reflexion wieder empfangen wird. Eine erfindungsgemäße
Vorrichtung sieht zur Lösung der Aufgabe vor, daß der
Sendeimpuls mittels einer Sendeimpulsunterdrückung aus
geblendet wird. Die Wandler sind vorzugsweise am Boden
des Behälters angeordnet, können aber auch an allen vier
Seitenwänden der Ölwanne als Ultraschallarrays angeordnet
sein. Die Sendefrequenz ist derart, daß die Zeit zwischen
der Aussendung zweier Ultraschallimpulse größer ist als
die maximal mögliche Laufzeit des einmal reflektierten
Impulses, der alleine ausgewertet wird.
Bevorzugte Weiterentwicklungen sehen vor, daß mehrere
Ultraschallwandler am Boden oder an der Behälterwand an
geordnet sind und daß der mittlere Füllstand bzw. das
tatsächliche Füllvolumen aus den einzelnen Laufzeiten
der verschiedenen Wandler jeweils ermittelt wird. Weite
re Ausgestaltungen sehen vor, daß der Impuls derart aus
gesandt wird, daß ein Ultraschallwandler lediglich kurz
zeitig zum Schwingen angestoßen (angeregt) wird und an
schließend ausschwingt und daß eine Schaltkurve erzeugt
wird, die der Hüllkurve des Sendeimpulses entspricht und
daß Sende- und Empfangssignal mit der Schaltkurve ver
glichen bzw. die entsprechende Differenz gebildet wird,
wobei sich eine Weiterbildung dadurch auszeichnet, daß
die Schaltkurve um einen negativen Wert gegenüber der
Nullinie des Sendeimpulses verschoben wird.
Zur weiteren Auswertung des bereinigten Signals kann ent
weder zunächst eine analoge Weiterverarbeitung vorgesehen
sein, indem über die Laufzeit des Ultraschallsignals eine
zeitliche Integration eines Spannungswertes derart erfolgt,
daß der integrierte Wert ein Maß für die Laufzeit und damit
die Füllhöhe ist oder aber eine digitale Weiterverarbeitung,
indem durch den Sendeimpuls ein Zähler gestartet und durch
den Empfangsimpuls der Zähler gestoppt wird. Eine andere
Ausgestaltung sieht darüber hinaus vor, daß das Empfangs
signal über einen Vergleich mit einem Schwellwert einen
Stoppimpuls für den Zähler erzeugt wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeich
net, daß im unteren Bereich des Behälters mindestens ein
Ultraschallwandler angeordnet ist, dessen Sendesignal
zur Oberfläche der Flüssigkeit gerichtet ist, deren Füll
höhe bestimmt werden soll. Während grundsätzlich nur ein
Wandler vorgesehen sein kann, sieht eine bevorzugte Aus
gestaltung vor, daß mehrere Ultraschallwandler im unteren
Bereich des Behälters angeordnet sind. Die Wandler kön
nen dabei, wie schon oben angedeutet, derart eingesetzt
werden, daß sie sowohl Ultraschallsender als auch -emp
fänger sind; das von einem als Sender fungierenden Ultra
schallwandler ausgesendete Signal kann aber von einem
anderen Wandler als Empfänger empfangen werden, wobei
beide nur die jeweilige entsprechende Funktion ausüben;
in diesem Falle ist ein elektronisches Ausblenden des
Sendeimpulses, wie es oben erläutert wurde, nicht not
wendig, kann aber eine aufwendigere Elektronik verlangen.
In konstruktiver Weiterbildung ist vorgesehen, daß die
Ultraschallwandler an der Bodenfläche des Behälters an
geordnet sind oder daß Ultraschallwandler im unteren Be
reich der Seitenwandung des Behälters angeordnet sind und
im Inneren des Behälters Umlenkeinrichtungen zur Umlenkung
des von den Wandlern ausgesandten Ultraschallsignals zur
Oberfläche der Flüssigkeit angebracht sind. Die Befesti
gung der Ultraschallwandler am Behälter kann auf ver
schiedene Weise erfolgen, nämlich durch Kleben, Klemmen,
Schrauben, zum Teil auch in Kombination der verschiedenen
Befestigungsweisen.
