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Stand der Technik
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In vielen Industriezweigen müssen Füllstände von Flüssigkeiten in Gefäßen, wie zum Beispiel Behältern, Rohrleitungen oder Schächten gemessen werden. Zur Ermittlung des Füllstands werden z.B. Tauchsonden, Widerstandsgeber, Druckaufnehmer, Radar-, Ultraschall- und Mikrowellenmesser sowie Schwimmerschalter eingesetzt.
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Insbesondere im Kraftfahrzeug-Bereich kann eine hohe Qualität der Ermittlung eines Füllstands wichtig für die Fahrsicherheit sein. Dabei werden in der Regel Sensoren verwendet, die über Kabel mit einer Elektronik außerhalb des Gefäßes verbunden sind. Diese Kabel müssen aufwendig am Gefäß befestigt werden und können schnell verschleißen. Ferner können auch einige Sensoren verschleißanfällig sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Es kann daher ein Bedarf bestehen, eine qualitativ hochwertige Füllstandmessung zu ermöglichen und dabei gleichzeitig einen Verschleiß der Füllstandmess-Vorrichtung zu reduzieren.
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Diese Aufgabe kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Im Folgenden werden Merkmale, Einzelheiten und mögliche Vorteile einer Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung im Detail diskutiert.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Flüssigkeitsbehälter mit integriertem Füllstandsensor vorgestellt. Der Flüssigkeitsbehälter weist eine Innenwand mit einem elektrisch nicht leitfähigen Material auf. Ferner weist der Flüssigkeitsbehälter einen Füllstandsensor auf, der mindestens eine erste elektrisch leitfähige Leiterbahn aufweist. Die erste elektrisch leitfähige Leiterbahn ist dabei direkt bzw. unmittelbar an dem elektrisch nicht leitfähigen Material aufgebracht.
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Anders ausgedrückt basiert die Idee der Erfindung darauf, die Sensorik zur Füllstandsmessung direkt in den Flüssigkeitsbehälter zu integrieren und dadurch eine berührungsfreie und verschleißreduzierte bzw. verschleißfreie Messung des Füllstands zu ermöglichen. Berührungsfrei bedeutet dabei zum Beispiel, dass keine beweglichen Teile am Sensor notwendig sind und dass die Detektion einer Änderung einer Kenngröße, wie zum Beispiel eine Widerstands- oder Kapazitätsänderung für die Messung ausreicht.
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Durch das Vorsehen des Füllstandsensors bzw. seiner elektrisch leitfähigen Leiterbahnen direkt an der Innenwand bzw. Innenseite des Flüssigkeitsbehälters kann auf lose Kabel, die in den Flüssigkeitsbehälter hängen, verzichtet werden. Somit wird auch eine Befestigung und Verlegung der Kabel entbehrlich, wodurch eine Vereinfachung der Fertigung bzw. Herstellung des Füllstandgebers ermöglicht wird. Dieser geht mit einer Reduzierung der Kosten und des Arbeitsaufwands bei der Füllstandmessung einher. Durch das Aufbringen des Füllstandsensors bzw. seiner leitfähigen Leiterbahnen an dem elektrisch nicht leitfähigen Material wird eine Isolation gegenüber dem Flüssigkeitsbehälter gewährleistet.
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Ferner können durch das direkte Aufbringen des Sensors an der Innenwand Materialien eingespart werden. Beispielsweise kann eine zusätzliche Isolation der Leiterbahnen entbehrlich sein. Des Weiteren können Kosten für eine zusätzliche Fixierung des Sensorelements bzw. seiner Kabel entfallen.
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Der Flüssigkeitsbehälter gibt durch einen Boden, Wände und eventuell einen Deckel ein Volumen für eine Flüssigkeit, wie zum Beispiel Öl, Kraftstoff, Kühlwasser oder AdBlue vor. Der Flüssigkeitsbehälter kann ganz aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material bestehen. Alternativ kann der Flüssigkeitsbehälter ein leitfähiges Material aufweisen und an seiner Innenseite bzw. an der Innenwand mit einem elektrisch nicht leitfähigen Material beschichtet sein. Die Beschichtung kann komplett aus elektrisch nicht leitfähigem Material bestehen oder ein elektrisch nicht leitfähiges Material aufweisen. Die Innenwand bzw. Innenwände des Flüssigkeitsbehälters können komplett mit einer elektrisch nicht leitfähigen Schicht überzogen sein oder einen Teilbereich, der von der Schicht bedeckt ist, aufweisen. Das elektrisch nicht leitfähige Material kann dabei zum Beispiel Kunststoff, Glimmer, Pappe, Papier, Porzellan oder Keramik sein.
