DE102005053539B4 - Apparatus and method for determining a level and a temperature of a fluid - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Bestimmung eines Füllstandes und einer Temperatur eines Fluids,
bei der Mittel vorgesehen sind, um in Abhängigkeit von einem jeweiligen Füllstand elektrische Messwerte an einem über einen unterschiedlich großen Bereich von dem Fluid gekühlten Heizdraht (21) aufzunehmen,
dadurch gekennzeichnet, dass der Heizdraht (21) eine PTC- bzw. Kaltleiter-Charakteristik aufweist und mit einer Auswerteschaltung durch Mittel zur Spannungsmessung zu Abtastzeitpunkten (t) bei konstanter Strombeaufschlagung und einem Rechenwerk zur zeitlichen Extrapolation entlang einer durch die Abtastzeitpunkte (t) gelegten Ausgleichskurve (f) zurück zu einem Zeitpunkt (t0) als Fluidtemperatur-Sensor und
durch Verbindung mit einem Rechenwerk mit Integrator zugleich über Bestimmung einer an das Fluid abgegebenen Heizenergie als Füllstandssensor ausgebildet ist.Device for determining a filling level and a temperature of a fluid,
in which means are provided in order to receive electrical measured values on a heating wire (21) which is cooled by the fluid over a differently large range as a function of a respective filling level,
characterized in that the heating wire (21) has a PTC or PTC characteristic and with an evaluation circuit by means for voltage measurement at sampling times (t) at constant current and an arithmetic unit for temporal extrapolation along a through the sampling times (t) set compensation curve (f) back to a time (t 0 ) as a fluid temperature sensor and
is formed by connection to an arithmetic unit with integrator at the same time by determining a given to the fluid heating energy as a level sensor.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung eines Füllstandes und einer Temperatur eines Fluids.The The present invention relates to an apparatus and a method for determining a filling level and a temperature of a fluid.
Insbesondere aus dem Kraftfahrzeugbereich ist die Notwendigkeit bekannt, den Füllstand und die Temperatur eines Motoröls zu überwachen. Dieser Anwendungsbereich ist zahlenmäßig und damit auch wirtschaftlich von großer Bedeutung. Motoröle werden andererseits aufgrund ihrer Aufgabe als Schmiermittel und gleichzeitig Abtransportmedium für Abwärme auch über einen sehr großen Temperaturbereich betrieben und können über Dauer verschiedene Werkstoffe angreifen. In dem Kraftfahrzeugbereich werden zudem hohe Anforderungen an Zuverlässigkeit und Langlebigkeit einer derartigen Vorrichtung auch in Kontakt mit einem relativ aggressiven Fluid gestellt. Da ein Einsatz im Kraftfahrzeugbereich ein sehr hartes Anforderungsprofil stellt, wird die vorliegende Erfindung nachfolgend ohne Beschränkung in ihrem Einsatzbereich nur vor dem Hintergrund des speziellen Einsatzes zur Überwachung von Füllstand und Temperatur eines Motoröls in einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs dargestellt.Especially from the motor vehicle sector, the need is known, the level and the temperature of an engine oil to monitor. This area of application is numerical and thus economical of great Importance. engine oils On the other hand, because of their role as lubricants and at the same time transport medium for waste heat also over a very big one Operating temperature range and can over time different materials attack. In the automotive sector are also high demands in reliability and longevity of such a device also in contact with placed a relatively aggressive fluid. As an application in the automotive sector A very hard requirement profile, the present becomes Invention hereinafter without limitation in its field of application only against the background of the special use for monitoring level and temperature of an engine oil shown in an internal combustion engine of a motor vehicle.
