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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Füllstandssensor gemäß Oberbegriff
Patentanspruch 1 sowie auf ein Verfahren zur Einstellung des Nullpunktes
des Anzeigesignals für
wenigstens eine Anzeigevorrichtung einer Vorrichtung zum elektrischen
Messen der Füllstandeshöhe gemäß Oberbegriff
Patentanspruch 18.
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Sensoren
zum elektrischen Messen der Füllstandshöhe einer
Flüssigkeit
in einem Behälter,
beispielsweise in einem Kraftstofftank eines Fahrzeugs unter Verwendung
von mehreren an einer Oberflächenseite
eines Trägers
aus einem Flachmaterial gebildeten Thermoelement, deren warme Übergänge durch
einen einen Heizleiter an der anderen Oberflächenseite des Trägers durchströmenden Heizstrom beheizt
werden und die wenigstens eine vom Füllstand abhängige Meßspannung liefern, sind bekannt (
DE 40 30 401 A1 ).
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Die
die Thermoelemente bildenden Strukturen bestehen aus zwei unterschiedlichen,
elektrisch leitenden Werkstoffen, von denen der eine Werkstoff beispielsweise
Metall und der andere Werkstoff beispielsweise ein Halbleitermaterial
ist. Beide Werkstoffe können
aber auch unterschiedliche Metalle und/oder Metall-Legierungen sein.
So eignen sich beispielsweise für
die Thermoelementstrukturen als Werkstoffpaar Konstantan und eine
Chrom-Nickel-Legierung. Für
die Leiterbahnen und Anschlüsse
an die die Thermoelemente bildenden Strukturen eignen sich metallische
Werkstoffe und dabei vorzugsweise auch solche, deren spezifischer
Widerstand eine möglichst
geringe Temperaturabhängigkeit
zumindest in dem Temperaturbereich aufweist, in dem derartige Füllstandssensoren
zur Anwendung kommen, d.h. beispielsweise in einem Temperaturbereich
zwischen ca. –100°C und + 150°C. Aus Gründen einer
möglichst
einfachen und zuverlässigen äußeren Kontaktierung
(auch durch Löttechnik) und wegen
eines geringen elektrischen Widerstandes werden für die Anschlußbahnen
oder Anschlüsse
sowie Leiterbahnen der Thermoelemente, aber auch des Heizleiters
z.B. Silber oder Silberlegierungen verwendet, und zwar trotz einer
relativ hohen Temperaturabhängigkeit
des spezifischen Widerstandes dieser Werkstoffe. Eventuelle temperaturbedingte
Fehler, die durch die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes
des Heizleiters verursacht sind, werden dann in der mit dem Füllstandssensor
zusammenwirkenden Auswert- und Steuerelektronik kompensiert.
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Als
Trägermaterial
eignet sich bei der Erfindung eine Folie aus einem Kunststoffmaterial,
welches u.a. zusätzlich
zu einer ausreichenden mechanischen Stabilität auch eine ausreichende Hitzebeständigkeit
besitzt und insbesondere unempfindlich gegenüber derjenigen Flüssigkeit
(z.B. Treibstoff) ist, deren Füllstandshöhe gemessen
werden soll.
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Bekannt
ist weiterhin eine Vorrichtung zum elektrischen Messen der Füllstandshöhe einer
Flüssigkeit
in einen Behälter
(
DE 100 38 79 C1 )
mit wenigstens einem Sensorelement, welches auf einem aus einem
Flachmaterial bestehenden Träger
mehrere in einer Achsrichtung des Trägers aufeinanderfolgende Thermoelemente
aufweist, die jeweils von einem ersten Übergang und einem zweiten Übergang zwischen
auf den Träger
aufgebrachten Strukturen aus elektrisch leitenden Werkstoffen unterschiedlichen
Typs gebildet. Weiterhin weist das Sensorelement wiederum einen
Heizleiter auf, der im Bereich der ersten Übergänge verläuft. Mit einer Auswert- und
Steuerelektronik werden in vorgegebenen Zeitintervallen bzw. Messphasen,
die von den Thermoelementen gelieferte Thermospannung erfasst. In
zeitlich gegenüber
den Messphasen versetzten Korrekturphasen erfolgt die Messung des
elektrischen Widerstandes des Heizleiters, und zwar zur Bildung
eines Korrekturfaktors, der die Temperatur der unmittelbaren Umgebung
des Sensorelementes berücksichtigt.