Andere Weiterbildungen sehen vor, daß mehrere Ultraschall
sender matrixartig am Boden des Behälters angeordnet sind
und daß in der Nähe der Eckpunkte des Bodens des Behälters
jeweils ein, also insgesamt vier Ultraschallwandler an
geordnet sind.
Eine weitere konkrete Ausgestaltung zeichnet sich dadurch
aus, daß oberhalb der Ultraschallwandler zur Flüssig
keitsoberfläche hin offene Hohlzylinder angeordnet sind,
die im unteren Bereich ihrer Wandung zumindestens eine
Öffnung zum Restbehälter hin aufweisen. Eine solche Ausge
staltung ist insbesondere vorteilhaft, wenn ein Wandler so
wohl als Sender als auch Empfänger für die von ihm aus
gesandten und an der Flüssigkeitsoberfläche reflektierten
Signal dient. Wenn ein entsprechender Leitzylinder nicht
vorhanden ist, so kann der Wandler Signale empfangen,
wenn ein von seinem Sendeimpuls erreichtes Flüssigkeits
oberflächensegment senkrecht zu der Sendeimpulsrichtung
steht, was, wie sich herausgestellt hat, bei einer "ge
schüttelten" Flüssigkeit hinreichend oft der Fall ist.
Die Wahrscheinlichkeit könnte in einer solchen Ausgestal
tung darüber hinaus noch dadurch erhöht werden, daß über
dem Wandler eine Ultraschallinse angeordnet ist, die den
vom Wandler ausgesandten Ultraschallimpuls zerstreut,
so daß er eine größere Fläche der Oberfläche der Flüs
sigkeit bestreicht, wodurch die Wahrscheinlichkeit er
höht wird, daß die Reflexionsbedingung erfüllt ist.
Wenn aber, wie in bevorzugter Ausgestaltung vorgesehen,
ein Zylinder vorgesehen ist, der durch ein Loch in sei
ner Seitenwandung mit dem Restbehälter in Flüssigkeits
verbindung steht, so kann das an der vom Zylindermantel
umschlossenen Flüssigkeitsoberfläche reflektierte Signal
wiederholt durch die Zylinderwandungen zurückreflektiert
werden, bis es den Wandler wieder erreicht. Der durch
die Mehrfachreflexion und den hierdurch vergrößerten
Rücklaufweg bedingte Fehler kann dadurch ausgeschaltet
werden, daß mehrere entsprechende Anordnungen vorhanden
sind.
Der Ultraschallwandler ist vorzugsweise ein Piezokristall.
Eine weitere bevorzugte Augestaltung sieht vor, daß am
Ultraschallwandler ein Differenzverstärker nachgeordnet
ist, dessen anderen Eingang das Ausgangssignal eines
Schaltkurvengenerators zugeführt ist.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich
aus den Ansprüchen aus der nachfolgenden Beschreibung,
in der in bevorzugter Ausgestaltung unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Flüs
sigkeitsbehälter mit an dessen
Unterseite angeordneten Ultra
schallwandlern;
Fig. 2 eine Sicht auf die Unterseite
des Behälters der Fig. 1;
Fig. 3 die Detaildarstellung eines mit
einer akustischen Linse versehe
nen Ultraschallwandlers;
Fig. 4 einen Darstellung eines Flüssig
keitsbehälters ähnlich der Dar
stellung der Fig. 1 mit einer
Vielzahl von an der Bodenseite
angebrachten Ultraschallwandlern;
Fig. 5 ebenfalls eine Darstellung eines
Flüssigkeitsbehälters ähnlich der
der Fig. 1 mit mit Leitzylindern
versehenen Ultraschallwandlern;
Fig. 6a, b Schallumlenkeinrichtungen zum
Einsatz bei der Anbringung der
Schallwandler an einer Seiten
wand des Behälters;
Fig. 7 eine Ausgestaltung zur Erzeu
gung eines Referenzsignals;
Fig. 8 die Befestigung eines Ultra
schallwandlers mittels Klem
mung;
Fig. 9 die Befestigung eines Ultra
schallwandlers mittels einer
Spannschraube;
Fig. 10 ein Blockschaltbild der erfin
dungsgemäßen Elektronik zum
Erzeugen eines Ultraschallsen
designals und der elektronischen
Weiterverarbeitung des empfange
nen Ultraschallsignals;
Fig. 11 eine detailliertere Darstellung
einer Schaltung;
Fig. 12 eine Signaldarstellung; und
Fig. 13 ein Blockschaltbild ähnlich der
Fig. 10 für eine erfindungsgemäße
Elektronik mit laufzeitabhängiger
Verstärkung des Signals.