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Der Füllstandsensor kann eine oder mehrere elektrisch leitfähige Leiterbahnen und weitere Elemente, wie beispielsweise Widerstände, aufweisen. Die Leiterbahnen und gegebenenfalls zusätzliche weitere Elemente sind direkt an der nicht leitenden Schicht bzw. Oberfläche des Flüssigkeitsbehälters aufgebracht. Beispielsweise kann der Füllstandsensor an die Innenwand aufgespritzt sein.
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Der Füllstandsensor ist in den Flüssigkeitsbehälter integriert. Er ist also integraler Bestandteil des Flüssigkeitsbehälters. Das heißt der Füllstandsensor ist mit dem Flüssigkeitsbehälter z.B. irreversibel verbunden. Die Verbindung kann dabei z.B. eine stoffschlüssige Verbindung sein. Ferner kann der Füllstandsensor einstückig mit dem Flüssigkeitsbehälter ausgebildet sein.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Füllstandsensor einen Thermistor auf. Der Thermistor ist dabei ein elektrisches Element, dessen elektrischer Widerstand sich in Abhängigkeit von einer Umgebungstemperatur ändert. Der Thermistor kann beispielsweise halbleitende Metalloxide, Silizium und/oder Platin aufweisen.
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Der Thermistor kann über die leitfähige Leiterbahn bzw. mehrere Leiterbahnen mit einem Heizstrom versorgt werden. Die Wärme des Thermistors kann leichter an Flüssigkeiten als an Gase abgegeben werden, da die Wärmeleitfähigkeit (l) von Flüssigkeiten, wie zum Beispiel Wasser (l = 0,556) und Öl (l = 0,13 – 0,15) höher ist als die von Luft (l = 0,026). Die Wärmeleitfähigkeit wird dabei in Joule/(Meter x Sekunde x Kelvin) gemessen.
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Sinkt also der Füllstand und findet am Thermistor ein Übergang von Flüssigkeit zu Luft statt, so ändert sich die abgegebene Verlustleistung und damit der Widerstand des Thermistors. Hierdurch kann zum Beispiel eine Unterschreitung eines bestimmten Füllstandes sehr einfach und exakt registriert werden. Ebenso kann ein Übergang von Luft zu Flüssigkeit, also ein Anstieg eines Füllstands detektiert werden. Somit ermöglich der Thermistor eine Füllstandmessung über eine Widerstandsänderung.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Füllstandsensor eine zweite elektrisch leitfähige Leiterbahn auf. Die zweite elektrisch leitfähige Leiterbahn ist ebenfalls direkt an dem elektrisch nicht leitfähigen Material aufgebracht. Die zweite elektrisch leitfähige Leiterbahn ermöglicht zusammen mit der ersten elektrisch leitfähigen Leiterbahn eine Kapazitätsmessung. Hierzu stehen nicht die beiden Leiterbahnen nicht in elektrischem Kontakt miteinander. Beispielsweise ist die erste Leiterbahn von der zweiten Leiterbahn elektrisch isoliert.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die erste und die zweite elektrisch leitfähige Leiterbahn mäanderförmig angeordnet. Beispielsweise können die Leiterbahnen kammartig ineinandergreifen, ohne sich jedoch dabei zu berühren. Auf diese Weise kann die Fläche des durch die beiden Leiterbahnen gebildeten Kondensators erhöht werden und auf diese Weise die Sensitivität der kapazitiven Füllstandmessung ebenfalls erhöht werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die erste oder die zweite oder beide elektrisch leitfähigen Leiterbahnen auf die Innenwand des Flüssigkeitsbehälters direkt auf das elektrisch nicht leitfähige Material aufgespritzt. Beispielsweise können die in den elektrisch leitfähigen Leiterbahnen enthaltenen Metalle durch Erzeugen eines Plasmas auf die Innenwand des Flüssigkeitsbehälters aufgespritzt werden. Das Aufspritzen kann hierbei chemie- und maskenfrei stattfinden. Beispielsweise kann hier das Flamecon® Aufspritzverfahren eingesetzt werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das elektrisch nicht leitfähige Material, aus welchem der Flüssigkeitsbehälter besteht bzw. welches in der Schicht auf der Innenwand des Flüssigkeitsbehälters enthalten ist, ein Kunststoff, Glimmer, Pappe, Papier, Porzellan, Keramik oder eine Kombination dieser isolierenden bzw. sehr geringfügig leitenden Materialien.