DE102015210845A1 - Sensoreinrichtung und Verfahren zur Überwachung eines Füllstands in einem Flüssigkeitsbehälter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Sensoreinrichtung (1) zur Überwachung eines Füllstands in einem Flüssigkeitsbehälter (5), umfassend ein Sensorelement (2) und einen Schwimmkörper (4), der wenigstens einen Permanentmagneten (3) aufweist, wobei die Sensoreinrichtung (1) in der Weise ausgestaltet ist, dass das Magnetfeld des Permanentmagneten (3) auf das Sensorelement (2) in Abhängigkeit eines Füllstands einer Flüssigkeit (6) in einem Flüssigkeitsbehälter (5) einwirkt und das Sensorelement (2) eine Spule (L) mit einem magnetisierbaren Kern (2.1) umfasst, wobei der magnetisierbare Kern (2.1) durch das Magnetfeld des Permanentmagneten (3) derart beeinflussbar ist, dass ein vom Abstand des Dauermagneten (3) zum Kern (2.1) abhängiges elektrisches Verhalten der Spule (L) erfassbar ist. Weiterhin beschreibt die Erfindung ein korrespondierendes Verfahren.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zur Überwachung eines Füllstands in einem Flüssigkeitsbehälter gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein korrespondierendes Verfahren gemäß Oberbegriff von Anspruch 8.
• Moderne Kraftfahrzeuge haben seit vielen Jahren Flüssigkeitsbehälter, beispielsweise für die Bremsflüssigkeit, das Scheibenwaschwasser oder den Ölstand. Diese Behälter besitzen im Allgemeinen eine Sensoreinrichtung zur Erkennung eines zu niedrigen Flüssigkeitsstandes. Dabei wird häufig mittels eines in einem Schwimmer angebrachten Magneten ein Reedkontakt oder ein magnetfeldsensitiver Sensor ausgelöst. Es sind Schalter bekannt, die über Schwimmer und Hebelarme oder Stößel Schalter unmittelbar betätigen. Weiterhin sind Schalter bekannt, welche mittels eines Schwimmkörpers und einem Dauermagneten Reedkontakte schalten oder elektronische Schaltsensoren anregen. Reedkontakte sind ferromagnetische Schaltelemente, die häufig in einem Glaskörper hermetisch dicht eingeschweißt und von einem Gas umgeben sind.
• Schwimmkörper können konstruktiv robust ausgeführt werden, sodass annähernd keine Fehlauslösungen getätigt werden und nicht erkannte Füllstände nahezu nie vorkommen. Jedoch können Reedkontakte (oder auch Halbleiter-Magnetfeldsensoren) Fehler aufweisen, welche elektrisch schwer erfasst werden können. Nachteilig ist insbesondere, dass ein Reedkontakt, welcher als Schließer beispielsweise einen zu geringen Bremsflüssigkeitsstand anzeigen soll, während des Fahrzeugbetriebs, unter der Voraussetzung eines hinreichenden Flüssigkeitsstandes, nicht auf sein Schließverhalten hin überprüft werden kann. Ein Reedkontakt, der über ein Magnetfeld geschlossen gehalten wird, kann bei ausreichendem Füllstand, ohne den Flüssigkeitsstand abzusenken, nicht auf einfache Weise auf die Schaltfähigkeit zum Öffnen getestet werden kann. Das Vorsehen zweier Reedkontakte zur Verbesserung der Prüfbarkeit bzw. Erhöhung der Sicherheit ist oft nicht möglich, da Fehler bei der Herstellung oder Verarbeitung, welche auf beide Reedkontakte kurz oder auch langfristig wirken können, nicht einfach erkannt werden können wenn der/die Schalter nicht aktiv ansteuerbar sind. Weiterhin können Undichtigkeiten des Glaskörpers längerfristig zu Ausfällen führen und schwer erkannt werden. Auch Überströme oder fertigungstechnisch vorkommende Glasperlen im Glaskörper können zu Störungen führen.
• Weitere bekannte Sensoreinrichtungen, die mit Schwimmermagnet und Hall-Sensoren realisiert sind, sind aufgrund ihres Platzbedarfes und Komplexität in der Montage nachteilig. Weiterhin ist eine Überprüfung der Funktionsfähigkeit eines Hall-Sensors nicht immer oder nur aufwendig möglich.