Am Boden 1a eines Flüssigkeitsbehälters 1, wie beispiels
weise der Ölwanne eines Kraftfahrzeugs, sind Ultraschall
wandler 3 angebracht. Zwischen dem Wandler 3 und dem Bo
den 1a des Behälters ist vorzugsweise ein Koppelmedium
3a vorgesehen. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind
die Wandler 3 mittels Kleber 3a an der Unterseite 1a des
Behälters 1 festgeklebt, so daß der Kleber das Koppelme
dium 3a bildet. Im Flüssigkeitsbehälter 1 befindet sich
eine Flüssigkeit 5 an deren Oberfläche 5a von den Wand
lern 3 ausgesandte Ultraschallimpulse 3b entsprechend
dem Reflexionsgesetz reflektiert werden. Wenn der Be
hälter 1 sich in Ruhe befindet mit horizontal ausge
richtetem Boden 1a, so ist die Oberfläche 5a der Flüs
sigkeit 5 ebenfalls horizontal und eben, so daß der aus
gesandte Ultraschallimpuls 3b auf den gleichen Wandler
3 wieder reflektiert wird und das an diesem empfangene
Signal weiterverarbeitet werden kann. Befindet sich aber
der Behälter 1 und damit die Flüssigkeit 5 sowie deren
Oberfläche 5a in Bewegung, so werden ausgestrahlte Schall
impulse 3a zum Teil in Richtung reflektiert (3c) bei denen
der Impuls nicht mehr auf einen Wandler 3 trifft. Aufgrund
der unruhigen, bewegten Flüssigkeitsoberfläche 5a in diesem
Fall treffen Ultraschallimpulse 3b aber in hinreichendem
Umfange auf horizontal gerichtete Flüssigkeitsoberflächen-
Elemente (bei 5c), so daß ein Strahl 3a vertikal auf den
Ultraschallwandler 3 zurückreflektiert wird. Das Empfangs
signal kann dann ebenfalls wieder ausgewertet werden.
Die "gestreuten" Impulse 3c, die nicht auf einen Wand
ler 3 treffen, stören nicht.
Aufgrund der Laufzeit des ausgesandten Ultraschallimpul
ses 3a und des zum Wandler 3 reflektierten Impulsanteils
3b, kann die Füllstandshöhe bei dem jeweiligen Wandler
3 durch Multiplikation der halben Gesamtlaufzeit mit der
Schallgeschwindigkeit im Medium der Flüssigkeit 5 bestimmt
werden. Bei ruhigem, stationären Behälter 1 reicht im
Prinzip ein Wandler. Bei bewegten Behältern 1, wie dies
bei Ölwannen oder Kraftstofftanks von Kraftfahrzeugen der
Fall ist, wird man mehrere, mindestens zwei, vorzugsweise
aber mindestens vier Wandler vorsehen, wie dies für einen
Behälter 1 aus der Darstellung der Unterseite desselben
in der Fig. 2 erkennbar ist. Die Wandler 3 sind dort in
den Eckbereichen der Bodenfläche 1a des Behälters 1 ange
ordnet. Bei Reflexion an einer zum Boden geneigten Flüs
sigkeitsoberfläche und Empfang des reflektierten Signals
3b durch einen in einer Entfernung a angeordneten Empfänger
ergibt sich die Flüssigkeitshöhe über dem Sender 3 durch
wobei T die Signalgesamtlaufzeit und c
die Schallgeschwindigkeit im Medium ist. Um ein Abbild
der gesamten Flüssigkeitsoberfläche zu erhalten, können
alle vorhandenen Ultraschallwandler als Sender abgefragt
werden.
Gegebenenfalls kann auch der Boden 1a des Behälters 1
im Bereich des Ultraschallwandlers 3 mit einer akusti
schen (Streu-) Linse 6 versehen sein, die den Impuls des
Wandlers 3 auffächert und in mehrere Richtungen streut.