Unter Verwendung dieses Korrekturfaktors wird dann mit der Thermospannung
das die Füllhöhe anzeigende
Anzeigesignal gebildet.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Füllstandssensor
der Eingangs erwähnten
Art dahingehend weiterzubilden, daß er bei vereinfachter Fertigungsmöglichkeit
eine hohe Meßgenauigkeit
und Betriebssicherheit gewährleistet.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist ein Füllstandssensor
entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Weiter ist ein Verfahren
gemäß Patentanspruch
18 vorgesehen.
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Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird im
Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 in
vereinfachter Darstellung und in Draufsicht ein Sensorelement einer
Vorrichtung bzw. eines Sensors zum elektrischen Messen der Füllstandshöhe einer
Flüssigkeit
in einem Behälter,
nämlich
zur Messung der Füllstandshöhe des Treibstoffes in
einem Treibstofftank eines Straßenfahrzeugs;
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2 in
vergrößerter Darstellung
einen Schnitt entsprechend der Linie I–I der 1;
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3 in
vereinfachter Darstellung und in Seitenansicht eine mögliche Ausführungsform
des Sensors zur Messung der Füllstandshöhe;
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4 einen
Schnitt entsprechend der Linie II-II der 3 durch
eines der beiden Endstücke
des Sensors der 3;
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5 einen
Schnitt entsprechend der Linie III-III der 3 durch
das Gehäuse
des Sensors der 3;
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6 einen
Schnitt ähnlich 4 bei
einer weiteren, möglichen
Ausführungsform
der Erfindung;
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7 in
schematischer Darstellung und im Schnitt einen Treibstofftank mit
einem Sensor entsprechend der 3;
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8 in
Detaildarstellung das obere Ende des Sensorelementes bei einer weiteren
möglichen Ausführungsform,
und zwar zusammen mit einem von zwei Anschlußplatten gebildeten Anschlußelement;
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9 in
vereinfachter Darstellung einen Schnitt entsprechend der Linie IV-IV
der 8;
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10 in
Einzeldarstellung eine Anschlußplatte
des Anschlußelementes
der 8 und 9;
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11 in
einer Schnittdarstellung ähnlich 5 eine
weitere mögliche
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Füllstandssensors;
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12 das
Sensorelement der 1 zusammen mit einer Ansteuer-
und Auswertelektronik.
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In
den Figuren ist 1 ein Sensorelement, welches Bestandteil
eines Sensors 2 zum Messen der Füllstandshöhe des Treibstoffes bzw. des
Niveaus NT des Treibstoffspiegels in einem Treibstofftank 3 dient
(7).
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Das
Sensorelement 1 besteht im wesentlichen aus einem aus einem
Flachmaterial, beispielsweise aus einer geeigneten Folie hergestellten
Träger 4,
der bei der dargestellten Ausführungsform
einen streifenförmigen
Zuschnitt aufweist. Auf der einen Oberflächenseite des Trägers 4 ist
in einer die Trägerlängsrichtung
oder die Längsrichtung
des Sensorelementes 1 bildenden Achsrichtung L aufeinander
folgend und voneinander beabstandet eine Vielzahl von Thermoelementen 5 gebildet,
und zwar durch auf diese Oberflächenseite
aufgebrachte, sehr dünne
Strukturen 6 und 7 aus metallischen Werkstoffen,
wobei die Strukturen 6 aus einem metallischen Werkstoff
eines ersten Typs, beispielsweise aus einer Chrom-Nickel-Legierung
und die Strukturen 7 aus einem metallischen Werkstoff eines
zweiten Typs, beispielsweise aus Konstantan oder umgekehrt bestehen.