• Prinzipiell sind auch aufwändigere Füllstandssensoren bekannt, welche durch elektromagnetische HF-Felder Flüssigkeiten direkt, oder Metallteile bzw. Ferrite, die in Schwimmern untergebracht sind oder als Schwimmer dienen, detektieren können. Viele dieser Sensoren sind bei größeren Abständen, dann wenn beispielsweise die Flüssigkeit durch eine dickere Gehäusewandung und weiteren montagetechnischen Abstände vom Geber, z.B. Magneten oder Ferrit, getrennt sind, kaum mehr in der Lage, zuverlässig und störunempfindlich die gewünschte Information zu detektieren.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sensoreinrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem die Überwachung eines Füllstands eines Flüssigkeitsbehälters ausfallsicherer und in einfacher Weise prüfbar realisiert werden kann.
• Diese Aufgabe wird durch eine Sensoreinrichtung zur Überwachung eines Füllstands gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 8 gelöst.
• Die Erfindung beschreibt eine Sensoreinrichtung zur Überwachung eines Füllstands in einem Flüssigkeitsbehälter, umfassend ein Sensorelement und einen Schwimmkörper, der einen Permanentmagneten aufweist, wobei die Sensoreinrichtung in der Weise ausgestaltet ist, dass das Magnetfeld des Permanentmagneten auf das Sensorelement in Abhängigkeit eines Füllstands einer Flüssigkeit in einem Flüssigkeitsbehälter einwirkt und das Sensorelement eine Spule mit einem magnetisierbaren Kern umfasst, wobei der magnetisierbare Kern durch das Magnetfeld des Permanentmagneten derart beeinflussbar ist, dass ein vom Abstand des Dauermagneten zum Kern abhängiges elektrisches Verhalten der Spule erfassbar ist.
• Das Magnetfeld des Permanentmagneten wirkt auf den Dauermagneten in Abhängigkeit des Füllstandes der Flüssigkeit, wodurch sich das elektrische Verhalten (es wird hierbei nicht zwischen dem elektrischen und dem induktiven Verhalten der Spule unterschieden) der Spule in erfassbarer Weise ändert, da sich eine in Abhängigkeit des Abstandes des Dauermagneten zu dem Sensorelement bzw. der Spule und dem Kern unterschiedliche Sättigung des Kerns ergibt. Da die Spule unabhängig von der Position des Dauermagneten bezogen auf die Sensoreinrichtung ansteuerbar ist, ist eine kontinuierliche Prüfung vorteilhafterweise möglich. Weiterhin handelt es sich um einen vergleichsweise einfachen Aufbau ohne Glaskörper oder mechanisch bewegliche elektrische Kontakte, wodurch die Ausfallsicherheit verbessert werden kann. Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung kann somit eine Überwachung eines Flüssigkeitspegels in einem Flüssigkeitsbehälter in vorteilhafter Weise ausfallsicherer und in einfacher Weise prüfbar realisiert werden, als es beispielsweise für die Verwendung mit einem Reedkontakt der Fall wäre. Dies ist zudem von der konkreten Ausgestaltung der Sensoreinrichtung unabhängig, insbesondere, ob der Dauermagnet bei gefülltem oder entleertem Flüssigkeitsbehälter dem Sensorelement angenähert ist.
• Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung wenigstens ein Ansteuermittel zum Ansteuern der Spule mit unterschiedlich gerichteten Strömen und/oder Spannungen sowie zumindest ein Erfassungsmittel zur Erfassung eines bezogen auf die Richtung der Ströme und/oder Polarität der Spannungen richtungsabhängigen elektrischen Verhaltens der Spule. Durch die abstandsabhängige Sättigung des Kerns ergeben sich für diese unterschiedliche Stromrichtungen bzw. Spannungen ebenfalls abstandsabhängige elektrische Eigenschaften, welche in vorteilhafter Weise zur Realisierung Verwendung finden.
• Das Erfassungsmittel ist vorzugsweise zur Erfassung jeweils wenigstens eines die zeitlichen Verläufe der unterschiedlich gerichteten Ströme und/oder Spannungen im Einschaltvorgang repräsentierenden Messwertes ausgestaltet. Somit wird die sich mit der Sättigung des Kerns ändernde Zeitkonstante der Spule für die Positionsbestimmung herangezogen. Bevorzugt erfolgt die Erfassung des jeweils zumindest einen Messwertes der zeitlichen Verläufe mittels wenigstens eines Komparators. Alternativ oder in Ergänzung kann der Messwert durch wiederholtes Abtasten mit einem oder mehreren AD-Wandlern erfasst werden.
