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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion von Flüssigkeit in einem Luftfilter sowie einen Luftfilter.
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In Kraftfahrzeugen sind zumeist Luftfilter vorgesehen, um die eintretende Luft vor dem Ansaugen in den Vergaser oder in die Zylinder beziehungsweise bei der Einleitung in eine Brennstoffzelle zu reinigen. Beim Betrieb von Fahrzeugen kommt es häufig vor, dass der Luftfilter Wasser aufnimmt und somit Wasser in den Ansaugtrakt und auch in das Aggregat gelangen kann. Im Winter besteht dabei zusätzlich das Problem, dass es sich bei der Flüssigkeit im Luftfilter nicht um reines Wasser handelt, sondern um mit Salz vermischtes Wasser. Eine ähnliche Situation stellt sich auch beim Betrieb in Küstennähe ein.
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Während bei Verbrennungskraftmaschinen das durchtretende Wasser problematisch sein kann, ist für eine Brennstoffzelle das mit dem Wasser durch den Luftfilter tretende Salz problematisch.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den Betrieb des Luftfilters zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Luftfilter gemäß Anspruch 1, einer Vorrichtung zur Detektion von Flüssigkeit gemäß Anspruch 5 beziehungsweise einem Verfahren zur Detektion von Flüssigkeit gemäß Anspruch 8.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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Der erfindungsgemäße Luftfilter umfasst mindestens zwei Messkontakte, eingerichtet zur Messung einer elektrischen Leitfähigkeit eines Bereichs des Durchströmungsbereiches. Beispielsweise mittels Transportmessungen aus Strom, Spannung und Geometrie des Messaufbaus kann die elektrische Leitfähigkeit bestimmt werden. Für den geometrischen Messaufbau wird insbesondere die Fläche des Durchströmungsbereiches sowie der Abstand der Messkontakte zueinander berücksichtigt. Anhand der Messung der elektrischen Leitfähigkeit kann ein Durchbruch beziehungsweise eine Filtersättigung durch eine Flüssigkeit im Luftfilter detektiert werden.
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An einer oder mehreren Stellen im Luftfilter, die als erste Durchtrittsstelle für Flüssigkeiten bestimmt wurden, wird der Widerstand oder Strom über das Filtermaterial gemessen. Sobald der Flüssigkeitsgehalt an diesen Stellen ansteigt, sinkt der gemessene Widerstand beziehungsweise fließt Strom. Je mehr Wasser dabei im Filter vorhanden ist, desto geringer ist der gemessene Widerstand beziehungsweise desto höher ist der gemessene Strom. Tritt nun neben dem Wasser auch im Wasser gelöstes Salz auf, so steigt die Leitfähigkeit des Filters ebenfalls an.
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Die Messkontakte können zu einer Austrittsfläche des Durchströmungsbereiches beabstandet sein. Somit findet die Messung nicht an der Austrittsfläche oder Außenseite des Filters statt, sondern im Inneren des Luftfilters, so dass Flüssigkeit in dem Luftfilter noch vor einem Durchbruch detektiert werden kann. Somit kann die Situation eines bevorstehenden Durchtretens von Wasser bei dem Luftfilter erkannt werden und gegebenenfalls kann auf diese Situation reagiert werden, beispielsweise durch eine Wartungsaufforderung an den Fahrzeugführer.
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Mindestens zwei Messkontakte können in einer Ebene senkrecht zu der Durchströmungsrichtung angeordnet sein. Dies erlaubt die Überwachung eines großen Bereichs oder Gebiets des Durchströmungsbereiches bis hin zu dem gesamten Durchströmungsbereich. Es ist möglich, bestimmte Bereiche, in denen ein Wasserdurchbruch bevorzugt stattfinden könnte, gezielt zu überwachen.
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Mindestens zwei Messkontakte können in einer Ebene parallel zu der Durchströmungsrichtung angeordnet sein. Auch diese Messanordnung kann gezielt für einen bestimmten Bereich des Luftfilters beziehungsweise des Durchströmungsbereiches angewendet werden. Hier ist die Durchtrittsrichtung des Wassers parallel oder identisch zu der Messstrecke zwischen den mindestens zwei Messkontakten. Diese Anordnung erlaubt insbesondere eine zeitliche Betrachtung der Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit über die Messstrecke oder den Messbereich.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion von Flüssigkeit in einem Luftfilter, aufweisend einen Luftfilter wie zuvor beschrieben und eine Messvorrichtung, umfasst einen ersten Messeingang der Messvorrichtung mit einem ersten Messkontakt und einen zweiten Messeingang der Messvorrichtung, der mit einem zweiten Messkontakt elektrisch verbunden ist, wobei die Messvorrichtung eingerichtet ist, einen Widerstand, eine Spannung und/oder einen Strom zwischen den Messkontakten zu messen. Es gelten die gleichen Vorteile und Modifikationen wie zuvor beschrieben.
