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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Füllstandssensor, ein Füllstandserkennungsverfahren mit einem Füllstandssensor sowie ein Kraftfahrzeug mit einem Füllstandssensor.
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Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zum Bestimmen des Füllstands einer elektrisch leitenden Flüssigkeit in einem Behälter bekannt. Der Füllstand wird zum Beispiel detektiert, indem der Gesamtwiderstand einer Widerstandsreihe gemessen wird. Elektroden, welche an jeder Verbindung zwischen je zwei Widerständen angeordnet sind, schließen den jeweiligen Widerstand beim Eintauchen der Vorrichtung in die Flüssigkeit kurz. Durch eine Auswertung des gemessenen Widerstands kann die Anzahl der eingetauchten Widerstände und somit ein Füllstand der Flüssigkeit ermittelt werden.
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Dabei ist die Widerstandsreihe relativ hochohmig dimensioniert, um den Einfluss der begrenzten und veränderlichen Leitfähigkeit der Flüssigkeit zu minimieren. Auf diese Weise sollen sowohl eine Messwerterfassung als auch eine Auswertung in einem Steuergerät vereinfacht werden. Weiterhin ist beschrieben, dass eine kontinuierliche Füllstandsanzeige umso genauer realisierbar ist, je höher die Anzahl der Widerstände gewählt wird. Da die oben beschriebene Vorrichtung minimiert somit den Einfluss der Leitfähigkeit. Im Idealfall übt die Leitfähigkeit daher gar keinen Einfluss auf die Messung aus.
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Ein Nachteil dieser Vorrichtung ist allerdings, dass sie nicht in der Lage ist zu unterscheiden, welche Art an Flüssigkeit in den Behälter eingefüllt wurde. Dies ist jedoch insbesondere bei einer Überwachung eines Reduktionsmitteltanks in einem Kraftfahrzeug mit einem selektiven katalytischen Reduktions-Systems (SCR-System) von Bedeutung. Die obige Vorrichtung kann bei Befüllung mit Wasser anstelle einer Harnstofflösung je nach Dimensionierung der Elektroden lediglich einen zu geringen Füllstand aufgrund einer wesentlich geringeren Leitfähigkeit von Wasser erkennen. Rückschlüsse auf eine mögliche Fehlbetankung sind jedoch nicht realisierbar.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher das Bereitstellen eines Füllstandssensors, der sowohl einen Füllstand einer Flüssigkeit in einem Behälter sowie auch eine Fehlbetankung des Behälters erfassen kann, sowie das Bereitstellen eines entsprechenden Füllstandserkennungsverfahrens und eines Kraftfahrzeugs mit einem Füllstandssensor.
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Die obige Aufgabe wird gelöst durch einen Füllstandssensor gemäß einem der Ansprüche 1 oder 7 sowie ein Füllstandserkennungsverfahren mit einem erfindungsgemäßen Füllstandssensor gemäß einem der Ansprüche 5 oder 10 und ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Füllstandssensor gemäß Anspruch 12. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen sowie den abhängigen Ansprüchen.
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Ein Füllstandssensor umfasst eine langgestreckte erste Elektrode sowie mindestens zwei in Längsrichtung der ersten Elektrode nebeneinander angeordnete zweite Elektroden, die gegenüber der ersten Elektrode angeordnet sind, mindestens einen elektrischen Widerstand, über den die zweiten Elektroden elektrisch miteinander verbunden sind, so dass mit dem Füllstandssensor sowohl eine Leitfähigkeit als auch eine Füllstandshöhe einer Flüssigkeit erfassbar ist.
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Der erfindungsgemäße Füllstandssensor weist eine langgestreckte erste Elektrode auf. Diese erste Elektrode dient als gemeinsame Elektrode für mindestens zwei in Längsrichtung der ersten Elektrode nebeneinander angeordnete zweite Elektroden. Die zweiten Elektroden sind gegenüber der langgestreckten ersten Elektrode angeordnet. Eine Form der ersten und zweiten Elektroden ist beispielsweise plattenförmig.