• Die Sensoreinrichtung ist gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ausgestaltet, mittels des jeweils wenigstens eines die zeitlichen Verläufe der unterschiedlich gerichteten Ströme und/oder Spannungen repräsentierenden Messwertes Zeitdauern zum Erreichen zumindest eines definierten Strom- und/oder Spannungs-Grenzwertes im Einschaltvorgang zu bestimmen. Die Zeitdauern stellen beispielsweise mit wenigstens einem Zähler in besonders einfacher Weise erfassbare Größen zur Erkennung der sich in Abhängigkeit der Stromrichtung und es Sättigungsgrades des Kerns der Spule ändernden Zeitkonstante der Einschaltverläufe dar.
• Im Falle des Erreichens eines festgelegten Zeitdauer-Grenzwertes einer Zeitdifferenz der Zeitdauern zum Erreichen des zumindest einen Strom- und/oder Spannungs-Grenzwertes wird bevorzugt auf einen dem festgelegten Zeitdauer-Grenzwert entsprechenden Abstand des Dauermagneten zum Sensorelement geschlossen. Entsprechend ausgelegt bzw. kalibriert entspricht der Zeitdauer-Grenzwert aufgrund der Relation zueinander einer Position des Kerns bezogen auf den Dauermagneten. Der Dauermagnet ist hierfür in zweckmäßigerweise Weise dazu ausgestaltet den Kern der Spule in einer angenäherten Position im Wesentlichen magnetisch zu sättigen. Im Falle der Sättigung des Kerns entspricht das elektrische Verhalten dem einer Luftspule, was die Erkennung in vorteilhafter Weise weiter erleichtert, da die Zeitdifferenz ein Maximum einnimmt.
• Der Dauermagnet weist entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform zufolge eine zentrische Öffnung zur Aufnahme des Sensorelements auf. Der Magnet kann dabei beispielsweise zweipolig (1 Nordpol + 1 Südpol) als Ring-, Stab- oder Scheibenmagnet ausgeführt sein.
• Der Schwimmkörper umfasst getreu einer Weiterbildung der Erfindung zwei Dauermagneten, welche in einer vom Füllstand abhängigen Bewegungsrichtung des Schwimmkörpers einen definierten Abstand zueinander aufweisen und mit entgegengesetzter magnetischer Polarität gegenüberstehen.
• Weiterhin beschreibt die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung eines Füllstandes in einem Flüssigkeitsbehälter, bei dem in Abhängigkeit des Füllstands der Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsbehälter ein Magnetfeld eines Permanentmagneten auf ein Sensorelement einwirkt, wobei einer durch das Sensorelement umfassten Spule mit einem magnetisierbaren Kern Ströme unterschiedlicher Stromrichtungen eingeprägt werden und jeweils wenigstens ein die zeitlichen Verläufe der unterschiedlich gerichteten Ströme repräsentierender Messwert im Einschaltvorgang erfasst wird. Zweckmäßigerweise erfolgt auf Basis der zeitlichen Verläufe eine Beurteilung, ob ein vorgegebener Schaltzustand der Sensoreinrichtung erreicht ist.
• Die für die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung genannten Vorteile gelten in vergleichbarer Weise für das erfindungsgemäße Verfahren. Insbesondere ist es mit dem beschriebenen Verfahren und der Sensoreinrichtung möglich höhere Sicherheitsanforderungsstufen (z.B. ASIL) zu erfüllen, da eine Überprüfung der Funktionsfähigkeit unabhängig von der Position des Dauermagneten bzw. Schwimmkörpers erfolgen kann. Einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zufolge werden mittels des wenigstens einen die zeitlichen Verläufe der unterschiedlich gerichteten Ströme repräsentierenden Messwerts die richtungsabhängigen Einschaltverläufe hinsichtlich der Zeitdauern zur Erreichung eines vorgegebenen Strom- und/oder Spannungs-Grenzwertes ausgewertet.
• Besonders bevorzugt werden Zeitdauern zum Erreichen des zumindest einen Strom- und/oder Spannungs-Grenzwertes durch die Ströme unterschiedlicher Stromrichtungen unter Heranziehung des jeweils wenigstens einen Messwertes der zeitlichen Verläufe bestimmt.