Nach dem Stand der Technik wird ein Hitzdraht mit einem zeitlich begrenzten Strompuls mit konstanter Stromstärke aufgeheizt. Die zu Beginn des Strompulses und am Ende des Strompulses am Hitzdraht abfallenden Spannungen werden gemessen und zur Füllstandsbestimmung verwendet. Bei niedrigem Füllstand erwärmt sich der Draht stark, weil das Fluid den Heizdraht in nur geringem Maße abkühlen kann. Diese große Erwärmung hat eine große Spannungsdifferenz zwischen den beiden gemessenen Spannungen zur Folge. Bei hohem Füllstand ist die Spannungsdifferenz jedoch aufgrund der besseren Kühlung ge ring. Die Spannungsdifferenz ist also umgekehrt proportional zur Füllstandshöhe.To The prior art is a hot wire with a time-limited Current pulse with constant current heated. The at the beginning of the current pulse and at the end of the current pulse Strains falling on the hot wire are measured and used to determine the filling level used. At low level heated The wire is strong because the fluid in the heating wire in only a small Can cool dimensions. This size warming Has a size Voltage difference between the two measured voltages Episode. At high level However, the voltage difference is ge ring due to the better cooling. The voltage difference is thus inversely proportional to the level height.
Aus
der
Die
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine noch kompaktere Vorrichtung und ein effizienteres Messverfahren bereitzustellen.task It is the object of the present invention to provide an even more compact device and to provide a more efficient measuring method.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche dadurch gelöst, dass der Heizdraht eine PTC- bzw. Kaltleiter-Charakteristik aufweist und mit einer Auswerteschaltung durch Mittel zur Spannungsmessung bei Strombeaufschlagung als Fluidtemperatur-Sensor und durch Verbindung mit einem Rechenwerk mit Integrator zugleich über Bestimmung einer an das Fluid abgegebenen Heizenergie als Füllstandssensor ausgebildet ist. Nach einem erfindungsgemäßen Verfahren werden Sensorstrom und Sensorspannung während einer durch einen Strompuls bewirkten Erwärmung des Heizdrahts zur Berechnung eines elektrischen Widerstands gemessen, wobei in einem Messintervall unter Verwendung einer Mehrzahl von Messungen eine entsprechende Zahl von Messpunkten bestimmt wird, aus denen über die Zeitachse gesehen für einen Anfangsbereich durch Approximation und Extrapolation ein Sensordrahtwiderstand im unbestromten Zustand und somit eine anfängliche, stationäre Fluidtemperatur bestimmt wird. Aus den gleichen Messwerten des Heizdrahtes wird über eine Energiedifferenz aus der Erwärmung des Heizdrahtes und der über die Zeit zugeführten elektrischen Heizenergie die an das Fluid abgegebene Energie bestimmt, die jeweils mit einem Füllstand korrespondiert.This object is achieved by the features of the independent claims, characterized in that the heating wire has a PTC or PTC characteristic and with an evaluation circuit by means for voltage measurement in current application as a fluid temperature sensor and by connection to an arithmetic unit with integrator at the same time by determining a formed on the fluid heating energy is designed as a level sensor. In accordance with a method according to the invention, the sensor current and the sensor voltage are measured during a heating of the heating wire caused by a current pulse for calculating an electrical resistance, wherein a corresponding number of measuring points is determined in a measuring interval using a plurality of measurements, from which, viewed over the time axis, a Initial range by approximation and extrapolation a sensor wire resistance in the de-energized state and thus an initial, stationary fluid temperature is determined. From the same measured values of the heating wire is about an energy difference from the heating of the heating wire and the supplied over time electrical heating energy determines the output to the fluid energy, each corresponding to a level.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren arbeitet auch bei hohen Füllständen zuverlässig, da sich bedingt durch die unterschiedlichen Wärmeleitkoeffizienten zwischen Luft und Fluid bei unterschiedlichen Fluid-Füllstandshöhen verschiedene Erwärmungskurven des Heizdrahts ergeben. Diese Erwärmungskurven schließen über der Zeitachse gesehen in Messintervallen definierter Länge folglich auch unterschiedlich große Flächen ein, die einen leicht zu bestimmenden thermischen Energiegehalt des Heizdrahts angeben. Damit werden Ungenauigkeiten gerade bei hohen Fluid-Füllständen weitgehend vermieden, wie sie bei bekannten Vorrichtungen und Verfahren auftreten.One inventive method works reliably even at high levels, because due to the different thermal conductivities between Air and fluid at different fluid level heights different heating curves of the heating wire. These warming curves close above the Time axis seen in measurement intervals of defined length therefore also different sizes surfaces one that has an easily determinable thermal energy content indicate the heating wire. This will inaccuracies at high fluid levels largely avoided, as they occur in known devices and methods.
