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Tankstandsensoren
werden beispielsweise in den Kraftstofftanks von Kraftfahrzeugen
eingesetzt. Um über die gesamte Lebensdauer des Kraftfahrzeugs
eine zuverlässige und auch bei Verwendung von minderwertigen
oder verunreinigten Kraftstoffen funktionsfähige Tankanzeige
zu haben, werden zunehmend häufiger kontaktlose Tankstandsensoren
eingesetzt. Ein solcher kontaktloser Tankstandsensor, wie er aus
der
DE 103 29 811
B4 bekannt ist, umfasst im Wesentlichen einen drehbar gelagerten
Rotor, ein Magnetelement, eine Flussleitblechanordnung und ein Sensorelement
zur Bestimmung der magnetischen Flussdichte.
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Das
Magnetelement wird dabei drehfest mit dem Rotor verbunden. Der Rotor
wiederum ist über einen Hebelarm mit einem Schwimmer verbunden, der
in dem im Fahrzeugtank befindlichen Kraftstoff schwimmt. Je nach
Kraftstoffstand schwimmt der Schwimmer mehr oder weniger hoch im
Tank. Über den Hebel wird die Position des Schwimmers auf
den Rotor übertragen. Dies bedeutet, dass die Dreh-Position
des Rotors ein Maß für die Menge des im Tank befindlichen
Kraftstoffs ist.
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Radial
beabstandet zu dem Rotor ist bei dem bekannten Tankstandsensor eine
ortsfest angeordnete Flussleitblechanordnung vorhanden. Diese Flussleitblechanordnung
besteht in aller Regel aus zwei Flussleitblechen, die einen Spalt
begrenzen. In diesem Spalt ist ein Sensorelement zur Bestimmung der
magnetischen Flussdichte angeordnet.
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Je
nachdem, wie der Rotor und der auf ihm befestigte Magnet relativ
zur Flussleitblechanordnung positioniert ist, ändert sich
das magnetische Feld in dem zwischen den Flussleitblechen befindlichen
Spalt. Dieses magnetische Feld wird von dem Sensorelement, in aller
Regel ein Hall-Sensor, erfasst und in ein entsprechendes Ausgangssignal
umgewandelt. Wegen der mechanischen Kopplung von Schwimmer, Hebel,
Rotor und Permanentmagnet und der positionsabhängigen Einkopplung
des Magnetfelds des Magnetelements in die Flussleitblechanordnung
die magnetische Feldstärke in dem Spalt der Flussleitblechanordnung
ein eindeutiges Maß für die Position des Schwimmers
im Tank und damit der im Tank befindlichen Kraftstoffmenge ist.
Diese aus dem Stand der Technik bekannten Tankstandsensoren sind
sehr zuverlässig und vergleichsweise kostengünstig
herzustellen.
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Nachteilig
an diesen Sensoren ist, was auf den ersten Blick überraschend
erscheint, dass die Kennlinie dieser Sensoren über den
Arbeitsbereich nahezu linear ist. Eine solche lineare Kennlinie
ist bei dem erfindungsgemäß vorausgesetzten Einsatzzweck
im Tank eines Kraftfahrzeugs nicht immer optimal.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen kontaktlosen Tankstandssensor
bereitzustellen, dessen Kennlinie nicht-linear ist. Insbesondere
soll der Tankstandssensor im Bereich niedriger Füllhöhen
empfindlicher sein als bei nahezu vollständig gefülltem
Kraftstofftank.
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Diese
variable Empfindlichkeit in Abhängigkeit der im Tank befindlichen
Kraftstoffmenge ist wünschenswert, weil der Tankstandanzeige
vor allem dann große Bedeutung zukommt, wenn der Tank nur noch
wenig Kraftstoff enthält. In diesem kritischen Bereich
ist es mit dem erfindungsgemäßen Tankstandsensor
möglich, eine sehr genaue Tankanzeige zu realisieren, so
dass die Gefahr aufgrund einer ungenauen Tankanzeige ohne Kraftstoff
liegen zu bleiben, deutlich reduziert wird. Dies ist insbesondere
in Ländern mit geringer Tankstellendichte, wie beispielsweise
Südamerika, Afrika oder Russland von großer Bedeutung.
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Erfindungsgemäß wird
die Nichtlinearität der Kennlinie dadurch erreicht, dass
die Wirkung des Magnetfelds des Magnetelements auf die Flussleitblechanordnung über
eine Längsachse des Magnetelements variiert.
