DE102015222384A1

DE102015222384A1 - Füllstandsmesseinheit und Verfahren zur Bestimmung eines Füllstands

Info

Publication number: DE102015222384A1
Application number: DE102015222384.1A
Authority: DE
Inventors: Lambert Romijnders; Will Selten; Markus van der Pasch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-11-13
Filing date: 2015-11-13
Publication date: 2017-05-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Füllstandsmesseinheit (1) mit einer Widerstandsmesseinheit (100) zur Messung eines elektrischen Widerstands zwischen zwei Anschlüssen und mit zwei voneinander beabstandeten Elektroden (10), wobei jeweils eine der zwei Elektroden (10) an einem der zwei Anschlüsse angeschlossen ist und wobei wenigstens eine der zwei Elektroden (10) ein leitfähiges Polymer aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Füllstandsmesseinheit mit einer Widerstandsmesseinheit zur Messung eines elektrischen Widerstands zwischen zwei Anschlüssen und mit zwei voneinander beabstandeten Elektroden, wobei jeweils eine der zwei Elektroden an einem der zwei Anschlüsse angeschlossen ist, und wobei wenigstens eine der zwei Elektroden ein leitfähiges Polymer aufweist, und ein Verfahren zur Bestimmung eines Füllstands.
Stand der Technik
In der US 7 629 800 B2 ist eine Vorrichtung zum Messen eines Wasserfüllstands mittels Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit von Wasser zwischen Elektroden offenbart. Die Vorrichtung umfasst eine Referenzelektrode, wenigstens eine Messelektrode, die in das Wasserreservoir eintaucht, und zumindest einen elektrischen Stromkreis zur Bestimmung des Wasserfüllstands auf Grundlage der Leitfähigkeitsmessung.
Aus der DE 10 2010 020 842 A1 ist ein Füllstandssensor bekannt, der eine erste langgestreckte Elektrode und eine daneben angeordnete zweite Elektrode aufweist, wobei die Elektroden über jeweils einen elektrischen Widerstand miteinander verbunden sind. Mit einem Füllstandssensor sind sowohl eine Füllstandshöhe als auch eine Leitfähigkeit einer Flüssigkeit in einem Behälter bestimmbar. Weiterhin ist ein Füllstandssensor beschrieben, der neben der oben beschriebenen Elektrodenanordnung eine dritte Elektrode gegenüber der ersten langgestreckten Elektrode aufweist, die zur Leitfähigkeitsmessung verwendet wird. Darüber hinaus sind zu den Füllstandssensoren zugehörige Füllstandserkennungsverfahren beschrieben.
Aus der US 6 810 732 B2 ist ein Wasserstandssensor mit einer Referenzelektrode bekannt, wobei die Referenzelektrode eine Vielzahl an Elektronenplatten bzw. -plättchen zur Bestimmung von elektrischer Leitfähigkeit von Wasser aufweist. Das Wasser sammelt sich im Zwischenraum der Elektrodenplättchen der Referenzelektrode an. Eine Messelektrode umfasst eine Vielzahl von Elektrodenplättchen, welche entlang der Länge eines Wasserrohrs angeordnet sind, wobei die Elektrodenplättchen der Messelektrode hierdurch eine größere Länge im Vergleich zu den Elektrodenplättchen der Referenzelektrode aufweisen. Die Elektrodenplättchen der Messelektrode sind von den Elektrodenplättchen der Referenzelektrode beabstandet um eine elektrische Leitfähigkeit von Wasser im Zwischenraum der Elektrodenplättchen der Messelektrode zu bestimmen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden eine Füllstandsmesseinheit und Verfahren zur Bestimmung eines Füllstands mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung schlägt eine Füllstandsmesseinheit mit einer Widerstandsmesseinheit zur Messung eines elektrischen Widerstands zwischen zwei Anschlüssen und mit zwei voneinander beabstandeten Elektroden vor. Jeweils eine der zwei Elektroden ist an einem der zwei Anschlüsse angeschlossen und wenigstens eine der zwei Elektroden weist ein leitfähiges Polymer auf.
