Ich habe an der Katana eine Tankanzeige, die mich wirklich fasziniert. (Auch wenn ich so etwas an den anderen Zweirädern nie vermisst habe.) Umso mehr stört es mich, dass sie schlecht funktioniert. Und zwar wirklich so schlecht, dass sie eigentlich nutzlos ist. Ich hab mir deshalb ein paar Gedanken gemacht, wie der perfekte Tankgeber aussehen könnte.

Fangen wir mit dem ernsthaften Teil an:

Die Problemstellung

Der Tankgeber meiner Suzuki sitzt auf der rechten Seite im Tanktunnel. Es ist ein Schwimmer an einem Hebel, der passend zum Füllstand seinen Winkel verändert. Dadurch wird ein Potentiometer im Drehpunkt betätigt, das daraufhin seinen elektrischen Widerstand verändert. Dieser Widerstand wird von der Tankuhr interpretiert und mit einem Zeiger dargestellt.

Problem 1: Dadurch, das der Schwimmer rechts und noch dazu relativ weit hinten sitzt, reagiert er sensibel auf Schräglagen. Also wenn das Motorrad auf dem Seitenständer steht oder wenn es Berge rauf oder runter fährt. Das verändert die Anzeige schnell mal um mehrere Liter.

Problem 2: Der Schwimmer ist obendrein etwas empfindlich, was Bewegungen des Benzins angeht. Das zeigt sich, wenn ich mehrere Sekunden kräftig beschleunige, und noch mehr, wenn ich stark bremse. Dann schwappt das Benzin nach hinten bzw. vorne und die Nadel der Anzeige sinkt bzw. fällt.

Problem 3: Der Arbeitsweg des Schwimmers deckt nicht die gesamte Tankhöhe ab. Oben und unten ist etwas Luft, damit er nicht anschlägt. Das bedeutet, dass diese Bereiche von der Tankuhr nicht berücksichtigt werden. Wenn ich den Tank vollgetankt habe, kann ich also mindestens 50 km fahren, bevor der Zeiger überhaupt zu fallen beginnt. Und wenn er auf 0 steht, ist immer noch eine gute Reserve vorhanden.

Problem 4: Die Tankuhr berücksichtigt die Tankform nicht, sondern arbeitet “linear”. D. h., wenn der Schwimmer um 1 cm sinkt, sinkt die Nadel in der Anzeige um einen festen Wert. Das ist aber falsch, da 1 cm Füllstand in der Mitte des bauchigen Tanks, knapp oberhalb des Tunnels, mehr Benzin entspricht als unten, wo der Tank sehr schmal ist und den Tunnel hat.

In der Summe führen die 4 Probleme dazu, dass man nie einfach nur auf die Tankanzeige schauen kann. Man muss auch immer die momentane Fahrsituation und den vermuteten Tankfüllstand im Hinterkopf haben und dann eine “Plausibilitätsprüfung” machen. Eigentlich totaler Quatsch, da ein Blick auf den Tageskilometerstand wesentlich aussagekräftiger ist.

Praktikable Lösungsvorschläge

Um den Füllstand unabhängig von schwappendem Benzin und Schräglagen (Problem 1 und 2) messen zu können, bräuchte man (mindestens) 3 Tankgeber. Am besten um 120° versetzt am äußeren Rand des Tanks. Dann könnte man aus den 3 Werten den Mittelwert berechnen und hätte Schwankungen effektiv ausgeglichen.

Zusätzlich (oder alternativ) könnte man auch den Messwert puffern. Also z. B. nicht den aktuellen Wert anzeigen, sondern den Mittelwert der letzten 5 Minuten.

Um Problem 3 zu lösen, müsste man dafür sorgen, dass die Tankgeber die gesamte Füllhöhe abdecken. Ggf. durch eine andere Tankform oder kleinere Schwimmer. Sollte eigentlich machbar sein, wenn man das schon vor dem Entwurf des Tanks ins Pflichtenheft schreibt.