Während ein Teil des Schall dadurch seitlich fortreflek
tiert wird (bei 7a), wird hierdurch die Wahrscheinlichkeit
erhöht, daß Schallanteile 7b zunächst zur akustischen Linse
6 zurück und durch diese zum Wandler 3 zurückreflektiert
werden (Fig. 3), da die Wahrscheinlichkeit, daß Bereiche
des Sendeimpulses senkrecht auch eine schief stehende
Flüssigkeitsoberfläche 5a treffen, durch die akustische
Linse 6 erhöht wird.
Während vorstehend jeder Wandler 3 sowohl als Ultraschall
sender als auch als Ultraschallempfänger dient, könnte
auch vorgesehen sein, daß die Funktionen körperlich-räum
lich getrennt und in unterschiedlichen Wandlern verwirk
licht sind, wobei jeweils ein Sender und ein Empfänger
unmittelbar nebeneinander angeordnet sind.
Bei der Ausgestaltung der Fig. 4 sind am Boden 1a des
Behältnisses 1 matrixartig eine Vielzahl von Ultraschall
wandlern 3 angeordnet, deren Sende- und Empfangsfunktio
nen ebenfalls getrennt oder aber jeweils in einem Wand
ler 3 verwirklicht sein können. Hierdurch wird der Sen
deimpuls 3a zu einem anderen Wandler hinreflektiert, der
das reflektierte Signal als Empfangssignal aufnimmt und
der Weiterverarbeitung zuführt. Die in Fig. 4 gezeigte
Ultraschallwandleranordnung kann sich über die gesamte
Bodenfläche des Behälters 1 erstrecken, um eine sichere
Signaldetektion zu ermöglichen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung (Fig. 5) sind Leit
zylinder 2 oder Ultraschall-Führungsrohre angeordnet,
die zum Angleich der Füllstände in ihnen an den Füll
stand im Restbehälter 1a in ihrem unteren Wandungsbereich
jeweils mindestens eine Bohrung 4 in ihrem Mantel aufwei
sen. Steht die Flüssigkeitsoberfläche 5a nicht parallel
zum Wandler 3, so wird der von diesem ausgesandte Sende
impuls 3 dann, wenn er von der Flüssigkeitsfläche 5a, 2
zur Seite reflektiert wird, auf die Wandung des Zylinders
2 treffen, von dieser wieder reflektiert werden, bis der
reflektierte Impuls zum Wandler 3 gelangt und dort wieder
detektiert und der Weiterverarbeitung zugeführt werden
kann.
Auch hier sind vorzugsweise wieder mehrere, insbesondere
vier Wandler vorgesehen. Durch Messungen mit allen vier
Wandlern kann nicht nur der mittlere Füllstand bestimmt,
sondern auch durch die unterschiedlichen Laufzeiten bei
verschiedenen Wandlern die mittlere Neigung der Flüssig
keitsoberfläche relativ zum Boden bestimmt und hierdurch
die durch die Mehrfachreflexion bedingte Laufzeitverlän
gerung berücksichtigt bzw. kompensiert werden.
Während bisher die Wandler 3 immer an der Unterseite bzw.
dem Boden 1a des Behälters angebracht wurden und zwar
derart, daß sie im Ruhezustand des Behälters horizontal
ausgerichtet sind, kann, wenn die Einbauverhältnisse dies
erfordern, in besonderen Fällen auch vorgesehen werden,
daß die Wandler 3 an Seitenwandungen 1b des Behälters
1 befestigt werden. In diesem Falle müssen aber Umlenk
einrichtungen 8 vorgesehen sein, die den vom Wandler 3
zunachst horizontal oder nahezu horizontal durch die Wan
dung 1b gestrahlten Sendeimpuls 3b senkrecht nach oben
lenken. Eine derartige Umlenkeinrichtung 8 kann in einer
an der Innenseite des Behälters in geeigneter Weise aus
gebildeten Nase bestehen. Alternativ kann die Umlenkein
richtung auch aus einem an der Innenseite des Behälters
befestigten, insbesondere festgeschweißten Umlenkblech
bestehen, wie dies in der Fig. 6b dargestellt ist.