Leitfähige Polymere sind leitende Kunststoffe, die eine Leitfähigkeit durch konjugierte Doppelbindungen in der Molekülstruktur ermöglichen, wobei eine freie Beweglichkeit von Ladungsträgern im dotierten Zustand erreicht wird. Als leitfähige Polymere sind in diesem Zusammenhang besonders Polyethin, Polyanilin, Polyparaphenylen, Polypyrrol und/oder dotiertes Polythiophen zu nennen.
Eine Füllstandsmesseinheit mit wenigstens einer Elektrode mit leitfähigem Polymer bietet den großen Vorteil eines geringeren konstruktiven Aufwands und eines einfacheren Aufbaus im Gegensatz zu einer Füllstandsmesseinheit mit aus Metallen geformten Elektroden. Leitfähige Polymere haben einen deutlich größeren elektrischen Widerstand als Metalle, so dass bei der Füllstandsmessung mittels Polymerelektroden der Widerstand der Elektroden ausschlaggebend ist, wohingegen bei Metallelektroden der Widerstand der Flüssigkeit ausschlaggebend ist. Daher wird bei Metallelektroden eine Referenzmessung zum Ermitteln des spezifischen Widerstands der Flüssigkeit benötigt, wohingegen der spezifische Widerstand des Polymers bekannt ist. Darüber hinaus sind aus leitfähigen Polymeren gefertigte Elektroden besonders korrosionsbeständig. Dies bietet den Vorteil einer breiten Anwendung insbesondere in korrodierenden Medien wie Säuren, Basen oder salzhaltigen Lösungen wie beispielsweise Meerwasser.
Vorzugsweise sind die Elektroden elastisch verformbar ausgebildet, wodurch sie sich z.B. flexibel auf verschiedene Körper aufbringen lassen und eine höhere Anwendbarkeit gegenüber starr ausgebildeten Elektroden aufweisen. Elastisch verformbare Elektroden sind zudem besonders einfach zu fertigen und darüber hinaus sehr robust.
Vorteilhafterweise sind die Elektroden zumindest abschnittsweise auf einem Grundkörper aufgebracht. Insbesondere werden die Elektroden paarweise auf einen Grundkörper über eine Schraub-, Kleb- oder Klettverbindung aufgebracht. Der Grundkörper kann dann zur Messung in das Fluid getaucht werden. Die Fixierung der Elektroden dient zudem dem Schutz der Elektroden vor Beschädigungen. Insbesondere eine geklettete Verbindung ermöglicht ein schnelles An- und Abbringen der Messelektroden.
Bevorzugt sind die Elektroden längsseitig auf einem balkenförmigen Grundkörper aufgebracht. Für eine Füllstandsmessung ist es von einem konstruktiven Vorteil, die länglichen Elektroden auf einem möglichst länglichen Grundkörper anzubringen um eine kompakte Bauweise zu ermöglichen.
Vorzugsweise sind die Elektroden und optional der Grundkörper mittels eines 3D-Druckverfahrens oder mittels eines Spritzgießverfahrens hergestellt. Dies ermöglicht eine einfache, kostengünstige und leicht skalierbare Herstellung mit einem geringen manuellen Arbeitsaufwand.
Vorzugsweise ist die Widerstandsmesseinheit in bzw. an dem Grundkörper ausgebildet. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht eine sehr kompakte Bauweise mit geringem konstruktivem Aufwand.
Zweckmäßigerweise weist die Widerstandsmesseinheit eine Stromquelle und/oder Spannungsquelle auf und ist dazu eingerichtet, einen Strom und/oder eine Spannung mittels Sensoren zu erfassen.
Die Erfindung betrifft neben der oben beschriebenen Füllstandsmesseinheit weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung eines Füllstands eines Fluids. Ausgestaltungen dieses erfindungsmäßigen Verfahrens ergeben sich aus der obigen Beschreibung der erfindungsgemäßen Füllstandsmesseinheit in analoger Art und Weise.
