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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Füllstandserkennung
von Fluiden, insbesondere von Öl
oder vergleichbaren flüssigen
Betriebs-, Kühl-
und/oder Schmierstoffen in einer Verbrennungskraftmaschine eines
Kraftfahrzeugs.
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Aus
dem Stand der Technik sind diverse Bauformen von Frühstandserkennungen
für Flüssigkeiten
bekannt, die grob in passive und aktive Systeme unterschieden werden
können.
Passive Systeme sind in der Form beispielsweise von Füllstandsniveauschaltern
in der Regel mit einem Schwimmer ausgeführt, der ein magnetisiertes
Material trägt
und einen Reedkontakt mit Erreichen eines vorbestimmten Füllstandes
schaltet. Derartige Schalter weisen lediglich einen Schaltpunkt
auf, so dass sie nach dem Stand der Technik lediglich als Unterfüllungserkennung
eingesetzt werden. Als Ölniveausensoren
werden ferner passive elektrothermische Sensoren verwendet, die
ein Ausgangssignal liefern, das einen jeweiligen Füllstand
umgekehrt proportional abbildet. Dieses Ausgangssignal ist jedoch
temperaturabhängig
und benötigt
zudem eine sehr präzise
Stromquelle, die beispielsweise in einem Versorgungsnetz eines Kraftfahrzeuges
zusätzlich
zu implementieren ist. Durch die Nutzung bereits vorhandener Elektronik-Bauteile
kann hierdurch eine preiswerte Lösung zur
kontinuierlichen Füllstandserkennung
zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert realisiert werden.
Da jedoch in Kraftfahrzeugen übliche A/D-Wandler einen Eingangsspannungsbereich
von 5V aufweisen und sich aufgrund der Temperaturabhängigkeit
des Sensors Signalspannungen von größer als 5V ergeben können, sind
in einer derartigen Vorrichtungen zusätzliche Schaltungen vorzusehen, die
den Signalhub entsprechend herabsetzen oder begrenzen können. Hierdurch
geht dann im entsprechenden Maße
Auflösung
verloren.
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Elektrothermische
Sensoren werden nach dem Stand der Technik auch aktiv ausgeführt, hierzu ist
jedoch eine Hochtemperaturelektronik notwendig, durch die bekannte
aktive Lösungen
zusammen mit hohen Anforderungen an Schwingungsstabilität in der
Herstellung vergleichsweise teuer sind und auch relativ viel Bauchraum
beanspruchen.
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Kapazitive
Sensoren zur Füllstandserkennung
sind bedingt durch die Verwendung von Röhrenkondensatoren und die Implementation
der notwendigen Auswertelektronik groß und teuer. Ausgewertet wird
eine jeweilige Kapazitätsänderung,
die durch die unterschiedliche Permeabilität von Luft und Öl in Abhängigkeit
eines jeweiligen Öl-Fülhstandes hervorgerufen
wird. Da unterschiedliche Öle
unterschiedliche Permeabilitätszahlen εr aufweisen,
die sich mit zunehmendem Alter eines jeweiligen Öl- oder sonstigen Schmierstoffes
zusätzlich
verändern, ist
ein Referenzkondensator notwendig, durch den ein jeweils aktueller
Wert in der Permeabilitätszahl εr liefert.
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Weitere
passive elektrothermische Ölniveausensoren
bieten den Vorteil, dass eine kontinuierliche Ölniveaumessung möglich ist.
Derartige Systeme benötigen
für die
Auswertung jedoch Kenndaten, die in einer externen Auswertelektronik
abgelegt sind. Ferner ist doch hierbei wiederum eine sehr präzise Stromquelle
erforderlich.
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Aktive
elektrothermische Sensoren in Leiterplattentechnologie benötigen ebenfalls
eine aufwendige Elektronik für
ein linerarisiertes Ausgangssignal. Messungen während einer Fahrt des Kraftfahrzeugs sind
möglich,
jedoch benötigt
ein derartiger Sensor eine füllstandsabhängige Initialisierungszeit,
die eine Ölniveaumessung
vor Fahrtantritt generell nicht ermöglicht.
