DE102008042254A1

DE102008042254A1 - Kapazitiver Füllstandssensor

Info

Publication number: DE102008042254A1
Application number: DE200810042254
Authority: DE
Inventors: Mario Roessler; Markus Niemann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-09-22
Filing date: 2008-09-22
Publication date: 2010-04-01

Abstract

Es sind schon Füllstandssensoren zur Bestimmung des Füllstands einer in einem Behälter enthaltenen Harnstofflösung bekannt, die mehrere in die Harnstofflösung eintauchende Messelektroden aufweisen. Die Messelektroden sind abschnittsweise von einer elektrisch nichtleitenden Schicht überzogen. In der elektrisch nichtleitenden Schicht sind jedoch Aussparungen in Form von Fenstern vorgesehen, in welchen die Elektroden nicht isoliert sind und somit abhängig vom Füllstand Kontakt mit der Flüssigkeit haben. Die Messelektroden bestehen aus beispielsweise Edelstahl oder Nickel, da die Harnstofflösung chemisch sehr aggressiv ist. Die Messung des Füllstands ist diskontinuierlich und erfolgt durch Messen der Leitfähigkeit der Harnstofflösung im Bereich der Fenster. Es hat sich herausgestellt, dass selbst die Edelstahl- oder Nickel-Elektroden im Bereich der Fenster durch die Harnstofflösung chemisch korrodiert werden. Bei dem erfindungsgemäßen Füllstandssensor wird eine kontinuierliche, kapazitive Füllstandsmessung erreicht und zumindest eine der Elektroden wirksam vor Korrosion geschützt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die elektrisch nichtleitende Schicht (5) eine Eloxalschicht oder Harteloxalschicht ist, die die zumindest eine Messelektrode (3, 4) in ihrem der Flüssigkeit ausgesetzten Bereich vollständig bedeckt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Füllstandssensor nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Es ist schon ein Füllstandssensor zur Bestimmung eines Füllstands einer in einem Behälter enthaltenen Harnstofflösung aus der DE 101 62 269 A1 bekannt, der mehrere in die Harnstofflösung eintauchende Messelektroden aufweist. Die Messelektroden sind abschnittsweise von einer elektrisch nichtleitenden Schicht aus Kunststoff überzogen. In der Kunststoffschicht sind Aussparungen in Form von Fenstern vorgesehen, in welchen die Elektroden nicht isoliert sind und somit abhängig vom Füllstand Kontakt mit der Flüssigkeit haben. Die Messelektroden bestehen aus beispielsweise Edelstahl oder Nickel, da die Harnstofflösung chemisch sehr aggressiv ist. Die Messung des Füllstands ist diskontinuierlich und erfolgt durch Messen der Leitfähigkeit der Harnstofflösung im Bereich der Fenster. Es hat sich herausgestellt, dass selbst die Edelstahl- oder Nickel-Elektroden im Bereich der Fenster durch die Harnstofflösung chemisch korrodiert werden. Außerdem lässt sich fertigungstechnisch keine hinreichend dünne Kunststoffschicht herstellen. Weiterhin kann die Harnstofflösung in die Kunststoffschicht eindringen und deren elektrische Permittivität verändern, so dass die Füllstandsmessung verfälscht wird.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Füllstandssensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass eine kontinuierliche, kapazitive Füllstandsmessung erfolgt und zumindest eine der Elektroden wirksam vor Korrosion geschützt wird, indem die elektrisch nichtleitende Schicht eine Eloxalschicht oder Harteloxalschicht ist, die die zumindest eine Messelektrode in ihrem der Flüssigkeit ausgesetzten Bereich vollständig bedeckt. Da die Eloxal- bzw. Harteloxalschicht sehr dünn ist, kann eine aus einer Füllstandsänderung resultierende Kapazitätsänderung noch in ausreichender Genauigkeit gemessen werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Füllstandssensors möglich.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die Schichtdicke der Eloxalschicht bzw. der Harteloxalschicht in Längsrichtung der Elektrode konstant ist, da die Änderung der Kapazität zwischen den Elektroden auf diese Weise unabhängig von der Schichtdicke ist.