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Je
nachdem, wie und in welchem Umfang die Wirkung des Magnetfelds in
Richtung der Längsachse variiert, kann die Nichtlinearität
der Kennlinie des erfindungsgemäßen Tankstandssensors
eingestellt werden.
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Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung des Tankstandsensors
verursacht keine oder nur sehr geringe zusätzliche Herstellungskosten,
was einen weiteren Vorteil des erfindungsgemäßen
Sensors darstellt.
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Eine
erste vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Tankstandssensors ist dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetelement
einen ersten Magneten und einen zweiten Magneten umfasst und dass
der erste Magnet und der zweite Magnet in Richtung der Längsachse
des Magnetelements hintereinander angeordnet sind.
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Durch
die Trennung des Magnetelements in einen ersten und einen zweiten
Magneten ist es auf einfachste Weise möglich, die Wirkung
des Magnetfelds in Richtung der Längsachse des Magnetelements
zu variieren. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass zwei
baugleiche Magneten unterschiedlich stark magnetisiert werden, so
dass das von dem ersten Magneten erzeugte Magnetfeld schwächer
ist als das von dem zweiten Magneten erzeugte Magnetfeld. Alternativ
ist es natürlich auch möglich, die Abmessungen
des ersten Magnets und des zweiten Magnets unterschiedlich zu wählen.
Dadurch ergibt sich als zusätzlicher Vorteil, dass ein Verwechseln
von erstem Magnet und zweitem Magnet bei der Montage ausgeschlossen
werden kann.
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Eine
weitere Möglichkeit zur Realisierung der Änderung
der Wirkung des Magnetfelds in Richtung der Längsachse
des Magnetelements ist dadurch zu erreichen, dass ein erster Radialspalt
zwischen erstem Magneten und der Flussleitblechanordnung größer
ist als ein zweiter Radialspalt zwischen zweitem Magneten und der
Flussleitblechanordnung.
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Durch
die unterschiedlichen Abstände von erstem Magneten und
zweitem Magneten einerseits zu der Flussleitblechanordnung kann
auch die Wirkung des Magnetfelds des Magnetelements in seiner Längsrichtung
auf die Flussleitblechanordnung variiert werden.
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Des
Weiteren ist es möglich, dass der Radialspalt zwischen
Magnetelement und der Flussleitblechanordnung in Richtung der Längsachse
des Magnetelements variiert.
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Schließlich
ist es auch möglich, eine Dicke des Magnetelements in Richtung
der Längsachse des Magnetelements zu variieren. Allen diesen
Varianten ist gemeinsam, dass das vom Magnetelement erzeugte Magnetfeld
in Längsrichtung des Magnetelements und damit auch in Drehrichtung
beziehungsweise des Rotors variiert. In Folge dessen ergibt sich bei
allen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Tankstandsensors eine nicht-lineare Kennlinie.
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Die
erfindungsgemäßen Maßnahmen können
naturgemäß auch miteinander kombiniert werden,
um die Kennlinie optimal auf die Anforderungen des Anwendungsfalls
abzustimmen.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen nicht-linearen
Kennlinie besteht darin, dass eine durch den verfügbaren
Bauraum vorgegebene ungünstige Geometrie des Tanks durch
die nichtlineare Kennlinie kompensiert werden kann. So ist es beispielsweise
ungünstig für die Genauigkeit einer Tankanzeige,
wenn der Querschnitt des Tanks im Bereich des Bodens, das heißt
wenn der Tank dort wo der sich der Schwimmer befindet, wenn der
Tank nahezu leer ist, sehr groß ist. Dann nämlich
wird die Genauigkeit der Anzeige vergleichsweise gering. Durch die erfindungsgemäße
nichtlineare Kennlinie kann durch die erhöhte Empfindlichkeit
des Tankstandssensors in diesem kritischen Bereich kann eine ungünstige Geometrie
des Tanks kompensiert und teilweise sogar überkompensiert
werden.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor,
dass die Flussleitblechanordnung ein erstes Flussleitblech und ein zweites
Flussleitblech umfasst, dass zwischen erstem Flussleitblech und
zweitem Flussleitblech ein Spalt ausgebildet ist, und dass das Sensorelement
in dem Spalt angeordnet ist.
