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Stand der Technik
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In vielen Industriezweigen ist es wichtig, einen bestimmten Reinheitsgrad einer Flüssigkeit, wie zum Beispiel eines Öls, eines Kühlmittels oder eines Kraftstoffes bereitzustellen, um einen sicheren Betrieb von Maschinen zu gewährleisten.
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Bei einigen Maschinen, wie zum Beispiel bei Zahnradgetrieben, kann es nach einer gewissen Betriebszeit zu einer Verunreinigung der die Maschine umgebenden Flüssigkeit kommen. Die zum Beispiel durch Abrieb entstehenden Partikel können zu Verstopfungen von Maschinenkomponenten oder zu Kurzschlüssen und Leckströmen in der Maschinenelektronik führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es kann daher ein Bedarf bestehen, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, die es ermöglichen, eine Verunreinigung einer Flüssigkeit rechtzeitig zu erkennen.
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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 einem Verunreinigungssensor für in der Flüssigkeit befindliche Partikel vorgestellt. Der Flüssigkeitsbehälter weist ein Behälterinneres, einen Behälterboden und einen Verunreinigungssensor mit einer ersten elektrisch leitfähigen Leiterbahn auf. Die elektrisch leitfähige Leiterbahn ist dabei am Boden des Flüssigkeitsbehälters angeordnet und gegenüber dem Behälterinneren elektrisch nicht isoliert.
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Anders ausgedrückt basiert die Idee der Erfindung darauf, an der tiefsten Stelle des Flüssigkeitsbehälters einen elektrisch leitfähigen Verunreinigungssensor vorzusehen, der in Abhängigkeit einer Konzentration, einer Anzahl einer Größe und/oder einer Zusammensetzung von in der Flüssigkeit im Flüssigkeitsbehälter befindlichen unerwünschten beispielsweise metallischen Partikeln eine elektrische Kenngröße, wie zum Beispiel seine Kapazität oder seinen Widerstand ändert, und dadurch eine Detektion einer Verunreinigung ermöglicht.
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Durch das Vorsehen des Verunreinigungssensors am Boden bzw. am tiefsten Punkt des Flüssigkeitsbehälters können sich die in der Flüssigkeit befindlichen Partikel auf Grund der Schwerkraft und eventuell ihres geringen Auftriebs in der Flüssigkeit am Verunreinigungssensor ablagern und dort detektiert werden.
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Der Flüssigkeitsbehälter kann beispielsweise eine Ölwanne, ein Kraftstoffaufnahmebehälter, wie zum Beispiel ein Kraftstofftank oder ein Speichertopf, ein Kühlwasserbehälter oder ein AdBlue-Flüssigkeitsbehälter sein. Entsprechend kann die im Flüssigkeitsbehälter befindliche Flüssigkeit ein Getriebeöl, ein Kraftstoff, eine Kühlflüssigkeit oder AdBlue-Flüssigkeit sein. 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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Die in der Flüssigkeit befindlichen Partikel können zum Beispiel metallische Partikel sein, die durch Abrieb eines Getriebes entstehen. Alternativ können die Partikel nichtmetallische Partikel, wie zum Beispiel Ölschlämme, sein.
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Der Verunreinigungssensor weist mindestens eine elektrisch leitfähige Leiterbahn auf, die zum Beispiel direkt in dem Boden des Flüssigkeitsbehälters integriert oder auf dem Boden des Flüssigkeitsbehälters angebracht werden kann. Diese erste elektrisch leitfähige Leiterbahn kann über Verbindungsleiterbahnen und einen Steckkontakt zum Äußeren des Flüssigkeitsbehälters und damit mit einer Energiequelle und einer Steuereinheit verbunden sein. An den Verbindungsleiterbahnen kann dabei zum Beispiel eine Isolationsschicht zum Inneren des Behälters vorgesehen sein. Die erste elektrisch leitfähige Leiterbahn ist dagegen gegenüber dem Behälterinneren leitend, also gegenüber dem Flüssigkeitsvolumen elektrisch nicht isoliert. Damit können sich die in der Flüssigkeit befindlichen Partikel, wie beispielsweise metallische Späne, die durch Abrieb von Getrieben entstehen, an die elektrisch leitfähige Leiterbahn anlagern und eine elektrische Kenngröße, wie zum Beispiel den Widerstand oder die Kapazität des Verunreinigungssensors, verändern.
