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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fluidpegelsensor gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Detektieren eines Fluidpegels gemäß Anspruch 11 und die Verwendung einer Detektiervorrichtung zum Bestimmen eines Fluidpegels gemäß Anspruch 15.
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Derzeit bedienen sich zahlreiche Fluidpegelsensoren, insbesondere Kraftstoffanzeigen, eines Sensors vom Potentiometertyp mit einem beweglichen Glied oder beweglichen Element, das verwendet wird, um den Fluidpegel in beispielsweise einem Kraftstofftank eines Kraftfahrzeugs anzuzeigen. Oft ist das bewegliche Element an einem Drehglied angebracht, das mit einem Schwimmer, der sich mit dem Fluidpegel hoch und nieder bewegt, verbunden ist und die lineare Bewegung für das Schwimmelement infolge des sich ändernden Pegels des Fluids in Drehbewegung umwandelt. Bei dieser Art von Fluidpegelsensor schließt in einer bestimmten Position basierend auf dem Fluidpegel ein Kontaktelement, das mit dem beweglichen Element verbunden ist, einen Kontakt an einem Potentiometer. Der entsprechende spezifische Widerstandswert ist demnach ein Indikator für den Fluidpegel.
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Bei dieser Art von Fluidpegelsensor sind die Detektierelemente die meiste Zeit in Kraftstoff (für gewöhnlich Benzin oder Diesel) eingetaucht. Aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung sind Kraftstoffe gegenüber Materialien, einschließlich der speziellen Materialien, die für das Potentiometer und/oder das Potentiometerdetektierelement verwendet werden, sehr aggressiv. Dies führt zu häufigen Sensorausfällen und in weiterer Folge zu Unzufriedenheit bei Kunden.
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Um die Notwendigkeit des Verwendens eines Potentiometers zu vermeiden, welches, wie oben erwähnt wurde, verschleißanfällig ist, wurde ein anderer Typ von Fluidpegelsensor eingeführt, der einen Hall-Effekt-Sensor umfasst, um die Position des Schwimmers mit einem Magnet zu messen. Bei Verwendung eines Hall-Effekt-Sensors ist jedoch ein teurer beweglicher Magnet erforderlich, um den Sensor zu betreiben. Zudem ist die Herstellung des Sensors selbst aufgrund der komplizierten Messung, die dieser durchführen muss, kostspielig.
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In Anbetracht der oben genannten Nachteile von im Stand der Technik bekannten Fluidpegelsensoren ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluidpegelsensor bereitzustellen, der verschleißfest ist und der sich ferner einfach und kostengünstig herstellen lässt. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Detektieren eines Fluidpegels bereitzustellen, das sich einfach durchführen lässt und bei dem die jeweiligen verwendeten Vorrichtungen die oben genannten Eigenschaften aufweisen.
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Was den vorrichtungsbezogenen Aspekt betrifft, wird die Aufgabe der Erfindung durch einen Fluidpegelsensor gemäß Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung gelöst.
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Ein Fluidpegelsensor gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen Magnetfeldgenerator, der dazu ausgebildet ist, ein Magnetfeld zu erzeugen, das sich mit der Zeit verändert, und ein metallisches Glied, das in einem Bereich angeordnet ist, in dem das durch den Magnetfeldgenerator erzeugte Magnetfeld vorliegt. Das metallische Glied ist beweglich, insbesondere drehbeweglich, relativ zu dem Magnetfeldgenerator und/oder dem durch den Magnetfeldgenerator erzeugten Magnetfeld und von einem zu messenden Fluidpegel abhängig angeordnet. Das metallische Glied umfasst eine effektive Geometrie, welche die Größe von Wirbelströmen definiert, die in dem metallischen Glied infolge des durch den Magnetfeldgenerator erzeugten Magnetfeldes induziert werden. Die effektive Geometrie, welche die Größe von Wirbelströmen definiert, die in dem metallischen Glied infolge des Magnetfeldes induziert werden, wird verändert, wenn das metallische Glied relativ zu dem Magnetfeldgenerator bewegt wird. Der Sensor umfasst ferner eine Detektiervorrichtung, die dazu ausgebildet ist, die in dem metallischen Glied induzierten Wirbelströme zu detektieren, und eine Fluidpegelbestimmungsvorrichtung, die den Fluidpegel basierend auf den in dem metallischen Glied induzierten Wirbelströmen bestimmt.