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Als
besonders vorteilhafte, weil kostengünstig, genau und zuverlässig
hat sich ein Hall-Sensor erwiesen, der in den in der Flussleitblechanordnung vorhandenen
Spalt eingesetzt beziehungsweise angeordnet wird. Alternativ können
auch AMR-Sensoren (AMR = Anisotroper magnetoresistiver Effekt), GMR-Sensoren
(AMR = Giant magnetoresistiver Effekt) oder TMR-Sensoren (TMR =
Tunnel magnetoresistiver Effekt) eingesetzt.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen
entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen
offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in
beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten
kontaktlosen Tankstandsensors,
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2 Ausführungsbeispiel erfindungsgemäßer
Ausgestaltungen von Tankstandssensoren,
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3 die
Kennlinien verschiedener Ausführungsformen erfindungsgemäßer
Tankstandssensoren und
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4 weiteren
Kennlinien von Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer
Tankstandssensoren. Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
eine stark vereinfachte isometrische Darstellung eines kontaktlosen
Tankstandssensors, wie er beispielsweise aus der
DE 103 29 811 84 bekannt ist.
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Die
Peripherie des Tankstandsensors, wie beispielsweise eine Lagerung
des Rotors, ein Gehäuse, ein Hebel, welcher einen Schwimmer
und den Rotor mechanisch miteinander verbindet, sind aus Gründen
der Übersichtlichkeit dargestellt. Detailliertere Angaben
dazu finden sich in der bereits genannten Patentschrift, aber auch
in einer Vielzahl anderer Druckschriften und sind somit dem allgemeinen Fachwissen
eines einschlägigen Fachmanns zuzurechnen.
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Die
wesentlichen Baugruppen eines erfindungsgemäßen
kontaktlosen Tankstandssensors sind eine Flussleitblechanordnung 1,
ein Magnetelement 3, ein Rotor 5 und ein Hallelement 7.
Der Rotor 3 ist nur teilweise dargestellt. Er ist um eine
Drehachse 9 drehbar gelagert. Die Lagerung erfolgt üblicherweise
in einem nicht dargestellten Gehäuse des Tankstandssensors.
An dem Rotor 3 ist weiter ein nicht dargestellter Hebel
mit einem Schwimmer befestigt, wobei der Schwimmer auf dem in dem
Kraftstofftank befindlichen Kraftstoff schwimmt. Durch die Kopplung
von Schwimmer und Rotor 3 ist die relative Lage des Rotors 3 relativ
zu der Flussleitblechanordnung 1 ein Maß für
die in dem Tank befindliche Kraftstoffmenge. Wenn der Tank gefüllt
ist, ist der Flüssigkeitsspiegel höher und infolgedessen
wird der Rotor 3 relativ zu der Flussleitblechanordnung 1 verdreht. Entsprechendes
gilt mit umgekehrtem Vorzeichen für das Absinken des Kraftstoffspiegels
im Tank.
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Die
Drehrichtungen des Rotors 3 und gleichzeitig auch die Längsrichtung
des Magnetelements 5 ist durch Pfeile 11 in 1 angedeutet.
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Die
Flussleitblechanordnung 1 umfasst ein erstes Flussleitblech 1.1 und
ein zweites Flussleitblech 1.2. Die Flussleitbleche 1.1 und 1.2 bestehen aus
Weicheisen und haben im dargestellten Ausführungsbeispiel
die Form eines Kreisbogenabschnitts.
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Zwischen
den zwei Stirnseiten der Flussleitbleche 1.1 und 1.2 ist
ein Tangentialspalt, nachfolgend auch als Spalt 13 bezeichnet,
ausgebildet. In diesem Spalt 13 ist ein Sensorelement 7 zur
Bestimmung der magnetischen Flussdichte angeordnet. Dieses Sensorelement
ist in aller Regel als Hall-Sensor 7 ausgebildet. Von dem
Sensorelement 7 gehen Kontaktfahnen ab (ohne Bezugszeichen), über
die der Hall-Sensor 7 an eine Auswerteelektronik und eine
Spannungsversorgung angeschlossen ist (nicht dargestellt).
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Das
Magnetelement 5 bildet ein Magnetfeld (nicht sichtbar),
welches von den Flussleitblechen 1.1 und 1.2 aufgenommen
und geleitet wird.
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In 1 ist
die sogenannte Mittellage des Magnetelements 5 bzw. des
Rotors 3 dargestellt. Die Mittellage zeichnet sich dadurch
aus, dass die magnetische Flussdichte in dem Spalt 13 gleich
Null ist.
