Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum elektrischen Überwachen des Niveaus einer in einem Behälter enthaltenen Flüssigkeit nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige bekannte Einrichtung (DE-OS 27 40 289) geht davon aus, daß das Niveau der in einem Behälter enthaltenen Flüssigkeit durch Messung der Veränderung des Widerstandswerts eines metallischen Widerstandselements in Abhängigkeit von der Temperatur, die er bei einem definierten Stromdurchfluß annimmt, gemessen werden kann. Die mittlere Temperatur der Widerstandssonde hängt davon ab, welcher Teil seiner Gesamtlänge in die Flüssigkeit eintaucht, weil der eintauchende Abschnitt stärker abgekühlt wird als der in der Luft befindliche Abschnitt. Der Gesamtwiderstand der Widerstandssonde hängt daher von dem Flüssigkeitsniveau ab. Da bereits festgestellt wurde, daß dieses Meßprinzip sehr empfindlich gegen Schwankungen der Umgebungstemperatur ist, wurde die Einrichtung nach dem Stand der Technik bereits so ausgebildet, daß das Meßergebnis unabhängiger gegen Schwankungen der Umgebungstemperatur wird. Hierzu wurde der mittlere Widerstand, den die Widerstandssonde nach Stromdurchfluß annimmt, bezogen auf einen mittleren Widerstandswert zu einem Anfangszeitpunkt, zu dem die Widerstandssonde noch nicht durch den Strom aufgeheizt wurde. Damit wurde versucht, den Einfluß der Umgebungstemperatur insofern auszuschalten, als die Anfangsspannung, die zu dem Anfangszeitpunkt an der Widerstandssonde abfällt, in gleicher Weise von einer Beeinflussung durch die Umgebungstemperatur abhängt, wie die Meßtemperatur, welche die Widerstandssonde zu einem späteren definierten Zeitpunkt nach Anschluß der Konstantstromquelle annimmt. - Im einzelnen soll eine auf diesem Vergleichsmeßprinzip arbeitende bekannte Ausführungsform das Ermitteln mehrerer unterschiedlicher Flüssigkeitsstände mit einem Anzeigeorgan ermöglichen. Hierzu umfaßt die Einrichtung eine Konstantstromquelle für die Widerstandssonde, an deren Anschlüssen die Anfangsspannung zu einem Anfangszeitpunkt und die Meßspannung zu einem späteren definierten Zeitpunkt entnommen werden. Die Anfangsspannung wird in einem Speicher gespeichert. Wenn zu dem definierten späteren Zeitpunkt die Meßspannung vorliegt, wird die Differenz zwischen der Meßspannung und der Anfangsspannung in einer Subtraktionsschaltung ermittelt. Die Differenz kann anschließend mit bestimmten vorgegebenen Spannungen verglichen werden, die verschiedenen Eintauchniveaus der Widerstandssonde entsprechen, um je nach dem Uergleichsergebnis eine Anzeige oder einen Alarm auszulösen.

Es hat sich jedoch herausgestellt, daß mit diesen bekannten Einrichtungen trotz des Vergleichsprinzips, in dem die Meßspannung mit einer Anfangsspannung verglichen wird, unzutreffende Flüssigkeitsniveaus gemessen wurden.

Zu der vorliegenden Erfindung gehört daher die Aufgabe, eine Einrichtung zum elektrischen Überwachen des Niveaus einer in einem Behälter enthaltenen Flüssigkeit der eingangs genannten Gattung so weiterzuentwickeln, daß die Meßgenauigkeit weiter erhöht wird.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe durch eine Weiterentwicklung der Einrichtung mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen beruht auf der Erkenntnis, daß trotz des Vergleichsmeßprinzips Änderungen der Umgebungstemperatur fehlerhafte Messungen des Niveaus bewirken, weil höhere Temperaturen durch Ausdehnung der Flüssigkeit einen höheren Füllstand hervorrufen, obwohl die Füllmenge konstant ist, und weil sich in Abhängigkeit von der Temperatur der Flüssigkeit der Wärmeübergang zwischen der Widerstandssonde und der Flüssigkeit ändert. Die erste Fehlerquelle wird besonders in automatischen Getrieben von Kraftfahrzeugen spürbar, da sich die Getriebe im Betrieb erheblich erwärmen. Der Niveauanstieg durch die Ausdehnung der Getriebeflüssigkeit ist nicht nur temperatur- und füllmengenabhängig, sondern hängt unter Umständen von der Konstruktion des Getriebes ab. Die unterschiedlichen Wärmeübergänge zwischen Widerstandssonde und Flüssigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur der Flüssigkeit verursachen verschiedene Anstiegsgeschwindigkeiten der mittleren Temperatur bzw. des mittleren Widerstandswertes der Widerstandssonde in Abhängigkeit von der Zeit, was, da die Widerstandssonde mit Konstantstromimpulsen gespeist wird, ebenfalls zu einer Verfälschung des Meßergebnisses führt.