Um Schallgeschwindigkeitsänderungen aufgrund von Visko
sitätsänderungen der Flüssigkeit, insbesondere aufgrund
von Temperaturänderungen berücksichtigen zu können, kann
mit Abstand zu einem Wandler 3 im Inneren des Behälters
1 eine definierte Reflexionsfläche 9 an einem Referenz
reflektor 10 vorgesehen sein. Hierdurch ist eine vorge
gebene Laufstrecke für einen Teil des Ultraschallsignals
gegeben, mit der die zur Bestimmung des Prüfstandes er
forderliche Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit
kalibriert werden kann. Während im dargestellten Aus
führungsbeispiel ein Teil der vom Wandler 3 ausgesandten
Ultraschallwelle 3b zur Bestimmung des Referenzwertes
genutzt wird, könnte hierzu auch ein separater Ultra
schallwandler vorgesehen sein, der vollständig durch die
Referenzfläche 9 überdeckt ist.
Wie schon oben dargelegt, wird das Ultraschallsignal nach
Durchlaufen der doppelten Füllstands-Wegstrecke als Emp
fangssignal am hierzu elektrischen Ultraschallwandler
detektiert. Das Maximum des von der elektronischen Sig
nalverarbeitung modifizierten Signals wird zeitlich er
faßt und durch die aufsteigende Flanke eines Rechteck
signals zeitlich markiert. Durch eine "Schaltkurve" wer
den die durch die endliche Breite des Sendesignals sowie
durch Schallschwächungseffekte des flüssigen Mediums be
wirkten Störungen eliminiert.
Während die Ultraschallwandler grundsätzlich in der be
schriebenen Weise mittels Kleber am Behälter 1 befestigt
sein können, können auch andere Befestigungsmöglichkeiten
vorgesehen werden, insbesondere wenn eine lösbare Befe
stigung der Wandler 3 gewünscht wird. So können die Wand
ler klemmend oder mittels Verschraubung befestigt werden,
wie dies in den Fig. 8 und 9 dargestellt ist. Bei der
Ausgestaltung der Fig. 8 sind am Behältnis 1 (insbeson
dere Boden des Behältnisses 1) mit Hinterschneidungen
11 versehene Ansätze 12 vorgesehen, zwischen denen der
Wandler 3 ebenfalls unter Zwischenanordnung eines Kopp
lungsmittels 3a, das hier ein Gel, Silikon oder derglei
chen sein kann, an der Unterseite 1a des Behältnisses
angebracht wird. Die Hinterschneidungen 11 werden durch
Ränder 13 einer Feder 14 hintergriffen, die mit ihrem
Mittelteil 15 gegen den Wandler 3 und diesen damit gegen
die Unterseite 1a des Behälters drückt. Bei einer ande
ren Ausgestaltung (Fig. 8) ist der Boden 1a des Behäl
ters 1 ebenfalls mit Ansätzen oder Vorsprüngen 12 ver
sehen, die vorzugsweise eine Ausnehmung 16 umgeben, in
der der Wandler 3 unter Zwischenlage der Kopplungsschicht
3a angeordnet ist. Es ist weiterhin eine Andrückplatte
17 vorgesehen, die zum Wandler 3 gerichtete Ansätze 18
aufweist und mittels einer Schraube (die nur gestrichelt
dargestellt ist) gegen den Boden 1a und damit mit seinen
Ansätzen 18 gegen den Wandler 3 gespannt werden kann,
so daß dieser gegen den Boden 1a des Behälters gedrückt
wird.
Die Elektronik 60 zur elektronischen Signalverarbeitung
(Fig. 10) enthält zunächst einen Taktgenerator 66. Die
ser weist einen Oszillator mit Frequenzen im Bereich von
1 bis 10 MHz auf. Der Takt wird heruntergeteilt, bis ei
ne Periode größer ist als die doppelte Laufzeit des Ul
traschallsignals und damit auf einen Wert in der Größen
ordnung von wenigen KHz, wie beispielsweise 2,5 KHz. Es
ist ein Verstärker 74 zur Verstärkung der Taktgenerator
signale vorgesehen. Mit dem Ausgang des Verstärkers wird
ein Piezokristall des Ultraschallwandlers 76 angesteuert
und zu gedämpften Schwingungen angeregt, die sich als
Ultraschallsignal in der Flüssigkeit 5 fortsetzen, an
der Oberfläche 5a der Flüssigkeit reflektiert und vom
Wandler 76 wieder empfangen werden. Dem Wandler 76 ist
ein Empfangsverstärker 75 nachgeordnet, der die von der
Oberfläche der Flüssigkeit reflektierten und empfangenen
Signale verstärkt und sie auf einen Eingang eines Diffe
renzverstärkers 69 gibt. Der andere Eingang des Diffe
renzverstärkers 69 erhält sein Eingangssignal über eine
Schaltpegelanpassungseinrichtung 68 von einem Schalt
kurvengenerator 67. Der Schaltkurvengenerator 67 kann
ein Rechteckgenerator sein, der gegebenenfalls mit einem
Kondensator derart verbunden ist, daß am Eingang des Dif
ferenzverstärkers 69 nach einer Vorlaufzeit (die der Brei
te des Recktecksignals entspricht) dann zunächst ein ex
ponentiell abfallendes Signals 29 anliegt (Fig. 12).