Jede Struktur 7 überlappt
jeweils zwei benachbarte Strukturen 6 auf einem Teilbereich, wodurch
jeweils zwei Übergänge 8 und 9 bildet,
und zwar der Übergang 8 als
heißer Übergang
und der Übergang 9 als
kalter Übergang
des betreffenden Thermoelementes 5. Bei der dargestellten
Ausführungsform
sind die jeweils von einem Übergang 8 und
einem Übergang 9 gebildeten
Thermoelemente in Reihe geschaltet, d.h. die Strukturen 6 und 7 und damit
auch die Übergänge 8 und 9 folgen
in Längsrichtung
(L) des Sensorelementes 1 wechselweise aufeinander, und
zwar ohne zusätzliche
Zwischenverbindungen aus anderen Werkstoffen.
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Das
in der 1 obere Thermoelement 5 bzw. dessen dem
oberen Ende 4' des
Trägers 4 am nächsten liegende
Struktur 6 ist mit einer Leiterbahn 10 verbunden.
Das dem anderen Ende 4'' des Sensorelementes
näher liegende
Thermoelement 5 bzw. dessen Struktur 6 ist mit
einer Leiterbahn 11 verbunden, die ebenfalls an das obere
Ende 4' des
Trägers 4 geführt ist,
und zwar entlang einer die Längsseite des
Trägers 4 bildenden
Seite 4'''. Die Leiterbahnen 10 und 11 bestehen
aus Silber bzw. einer Silberlegierung.
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Wie
dargestellt, sind die Übergänge 8 sämtlicher
Thermoelemente 5 auf einer gemeinsamen Linie L8 parallel
zur Längsachse
(L) angeordnet. Die Übergänge 9 befinden
sich jeweils abwechselnd beidseitig von dieser Linie L8,
und zwar auf gemeinsamen Linien L9 parallel
zur Längsachse
(L).
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An
der den Strukturen 6 und 7 sowie den Leiterbahnen 10 und 1 1
abgewandten anderen Oberflächenseite
des Trägers 4 ist
auf diesem Träger
ein Heizleiter 12 aufgebracht, der als Leiterbahn ausgebildet
ist und am oberen Ende 4' in
eine Anschluß- oder
Leiterbahn 13 übergeht.
Weiterhin ist eine als Rückleiter
dienende Leiterbahn 14 vorgesehen. Der Heizleiter 12 und
beide Leiterbahnen 13 und 14 sind parallel zur
Längsachse
(L) verlaufend angeordnet. Am Ende 4'' sind
der Heizleiter und die Leiterbahn 14 über einen Leiterbahnabschnitt 15 miteinander
verbunden. Der Heizleiter 12 und die Leiterbahnen 13 und 14 sind
weiterhin so vorgesehen, daß der
Heizleiter 12 und bei der dargestellten Ausführungsform auch
die Leiterbahn 13 entlang der Linie L8 verlaufen, und
zwar der Heizleiter über
sämtliche Überginge 8, während die
Leiterbahn 14 entlang der eine Längsseite bildenden Seite 4'''' verläuft. Der
Heizleiter 12, die Leiterbahnen 13 und 14 und
der Leiterbahnabschnitt 15 sind durch Aufbringen eines
metallischen Werkstoffes, beispielsweise durch Aufbringen von Silber
auf den Träger 4 erzeugt,
und zwar derart, daß die
Leiterbahnen 13 und 14 und der Leiterbahnabschnitt 15 einen
im Vergleich zum Heizleiter 12 wesentlich größeren Querschnitt
aufweisen, so daß die Erwärmung durch
den Heizstrom auf den Heizleiter 12 konzentriert ist.
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Für die Herstellung
der Strukturen 6 und 7, der Leiterbahnen 10 und 11 sowie
des Heizleiters 12, der Leiterbahnen 13 und 14 und
des Leiterbahnabschnittes 15 eignen sich unterschiedlichste
Techniken, beispielsweise das Aufbringen oder Abscheiden des jeweiligen
metallischen Werkstoffes unter Verwendung geeigneter Masken durch
Bedampfen des Trägers 4 oder
eines diesen Träger
bildenden Trägermaterials
und/oder galvanisches und/oder chemisches Abscheiden und/oder Spattertechniken
usw.
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Im
Verwendungsfall wird der Heizleiter 12 über die von den freien Enden
der Leiterbahnen 13 und 14 gebildeten Anschlüsse mit
einem Heizstrom, vorzugsweise mit einem konstanten Heizstrom beaufschlagt,
wodurch der Träger 4 den Übergängen 8 unmittelbar
benachbart entlang der Linie L8 mit einer konstanten
oder im wesentlichen konstanten Heizleistung beaufschlagt wird.
