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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Füllstandssensor für
Flüssigkeiten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Zur
Erfassung von Füllstandsniveaus sind Füllstandsgeber
bekannt, die im Tank eines Kraftfahrzeugs untergebracht sind und
in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsniveau ein elektrisches
Signal erzeugen. So beschreibt beispielsweise die
DE 297 00 625 U1 einen
Füllstandsgeber, bei dem ein Widerstandsnetzwerk an einem
feststehenden Träger angeordnet ist, wobei an diesem Widerstandsnetzwerk entsprechend
der Position eines dem Niveau der Flüssigkeit folgenden
Schwimmer ein Ausgangssignal abnehmbar ist.
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Eine ähnlicher
Füllstandsgeber ist aus der Schrift
US 7043982 B2 bekannt. Bei
dieser Vorrichtung wird ebenfalls wie in der
DE 297 00 625 U1 ein Kontaktelement
in Abhängigkeit des Flüssigkeitsniveaus auf einem
Potentiometer bewegt, wobei die Position des Kontaktelements die
Flüssigkeitshöhe angibt. Da es beim Betrieb der
Vorrichtung vorkommen kann, dass Flüssigkeitstropfen auf
das Potentiometer gelangen, sind die Kontaktelemente derart ausgestaltet,
dass sie (Flüssigkeits-)Ablagerungen auf der Widerstandsstruktur
des Potentiometers beiseite schieben.
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Weiterhin
sind Füllstandssensoren bekannt, die auf der Basis von
kapazitiven Sensorelementen arbeiten und die Veränderung
der Dielektrizitätskonstanten der Flüssigkeit
registrieren. So wird in der
DE 101 18 061 A1 ein kapazitives Sensor element
aus einer Vielzahl von ineinander greifenden Elektroden beschrieben,
mit deren Hilfe ausgehend von der erfassten Gesamtkapazität
die Eintauchtiefe der Anordnung in einem Medium erkannt werden kann.
Eine besondere Ausgestaltung derartiger Interdigitalstrukturen ist
in der Schrift
DE
102 02 030 A1 beschrieben, bei der die spitz zulaufenden
Elektroden ein schnelles Ablaufen der Flüssigkeit erlauben.
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Durch
die zunehmende Benzinknappheit bzw. -verteuerung wird vielfach die
Beimischung von aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugten Alkoholen
wie Methanol oder Ethanol in Kraftstoffen diskutiert. Mit der Verwendung
einer derartigen Kraftstoffmischung ist jedoch auch eine Überwachung
des Alkoholgehalts notwendig, um den Motor mit einer konstanten
Leistung zu betreiben. Eine derartige Überwachung ist notwendig,
das sich die stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisse
in Abhängigkeit von der Konzentration des Alkohols unterscheiden. Gängige
Software-basierte Systeme schätzen den Ethanolgehalt im
Kraftstoff über die Auswertung vorhandener Signale, z.
B. aus der Lambdasonde oder dem Luftmassenmesser. Diese Abschätzung
ist jedoch für bestimmte Anwendungen und für eine
effiziente Ausnutzung des Kraftstoffes nicht ausreichend. Auch ist
denkbar, dass derartige Softwarelösungen zukünftigen
Gesetzesanforderungen nicht mehr genügen.
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Eine
Abhilfe aus einer rein Software-basierenden Lösung ist
aus der
DE 43 11 478
A1 bekannt, in der ein System zur Beurteilung der Art eines
Kraftstoffes, insbesondere zur Erkennung des Ethanolgehalts eines
Benzingemisches, beschrieben wird. Dabei werden verschiedene Eigenschaften
des Kraftstoffes erfasst und mit vorher abgespeicherten Daten verglichen,
um den Alkoholgehalt eines Kraftstoffes zu ermitteln.
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Aufgabe
der vorliegenden Anmeldung ist es jedoch eine einfache Sensoreinrichtung
in ein bereits im Fahrzeug befindliches Füllstandssystem
zu integrieren.
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Vorteile der Erfindung
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird ein Füllstandssensor bzw.
eine Leiterplatte zur Verwendung in einem derartigen Füllstandssensor
beschrieben, mit dem neben dem Füllstandsniveau einer Flüssigkeit
wenigstens ein physikalischer und/oder chemischer Parameter der
Flüssigkeit erfasst werden kann. Dabei befindet sich im
oberen Teil der Leiterplatte eine Widerstandsstruktur, mit deren
Hilfe ein Signal erzeugt wird, das dem Niveau der Flüssigkeit entspricht.