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Aktuelle
Entwicklungen im Bereich des Motorenbaus machen eine Auswertung
eines Ölniveaus jenseits
einer Erkennung einer Füllstandsunterschreitung
und Aktivierung einer Warnvorrichtung zu jedem Zeitpunkt erforderlich.
Während
beispielsweise bei Kraftfahrzeugmotoren in der Vergangenheit ein Ölwechsel
durch Ablassen des verbrauchten Schmierstoffs über eine Ölablauf- bzw. Ölablassschraube
an dem aufgebockten Fahrzeug bewerkstelligt wurde, so wird an modernen
Verbrennungskraftmaschinen heute das Öl üblicherweise abgesaugt. Hierdurch
können
entsprechende Vorrichtungen und Arbeitsschritte eingespart werden.
Andererseits können
hierbei jedoch nun größere Restölmengen
in der Verbrennungskraftmaschine verbleiben, so dass auch bei Zuführen einer
vorbestimmten Menge an frischem Schmierstoff ein erhöhtes Risiko
dafür auftritt,
dass in der Verbrennungskraftmaschine nun insgesamt zuviel Öl vorhanden
ist. Ein zu hoher Füllstand
führt dann
insbesondere im Kurbelgehäuse zum
so genannten Schaumschlagen der in Öl laufenden Kurbelwelle. Da
bei jeder Verbrennungskraftmaschine prinzipiell zwischen einer Zylinderwandung und
einem zugehörigen
Kolben Gas in das Kurbelgehäuse
austritt, ist eine Entlüftung
vorzusehen, die bei moderneren Verbrennungskraftmaschinen generell in
den Ansaugtrakt hinein erfolgt. Hierdurch wird eine thermische Verwertung
bzw. Verbrennung der sich unter Überdruck
im Kurbelgehäuse
ansammelnden Inert- und Frischgasanteile im Zuge eines Druckausgleiches
bewerkstelligt. Bei zu hohem Ölfüllstand
erzeugt die Kurbelwelle durch Schaumschlagen ein Öl-Luft-
Gemisch, das nun ebenfalls über
in dem Druckausgleich im Kurbelgehäuse dem Frischgas im Zylinder beigemischt
wird. In extremen Fällen
kann das hierdurch bewirkte Mitverbrennen von Motoröl bei Dieselverbrennungskraftmaschinen
zu dem so genannten Bonanza-Effekt führen, wonach diese Maschine
in unkontrollierbarer Weise bei stetig steigender Umdrehungszahl
das eigene Motoröl
sogar bis zur eigenen Zerstörung
selber verbrennt.
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Wenn
auch der vorstehend beschriebene Effekt nur bei Diesel-Verbrennungskraftmaschinen
auftritt, so werden durch ein unerwünschtes Mitverbrennen von Motoröl-Anteilen
bei allen Verbrennungskraftmaschinen gesetzlich festgesetzte Emissions-Grenzwerte nicht
mehr eingehalten. Da auch eine Restgas-Zusammensetzung in einer Abgasnachbehandlungseinheit,
die üblicherweise
im Abgastrakt vorgesehen ist, im vorstehend beschriebenen Fall grundsätzlich nicht
mehr über
eine jeweilige Frischgas-Zusammensetzung einstellbar ist, können durch
den vorstehend beschriebenen Effekt zudem Sensoren- und/oder Katalysatoren
oder sonstigen Elementen im Abgastrakt gestört, oder gar beschädigt werden.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur
Füllstandserkennung
von Flüssigkeiten,
insbesondere von Ölen
und sonstigen Betriebsstoffen zu schaffen, die einen Auftriebskörper umfasst,
der in Kontakt mit dem Fluid steht, wobei die Vorrichtung bei einfachem
und raumoptimiertem Aufbau eine Unter- und auch eine Überfüllungserkennung
jederzeit realisieren und ferner auch leicht in Verbrennungskraftmaschinen
und Getrieben etc. integriert werden kann.