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Zusätzlich weist der Füllstandssensor mindestens einen elektrischen Widerstand auf. Über diesen Widerstand sind die mindestens zwei zweiten Elektroden elektrisch miteinander verbunden. Auf diese Weise ist mit dem Füllstandssensor sowohl eine Leitfähigkeit als auch eine Füllstandshöhe einer Flüssigkeit beispielsweise in einem Behälter erfassbar.
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Weiterhin können die mindestens zwei zweiten Elektroden an jeweils entgegengesetzten axialen Enden der ersten Elektrode angeordnet sein. Die Verwendung von zwei zweiten Elektroden an einem jeweiligen axialen Ende der langgestreckten ersten Elektrode ist besonders vorteilhaft, wenn mit dem Füllstandssensor sowohl ein maximaler Füllstand als auch ein minimaler Füllstand erfasst werden soll.
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Ein Vorteil dieses erfindungsgemäßen Füllstandssensors ist, dass mit lediglich einer Vorrichtung sowohl eine Füllstandshöhe als auch eine Leitfähigkeit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit in einem Behälter bestimmbar ist. Weiterhin sind keine zusätzlichen Leitungen oder Vorrichtungen für eine Leitfähigkeitsmessung der Flüssigkeit notwendig, da die Elektroden derart dimensioniert sind, dass beim Eintauchen kein niederohmiger Kurzschluss erfolgt, sondern so, dass sich ein messbarer Widerstand ergibt. Insbesondere sind die Elektroden derart aufeinander abgestimmt, dass sich ein Bereich des messbaren Widerstands bei unterschiedlichen elektrisch leitenden Flüssigkeiten nicht überlappt. Bei den unterschiedlichen elektrisch leitenden Flüssigkeiten handelt es sich beispielsweise um Wasser und AdBlue bzw. eine Harnstofflösung für ein SCR-System.
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Auf diese Weise kann aus dem resultierenden messbaren Widerstand auf eine Leitfähigkeit der Flüssigkeit geschlossen werden. Somit ist beispielsweise eine Fehlbetankung in einem Behälter erfassbar. Wird der oben beschriebene Füllstandssensor beispielsweise in einem Behälter eines Kraftfahrzeugs angeordnet, der eine elektrisch leitenden Flüssigkeit aufweist, insbesondere ein Reduktionsmittel für eine selektive katalytische Reaktion, dann kann eine Fehlbetankung dieses Behälters beispielsweise mit Wasser erkannt werden. Um eine Unterscheidung zwischen einer Flüssigkeit mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit, beispielsweise AdBlue, von einer Flüssigkeit mit einer geringen elektrischen Leitfähigkeit, beispielsweise Wasser, zu realisieren, dürfen die jeweiligen resultierenden messbaren Widerstandsbereiche nicht überlappen.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn der erfindungsgemäße Füllstandssensor vier in Längsrichtung der ersten Elektrode nebeneinander angeordnete zweite Elektroden aufweist, die gegenüber der ersten Elektrode angeordnet sind und jeweils über einen elektrischen Widerstand elektrisch miteinander verbunden sind. Auf diese Weise ist eine Unterscheidung zwischen einer Flüssigkeit mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit und einer Flüssigkeit mit einer niedrigen elektrischen Leitfähigkeit realisierbar. Weiterhin wird auf diese Weise die Messung der Füllstandshöhe präzisiert. Um ein Überlappen der resultierenden Widerstandsbereiche zu verhindern, muss der benötigte Widerstandsbereich für die Füllstandsmessung umso größer werden, je mehr Elektroden vorgesehen sind.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des obigen Füllstandssensors sind der mindestens eine elektrische Widerstand und die Elektroden derart aufeinander abgestimmt, dass sich beim Eintauchen des Füllstandssensors in eine Flüssigkeit ein messbarer elektrischer Widerstand ergibt. Vorzugsweise beträgt der elektrische Widerstand, der in den Füllstandssensor zwischen zwei Elektroden verwendet wird, 10 kΩ.