Durch die nach der der Erfindung zugrundeliegenden Erkenntnis vorgesehenen Mittel zum Ausgleich des Einflusses der Niveauänderung der Flüssigkeit durch Wärmeausdehnung in Abhängigkeit von ihrer Anfangstemperatur auf die Anzeigespannung und Mittel zum Ausgleich unterschiedlichen Wärmeübergangs von der Widerstandssonde auf die Flüssigkeit in Abhängigkeit von der Anfangstemperatur kann eine praktisch exakte Niveaumessung unter Beibehaltung des wenig aufwendigen Meßprinzips mit der Widerstandssonde erreicht werden. Die zusätzlichen Korrekturmittel zum Ausgleich des Einflusses der Niveauänderung und des unterschiedlichen Wärmeübergangs verursachen, wenn sie geeignet gewählt werden, ebenfalls keinen zu hohen Aufwand, um diese Einrichtung in vielen Anwendungsfällen, beispielsweise zur Niveaumessung des Flüssigkeitsstands in einem automatischen Getriebe eines Kraftfahrzeugs einsetzen zu können. Vorteilhafte Weiterbildungen der Einrichtung werden in den Unteransprüchen angegeben.

Im Rahmen einer ersten speziellen Ausbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung nach Anspruch 2 ist als Mittel zum Ausgleich der Niveauänderung in der in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 2 angegebenen Weise gestaltet.

Diese Meßsonde ist zum Einsatz in einen Behälter in der in dem Patentanspruch 3 angegebenen Weise bestimmt.

Damit wird erreicht, daß für die maximale Umgebungstemperatur, wenn die Differenz zwischen der Meßspannung und der Anfangsspannung zu groß ist, diese Differenz kleiner bewertet wird.

Zu der Ausbildung und Anordnung der Widerstandssonde nach den Patentansprüchen 3 und 4 gehört als Mittel zum Ausgleich unterschiedlichen Wärmeübergangs von der Widerstandssonde auf die Flüssigkeit im Rahmen des ersten speziellen Lösungswegs eine analoge Rechenschaltungsanordnung mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 4 angegebenen Merkmalen. Mit dieser analogen Rechenschaltungsanordnung wird in wenig aufwendiger Weise eine Linearisierung der Anzeigespannung des Füllstands in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur in der Weise erreicht, daß die korrigierte Anzeigespannung über den gesamten praktisch vorkommenden Bereich der Umgebungstemperatur konstant bleibt. Diese Linearisierung wird für beliebige Füllstände erzielt, da durch den voranstehend angegebenen Aufbau der Widerstandssonde der Verlauf der ursprünglichen Anzeigespannung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur mit gleicher Steigung und Krümmung erfolgt. D.h. alle Kennlinien der ursprünglichen Anzeigespannung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur mit dem tatsächlichen Füllstand als Parameter verlaufen Parallel zueinander. - Diese Einrichtung ist deswegen verhältnismäßig wenig aufwendig, da zur Korrektur der ursprünglichen Anzeigespannung nur die konstante Referenzspannung und die Anfangsspannung an der Widerstandssonde vorzusehen sind, wobei die Anfangsspannung nach dem hier verwendeten Meßprinzip ohnehin gebildet werden muß.

