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Die Erfindung betrifft einen Füllstandsensor zur Messung eines Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter, insbesondere zur Erfassung des Füllstands von Motoröl in einer Ölwanne eines Kraftfahrzeugs, mit mehreren Thermoelementen. Weiterhin betrifft eine die Erfindung einen Behälter zur Aufnahme einer Flüssigkeit, insbesondere eine Ölwanne in einem Kraftfahrzeug zur Aufnahme von Motoröl, und ein Verfahren zur Messung des Füllstands einer Flüssigkeit.
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Ein derartiger Füllstandssensor ist beispielsweise aus der
DE 20 2006 002 674 U1 bekannt. Der Füllstandssensor dient hier zur Messung des Füllstands eines Kraftstoffs in einem Kraftstofftank eines Kraftfahrzeugs. Die Thermoelemente sind in Reihe hintereinander geschaltet und bilden gemeinsam eine langgestreckte Thermosäule.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders einfach und robust aufgebauten Füllstandssensor der eingangs genannten Art zu schaffen. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Behälter zur Aufnahme einer Flüssigkeit, insbesondere eine Ölwanne in einem Kraftfahrzeug zur Aufnahme von Motoröl zu schaffen, dessen Flüssigkeitspegel besonders einfach und zuverlässig gemessen werden kann. Außerdem soll mit der Erfindung ein Verfahren zur Messung des Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter mit dem oben genannten Füllstandssensor geschaffen werden.
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Bei einem Füllstandssensor zur Messung eines Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter, insbesondere zur Erfassung des Füllstands von Flüssigkeiten in einem Aufnahmebehälter eines Kraftfahrzeugs, mit mehreren Thermoelementen, ist erfindungswesentlich vorgesehen, dass sich die Thermoelemente von unten nach oben erstrecken, dass die Thermoelemente unterschiedliche Höhen aufweisen und dass die Thermoelemente als thermoelektrische Generatoren ausgebildet sind,. Mit einem solchen Füllstandssensor kann eine besonders einfache und robuste Füllstandmessung erzielt werden. Thermoelemente, die vollständig in der Flüssigkeit sind, können dabei besonders gut erfasst werden. Bei diesen ergibt sich die maximale Spannung, die durch den Seebeck-Effekt erzeugt wird. Die einzelnen Thermoelemente sind unabhängig voneinander angeordnet und erstrecken sich im Wesentlichen vertikal von unten nach oben. „Im Wesentlichen vertikal” ist so zu verstehen, dass Abweichung von der Vertikalen bis zu 30°, insbesondere bis zu 10° möglich sind. Insbesondere sind die Thermoelemente im Bereich des Füllstandssensor nicht überlappend und kreuzungsfrei, insbesondere berührungsfrei. Dies gilt insbesondere bei Einbringung der Thermoelemente in einer Ebene. Wenn die Thermoelemente durch entsprechende Schutzschichten und Ummantelungen einander kreuzen, dabei jedoch thermisch und insbesondere elektrisch unabhängig voneinander sind, so liegt auch dies im Rahmen der Erfindung. Bevorzugt sind alle Thermoelemente am Boden des Behälters angeordnet, der als ”kalte Seite” dient. Die Thermoelemente enden in unterschiedlichen Höhen, so dass für verschiedene Höhen jeweils festgestellt werden kann, ob das Thermoelement überflutet ist oder nicht. Die Messung bzw. die Genauigkeit der Messung hängt daher von der Anzahl der Thermoelemente und dem Abstand der oberen Enden der verschiedenen Thermoelemente voneinander ab. Dadurch, dass die Thermoelemente als thermoelektrische Generatoren ausgebildet sind, kann gegebenenfalls auf eine externe Energieversorgung verzichtet werden. Dabei wird ausgenutzt, dass bei Messung einer Flüssigkeit, die eine höhere Temperatur als ihre Umgebung hat, die von der Flüssigkeit bedeckten Thermoelemente einen Temperaturunterschied an ihren Enden aufweisen. Durch den Seebeck-Effekt wird somit in diesen Thermoelementen eine elektrische Spannung erzeugt, die neben der Messung auch zur Energieversorgung des Füllstandssensors eingesetzt werden kann. Somit kann der Füllstandssensor unabhängig von externen Energiequellen betrieben werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Füllstandssensor eine Sendeeinrichtung zum kabellosen Übertragen von Messdaten auf. Die Sendeeinrichtung weist beispielsweise eine Funkeinrichtung auf, mit der die Messdaten übertragen werden können. Dabei können verschiedene Funkstandards zum Einsatz kommen. In Verbindung mit der autarken Energieversorgung über thermoelektrische Generatoren kann somit auf sämtliche Verkabelung des Füllstandssensors verzichtet werden. Dies ermöglicht eine erheblich einfachere und somit zeit- und kostensparende Montage des Füllstandssensors.