Erfindungsgemäß wird nun also neben der Füllstandsmessung für die Messung der Temperatur des Fluids kein zusätzlicher Temperatursensor z. B. in Form eines separaten NTC-Widerstands verwendet. In einem erfindungsgemäßen Kombinationssensor ist für beide Messungen damit vorteilhafterweise nur noch ein Sensorelement in Form eines Heizdrahts vorhanden, der im Kontakt mit dem zu überwachenden Fluid steht. Da ein grundsätzlicher Verlauf einer Erwärmungskurve des Heizdrahtes sich in seinem Anfangsbereich bis zu einer Erwärmungsdauer von ca. 100 ms durch eine Funktion zweiter Ordnung mathematisch gut beschreiben lässt, kann eine jeweils individuell vorliegende Erwärmungskurve bereits anhand weniger Messwerte nachgebildet werden.According to the invention will now So next to the level measurement for the Measurement of the temperature of the fluid no additional temperature sensor z. B. used in the form of a separate NTC resistor. In a combination sensor according to the invention is for Both measurements thus advantageously only one sensor element in the form of a heating wire in contact with the to be monitored Fluid is. As a fundamental Course of a warming curve of the heating wire in its initial range up to a heating time of about 100 ms by a second order function mathematically good to describe, can each individually present warming curve already based less measured values are simulated.
Durch die Verarbeitung mehrerer zeitlich vorgegebener Messpunkte aus diesem Messintervall und eine nachfolgende Extrapolation wird die Temperaturmessung insgesamt auch gegenüber Störeinflüssen unanfälliger, weil diese im Zuge der Extrapo lation weitgehend ausgeglichen werden. Vorzugsweise wird hierbei eine rechnerische Anpassung der Messpunkte des Anfangsbereichs der Erwärmung des Heizdrahtes bis ca. 100 ms nach dem Start des Stromflusses vorgenommen, wobei an eine Funktion zweiter Ordnung oder einen quadratischen Kurvenverlauf approximiert wird. Vorteilhafterweise ist eine Implementierung dieser Rechenaufgabe als Approximation von Messpunkten an ein Polynom zweiter Ordnung mit anschließender Extrapolation in eine Software eines Mikrocontrollers möglich. Damit kann der Aufwand einer separaten Auswertelogik zugunsten einer Aufwertung in einer übergeordneten Einheit entfallen.By the processing of several temporally predetermined measuring points from this Measuring interval and a subsequent extrapolation will be the temperature measurement overall also opposite Interference less vulnerable, because these are largely compensated in the course of extrapolation. Preferably, this is a mathematical adaptation of the measuring points the beginning of the heating of the Heating wire up to approx. 100 ms after the start of the current flow, being a second-order function or a quadratic one Curve is approximated. Advantageously, an implementation this arithmetic problem as an approximation of measurement points to a polynomial second order with subsequent Extrapolation into a software of a microcontroller possible. In order to can the effort of a separate evaluation logic in favor of an appreciation in a parent Unit omitted.
Damit kann mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zusätzlich zur Bestimmung einer Füllstandshöhe auch eine jeweilige Fluidtemperatur mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden. Zur Bestimmung von Fluidtemperatur und Füllstandshöhe des Fluids ist vorteilhafterweise auch nur noch ein Messintervall erforderlich, das mindestens in einem Anfangsbereich von zwei unterschiedlichen Auswertungsverfahren quasi gemeinsam genutzt wird.In order to can with a device according to the invention additionally for determining a filling level also a particular fluid temperature determined with sufficient accuracy become. For determining the fluid temperature and filling level of the fluid is advantageously even only one measurement interval is required, at least in an initial range of two different evaluation methods quasi shared.