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Die erste elektrisch leitfähige Leiterbahn kann beispielsweise einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich aufweisen und so gebogen sein, dass der erste und der zweite Bereich parallel zueinander in einem bestimmten Abstand verlaufen. Damit können sich die Partikel an die Leiterbahn anlagern bzw. den ersten Bereich und den zweiten Bereich überbrücken, so dass ein Kurzschluss entsteht und sich ein Widerstand des Verunreinigungssensors ändert.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die erste elektrisch leitfähige Leiterbahn auf den Boden des Flüssigkeitsbehälters aufgespritzt, gestanzt, als metallische Stromschiene montiert oder aufgedruckt. Dabei kann es vorteilhaft sein, die elektrisch leitfähige Leiterbahn bzw. den kompletten Verunreinigungssensor direkt in den Boden des Flüssigkeitsbehälters durch Aufspritzen zu integrieren. Hierzu kann zum Beispiel ein chemie- und maskenfreies Verfahren verwendet werden, bei dem das Metall der elektrisch leitfähigen Leiterbahn durch Erzeugen eines Plasmas auf den Boden des Flüssigkeitsbehälters aufgespritzt wird. Dadurch wird der Füllstandsensor mit dem Flüssigkeitsbehälter z.B. irreversibel verbunden. Die Verbindung kann dabei z.B. eine stoffschlüssige, mechanische Verbindung sein. Als Aufspritzverfahren kann zum Beispiel das Flamecon® Aufspritzverfahren eingesetzt werden.
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Ferner kann die elektrisch leitfähige Leiterbahn aus einem metallischen Material gestanzt werden und auf dem Boden des Flüssigkeitsbehälters aufgebracht und sofern notwendig befestigt werden. Alternativ kann der Verunreinigungssensor bzw. die elektrisch leitfähige Leiterbahn auf dem Boden des Flüssigkeitsbehälters aufgedruckt werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Flüssigkeitsbehälter ein elektrisch nicht leitfähiges Material auf. Die erste elektrisch leitfähige Leiterbahn ist dabei direkt auf dem elektrisch nicht leitfähigen Material aufgebracht.
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Der Flüssigkeitsbehälter kann dabei beispielsweise komplett aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material bestehen. Ferner kann der Flüssigkeitsbehälter Teilbereiche, wie zum Beispiel den Boden des Flüssigkeitsbehälters, aus elektrisch nicht leitfähigem Material aufweisen. Alternativ kann der Flüssigkeitsbehälter aus einem leitfähigen Material bestehen, welches im Inneren teilweise oder komplett mit einer Schicht aus nicht leitfähigem Material versehen ist. Das nicht leitfähige Material kann zum Beispiel Kunststoff, Glimmer, Pappe, Papier, Porzellan, Keramik oder eine Kombination dieser isolierenden bzw. sehr geringfügig leitfähigen Materialien sein.
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Durch das Vorsehen der elektrisch leitfähigen Leiterbahn bzw. mehrerer Leiterbahnen direkt auf dem elektrisch nicht leitfähigen Material ist die Leiterbahn und auch der Verunreinigungssensor gegenüber dem Flüssigkeitsbehälter elektrisch isoliert.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Verunreinigungssensor eine zweite elektrisch leitfähige Leiterbahn auf. Die zweite elektrisch leitfähige Leiterbahn ist dabei in einem ersten Abstand zur ersten elektrisch leitfähigen Leiterbahn auf dem Boden des Flüssigkeitsbehälters angeordnet. Der Abstand beider elektrisch leitfähigen Leiterbahnen kann dabei beispielsweise die kürzeste Verbindung der Leiterbahnen sein. Verlaufen zum Beispiel die erste und die zweite Leiterbahnen parallel zueinander, so ist der Abstand der Leiterbahnen die Länge der senkrechten Verbindung beider Leiterbahnen. Der erste Abstand beider Leiterbahnen kann zum Beispiel konstant sein oder variieren. Der erste Abstand kann ferner einem Abstand der einzelnen Mäanderwindungen bzw. Mäanderäste entsprechen, falls die Leiterbahnen mäanderförmig ausgeführt sind. Der erste Abstand kann zum Beispiel einer durchschnittlichen Größe der Verunreinigungspartikel entsprechen. Die durchschnittliche bzw. mittlere Größe der Partikel kann dabei zum Beispiel bei 0,1 mm bis 1 mm liegen.