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Die Thermoelemente sind bevorzugt alle bis zum Boden des Behälters geführt und weisen dort ihren Kontaktpunkt an der ”kalten Seite” auf. Der Füllstandssensor ist insbesondere geeignet für eine Füllstandsmessung von warmen oder heißen Flüssigkeiten. Insbesondere bei der Füllstandsmessung von Motoröl ist der Füllstandssensor mit besonderem Vorteil einsetzbar, da hier die Temperaturunterschiede besonders deutlich sind. Die ”kalte Seite” kann dabei Temperaturen im Bereich von 30°C haben, während an denn gegenüberliegende Ende des Thermoelements im Öl etwa 100°C und bei niedrigerem Ölstand, also wenn das obere Ende des Thermoelements in der Luft ist, dort etwa 60°C anliegen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Füllstandssensor einen Grundkörper auf, auf dem die Thermoelemente angeordnet sind. Bevorzugt sind die Thermoelemente darauf im Wesentlichen parallel angeordnet, d. h. mit Winkeln von weniger als 30°C, bevorzugt von weniger als 10°C zueinander angeordnet. Bevorzugt ist der Grundkörper nach oben etwas schmaler werdend ausgebildet, so dass die darauf angeordneten Thermoelemente nicht absolut parallel, sondern unter den genannten Winkeln zueinander geneigt sind. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Thermoelemente parallel zueinander angeordnet. Bevorzugt sind die Thermoelemente untereinander überschneidungsfrei, insbesondere kontaktfrei.
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Die Thermoelemente sind auf den Grundkörper aufgedruckt. Weiterhin ist es günstig, in dem Grundkörper Vertiefungen vorzusehen, in denen die Thermoelemente aufgenommen sind. Die Thermoelemente können in diesen Vertiefungen aufgedruckt sein oder auf andere Weise dort eingelegt sein.
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In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Thermoelemente mit einer Schutzschicht abgedeckt. Man kann hier auch von einer Versiegelungsschicht sprechen. Wenn die Thermoelemente in den Vertiefungen angeordnet sind, ist die Schichtdicke dieser Schutzschicht bevorzugt so dick, dass die Schutzschicht bündig mit der Oberfläche des Grundkörpers abschließt. Bevorzugt hat die Schutzschicht eine Dicke von mindestens 50% der Dicke des Thermoelements.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Füllstandssensor mindestens fünf unterschiedlich hohe Thermoelemente auf. Besonders bevorzugt sind mindestens sieben, insbesondere mindestens neun Thermoelemente vorgesehen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Füllstandssensor mindestens eine Energiespeichereinrichtung zur zumindest zwischenzeitlichen Speicherung der von den Thermoelementen erzeugten elektrischen Energie auf. Bei der Energiespeichereinrichtung kann es sich beispielsweise um einen Akkumulator oder auch um einen Kondensator handeln. Diese können die Energie aus den Thermoelementen speichern, die dann beispielsweise zur Energieversorgung der Sendeeinrichtung zur Verfügung stehen kann.
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Weiterhin betrifft die Erfindung einen Behälter zur Aufnahme einer Flüssigkeit, insbesondere eine Ölwanne in einem Kraftfahrzeug zur Aufnahme von Motoröl, wobei dem Behälter der oben beschriebene Füllstandssensor zugeordnet ist.
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Bevorzug weist der Behälter ein Ablasselement im Bodenbereich auf. Im Fall einer Ölwanne ist dies bevorzugt eine Ölablassschraube. Der Füllstandssensor ist bevorzugt auf dem Ablasselement angeordnet. Dadurch ist eine besonders einfache Montage und Demontage des Füllstandssensors möglich. Der Durchmesser des Füllstandssensors ist dabei kleiner als der Durchmesser des Ablasselements.