Die "Schaltkurve" ist dabei in geeigneter Weise wählbar
und wird derart gewählt, daß sie die Sendeschwingung 30
des Wandlers 76 im wesentlichen einhüllt, so daß im
Zeitbereich der Sendeschwingung der Differenzverstärker
69 nahezu oder praktisch ein Nullsignal ergibt. Die
"Schaltkurve" ist demgegenüber während der Laufzeit des
Ultraschallsignals auf nahezu Null abgefallen, so daß der
Differenzverstärker das Empfangssignal 31 wesentlich als
solches weitergibt.
Das am Ausgang des Differenzverstärkers 69 liegende Sig
nal 33 wird bei Durchlaufen eines Tiefpasses 70 geglättet
und erzeugt über eine Schaltschwelle einen Stoppimpuls
35 für einen Zähler 72 (Fig. 13), dessen Zählerstand
proportional der Laufzeit des reflektierten Ultraschall
signals ist. Der Zählwert kann in einem Rechner 64 weiter
verarbeitet und das Meßergebnis über eine Anzeige 73 an
gezeigt werden.
Der Taktgenerator 66 weist einen Binärzähler 81 (IC 4440)
als Teiler auf, dem eine RC-Kombination 82 als Differen
zierglied nachgeschaltet ist, das die vom Teiler 81 ge
lieferten Rechteckimpulse in kurzzeitige Spitzen umwan
delt, die einen nachfolgenden Transistor 83 durchschal
ten, wodurch der Piezo-Schallwandler 76 über einen Über
trager 84 kurzzeitig angeregt wird. Der Piezo-Wandler
schwingt nach der erfolgten Anregung gedämpft aus.
Dem Wandler 76 ist der durch Inverter (IC 4069) gebilde
te invertierende Empfangsverstärker 65 nachgeordnet, dem
der Differenzverstärker 69 folgt, auf dessen anderen Ein
gang die erwähnte Schaltkurve gelegt ist.
Der Schaltkurvengenerator 67 weist einen Multivibrator
auf (IC 4047) auf dessen positiven Triggereingang der
Ausgang des Teilers 81 gegeben ist und dessen Ausgang
(hier Q) einer Komperatoren und Potentiometer aufweisen
den Schaltpegelanpassung 68 zugeführt ist, wobei durch
die Potentiometer die "Schaltkurve" einstellbar und ins
besondere als Hüllkurve an die Ausschwingkurve des Wand
lers 76 anpaßbar ist, das heißt insbesondere hinsicht
lich der Breite ihres exponentiellen Abfalls sowie hin
sichtlich ihrer Nullverschiebung.
Durch den Differenzverstärker 69 wird wiederum ein Recht
ecksignal geschaffen, daß eine Flanke bei empfangenem und
reflektiertem Impuls aufweist. Dieses Signal wird über
einen Tiefpaß 70 auf den Rücksetzeingang eines stabilen
Multivibrators 71 zur Erzeugung eines Stoppimpulses für
einen Zähler 72 gegeben, wobei der Startimpuls wieder
vom Ausgang des Teilers 81 abgeleitet und auf den posi
tiven Triggereingang des Multivibrators 71 gegeben ist.
Die Zählimpulse werden (nach Teilung mit einem geringeren
Teiler) ebenfalls vom Teiler 81 abgeleitet und über NAND-
Gatter (IC 4011) mit Start- und Stoppimpuls des Multi
vibrators 71 verknüpft zum Zähler 72 geleitet, dem eine
Parallelschnittstelle 86 zur weiteren Übertragung zwecks
Weiterverarbeitung des Zählergebnisses nachgeordnet ist
(Fig. 11).