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn die Eloxalschicht eine Schichtdicke von zwanzig bis fünfundzwanzig Mikrometer und die Harteloxalschicht eine Schichtdicke von weniger als einem Millimeter aufweist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung weist die Eloxalschicht eine Schichtdicke von zwanzig bis fünfundzwanzig Mikrometer bzw. die Harteloxalschicht eine Schichtdicke von weniger als einem Millimeter auf.
Sehr vorteilhaft ist es, wenn alle Messelektroden in ihrem der Flüssigkeit ausgesetzten Bereich eine Eloxalschicht oder Harteloxalschicht haben, da die Gesamtkapazität des Elektrodensystems in diesem Fall im wesentlichen vom Medium zwischen den Elektroden abhängt.
Alternativ kann eine der Messelektroden in ihrem der Flüssigkeit ausgesetzten Bereich keine Eloxalschicht bzw. Harteloxalschicht aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass der Sensor ein verbessertes Verhalten gegen Masseanbindung des leitfähigen Mediums aufweist.
Auch vorteilhaft ist, wenn die zumindest eine Messelektrode mit der Eloxalschicht bzw. Harteloxalschicht an ihrem anschlussseitigen Ende nicht eloxiert oder nicht harteloxiert ist, da in diesem elektrisch unisolierten Bereich die elektrische Kontaktierung der Elektrode erfolgen kann.
Darüber hinaus vorteilhaft ist, wenn die Messelektroden an ihrem einen Endabschnitt an einem Sensorgehäuse fixiert sind.
Außerdem vorteilhaft ist, wenn zwischen den Messelektroden zumindest ein Abstandshalter zur Einstellung und Einhaltung eines vorbestimmten Abstands zwischen den Elektroden vorgesehen ist, da auf diese Weise die Linearität der Kennlinie gewährleistet wird.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die Zeichnung zeigt vereinfacht einen erfindungsgemäßen kapazitiven Füllstandssensor in einem Behälter.
Der kapazitive Füllstandssensor 1 dient der Bestimmung eines Füllstands h einer in einem Behälter 2 enthaltenen Flüssigkeit, insbesondere eines Reduktionsmittels zur Entstickung von Abgasen einer Brennkraftmaschine. Das Reduktionsmittel ist beispielsweise eine wässrige Harnstofflösung, die auch als „Adblue” bezeichnet wird.
Der kapazitive Füllstandssensor 1 weist zumindest zwei Messelektroden 3, 4 auf, die bei gefülltem Behälter 2 in die Flüssigkeit des Behälters 2 hineinragen, von denen zumindest eine Messelektrode 3, 4 gegenüber der Flüssigkeit und der anderen Messelektrode 3, 4 elektrisch isoliert ist und zwischen denen bei einer Füllstandsmessung eine elektrische Spannung angelegt ist. Dadurch bildet sich zwischen den beiden Messelektroden 3, 4 ein elektrisches Feld aus, wobei zwischen den Messelektroden 3, 4 abhängig vom Füllstand h abschnittsweise Flüssigkeit und abschnittsweise ein Gasgemisch bzw. Luft vorliegt. Die Kapazität der Anordnung ergibt sich daher aus der Summe eines ersten Kapazitätsanteils, der als Dielektrikum Flüssigkeit aufweist, und einem zweiten Kapazitätsanteil, dessen Dielektrikum die Luft ist. Bei einer Änderung des Füllstands ist eine Änderung der Kapazität messbar. Die Messelektroden 3, 4 sind beispielsweise stabförmig oder stiftförmig und derart angeordnet bzw. ausgeführt, dass sie den Füllstand im Behälter 2 in einem vorbestimmten Bereich, beispielsweise zwischen einem Minimum-Füllstand und einem Maximum-Füllstand, kontinuierlich messen können. Die Messelektroden 3, 4 sind im wesentlichen parallel zueinander angeordnet und haben einen vorbestimmten Abstand zueinander. Die Messelektroden 3, 4 können auch in einer koaxialen Anordnung zueinander vorgesehen sein, bei der eine der Messelektroden 3, 4 als Rohr ausgeführt ist, das die andere Messelektrode 3, 4 konzentrisch umschließt.
Zusätzlich zu den beiden in der Zeichnung dargestellten Messelektroden 3, 4 können zwei weitere Messelektroden 3, 4 zur Messung der Temperatur und eine Referenzelektrode vorgesehen sein, die die Permittivität des Mediums misst.