• Bei Erreichen eines festgelegten Zeitdauer-Grenzwertes einer Zeitdifferenz der Zeitdauern zum Erreichen des zumindest einen Strom- und/oder Spannungs-Grenzwertes durch die Ströme unterschiedlicher Stromrichtungen wird vorzugsweise auf einen dem festgelegten Zeitdauer-Grenzwert entsprechenden Abstand des Dauermagneten zum Sensorelement geschlossen. Bevorzugt kann zusätzlich zur Erkennung dieses Schaltpunkts eine Annäherung an den Schaltpunkt erfasst werden.
• Die Messung erfolgt vorzugsweise pulsförmig, z.B. mit systemrelevanten Abständen zwischen den Messzyklen, um die aufgenommene Leistung zu verringern. Der Messstrom kann alternativ als permanentes Wechselsignal eingebracht werden.
• Bevorzugt findet die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung und/oder das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung eines Flüssigkeitspegels in einem Flüssigkeitsbehälter einer Bremsflüssigkeit, eines Waschwassers, einer Batterieflüssigkeit, eines Additivs zur Abgasnachbehandlung, wie z.B. AdBlue, oder eines Ölstands eines Fahrzeugsystems Anwendung. Weiterhin können das erfindungsgemäße Verfahren oder die Sensoreinrichtung in unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt werden, bei denen Reedkontakte in Kombination mit einem Permanentmagneten verwendet werden. Beispielsweise sind dies Näherungsschalter oder für die Gebäude-Sicherungstechnik. Unter Hinzuziehung der mittels der Sensoreinrichtung bzw. des Verfahrens erzielten Informationen, insbesondere, ob ausreichend Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsbehälter vorhanden ist, können unterschiedliche Maßnahmen abgeleitet werden. Beispielsweise kann eine Warnmeldung vor zu wenig Flüssigkeit und/oder eine Vorwarnschwelle vorgesehen werden.
• Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand von Figuren.
• In schematischer Darstellung zeigen:
• 1 bis 5 bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung,
• 6 eine beispielhafte Anwendung zur Erläuterung des Wirkprinzips der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung,
• 7 exemplarische Einschaltstromverläufe entgegengesetzter Stromrichtungen durch die Spule, für a) Fern- und b) Nahfeld des Dauermagneten,
• 8 Stromanstiegszeiten in Abhängigkeit des Abstands des Sensorelements vom Dauermagnet und
• 9 eine beispielsgemäße Auswertungsschaltung zur Messung der Stromanstiegszeit für unterschiedliche Stromrichtungen für digitale und/oder analoge Auswertung,
• 10 ein Ausführungsbeispiel einer Auswertungsschaltung zur Messung der Stromanstiegszeit gemäß der Erfindung, welche eine geregelte Spannungsversorgung aufweist und
• 11 eine beispielsgemäße Auswertungsschaltung zur Messung der Stromanstiegszeit, welche mittels einer Stromquelle betrieben wird.
• Um eine kurze und einfache Beschreibung der Ausführungsbeispiele zu ermöglichen, werden gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• Die 1 bis 5 zeigen bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung 1 zur Erfassung eines Pegelstandes einer Bremsflüssigkeit 6 in einem Bremsflüssigkeitsbehälter 5 eines Kraftfahrzeugs. Entsprechend den gezeigten Ausführungsformen ist ein Dauermagnet 3 in einem Schwimmkörper 4 vorgesehen, welcher in der Bremsflüssigkeit 6 schwimmt, sowie ein Sensorelement 2, das unter Berücksichtigung des anzuzeigenden Pegelstandes in Verbindung mit dem entsprechend zu interpretierenden elektrischen Signal angeordnet ist. Die jeweiligen Teilabbildungen a), b) und c) zeigen verschiedene Positionen von Schwimmkörper 4 in Abhängigkeit des Pegelstandes von Bremsflüssigkeit 6. Gemäß den Beispielen der 1, 3 und 5 befindet sich Sensorelement 2 in dem Bereich, in den der Dauermagnet 3 dann gelangt, wenn der Behälter 5 gefüllt ist und entsprechend den Ausführungsformen der 2 und 4 befindet sich Sensorelement 2 in dem Bereich, in den Dauermagnet 3 dann gelangt, wenn der Behälter 5 im Wesentlichen entleert ist.