Während in der Darstellung der Fig. 10 und 11 ledig
lich die Verarbeitungselektronik für einen Wandler 3 bzw.
76 dargestellt wurde, können entsprechende Schaltungen
für sämtliche Wandler vorgesehen sein, deren Ergebnisse
sämtlich in den Rechner 64 einlaufen. Stattdessen kann
die unter Bezugnahme auf die Fig. 10 beschriebene Schal
tung auch im Multiplex wechselweise von den einzelnen
Sensoren beaufschlagt werden. Ein externes Korrektursig
nal oder ein aus dem Referenzsignal (Fig. 7) abgeleite
tes Signal kann unter anderem die mediumabhängige Ultra
schallgeschwindigkeit dem Rechner übermitteln, damit die
se berücksichtigt wird.
Am Taktgenerator wird über Teiler ein Meßtaktsignal abge
leitet, das durch eine RC-Kombination differenziert wird.
Das differenzierte Signal schaltet einen Transistor für
sehr kurze Zeit durch, wodurch der Piezokristall zum Schwin
gen angeregt wird. Gleichzeitig mit dem Aussenden des
Signals des Schallwandlers wird die erwähnte Schaltkurve
geschaffen, sowie ein Zähler in Lauf gesetzt. Über den
erwähnten Differenzverstärker wird das Differenzsignal aus
Empfangssignalen und Schaltkurve gebildet. Das analoge
Empfangssignal wird so umgeformt, daß es als Stoppimpuls
für den Zähler dienen kann.
Statt eines digitalen Arbeitens mit einem Zähler kann
in alternativer Ausgestaltung des erfindunsgemäßen Ver
fahrens auch vorgesehen sein, daß mit Aussenden des Sen
deimpulses eine konstante Spannung integriert wird, bis
das Empfangssignal empfangen wird, so daß der integrierte
Wert ein Maß für die Laufzeit ergibt; dieser kann in ei
ner Sample- und Hold-Schaltung gehalten werden.
Da das Empfangssignal besonders bei höherem Füllstand und
längerer Laufzeit oft ein sehr geschwächtes Signal ist,
kann in bevorzugter Ausgestaltung weiterhin vorgesehen
sein, daß eine von der Amplitude des Empfangssignals (um
gekehrt proportionale) abhängige Verstärkung des Empfangs
signals erfolgt. Da die Intensität des Empfangssignals mit
der Laufzeit abnimmt, kann auch vorgesehen sein, daß eine
von der Laufzeit des Schaltsignals (direkt) abhängige
Verstärkung durchgeführt wird. Eine entsprechende Schal
tung ist in Fig. 13 dargestellt. Gleiche Teile sind mit
gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 10 bezeichnet. Dem
Taktgenerator 66 ist ein Teiler 66a nachgeordnet. Einem
nun spannungsgesteuerten Empfangsverstärker 75a ist ein
Integrierer 81 zugeordnet, der von einer Vorspannungs
quelle 82 verfolgt wird. Die Verstärkung nimmt also mit
der Laufzeit zu. Es ist weiter eine Sendeimpulsunterdrük
kung 83 vorgesehen. Dieser schließt sich ein Komparator
84 an, den nur das reflektierte empfangene Signal erreicht,
und der über 84a einen Stoppimpuls für den Takt des Takt
generators 66 zählenden Zählers 72 sowie ein Zurücksetzen
des Integrierers 81 bewirkt.
Fehlmessungen können dadurch ausgeschaltet bzw. reduziert
werden, indem ein Meßtor geöffnet ist, das lediglich so
lang ist, wie die Laufzeit des Ultraschallsignals bei
maximalem Ölstand, so daß später empfangene Signale aus
gesperrt werden und das Meßergebnis nicht verfälschen
können.