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Ein Füllstandserkennungsverfahren mit einem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Füllstandssensor weist die folgenden Schritte auf: Erfassen einer Füllstandshöhe einer Flüssigkeit in einem Behälter mit einem erfindungsgemäßen Füllstandssensor, der eine langgestreckte erste Elektrode, mindestens zwei in Längsrichtung der ersten Elektrode nebeneinander angeordnete zweite Elektroden, die gegenüber der ersten Elektrode angeordnet sind, und mindestens einen elektrischen Widerstand aufweist, über den die zweiten Elektroden elektrisch miteinander verbunden sind; Erfassen einer Leitfähigkeit der Flüssigkeit in dem Behälter aufgrund eines resultierenden elektrischen Widerstands des Füllstandssensors und Bestimmen einer korrigierten Füllstandshöhe der Flüssigkeit in Abhängigkeit von der erfassten Leitfähigkeit der Flüssigkeit.
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Zunächst wird eine Füllstandshöhe einer Flüssigkeit in einem Behälter mit dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Füllstandssensor erfasst. Weiterhin wird eine Leitfähigkeit der Flüssigkeit in dem Behälter aufgrund eines resultierenden elektrischen Widerstands des verwendeten Füllstandssensors erfasst. Aufgrund der erfassten Leitfähigkeit wird eine korrigierte Füllstandshöhe der Flüssigkeit in dem Behälter bestimmt. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Temperatureinfluss auf die Änderung der Leitfähigkeit der in dem Behälter enthaltenen Flüssigkeit berücksichtigt werden. Dadurch kann eine Leitfähigkeit der in dem Behälter enthaltenen Flüssigkeit erfasst werden und das Verfahren wird im Vergleich zum Stand der Technik genauer.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Verfahren die weiteren Schritte auf: Überprüfen der erfassten Leitfähigkeit mit einem vorgebbaren Grenzwert einer Leitfähigkeit und Blockieren eines Auslasses des Behälters in Abhängigkeit von der Überprüfung der erfassten Leitfähigkeit. Beispielsweise kann die erfasste Leitfähigkeit bei Verwendung des Füllstandssensors in einem Behälter eines Kraftfahrzeugs in einer Auswerte- oder Steuereinheit des Kraftfahrzeugs erfolgen. Unter- oder überschreitet die erfasste Leitfähigkeit den vorgebbaren Grenzwert oder befindet sich die erfasste Leitfähigkeit nicht in einem Bereich zwischen zwei Grenzwerten, kann ein Auslass des Behälters blockiert werden. Auf diese Weise wird nicht nur eine Fehlbetankung des Behälters mit dem Füllstandssensor erkannt, sondern die in dem Behälter enthaltene Flüssigkeit wird auch nicht in einen Flüssigkeitskreislauf des Kraftfahrzeugs abgegeben. Insbesondere wird auf diese Weise verhindert, dass beispielsweise Wasser anstellen von AdBlue in einen SCR-Katalysator eingespritzt wird.
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In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Füllstandssensors umfasst dieser eine langgestreckte erste Elektrode sowie mindestens zwei in Längsrichtung der ersten Elektrode nebeneinander angeordnete zweite Elektroden, die gegenüber der ersten Elektrode angeordnet sind, mindestens einen elektrischen Widerstand, über den die zweiten Elektroden elektrisch miteinander verbunden sind, sowie eine dritte Elektrode gegenüber der langgestreckten ersten Elektrode, so dass mit den zweiten Elektroden eine Füllstandshöhe und mit der dritten Elektrode eine Leitfähigkeit einer Flüssigkeit erfassbar ist.