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Wenn
nun der Rotor 3 relativ zu der Flussleitblechanordnung 1 verdreht
wird, dann werden in das Flussleitblech 1.2 mehr magnetische
Feldlinien eingeleitet und umgeleitet als in das Flussleitblech 1.1. Infolgedessen
entsteht in dem Spalt 13 ein magnetischer Fluss, dessen
Intensität von dem Hall-Sensor 7 ermittelt wird.
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Wenn
nun der Rotor 3 und mit ihm das Magnetelement 5 gegen
den Uhrzeigersinn von der Mittellage ausgehend gedreht wird, ergibt
ebenfalls eine unsymmetrische Einkopplung von magnetischen Feldlinien
in die Flussleitbleche 1.1 und 1.2, allerdings
mit umgekehrten Vorzeichen. Auch der daraus resultierende magnetische
Fluss im Spalt 13 kann vom Hall-Sensor 7 detektiert
werden.
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Ein
in 1 dargestellter Tankstandsensor nach dem Stand
der Technik, bei dem das Magnetelement 5 als einstückiger
Magnet mit konstantem Querschnitt und gleichem Abstand zu den Flussleitblechen 1 radialem
Abstand 15 zu den Flussleitblechen 1.1 beziehungsweise 1.2 angeordnet
ist, hat in seinem Messbereich, der symmetrisch zu der Mittellage
angeordnet ist, eine nahezu lineare Kennlinie.
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Erfindungsgemäß ist
nun vorgesehen, dass Magnetelement 5 gegenüber
den aus dem Stand der Technik bekannten Magnetelementen so zu modifizieren,
dass sich eine nichtlineare Kennlinie des Tankstandssensors ergibt.
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Die
vier Darstellungen der 2 stellen Ansichten
von vorne auf vier Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer
Tankstandssensoren dar, wobei lediglich die Flussleitblechanordnung 1,
der Hall-Sensor 7 und das Magnetelement 5 dargestellt
sind. Des Weiteren ist noch ein Drehwinkel φ angedeutet.
Bei der in 2a dargestellten Positionierung
des Magnetelements 5 relativ zu der Flussleitblechanordnung 1 ist
der Drehwinkel φ in der Mittellage gleich 0. Selbstverständlich
kann der Drehwinkel φ auch negative Werte annehmen.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß 2a besteht
das Magnetelement 5 aus einem ersten Magneten M1 und einem
zweiten Magneten M2. Die beiden baugleichen Magneten M1 und M2 sind
konzentrisch zur Drehachse 9 des Rotors angeordnet. Zwischen
dem ersten Magnet M1 und dem zweiten Magnet M2 sowie der Flussleitblechanordnung 1 ist
ein Radialspalt 15 vorhanden. Dieser Radialspalt 15 zwischen
dem ersten Magnet M1 und der Flussleitblechanordnung 1 ist
gleich groß wie der Radialspalt 15 zwischen dem
zweiten Magneten M2 und der Flussleitblechanordnung 1.
Wenn die Magnete M1 und M2 gleich stark magnetisiert sind, ergibt
sich nach wie vor eine nahezu lineare Kennlinie im Messbereich des
Tankstandssensors.
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Dadurch
dass der erste Magnet M1 und der zweite Magnet M2 ungleich stark
magnetisiert werden, wird die Kennlinie des erfindungsgemäßen Tankstandssensors
nicht-linear. Den gleichen Effekt kann man erreichen, indem man
beispielsweise zwei gleich stark magnetisierte Magnete M1 und M2
so auf dem Rotor angeordnet, dass der Radialspalt 15.1 zwischen
dem ersten Magnet M1 und der Flussleitblechanordnung größer
ist als der zweite Radialspalt 15.2 zwischen dem zweiten
Magnet M2 und der Flussleitblechanordnung 1. Diese Konfiguration
ist in der 2b dargestellt. Beiden Konfigurationen
ist gemeinsam, dass die Wirkung des Magnetfelds des Magnetelements,
welches die Magnete M1 und M2 umfasst, in Richtung der Längsachse 11 des
Magnetelements 5 variiert.
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Einen ähnlichen
Effekt kann man dadurch erreichen, dass das Magnetelement 5 einen
Magnet M aufweist, dessen Dicke D in Längsrichtung 11 des Magnetelements
variiert. Anders ausgedrückt ist die Dicke D eine Funktion
des Winkels φ (siehe 2c).
