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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Diagnose
eines Abscheidermoduls in einem Brennstoffzellensystem.
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Ein
Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle oder mehrere
Brennstoffzellen, welche in Reihe und/oder parallel zu einem Brennstoffzellenstapel
geschaltet sind. Für die Fahrzeugindustrie sind derzeit
insbesondere Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (engl. Proton
Exchange Membrane Fuel Cell, PEM-FC) bekannt, wobei Wasserstoff
als Brennstoff eingesetzt wird. Es ist jedoch auch eine Verwendung
von Methan, Methanol oder Glukoselösung als Brennstoff
bekannt. An einer Anodenseite der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels
wird an einem Einlass der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff,
in den Brennstoffzellenstapel eingespeist. An einem Auslass treten
die Anodenabgase aus der Brennstoffzelle bzw. dem Brennstoffzellenstapel
aus, welche bei Verwendung von Wasserstoff unter anderem aus nicht
verbrauchtem Wasserstoff sowie Wasser bestehen. Der nicht verbrauchte
Brennstoff kann über einen Rezirkulations-Kreislauf an
dem Einlass wieder zur Verfügung gestellt werden.
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Bei
Betrieb eines Brennstoffzellensystems, insbesondere einem PEM-Brennstoffzellensystem wird
an der Kathode ein so genanntes Produktwasser freigesetzt. Daneben
wird jedoch auch an der Anode, insbesondere in dem Anodenabgas,
Wasser freigesetzt. Ist das System mit einem Rezirkulations-Kreislauf
oder einem auf andere Weise geschlossenen Anodenkreislauf aufgebaut,
so muss das angefallene Wasser von Zeit zu Zeit aus dem Anodenkreislauf entfernt
werden. Zu diesem Zweck ist es bekannt, in dem Anodenkreislauf ein
Abscheidermodul anzuordnen. Das Abscheidermodul umfasst einen Sensor zum
Erfassen eines Füllstands, einen sogenannten Levelsensor.
Das Abscheidermodul wird dabei derart betrieben, dass bei Überschreiten
eines oberen Schaltpunkts, d. h. bei Überschreiten eines
maximalen Füllstands, ein Entleeren des Abscheidermoduls ausgelöst
wird. Eine Entleerung wird beendet, sobald ein unterer Schaltpunkt
unterschritten wird, d. h. ein minimaler Füllstand detektiert
wurde. Zum Erfassen der zwei Füllstände umfasst
der Levelsensor mindestens zwei Fühler oder dergleichen.
So ist es beispielsweise bekannt, einen Schwimmschalter als Levelsensor
mit zwei oder mehr Schaltpunkten einzusetzen. Ein derartiger Schwimmschalter
ist jedoch vielfach unzuverlässig und/oder nur mit hohem
Aufwand mit einer ausreichenden Sicherheit betreibbar.
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Aus
der
DE 102 33 039
A1 ist es bekannt, nur einen unteren Schaltpunkt durch
einen Sensor zur Erfassen, wobei ein Ventil zum Entleeren des Abscheiders
nach Ablauf eines maximalen Zeitintervalls nach einem Schließen
wieder geöffnet wird. Das maximale Zeitintervall wird dabei
aufgrund statischer Größen, wie einem Volumen
eines Abscheiderbehälters, einer Zuflussrate und einer
Abflussrate ermittelt.
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Fehler
bei einer Ermittlung des oberen und/oder des unteren Schaltpunkts
können irreparable Schäden an dem Brennstoffzellensystem
verursachen. Wird beispielsweise der untere Schaltpunkt zu spät
detektiert, so kann dies dazu führen, dass ein Brennstoff-Gas,
beispielsweise Wasserstoff, in eine Umgebung gelangt. Erfolgt ein
Entleeren des Abscheidermoduls dagegen zu spät, so kann
dies dazu führen, dass die in dem Abscheidermodul angefallene
Flüssigkeit wieder in den Anodenkreislauf gelangt, wodurch
es zu einer Überhitzung des Systems kommen kann.
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Es
ist daher bekannt, bei Verwendung von einem oder mehreren Sensoren,
durch welche zwei oder mehr Schaltpunkte erfasst werden, eine Plausibilitätsprüfung
derart vorzunehmen, dass ein Fehler gemeldet wird, wenn mehrere
Schaltpunkte gleichzeitig aktiv sind.