Claims (27)
1. Verfahren zum Messen des Füllstandes einer Flüssig
keit in einem Behälter, insbesondere in der Ölwanne
eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, daß
zumindestens ein Ultraschallimpuls durch die Flüs
sigkeit zu deren Oberfläche gesandt und nach Re
flexion wieder empfangen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Ultraschallimpuls vom gleichen Wandler aus
gesendet und empfangen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Impuls derart ausgesandt wird,
daß ein Ultraschallwandler lediglich kurzzeitig,
vorzugsweise in einem Stoßimpuls, zum Schwingen
angestoßen (angeregt) wird und anschließend aus
schwingt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Schaltkurve erzeugt wird,
die der Hüllkurve des Sendeimpulses entspricht und
daß Sende- und Empfangssignal mit der Schaltkurve
verglichen bzw. die entsprechende Differenz gebil
det wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schaltkurve um einen negativen Wert gegen
über der Nullinie des Sendeimpulses verschoben ist.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß über die Laufzeit des
Ultraschallsignals eine Integration eines Spannungs
werts derart erfolgt, daß der integrierte Wert ein
Maß für die Laufzeit ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß durch den Sendeimpuls ein Zäh
ler gestartet und durch den Empfangsimpuls der Zäh
ler gestoppt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das Empfangssignal tiefpaßgefiltert wird und
über einen Vergleich mit einem Schwellwert einen
Stoppimpuls für den Zähler erzeugt.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ultraschall-
Sendesignale an verschiedenen Stellen des Boden
bereichs des Behälters erzeugt werden und der Mit
telwert der gemessenen Laufzeiten der unterschied
lichen Sender-Empfängeranordnungen berechnet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß der Sendeimpuls mittels einer
Sendeimpulsunterdrückung ausgeblendet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß über die Laufzeit des Ultra
schallsignals eine Integration eines Spannungswer
tes derart erfolgt, daß der integrierte Wert als
Steuerspannung für einen spannungsgesteuerten Emp
fangsverstärker verwendet wird.
12. Vorrichtung zur Messung der Füllhöhe in einem Be
hälter, wie insbesondere der Ölstand eines Kraft
fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, daß am Behälter,
insbesondere im unteren Bereich des Behälters (1)
mindestens ein Ultraschallwandler (3) angeordnet ist,
dessen Sendesignal zur Oberfläche (5a) der Flüssig
keit (5) gerichtet ist, deren Füllhöhe bestimmt
werden soll.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich
net, daß mehrere Ultraschallwandler (3) im unteren
Bereich des Behälters (1) angeordnet sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Ultraschallwandler an der
Bodenfläche (1a) des Behälters (1) angeordnet sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeich
net durch Ultraschallwandler (3) im unteren Bereich
der Seitenwandung (1b) des Behälters (1) Umlenk
einrichtungen (8) und im Inneren des Behälters (1)
zur Umlenkung des von den Wandlern (3) ausgesandten
Ultraschallsignals (3a) zur Oberfläche (5a) der
Flüssigkeit (5), deren Füllstand im Behälter (1)
untersucht werden soll.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwandler
(3) am Behälter (1) festgeklebt sind.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, da
durch gekennzeichnet, daß die Wandler (3) elastisch
gegen die Behälterwandung geklemmt sind.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, da
durch gekennzeichnet, daß die Wandler (3) mittels
Schrauben gegen die Behälterwandung verspannt sind.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ultraschall
sender (3) matrixartig am Boden (1a) des Behälters
(1) angeordnet sind.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, da
durch gekennzeichnet, daß in der Nähe der Eckpunk
te des Bodens (1a) des Behälters jeweils ein, also
insgesamt vier Ultraschallwandler (3) angeordnet
sind.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 20,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwandler
(3) als separate Sender und Empfänger ausgebildet
sind.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 21,
dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Ultra
schallwandler (3) zur Flüssigkeitsoberfläche (5a)
hin offene Hohlzylinder (2) angeordnet sind, die
im unteren Bereich ihrer Wandung zumindestens eine
Öffnung (4) zum Restbehälter (1) hin aufweisen.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 21,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwandler
piezoelektrische Kristalle sind.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 23,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Wandler (3)
und Wandung des Behälters (1) ein Koppelmedium an
geordnet ist.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 24,
dadurch gekennzeichnet, daß am Ultraschallwandler
(3, 76) ein Differenzverstärker (69) nachgeordnet
ist, dessen anderen Eingang das Ausgangssignal ei
nes Schaltkurvengenerators (67) zugeführt ist.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 25,
gekennzeichnet durch einen Taktgenerator (66)
startbaren und durch das Empfangssignal des Sen
sors (3, 76) anhaltbaren Zählers (72).
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 26,
dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Ultraschall
wandler eine akustische Linse angeordnet ist.
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