CN104165669A - 用于测量液位的液位传感器和用于确定液体液位的方法 - Google Patents

Abstract

用于测量容器内的液体液位的、尤其用于测量车辆油箱中的燃料液位的液位传感器具有多个沿测量行程彼此重叠布置的电容传感器，所述电容传感器的电介质常数随着液位的改变而变化，在所述液位传感器中，应在尽可能简单的结构下实现尽可能准确的测量。这通过下述方式实现：所述电容传感器沿测量行程的高度大小不同，其中一组沿测量行程的高度相对较大的电容传感器用于估测液位，并且第二组沿测量行程的高度相对较小的电容传感器用于参考测量。

Description

用于测量液位的液位传感器和用于确定液体液位的方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量容器内的液体、特别是车辆油箱内的燃料的液位的液位传感器，所述液位传感器具有多个沿着测量行程彼此重叠布置的电容传感器，所述电容传感器的电介质和进而电介质常数随着液位的改变而变化。

背景技术

在本发明中所述类型的液位传感器特别是应用在例如机动车和摩托车、公共汽车或其它车辆的燃料箱内。目前液位传感器典型地具有一带杠杆机构和电位计的浮子。由于对新燃料、例如带生物乙醇成分的燃料或质量较差、含硫量高的燃料提出了新要求，所以必须改良在目前所用的液位传感器中使用的价格低廉的材料或者为其施加涂层。具有附加能量载体、例如乙醇或其它酒精的燃料的不同构成同样要求适当控制发动机工作点，因此更清楚地了解燃料构成非常有利。

因此已提出了，借助于电容传感器测量液位。EP 1 204 848 B1公开了这种类型的液位传感器。其中沿着竖直的测量行程布置多个电容传感器，其一方面由相对较短的单电极构成，另一方面与较长的电极对置。由于液位增高，电极之间的介质或电介质以及进而各个电容传感器或电容器的电介质常数因此也发生变化。然后可以从中推导出各个电容传感器中的哪一个已经或仍由液体、特别是燃料包围。US 7 258 005 B2公开了另一种电容液位传感器。在此在印刷电路板之上安装多数常用的结构，其中所述电容传感器由两个被构成为不同几何形状的电极构成，在相应相同的形状下，所述电极基本上相对彼此错开地布置。

专利US 6,502,460 B1、US 6,497,144 B1和US 6,498,566 B1公开了另一种液位传感器，其发明人是同一人。在这些文献描述中，液位传感器具有液位管和接收管，其一起构成一电容器。所述电容器的阻抗因此也取决于管的几何形状和管之间介质的物理特性。因此通过这种电容传感器的测量可以算出液位。

发明内容

本发明的目的是提供一种开头所述类型的方法以及液位传感器，所述液位传感器在简单的结构下实现了尽可能准确的液位测量。

所述目的可以通过具有权利要求1的特征的液位传感器来实现。关于方法，所述目的可以通过具有权利要求13的特征的方法来实现。在从属权利要求中描述了本发明的有利的设计方案。

用于测量容器内的液体液位的、特别是用于测量车辆油箱内的燃料液位的液位传感器具有多个沿测量行程、特别是竖直的测量行程彼此重叠布置的电容传感器，所述电容传感器的电介质常数随着液位的改变而变化，根据本发明的本质，该液位传感器的特征在于：所述电容传感器沿测量行程的高度大小不同；一组沿测量行程的高度相对较大的电容传感器用于估测液位；以及第二组沿测量行程的高度相对较小的电容传感器用于参考测量。两组传感器的相对高度是指这两组彼此间的比较。高度较大的一组用于真正的液位测量。高度比用于液位测量的电容传感器小的第二组电容传感器用于参考测量。借助于该第二组电容传感器可以在特定的高度位置中进行局部参考测量以通过电介质常数ε_r来识别介质。因此当使用多个电容传感器进行参考测量时，也可以识别出介质和/或膜层。如果第二组电容传感器只由一个传感器构成，则只能借助于电介质常数通常地识别燃料。在所述第二组电容传感器中，沿测量行程的绝对高度优选相对较小，优选小于2mm、特别优选地小于1mm，从而在液位上升的情况下，这个区域尽可能快速地被电介质完全填满，并且还可以通过电介质常数推测出燃料或其质量或成分。