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Es
ist weiter bekannt, durch Einsatz eines Zellspannungsüberwachungssystem
oder dergleichen eine Diagnose des Systems vorzunehmen. Eine hierfür
notwendige Diagnosehardware ist jedoch äußerst
komplex und somit zumeist kostenintensiv.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu
schaffen, durch welche Fehler bei einer Erfassung eines Füllstands
in einem Abscheidermodul zuverlässig erkennbar sind.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Diagnose eines Abscheidermoduls in einem Brennstoffzellensystem, wobei
ein Füllstand des Abscheidermoduls durch mindestens einen
Sensor erfasst wird, der Füllstand zusätzlich
in Abhängigkeit mindestens einer aktuellen physikalischen
Zustandsgröße des Brennstoffzellensystems vorausgesagt
wird und der vorausgesagte Wert des Füllstands mit dem erfassten
Wert des Füllstands für einen Plausibilitätscheck
verglichen wird.
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In
anderen Worten wird der Füllstand zum einen direkt durch
einen Sensor erfasst und zum anderen durch einen virtuellen Sensor
beobachtet. Durch Voraussage des Füllstands in Abhängigkeit
aktueller Größen sind aktuelle Systemzustände
und somit dynamische Einflussgrößen berücksichtigbar.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst hierfür
mindestens einen Sensor zum Erfassen eines Füllstands des
Abscheidermoduls und mindestens eine Steuer- und/oder Recheneinheit
mit Mitteln, durch die mindestens eine aktuelle physikalische Zustandsgröße
eines Systems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems, erfassbar
ist, ein Füllstand in Abhängigkeit der mindestens
einen physikalischen Zustandsgröße ermittelbar
ist und der ermittelte Wert mit dem erfassten Wert vergleichbar
ist. Das Brennstoffzellensystem kann dabei als Modell in der Steuer-
und/oder Recheneinheit abgebildet sein. In anderen Ausgestaltungen
sind Abhängigkeiten von physikalischen Zustandsgrößen
ohne zugehöriges Modell berücksichtigbar. Die
Zustandsgrößen sind dabei durch bereits im System
vorhandene Sensoren erfassbar und können über
Steuereingänge der Steuer- und/oder Recheneinheit zur Verfügung
gestellt werden. Bei den Steuereingängen handelt es sich dabei
um Mittel zum Erfassen der Zustandsgrößen im Sinne
der Erfindung.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung wird bei einer Abweichung des
erfassten Werts von dem vorausgesagten Wert, welche einen definierten
Toleranzbereich übersteigt, eine Wartung veranlasst. Der Toleranzbereich
kann dabei geeignet definiert werden. Zudem kann der Toleranzbereich
variabel gestaltet sein, wobei beispielsweise in Abhängigkeit
bestimmter Zustandsgrößen eine höhere
Genauigkeit gefordert werden kann. Die Vorrichtung ist beispielsweise
mit Signal- und/oder Anzeigemitteln gekoppelt und/oder ausgebildet,
durch welche ein Fehler oder eine Unregelmäßigkeit
anzeigbar sind. Dabei können verschiedene Warnsignale verwendet
werden, so dass beispielsweise bei geringen Abweichungen lediglich
ein optisches Signal ausgegeben wird, wohingegen bei größeren
Abweichungen zusätzlich ein akustisches Dauersignal ausgegeben
wird, so dass einem Nutzer die Notwendigkeit eines sofortigen Eingreifens
signalisiert wird.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung wird der obere Schaltpunkt in
Abhängigkeit mindestens einer Zustandsgröße
des Systems, aus einer Gruppe umfassend: eine Temperatur eines Kühlmittels
an einem Kühlmittel-Einlass, eine Temperatur des Kühlmittels an
einem Kühlmittel-Auslass, eine Temperatur des Brennstoffs
an einem Anoden-Einlass, eine Temperatur des Brennstoffs in einem
Brennstoffspeicher, einen an einem Brennstoffzellenstapel gezogenen Strom
und eine Umgebungstemperatur des Systems, ermittelt. Dabei sind
beispielsweise die folgenden Abhängigkeiten des Füllstands
eines Abscheiders in einem Anodenkreislauf berücksichtigbar:
die Abhängigkeit von einer Temperaturdifferenz zwischen
einer Temperatur eines Kühlmittels an einem Auslass eines
Brennstoffzellenstapels und einer Temperatur des Brennstoffs in
einem Brennstoff-Speicher; die Abhängigkeit von einem am
Brennstoffzellenstapel gezogenen Strom; die Abhängigkeit
von einer Systemtemperaturänderung an einem Kühlmittel-Einlass bei
einem Systemstart; die Abhängigkeit von Temperaturdifferenzen
zwischen einer Umgebungstemperatur und Systemtemperaturen; die Abhängigkeit
von einer Temperaturdifferenz zwischen einer Temperatur am Kühlmittel-Auslass
und an einem Anoden-Einlass.