Die zwei Elektroden werden hierzu eine Eintauchtiefe in das Fluid eingetaucht. Durch Anlegen einer Spannung zwischen den beiden beabstandeten Elektroden fließt ein Strom über den durch das Fluid geschlossenen Kreislauf. Da der Widerstand der Elektroden wesentlich höher als der Widerstand des Fluids ist, braucht in dieser Reihenschaltung der Widerstand des Fluids lediglich mit einer Konstanten berücksichtigt werden. Der Strom bzw. die Spannung im geschlossenen Kreislauf hängen dementsprechend nur von den Widerständen der wenigstens einen Polymer-Elektrode ab, wobei der Gesamtwiderstand davon abhängt, wie weit die wenigstens eine Polymer-Elektrode in das Fluid eintaucht, genauer von der nichteingetauchten Länge, durch die der Strom fließt. Durch eine Erfassung des Stroms bzw. der Spannung und der Kenntnis des längenabhängigen Widerstands der wenigstens einen Polymer-Elektrode lässt sich die nicht-eingetauchte Länge bestimmen und somit die Höhe des Füllstands des Fluids.
Ein solches Verfahren wäre unter Verwendung üblicher aus Metallen gefertigter Elektroden auf Grundlage des geringeren Widerstands nicht möglich, da der Widerstand des Fluids nicht mehr als Konstante in den Gesamtwiderstand eingerechnet werden kann. Für eine Füllstandsbestimmung mit nicht aus leitendem Polymer gefertigten Elektroden ist somit eine Referenzmessung nötig, um eventuelle Temperaturänderung beziehungsweise Konzentrationsänderungen in dem Fluid zu berücksichtigen. Hierdurch ergibt sich ein konstruktiver Mehraufwand verbunden mit einem höheren Wartungsaufwand. Darüber hinaus sind Elektroden aus leitendem Polymer wesentlich korrosionsbeständiger gegenüber aus Metallen gefertigten Elektroden, was zu einem geringeren Wartungsaufwand durch höhere Beständigkeit verbunden mit einem breiteren Einsatzgebiet für verschiedene Fluide führt.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung
1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Füllstandsmesseinheit in einer perspektivischen Ansicht.
2 zeigt schematisch eine weitere bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Füllstandsmesseinheit in einer perspektivischen Ansicht.
3 erläutert schematisch die Funktionsweise eines Verfahrens zur Bestimmung eines Füllstands eines Fluids mit einer erfindungsgemäßen Füllstandsmesseinheit.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Füllstandsmesseinheit 1. Zwei voneinander beabstandete, parallel angeordnete und aus leitendem Polymer gefertigte Elektroden 10 sind über Verbindungskabel 30 mit einer Widerstandsmesseinheit 100 elektrisch leitend verbunden. Die Elektroden sind auf einem balkenförmigen Grundkörper 20 aufgebracht. Die Funktionsweise der Widerstandsmesseinheit 100 wird in 3 im Detail erläutert.
2 zeigt eine weitere bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Füllstandsmesseinheit 1'. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Widerstandsmesseinheit 100 ist an einem Grundkörper 20' ausgebildet, wobei es denkbar wäre die Widerstandsmesseinheit 100 auch in dem Grundkörper 20' auszubilden. Im Gegensatz zu der Ausgestaltung 1 gemäß 1 ist somit die Füllstandsmesseinheit 1' als kompakte und robuste Baugruppe ausgebildet, bei der Elektroden und Elektronik am oder im Grundkörper angeordnet sind.
Anhand 3 wird nun die Funktionsweise eines Verfahrens zur Bestimmung eines Füllstands eines Fluids 2 mit einer erfindungsgemäßen Füllstandsmesseinheit 1 bzw. 1' erläutert. Die Widerstandsmesseinheit 100 weist zwei Anschlüsse auf, zwischen denen der elektrische Widerstand ermittelbar ist. Die Widerstandsmesseinheit 100 weist dazu eine Spannungsquelle 40 zum Anlegen einer Spannung zwischen den zwei Anschlüssen, einen Sensor zur Stromerfassung 50 und einen Sensor zur Spannungserfassung 60 auf.