Durch den Fortfall eines separaten NTC-Widerstands zur Temperaturmessung eines Fluids wird bereits direkt eine Kostenersparnis erzielt, wobei zudem auch keine zusätzliche Auswerteschaltung für die Auswertung der stark nichtlinearen Kennlinie eines NTC-Sensorausgangssignals mehr erforderlich ist. Der Fortfall dieser separat anzuordnenden Auswertelogik für das NTC-Sensorausgangssignal führt zu einer Reduzierung in der Größe des Sensors bzw. Sensorgehäuses und auch zu einer Größenreduzierung im Hinblick auf eine Auswerteschaltung. Die Auswerteschaltung kann nun auf einer vergleichsweise kleineren Schaltungsplatine bzw. PCB untergebracht werden.By the elimination of a separate NTC resistor for temperature measurement a fluid is already directly achieved a cost savings, wherein also no additional Evaluation circuit for the Evaluation of the strongly non-linear characteristic of an NTC sensor output signal more is needed. The omission of these separately to be arranged Evaluation logic for the NTC sensor output signal leads to a reduction in the size of the sensor or sensor housing and also to a size reduction with regard to an evaluation circuit. The evaluation circuit can now on a comparatively smaller circuit board or PCB be housed.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel anhand von Abbildungen der Zeichnung zur Darstellung weiterer Merkmale und Vorteile näher erläutert.following the invention with reference to an embodiment with reference to figures the drawing to illustrate other features and advantages explained in more detail.
In der Zeichnung zeigen in jeweils skizzierten Schnittdarstellungen:In the drawing show in each sketched sectional views:
Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden nachfolgend für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet. Ohne Beschränkung der Erfindung auf diesen speziellen Einsatzfall wird nachfolgend nur ein Einsatz der Vorrichtun gen zur Bestimmung von Füllstandsniveau und Temperatur von Motoröl in einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs dargestellt und beschrieben.Throughout the various illustrations, the same reference numerals are used below for identical elements. Without limiting the invention to this particular application Below only one use of Vorrichtun conditions for determining level and temperature of engine oil in an internal combustion engine of a motor vehicle is shown and described.
Jeder
Verbindungsbereich
Die
Halbschale
Die
Halbschale
Die
Zur
Montage der dargestellten Sensorvorrichtung
Erfindungemäß ist nun
für die
Temperatur- und Niveaumessung nur noch ein Sensor
Durch
einen erfindungsgemäßen Ansatz
vereinfacht sich der von
Durch
den Wegfall eines zweiten Sensors vereinfacht sich ferner auch die
Verdrahtung im Bereich der radialen Durchbrechungen
Prinzipiell
könnte
nun auch die Halbschale
Ein
erfindungsgemäßes Messverfahren
wird nun unter Bezugnahme auf die skizzierten Abbildungen der
In
Gemäß der in
In
einem Verfahren zur Ermittlung eines Fluid-Füllstandes werden nun die vorstehend
zur Bestimmung einer stationären
Anfangstemperatur des Heizdrahtes
Auch würde eine Betrachtung einer Steigung der Ausgleichskurve f zu einem extrapolierten Startzeitpunkt t0 oder einem anderen fest vorgegebenen Zeitpunkt als Maß für einen Füllstand FS schon aufgrund der eingesetzten Approximation nur relativ ungenaue Werte.Even considering a slope of the compensation curve f at an extrapolated start time t 0 or at another fixed given time as a measure of a fill level FS would only be relatively inaccurate due to the approximation used.
Auch
in der vorliegenden Ausführungsform der
Erfindung wird ein nach dem Hitzdrahtprinzip funktionierender Füllstandsensor
verwendet, bei dem ein vorgegebener Stromfluss durch den Sensordraht einen
Temperaturanstieg im Draht bewirkt. Da der in der vorliegenden Ausführungsform
verwendete Draht eine Kaltleiter- bzw. PTC-Charakteristik besitzt,
erfolgt bei einer Temperaturerhöhung
im Draht auch eine Erhöhung
des elektrischen Widerstands. Während
dieses Aufheizprozesses wird die elektrische Heizenergie teilweise
an die umgebenden Medien abgegeben. Die Energiedifferenz aus der
zugeführten
elektrischen Energie und der abgegebenen Heizenergie erwärmt den Hitzdraht.