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Da die Fluidpegelbestimmung auf Wirbelströmen basiert, kann ein einfach zu handhabendes Messprinzip angewandt werden. Die jeweiligen Komponenten lassen sich kostengünstig herstellen, und die Verwendung eines teuren, für Hall-Effekt-Messungen ausgelegten Magnets kann vermieden werden.
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Ferner könnte in Erwägung gezogen werden, den Magnetfeldgenerator und/oder die Detektiervorrichtung und/oder die Fluidpegelbestimmungsvorrichtung von dem metallischen Glied getrennt anzuordnen. Insbesondere könnten die oben genannten Komponenten außerhalb eines Kraftstofftanks oder eines Fluidtanks angeordnet werden, oder die oben genannten Komponenten könnten in einem Gehäuse angeordnet werden, das auf fluiddichte Weise abgedichtet werden könnte. Bei einer derartigen Konstruktion werden die jeweiligen Komponenten nicht in Kraftstoff oder Fluide eingetaucht, dessen/deren Pegel gemessen werden soll.
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Bei einer möglichen Ausführungsform ist das oben genannte Magnetfeld, das sich mit der Zeit verändert, ein oszillierendes Magnetfeld. Bei dieser Konstruktion könnte ein gewöhnlicher Oszillator als Erregungsquelle für den Magnetfeldgenerator verwendet werden. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform ist der Magnetfeldgenerator selbst eine Spule. Wie oben erwähnt wird, kann der Fluidpegelsensor in diesem Fall einen Oszillator umfassen, der die Spule mit Energie versorgt.
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Die Spule kann eine mehrlagige gedruckte Spule in Form einer durchgehenden Spirale sein, die auf einer Leiterplatte (PCB) angeordnet oder Teil davon ist. Die Detektiervorrichtung könnte einen Mikrocontroller umfassen. Ein Weichmetallkern ist in einem Bereich angeordnet, in dem das durch den Magnetfeldgenerator erzeugte Magnetfeld und daher auch das durch die Wirbelströme erzeugte Magnetfeld, welches das durch den Magnetfeldgenerator erzeugte Magnetfeld überlagert, vorliegt.
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Die Detektiervorrichtung detektiert vorzugsweise die Frequenz des resultierenden Magnetfeldes. Die Detektiervorrichtung ist in der Lage, die Frequenzänderung zu detektieren, wenn eine geeignete Komponente, z. B. ein metallisches Glied, relativ zu dem Magnetfeld bewegt wird.
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Für die Bewegung des metallischen Gliedes kann ein Schwimmer verwendet werden, der dazu ausgebildet ist, das metallische Glied relativ zu dem Magnetfeldgenerator und daher relativ zu dem Magnetfeld zu bewegen.
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Bei einer möglichen Ausführungsform umfasst der Fluidpegelsensor ein bewegliches Glied, das einstückig mit dem (entsprechend beweglichen) metallischen Glied ausgebildet ist. Das bewegliche Glied nimmt das metallische Glied auf und umgibt dieses, insbesondere, um dasselbe vor Zersetzung und/oder Abbau infolge der Fluide zu schützen, deren Pegel gemessen werden soll.
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Das bewegliche Glied ist bei einer möglichen Ausführungsform drehbeweglich relativ zu dem Magnetfeldgenerator und/oder dem Gehäuse angeordnet und kann um einen Drehzapfen an dem Gehäuse geschwenkt werden. Die Verbindung des beweglichen Gliedes (oder des metallischen Gliedes) mit dem Schwimmer ist optional mittels eines Hebels realisiert, der an einem seiner Enden mit dem Schwimmer und an seinem anderen Ende mit dem beweglichen Glied oder dem metallischen Element verbunden ist.