• Der bevorzugt aus Ferrit bestehende Kern 2.1 der Spule L und der Dauermagnet 3 sind in der Weise ausgelegt, dass der Kern 2.1 durch das Magnetfeld des Dauermagneten 3 im Wesentlichen magnetisch gesättigt wird, wenn der Dauermagnet 3 sich in der Nähe von Sensorelement 2 befindet. Beim Absinken des Pegels von Bremsflüssigkeit 6 in Bremsflüssigkeitsbehälter 5 verändert Schwimmkörper 4 – und entsprechend Dauermagnet 3 – gemäß Ausführungsform der 1 seine Position und verringert damit seine magnetische Wirkung auf Sensorelement 2. Schwimmkörper 4 ist entsprechend dem Beispiel der 1 an einem beweglichen Schwenkarm 7 angeordnet. Das sich dabei verändernde elektrischen Verhalten von Spule L wird mittels eines elektronischen Messverfahrens ausgewertet, worauf unter Bezugnahme auf die 6 bis 9 eingegangen wird. Entsprechend dem Ausführungsbeispiel der 2 befindet sich Sensorelement 2 unterhalb von Behälter 5, wobei Dauermagnet 3 in einer Führungsvorrichtung 8 in der Weise beweglich angeordnet ist, dass sich dieser dann im Bereich von Sensorelement 2 befindet, wenn Behälter 5 im Wesentlichen entleert ist und der Abstand mit höher werdendem Flüssigkeitspegel zunimmt. Die Ausführungsform gemäß 3 invertiert dieses Verhalten, indem Sensorelement 2 im oberen Bereich von Behälter 5 angeordnet ist.
• Im Unterschied zu den Beispielen der 1 bis 3 weisen die Sensoreinrichtungen 1 der 4 und 5 einen die Führungsvorrichtung von Sensorelement 2 ringförmig umschließenden Schwimmkörper 4 – umfassend Dauermagnet 3 – auf, welcher in Abhängigkeit der Höhe des Flüssigkeitspegels angehoben oder abgesenkt wird, wobei Sensorelement 2 entweder im oberen Bereich oder im unteren Bereich von Behälter 5 vorgesehen ist, wie es bereits für die Ausführungsbeispiele der 2 und 3 erläutert wurde. Wie in den 4 und 5 dargestellt und ebenfalls für alle weiteren Ausführungen realisierbar, kann in Behälter 5 ein Abstandsmittel 9 für Schwimmkörper 4 vorgesehen sein, wodurch Dauermagnet 3, trotz niedrigerem bzw. höherem Pegel der Flüssigkeit, in einer Position geringsten Abstandes bzw. mit im Wesentlichen größter magnetischer Wirkung auf Sensorelement 2 gehalten wird.
• Die 6 zeigt eine beispielhafte Einrichtung zur Erläuterung des Wirkprinzips des erfindungsgemäßen Sensorsystems 1 ohne einen Stromfluss in Sensorelement 2. In den unteren Teilen der jeweiligen Teilbilder a) bis c) ist der Verlauf der Magnetfeldstärke B in Abhängigkeit des Abstandes vom ringförmigen Dauermagnet 3 abgebildet, wobei im Zentrum (Abstand zu Dauermagnet 3 gleich Null) ein Maximum vorliegt. Teilfigur a) zeigt Sensorelement 2 in einem vergleichsweise größeren Abstand zum ringförmigen Dauermagnet 3 bzw. in einem Abstand, in welchem die Magnetfeldlinien die Sensorelement 2 im Wesentlichen in lediglich einer Richtung durchdringen und somit eine Magnetisierung des Kerns 2.1 von Sensorelement 2 deutlich unterhalb der Sättigung vorliegt und beispielsgemäß eine Nordausrichtung aufweist. Bei Annäherung an den Dauermagneten 3, wie in Teilbild b) gezeigt, steigt die Sättigung in Kern 2.1 und der Einfluss der Nordausrichtung sinkt zugunsten einer Südausrichtung der Magnetisierung. Im Zentrum von Dauermagnet 3 besteht aufgrund dessen Maximums der Magnetfeldstärke in diesem Bereich eine Sättigung des Kerns 2.1 von Sensorelement 2.
• Entsprechend der Erfindung wird Spule L mit unterschiedlich gerichteten Stromimpulsen beaufschlagt und jeweils der zeitliche Verlauf des Stromanstieges bis zu einem Referenzwert gemessen. Exemplarische Einschaltströme I₁, I₂ entgegengesetzter Stromrichtungen durch Spule L bezogen auf den jeweiligen maximalen Strom I_max sind für einen vergleichsweise großen Abstand von Sensorelement 2 zu Dauermagnet 3 in 7a) und einen vergleichsweise geringen Abstand in 7b) dargestellt. Ein Strom i_L durch Spule L im Einschaltvorgang kann bekanntermaßen berechnet werden durch:

  

U

– Spannung an Spule L

R

– ohmscher Widerstand von Spule L

N

– Windungszahl

µ₀

– magnetische Feldkonstante

µ_r

– Permeabilitätszahl

A

– Querschnittsfläche

L

– wirksame Leiterlänge

• Die keinem oder lediglich einem geringen äußeren Magnetfeld ausgesetzte Spule L mit Kern 2.1 (7a) zeigt im Wesentlichen gleiche Verläufe der Einschaltströme I₁, I₂ der entgegengesetzten Stromimpulse. Insbesondere für ferromagnetische Materialien, wie dem Kern 2.1 von Spule L, ist die Permeabilitätszahl jedoch nichtlinear, wobei diese für die meisten ferromagnetischen Materialien mit zunehmender Sättigung abnimmt. Entsprechend 7b) ist die einem äußeren Magnetfeld ausgesetzte Spule L mit Kern 2.1 in einer Ausrichtung bereits vormagnetisiert, wodurch insbesondere der Stromverlauf, der ein Magnetfeld in Richtung der Vormagnetisierung erzeugt, hin zu einer schnelleren Anstiegszeit beeinflusst wird, weil sich die Induktivität des Sensorelements 2 durch die mit zunehmender Vormagnetisierung abnehmende Permeabilitätszahl ändert und somit auch die Zeitkonstante τ. Im Fall einer durch das äußere Magnetfeld bereits hervorgerufenen Sättigung des Kerns 2.1 entspricht das Verhalten des Sensorelements 2 einer Spule ohne Kern (Luftspule), da die magnetischen Domänen bereits vollständig in Richtung des Magnetfeldes ausgerichtet sind und die Permeabilitätszahl ein Minimum erreicht. Die Anstiegszeit des entgegengesetzten Strompulses wird durch das äußere Magnetfeld nicht in identischer Weise beeinflusst, da die vorhandene Vormagnetisierung zunächst kompensiert und ggf. mit entgegengesetzter Polarisierung wieder aufgebaut wird. Somit kann durch den Vergleich entgegengesetzter Prüfpulse darauf geschlossen werden, ob der Dauermagnet 3 dem Sensorelement 2 angenähert oder von diesem entfernt ist.
• Erfindungsgemäß werden für die unterschiedlichen Stromrichtungen I₁ und I₂ der Spule L die Zeitdauern t₁ und t₂ bis zum Erreichen eines definierten Stromwerts I_Ref erfasst. Beispielsgemäß beträgt dieser 75% des maximalen Stromes I_max, wobei hierfür zweckmäßigerweise ein Stromwert nach 5τ Verwendung finden kann. Überschreitet die Zeitdifferenz t₁ – t₂ der beiden Strommessungen einen Grenzwert oder unterschreitet die Zeitdauer t₁ oder t₂ einer Strommessung I₁ oder I₂ einen Grenzwert befindet sich Dauermagnet 3 innerhalb einer durch diesen Grenzwert repräsentierten räumlichen Entfernung von Sensorelement 2. Dieser Grenzwert entspricht in dieser Weise einem Schaltpunkt von Sensorelement 2, vergleichbar einem Schalten eines Reedkontaktes. Je nach realisierter Ausführungsform der Sensoreinrichtung 1, z.B. gemäß 1 bis 5, in Bezug auf Behälter 5, entspricht diese Position einem gefüllten oder entleerten Behälter 5. Anhand von 8 kann das beschriebene Verhalten für beispielhafte Zeitdauern t₁ und t₂ sowie deren Differenz t₁ – t₂ in Abhängigkeit des Abstandes a des Sensorelements 2 zu Dauermagnet 3 nachvollzogen werden. Aufgrund der Differenzbildung beeinflussen Temperaturabhängigkeiten oder eine variable Spannungsversorgung U_KL30 die Positionsbestimmung lediglich geringfügig bzw. gar nicht.
• Für die in 7a) gezeigten Einschaltströme I₁ und I₂ entgegengesetzter Stromrichtung ergibt sich entsprechend dieses Verfahrens: t1 ~ t2 Ein gesetzter Grenzwert wird nicht überschritten, sodass gefolgert werden kann, dass Dauermagnet 3 einen gleichen oder größeren Abstand von Sensorelement 2 aufweist, als durch die mittels des Grenzwerts definierte Distanz.
• Für die in 7b) gezeigten Einschaltströme I₁ und I₂ entgegengesetzter Stromrichtung ergibt sich entsprechend dieses Verfahrens: t1 >> t2 Der Grenzwert (nicht gezeigt) wird beispielsgemäß überschritten, was bedeutet, dass Dauermagnet 3 einen Abstand von Sensorelement 2 aufweist, welcher kleiner als die mittels des Grenzwerts definierte Entfernung ist.
• Bei entsprechender Kalibrierung, z.B. mittels des Differenzverlaufs t₁ – t₂, und Ausgestaltung der Sensoreinrichtung 1 ist bei Bedarf auch eine quantitative Angabe des Abstands realisierbar.