Die Steuerung der Mittel zum Ausgleich unterschiedlichen Wärmeübergangs von der Widerstandssonde auf die Flüssigkeit erfolgt zweckmäßig nach Patentanspruch 5. Damit wird in umkomplizierter Weise sichergestellt, daß die Anfangsspannung zur Korrektur des später gemessenen Meßwerts ermittelt und festgehalten wird.

Im Rahmen einer zweiten Lösungsmögiichkeit der in dem Patentanspruch 1 allgemein beschriebenen erfindungsgemäßen Einrichtung sind die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 6 angegebenen Mittel einschließlich einem in bestimmter Weise vorbereiteten Mikroprozessor vorgesehen, in dem die Kennlinien der Abhängigkeit der unkorrigierten Anzeigespannung von der Anfangstemperatur für maximale und minimale Füllmenge abgespeichert sind. Der Vorteil dieses zweiten Lösungsmegs besteht darin, daß er keinen vorgegebenen Verlauf der unkorrigierten Anzeigespannung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur für verschiedene Füllmengen als Parameter voraussetzt und somit auf spezielle Ausführungsformen der Widerstandssonde verzichten kann. Vielmehr ist der Mikroprozessor in der angegebenen Ausgestaltung in der Lage, aufgrund der gemessenen unkorrigierten Anzeigespannung und der gemessenen Temperatur die korrigierte Anzeigespannung für alle möglichen Füllmengen zu errechnen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung mit 6 Figuren erläutert. Es zeigt:

• Figur 1 die Kennlinien der unkorrigierten Anzeigespannung in Abhängigkeit von der Temperatur der Flüssigkeit für maximales und minimales Niveau der Flüssigkeit (Kurvenparameter),
• Figur 2 den Verlauf der korrigierten Anzeigespannung in Abhängigkeit von der Temperatur für die Kurven gemäß Anspruch 2,
• Figur 3 eine schematische Darstellung der zur Korrektur nach dem ersten Lösungsweg verwendeten Widerstandssonde,
• Figur 4 ein Blockschaltbild der zur Korrektur nach dem ersten Lösungsweg zum Ausgleich unterschiedlicher Wärmeübergänge von der Widerstandssonde nach
• Figur 3 vorgesehenen Schaltungsanordnung,
• Figur 5 eine Variante der Schaltungsanordnung nach Figur 4, in der insbesondere die Steuermittel in dem Blockschaltbild dargestellt sind, und
• Figur 6 eine schematische Darstellung der im Rahmen des zweiten Lösungswegs mit einem Mikroprozessor aufgebauten Einrichtung.

In Figur 1 ist die Abhängigkeit einer Anzeigespannung U_ANZ in Abhängigkeit von der Flüssigkeitstemperatur ϑ , deren Niveau gemessen werden soll, für eine Kurve des maximalen Füllstands 1 und eine Kurve des minimalen Füllstands 2 dargestellt. Die Anzeigespannung U_ANZ ist dabei so gebildet, daß die Differenzspannung zwischen der Anfangsspannung an der Widerstandssonde und der Meßspannung zu einem definierten späteren Zeitpunkt nach einem Stromdurchfluß durch die Widerstandssonde erzeugt wird und daß diese Differenzspannung umgekehrt wird.

Aus Figur 1 ist ersichtlich, daß die unkorrigierte Anzeigespannung für den minimalen Füllstand entsprechend der Kurve 2 stets unterhalb der Kurve der unkorrigierten Anzeigespannung für den maximalen Füllstand entsprechend Kurve 1 verläuft, daß aber die Steigung der Kurve 1 für den maximalen Füllstand insbesondere in dem Bereich relativ großer Temperaturen geringer ist als diejenige der Kurve 2 für minimalen Füllstand.

Angestrebt wird ein Kurvenverlauf gemäß Figur 2, in der die Kennlinie der korrigierten Anzeigespannung U_ANZ in Abhängigkeit von der Temperatur ϑ für maximale Füllmenge entsprechend der Linie 1' und für die minimale Füllmenge entsprechend der Geraden 2' unabhängig von der Temperatur ist.