Der Kern der Erfindung besteht jedoch darin, dass im unteren Teil
der Leiterplatte, d. h. räumlich von der Widerstandsstruktur
getrennt, ein Sensorelement integriert ist, welches den Parameter
der Flüssigkeit erfasst.
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Der
Vorteil einer derartigen Integration eines zusätzlichen
Sensorelements zur Erfassung eines Parameters der Flüssigkeit
in einen bereits im Fahrzeug befindlichen Füllstandssensor
liegt darin, dass kein zusätzlicher Anbau an das Gefäß der
Flüssigkeit angebracht werden muss und somit ein eigenes
Gehäuse entfällt. Ebenso kann über den
bereits vorhandenen Stecker des Füllstandssensor die zusätzliche Information
des Sensorelements abgefragt und weitergeleitet werden.
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Das
Sensorelement kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass
es die Flüssigkeit auf bestimmte Bestandteile wie Lufteinschlüsse
oder Rußpartikel hin untersucht, aber auch auf eine bestimmte
Zusammensetzung hin überwacht. So kann das Sensorelement
ein insbesondere elektrisches Signal erzeugen, wenn sich der Anteil
eines erfassten Stoffes oder die Zusammensetzung der Flüssigkeit über
einen vorgegebenen Schwellenwert hinaus ändert.
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Es
kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Sensorelement eine chemisch
aktive Oberfläche aufweist, an der sich bestimmte Inhaltsstoffen
der Flüssigkeit anlagern können. Durch eine spezielle Messeinrichtung
könnte überwacht werden, ob die Oberfläche
zu einem gewissen Prozentsatz mit diesen Inhaltsstoffen gesättigt
ist, so dass der Belag der Oberfläche als Maß für
den Anteil der Inhaltsstoffe in der Flüssigkeit verwendet
werden kann. Denkbar bei einer derartigen Ausgestaltung ist auch,
dass eine Regenerierung der Oberfläche vorgesehen sein kann,
beispielsweise durch eine externe elektrische Anregung. Es kann
jedoch auch vorgesehen sein, dass erst durch eine externe elektrische
Anregung die Oberfläche chemisch aktiv wird.
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In
einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist das Sensorelement
als Interdigitalstruktur mit ineinander greifenden Elektroden ausgebildet. Mit
Hilfe einer derartigen Interdigitalstruktur können elektrische
Eigenschaften der Flüssigkeit wie beispielsweise die Dielektrizitätskonstante
aber auch die Viskosität oder die Temperatur erfasst werden.
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Während
bei einigen der vorstehend beschriebenen Sensoranordnungen eine
Erfassung der Parameter der Flüssigkeit, insbesondere deren
Zusammensetzung, auch möglich ist, wenn das Sensorelement
oberhalb des Flüssigkeitsspiegels angebracht ist, ist in
anderen Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen, wenigstens
das Sensorelement mit der Flüssigkeit in Kontakt zu bringen.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, die Ansteuerung
und Auswertung des Sensorelements mittels einer Auswerteschaltung
vorzunehmen, die ebenfalls auf der Leiterplatte integriert ist.
Um kurze Signalwege zu ermöglichen, kann die Auswerteschaltung
in Form eines ASICs nahe des Sensorelements in die Leiterplatte
integriert werden. Dabei kann vorgesehen sein, die Auswerteschaltung durch
eine besondere Abdeckung gegenüber der Flüssigkeit
abzudichten.
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Eine
besondere Ausgestaltung der Erfindung betrifft die Erfassung eines
Alkoholgehalts der Flüssigkeit beispielsweise in einem
Kraftstoffs. So können Methanol- oder Ethanol-Benzin-Gemische
hinsichtlich der Einspritzung – und Kraftstoffversorgungssystemen überwacht
werden.
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Um
die Leiterplatte gegenüber der Flüssigkeit resistent
auszubilden, ist vorgesehen, diese als LTCC-Multilayerdickschicht
oder als Standardkeramik auszubilden.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw.
aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Zeichnungen
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Die 1 zeigt
beispielhaft eine Ausgestaltung der Erfindung. In der 2 ist
schematisch die Erfassung des Flüssigkeitsparameters anhand
eines Blockschaltbildes abgebildet, während 3 ein
grobes Ablaufdiagramm der Erkennung eines Alkoholgehalts in einem
Kraftstoff darstellt.