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Vorliegende
Erfindung wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Demnach umfasst
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Füllstandserkennung
einen Auftriebskörper,
der in Kontakt mit dem Fluid steht und in dem mindestens ein bipolar
magnetisiertes Element angeordnet ist. Zudem ist in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
ein magnetosensitives Element in einem geeigneten Abstand zu diesem
Auftriebskörper
angeordnet. Bei dem magnetosensitiven Element handelt es sich erfindungsgemäß um ein
programmierbares Hall-Element, so dass sowohl eine Ausgangskennlinie,
als auch eine Temperaturdrift inklusive Volumenausdehnung des Öls oder
sonstigen fluiden Kühl-
oder Schmierstoffs, unter Berücksichtigung
mechanischer Toleranzen kalibriert und derart kompensiert werden kann,
dass sich ein insgesamt weitgehend linearer Zusammenhang über den
gesamten Messbereich einer jederzeit zur Verfügung stehenden Messanordnung
ergibt.
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Für die Darstellung
eines grundsätzlichen Ansatzes
zur Linearisierung einer Ausgangskennlinie einer Vorrichtung zur
Messung einer Abstandsänderung
zwischen einem Permanentmagneten und einem Hall-Sensor wird ausdrücklich auf
die Offenbarung der
EP
1 058 103 A2 verwiesen. Bei der zitierten Druckschrift
wird zwar ein mechano-elektrischer Drucksensor behandelt. Die erschwerenden
Randbedingungen eines hohen Kostendrucks sowie einer generellen
Medienempfindlichkeit bei einer einsatzbedingten Verwendung von
Fluiden und Schmierstoffen, wie u. a. Motor-Öl, regte die Erfinder jedoch
zur Übertragung
dieser Funktionsprinzipien auf ein völlig neues Anwendungsfeld an.
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Demgegenüber sind
Füllstandsensoren
für fluide
Kraftstoffe für
eine Übertragung
auf den Bereich einer Überwachung
eines Ölstandes
generell wenig geeignet. Dem Fachmann ist bekannt, dass Öl in einem
wesentlich größeren Temperaturbereich eingesetzt
wird, als dieses bei jeder Art von Kraftstoff üblich ist. Zudem ist ein Ölsensor
zum Schutz vor jedem Medien-Kontakt
i.d.R. mindestens einfach zu kapseln, da es sich bei Öl, das hier
als Synonym für sämtliche
Arten fluider Stoffe und insbesondere von Schmier- und/oder Kühlstoffen
verwendet wird, in der Regel um einen vergleichsweise aggressiven
Stoff handelt.
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Weitere
Vorteile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind Gegenstand von Unteransprüchen. Einer
ersten Ausführungsform
entsprechend ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung als Sensor demnach mit
einem eingespritzten Linear-Hall-Element versehen. Die Umspritzung
ist in einer Ausführungsform
in einem Kunststoff als lang gestreckter Körper ausgebildet, in dem ein
Schwimmer mit einem magnetischen Element versehen entlang einer
Längsachse bzw.
in axialer Richtung beweglich angeordnet ist.
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In
einer alternativen Ausführungsform
ist der Schwimmer ebenfalls axial beweglich, die Umspritzung des
Sensors jedoch den Schwimmer umgreifend ausgebildet. Damit unterscheiden
sich die vorstehend genannten prinzipiellen Ausführungsformen durch ein magnetisches
Element, das in einem Fall bezogen auf die Umspritzung innen liegend,
in einem anderen Fall außen
liegend vorgesehen und insbesondere im Wesentlichen ringförmig geschlossen ausgebildet
ist.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
offenbart damit Mittel für
eine mehrstufige Signalauswertung, die neben einer bekannten Minimumwarnung nun
zur Vermeidung einer Überfüllung zur
Schadstoff-Ausstoßminimierung
auch eine Maximumwarnung enthält.