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Was den verfahrensbezogenen Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft, wird auf ein Verfahren zum Detektieren eines Fluidpegels gemäß Anspruch 11 verwiesen. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst folgende Schritte:
- – Bereitstellen eines Magnetfeldes, das sich mit der Zeit verändert, mittels eines Magnetfeldgenerators,
- – Messen der Größe von Wirbelströmen, die in einem metallischen Glied induziert werden, das in einem Bereich angeordnet ist, in dem das Magnetfeld vorliegt, und das beweglich, insbesondere drehbeweglich, relativ zu dem Magnetfeld angeordnet ist, wobei das metallische Glied eine effektive Geometrie umfasst, welche die Größe von Wirbelströmen definiert, die infolge des Magnetfeldes in dem metallischen Glied induziert werden, wobei die effektive Geometrie, welche die Größe von Wirbelströmen definiert, die infolge des Magnetfeldes in dem metallischen Glied induziert werden, verändert wird, wenn das metallische Glied relativ zu dem Magnetfeld bewegt wird,
- – Bestimmen der Größe von in dem metallischen Glied induzierten Wirbelströmen und
- – Bestimmen der Position des metallischen Gliedes relativ zu dem Magnetfeld mittels der Größe der in dem metallischen Glied induzierten Wirbelströme.
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Das oben genannte Verfahren lässt sich einfach durchführen, während die jeweiligen Komponenten, die zum Durchführen des Verfahrens benötigt werden, kostengünstig hergestellt werden können und höhere Verschleißfestigkeit aufweisen.
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Analog zu der oben beschriebenen Vorrichtung kann der Schritt des Bereitstellens eines Magnetfeldes, das sich mit der Zeit verändert, ein Schritt des Bereitstellens eines oszillierenden Magnetfeldes sein.
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Ebenfalls analog zu der oben beschriebenen Vorrichtung könnte das Magnetfeld mittels einer Magnetspule erzeugt werden, wobei die Größe von in dem metallischen Glied induzierten Wirbelströmen basierend auf der Impedanz der Spule bestimmt wird. Alternativ dazu oder als Zwischenschritt zum Bestimmen der Impedanz der Spule kann die Frequenz eines resultierenden Magnetfeldes, welches das resultierende Magnetfeld ist, das durch Überlagerung des durch den Magnetfeldgenerator erzeugten Magnetfeldes und des durch die Wirbelströme (die in dem metallischen Glied induziert wurden) erzeugten Magnetfeldes erhalten wurde, bestimmt werden.
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Der Umfang der vorliegenden Erfindung beinhaltet auch die Verwendung einer Detektiervorrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Größe von Wirbelströmen, die in einem beweglichen metallischen Glied induziert werden, zum Bestimmen eines Fluidpegels zu detektieren.
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Weitere optionale Merkmale der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen und in der folgenden Beschreibung der Figuren dargelegt. Die beschriebenen Merkmale können in jedem Fall einzeln oder in jedweder gewünschten Kombination realisiert werden. Dementsprechend wird die Erfindung nachstehend mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen und auf der Basis von veranschaulichenden Ausführungsformen beschrieben. Es zeigen:
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1 eine beispielhafte Ausführungsform eines Fluidpegelsensors gemäß der vorliegenden Erfindung
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2 eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts des Fluidpegelsensors gemäß 1
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3 eine Querschnittansicht des Abschnitts des Fluidpegelsensors gemäß 2
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4 eine Ansicht des Fluidpegelsensors gemäß 1 in einer in einem leeren Tank eingenommenen Position, und
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5 eine Explosionsansicht des Details aus 2.