Bedingt durch die unterschiedlichen Wärmeleitkoeffizienten von Luft
und Fluid bewirken unterschiedliche Füllstandshöhen verschiedene Erwärmungskurven
des Hitzdrahts, wie bereits vorstehend beschrieben. In der vorliegenden
Ausführungsform
der Erfindung werden der Sensorstrom Isens und
die Sensorspannung Usens an mehreren Messpunkten
während
der Aufheizphase einer Länge Δt gemessen.
Damit ermittelt man zu jedem Messpunkt den zugehörigen Sensorwiderstand Rsens. Es ergeben sich die in
Auch bei geringerem Unterschied zweier Füllstände und entsprechend geringem Unterschied zwischen Spannungsdifferenzen ΔU zum Ende einer Bestromung ergeben sich größere und damit deutlichere Unterschiede zwischen den Flächen unter den jeweiligen Kurven Rsens(t). Vorteilhafterweise ergibt sich somit eine deutlich erhöhte Genauigkeit bei der Bestimmung eines Füllstands FS. Das Verfahren weist schon aufgrund einer Verwendung einer Vielzahl von einzelnen Messpunkten eine geringere Empfindlichkeit der Füllstandsbestimmung gegenüber Störungen auf. Zudem ergibt sich eine automatische Korrektur einer auf Basis der Kurve Rsens(t) errechneten Füllstandshöhe auch bei Abweichungen des als zeitlich konstant angenommenen Messstroms Isens von einem idealen Rechteckpuls. Es wird also fortlaufend eine Berechnung Rsens(t) = Usens(t)/Isens(t) mit automatischem Fehlerausgleich bei Stromschwankungen durchgeführt, die in einen Bordnetz von Kraftfahrzeugen insbesondere durch Einschalten von großen Verbrauchern häufig auftreten. Ein jeweiliges Software-Rechenkonzept ist in einem Mikrocontroller bei Anwendung verschiedener Integrationsverfahren integrierbar, z. B. eines Newton-Ansatzes.Even with a smaller difference between two levels and correspondingly small difference between voltage differences .DELTA.U to the end of a current flow resulting in larger and thus clearer differences between the areas under the respective curves R sens (t). Advantageously, thus results in a significantly increased accuracy in the determination of a level FS. Due to the use of a large number of individual measuring points, the method already has a lower sensitivity of the level determination to disturbances. In addition, an automatic correction of a fill level height calculated on the basis of the curve R sens (t) results even in the case of deviations of the measuring current I sens, which is assumed to be constant over time, from an ideal rectangular pulse. Thus, a calculation R sens (t) = U sens (t) / I sens (t) is carried out continuously with automatic error compensation in the event of power fluctuations which frequently occur in a vehicle electrical system, in particular by switching on large consumers. A respective software computing concept can be integrated in a microcontroller using various integration methods, eg. B. a Newton approach.
Damit wird erfindungsgemäß neben einer leichten Montage in einer Ölwanne auch ein vereinfachter Aufbau mit deutlichen Einsparpotentialen bei einem Herstellungs- und einem Betriebsverfahren offenbart. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist in existierende Systeme zudem gut integrierbar.In order to is in accordance with the invention a light installation in an oil sump also a simplified structure with significant savings potential disclosed in a manufacturing and an operating method. A inventive device is also well integrated into existing systems.
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elastischer
Bereich von
3 elastic range of3 - BB
- Anfangsbereichinitial region
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- Heizdraht-WiderstandHeat wire resistance
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- Zeitpunkt eines ersten Messpunktestime a first measuring point
- TT
- Endbereich einer Approximationend an approximation
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- Gesamtzeit der definierten Bestromungtotal time the defined current supply
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