Hierzu ist ein in einfacher Weise in einem bekannten Aufbau integrierbares
aktives Element vorgesehen, dass bei geringem Fertigungsaufwand
in jedem Betriebszustand eine große Zuverlässigkeit bei jederzeitiger
Verfügbarkeit
bietet. Insbesondere ist ein zusätzlicher
Aufwand für
eine externe Beschaltung auf ein Minimum begrenzt, wie anhand eines
Ausführungsbeispieles
konkret noch gezeigt wird.
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Eine
Kalibrierung kann auch über
einen gesamten Hubbereich zum Abschluss einer Fertigung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
dadurch erfolgen, dass z.B. ein vorgesehener Hubbereich durch den
beweglichen Schwimmer bzw. Auftriebskörper unter Vermittlung eines
Kleinrechners einmal mechanisch überstrichen
wird. In der Folge kann ein lineares oder linearisiertes Ausgangssignal
erhalten werden, das als Spannungs-, Strom- oder Pulsweiten-moduliertes
bzw. PWM-Signal wahlweise ausgegeben werden kann.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann bei größeren Messbereichen
auch mehr als zwei Schaltpunkte aufweisen, beispielsweise drei Schaltpunkte
für Unter-, Überfüllung und
Nennfüllung.
Es ist auch eine Ausgabe kontinuierlicher Füllstände zu deren Anzeige möglich.
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Durch
ihre prinzipiell kompakte Bauform und der in mindestens einer Bauform
möglichen
Realisierung geringer maximaler Durchmesser ist ein einfacher Einbau
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einer Ölwanne
oder einem Motor- oder Getriebeblock auch nachträglich möglich. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung
ist an unterschiedliche Einbausockel und/oder Anschlussstücke anpassbar,
so dass eine insgesamt sehr hohe Einbauflexibilität erzielt
werden kann. Bei der Verwendung mindestens eines programmierbaren
Hall-Elementes ist als äußere elektrische
Schaltung lediglich eine Schaltung aus zwei Kondensatoren EMV-Schutz
erforderlich, so dass im Ergebnis eine im Wesentlichen lineare Kennlinie
zwischen Ausgangswerten von 0,5 bis 4,5 V im Rahmen standardisierter
Automotiv-Signalpegel
abgegeben werden kann.
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Weitere
Vorteile und Eigenschaften einer erfindungsgemäßen Vorrichtung werden nachfolgend unter
Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele
anhand der Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen in schematisierter Darstellung:
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1:
eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform;
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2:
eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform;
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3:
ein Diagramm mit möglichen
Ausgangssignalen einer Ausführungsform
gemäß 1 und
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4:
ein Diagramm mit möglichen
Ausgangssignalen einer Ausführungsform
gemäß 2.
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1 zeigt
eine erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur
Füllstandserkennung,
wie sie vorzugsweise zur Überwachung eines Ölstandes
für eine
Verbrennungskraftmaschine in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird.
Die Vorrichtung 1 umfasst einen lang gestreckten zylindrischen Körper 2,
der an einem freien Ende 3 ein erstes Flutloch 4 und
dem Ende 3 gegenüberliegend
ein zweites Flutloch 5 aufweist. Jenseits des zweiten Flutloches 5 läuft der
Körper 2 in
einen Anschluss 6 aus, der im vorliegendem Fall als Anschlussstück mit metrischem
Gewinde zum abdichtenden Einschrauben in einer Messstelle ausgebildet
ist, wie beispielsweise eine Ölwanne.
Jenseits des Anschlussstücks 6 läuft die
Vorrichtung 1 dann in einen elektrischen Kontakt 7 aus,
der im vorliegenden Fall als Steckkontakt ausgebildet ist. In dem
lang gestreckten Körper 2 ist
ein Auftriebskörper
in Form ei nes Schwimmers 8 entlang der eingezeichneten
Längsachse
des lang gestreckten Körpers 2 verschieblich
angeordnet. Der Schwimmer 8 umfasst im vorliegendem Ausführungsbeispiel
zwei permanent magnetische Elemente 9, die im vorliegendem
Fall gleichsinnig orientiert jeweils in einem Bereich eines oberen
Endes 10 und eines unteren Endes 11 des Schwimmers 8 angeordnet
sind.