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Wie beispielsweise in 1 ersichtlich ist, umfasst eine mögliche Ausführungsform eines Fluidpegelsensors 10 gemäß der vorliegenden Erfindung ein Gehäuse 12, mit dem ein bewegliches Element 16 mittels eines Drehzapfens 14 verbunden ist. Bei der hier besprochenen Ausführungsform ist das bewegliche Element 16 in der Lage, sich um den Drehzapfen 14 zu drehen und sich somit relativ zu dem Gehäuse 12 zu drehen.
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Das bewegliche Element 16 ist einstückig mit einem metallischen Glied 18 ausgebildet, das in dem beweglichen Element 16 untergebracht und durch dieses umgeben ist. Das metallische Glied 18 ist aus einem metallischen Material hergestellt. Insbesondere kann ein metallisches Material, das weder ferromagnetisch noch ferrimagnetisch ist, beispielsweise Aluminium, verwendet werden. Allerdings liefert der Sensor auch dann zuverlässige Ergebnisse, wenn ein ferromagnetisches oder ferrimagnetisches Material verwendet wird. Das bewegliche Element 16 ist bei der hier beschriebenen Ausführungsform aus einem Harz gebildet.
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Alternativ dazu können auch andere Materialien, insbesondere nichtmetallische Materialien und/oder elektrisch isolierende Materialien, verwendet werden.
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Der Fluidpegelsensor 10 umfasst einen Schwimmer 20, der mittels eines Hebels 22 mit dem beweglichen Element 16 verbunden ist. Für eine sichere Verbindung umfasst das bewegliche Element 16 einen Halteabschnitt 24, in dem der Hebel 22 mittels Klemmen 26 befestigt werden kann. Anstatt einer Befestigung mittels der Klemmen 26 kann jedes beliebige andere Verfahren zum Befestigen des Hebels 22 an dem beweglichen Glied 16 in Betracht gezogen werden, insbesondere das Befestigen desselben mittels eines Klebstoffes oder durch Schweißen oder Löten.
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Der Schwimmer 20 wird bei der vorliegenden Ausführungsform aus einem Material hergestellt, welches dazu ausgebildet ist, auf dem Fluid, dessen Pegel gemessen werden soll, zu schwimmen. Bei anderen möglichen Ausführungsformen können nur Teile des Schwimmers 20 aus einem Material hergestellt sein, das in der Lage ist, auf einem Fluid zu schwimmen. Bei weiteren Ausführungsformen kann der Schwimmer 20 aus einem Hohlkörper gebildet sein, der aus einem Material hergestellt ist, das eventuell nicht in der Lage ist, auf einem Fluid zu schwimmen. Der Hebel 22 weist eine stangenförmige oder zylinderförmige Gestalt auf. Bei alternativen Ausführungsformen ist jedwede andere Gestalt vorstellbar.
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Wie insbesondere aus 3 zu ersehen ist, ist in dem Gehäuse 12 eine Leiterplatte 28 angeordnet. Die Leiterplatte umfasst einen Magnetfeldgenerator, der als mehrlagige gedruckte Spule in Form einer durchgehenden Spirale realisiert ist, eine Oszillatorschaltung zum Ansteuern des Magnetfeldgenerators und eine Detektiervorrichtung. Die Detektiervorrichtung ist durch einen Mikrocontroller realisiert. Ein Weichmetallkern ist in dem resultierenden Magnetfeld (nicht dargestellt) angeordnet. Das Gehäuse 12 ist mittels einer Dichtung (nicht dargestellt) gegenüber seiner Umgebung abgedichtet, um die in dem Gehäuse untergebrachten Komponenten auf fluiddichte Weise zu schützen.