• Entsprechend einer nicht abgebildeten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung 1 weist Schwimmkörper 4 zwei Dauermagneten 3 auf, welche in der Bewegungsrichtung des Schwimmkörpers 4 mit einem definierten Abstand übereinander und mit entgegengesetzter magnetischer Polarität gegenüberstehen. Insbesondere bei Überschreitung des Grenzwertes für die Differenz t₁ – t₂, wird aus dem zeitlichen Verlauf der Spulenströme I₁ und I₂, zusätzlich zu den bereits beschriebenen Zeitdauern t₁ und t₂, die Information gewonnen, ob die Differenz t₁ – t₂ positiv oder negativ ist bzw. welcher der Ströme eine kürzere Anstiegszeit hat. Somit kann eine zweistufige Überwachung des Flüssigkeitspegels realisiert werden.
• Die 9 zeigt eine beispielsgemäße Auswertungsschaltung zur Messung der Stromanstiegszeit, welche insbesondere mittels der variablen Spannung von Spannungsversorgung U_KL30 betrieben wird, wobei mittels der FET-Brückenschaltung B1 die Stromrichtung durch Spule L von Sensorelement 2 vorgebbar ist. Die FET-Brückenschaltung B1 ist dabei über Widerstand R1 mit der Spannungsversorgung U_KL30, z.B. Batteriespannung, verbunden, wobei ein Strom durch Spule L dadurch proportional zu der Spannung der Spannungsversorgung U_KL30 ist. Die über den zu Spule L in Reihe geschalteten Widerstand R2 anliegende Messspannung U_M wird über Widerstand R3 zur analogen Auswertung oder in Kombination oder alternativ mittels Komparator K1 zur digitalen Auswertung herangezogen. Für die digitale Auswertung wird beispielsgemäß aus der Batteriespannung U_KL30 des Fahrzeugs eine Referenzspannung U_ref des Komparators K1 abgeleitet, sodass dessen Schaltschwelle – unter Berücksichtigung der Proportionalität der Spannung über Widerstand R2 zum Strom durch Spule L – bei 75% des maximalen Stroms I_max durch Spule L liegt. Bei Überschreiten von Referenzspannung U_Ref durch Messspannung U_M wird durch Komparator K1 Signal U_digital ausgegeben. Das solchermaßen ermittelte Signal U_digital und/oder U_analog können einer dafür vorgesehenen elektronischen Steuereinheit (nicht dargestellt) zugeführt werden, welche gegebenenfalls notwendige Maßnahme, wie beispielsweise Alarme oder Anzeigen, auslöst.
• Die 10 zeigt eine weitere Auswertungsschaltung zur Messung der Stromanstiegszeit gemäß der Erfindung, wobei im Vergleich zur Ausführungsform gemäß 9 der Widerstand R1 durch Konstantspannungsquelle U_const ersetzt ist. Der maximale Spulenstrom variiert somit nicht mehr proportional zur Spannungsversorgung U_KL30. Für die digitale Auswertung wird beispielsgemäß nun aus der Versorgungsspannung Vcc 5V/3V eine feste Referenzspannung U_ref für Komparator K1 abgeleitet, sodass dessen Schaltschwelle somit unabhängig von der variablen Versorgungsspannung U_KL30 stabil bei beispielsgemäßen 75% des maximalen Stroms I_max durch Spule L liegt.
• Die 11 zeigt eine beispielsgemäße Auswertungsschaltung zur Messung der Stromanstiegszeit, wobei im Vergleich zum Ausführungsbeispiel gemäß 9 der Widerstand R1 durch Konstantstromquelle I_const ersetzt ist. Der maximale Spulenstrom I_max variiert damit nicht mehr proportional zur Versorgungsspannung U_KL30 und nicht proportional zum temperaturabhängigen Leitungswiderstand der Windungen von Spule L im Falle konstanter Spannungsversorgung, wie für die Auswertungsschaltung entsprechend 10. Für die digitale Auswertung wird beispielsgemäß aus der Versorgungsspannung Vcc 5V/3V eine Referenzspannung U_ref für Komparator K1 abgeleitet, sodass dessen Schaltschwelle nun unabhängig von der variablen Versorgungsspannung stabil bei beispielsgemäßen 75% des mittels der Stromquelle I_const in die Spule L eingeprägten Stroms I_max liegt.
• Die Auswerteschaltung dient erfindungsgemäß vorzugsweise nicht nur der Erkennung der Zustände – Flüssigkeitsstand hinreichend oder nicht – sondern auch zur Überwachung der gesamten Sensorvorrichtung. Die Leitungen, Spulenverhalten und die Auswertungsschaltung selbst werden durch die wiederholende Messung stetig überprüft.