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Die erste und die zweite elektrisch leitfähige Leiterbahn können in elektrischem Kontakt miteinander stehen. In diesem Fall ist eine Messung einer Widerstandsänderung des Verunreinigungssensors möglich, wenn sich ein Partikel an eine der beiden Leiterbahnen anlagert oder die erste und die zweite Leiterbahn vorzugsweise überbrückt. Alternativ kann die zweite elektrisch leitfähige Leiterbahn elektrisch von der ersten leitfähigen Leiterbahn isoliert sein. In diesem Fall kann bei elektrisch nicht leitfähigen Partikeln in der Flüssigkeit eine Kapazitätsänderung des Verunreinigungssensors gemessen werden, wenn sich ein Partikel an eine Leiterbahn anlagert bzw. die Leiterbahnen überbrückt.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Verunreinigungssensor eine dritte elektrisch leitfähige Leiterbahn auf, die in einem zweiten Abstand zur ersten elektrisch leitfähigen Leiterbahn auf dem Boden des Flüssigkeitsbehälters angeordnet ist. Dabei kann sich der erste Abstand vom zweiten Abstand unterscheiden. Beispielsweise ist der erste Abstand größer oder kleiner als der zweite Abstand. Auf diese Weise kann die Sensitivität bzw. Empfindlichkeit des Verunreinigungssensors für Partikel unterschiedlicher Größe erhöht werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die erste und/oder die zweite und/oder die dritte elektrisch leitfähige Leiterbahn mäanderförmig ausgeführt. Beispielsweise können die einzelnen Leiterbahnen kammförmig ineinandergreifen. Durch diese Ausgestaltung mit vielen Verzweigungen wird die Fläche des Verunreinigungssensors und damit seine Sensitivität erhöht.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Verunreinigungssensor bzw. seine elektrisch leitfähigen Leiterbahnen als flächige Gitter ausgeführt. Anders ausgedrückt weist der Verunreinigungssensor eine gewisse Ausdehnung in der Bodenebene bzw. auf der Bodenebene des Flüssigkeitsbehälters auf. Die elektrisch leitfähigen Leiterbahnen des Verunreinigungssensors bilden somit eine Gitterform. Zum Beispiel verlaufen hierzu mehrere elektrisch leitfähige Leiterbahnen parallel zueinander und weitere elektrisch leitfähige Leiterbahnen verlaufen senkrecht dazu. Die Abstände zwischen den einzelnen parallelen Leiterbahnen können variieren. Das Gitter kann dabei zum Beispiel den kompletten Boden des Flüssigkeitsbehälters abdecken. Alternativ kann das Gitter in Teilbereichen des Flüssigkeitsbehälterbodens vorgesehen sein.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Flüssigkeitsbehälter ferner ein magnetisches Material auf. Das magnetische Material ist dabei derart angeordnet, dass die Partikel in Richtung der elektrisch leitfähigen Leiterbahnen angezogen werden. Zum Beispiel kann das magnetische Material zwischen dem Boden des Flüssigkeitsbehälters und dem Verunreinigungssensor bzw. der ersten elektrisch leitfähigen Leiterbahn angeordnet sein. Das magnetische Material kann dabei zum Beispiel als ein oder mehrere Permanentmagnete ausgeführt sein. Das magnetische Material kann in einer Beschichtung auf dem Boden des Flüssigkeitsbehälters vorgesehen sein.