Der kapazitive Füllstandssensor 1 ist in dem Behälter 2 vorgesehen oder ragt mit seinen Messelektroden 3, 4 in den Behälter 2 hinein und ist an dem Behälter 2 befestigt.
Zumindest eine Messelektrode 3, 4 hat zu ihrer Isolierung gegenüber der Flüssigkeit und der anderen Messelektrode 3, 4 eine elektrisch nichtleitende Schicht 5.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die elektrisch nichtleitende Schicht 5 eine Eloxalschicht oder Harteloxalschicht ist, die die zumindest eine Messelektrode 3, 4 in ihrem der Flüssigkeit ausgesetzten Bereich vollständig bedeckt bzw. überdeckt. Da die Eloxal- bzw. Harteloxalschicht im Vergleich zu einer aus dem Stand der Technik bekannten teilweisen Kunststoffummantelung der Messelktroden 3, 4 sehr dünn ist, kann eine aus einer Füllstandsänderung resultierende Kapazitätsänderung in hoher Genauigkeit gemessen werden. Die Eloxalschicht oder Harteloxalschicht wird auf bekannte Art und Weise mittels eines bekannten Eloxier- bzw. Harteloxierverfahrens hergestellt und hat eine Schichtdicke von zwanzig bis fünfundzwanzig Mikrometer bei einer Eloxalschicht und eine Schichtdicke von vierzig bis größer einhundert Mikrometer bei einer Harteloxalschicht. Die Schichtdicke der Eloxalschicht bzw. der Harteloxalschicht ist in Längsrichtung der Elektrode konstant, so dass die Änderung der Kapazität auf diese Weise unabhängig von der Schichtdicke ist. Die zumindest eine Messelektrode 3, 4 mit der Eloxalschicht bzw. Harteloxalschicht 5 besteht aus Aluminium und die Eloxalschicht bzw. die Harteloxalschicht 5 selbst aus Aluminiumoxid Al₂O₃. Anstatt aus Aluminium kann die Messelektrode 3, 4 mit der Eloxalschicht bzw. Harteloxalschicht 5 auch aus einem anderen Metall bestehen, das sich durch anodische Oxidation passivieren lässt.
Die Eloxalschicht bzw. Harteloxalschicht 5 ist elektrisch isolierend und gegenüber der chemisch aggressiven Flüssigkeit widerstandsfähig. Durch sie wird eine hohe Kapazität der Messelektroden-Anordnung eingestellt.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel haben beide Messelektroden 3, 4 in ihrem der Flüssigkeit ausgesetzten Bereich eine Eloxalschicht oder Harteloxalschicht 5. Alternativ kann aber auch vorgesehen sein, dass nur eine Messelektrode 3, 4 eine Eloxalschicht oder Harteloxalschicht 5 und die andere keine elektrisch nichtleitende Schicht 5 aufweist. Die Messelektrode 3, 4 ohne die Eloxalschicht oder Harteloxalschicht 5 ist beispielsweise aus Edelstahl hergestellt.
Zum Schutz der Eloxalschicht oder Harteloxalschicht 5 kann die zugehörige Messelektrode 3, 4 auf ein geeignetes positives Potential gegenüber einer mit der Flüssigkeit in Kontakt stehenden elektrischen Masse gelegt werden. Dadurch können sich unter Umständen auftretende Risse in der Schicht 5 von selbst wieder schließen.
Die zumindest eine Messelektrode 3, 4 mit der Eloxalschicht bzw. Harteloxalschicht 5 ist an ihrem anschlussseitigen, nicht der Flüssigkeit ausgesetzten Endabschnitt nicht eloxiert bzw. nicht harteloxiert, so dass dort die elektrische Kontaktierung der Messelektrode 3, 4 erfolgen kann. Die Messelektroden 3, 4 sind an ihrem anschlussseitigen Ende über ein Kontaktmittel 8 mit einer Elektronik 9 einer Leiterplatine verbunden. Das Kontaktmittel 8 ist beispielsweise mit der Messelektrode 3, 4 verschweisst, vercrimpt oder verlötet und beispielsweise als eine aus Kupfer hergestellte Schiene ausgeführt. Die Elektronik 9 und die Kontakte zu den Messelektroden 3, 4 sind in einem Sensorgehäuse 10 untergebracht. Die Messelektroden 3, 4 sind an dem Sensorgehäuse 10 befestigt. Zwischen den Messelektroden 3, 4 ist zumindest ein Abstandshalter 11 zur Einstellung eines vorbestimmten Abstands zwischen den Messelektroden 3, 4 und zur Stabilisierung der Elektrodenanordnung vorgesehen.
Zusätzlich zur Elektrodenanordnung 3, 4 kann ein Temperatursensor vorgesehen sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10162269 A1 [0002]