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Je
nach Systemaufbau kann eine Abhängigkeit des Füllstands
von weiteren Größen und/oder von weiteren Zusammenhängen
von Interesse sein.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung wird der untere Schaltpunkt basierend
auf einer Ermittlung und/oder einer Voraussage einer abgeflossenen Flüssigkeitsmenge
bestimmt. Dabei ist es möglich, anstelle eines physikalischen
Sensors zur Erfassung des unteren Schaltpunkts zu verwenden, diesen
ausschließlich aus anderen Größen zu
ermitteln oder zu beobachten. In einem Ausführungsbeispiel
wird der untere Schaltpunkt beispielsweise in Abhängigkeit von
einem Durchflusskoeffizienten (Kv-Wert) und/oder in Abhängigkeit
von einem Druckverhältnis über einem Abscheiderabfluss,
ermittelt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine Voraussage
des Füllstands an gemessene Werte adaptiert. Insbesondere
wenn ein Füllstand in Abhängigkeit verschiedener
Einflüsse bestimmt wird, können teilweise widersprüchliche Voraussagen
gemacht werden. Dabei ist es möglich, die Relevanz einzelner
Abhängigkeiten unterschiedlich zu gewichten. Die Gewichtung
ist dann wieder in Abhängigkeit von Zustandsgrößen
veränderbar. Wird eine modellbasierte Beobachtung des Füllstands
verwendet, so kann das theoretische Modell an die Realität
adaptiert werden.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das in den Zeichnungen
schematisch dargestellt ist. Für gleiche oder ähnliche
Bauteile werden in den Zeichnungen einheitliche Bezugszeichen verwendet.
Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung
oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich
konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und
Verfahrensschritte, können sowohl für sich als
auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Dabei
zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems
und
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2 eine
schematische Darstellung eines Abscheidermoduls.
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1 zeigt
schematisch ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems 1.
Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 10, welcher
aus mehreren Brennstoffzellen, die elektrisch in Reihe und/oder
parallel geschaltet sind, aufgebaut ist. Anodenseiten einzelner
Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 10 ergeben
die Anodenseite 103 des Brennstoffzellenstapels 10.
Ebenso ergeben die Kathodenseiten der Brennstoffzellen die Kathodenseite 102 des
Brennstoffzellenstapels 10. An der Kathodenseite 102 bzw.
der Anodenseite 103 sind vereinfacht dargestellte Kathoden-
bzw. Anoden- Kreisläufe 2, 3 angeordnet.
Zudem ist ein Kühlkreislauf 4 mit einem Einlass 41 und
einem Auslass 42 vorgesehen. Der vereinfacht dargestellte
Anodenkreislauf 3 umfasst einen Brennstoffspeicher 30,
wobei der Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, über einen
Einlass 31 dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt
wird. Ein Anodenabgas wird über einen Auslass 32 aus
dem Brennstoffzellenstapel 10 abgeführt. In dem
dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Rezirkulations-Baueinheit 33 vorgesehen,
durch welche zumindest ein Teil des Anodenabgases wieder dem Einlass 31 zugeführt
werden kann. In anderen Ausgestaltungen kann ein Anodenkreislauf 3 an
einer anderen Stelle, beispielsweise durch zumindest teilweise Rückführung
des Anondenabgases in den Brennstoffspeicher 30 geschlossen
werden. In dem Anodenkreislauf 3 ist ein Abscheidermodul 34 vorgesehen,
durch welches Wasser oder ein anderes Kondensat, das in dem Anodenkreislauf 3 anfällt,
von Zeit zu Zeit ausgeschieden wird.