Die hierdurch erfolgende Erwärmung
der Übergänge 8 führt zu einer
Thermoelementespannung, die an den von den freien Enden der Leiterbahnen 10 und 11 gebildeten
Kontakten abgegriffen werden kann. In dem von der Flüssigkeit, d.h.
vom Treibstoff benetzten Bereich des Sensorelementes 1 führt der
Heizstrom des Heizleiters 12 zu einer wesentlich geringeren
Erwärmung
der Übergänge 8 als
in dem von Treibstoff nicht benetzten Bereich des Sensorelementes,
so daß die
an den Leiterbahnen 10 und 11 abgegriffene Thermoelement-
oder Meßspannung
ein Maß für die Länge des
von der Flüssigkeit
bzw. dem Treibstoff benetzten Bereichs des Sensorelementes 1 und
damit bei im Treibstofftank 3 eingebautem Füllstandssensor 2 ein
Maß für die Füllstandshöhe bzw.
das Niveau NT ist.
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Um
einen direkten Kontakt des Treibstoffes mit den Strukturen 6 und 7 und
Leiterbahnen 10 und 11 auf der einen Seite des
Trägers 4 sowie
auch mit dem Heizleiter 12, den Leiterbahnen 13 und 14 und dem
Leiterbahnabschnitt 15 auf der anderen Seite des Trägers 4 zu
vermeiden, ist auf jede Seite dieses Trägers eine Abdeckschicht 16 bzw. 17 aufgebracht, die
ebenso wie der Träger 4 aus
einem elektrisch isolierenden Flachmaterial, beispielsweise aus
einer Kunststoff-Folie besteht, die mit dem Träger 4 dicht verbunden
ist, beispielsweise durch geeignete Klebe- und/oder Schweißverbindung.
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Als
Folienmaterial für
den Träger 4 und
die Abdeckschichten 16 und 17 eignen sich beispielsweise
Folien aus Polyimid. Als Klebstoff zum Verbinden der Schutzschichten 16 und 17 mit
dem Träger 4 eignen
sich beispielsweise Klebstoffe bzw. Schmelzkleber auf Fluor-Kohlenstoff-Basis
(FEP) oder Polyimid-Basis. Das hierbei notwendige Verpressen erfolgt
beispielsweise in einer Presse mit beheizten Preßbacken. Die Klebezeit ist
dabei u.a. von dem verwendeten Klebstoff abhängig. Der Klebstoff ist so gewählt, daß dessen
Verarbeitungs- bzw. Schmelztemperatur oder Vernetzungstemperatur
deutlich unter der Schmelztemperatur des für den Träger 4 sowie die Schutzschichten 16 und 17 verwendeten
Materials liegt, welches z.B. bei Folien aus FEP für die Schutzschichten 16 und 17 bei
300°C liegt.
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Entsprechend
den 3–5 besteht
der Füllstandssensor 2 weiterhin
aus einem langgestreckten Gehäuse 18 mit
einem rohrartige Gehäuseelement 19,
welches bei der dargestellten Ausführungsform im wesentlichen
einen rechteckförmigen Außen- und
Innenquerschnitt mit abgerundeten Ecken aufweist und beispielsweise
aus einem geeigneten Kunststoff gefertigt ist. Das Gehäuseelement 19 ist
am oberen und am unteren Ende des Füllstandssensors 2 jeweils
durch ein End- oder Abschlußstück 20 dicht
verschlossen, welches beispielsweise ebenfalls aus Kunststoff gefertigt
ist. Beide haubenartigen Abschlußstücke 20 und 21 sind
bei der dargestellten Ausführungsform
im wesentlichen identisch ausgebildet, und zwar derart, daß diese
Abschlußstücke auf
das rohrartige Gehäuseelement 19 aufgeschoben
und dort in geeigneter Weise, beispielsweise durch Verkleben oder
Verschweißen
befestigt sind. Jedes Abschlußstück 20 bzw. 21 ist
bei der dargestellten Ausführungsform
mit einer Befestigungsöse 22 gefertigt,
und zwar zum Befestigen des Füllstandssensors
im Treibstofftank 3.