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Flüssigkeitsbehälter ferner eine Isolationsschicht auf, die einen Bereich des Füllstandsensors gegenüber einem Flüssigkeitsvolumen des Flüssigkeitsbehälters isoliert. Die Isolationsschicht kann lediglich im Bereich des Füllstandsensors angeordnet sein und auf der Seite des Sensors angebracht sein, die von der Innenwand des Flüssigkeitsbehälters abgewandt ist. Hierbei können leitfähige Elemente des Füllstandsensors, wie zum Beispiel Teile der elektrisch leitfähigen Leiterbahnen, gegen eine gegebenenfalls leitende Flüssigkeit im Inneren des Flüssigkeitsbehälters abgeschirmt werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Füllstandsensor eine Längsachse auf, die parallel oder senkrecht zu einem Boden des Flüssigkeitsbehälters angeordnet ist. Die Längsachse kann dabei zum Beispiel die Achse bzw. die Richtung der größten Ausdehnung des Füllstandsensors sein. Insbesondere kann die Längsachse der Richtung der größten Ausdehnung des sensitiven Elements des Füllstandsensors entsprechen. Beispielsweise kann die Längsachse der Richtung der größten Ausdehnung des Thermistors oder des durch die Leiterbahnen gebildeten Kondensators entsprechen.
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Durch eine parallele Anordnung der Längsachse des Füllstandsensors zum Boden des Flüssigkeitsbehälters wird eine diskrete Messung ermöglicht. Das heißt, auf diese Weise können beispielsweise einfache Ja/Nein-Füllstandsmessungen durchgeführt werden. Zum Beispiel kann je nach Höhe der Anbringung des Sensorelements über dem Boden des Flüssigkeitsbehälters ein Schwellenwert festgelegt werden, dessen Überschreitung detektiert wird. Zum Beispiel kann in einem Kraftstofftank bzw. in einem Speichertopf ein Kraftstofffüllstand unter z.B. 2 bzw. 3 l detektiert und beispielsweise einem Steuergerät bzw. Fahrer signalisiert werden. Ein weiteres Anwendungsbeispiel könnte die Detektion einer Minimalschwelle eines Ölfüllstands sein.
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Ist die Längsachse des Füllstandsensors senkrecht zum Boden ausgerichtet, so ist eine kontinuierliche Füllstandsmessung möglich. Verläuft zum Beispiel die Längsachse eines Thermistors senkrecht zum Boden des Flüssigkeitsbehälters, so ist die Abkühlung bzw. Wärmeabgabe in Abhängigkeit vom Flüssigkeitspegel im Flüssigkeitsbehälter unterschiedlich an verschiedenen Stellen des Thermistors. Die Wärmeabgabe ist dabei proportional zum Füllstand. Ebenso kann die Längsachse eines durch die Leiterbahnen des Füllstandsensors gebildeten Kondensators senkrecht zum Boden des Flüssigkeitsbehälters stehen und eine kontinuierliche Füllstandmessung ermöglichen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Füllstandsensor Steckkontakte zu einer Außenseite des Flüssigkeitsbehälters auf. Die Leiterbahnen des Füllstandsensors können mittels der Steckkontakte mit einem Stecker, wie beispielsweise einem Energieversorger, mit einer Signalauswertung, wie zum Beispiel einem Steuergerät, verbunden werden. Die Steckkontakte können beispielsweise in die Wand des Flüssigkeitsbehälters integriert sein oder gegebenenfalls über den Rand oder den Deckel des Flüssigkeitsbehälters nach außen führen. Steckkontakte und Zuführungen können auch als gestanzte Stromschiene ausgebildet sein.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Flüssigkeitsbehälter als eine Ölwanne, ein Kraftstoffaufnahmebehälter, wie zum Beispiel ein Kraftstofftank oder ein im Kraftstofftank vorgesehener Speichertopf, ein AdBlue-Flüssigkeitsbehälter oder ein Kühlwasserbehälter ausgeführt. AdBlue ist dabei eine Lösung von hochreimen Harnstoff in demineralisiertem Wasser, die zur Nachbehandlung von Abgasen in SCR-Katalysatoren (d.h. Katalysatoren mit selektiver katalytischer Reduktion) eingesetzt werden kann.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines oben beschriebenen Flüssigkeitsbehälters vorgestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Vorsehen eines elektrisch nicht leitfähigen Materials, an der Innenwand des Flüssigkeitsbehälters und Aufbringen einer ersten elektrisch leitfähigen Leiterbahn direkt an dem elektrisch nicht leitfähigen Material. Das Vorsehen eines elektrisch nicht leitfähigen Materials an dem Flüssigkeitsbehälter kann dabei beispielsweise die Herstellung des Flüssigkeitsbehälters aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material beinhalten oder alternativ das Aufbringen einer elektrisch nicht leitfähigen Schicht an die Innenwand eines elektrisch leitfähigen Flüssigkeitsbehälters umfassen. Das Aufbringen der elektrisch leitfähigen Leiterbahn direkt auf die elektrisch nicht leitfähige Schicht kann zum Beispiel mit Hilfe eines Plasmaaufspritzverfahrens geschehen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