Problem 4 ließe sich so lösen: Man befüllt den Tank literweise und misst dann jeweils den Widerstand des Tankgebers. Die Werte werden in ein Koordinatensystem eingetragen. Das ergibt eine Kurve, die die Widerstandswerte des Tankgebers in Abhängigkeit von der Füllmenge in Litern zeigen. Und nicht einfach in Abhängigkeit vom Winkel des Schwimmers. Die so entstandene Kennlinie muss mit den Werten des Tankgebers verrechnet werden und ergibt dann den korrekten Wert (für die jeweilige Tankform). So etwas könnte man z.B. mit einem Minirechner à la Raspberry umsetzen.

Wie man sieht, wäre eine korrekt anzeigende Tankanzeige prinzipiell möglich. Ob der Aufwand gerechtfertigt wäre? Wohl eher nicht. Eine Tankanzeige ist und bleibt ein Schätzeisen für Leute, die zu faul sind, den Tageskilometerstand mit dem durchschnittlichen Verbrauch zu multiplizieren und das Ergebnis vom maximalen Tankinhalt zu subtrahieren. 😉

So, nun zum weniger ernsthaften Teil

Kleiner Exkurs:

Es gibt zu Niels Bohr (alter Physiker und so) eine Anekdote. Ob sie stimmt, weiß ich nicht, lustig ist sie allemal. Jedenfalls sollte er in einer Prüfung die Frage beantworten, wie man mithilfe eines Barometers die Höhe eines Turms messen kann. Der übliche Lösungsweg (mittels Druckunterschied) war ihm zu langweilig, deshalb hat er einen anderen vorgeschlagen: Eine Schnur an dem Barometer befestigen, das Messinstrument am Turm abseilen und dann die Länge der Schnur plus die Höhe des Barometers messen. Der Prüfer war nicht amüsiert. Nach einiger Diskussion durfte Niels Bohr noch mal zur Prüfung antreten. Diesmal mit der Bitte, eine Antwort zu liefern, die ein Verständnis physikalischer Prinzipien beweise. Daraufhin lieferte Bohr ganz verschiedene Lösungsvorschläge, die sich in ihrer Kreativität gegenseitig überboten und jeweils unterschiedliche physikalische Prinzipien nutzten: Das Barometer als Längenmaß verwenden, es vom Turm fallen lassen, es als Pendel verwenden … ziemlich genial. Man sollte die Anekdote einfach mal lesen.

Das ist meine Inspiration für den folgenden Teil des Beitrags. Ich will mir überlegen, mit welchen anderen Methoden man den Füllinhalt eines Motorradtanks noch bestimmen kann. Die praktische Anwendung ist dabei nebensächlich. 🙂

Eher nicht praktikable Lösungsvorschläge

Reduzieren wir es mal auf das absolut Grundlegende: Ich habe ein Gefäß (den Tank), in dem sich eine unbekannte Menge einer Flüssigkeit (Benzin) befindet. Wie finde ich heraus, um wie viel Flüssigkeit es sich handelt?

1. Sichtprüfung

Man fertigt den Tank aus einem transparenten Material (Glas, Kunststoff) und bringt eine Skala an. Ganz einfach. Warum ist nur keiner vor mir darauf gekommen? 🙂

Wem ein komplett aus (Plexi-)Glas gefertigter Tank zu heikel ist, der kann sich ja auf einen transparenten Sichtstreifen wie bei Ölflaschen beschränken. Und wer gar nichts von (teil-)transparenten Tanks hält, nimmt den aus dem Trabi bekannten Peilstab. Von der Füllstandsmessung während der Fahrt wird entschieden abgeraten. 😉

2. Gewicht

Der Tank wird nicht mit dem Rahmen verschraubt und auch nicht gummigelagert. Stattdessen liegt er auf Drucksensoren auf. Es wird also quasi der komplette Tank gewogen. Man muss dann nur das Leergewicht abziehen und das Ergebnis mit der Dichte von Benzin (~0,75 kg/L) multiplizieren. Das ergibt den Tankinhalt in Litern.