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Das magnetische Material kann beispielsweise in Form der Permanentmagnete oder in Form einer flächigen Beschichtung direkt im Boden des Flüssigkeitsbehälters aufgebracht sein bzw. direkt im Boden integriert sein. Eine Anbringung eines Permanentmagneten außerhalb des Behälters ist ebenso möglich. Ferner kann die Magnetwirkung auch durch einen Elektromagneten, hervorgerufen werden. Der Elektromagnet kann ebenfalls in der Gehäusewand integriert, im Behälter oder außen angebracht sein. Der Elektromagnet kann z.B. während des Betriebs Anlage zu der der Flüssigkeitsbehälter gehört, wie zum Beispiel während des Betriebs eines Fahrzeugs oder eines Getriebes, elektrisch eingeschaltet sein. Durch die Anordnung des magnetischen Materials unter dem Verunreinigungssensor in Bezug auf die Flüssigkeit können metallische Partikel aus der Flüssigkeit zum Verunreinigungssensor hingezogen werden, so dass die Konzentration der metallischen Partikel am Verunreinigungssensor steigt und diese besser detektiert werden können. Die magnetische Anziehung wirkt dabei zusätzlich zur Schwerkraft auf die Partikel.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Überwachung eines Verunreinigungsgrads einer Flüssigkeit in einem oben beschriebenen Flüssigkeitsbehälter dargestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Vorsehen einer ersten elektrisch leitfähigen Leiterbahn am Boden des Flüssigkeitsbehälters; Ermitteln einer von dem Verunreinigungsgrad der Flüssigkeit abhängigen elektrischen Kenngröße des Verunreinigungssensors; Ausgeben eines Warnsignals, sobald die ermittelte elektrische Kenngröße einen vorgebbaren Schwellenwert übersteigt.
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Der ermittelte bzw. gemessene Verunreinigungsgrad entspricht dabei zum Beispiel einer Konzentration der unerwünschten Partikel in der Flüssigkeit. Das ausgegebene Warnsignal kann beispielsweise ein akustisches oder ein optisches Signal, zum Beispiel an einen Fahrer eines Kraftfahrzeugs, sein. Die überwachte Flüssigkeit kann beispielsweise ein Getriebeöl oder ein Motoröl sein, in dem ein Verunreinigungsgrad durch Metallspäne ermittelt wird. In diesem Fall kann das Warnsignal beispielsweise die Notwendigkeit eines Ölwechsels andeuten. Der vorgebbare Schwellenwert kann beispielsweise durch eine Steuereinheit eines Kraftfahrzeugs vorgegeben und überwacht werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die elektrische Kenngröße ein Widerstand oder eine Kapazität des Verunreinigungssensors.
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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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1 zeigt einen Querschnitt durch einen Flüssigkeitsbehälter mit Verunreinigungssensor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung
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2 zeigt eine Draufsicht auf den Boden eines Flüssigkeitsbehälters gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung
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3 zeigt einen Querschnitt eines Flüssigkeitsbehälters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung
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4 zeigt eine Draufsicht auf den Boden eines Flüssigkeitsbehälters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung
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5 zeigt einen Querschnitt eines Flüssigkeitsbehälters gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung
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6 zeigt eine Draufsicht auf den Boden eines Flüssigkeitsbehälters gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung
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Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelation sind in den Figuren nicht maßstabgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.
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In 1 ist ein Flüssigkeitsbehälter 1 mit einem Verunreinigungssensor 9 am Beispiel einer Ölwanne mit einer Ölpumpe 31 und einem Ölstab 33 dargestellt. In dem Flüssigkeitsbehälter 1 ist eine Flüssigkeit 19, z.B. Getriebeöl, vorhanden. In der Flüssigkeit befinden sich Partikel 21, zum Beispiel Metallspäne. Der Flüssigkeitsbehälter 1 weist Wände 5, einen Boden 3 und ein Behälterinneres 6 auf.
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Am Boden 3 des Flüssigkeitsbehälters 1 ist ein Verunreinigungssensor 9 mit einer bzw. mehreren elektrisch leitfähigen Leiterbahnen 11, 13, 15 angeordnet. Im Querschnitt in 1 ist lediglich die erste elektrisch leitfähige Leiterbahn 11 sichtbar. Ferner weist der Verunreinigungssensor Verbindungsleiterbahnen 43 auf, die die sensitiven elektrisch leitfähigen Leiterbahnen 11, 13 und 15 über Steckkontakte 37 bzw. Steckverbindungen mit dem Äußeren des Flüssigkeitsbehälters 1 verbinden.