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1A zeigt einen Querschnitt durch einen Flüssigkeitsbehälter mit einem Füllstandsensor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung
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1B zeigt eine Draufsicht auf einen Füllstandsensor mit einem Thermistor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung
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2A zeigt einen Querschnitt durch einen Flüssigkeitsbehälter aus Kunststoff mit einem Füllstandsensor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung
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2B zeigt eine Draufsicht auf einen Füllstandsensor mit einem Thermistor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung
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3A zeigt einen Querschnitt durch einen Flüssigkeitsbehälter mit einer Schicht aus elektrisch nichtleitendem Material und einem kapazitivem Füllstandsensor gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung
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3B zeigt eine Draufsicht auf einen kapazitiven Füllstandsensor gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung
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4 zeigt ein Kraftfahrzeug und in einer vergrößerten Darstellung einen darin eingebauten erfindungsgemäßen Speichertopf mit integriertem Füllstandsensor
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5 zeigt ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem erfindungsgemäßen AdBlue-Flüssigkeitsbehälter mit integriertem Füllstandsensor Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.
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In den 1 bis 3 ist ein erfindungsgemäßer Flüssigkeitsbehälter 1 am Beispiel einer Ölwanne mit einem Ölstab 29 und einer Ölpumpe 31 dargestellt. In den 1A, 2A und 3A sind jeweils Querschnitte durch den Flüssigkeitsbehälter 1 dargestellt. In den 1B, 2B und 3B sind Draufsichten auf eine Innenwand des Flüssigkeitsbehälters 1 und den darin integrierten Füllstandsensor 9 dargestellt.
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Der Flüssigkeitsbehälter 1 in 1A ist beispielsweise aus keramischem Material hergestellt und weist einen Boden 3 und eine Innenwand 5 auf. Ferner hat der Flüssigkeitsbehälter eine Außenseite 6. In dem Flüssigkeitsbehälter 1 befindet sich eine Flüssigkeit 19, deren Füllstand mittels des Füllstandsensors 9 ermittelt werden kann. Es sind unterschiedliche Füllstände dargestellt: ein erster Füllstand 21, ein zweiter Füllstand 23 und ein Schwellenwertfüllstand 25, der beispielsweise nicht unterschritten werden sollte. Der in 1A und 1B dargestellte Füllstandsensor 9 ist ausgelegt, eine diskrete Füllstandmessung durchzuführen. Mit Hilfe des Füllstandsensors 9 kann beispielsweise ermittelt werden, ob ein Füllstandschwellenwert 25 unterschritten wird. Wie in 1B gezeigt, weist der Füllstandsensor 9 eine erste elektrisch leitfähige Leiterbahn 11 auf, die direkt bzw. unmittelbar auf dem keramischen Material auf der Innenwand des Flüssigkeitsbehälters aufgespritzt ist. Ferner weist der Füllstandsensor 9 einen Thermistor 15 auf, der ebenfalls direkt auf die Innenwand 5 des Flüssigkeitsbehälters 1 aufgespritzt ist. Die Längsachse 27 des sensitiven Elements des Füllstandsensors 9, also die Längsachse des Thermistors 15, verläuft in 1B parallel zum Boden 3 des Flüssigkeitsbehälters 1. Beispielsweise kann der Thermistor 15 in 1 entlang des Füllstandschwellenwerts 25 verlaufen. Der Thermistor wird mit einem Heizstrom versorgt. Die Abgabe der Wärme des Thermistors 15 ist unterschiedlich in der Flüssigkeit 19 und an Luft. Daher ändert sich der Widerstand des Thermistors 15, weil der Füllstand der Flüssigkeit 19 den Füllstandschwellenwert 25, an dem der Thermistor 15 verläuft, erreicht.