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Die Auswertung erfolgt verfahrensmäßig bevorzugt in der Form, dass die Spannung der einzelnen Thermoelemente aufsummiert wird und aus der so erhaltenen Gesamtspannung unmittelbar entnommen wird, wie viele Thermoelemente auch mit ihrem oberen Ende überflutet sind. Dadurch ist ein Rückschluss auf den Füllstand möglich. Die gemessene Spannung wird in Korrelation zu einem Füllstandsbereich gesetzt. Das Ergebnis ist eine mit steigendem Füllstand in Form einer Treppenfunktion steigende Spannung. Es kann also angegeben werden, in welchem Bereich sich der Füllstand befindet, wobei der Bereich jeweils durch zwei Höhen benachbarter Thermoelemente definiert wird.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens wird die von den Thermoelementen ausgehende elektrische Spannung zumindest teilweise zum Betrieb des Füllstandssensors genutzt. Dabei werden die Thermoelemente zum einen bei der Messung zur Bestimmung des Füllstandes genutzt, zum anderen werden die Thermoelemente über den Seebeck-Effeckt als thermoelektrische Generatoren zur Energiegewinnung genutzt. Mit der gewonnenen Energie kann beispielsweise der Füllstandssensor betrieben werden, so dass ein energieautarker Betrieb ermöglicht sein kann. Die Nutzung der Thermoelemente zur Energiegewinnung ist nur bei zu messenden Flüssigkeiten möglich, die eine höhere Temperatur als ihre Umgebung aufweisen.
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Insgesamt handelt es sich um einen besonders günstigen Füllstandssensor, da ein besonders einfacher Aufbau möglich ist, durch den eine robuste und kostengünstige Messung ermöglicht wird. Mit dem Füllstandssensor kann sowohl eine statische als auch eine dynamische Messung durchgeführt werden. Die Messtoleranz ist zudem im gesamten Messbereich gleich. Durch die Möglichkeit des Aufdruckens der Thermoelemente und den Schutz der Thermoelemente durch eine Schutzschicht, ist der Sensor und sind sämtliche sensierenden Bereiche außerhalb des Mediums. Der Sensor ist daher robust gegen Verschmutzungen und aggressive Medien. Der Füllstandssensor ist auch vergleichsweise unempfindlich gegen einen schrägen Einbau. Die Messung an sich wird dadurch nicht in Frage gestellt. Es wird nach wie vor eine Messung vorgenommen, die eine leichte Ungenauigkeit dadurch erfährt, dass die Höhe der Thermoelemente durch die schräge Einbaulage nicht genau der vorhergesagten entspricht.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Im Einzelnen zeigen die schematischen Darstellungen in:
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1: Eine schematische geschnittene Seitenansicht eines Behälters mit einem darin aufgenommenen Füllstandssensor; und
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2: einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Füllstandssensor.
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In 1 ist ein Füllstandssensor 1 dargestellt, der in einem Behälter 2 angeordnet ist. Dies kann beispielsweise eine Ölwanne in einem Kraftfahrzeug sein. Der Füllstandssensor weist insbesondere einen Grundkörper 10 auf, auf dem mehrere Thermoelemente, bevorzugt zwischen fünf und 10 Thermoelemente angeordnet sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind drei Thermoelemente 4, 5 und 6 dargestellt. Jedes Thermoelement besteht aus einer Thermoelementpaarung, mit einem Leiter 8 aus einem ersten Metall und einem Leiter 9 aus einem zweiten Metall. Die beiden Leiter 8 und 9 sind an zwei freien Enden miteinander verbunden. Der obere Kontaktpunkt 7 der beiden Leiter 8, 9 aus dem ersten Metall und dem zweiten Metall ist hier zu sehen. Dieser obere Kontaktpunkt 7 ist bei den verwendeten Thermoelementen 4, 5 und 6 unterschiedlich hoch. Die unteren Kontaktpunkte des ersten Leiters 8 und des zweiten Leiters 9 sind hier nicht zu sehen, da diese im Bereich eines Bodens 3 des Behälters 2 angeordnet sind. Hier sind sie in einem Ablasselement 12 angeordnet, das den Grundkörper 10 aufnimmt. Der Grundkörper 10 ist in dieser dargestellten Ausführungsform nach oben etwas zulaufend ausgebildet. Die einzelnen Thermoelemente 4, 5 und 6 sind unabhängig voneinander elektrisch angeschlossen. Die Thermoelemente 4, 5 und 6 sind im Wesentlichen parallel angeordnet, d. h. sie haben bei der Ausführungsform mit dem nach oben etwas zulaufenden Grundkörper 10 einen Winkel von weniger als 30°, bevorzugt von weniger als 10° zueinander. Auf dem Grundkörper 10 sind die Thermoelemente 4, 5 und 6 überschneidungs- oder überlappungsfrei angeordnet. Der Grundkörper 10 ist auf einem Ablasselement 12 angeordnet. Dieses Ablasselement 12 kann als Ölablassschraube ausgebildet sein. Hier ist ein Gewinde 11 angedeutet, mit dem das Ablasselement 12 in den Boden 3 des Behälters 2 eingeschraubt ist. Es ist eine ringförmige Dichtung 13 vorgesehen, mit dem das Ablasselement 12 gegen den Behälter 2 abdichtet.