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Im Vergleich zu dem vorher beschriebenen erfindungsgemäßen Füllstandssensor weist der nun beschriebene erfindungsgemäße Füllstandssensor eine weitere, dritte Elektrode zur Bestimmung der Leitfähigkeit einer Flüssigkeit auf. Vorzugsweise ist diese dritte Elektrode in Höhe einer zweiten Elektrode an einem axialen Ende der ersten langgestreckten Elektrode angeordnet. Die dritte Elektrode soll dadurch selbst bei einem minimalen Füllstand an Flüssigkeit in dem Behälter eine Leitfähigkeitsmessung ermöglichen. Besonders bevorzugt ist, wenn die dritte Elektrode mit einer eigenen elektrischen Leitung mit einer Auswerteeinheit verbunden ist, beispielsweise einer zu dem Füllstandssensor gehörigen Auswerteeinheit.
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Mit der dritten Elektrode kann auf diese Weise ebenfalls eine Leitfähigkeit einer Flüssigkeit bestimmt werden. Der nun beschriebene Füllstandssensor stellt eine Entkopplung der Füllstandshöhenmessung von der Leitfähigkeitsmessung in einer gemeinsamen Vorrichtung bereit. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass aufgrund fehlerhafter Widerstandsbestimmung wegen zu hoher Widerstände zwischen den Elektroden kein unzutreffender Füllstand angezeigt wird. Weiterhin kann eine Fehlbetankung erkannt werden und es wird vermieden, dass das System mit einer nicht für das System geeigneten Flüssigkeit betrieben wird.
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Ein Füllstandserkennungsverfahren für den alternativen erfindungsgemäßen Füllstandssensor weist die folgenden Schritte auf: Erfassen einer Füllstandshöhen einer Flüssigkeit in einem Behälter mit einem alternativen erfindungsgemäßen Füllstandssensor, der eine langgestreckte erste Elektrode sowie mindestens zwei in Längsrichtung der ersten Elektrode nebeneinander angeordnete zweite Elektroden, die gegenüber der ersten Elektrode angeordnet sind, und mindestens einen elektrischen Widerstand, über den die zweiten Elektroden elektrisch miteinander verbunden sind, sowie eine dritte Elektrode gegenüber der langgestreckten ersten Elektrode aufweist; Erfassen einer Leitfähigkeit der Flüssigkeit in dem Behälter mittels der dritten Elektrode des Füllstandssensors und Bestimmen einer korrigierten Füllstandshöhe der Flüssigkeit in Abhängigkeit von der erfassten Leitfähigkeit der Flüssigkeit.
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Das erfindungsgemäße Füllstandserkennungsverfahren mit dem alternativen erfindungsgemäßen Füllstandssensor entspricht im Wesentlichen dem vorher beschriebenen erfindungsgemäßen Füllstandserkennungsverfahren. Daher weist auch dieses Verfahren die oben beschriebenen Vorteile auf. Lediglich die Leitfähigkeit der in dem Behälter enthaltenen Flüssigkeit wird über eine separate dritte Elektrode erfasst. Auf diese Weise werden die Messung der Füllstandshöhe und die Messung der Leitfähigkeit voneinander entkoppelt. Dies sorgt für eine größere Genauigkeit der jeweiligen Messung sowie für eine Unabhängigkeit in der Bestimmung der jeweiligen Werte.
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Auch in diesem Verfahren ist es besonders vorteilhaft, wenn die erfasste Leitfähigkeit mit einem vorgebbaren Grenzwert einer Leitfähigkeit überprüft wird und in Abhängigkeit von der Überprüfung der erfassten Leitfähigkeit ein Blockieren eines Auslasses des Behälters erfolgt. Zur weiteren Ausgestaltung dieses Verfahren wird auf die Ausführungen zu dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Füllstandserkennungsverfahren verwiesen.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand einer Ausführungsform sowie der Zeichnungen detailliert beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Füllstandssensors und
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2 einen schematischen Verfahrensablauf eines erfindungsgemäßen Füllstandserkennungsverfahrens.