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Ausführungsbeispiel
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In
der 1 ist schematisch eine Füllstandsanzeigevorrichtung 100 dargestellt,
die ein Potentiometer in Form einer semi-sphärischen Widerstandsstruktur 110 mit
einem Kontaktelement 120 aufweist. Dieses Kontaktelement 120 bewegt
sich auf der Widerstandsstruktur 110 in Abhängigkeit
von einem auf der Flüssigkeitsoberfläche 150 befindlichen
Schwimmer 160, indem das Kontaktelement 120 durch
eine Verbindung 170 aus seiner Ruhelage ausgelenkt wird,
sobald sich das Flüssigkeitsniveau 150 und mit ihm
der Schwimmer 160 absenkt. Entsprechend der Position des
Potentiometers lässt sich dabei ein Füllstandssignal
abnehmen, welches den Füllstand der Flüssigkeit
repräsentiert. In einer alternativen Ausführung
kann die Widerstandsstruktur 110 auch durch eine elektrisch
gut leitfähige Elektrode ersetzt werden, die mit einer
mit dem Schwimmer 160 mechanisch gekoppelten, drehbar gelagerten
Gegenelektrode zusammenwirkt. Die Gegenelektrode kann beispielsweise
ein Metallplättchen sein. Die beiden Elektroden überlappen
sich gegenseitig in Abhängigkeit vom Füllstand,
wodurch sich eine variable Kapazität ergibt, die ein Maß für
die Position des Schwimmers bzw. für den Füllstand
ist. In einer weiteren alternativen Ausführung ist die
Gegenelektrode ebenso wie die Elektrode ortsfest vorgesehen, wobei
eine mit dem Schwimmer 160 mechanisch gekoppelte Schwimmermimik
mit einem geeigneten Dielektrikum vorgesehen ist, die füllstandsabhängig
zwischen die Elektrode und die Gegenelektrode eintaucht und die Kapazität
verändert.
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Der
erfindungsgemäße Füllstandssensor kann
an einem in einem Kraftstofftank angeordneten Kraftstofffördermodul
vorgesehen sein. Beispielsweise wird das Ausgangssignal des erfindungsgemäßen Füllstandssensors
in einer am Kraftstofffördermodul oder am Füllstandssensor
vorgesehenen Elektronik ausgewertet und digital an ein Steuergerät
außerhalb des Kraftstofftanks weitergeleitet.
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Wie
aus der 1 zu erkennen ist, ist vorgesehen,
zusätzlich zu der Einrichtung des Füllstandsgebers
ein Sensorelement 140 in die Füllstandsanzeigevorrichtung 100 zu
integrieren. Vorteilhafterweise wird dabei die Leiterplatte 100,
auf der bereits die Widerstandsstruktur 110 integriert
ist, gegenüber üblichen Vorrichtungen dieser Art
derart verlängert, so dass sie bis unterhalb des Flüssigkeitsniveaus 150 reicht.
Um die Leiterplatte gegenüber dem Kraftstoff zu schützen,
wird die Leiterplatte aus entsprechend resistenten Materialen hergestellt.
Als gängige Materialien haben sich hierbei z. B. eine LTCC-Multilayerschicht
oder eine Standardkeramik bewährt.
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In
der bevorzugten Ausführungsform ist das Sensorelement als
Interdigitalstruktur 140 ausgebildet, mit dem die Dielektrizität
bzw. die Permittivität der Flüssigkeit z. B. eines
Kraftstoffes erfasst werden. Da die Dielektrizitätskonstante εr von Benzin mit ca. 2,0, von Methanol mit
ca. 33 und von Ethanol mit ca. 25,3 weit genug auseinander liegen,
kann durch eine Messung der Dielektrizitätskonstanten auf
die Zusammensetzung des Kraftstoffes geschlossen werden. Zur genaueren
Bestimmung hoher Ethanolgehalte ist zusätzlich eine Temperaturkorrektur
notwendig. Die hierfür erforderlichen Temperaturinformationen
können zusätzlich durch einen separaten Sensoren
erfasst werden. Denkbar ist hierzu beispielsweise einen Temperatursensor
im Rahmen der Auswerteschaltung 130 hinzuzufügen,
die gemäß 1 im bevorzugten
Ausführungsbeispiel nahe am Sensorelement 140 platziert
wird. Der Ethanolgehalt ergibt sich dann aus der gemessenen Diekeltrizitätskonstanten
und der Temperatur. Die Funktion kann beispielsweise als Kennlinie
hinterlegt werden.