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Anhand der Messung von Widerstand, Spannung und/oder Strom kann die Sättigung des Luftfilters mit einer Flüssigkeit wie Wasser detektiert werden. Anfänglich, das heißt bei einem vollständig trockenen Luftfilter, kann der Widerstand unendlich sein beziehungsweise die Spannung und/oder der Widerstand können einen Maximalwert annehmen. Der Strom hingegen kann gleich Null oder bei einem Minimalwert sein. Sobald der Flüssigkeitsgehalt an den Messstellen beziehungsweise in der Messstrecke ansteigt, sinkt der gemessene Widerstand, die Stromstärke eines fließenden Stroms erhöht sich. Aus den Messwerten kann entweder direkt oder über ein Kennfeld, welches beispielsweise in einem Kalibrierungsverfahren erstellt worden ist, auf den Wasseranteil in dem Messbereich des Luftfilters geschlossen werden. Über die Anordnung des Messbereichs in dem Durchströmungsbereich des Luftfilters können gezielte Aussagen hinsichtlich der verbleibenden Lebenserwartung des Luftfilters und/oder eines bevorstehenden Wasserdurchbruchs des Luftfilters getroffen werden. Ebenso ist es möglich, mehrere Messstrecken oder Messbereiche auszubilden, wobei dann die Messung für jeden der Bereiche beziehungsweise der Messstrecken durchgeführt wird.
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Die Messvorrichtung kann in einem Steuergerät eines Kraftfahrzeugs integriert sein. Aufgrund der häufig wechselnden und teils schwierigen Umweltbedingungen ist die Vorrichtung insbesondere für ein Kraftfahrzeug geeignet. Die Vorrichtung kann auch in stationären Anwendungen wie zum Beispiel bei einem Kraftwerk oder an einem Notstromaggregat zum Einsatz gelangen. Alle Anwendungen, welche ähnliche Anforderungen an die Zuluft stellen, sind für die Vorrichtung geeignet.
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Ein Vorrichtung, beispielsweise ein Schalter, kann in einer Leitung zwischen der Messvorrichtung und einem Messkontakt vorgesehen sein, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, die Leitung zu unterbrechen, wenn die Leitung stromführend ist. Damit kann ein Entladen einer Batterie, beziehungsweise einer Kraftfahrzeugbatterie, durch den geringen, ansonsten fließenden Messstrom verhindert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst an mindestens zwei Messkontakten des Luftfilters eine gemessene elektrische Leitfähigkeit eines Bereichs des Durchströmungsbereiches und basierend auf der Messung kann eine Flüssigkeits-Filtersättigung des Luftfilters bestimmt werden.
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Die Flüssigkeits-Filtersättigung des Luftfilters kann auf den gesamten Luftfilter, das heißt den vollständigen Querschnitt des Durchströmungsbereichs, oder auf einen bestimmten Bereich, wie einen Messbereich oder eine Messstrecke, bezogen sein. Es gelten die gleichen Vorteile und Modifikationen wie zuvor beschrieben.
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Ein Grenzwert kann für die elektrische Leitfähigkeit definiert werden und bei Überschreiten des Grenzwerts kann ein Hinweis, insbesondere eine Wartungsaufforderung, erzeugt werden. Es ist ebenso möglich, einen Grenzwert für den Widerstand, die Spannung und/oder den Strom zu definieren und dann entsprechend bei Überschreiten oder Unterschreiten des Grenzwerts eine Wartungsaufforderung oder einen Hinweis zu generieren. Die Verwendung eines Grenzwertes erhöht die Sicherheit und kann die Signalverarbeitung vereinfachen, da zur Auswertung lediglich ein Grenzwert beziehungsweise eine Information bezüglich des Grenzwertes, wie zum Beispiel Grenzwert überschritten oder Grenzwert unterschritten, übertragen werden muss und nicht ständig Messwerte übertragen werden müssen.