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Der Magnetfeldgenerator (Spule) ist dazu ausgebildet, durch die Oszillatorschaltung mit Energie versorgt ein oszillierendes Magnetfeld (d. h. ein sich mit der Zeit veränderndes Magnetfeld) zu erzeugen. Das metallische Glied 18 ist in einem Bereich angeordnet, in dem das durch den Magnetfeldgenerator erzeugte Magnetfeld vorliegt. Das metallische Glied 18 und daher das bewegliche Element 16 sind beweglich, insbesondere drehbeweglich, relativ zu dem Magnetfeldgenerator und dem durch den Magnetfeldgenerator erzeugten Magnetfeld angeordnet. Die Bewegung des metallischen Gliedes 18 und daher die Bewegung des beweglichen Elements 16 werden durch die Bewegung des Schwimmers 20, d. h. in Abhängigkeit von einem zu messenden Fluidpegel, bewirkt, wobei die lineare Bewegung des Schwimmers 20 mittels des Drehzapfens 14 in eine Drehbewegung des beweglichen Elements 16 und des darin untergebrachten metallischen Elements 18 umgewandelt wird.
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Das metallische Glied 18 umfasst eine effektive Geometrie, welche die Größe von Wirbelströmen definiert, die in dem metallischen Glied infolge des durch den Magnetfeldgenerator erzeugten Magnetfeldes induziert werden (im Allgemeinen wird die Größe von induzierten Wirbelströmen durch eine Fläche definiert, die dem Magnetfeld ausgesetzt ist). Das metallische Glied 18 ist derart ausgebildet, dass sich die effektive Geometrie desselben verändert, wenn das metallische Glied 18 relativ zu dem Magnetfeldgenerator bewegt wird. Aus diesem Grund sind in dem metallischen Element 18 induzierte Wirbelströme in jeder Position des metallischen Elements 18 relativ zu dem Magnetfeld unterschiedlich und einzigartig. Daher ist auch das Magnetfeld, das durch die Wirbelströme herbeigeführt wird, in jeder Position des metallischen Elements 18 relativ zu dem Magnetfeld unterschiedlich und einzigartig.
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Durch Verwendung der Detektiervorrichtung ist es möglich, die in dem metallischen Glied induzierten Wirbelströme zu detektieren. Hierzu gibt es verschiedene Möglichkeiten. Insbesondere kann die Bestimmung der Wirbelströme basierend auf der Änderung der Impedanz der Spule und/oder basierend auf der Frequenzverschiebung eines resultierenden Magnetfeldes, welches das resultierende Magnetfeld ist, das durch Überlagern des mittels des Magnetfeldgenerators erzeugten Magnetfeldes mit dem infolge der in dem metallischen Glied induzierten Wirbelströme erzeugten Magnetfeld erhalten wird, erfolgen. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform ist die Detektiervorrichtung wie oben erwähnt ein Mikrocontroller. Ein Weichmetallkern wird in dem resultierenden Magnetfeld angeordnet. Der Mikrocontroller detektiert die Frequenz des resultierenden Magnetfeldes und somit die Änderung der Frequenz, wenn das metallische Glied 18 relativ zu dem Magnetfeld bewegt wird.
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Zum Anzeigen eines Fluidpegels basierend auf dem durch die Detektiervorrichtung ausgegebenen Ergebnis umfasst der Sensor 10 eine Fluidpegelbestimmungsvorrichtung, die den Fluidpegel basierend auf dem Ergebnis, d. h. den in dem metallischen Glied induzierten Wirbelströmen, bestimmt.
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Das metallische Glied 18 ist, wie oben erwähnt, derart ausgebildet, dass sich die effektive Geometrie desselben ändert, wenn das metallische Glied 18 relativ zu dem Magnetfeldgenerator bewegt wird. Daher nimmt bei der hier beschriebenen Ausführungsform die radiale Erstreckung des metallischen Elements 18 zu, wenn das metallische Glied 18 (das bewegliche Element 16) um den Drehzapfen 14 gedreht wird. Dies bedeutet, dass sich, wenn man sich eine virtuelle Linie in einer radialen Richtung vorstellt, welche das metallische Element kreuzt, zwei Kreuzungspunkte ergeben, welche die Kanten des metallischen Elements sind. Wenn das metallische Element bewegt wird, weisen die Kreuzungspunkte einen anderen Abstand voneinander auf, wobei ausgehend von einer Position, die für einen vollen Tank steht, der Abstand monoton zunimmt, und wobei ausgehend von einer Position, die für einen leeren Tank steht, der Abstand monoton abnimmt, oder umgekehrt.