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Der erfindungsgemäße Füllstandssensor ist in einem eine Flüssigkeit aufweisenden Behälter eines Kraftfahrzeugs angeordnet. Insbesondere weist der Behälter ein Reduktionsmittel für ein SCR-System auf. Hierbei handelt es sich beispielsweise um AdBlue.
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Der Füllstandssensor 1 weist eine langgestreckte erste Elektrode 3 auf. Gegenüber der ersten Elektrode 3 sind zweite Elektroden 5 angeordnet. Gemäß 1 sind insgesamt vier zweite Elektroden 5 gegenüber der ersten Elektrode 3 angeordnet, nämlich die Elektroden E1 bis E4. Eine erste Elektrode E1 der vier zweiten Elektroden 5 ist an einem ersten axialen Ende der langgestreckten ersten Elektrode 3 angeordnet. Dieses Ende entspricht einem minimalen Füllstand in dem Behälter, der mit der Vorrichtung noch erfassbar ist.
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An dem dem ersten axialen Ende der langgestreckten ersten Elektrode 3 gegenüberliegenden axialen Ende ist eine vierte Elektrode E4 der vier zweiten Elektroden 5 angeordnet. Zwischen der ersten Elektrode E1 und der vierten Elektrode E4 befinden sich in gleichmäßigen Abständen eine zweite Elektrode E2 sowie eine dritte Elektrode E3. Die Elektroden E1 bis E4 weisen beispielsweise die Form einer Platte auf. Die erste langgestreckte Elektrode 3 kann ebenfalls die Form einer Platte aufweisen.
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Wie in 1 dargestellt ist zwischen jeweils zwei zweiten Elektroden ein elektrischer Widerstand 7 angeordnet. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind somit insgesamt drei elektrische Widerstände R1 bis R3 in dem Füllstandssensor 1 vorhanden. Die Widerstände R1 bis R3 können bei einer späteren Verwendung des Füllstandssensors sowohl gemeinsam mit den zweiten Elektroden 5 in der Flüssigkeit in dem Behälter angeordnet sein, als auch außerhalb des Behälters.
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Die Fläche der verwendeten Elektroden E1 bis E4 ist insbesondere so definiert, dass bei einer Verwendung von Leitungswasser der jeweilige Widerstand 200 kΩ beträgt. Wird der Füllstandssensor in AdBlue verwendet, führt dies zu einem Widerstand von etwa 2 kΩ. Weiterhin sind die elektrischen Widerstände R1 bis R3 im vorliegenden Fall so dimensioniert, dass sie jeweils 10 kΩ betragen.
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Wird der erfindungsgemäße Füllstandssensor nun einem Behälter mit Leitungswasser verwendet, führt dies bei einem Füllstand über E1 zu einem resultierenden messbaren elektrischen Widerstand von 230 kΩ. Liegt der Füllstand über Elektrode E2, beträgt der resultierende elektrische Widerstand 122 kΩ und bei einem Füllstand über Elektrode E3 beträgt der resultierende elektrische Widerstand 78 kΩ. Liegt der Füllstand über Elektrode E4, ergibt sich ein elektrischer Widerstand von 51 kΩ.
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Im Vergleich dazu liegen die resultierenden elektrischen Widerstände bei der Verwendung des Füllstandssensors in AdBlue bei 32 kΩ, wenn der Füllstand über E1 liegt, 22 kΩ, wenn der Füllstand über Elektrode E2 liegt, 11 kΩ, wenn der Füllstand über Elektrode E3 liegt und 0,63 kΩ, wenn der Füllstand über Elektrode E4 liegt.