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Der Flüssigkeitsbehälter 1, der in 2 dargestellt ist, ist im Aufbau ähnlich zu dem in 1 gezeigten. Allerdings ist die Längsachse 27 des Füllstandsensors 9 bzw. seines sensitiven Elements, nämlich des Thermistors 15, senkrecht zum Boden 3 des Flüssigkeitsbehälters 1. In Abhängigkeit vom Flüssigkeitspegel kommt es zu einer unterschiedlichen Abkühlung des Thermistors. Diese Abkühlung ist proportional zum Füllstand. Das heißt, der Widerstand des Thermistors variiert je nachdem, ob beispielsweise ein erster Füllstand 21, ein zweiter Füllstand 23 oder der Füllstandschwellenwert 25 gegeben ist. In 2A ist ferner die Energieversorgung und Regelung des Füllstandsensors 9 dargestellt. Hierzu sind die Leiterbahnen 11, 13 über Steckkontakte 43 bzw. Steckverbindungen mit einem Steuergerät 25 und mit einer Energiequelle 47, wie zum Beispiel einer Batterie oder einem Elektromotor verbunden. Das Steuergerät 25, kann z.B. das Steuergerät eines Kraftfahrzeugs sein. Im Unterschied zu 1 ist der Flüssigkeitsbehälter 1 in 2 aus Kunststoff. Ein weiterer Unterschied zur 1 besteht darin, dass in 2 eine Isolationsschicht 17 auf dem Füllstandsensor 9 vorgesehen ist. Diese Isolationsschicht 17 schützt den Füllstandsensor 9 bzw. einen Teil davon gegebenenfalls vor einer leitfähigen Flüssigkeit 19 oder vor Verschleiß wie z.B. Korrosion.
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Der in 3 gezeigte Flüssigkeitsbehälter besteht aus einem leitenden Material und weist an seiner Innenwand 5 eine Schicht 7 mit einem elektrisch nicht leitfähigen Material auf. Die Schicht 7 isoliert den Füllstandsensor 9 gegenüber dem leitfähigen Material des Flüssigkeitsbehälters 1. Die elektrisch leitfähigen Leiterbahnen 11, 13 sind unmittelbar auf der Schicht 7 aufgespritzt.
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Der in 3 gezeigte Sensor ermittelt einen Füllstand anhand einer kapazitiven Messung. Hierzu ist zusätzlich zu der ersten Leiterbahn 11 eine zweite Leiterbahn 13 vorgesehen. Die elektrisch leitfähigen Leiterbahnen 11, 13 sind voneinander elektrisch isoliert und mäanderförmig bzw. kammartig angeordnet. Die am Füllstandsensor 9 gemessene Kapazität ist abhängig vom Füllstand im Flüssigkeitsbehälter 1. Der in 3B gezeigte kapazitive Füllstandsensor 9 ist geeignet, um eine kontinuierliche Füllstandsmessung durchzuführen.
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In 4 ist ein Kraftfahrzeug 33 mit einem Kraftstofftank 35 dargestellt. In einem vergrößerten Ausschnitt ist der im Kraftstofftank integrierte Speichertopf, auch als Dralltopf bezeichnet, dargestellt. Der erfindungsgemäße Flüssigkeitsbehälter 1 ist hier als Speichertopf ausgeführt und weist einen unmittelbar auf einer Innenwand 5, die aus Kunststoff besteht, aufgespritzten Füllstandsensor 9 auf.
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In 5 ist ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem erfindungsgemäßen Flüssigkeitsbehälter 1, der als AdBlue-Flüssigkeitsbehälter ausgeführt ist, dargestellt. Der AdBlue-Flüssigkeitsbehälter 1 ist dabei über ein Versorgungsmodul 41 und einen Filter 39 mit einem SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction) verbunden.
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Abschließend wird angemerkt, dass Ausdrücke wie „aufweisend“ oder ähnliche nicht ausschließen sollen, dass weitere Elemente oder Schritte vorgesehen sein können. Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Außerdem können in Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Merkmale beliebig miteinander kombiniert werden. Es wird ferner angemerkt, dass die Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Umfang der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.