在本发明的一种优选设计方案中，在沿测量行程的至少两个位置处设置了高度相对较小的电容传感器。它们优选被布置为彼此相隔一定的间距，从而能够沿测量行程以特定间距说明可能的不同的燃料或燃料内部的膜层。

在一种优选的实施方案中，用于测量液位的电容传感器由横向于测量行程布置的测量电极和场电极构成，其中每个场电极都分配有多个测量电极。在此优选是指由一组二至八个测量电极，优选为三至六个测量电极，并且在一种特别优选的设计方案中为一组四个测量电极，所述测量电极分别配属于一个场电极。在测量行程的方向上，所述测量电极的高度大于用于参考测量的电容传感器的电极的间距。因此用于参考测量的电容传感器的设计方案目标是局部准确的测量。

在本发明的一种特别优选的设计方案中，第二组沿测量行程的高度相对较小的电容传感器既用于参考测量又用于液位测量。由此每个电容传感器都有双重用途，且整个结构简化。特别是，电容传感器的彼此重叠布置的测量电极优选用于液位测量也用于参考测量。因此在一种特别优选的设计方案中，所述液位传感器仅仅一方面由多个重叠布置的、在竖直方向上延伸的场电极，另一方面由多个分配给每个场电极的、横向于测量行程延伸的测量电极构成。横向于测量行程延伸的测量电极则一方面与在竖直方向上延伸的场电极组合用于液位测量(Levelmessung)，且同时在相互确定电容的情况下还用于参考测量。通过这一方式可以使用特别简单的结构，且同时一方面持续测量液位，另一方面持续测量质量。

因此，场电极的高度相当于至少两个竖直地延伸的测量电极的宽度加上这两个场电极之间的间距。优选地，场电极延伸过三个、特别是四个，并且在所述示出的实施例中为五个水平对准的测量电极加上彼此之间的间距。优选地，场电极的下端部在高度上与所属最下面的测量电极的下端部或底面齐平。场电极的上端部优选和所属最上面的测量电极的表面齐平或位于同一高度。

在一种优选的实施方式中，在用于参考测量的两个电容传感器之间设置至少一个用于确定液位的电容传感器。优选地，在两个用于参考测量的电容传感器之间布置至少三个、特别是四个并且在另一种优选的实施方式中布置五个或更多传感器来测量液位。用于参考测量的电容传感器优选具有竖直的引线(Zuleitung)。在液位上升时，用于参考测量的电容由于引线之间存在的电容的影响而改变其值。因此优选设置一估测电路，其不仅考虑所述电容传感器的电容本身，还考虑到引线的电容。

所述液位传感器优选具有印刷电路。所述电容传感器优选印制在印刷电路板上。在一种特别优选的设计方案中，被构造为板形的液位传感器在两侧都设有印刷电路，其中这些电路可以在侧面上具有不同设计。

在本发明的一种优选的设计方案中，所述电容传感器特别是在背面上被分区段。在此特别设计两个彼此并排布置的电极。如果通过算法发现电容器之一完全被介质覆盖，则可以从用于被覆盖的电容的预期值通过反向计算由关于ε_r的校准曲线确定介质。通过如下方式识别所述电容器之一是否完全被介质覆盖：位于上方的电容器至少相对于空气值(Luftwert)已增大了其值。如果两个或更多的电容被完全覆盖，则又可以通过比较电容来识别膜层。在另一种优选的设计方案中，所述电容器被构造为指状。利用这种布置可以识别发生倾斜。在倾斜状态中始终仅一部分指状结构被介质覆盖。

本发明的另一方面涉及一种用于借助于上文所述的液位传感器来确定液位的方法。在此在第一步骤中借助于用于测量液位的电容传感器确定液位。在第二步骤中确定，哪一组用于参考测量的电容传感器位于已确定的液位高度之下，即完全被液体覆盖，然后在第三步骤中通过在第二步骤中确定的、用于参考测量的电容传感器分别进行参考测量。在本发明的框架内两次使用所述用于参考测量的电容传感器，即一次与竖直对准的场电极一起用于测量液面高度，且此后水平对准的测量电极用于参考测量。但这种参考测量只有在相邻的、两个均被介质淹没的测量电极之间进行才有意义。应该确定介质在该区域中的电介质常数。此后可以由此得出结论。因此首先应该查明，哪些水平对准的测量电极完全被淹没。只有对这些测量电极来说，参考测量才有意义。