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In
der Mitte eines nutzbaren Arbeitsbereiches ist an einer nicht magnetischen
Außenwand 12 des
Langstreckenkörpers 2 ein
magnetosenitives Element 13 in Form eines programmierbaren Hall-Elements
angeordnet, das über
Zuleitungen 14 mit dem elektrischen Kontakt 7 verbunden
ist. Als effektiver Schutz gegen das zumindest auf Dauer sehr aggressiv
wirkende Öl,
das durch die Flutlöcher 4 und 5 nach
dem physikalischen Prinzip der kommunizierenden Röhren in
den Körper 2 eindringt
und dort den Schwimmer 8 einem jeweiligen Füllstand entsprechend
anhebt und auch an einer Außenseite des
Körpers 2 im
Bereich der Außenwand 12 sämtliche
Gegenstände
oberflächig
benetzt, sind das Hall-Element 13 sowie die dreipolige
Zuleitung 14 zwischen Hall-Element 13 und dem
elektrischen Steckkontakt 7 von einem dauerhaft widerstandsfähigen Kunststoff
durch Umspritzung umschlossen.
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Vorteilhafterweise
wird im vorliegenden Fall durch diese Kunststoff-Umspritzung die
nicht magnetische Außenwand 12 und
der lang gestreckte Körper 2 gleichzeitig
als Bauelement mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen und Elementen,
wie den Flutlöchern 4 und 5 und
dem Anschluss 6 und Elementen des elektrischen Kontaktes 7,
einstückig
hergestellt. In gleicher Weise ist auch der Schwimmer 8 mit
den Permanentmagneten 9 durch eine Versiegelung und/oder
Umspritzung mit einem Kunststoff dauerhaft vor dem Einfluss des
umgebenden Öls
ge schützt.
Damit sind die zur berührungslosen
Aufnahme eines Messsignals notwendigen Komponenten von jeder Korrosionsgefahr
durch Kontakt mit aggressiven Medien in einfacher Weise dauerhaft
geschützt.
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Nach
der vorstehend beschriebenen Herstellung des lang gestreckten Körpers 2 wird
der Schwimmer 8 über
das freie Ende 3 entlang der dargestellten Längsachse
des Körpers
verschieblich in dem Körper 2 aufgenommen.
Durch zeichnerisch nicht weiter dargestellte Rückhaltenasen, einen das freie
Ende 3 mindestens teilweise abdeckenden Verschluss, oder
durch sonstige dem Fachmann geläufigen
Maßnahmen
wird nachfolgend verhindert, dass der Schwimmer 8 durch
Füllstand
oder sonstige axial wirkende Kräfte
aus dem Innern des lang gestreckten Körpers 2 heraus entweichen
kann.
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Unter
Umsetzung desselben Funktionsprinzips, wonach ein Schwimmer 8 mit
mindestens einem Permanentmagneten 9 in Abhängigkeit
einer jeweiligen Füllhöhe des Öls axial
zu einem magnetosensitiven Element 13 beziehungsweise einem
Hall-Element beweglich
angeordnet ist, ist in 2 eine zweite Ausführungsform
in Schnittdarstellung schematisch dargestellt. In der Ausführungsform
von 2 ist die Vorrichtung 1 mit einem Körper 2 in Form
einer Außenkappe
versehen, die ein erstes Flutloch 4 und ein zweites Flutloch 5 für ein- und ausströmendes Öl aufweist.
Im Innern des Körpers 2 ist ein
Führungsstab 15 vorgesehen, über dem
der ringförmig
ausgebildete Schwimmer 8 durch Auftrieb axial in Abhängigkeit
einer Öl-Füllstandsmenge
verschieblich angeordnet ist. Im Innern des Führungsstabes 15 ist
das magnetosensitive Element 13 in Form des Hall-Elements
angeordnet, wobei hier nun auch die Zuleitungen 14 ganz
von dem Kunststoff des Führungsstabes
umschlossen werden.