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2 zeigt
schematisch ein entsprechendes Abscheidermodul 34. Das
Abscheidermodul 34 ist dabei zwischen dem Anodenkreislauf 3 und
einer Kathodenabgasleitung 2a angeordnet, wobei eine Entleerung
des Abscheidermoduls 34 in die Kathodenabgasleitung 2a erfolgt.
Das Abscheidermodul 34 umfasst einen Abscheiderbehälter 340,
einen Filter 342 und ein Ventil 343. Eine Ansteuerung
oder Regulierung des Abscheidermoduls 34, insbesondere
des Ventils 343, erfolgt mittels einer Steuereinheit 6.
Die Steuereinheit 6 umfasst einen Eingang 60 für
ein Messsignal eines Füllstandsensors 5, sowie
mehrere Eingänge 61, durch welche weitere Zustands-
oder Systemgrößen der Steuereinheit 6 zuführbar
sind. Die Steuereinheit 6 umfasst weiter einen Ausgang 62 zum
Ansteuern des Abscheiderventils 343. In dem dargestellten
Ausführungsbeispiel wird ein abgeschiedenes Wasser in dem
Abscheiderbehälter 340 gesammelt. Das Abscheidermodul 34 wird
dabei derart angesteuert, dass ein Füllstand zwischen einem unteren
Wert F_min und einem oberen Wert F_max eingeregelt wird. Erreicht
der Füllstand den unteren Schaltpunkt F_min, so wird eine
Entleerung des Abscheiderbehälters 340 durch Schließen
des Abscheiderventils 343 beendet. Das Abscheiderventil 343 wird
geöffnet, wenn der Füllstand den oberen Schaltpunkt
F_max erreicht.
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Ein
Füllstand des gesammelten Wassers wird in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel zum einen mittels des Füllstandsensors 5 erfasst.
Der dargestellte Füllstandsensor 5 ist dabei derart
angeordnet, dass der untere Schaltpunkt erfassbar ist. Zum anderen
wird der Füllstand beobachtet.
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Erfindungsgemäß wird
durch die Steuereinheit 6 der obere Schaltpunkt oder maximale
Füllstand F_max, ab welchem eine Entleerung des Abscheiderbehälters 340 beginnen
soll, in Abhängigkeit von verschiedenen Zustandsgrößen,
welche der Steuereinheit 6 an den Steuereingängen 61 zugeführt
werden, ermittelt. Die Zustandsgrößen sind beispielsweise
eine Temperatur T_KM_ein eines Kühlmittels am Einlass 41 gemäß 1,
eine Temperatur T_KM_aus des Kühlmittels am Auslass 42,
eine Temperatur des Brennstoffs, insbesondere des Wasserstoffs,
T_H2_ein am Einlass 31, eine Temperatur T_Tank
des Brennstoffs am Brennstoffspeicher 30, ein aktueller,
am Brennstoffzellenstapel 10 gezogener Strom I_BZ und/oder
eine Umgebungstemperatur T_UM des Systems.
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Anhand
dieser Größen ist beispielsweise eine Erhöhung
des Füllstands in dem Abscheidermodul 34 in Abhängigkeit
einer Temperaturdifferenz T_KM_aus – T_Tank zwischen einer
Temperatur des Kühlmittels am Auslass 42 und eine
Temperatur T_Tank im Brennstoffspeicher 30 möglich,
wobei so eine Vermischung von sehr kaltem oder kälterem Wasserstoff
aus dem Speicher 30 mit sehr feuchtem Anodenabgas im Anodenkreislauf 3 berücksichtigbar ist.
Weiter ist eine Abhängigkeit des Füllstands von einem
an der Brennstoffzelle gezogenen Strom I_BZ möglich. Durch
die ermittelten Größen kann weiter der Füllstand
in Abhängigkeit einer zeitlichen Systemtemperaturänderung
d(T_KM_ein)/dt bei einem Systemstart berücksichtigt werden,
wobei berücksichtigt wird, dass bei kälteren Temperaturen
des Brennstoffzellenstapels 10 in Membranen des Brennstoffzellenstapels 10 Wasser
gespeichert wird, welches durch eine Temperaturerhöhung
abgegeben wird. Alternativ oder zusätzlich ist es weiter
möglich, die Abhängigkeit des Füllstands
von der Temperaturdifferenz zwischen der Umgebungstemperatur T_UM und
verschiedenen Systemtemperaturen zu berücksichtigen. Als
weiterer Einfluss auf den Füllstand ist die Temperaturdifferenz
T_KM_aus – T_H2_ein zwischen der
Temperatur des Kühlmittels am Auslass 41 und der
Temperatur des Brennstoffs am Einlass 31 berücksichtigbar.