Die zwei beabstandeten Elektroden 10 werden in das Fluid 2 eingetaucht. Eine Spannung wird über die Spannungsquelle 40 angelegt und der Strom und die Spannung mittels des Sensors zur Stromerfassung 50 und des Sensors zur Spannungserfassung 60 bestimmt. Über das Fluid 2 zwischen den Elektroden 10 schließt sich der Stromkreis mit einem elektrischen Widerstand R2 des Fluids und den jeweiligen elektrischen Widerständen R1 und R3 der beiden Elektroden, die proportional zur nicht-eingetauchten Elektrodenlänge sind. Der Widerstand ist hierbei als Quotient aus Spannung zu Stromstärke bestimmbar (R = U/I). Die Leitfähigkeit des Fluids 2 ist vorzugsweise um Größenordnungen höher als die der gewählten elektrisch leitenden Polymere der Elektroden 10. Hieraus ergibt sich ein hoher Widerstand R1 und R3 der Elektroden im Vergleich zu dem Widerstand R2 des Fluids. Somit kann in dieser Reihenschaltung von Widerständen der Widerstand R2 des Fluids als Konstante C angenommen werden und nur der Widerstand der beiden Elektroden 10 muss in seiner Abhängigkeit berücksichtigt werden (Gleichung 1). U / I = R₁ + R₂ + C Gleichung 1
Sind nun beide Elektroden 10 baugleich, das heißt sie weisen gleichen Querschnitt A und spezifischen Widerstand ρ auf, und tauchen in gleicher Eintauchtiefe in das Fluid 2 ein, so ergibt sich, dass R1 = R2 = R und somit der gemessene Widerstand nur noch von der nichteingetauchten Länge l der Elektroden abhängt (Gleichung 2). U / 2I = R + C mit R = l·ρ·A Gleichung 2
Der Widerstand der beiden Elektroden 10 hängt somit einzig von der Füllstandhöhe des Fluids 2 ab, wodurch die Länge festgelegt wird, die der Strom in einer Elektrode 10 fließt, bevor er über das Fluid und die andere Elektrode 10 zurückfließen kann. Somit lässt sich über die Bestimmung des elektrischen Widerstands in der Widerstandsmesseinheit 100 der Füllstand des Fluids 2 bestimmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7629800 B2 [0002]
DE 102010020842 A1 [0003]
US 6810732 B2 [0004]

Claims

Füllstandsmesseinheit (1) mit einer Widerstandsmesseinheit (100) zur Messung eines elektrischen Widerstands zwischen zwei Anschlüssen und mit zwei voneinander beabstandeten Elektroden (10), wobei jeweils eine der zwei Elektroden (10) an einem der zwei Anschlüsse angeschlossen ist und wobei wenigstens eine der zwei Elektroden (10) ein leitfähiges Polymer aufweist.
Füllstandsmesseinheit (1) nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine der zwei Elektroden (10) elastisch verformbar ausgebildet ist.
Füllstandsmesseinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die wenigstens eine der zwei Elektroden (10) Polyethin, Polyanilin, Polyparaphenylen, Polypyrrol und/oder dotiertes Polythiophen als leitfähiges Polymer aufweist.
Füllstandsmesseinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine der zwei Elektroden (10) mittels eines 3D-Druckverfahrens oder mittels eines Spritzgießverfahrens hergestellt ist.
Füllstandsmesseinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine der zwei Elektroden (10) zumindest abschnittsweise auf einem Grundkörper (20), insbesondere über eine Schraub-, Kleb- oder eine Klettverbindung, aufgebracht ist.
Füllstandsmesseinheit (1) nach Anspruch 5, wobei die wenigstens eine der zwei Elektroden (10) längsseitig auf einem balkenförmigen Grundkörper (20') aufgebracht ist.
Füllstandsmesseinheit (1) nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Grundkörper (20) mittels eines 3D-Druckverfahrens oder mittels eines Spritzgießverfahrens hergestellt ist.
Füllstandsmesseinheit (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Widerstandsmesseinheit (100) in oder an dem Grundkörper (20) ausgebildet ist.
Füllstandsmesseinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Widerstandsmesseinheit (100) eine Stromquelle und/oder eine Spannungsquelle (40) aufweist.
Füllstandsmesseinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Widerstandsmesseinheit (100) dazu eingerichtet ist, einen Strom und/oder eine Spannung zu erfassen.
Verfahren zur Bestimmung eines Füllstands eines Fluids (2) mit einer Füllstandsmesseinheit (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die zwei Elektroden (10) eine Eintauchtiefe in das Fluid (2) eingetaucht sind und ein Widerstand mittels der Widerstandsmesseinheit (100) bestimmt wird.