Das wäre zugegebenermaßen nur im Stand präzise, da beim Fahren zusätzliche Kräfte auf das Motorrad wirken. Kräfte, die z.B. bei Bodenunebenheiten oder in schnell gefahrenen Kurven auftreten. Diese ließen sich aber über Beschleunigungssensoren messen und von den am Tank gemessenen Kräften abziehen. Schon hätte man wieder das korrekte Gewicht und damit den korrekten Tankinhalt.

3. Hydrostatischer Druck

Statt mit Drucksensoren das Gewicht des gesamten Tanks zu messen, könnte man auch nur den hydrostatischen Druck des Benzins messen. Zum Beispiel mittels T-Stück im Benzinschlauch.

Falls der Benzinhahn das Ergebnis verfälscht, müsste man den Sensor direkt im Tank platzieren. Für unverfälschte Ergebnisse müsste man vermutlich mehrere Sensoren kombinieren und mit Beschleunigungssensoren die auf das Motorrad wirkenden Zusatzkräfte rausrechnen (siehe Punkt 2).

4. Lichtreflektion

Jetzt wird’s schon etwas abwegiger: Man montiert oben im Tank eine Lichtquelle, die einen punktuellen Lichtstrahl schräg nach hinten bzw. unten aussendet. Abhängig vom Füllstand trifft der Lichtstrahl weiter vorne oder hinten auf das Benzin. Die Benzin-Oberfläche sorgt dafür, dass der Lichtstrahl (teilweise) reflektiert wird. Eine Reihe von Phototransistoren an der Innenseite des Tanks misst, wo der reflektierte Lichtstrahl auftrifft. Daraus lässt sich dann der Füllstand berechnen.

Naja, zumindest theoretisch. Praktisch funktioniert das nur bei absolut glatter Benzinoberfläche, also nur bei längerem Stillstand. Sobald das Motorrad in Bewegung ist, würde der Lichtstrahl permanent abgelenkt und gestreut werden. Und mir fällt auch keine Lösung ein, wie man das verhindern oder rausrechnen könnte.

5. Luftdruck

Mein persönlicher Favorit: Man misst nicht direkt die Menge des Benzins, sondern die Luftmenge im Tank! Dazu muss der Tank zumindest kurzzeitig komplett luftdicht sein. Wir brauchen also eine Tankbelüftung mittels schaltbarem Ventil. Als nächstes benötigen wir einen kleinen Kompressor, der den Tank bei geschlossener Tankentlüftung bis zu einem fest definierten Druck mit Luft füllt und sich dann abschaltet. Der Druck muss gar nicht groß sein, 1 Bar müsste eigentlich reichen. Ein kleiner Rechner misst die Zeit, die der Kompressor für diesen Vorgang benötigt. Im Rechner ist gespeichert, wie lange der Kompressor jeweils für eine bestimmte Luftmenge benötigt. Und daraus lässt sich ganz einfach das ursprüngliche Luftvolumen im Tank berechnen. Gesamtvolumen des Tank minus Luftvolumen ergibt die Benzinmenge. So einfach ist das.

Dieser Messvorgang funktioniert natürlich nicht kontinuierlich, sondern muss in bestimmten Intervallen durchgeführt werden, z.B. alle 5 Minuten.

Eine lustige Vorstellung: Alle 5 Minuten springt brummend einer kleiner Kompressor unter dem Tank an. Ein paar Sekunden später geht er wieder aus, das Ventil im Tankdeckel öffnet zischend und die Tankanzeige zeigt den aktuellen Füllstand an. Gefällt mir. 🙂

PS: Hierzu kam gerade von Heiner ein Verbesserungsvorschlag rein: Man kann ja statt der “Pumpdauer” auch direkt die Luftmenge messen, die der Kompressor gepumpt hat. Abschaltung mittels Druckventil und Rückrechnung des Volumens auf Normaldruck bliebe wie gehabt. Das mit dem schaltbaren Ventil im Tankdeckel könnte man sich sparen, wenn man so etwas wie einen Luftballon verwendet, der den Leerraum im Tank ausfüllt. Dann könnte man sogar kontinuierlich messen. Vorausgesetzt die Schwimmernadelventile im Vergaser kommen dauerhaft mit dem erhöhten Benzindruck klar. Danke an Heiner für den Vorschlag! 🙂

6. Verbrauch

Warum soll man überhaupt messen, wie viel im Tank ist, um herauszufinden, wie viel im Tank ist? Es geht doch auch über einen Umweg. Man könnte doch auch messen, wie viel Benzin verbraucht wurde.