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Ein Grenzwert kann für die elektrische Leitfähigkeit definiert werden und bei Überschreiten des Grenzwerts wird ein bevorstehender Flüssigkeitsdurchbruch detektiert. Über die Entfernung des Messbereichs beziehungsweise der Messkontakte zu der Austrittsfläche des Durchströmungsbereichs kann zusätzlich die Zeit bis zum tatsächlichen Eintritt des Flüssigkeitsdurchbruchs abgeschätzt werden. Ist ein bevorstehender Flüssigkeitsdurchbruch detektiert, können Maßnahmen zum Austausch des Luftfilters und/oder zum Schutz der stromabwärts des Luftfilters angeordneten Komponenten ergriffen werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion von Flüssigkeit umfasst, dass die Messkontakte an einem flüssigkeitsaufnehmenden Material angeordnet sind und dass die Messkontakte in oder nach dem Luftfilter angeordnet sind. Eine weitere Ausführungsvariante ist zum Beispiel ein Vliesstreifen, an welchem eine Spannung (zum Beispiel 12 V) anliegt. Das Messprinzip ist dasselbe, wie oben beschrieben.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine dreidimensionale Darstellung eines Luftfilters mit einer Messebene;
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2 eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung für den Luftfilter,
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3 eine weitere schematische Darstellung einer Messvorrichtung für den Luftfilter, und
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4 eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung zur Einbringung an oder nach den Luftfilter.
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1 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Luftfilter 10, wie er beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich eingesetzt werden kann. Die in 1 gewählte quaderförmige Darstellung des Luftfilters 10 ist lediglich beispielhaft. Ebenso können andere Formen des Luftfilters 10, wie zum Beispiel zylinderförmige oder Torus-förmige Ausgestaltungen verwendet werden. Der Luftfilter 10 hat eine Durchströmungsrichtung 12, gemäß der Luft durch den Luftfilter 10 strömt. Der Luftfilter 10 bietet einen Durchströmungsbereich 14 mit einer Eintrittsfläche 16 und einer Austrittsfläche 18. Die Luft oder der Luftstrom 12 tritt in die Eintrittsfläche 16 ein, durchläuft das Filtermaterial des Durchströmungsbereiches 14 und tritt an der Austrittsfläche 18 aus dem Durchströmungsbereich 14 beziehungsweise dem Luftfilter 12 wieder aus.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind die Eintrittsfläche 16 und die Austrittsfläche 18 parallel zueinander und rechteckig ausgebildet. Die Eintrittsfläche 16 und damit auch die Austrittsfläche 18 ist in diesem Ausführungsbeispiel senkrecht oder zumindest oder im Wesentlichen senkrecht zu der Durchströmungsrichtung 12 angeordnet. Andere, nicht dargestellte Ausführungsbeispiele können Luftfilter umfassen, bei denen die Eintrittsfläche und Austrittsfläche nicht parallel sind, die Eintrittsfläche und/oder die Austrittsfläche einen anderen als quadratischen Querschnitt und gegebenenfalls unterschiedliche Querschnitte aufweisen, und/oder die Flächennormale der Eintrittsfläche 16 nicht parallel zu der Durchströmungsrichtung 12 ist.
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Zwischen der Eintrittsfläche 16 und der Austrittsfläche 18 ist eine virtuelle Messebene 20 dargestellt. Der Begriff virtuell bedeutet hier, dass die Messebene 20 nicht physikalisch ausgebildet ist, sondern zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung dargestellt ist. Die Messebene 20 dient zur Anzeige, dass innerhalb dieser Messebene 20 oder über diese Messebene 20, das heißt stromaufwärts und stromabwärts der Messebene, gemessen wird. Aus Gründen der Übersichtlichkeit hat die Messebene 20 eine größere Erstreckung als die Eintrittsfläche 16 beziehungsweise die Austrittsfläche 18. Dies dient lediglich der besseren Darstellbarkeit. Tatsächlich entspricht die maximale Ausdehnung der Messebene 20 der Querschnittsfläche des Durchströmungsbereiches 14, was der Fläche der Eintrittsfläche 16 beziehungsweise der Austrittsfläche 18 entspricht. Die Messebene 20 kann auch kleiner sein als der Querschnitt des Durchströmungsbereiches 14. Weiterhin ist es möglich, dass mehrere Messebenen, beispielsweise zwei, drei oder vier, in Strömungsrichtung hintereinander in dem Luftfilter 10 angeordnet sind.