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Wenn in dem Behälter 2 keine Flüssigkeit vorhanden ist, so sind alle Kontaktpunkte 7 außerhalb der Flüssigkeit und die Thermoelemente 4, 5, 6 zeigen alle die gleiche Spannung, da bei allen dieselbe Temperaturdifferenz zwischen dem Kontaktpunkt im Bodenbereich und dem oberen Kontaktpunkt 7 vorliegt. Bei steigendem Flüssigkeitsspiegel und unterschiedlicher Temperatur zwischen der Flüssigkeit und der umgebenden Luft ändert sich bei Überschreiten des Kontaktpunkts 7 des Thermoelements 4 dessen Ausgangsspannung. Dadurch kann festgestellt werden, dass sich der Füllstand in einem Bereich B1, also zwischen dem Kontaktpunkt 7 des ersten Thermoelements 4 und dem Kontaktpunk 7 des zweiten Thermoelements 5 befindet. Steigt der Füllstand weiter und überschreitet die Höhe des Kontaktpunkts 7 des zweiten Thermoelements 5, so kann festgestellt werden, dass sich der Füllstand im Bereich B2 befindet. Durch Verwendung weiterer Thermoelemente kann der Messbereich erweitert und/oder die Genauigkeit der Füllstandsmessung erhöht werden.
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Die Messung erfolgt erfindungsgemäß in der Form, dass Spannungen der einzelnen Thermoelemente 4, 5 und 6 aufaddiert werden. Bei Überschreiten jeden Kontaktpunkts 7 der einzelnen Thermoelemente steigt die gemessene Gesamtspannung stufenförmig oder treppenförmig an. Dieser Anstieg wird einem Füllstand in einem bestimmten Bereich B zugeordnet.
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In 2 ist ein Querschnitt durch einen Grundkörper 10 dargestellt, wobei im Bereich dieses Querschnitts nur ein Thermoelement 6 angeordnet ist. In dem Grundkörper 10 ist eine Vertiefung 15 vorgesehen. In dieser Vertiefung 15 ist das Thermoelement 6 eingebracht, insbesondere auf dem Boden der Vertiefung 15 aufgedruckt. Auf das Thermoelement 6 ist eine Schutzschicht 16 aufgebracht. Diese Schutzschicht 16 stellt eine Versiegelung dar. Der Grundkörper 10 besteht bevorzugt aus Kunststoff. Die Schutzschicht 16 besteht bevorzugt ebenfalls aus Kunststoff, bevorzugt aus demselben Kunststoff wie der Grundkörper 10. Die Dicke des Thermoelements 6 ist größer als die Dicke der Schutzschicht 16. Die Dicke der Schutzschicht 16 ist jedoch größer als die halbe Dicke des Thermoelements 6. Die Schutzschicht 16 schließt bündig mit der Oberseite des Grundkörpers 10 ab.
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Alle in der vorstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen genannten Merkmale sind in einer beliebigen Auswahl mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs kombinierbar. Die Offenbarung der Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt, vielmehr sind alle im Rahmen der Erfindung sinnvollen Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202006002674 U1 [0002]