附图说明

下面借助于附图中示出的实施例进一步解释本发明。具体地，示意性图示如下：

图1：根据本发明的固定的液位传感器的透视图；

图2：根据本发明的液位传感器的第一设计；

图3：液位传感器的一种可能的设计；

图4：液位传感器的另一种设计；

图5：液位传感器的另一种设计；和

图6：液位传感器的另一种设计。

具体实施方式

图1示出带有液位传感器1的油箱的一部分。所述液位传感器1尤其具有印刷电路板2。该印刷电路板基本上竖直地布置在油箱中。在此该印刷电路板被固定在油箱中输送模块3的壁7上。在壁7上安装有两个钩形的支架(Bügel)4，保持元件5被插到所述支架上，该保持元件具有与印刷电路板2匹配的凹部并因此使所述印刷电路板2保持压在壁7上。

图2示出了印刷电路板2，其与电子部件8构成所述液位传感器1的重要的组成部分。所述电子部件8具有一个或多个多路转接器以及其它的估测电路和单元，通过它们可以估测不同电容传感器的电压曲线。图2中，两组电容传感器10和11被布置在所述印刷电路板2之上。所述电容传感器10沿测量行程的高度在此相对较大，而所述电容传感器11沿测量行程的高度在此相对较小。所述电容传感器10分别由一个场电极12和四个所属的测量电极13构成。在此重要的是在场电极12和测量电极13之间形成的缝隙，所述缝隙在液体增多时被填满并且由此改变了电介质常数ε_r。分别由四个具有电极12和13的电容传感器组成的每一组10的上方和下方布置有一组电容传感器11。该组分别包括电容传感器11，其由两个电极14和15构成，所述电极在所述印刷电路板2的整个宽度上延伸。两个电极14和15之间沿竖直方向形成的缝隙是确定的。从所测得的电容可以推导出电介质常数并进而推导出存在于两个并列彼此紧紧相邻的电极14和15之间的介质。特别是在具有其沿测量行程的高度相对较小的电容传感器的这组11中，一方面可以识别介质，另一方面可以通过所使用的组11的大多数识别出介质的膜层。

图3示出了液位传感器1的印刷电路板2的另一种设计。作为图2所示电路的补充，该印刷电路板例如可以与所述电路并排布置或布置在液位传感器的印刷电路板的背面上。在此场电极12与十六个测量电极13连接在一起，从而在场电极12和测量电极13之间分别形成电容。通过这一设计基本上实现了重点计算。

如图4所示的实施方式同样优选地与图2所示的设计组合使用，其中电容器被分为总共16个大小大致相同的区段15，其中每两个区段彼此并排布置并且总共有八个区段彼此重叠地、即沿竖直方向布置。在各个区段之间分别测量电容并由此确定出区段之间的电介质或其电介质常数。

图5示出另一种设计方案的印刷电路板2。在此设置有电极16，其具有中央竖直的导线(Leitung)17和从其出发向外延伸的指销(Finger)18。在两个外侧上设置有竖直的导体19，该导体具有向内延伸的指销20，所述指销交替地接合在从内向外指向的指销18中或与之啮合。通过区分的布置可以识别出倾斜。所述指销结构在介质倾斜时总是仅部分被介质覆盖。这种布置同样也优选与图2所示的结构组合使用，特别是布置在所述印刷电路板2的背面。