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In 2 ist schematisch ein System beziehungsweise eine Vorrichtung 22 zur Detektion von Flüssigkeit in dem Luftfilter 10 dargestellt. Die Vorrichtung besteht aus einer Messvorrichtung 24 und dem lediglich schematisch dargestellten Luftfilter 10. Die Messvorrichtung 24 kann Bestandteil eines Steuergerätes 24 für ein Kraftfahrzeug sein, beispielsweise eines Motorsteuergerätes. Die Messvorrichtung 24 kann auch separat ausgebildet sein und mit einem derartigen Steuergerät verbunden sein. Ein Beispiel für eine separat ausgeführte Messvorrichtung ist in 4 dargestellt.
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Der Luftfilter 10 umfasst mehrere, in der virtuellen Messebene 20 angeordnete Messkontakte 28, die eine Messung einer elektrischen Leitfähigkeit zumindest eines Teils des Durchströmungsbereiches 14 ermöglichen. In 2 entspricht die Messebene 20 zudem einer Querschnittsebene des Durchströmungsbereichs 14. Die Messkontakte 28 können metallische oder metallisierte Kontaktflächen, Anschlüsse, Steckerverbindungen oder dergleichen umfassen. Die Messkontakte können auch beispielsweise durch Messsonden der Messvorrichtung 24 ausgebildet sein. Ein Beispiel für eine Messsonde ist in 4 dargestellt.
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Ein Messkontakt 28a und ein Messkontakt 28b sind einander gegenüberliegend, beispielsweise an den Außenkaten der Messebene 20 und damit an einer Außenseite des Durchströmungsbereiches 14 beziehungsweise des Luftfilters 10 angeordnet. Zwischen den beiden Messkontakten 28a und 28b ist ein Messbereich beziehungsweise eine Messstrecke 30 aufgespannt. Über eine Leitung 32 sind die Messkontakte 28a und 28b mit der Messvorrichtung 24 beziehungsweise dem Steuergerät 26 verbunden. Die Messvorrichtung 24 ist eingerichtet, den Widerstand des Messbereiches 30, die Spannung über den Messbereich 30 beziehungsweise den durch den Messbereich 30 fließenden Strom zu messen oder zu erfassen.
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Befindet sich keine Flüssigkeit in dem Messbereich 30, so ist der Widerstand je nach dem verwendeten Material des Luftfilters 10 unendlich oder auf einem hohen Wert. Mit zunehmender Flüssigkeit in dem Messbereich 30 sinkt der Widerstand beziehungsweise steigt die elektrische Leitfähigkeit an. Diese Änderung wird in der Messvorrichtung 24 erfasst. Bei Detektion von Flüssigkeit in dem Messbereich 30 beziehungsweise bei Überschreiten oder gegebenenfalls Unterschreiten eines Grenzwerts für den Widerstand, die Spannung, den Strom und/oder die elektrische Leitfähigkeit kann die Messvorrichtung 24 beziehungsweise das Steuergerät 26 beispielsweise eine Wartungsaufforderung oder einen bevorstehenden Flüssigkeitsdurchbruch an weitere Komponenten wie zum Beispiel ein Steuergerät oder eine Anzeigevorrichtung melden. Zudem kann eine in der Leitung 32 angeordnete Vorrichtung 34, beispielsweise ein Schalter, betätigt werden, sodass dieser öffnet. Dadurch ist der Stromkreis geöffnet, so dass kein weiterer Strom fließen kann. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, um eine Entleerung einer eventuell vorhandenen Batterie zu vermeiden.
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In der gleichen Messebene 20 können zwei weitere Messkontakte 28c und 28d angeordnet sein. Die Messkontakte 28c und 28d sind in einem weiteren Messbereich 30 angeordnet. Selbstverständlich kann dieser Messbereich 30 oder können weitere Messbereiche stromaufwärts oder stromabwärts dieser in 2 dargestellten Messebene 20 angeordnet sein. Die Begriffe stromaufwärts oder stromabwärts beziehen sich auf die Durchströmungsrichtung 12. In der Darstellung in 2 bedeutet stromaufwärts oberhalb der dargestellten Messebene 20 und der Begriff stromabwärts unterhalb der dargestellten Messebene 20. Die beiden Messkontakte 28c und 28d sind an eine Messvorrichtung 24 angeschlossen. Die Messvorrichtung 24 kann identisch zu der Messvorrichtung 24 sein, die in dem Steuergerät 26 angeordnet ist.