Claims

Kapazitiver Füllstandssensor zur Bestimmung eines Füllstands einer in einem Behälter enthaltenen Flüssigkeit, insbesondere eines Reduktionsmittels zur Entstickung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, mit zumindest zwei Messelektroden, von denen zumindest eine Messelektrode eine elektrisch nichtleitende Schicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch nichtleitende Schicht (5) eine Eloxalschicht oder Harteloxalschicht ist, die die zumindest eine Messelektrode (3, 4) in ihrem der Flüssigkeit ausgesetzten Bereich vollständig bedeckt.
Kapazitiver Füllstandssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Eloxalschicht bzw. der Harteloxalschicht (5) in Längsrichtung der Messelektrode (3, 4) konstant ist.
Kapazitiver Füllstandssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eloxalschicht (5) eine Schichtdicke von 20 bis 25 Mikrometer bzw. die Harteloxalschicht (5) eine Schichtdicke von 40 bis 120 Mikrometer aufweist.
Kapazitiver Füllstandssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Messelektrode (3, 4) mit der Eloxalschicht bzw. Harteloxalschicht aus Aluminium hergestellt ist und die Eloxalschicht bzw. die Harteloxalschicht aus Aluminiumoxid Al₂O₃ besteht.
Kapazitiver Füllstandssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Messelektroden (3, 4) in ihrem der Flüssigkeit ausgesetzten Bereich eine Eloxalschicht oder Harteloxalschicht (5) haben.
Kapazitiver Füllstandssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Messelektroden (3, 4) in ihrem der Flüssigkeit ausgesetzten Bereich keine Eloxalschicht bzw. Harteloxalschicht (5) aufweist.
Kapazitiver Füllstandssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Messelektrode (3, 4) mit der Eloxalschicht bzw. Harteloxalschicht (5) an ihrem anschlussseitigen Ende nicht eloxiert bzw. nicht harteloxiert ist.
Kapazitiver Füllstandssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem nicht eloxierten bzw. nicht harteloxierten Bereich der Messelektrode (3, 4) ein Kontaktmittel (8) zur Kontaktierung der Messelektrode (3, 4) fixiert ist.
Kapazitiver Füllstandssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektroden (3, 4) an einem Sensorgehäuse (10) fixiert sind.
Kapazitiver Füllstandssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Messelektroden (3, 4) zumindest ein Abstandshalter (11) zur Einstellung eines vorbestimmten Abstands zwischen den Messelektroden (3, 4) vorgesehen ist.