(Voraussetzung ist natürlich, dass der Tank immer komplett vollgetankt und die Tankanzeige beim Tanken genullt wird.)

Bei Motorrädern mit Einspritzung müsste man den Verbrauch eigentlich irgendwie über die Elektronik auslesen können und dann in Liter umrechnen. Der Wert muss dann nur vom Gesamtvolumen abgezogen werden und schon weiß man, wie viel noch im Tank ist.

Bei Vergasermopeds könnte man einen Durchflussmesser zwischen Benzinhahn und Vergaser setzen und so den Verbrauch ermitteln.

Eigentlich eine sehr elegante Lösung, die es sogar ermöglichen würde, den aktuellen Verbrauch zu ermitteln. Nette Idee.

7. Leitfähigkeit

Man könnte die Tankinnenseite vertikal mit einer Leiste von Sensoren versehen, die die Leitfähigkeit messen. Unterhalb des Benzinpegels fließt Strom, oberhalb nicht. Fertig.

Naja, wenn es da nicht ein winziges Problem gäbe: Benzin hat keine beweglichen geladenen Teilchen und leitet deshalb gar keinen Strom. Zweitaktöl auch nicht und selbst das beigemischte Ethanol nicht. Dieses Problem ließe sich aber mit einem Teelöffel Salz pro Tankfüllung elegant lösen.

Naja, wenn es da nicht ein winziges Problem gäbe: Salz löst sich gar nicht in Benzin. In Zweitaktöl auch nicht und in Ethanol nur ganz schlecht. Also lassen wir das mit der Leitfähigkeit einfach.  😉

8. Schall (Echo-Ortung)

Nehmen wir mal an, eine Fledermaus verirrt sich in den Tank. Soll ja gelegentlich vorkommen. Wie schafft die es, keine nassen Füße zu bekommen? Richtig, mit Echo-Ortung.

Das nehmen wir uns zum Vorbild und platzieren oben im Tank einen Lautsprecher sowie ein Mikrofon. Der Lautsprecher sendet eine Schallwelle Richtung Benzinoberfläche aus, das Mikrofon empfängt das Echo und ein Rechner misst den zeitlichen Abstand zwischen beiden Ereignissen. Dann wird der Wert halbiert und mit 343 m/s (Schallgeschwindigkeit) multipliziert und schon wissen wir, wie viele Meter der Spritpegel schon gesunken ist. (Falls die Werte unplausibel sind, prüfen wir, ob die Schallgeschwindigkeit in Spritnebel evtl. höher als in trockener Luft ist.)

Wer gerade weder Lautsprecher noch Mikrofon zur Hand hat, kann das ganze auch mit einem Radar- oder Sonargerät nachbauen. Das Prinzip ist das gleiche. 😉

9. Nochmal Schall

Das Prinzip kennt man von Fässern: Um herauszufinden, wie viel noch drin ist, klopft man mit dem Fingerknöchel dagegen. Er hohes “Pock” lässt auf einen hohen Füllstand schließen, ein dumpfes “Bomm” auf einen niedrigen. Das müsste sich doch nutzen lassen.

Man montiert am Tank einen “mechanischen Klopffinger”, also einen kleinen, federbelasteten Hebel mit Gummikappe, der über einen Motor gespannt und ausgelöst werden kann. Der ließe sich unauffällig und gut geschützt an der Tankunterseite befestigen. Dieser klopft gegen den Tank und ein Mikrofon zeichnet das entstehende Geräusch auf. Ein Rechner gleicht die Schallwelle mit einer Datenbank bekannter Schallmuster ab und ermittelt daraus den Füllstand.