Bei dem Kurvenverlauf nach Figur 2 tritt insbesondere die störende Erscheinung nach dem Kurvenverlauf in Figur 1 nicht mehr auf, daß die Differenz zwischen der unkorrigierten Anzeigespannung für minimalen und maximalen Füllstand bei kleiner Temperatur d größer ist als bei großer Temperatur d.

Für die Ausgestaltung der Widerstandssonde gemäß Figur 3 wird zur Herstellung der korrigierten Anzeigespannung gemäß Figur 2 zunächst der Kurvenverlauf der Kurve 1 demjenigen der Kurve 2 angeglichen. Diese insoweit veränderte Kurve 1 wird 1" genannt. Die Widerstandssonde gemäß Figur 3 besteht aus einem oberen Abschnitt 3a mit einer verhältnismäßig kleinen Länge des Widerstandsdrahts 4a und einem unteren Abschnitt mit einer verhältnismäßig großen Länge des Widerstandsdrahts 4b. Der Abschnitt 3a ist dabei so bemessen, daß er in den Bereich zwischen dem minimalen und dem maximalen Füllstand bei maximaler Temperatur der Flüssigkeit liegt. Der untere Abschnitt 3b schließt sich an den Abschnitt 3a nach unten an und befindet sich somit bei maximaler Temperatur immer innerhalb der Flüssigkeit. Damit wird erreicht, daß-die Temperatur des oberen Abschnitts 3a mit einem verhältnismäßig geringen Gewicht in den mittleren Widerstand der Widerstandssonde eingeht, die Temperatur des unteren Abschnitts 3b hingegen mit einem verhältnismäßig großen Gewicht. Damit wird die Differenzspannung zwischen der Meßspannung und der Anfangsspannung bei maximaler Temperatur herabgesetzt und der Kurvenzug gemäß Kurve 1 " erreicht.

Zur Bildung der konstanten korrigierten Anzeigespannung gemäß den Geraden 1' und 2' in Figur 2 aus den Kurven 1" und 2 sind die Schaltungsanordnungen nach Figur 4 oder 5 vorgesehen.

In Figur 4 ist mit 3 eine Sonde gemäß Figur 3 bezeichnet, die über einen Schalter 5 durch eine Konstantstromquelle 6 gespeist werden kann. In Reihe zu der Konstantstromquelle liegt ein Zündschalter 7. Zum Einschalten des Schalters 5 dient ein Zeitgeber 8, dessen Steuereingang mit dem Zündschalter 7 in Verbindung steht. Ein Ausgang des Zeitgebers steht mit einem ersten Mittel zum Erfassen und Speichern der Anfangsspannung an der Sonde 3 zum Anfangszeitpunkt in Verbindung. Ein zweites Mittel zum Erfassen und Speichern der Meßtemperatur zu einem definierten. späteren Zeitpunkt, beispielsweise 1,5 Sekunden nach dem Anfangszeitpunkt, ist an einen zweiten Ausgang des Zeitgebers angeschlossen. Beide Mittel können durch sogenannte sample-and-hold-Schaltungsanordnungen realisiert werden. Der Ausgang des ersten und des zweiten Mittels zum Erfassen und Speichern der Anfangsspannung bzw. der Meßspannung 9 und 10 sind an eine Subtrahiereinrichtung 11 angeschlossen, an deren Ausgang 12 eine Differenzspannung aus der Anfangsspannung weniger der Meßspannung gebildet wird. Aus dieser Differenzspannung wird in einer Umkehreinrichtung 13 ein Reziprokwert gebildet, der die unkorrigierte Anzeigespannung darstellt.

Zur Bildung dieser unkorrigierten Anzeigespannung wird also nach Einschalten des Zündschalters 7 zunächst durch den Zeitgeber gesteuert die Anfangsspannung an der Sonde 3 in die Mittel 9 eingespeichert. Nach Schließen des Schalters 5 durch den Zeitgeber und Durchlauf eines Stromimpulses durch die Sonde 3 bis zum Meßzeitpunkt, bei dem der Schalter 5 wieder geöffnet wird, erfolgt das Erfassen der Meßspannung an der Sonde 3 - ebenfalls durch den Zeitgeber 8 gesteuert - in dem zweiten Mittel zum Erfassen 10. Aus den in den Mitteln 9 und 10 gespeicherten Spannungswerten wird dann wie angegeben die unkorrigierte Anzeigespannung errechnet.