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Da
die Auswerteschaltung 130 ebenso wie das Sensorelement
bzw. die Interdigitalstruktur 140 vollkommen mit der Flüssigkeit
bzw. dem Kraftstoff bedeckt ist, ist vorgesehen, eine Abdeckung
aufzubringen, die die Auswerteschaltung 130 vor eindringender
Flüssigkeit hermetisch abdichtet. Somit können
Beschädigungen der Schaltung verhindert werden. Beispielsweise
ist die Abdeckung als Edelstahldeckel ausgeführt.
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In 2 ist
schematisch die Ansteuerung des Sensorelements 140 bzw. 220 sowie
die Auswertung des Sensorsignals 225 dargestellt, wie sie
beispielsweise von der Auswerteschaltung 130 übernommen
werden kann. Hierzu ist eine zentrale Einheit 200 vorgesehen,
die eine Schaltung 210, z. B. einen Mikroprozessor, enthält.
In dieser Schaltung 210 werden die Sensorsignale 225 mit
einem Schwellenwert SW oder Ver gleichswerten verglichen, der in
einem Speicher 230 abgelegt ist. Zur Anpassung der Sensorauswertung
an geänderte Anforderungen kann vorgesehen sein, dass der
oder die Schwellenwerte bzw. die Vergleichswerte durch einen externen Anschluss 260 aktualisiert
werden. Die von der Schaltung 210 erkannte Kraftstoffmischung
wird anschließend an die Motorsteuerung 240 und/oder
an ein anderes geeignetes System 250 weitergeleitet. Denkbar
ist auch, dass der Fahrer über ein geeignetes Anzeigeinstrument über
die Kraftstoffmischung informiert wird.
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Wie
bereits ausgeführt, ist zur genaueren Bestimmung des Alkoholgehalts
eine Temperaturkorrektur der erfassten Werte notwendig. Zu diesem Zweck
kann dem Sensorelement 140 direkt ein Temperatursensor
zugeordnet sein, dessen Daten ebenfalls von der Schaltung 210 eingelesen
und bei der Ermittlung der Zusammensetzung des Kraftstoffes berücksichtigt
werden. Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass in die
Schaltung 210 selber ein Temperatursensor integriert ist.
Eine derartige Integration macht dabei insbesondere dann Sinn, wenn die
Auswerteschaltung 130 bzw. die Einheit 200 in thermischen
Kontakt mit dem Kraftstoff steht.
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Die
Ermittlung einer kritischen Kraftstoffmischung kann nach einem Verfahren
erfolgen, wie es anhand des Flussdiagramms in 3 dargestellt
ist und beispielsweise in einem Mikroprozessor 210 ablaufen
kann. Demnach werden nach dem Start des Algorithmus in Schritt 300 zuerst
ein oder mehrere Schwellenwerte SW bzw. Vergleichswerte aus einem Speicher
eingelesen. Anschließend wird in Schritt 320 ein
Messwert des Sensorelements 140 erfasst. In einem Vergleich
im Schritt 340 wird dann entschieden, ob die ermittelte
Kraftstoffmischung eine kritische Schwelle über- oder unterschreitet.
Dabei kann beispielsweise überwacht werden, ob der Ethanolgehalt
einen zu großen oder zu kleinen Anteil am Gesamtvolumen
des Kraftstoffes aufweist. Wird eine kritische Kraftstoffmischung
erkannt, kann im Schritt 360 das Motorsystem entsprechend
angesteuert werden, um der kritischen Situation entgegenzuwirken.
Optional kann auch der Fahrer informiert werden. Liegt jedoch keine
kritische Kraftstoffmischung gemäß dem Vergleich
in Schritt 340 vor, wird der Algorithmus beendet, um zu
einem späteren Zeitpunkt erneut gestartet zu werden.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist lediglich der untere
Teil des Füllstandsgeber bzw. der Leiterplatte 100,
der das Sensorelement 140 aufweist, mit der Flüssigkeit bedeckt.
Es ist jedoch auch möglich, dass zumindest zeitweise, z.
B. bei vollem Tank, auch der obere Teil der Leiterplatte 100 in
die Flüssigkeit eingetaucht ist. In diesem Fall ist dafür Sorge
zu tragen, dass der Kontakt des Potentiometers d. h. der Kontakt
zwischen dem Kontaktelement 120 und der Widerstandsstruktur 110 gemäß der 1 durch
die Flüssigkeit nicht beeinträchtigt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 29700625
U1 [0002, 0003]
- - US 7043982 B2 [0003]
- - DE 10118061 A1 [0004]
- - DE 10202030 A1 [0004]
- - DE 4311478 A1 [0006]