Es wäre interessant, ob sich das Geräusch verändert, wenn das Benzin umherschwappt. Eigentlich dürfte das keinen Einfluss haben, da das Geräusch nur (?) von der Größe des Resonanzraums beeinflusst wird.

10. Temperaturanstieg

Ich bin mir gerade unsicher, welches physikalische Grundprinzip hier zugrunde liegt. Die Idee ist einfach: Man misst über ein Thermometer die Sprittemperatur. Danach führt man einem im Tank befestigten Heizelement eine definierte Energiemenge zu. z.B. 5 Watt. Und dann misst man wieder die Temperatur. Aus der Temperaturdifferenz lässt sich die Menge des Benzins berechnen – bei wenig Sprit steigt die Temperatur stärker als bei viel Sprit.

Ich weiß nicht, ob das ein linearer Anstieg ist oder nicht. Also ob kalter Sprit sich beispielsweise stärker aufheizt als warmer Sprit. Vielleicht schwächt sich die Differenz bei höherer Ausgangstemperatur ab. Aber selbst wenn das so wäre, müsste man das über eine Kennlinie lösen können. Man kennt ja nicht nur die Temperaturdifferenz, sondern auch die absolute Temperatur. Das kann man in die Berechnung mit aufnehmen, falls es von Bedeutung ist.

Man sollte tunlichst darauf achten, das Intervall zwischen den Messungen so groß zu wählen, dass die zugeführte Energie währenddessen an die Umgebung abgegeben werden kann. Sonst kocht irgendwann der Sprit über. 😉

Falls jemand Bammel davor hat, sich ein Heizelement in den Tank zu kleben, kann er auch ein Kühlelement nehmen. Das wäre das gleiche mit vertauschten Vorzeichen.

11. Strömungswiderstand

Okay, das ist jetzt wirklich weit hergeholt und schwer umsetzbar. Man bräuchte irgendein Objekt, das sich von außen angetrieben kontinuierlich im Tank bewegt. Ein rotierender Propeller oder ein Netz, das der Länge nach durch den Tank gezogen wird. Dabei wird die Energie gemessen, die es für einen Bewegungsablauf (z.B. eine Umdrehung) benötigt. Damit soll auf indirektem Weg der Strömungswiderstand ermittelt werden.

Am höchsten ist der Strömungswiderstand und damit der Energieaufwand bei vollem Tank, am niedrigsten bei leerem. Dazwischen dürfte er nahezu linear abfallen.

Praktisch dürfte es aber nahezu unmöglich sein, ein bewegliches Objekt so zu platzieren, dass es die gesamte Höhe nutzt. Aber es ging hier ja auch nie um die praktische Umsetzung. 😉

12. Radioaktive Abschirmung

Auf den Boden des Tanks wird eine Strahlenquelle geklebt. Ein Alphastrahler wird nicht reichen, Betastrahlung sollte es mindestens sein. Ein bisschen Kobalt-60 findet sich bestimmt in der Restekiste.

Oben in den Tank kommt dann ein Geigerzähler. Meine Theorie (die natürlich erst noch zu beweisen wäre) besagt, dass Benzin die Strahlung stärker abschirmt als Luft. Also je höher der Benzinpegel, desto niedriger die gemessene Strahlungsintensität. Es muss also mit dem Geigerzähler bei vollem und bei leerem Tank gemessen und jeweils als Minimal- bzw. Maximalwert definiert werden. Der Rest lässt sich ermitteln und mit einer Kennlinie für die Anzeige aufbereiten.

In der Nähe von Kernkraftwerken und militärischen Anlagen sollte sicherheitshalber mit zu hohen Anzeigewerten gerechnet werden. Außerdem rate ich zu einem bleiernen Tankaufkleber. 😉

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Weitere Möglichkeiten fallen mir gerade nicht ein. Wer noch eine andere blödsinnige Idee hat, kann sie mir mitteilen. Ich werde sie dann gerne aufnehmen.

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