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Bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß 2d ist
zusätzlich noch der Radialspalt 5 variabel über
die Längsrichtung des Magnetelements 5.
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Wie
exemplarisch anhand der Konfiguration gemäß 2d erläutert,
können verschiedene erfindungsgemäße
Maßnahmen miteinander kombiniert werden, um die Nichtlinearität
der Kennlinie zu beeinflussen und den Anforderungen des Anwendungsfalls
entsprechend zu gestalten.
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In 3 sind
verschiedene Kennlinien erfindungsgemäßer Tankstandssensoren
aufgetragen. Dabei ist auf der Abszisse der Drehwinkel φ aufgetragen,
während auf der Ordinate der Flussdichte aufgetragen ist.
In der Mittellage, das heißt bei φ gleich 0 ist
auch die magnetische Flussdichte gleich 0. Sie weicht abhängig
von der Position des Magnetelements relativ zu der Flussleitblechanordnung
nach oben oder nach unten ab.
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Eine
erste Linie 19 zeigt die Konstellation gemäß 2a,
wobei die Magnete M1 und M2 gleich stark magnetisiert sind. Wie
aus 3 ersichtlich, ist die daraus resultierende Kennlinie
in einem Bereich von φ gleich 30° bis φ gleich –30° nahezu
linear.
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Eine
zweite Linie 21 zeigt die Konstellation gemäß 2a,
wobei die Magnete M1 und M2 unterschiedlich stark magnetisiert sind.
Im Vergleich zur ersten Linie 19 ist die Kennlinie gemäß der
Linie 21 schon deutlich nicht-linear.
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Die
dritte Linie 23 zeigt exemplarisch die Kennlinie der Konfiguration
gemäß 2b.
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Die
Konfiguration gemäß 2c ergibt
eine Kennlinie gemäß der vierten Linie 25,
während die Konstellation gemäß 2d eine
Kennlinie gemäß einer fünften Linie 27 ergibt.
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Es
versteht sich von selbst, dass die Kennlinien gemäß der
Linien 19–27 lediglich exemplarisch für
die anhand der 2 beschriebenen Konfigurationen
sind. Durch Änderungen der wichtigsten Parameter, nämlich
der Abmessungen der Magnetelemente M, M1, M2, deren Magnetisierung,
dem Radialspalt 15 sowie der Dicke D und die Kombination
der anhand der 2a–2d beschriebenen
Kombinationen können die Kennlinien in weiten Grenzen dem
Anwendungsfall entsprechend gestaltet werden. Darin liegt ein großer
Vorteil des erfindungsgemäßen Tankstandssensors.
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In
der 4 sind exemplarisch nochmals drei Kennlinien 29, 31 und 33 aufgetragen,
wobei diese Kennlinien ausgehend von der Konfiguration gemäß 2a ermittelt
wurden.
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Bei
der Kennlinie betrug der Radialspalt 15 1 mm und die Magnetisierung
1,3 beziehungsweise 0,3 Tesla der Magnete M1 und M2.
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Bei
der Kennlinie 31 betrug der Luftspalt 15 ebenfalls
1 mm und die Magnetisierung 0,8 und 0,3 Tesla. Bei der Kennlinie 33 betrug
der Luftspalt 2 mm und die Magnetisierung 1,3 beziehungsweise 0,3 Tesla.
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Schon
der Vergleich dieser drei Kennlinien, der lediglich auf unterschiedliche
Magnetisierungen beziehungsweise eine Variation des Radialspalts 15 zurückzuführen
ist, macht deutlich, wie groß die Gestaltungsmöglichkeiten
der Kennlinien bei einem erfindungsgemäßen Tankstandssensor
sind. Selbstverständlich ist es bei Bedarf auch möglich,
einen erfindungsgemäßen Tankstandsensor mit linearer Kennlinie
bereitzustellen.
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Es
versteht sich von selbst, dass die zuvor beschriebenen Konfigurationen
auch dadurch erreicht werden können, dass beispielsweise
die Flussleitbleche 1.1 und 1.2 nicht konzentrisch
zur Drehachse 9, sondern mit winkelabhängigem
Abstand oder in radialer Richtung versetzter Anordnung erzielbar
sind. Dies wird als kinematische Umkehr der Konfigurationen gemäß 2 angesehen. Daher wird auch auf diese
Konfigurationen beziehungsweise Konstellationen Schutz beansprucht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10329811
B4 [0001]
- - DE 1032981184 [0027]