图6示出了所述液位传感器1的另一种特别优选的设计。该液位传感器与图1所示的液位传感器类似地构造，但在几点上有所区别。所述液位传感器1在此具有总共六组电容传感器10，其沿着测量行程的高度相对较大并且基本上由场电极12预先规定。通过它们确定液位高度。测量在场电极12’和测量电极13-例如在所示的实施例中为标记为13’的测量电极-之间的电容。然后测量在场电极12’和测量电极13”之间的电容。如果出现不同的电容-其成因是，所述场电极13’还在液体中，而场电极13”在空气中，从而形成了不同的电介质常数，则由此出现了在两个测量电极13’和13”之间的液体的当前液位。所述测量电极还同时用于参考测量。通过对测量电极13’和13”之间的电容进行测量，可以确定介质的局部质量或介质的参考。优选只借助于一种测量电极13实施这种测量，对这种测量电极来说，由借助于场电极12和测量电极13的平行液位测量已知，相邻的测量电极13’和13”被完全淹没。由随后在相邻的测量电极13’和13”之间可确定的电介质常数能够在参考规定介质规格时来确定液体质量的数据。还可以通过这一方式确定乙醇含量或离解。通过该电路即使在单面测量结构的情况下也能实现持续测量液位并持续测量质量。所有场电极优选连接在第一多路转接器21上。所述测量电极连接在第二多路转接器22上。在此处所示的实施方式中，测量电极中的若干、也就是每组测量电极13配属于一个场电极12，唯一的测量电极与同一个多路转接器21连接，该多路转接器上还连接有场电极12。在所示的实施例中，由此可以对测量电极13’和13”之间的电容进行测量。

也可以考虑其它电路，从而在所有任意的测量电极13之间都可以进行参考测量。这可以或者通过其它至多路转接器21、22上的接线或通过所述多路转接器自身的其它设计方案实现。

上述说明以及权利要求中所提及的全部特征都可以按任意选择与独立权利要求的特征结合。因此本发明的公开内容不限于已说明或已提出的特征组合，而是所有在本发明框架下有意义的特征组合都可被视为公开。

Claims (13)

1.用于测量容器内液位的、特别是用于测量车辆油箱中的燃料液位的液位传感器，所述液位传感器具有多个沿测量行程彼此重叠布置的电容传感器，所述电容传感器的电介质常数随着液位的改变而变化，

其特征在于，

所述电容传感器沿所述测量行程的高度大小不同，并且

一组沿着所述测量行程的高度相对较大的电容传感器(10)用于估测液位，并且

第二组沿着所述测量行程的高度相对较小的电容传感器(11)用于参考测量。

2.如权利要求1所述的液位传感器，其特征在于，在沿所述测量行程的至少两个位置上设置了沿着测量行程的高度相对较小的电容传感器(11)。

3.如权利要求1或2所述的液位传感器，其特征在于，用于测量液位的电容传感器(10)由横向于测量行程布置的测量电极(13)和场电极(12)构成，其中每个场电极(12)分配了多个测量电极(13)。

4.如上述权利要求中任一项所述的液位传感器，其特征在于，第二组沿着所述测量行程的高度相对较小的电容传感器(11)不仅用于参考测量而且用于液位测量。

5.如权利要求3或4所述的液位传感器，其特征在于，所述电容传感器的彼此重叠布置的测量电极(13)用于液位测量也用于参考测量。

6.如上述权利要求中任一项所述的液位传感器，其特征在于，所述液位传感器仅一方面包括多个重叠布置的在竖直方向上延伸的场电极(12)，另一方面还包括多个被分配给每个场电极的、横向于所述测量行程布置的测量电极(13)。

7.如上述权利要求中任一项所述的液位传感器，其特征在于，在两个用于参考测量的电容传感器(11)之间布置有至少一个用于确定液位的电容传感器(10)。

8.如上述权利要求中任一项所述的液位传感器，其特征在于，所述液位传感器(1)包括印刷电路(2)。

9.如权利要求8所述的液位传感器，其特征在于，所述液位传感器具有印刷电路板，所述印刷电路板的两侧被印刷电路占据。

10.如上述权利要求中任一项所述的液位传感器，其特征在于，所述电容传感器包括构造为指状(18、19)的电容器。

11.如上述权利要求中任一项所述的液位传感器，其特征在于，用于参考测量的电容传感器(11)包括竖直的引线。

12.如权利要求11所述的液位传感器，其特征在于，设置了估测电路，所述估测电路考虑到引线的电容。

13.一种用于借助于如上述权利要求中任一项所述的液位传感器测量液位的方法，

其特征在于，

在第一步骤中，借助于用于测量液位的电容传感器(10)确定液位，然后在第二步骤中确定，哪一组用于参考测量的电容传感器(11)位于已确定的液位高度之下，即完全被液体覆盖，然后在第三步骤中，利用在第二步骤中确定的用于参考测量的电容传感器(11)分别进行参考测量。