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Der
Körper 2 der
Vorrichtung 1 läuft
in einen Sockel 16 mit Außenwinde 17 aus, der
zusätzlich
einen Dichtungsring 18 aufweist. Der elektrische Steckkontakt 7 für eine äußere Kontaktierung
der Zuleitungen 14 ist integraler Bestandteil des Sockels 16.
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Die 3 und 4 zeigen
jeweils zu den Ausführungen
der 1 und 2 als Diagramme eine jeweilige
magnetische Feldstärke über einem durch
den Schwimmer 8 zurücklegbaren
Weg in z-Richtung. In beiden Diagrammen ist in gleicher Weise ein
Abstand x zwischen dem einen oder den beiden Permanentmagneten 9 und
dem Hall-Element 13 zwischen 4 und 6 mm variiert worden.
Im Ergebnis ist festzustellen, dass die vergleichsweise kompaktere
und schlankere Bauform von 1 bei im
Wesentlich gleichen Abmessungen in axialer Richtung mit 22 mm gegenüber 25 mm
einen deutlich geringeren nutzbaren Messbereich aufweist. Da die Ausführungsform
von 2 zu dem die Unterbringung eines Schwimmers 8 mit
größerem Volumen
erlaubt, kann hierin auch der Permanentmagnet 9 größer dimensioniert
und damit bei der Verwendung eines identischen magnetischen Materials
auch mit einem stärkeren
Permanentmagneten 9 ausgerüstet werden. Dementsprechend
können
in einer Vorrichtung gemäß 2 ausweislich
der Diagramme von 4 bei größerem nutzbaren Bereich auch
größere magnetische
Feldstärken
und damit ein insgesamt aussagekräftigeres und gegenüber Störungen unanfälligeres
Ergebnis erzielt werden.
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Das
magnetosensitive Element 13 ist in den dargestellten Ausführungsformen
der 1 und 2 als programmierbares Hall-Element ausgebildet,
das in einem geeignet vorgegebenen Funktionsabstand zu dem bipolar
magnetischen Schwimmer 8 angeordnet ist. Derartige Elemente
weisen u. a. den Vorteil auf, wonach sie kalibrierbar sind und bei
Temperaturkompensation ei ne weitgehend lineare Ausgangskennlinie
in einem durch Rauschphänomene ungestörten Messsignalbereich
mit einer Ausgangsspannung zwischen 0,5 und 4,5 V abgeben. Dieser Bereich
entspricht einem Standard für
Sensoranwendungen im Automotiv-Bereich.
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In
den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen werden als
magnetosensitive Elemente 13 jeweils programmierbare lineare
Hall-Elemente aus der Produktfamilie HAL80x der Firma Micronas eingesetzt.
Hierin sind schaltungstechnische Mittel vorgesehen, durch die sowohl
eine Ausgangskennlinie, als auch eine Temperaturdrift inklusive
Volumenausdehnung des Öls
unter Berücksichtigung mechanischer
Toleranzen kalibriert und kompensiert wird. Als äußere Beschaltung eines Hallsensor-Elements der Bauart
HAL805 werden nach dem Datenblatt lediglich zwei keramische Kondensatoren
als EMV-Schutz empfohlen. Damit bleiben die Vorteile einer sehr
kompakten Messvorrichtung auch außerhalb eines Bereiches, in
dem sie in Kontakt mit einem jeweiligen Fluid kommt, insgesamt erhalten.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- lang
gestreckter Körper
- 3
- freies
Ende
- 4
- erstes
Flutloch
- 5
- zweites
Flutloch
- 6
- Anschluss
- 7
- elektrischer
Kontakt/Steckkontakt
- 8
- Auftriebskörper/Schwimmer
- 9
- Permanentmagnet
- 10
- oberes
Ende von 8
- 11
- unteres
Ende von 8
- 12
- nicht
magnetische Außenwand
von 2
- 13
- magnetosensitives
Element/programmierbares Hall-
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- Element
- 14
- Zuleitung
- 15
- Führungsstab
- 16
- Sockel
- 17
- Außenwinde
- 18
- Dichtungsring