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Die beiden Messkontakte 28c und 28d sind nicht an einer Kante der Messebene 20, sondern innerhalb der Messebene 20 und damit auch innerhalb des Luftfilters 10 angeordnet. Die Messkontakte 28c und 28d können identisch zu den Messkontakten 28a und 28b ausgebildet sein. Zur besseren elektrischen Kontaktierung der Messkontakte 28c und 28d können hier nicht dargestellte Kabelverbindungen zur Außenseite des Luftfilters 10 vorhanden sein.
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Die Funktionalität der Messkontakte 28c und 28d beziehungsweise des Messbereichs 30 entspricht derjenigen der Messkontakte 28a und 28b. Die genaue Anordnung der einzelnen Messkontakte 28 und damit der Definition der Messbereiche oder Messstrecken 30 kann auf bestimmte kritische Bereiche ausgerichtet sein, in denen die Häufigkeit von Wasserdurchbrüchen erhöht ist.
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In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 22 mit Luftfilter 10 und Messvorrichtung 24 dargestellt. Im Gegensatz zu 2 sind die Messkontakte 28e und 28f nicht innerhalb der Messebene 20 angeordnet, sondern stromaufwärts (Messkontakt 28e) und stromabwärts (Messkontakt 28f) der Messebene 20. Der derart aufgespannte Messbereich oder die aufgespannte Messstrecke 30 verläuft somit parallel zu der Durchströmungsrichtung 12. Oder anders ausgedrückt, ist die Flächennormale des Messbereiches 30 senkrecht zu der Durchströmungsrichtung 12.
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Während bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der von der Messung erfasste oder überwachte Querschnittsbereich des Luftfilters 10 kleiner ist (im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel von 2), kann hier nicht nur der Eintritt von Flüssigkeit in den Messbereich 30 erfasst werden, sondern auch der zeitliche Verlauf des Vordringens der Flüssigkeit in Richtung der Durchströmungsrichtung 12.
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Dabei wird Flüssigkeit zuerst am Messkontakt 28e in den Messbereich 30 eintreten, wodurch sich die elektrische Leitfähigkeit geringfügig erhöht. Mit zunehmendem Eindringen von Wasser in den Messbereich 30 wird sich die elektrische Leitungsfähigkeit weiter erhöhen, bis sie bei einem Wasserstand bis zum Messkontakt 28f ein Maximum erreicht. Das weitere Vordringen des Wassers oder der Flüssigkeit beeinflusst die elektrische Leitfähigkeit innerhalb des Messbereichs 30 und damit den Messwert nicht weiter. Somit sind Aussagen über das Fortschreiten und damit über den zeitlichen Verlauf des Eindringens von Flüssigkeit in den Luftfilter 10 möglich.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung oder Messsonde 36, die in oder nach, das heißt stromabwärts, einem Luftfilter angeordnet ist. Die Messsonde 36 umfasst einen Messstreifen beziehungsweise ein flüssigkeitsaufnehmendes Material wie Vlies 38. An dem Vlies 38 sind zwei Messkontakte 28g und 28h angeordnet. Das Vlies 38 und/oder die Messkontakte 28g und 28h sind an einem Grundträger 40 befestigt. Die Messkontakte 28g und 28h sind elektrisch mit einem Kabel 42 verbunden, über das die Messsonde 36 elektrisch angeschlossen wird. An den Messkontakten 28g und 28h kann eine Spannung, zum Beispiel in Höhe von 5, 12 oder 24 Volt angelegt werden. Bei Aufnahme von Flüssigkeit durch das Vlies 38 ändern sich, wie zuvor beschrieben, die elektrischen Eigenschaften des Vlieses 38 beziehungsweise der Messstrecke zwischen den beiden Messkontakten 28g und 28h. Insbesondere ändern sich die elektrische Leitfähigkeit, der Widerstand, die Spannung und/oder der Strom. Die Messsonde 36 kann über das Kabel 42 mit einer Messvorrichtung und/oder einem Steuergerät eines Kraftfahrzeugs verbunden sein, sodass die Auswertung von Daten der Messsonde 36 dort erfolgt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Luftfilter
- 12
- Durchströmungsrichtung
- 14
- Durchströmungsbereich
- 16
- Eintrittsfläche
- 18
- Austrittsfläche
- 20
- Messebene
- 22
- Vorrichtung
- 24
- Messvorrichtung
- 26
- Steuergerät
- 28
- Messkontakt
- 30
- Messbereich
- 32
- Leitung
- 34
- Schalter
- 36
- Messsonde
- 38
- Vlies
- 40
- Grundträger
- 42
- Kabel