Claims (11)

1. Sensoreinrichtung (1) zur Überwachung eines Füllstands eines Flüssigkeitsbehälters (5), umfassend ein Sensorelement (2) und einen Schwimmkörper (4), der wenigstens einen Permanentmagneten (3) aufweist, wobei die Sensoreinrichtung (1) in der Weise ausgestaltet ist, dass das Magnetfeld des Permanentmagneten (3) auf das Sensorelement (2) in Abhängigkeit eines Füllstands einer Flüssigkeit (6) in einem Flüssigkeitsbehälter (5) einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (2) eine Spule (L) mit einem magnetisierbaren Kern (2.1) umfasst, wobei der magnetisierbare Kern (2.1) durch das Magnetfeld des Permanentmagneten (3) derart beeinflussbar ist, dass ein vom Abstand des Dauermagneten (3) zum Kern (2.1) abhängiges elektrisches Verhalten der Spule (L) erfassbar ist.
2. Sensoreinrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese wenigstens ein Ansteuermittel (B1) zum Ansteuern der Spule (L) mit unterschiedlich gerichteten Strömen und/oder Spannungen sowie zumindest ein Erfassungsmittel (K1) zur Erfassung eines bezogen auf die Richtung der Ströme und/oder Polarität der Spannungen richtungsabhängigen elektrischen Verhaltens der Spule (L) umfasst.
3. Sensoreinrichtung (1) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassungsmittel (K1) zur Erfassung jeweils wenigstens eines die zeitlichen Verläufe der unterschiedlich gerichteten Ströme und/oder Spannungen im Einschaltvorgang repräsentierenden Messwertes ausgestaltet ist.
4. Sensoreinrichtung (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese ausgestaltet ist, mittels des jeweils wenigstens eines die zeitlichen Verläufe der unterschiedlich gerichteten Ströme und/oder Spannungen repräsentierenden Messwertes Zeitdauern (t₁, t₂) zum Erreichen zumindest eines definierten Strom- und/oder Spannungs-Grenzwertes im Einschaltvorgang zu bestimmen.
5. Sensoreinrichtung (1) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle des Erreichens eines festgelegten Zeitdauer-Grenzwertes einer Zeitdifferenz (t₁ – t₂) der Zeitdauern (t₁, t₂) zum Erreichen des zumindest einen Strom- und/oder Spannungs-Grenzwertes auf einen dem festgelegten Zeitdauer-Grenzwert entsprechenden Abstand (a) des Dauermagneten (3) zum Sensorelement (2) geschlossen.
6. Sensoreinrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dauermagnet (3) eine zentrische Öffnung zur Aufnahme des Sensorelements (2) aufweist.
7. Sensoreinrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmkörper (4) zwei Dauermagneten (3) umfasst, welche in einer vom Füllstand abhängigen Bewegungsrichtung des Schwimmkörpers (4) einen definierten Abstand zueinander aufweisen und mit entgegengesetzter magnetischer Polarität gegenüberstehen.
8. Verfahren zur Überwachung eines Füllstandes eines Flüssigkeitsbehälters (5), bei dem in Abhängigkeit des Füllstands der Flüssigkeit (6) in dem Flüssigkeitsbehälter (5) ein Magnetfeld eines Permanentmagneten (3) auf ein Sensorelement (2) einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass einer durch das Sensorelement (2) umfassten Spule (L) mit einem magnetisierbaren Kern (2.1) Ströme unterschiedlicher Stromrichtungen (I₁, I₂) eingeprägt werden und jeweils wenigstens ein die zeitlichen Verläufe der unterschiedlich gerichteten Ströme repräsentierender Messwert im Einschaltvorgang erfasst wird.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des wenigstens einen die zeitlichen Verläufe der unterschiedlich gerichteten Ströme repräsentierenden Messwerts die richtungsabhängigen Einschaltverläufe hinsichtlich der Zeitdauern zur Erreichung eines vorgegebenen Strom- und/oder Spannungs-Grenzwertes (I_ref) ausgewertet werden.
10. Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Zeitdauern (t₁, t₂) zum Erreichen des zumindest einen Strom- und/oder Spannungs-Grenzwertes durch die Ströme unterschiedlicher Stromrichtungen (I₁, I₂) unter Heranziehung des jeweils wenigstens einen Messwertes der zeitlichen Verläufe bestimmt werden.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen eines festgelegten Zeitdauer-Grenzwertes einer Zeitdifferenz (t₁ – t₂) der Zeitdauern (t₁, t₂) zum Erreichen des zumindest einen Strom- und/oder Spannungs-Grenzwertes durch die Ströme (I₁, I₂) unterschiedlicher Stromrichtungen auf einen dem festgelegten Zeitdauer-Grenzwert entsprechenden Abstand (a) des Dauermagneten (3) zum Sensorelement (2) geschlossen wird.

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