Zur Korrektur der unkorrigierten Anzeigespannung ist zusätzlich eine Subtrahiereinrichtung 14 vorgesehen, in der von einer konstanten Referenzspannung U_R an einem Eingang 15 die Anfangsspannung an einem Eingang 16 abgezogen und mit einem konstanten Faktor bewertet wird. Die derart gebildete Korrekturgröße, die am Ausgang 17 ansteht, wird in einer weiteren Subtrahiereinrichtung 18 von der unkorrigierten Anzeigespannung abgezogen, so daß mit dem Instrument 19 die korrigierte Anzeigespannung entsprechend dem aktuellen Füllstand unabhängig von der Temperatur der Flüssigkeit angezeigt wird.

In Figur 5 ist dargestellt, wie eine zusätzliche sample-and-hold-Schaltungsanordnung 9a, die die gleiche Funktion wie die Mittel 9 in Figur 4 hat, zur Bildung der korrigierten Anzeigespannung an die Einrichtung zur Bildung der unkorrigierten Anzeigespannung 20 angeschlossen ist. Die Einrichtung zur Erzeugung der unkorrigierten Anzeigespannung entspricht dabei dem in Figur 4 mit einer unterbrochenen Linie eingerahmten Teil. Übereinstimmende Elemente sind in den Figuren 4 und 5 mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Aus Figur 5 ist ferner ersichtlich, daß durch eine monostabile Kippstufe 21 die sample-and-hold-Schaltungsanordnung 9a gesteuert wird. Gemäß Figur 5, in der eine zusätzliche Einschaltverzögerung 22 zur Verwendung einer speziellen Einrichtung zum elektrischen Überwachen des Niveaus zwischen diese Einrichtung und dem Zündschalter 7 eingeschaltet ist, wird die Anfangsspannung in die sample-and-hold-Schaltugnsanordnung 9a durch einen kurzen Impuls auf der Leitung 23 gesteuert eingespeist. Die Anfangsspannung steht dann in der sample-and-hold-Schaltungsanordnung zur Bildung der Korrekturspannung in der Subtrahierspannung 14 zur Uerfügung. Die unkorrigierte Anzeigespannung wird aus der Einrichtung 20 in die Subtrahiereinrichtung 18 eingespeist, in der die Differenz zwischen der unkorrigierten Anzeigespannung und der Korrekturspannung gebildet wird, so daß die korrigierte Anzeigespannung mit der Anzeigeeinrichtung 19 angezeigt werden kann.

In Figur 6, in der der zweite Lösungsweg mit einem Mikroprozessor dargestellt ist, haben ebenfalls übereinstimmende Elemente wie in Figur 4 und 5 die gleichen Bezugszeichen. Danach wird in einer Einrichtung 20 auf einer Leitung 24 die unkorrigierte Anzeigespannung gebildet, während auf einer Leitung 25 die Anfangsspannung in Abhängigkeit von der Temperatur der Flüssigkeit ansteht. Diese Spannungen werden über einen Umschalter 26 und einen im Zeitmultiplexbetrieb betriebenen Analogdigitalumsetzer 27 in den Mikroprozessor 28 eingespeist. In diesem sind die Kennlinien der Anzeigespannung in Abhängigkeit von der Temperatur für maximalen und minimalen Füllstand 1 und 2 in Figur 1 eingespeichert. Aus den in den Mikroprozessor eingegebenen Variablen, nämlich der unkorrigierten Anzeigespannung und der Anfangsspannung kann daher für diese Kennlinien und den zwischen ihnen liegenden Bereich an jeder Stelle die korrigierte Anzeigespannung errechnet werden, die dann mit dem Anzeigeinstrument 19 angezeigt wird.

Die letztgenannte zweite Lösungsmöglichkeit setzt keine spezielle Widerstandssonde voraus, aber einen komplizierteren elektronischen Apparat als die erste Läsungsmöglichkeit.