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In 3 ist ein weiteres Beispiel eines Flüssigkeitsbehälters 1 dargestellt, der zum Beispiel ein Kühlflüssigkeitsbehälter, ein Kraftstoffbehälter oder ein Ölbehälter sein kann. In dem Ausführungsbeispiel in 3 weist der Flüssigkeitsbehälter 1 eine Schicht 7 mit elektrisch nicht leitfähigem Material auf. Die Schicht 7 ist im Inneren des Flüssigkeitsbehälters 1 angeordnet. Direkt auf der Schicht ist der Verunreinigungssensor 9 aufgespritzt. 3 zeigt ferner, wie der Verunreinigungssensor 9 über Verbindungsleiterbahnen 43 und eine Steckverbindung 37 mit einer Energiequelle 41 und einem Steuergerät 39 verbunden ist. Des Weiteren wird in 3 deutlich, dass der Verunreinigungssensor 9 bzw. seine leitfähigen Leiterbahnen 11, 13 und 15 am tiefsten Punkt des Flüssigkeitsbehälters 1 angeordnet sind. Der Boden 3 des Flüssigkeitsbehälters 1 weist hier nämlich unterschiedliche Ebenen auf. Der Verunreinigungssensor 9 ist in der tiefstliegenden Ebene angeordnet.
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In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Flüssigkeitsbehälters 1 dargestellt. Dieser unterscheidet sich von den bereits oben beschriebenen dadurch, dass im Boden 3 des Flüssigkeitsbehälters 1 magnetisches Material und insbesondere Permanentmagnete 29 integriert sind. Die Magnete 29 üben auf die metallischen Partikel 21 zusätzlich zur Schwerkraft eine magnetische Anziehungskraft aus, so dass die Partikel 21 sich am Boden 3 bzw. am Verunreinigungssensor 9 konzentrieren. Ferner ist in 5 dargestellt, dass die Verbindungsleiterbahnen 43 mit Hilfe einer Isolationsschicht 17 gegenüber der Flüssigkeit 19 und den darin befindlichen Partikeln 21 elektrisch abgeschirmt sind.
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2, 4 und 6 zeigen eine Draufsicht auf den Boden 3 des Flüssigkeitsbehälters 1 und den darauf befindlichen Verunreinigungssensor 9 in unterschiedlichen Ausführungsformen. In 2 weist der Verunreinigungssensor 9 eine erste elektrisch leitfähige Leiterbahn 11 und eine zweite elektrisch leitfähige Leiterbahn 13 auf, die kammartig ineinandergreifen und zwischen den einzelnen Ästen einen ersten Abstand 23 aufweisen. Dieser erste Abstand 23 kann dabei einer mittleren bzw. durchschnittlichen Größe der zu detektierenden Partikel 21 entsprechen. Sind die zu detektierenden Partikel 21 aus Metall, beispielsweise Getriebemetallspäne, so können sich diese an der tiefsten Stelle des Flüssigkeitsbehälters 1 am Verunreinigungssensor 9 sammeln und teilweise die elektrisch leitfähigen Leiterbahnen 11 und 13 überbrücken. Dies führt zu einer messbaren Widerstandsänderung, die mittels eines Steuergeräts 39, wie zum Beispiel in 4 gezeigt, ausgewertet werden kann. Sind die Partikel 21 aus nicht leitendem Material, so kann bei einer Anlagerung der nicht leitenden Partikel an die elektrisch leitfähigen Leiterbahnen 11 und 13 eine Kapazitätsänderung gemessen werden. Dabei dienen die Leiterbahnen als kapazitive Platten. Bei einer Anlagerung ändert sich das Dielektrikum und damit die Kapazität des Kondensators.
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Im Unterschied zu 2 sind in 4 drei elektrisch leitfähige Leiterbahnen 11, 13, 15 dargestellt. Die zweite elektrisch leitfähige Leiterbahn 13 ist dabei in einem ersten Abstand 23 zur ersten elektrisch leitfähigen Leiterbahn 11 angeordnet. Die dritte elektrisch leitfähige Leiterbahn 15 ist in einem zweiten Abstand 25, der sich vom ersten Abstand 23 unterscheidet, zur ersten elektrisch leitfähigen Leiterbahn 11 angeordnet. Die Leiterbahnen sind in 4 ebenso wie in 2 mäanderförmig ausgestaltet. Durch die Variation des Abstands 23, 25 zwischen den Leiterbahnen 11, 13 und 15 kann die Empfindlichkeit des Verunreinigungssensors 9 für Partikel 21 mit unterschiedlicher Größe erhöht werden.
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In 6 ist die Ausgestaltung des Verunreinigungssensors 9 als flächiges Gitter 27 dargestellt. Dabei können sich die elektrisch leitfähigen Leiterbahnen 11, 13, 15 kreuzen. An Kreuzungspunkten ist die untere Leiterbahn durch z. B. eine Lackschicht von der darüber laufenden oberen Leiterbahn isoliert
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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.