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Sobald
die Steuereinheit 6 das Erreichen eines oberen Schaltpunkts
beobachtet hat, kann das Abscheiderventil 343 geöffnet
und der Abscheiderbehälter 340 entsprechend geleert
werden.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird der minimale
Füllstand F_min oder untere Schaltpunkt durch den Füllstandsensor 5 erfasst.
Zusätzlich wird ein Erreichen des unteren Schaltpunkts durch
die Steuereinheit 6 vorausgesagt. Zur Ermittlung einer
Abnahme des Füllstands und damit einem Erreichen des unteren
Schaltpunkts ist eine Ausflussgeschwindigkeit in Abhängigkeit
eines Durchflussfaktors (Kv-Wert), einschließlich Eigenschaften des
Ventils 343 sowie der Leitungen und des Filters 342,
und/oder in Abhängigkeit eines Druckverhältnisses,
z. B. eines Systemdrucks im Anodenkreislauf 3 und/oder
im Abscheiderbehälter 340 gegenüber einem
Umgebungsdruck, berücksichtigbar.
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Der
durch den Sensor 5 erfasste Wert des Füllstands
wird mit dem durch die Steuereinheit 6 vorausgesagten Wert
des Füllstands für einen Plausibilitätscheck
verglichen. Weichen die beiden Werte voneinander ab, so weist dies
auf einen fehlerhaften Betrieb des Abscheidermoduls 34 hin.
Dieser Fehler kann durch geeignete, nicht dargestellte Mittel signalisiert
werden. Dadurch ist es möglich, durch rechtzeitige Wartung
und/oder Auswechslung einzelner Komponenten oder des Abscheidermoduls 34 Folgeschäden
an dem Brennstoffzellensystem zu vermeiden.
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Mögliche
Fehler des Abscheidermoduls 34 können dabei auf
unterschiedlichen Ursachen basieren. Zeigt der dargestellte Sensor 5 zur
Erfassung des unteren Schaltpunkts F_min ein Erreichen dieses Schaltpunkts
früher an, als ein Erreichen des Schaltpunkts beobachtet
wurde, so kann dies zum einen durch einen Fehler des Sensors 5 selbst
verursacht sein, beispielsweise durch ein mechanisches Verklemmen
eines Schwimmkörpers an dem Schaltpunkt. Zum anderen ist
es jedoch auch möglich, dass das Abscheiderventil 343 undicht
ist, beispielsweise aufgrund eines mechanischen Verklemmens an dem Abscheiderventil 343 oder
aufgrund von Schmutzablagerungen. Zudem kann das Abscheidermodul 34 an
einer anderen Stelle undicht geworden sein.
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Zeigt
der dargestellte Sensor 5 zur Erfassung des unteren Schaltpunkts
F_min ein Erreichen dieses Schaltpunkts dagegen später
an, als ein Erreichen des Schaltpunkts beobachtet wurde, so kann dies
ebenfalls durch einen Fehler des Sensors 5 selbst verursacht
sein. Weiter ist es jedoch auch möglich, dass das Abscheiderventil 343 verstopft
ist, beispielsweise aufgrund von Schmutzablagerungen.
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Alternativ
oder zusätzlich kann der Sensor 5 so angeordnet
sein, dass ein oberer Schaltpunkt F_max durch den Sensor erfassbar
ist. Dabei ist ebenfalls sowohl ein zu frühes als auch
ein zu spätes Erreichen des Schaltpunkts beobachtbar.
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In
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Füllstandsensor
in einem Bereich zwischen dem oberen und dem unteren Schaltpunkt
angeordnet. Dabei kann sowohl ein Zeitpunkt, an welchem der zugehörige
Füllstand überschritten, als auch ein Zeitpunkt,
an welchem der zugehörige Füllstand unterschritten
wird, vorausgesagt werden. Durch eine derarti ge Anordnung ist es
beispielsweise möglich, sowohl eine Leckage durch ein zu
frühes Unterscheiden des Füllstands, als auch
ein Verstopfen eines Abflusses durch ein zu frühes Überschreiten
des Füllstands zu detektieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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