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Zusammenfassend umfasst der Sensor 10 ein Gehäuse 12, das ein Element 28 mit Sensorschaltung auf Leiterplatte umfasst, das innerhalb des Gehäuses 12 gegenüber Fluiden hermetisch abgedichtet ist. An der Außenseite des abgedichteten Gehäuses 12 ist ein Metall-Target (metallisches Glied 18) von veränderlicher Geometrie angeordnet, das einen integrierten Bestandteil eines rotierenden Elements (beweglichen Elements 16) darstellt, welches sich um den Drehzapfen 14 dreht, wenn es durch den Hebel 22 und den Halteabschnitt 24 mit einem schwimmenden Element (Schwimmer 20) verbunden ist, um die lineare Bewegung des schwimmenden Elements in eine Drehbewegung des Metall-Targets umzuwandeln. Die Sensorschaltung erfordert keinerlei permanentes Magnetfeld und nutzt den Wirbelstromeffekt, wenn sich das Metall-Target von veränderlicher Geometrie bewegt/dreht. Eine Wirbelstromschaltung setzt sich zusammen aus einer mehrlagigen gedruckten Spule in Form einer durchgehenden Spirale auf der Leiterplatte (PCB), einer Oszillatorschaltung und einem Mikrocontroller, um die Änderung der Impedanz der Spule, während sich das Metall-Target durch das oszillierende Magnetfeld bewegt, zu verarbeiten.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Detektieren eines Fluidpegels, umfassend folgende Schritte:
- – Bereitstellen eines Magnetfeldes, das sich mit der Zeit verändert, mittels eines Magnetfeldgenerators,
- – Messen der Größe von Wirbelströmen, die in einem metallischen Glied 18 induziert werden, das in einem Bereich angeordnet ist, in dem das Magnetfeld vorliegt, und das beweglich, insbesondere drehbeweglich, relativ zu dem Magnetfeld angeordnet ist, wobei das metallische Glied 18 eine effektive Geometrie umfasst, welche die Größe von Wirbelströmen definiert, die infolge des Magnetfeldes in dem metallischen Glied 18 induziert werden, wobei die effektive Geometrie, welche die Größe von Wirbelströmen definiert, die infolge des Magnetfeldes in dem metallischen Glied 18 induziert werden, geändert wird, wenn das metallische Glied 18 relativ zu dem Magnetfeld bewegt wird,
- – Bestimmen der Größe von Wirbelströmen, die in dem metallischen Glied 18 induziert werden, und
- – Bestimmen der Position des metallischen Gliedes 18 relativ zu dem Magnetfeld mittels der Größe der in dem metallischen Glied 18 induzierten Wirbelströme.
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Bei der in den Figuren dargestellten Ausführungsform ist der Schritt des Bereitstellens eines Magnetfeldes, das sich mit der Zeit verändert, ein Schritt des Bereitstellens eines oszillierenden Magnetfeldes, und das Magnetfeld wird mittels einer Spule erzeugt. Die Größe von Wirbelströmen, die in dem metallischen Glied induziert werden, wird basierend auf der Impedanz der Spule bestimmt. Die Größe der Impedanz der Spule wird basierend auf der Frequenz eines resultierenden Magnetfeldes bestimmt, welches das resultierende Magnetfeld ist, das durch Überlagern des mittels des Magnetfeldgenerators erzeugten Magnetfeldes mit dem Magnetfeld, das infolge der in dem metallischen Glied induzierten Wirbelströme erzeugt wird, erhalten wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Fluidpegelsensor
- 12
- Gehäuse
- 14
- Drehzapfen
- 16
- bewegliches Element
- 18
- metallisches Glied
- 20
- Schwimmer
- 22
- Hebel
- 24
- Halteabschnitt
- 26
- Klemmen
- 28
- Leiterplatte