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Anhand der oben aufgelisteten gemessenen elektrischen Widerstände ist erkennbar, dass die jeweiligen Widerstandsbereiche (Wasser 51 kΩ bis 230 kΩ) und bei AdBlue (0,63 kΩ bis 32 kΩ) sich nicht überlappen. Eine Unterscheidung zwischen Wasser und AdBlue ist somit realisierbar. Daher ist bei der Dimensionierung des erfindungsgemäßen Füllstandssensors insbesondere darauf zu achten, dass die jeweiligen resultierenden Widerstandsbereiche bei den zu unterscheidenden elektrisch leitenden Flüssigkeiten ausreichend voneinander beabstandet sind.
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In einer alternativen Ausführungsform kann die Leitfähigkeit der Flüssigkeit über eine dritte Elektrode erfolgen. In diesem Fall werden die erste langgestreckte Elektrode und die gegenüber der ersten langgestreckten Elektrode nebeneinander angeordneten zweiten Elektroden für eine Füllstandsmessung verwendet. Die dritte Elektrode ist insbesondere an einer Stelle angeordnet, an der gewährleistet ist, dass sie auch bei einer minimalen Füllstandshöhe in einem Behälter mit der jeweiligen Flüssigkeit in Kontakt ist. Beispielsweise und Bezug nehmend auf 1 ist die dritte Elektrode in Höhe der ersten Elektrode E1 gegenüber der Elektrode 3 angeordnet. In 1 befindet sich die dritte Elektrode somit beispielsweise hinter der Elektrode E1 und wird von dieser verdeckt.
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Die dritte Elektrode kann ebenfalls eine Plattenform aufweisen. Die Verwendung der dritten Elektrode sorgt für eine Entkopplung der Messung der Füllstandshöhe von der Messung der Leitfähigkeit. Insbesondere ist die dritte Elektrode dazu über eine separate Leitung mit einer Auswerteeinheit beispielsweise eines Kraftfahrzeugs verbunden oder der Füllstandssensor weist eine eigenen Auswerteeinheit auf.
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Unter Bezugnahme auf 2 wird im Folgenden der Verfahrensablauf eines erfindungsgemäßen Füllstandserkennungsverfahrens beschrieben. In einem Schritt A erfolgt ein Erfassen einer Füllstandshöhe einer Flüssigkeit in einem Behälter mit einem erfindungsgemäßen Füllstandssensor. Der Füllstandssensor kann dabei einer der beiden oben beschriebenen Füllstandssensoren sein. In einem Schritt B wird dann eine Leitfähigkeit der Flüssigkeit in dem Behälter erfasst. In Abhängigkeit von der Art des verwendeten Füllstandssensors geschieht dies entweder aufgrund eines resultierenden elektrischen Widerstands des Füllstandssensors (Schritt B1) oder mittels der dritten Elektrode (Schritt B2).
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In Abhängigkeit von der in Schritt B erfassten Leitfähigkeit wird in Schritt C eine korrigierte Füllstandshöhe der Flüssigkeit bestimmt.
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Das erfindungsgemäße Füllstandserkennungsverfahren macht sich somit die jeweiligen Vorteile des entsprechenden Füllstandssensors zunutze.
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In einem weiteren Schritt D wird die erfasste Leitfähigkeit mit einem vorgebbaren Grenzwert verglichen und somit überprüft. Es kann daher festgestellt werden, ob in dem Behälter die dafür vorgesehene Flüssigkeit enthalten ist. Insbesondere kann in einem Kraftfahrzeug überprüft werden, ob Reduktionsmittel in einem dafür vorgesehenen Reduktionsmittelbehälter enthalten ist. Ergibt die Überprüfung in Schritt D, dass die Leitfähigkeit entweder über oder unter dem vorgebbaren Grenzwert liegt oder außerhalb eines Grenzwertbereichs, dann wird in Schritt E ein Auslass des Behälters blockiert. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass eine nicht dafür vorgesehene Flüssigkeit in ein Leitungssystem des Kraftfahrzeugs gelangt und beispielsweise in einem SCR-Katalysator eingespritzt wird.