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Das
obere Abschlußstück 20 ist
so ausgeführt,
daß dort
Anschlussleitungen 23 bis 26 dicht herausgeführt sind,
und zwar die beiden äußeren mit den
Leiterbahnen 10 und 11 verbundenen Meßleitungen 23 und 24 und
die beiden, mit den Leiterbahnen 13 und 14 verbundenen äußeren Heizleitungen 25 und 26.
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Im
Bereich der Abschlußstücke 20 und 21 ist das
Gehäuse 18 jeweils
mit einer Öffnung 27 bzw. 28 versehen.
Die Öffnung 27 im
oberen Abschlußstück 20 dient
im wesentlichen als Entlüftungsöffnung für den geschlossenen
Innenraum 29 des Gehäuses 18. Die Öffnung 28 im
unteren Abschlußstück 21 dient als
Einlaß-
und Auslaßöffnung zum
Zufließen
und Abfließen
des Treibstoffes in den bzw. aus dem Innenraum 29. Über den
Querschnitt der Öffnung 27 und/oder 28 ist
die Geschwindigkeit eingestellt, mit der das Zufließen und
Abfließen
des Treibstoffes in den bzw. aus dem Innenraum 29 erfolgt.
Der Querschnitt zumindest einer dieser Öffnungen ist dabei so gewählt, daß er deutlich
kleiner ist als der Querschnitt des Innenraumes 29 bzw.
des rohrartigen Gehäuseelementes 19,
beispielsweise weniger als 5% der Querschnittsfläche des Querschnitt des Innenraumes 29,
z.B. etwa 1% dieser Querschnittsfläche beträgt. Durch die Öffnungen 27 und 28 ist
der Innenraum 29 des Gehäuses 18 von schnellen
Füllstandsänderungen
des Treibstoffes 3 entkoppelt, insbesondere auch von schnellen Änderungen
des Niveaus NT im Treibstofftank, die (Änderungen) durch Bewegungen
und/oder Beschleunigungen des Fahrzeugs bedingt sind, so daß sich derartige
unkontrollierte Bewegungen des Treibstoffniveaus NT nicht auf das Meßergebnis
des Füllstandssensors 2 auswirken.
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Auf
jeden Fall sind diese Querschnitte aber so gewählt, daß beispielsweise erst innerhalb
einer Zeitspanne von 10 bis 30 Sekunden ein Ausgleich des Flüssigkeits- oder Treibstoffniveaus
innerhalb des Gehäuses 18 auf
ein sich plötzlich änderndes
Niveau außerhalb
des Gehäuses 18 möglich ist.
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Das
Sensorelement 1 ist in dem Innenraum 19 so angeordnet,
daß es
sich mit seinem oberen Ende 4' am oberen Ende des Innenraumes 19 im
Bereich des dortigen Abschlußelementes 20 und
mit seinem unteren Ende 4' im
Bereich des unteren Endes des Gehäuseinnenraumes 29 bzw.
des dortigen Abschlußstückes 21 befindet.
Entlang den beiden Längsseiten
(4''') und (4'''') ist das Sensorelement 1 an
den Schmalseiten des Gehäuseelementes 19 gehalten
und zwar derart, daß beide
von einer Schutzschicht 16 bzw. 17 gebildete Oberflächenseiten
des Sensorelementes 1 über
die gesamte Länge
des Sensorelementes zwangsläufig
in einem vorgegebenen konstanten Abstand von der Innenfläche der
längeren
Querschnittsseiten des Gehäuseelemntes 19 angeordnet
sind. Um dies sicherzustellen, ist das Gehäuseelement 19 an der
Innenseite im Bereich der schmäleren
Querschnittsseiten jeweils mit zwei Führungsstegen 30 versehen,
die nach innen vorspringen und zwischen sich als Halter oder Aufnahme 31 eine
Führungsnut
bilden, die sich in Gehäuselängsrichtung
erstreckt und in der die jeweilige Längsseite (4''')
bzw. (4'''')
aufgenommen ist.
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An
der Außenfläche des
Gehäuseelementes 19 sind
bei der dargestellten Ausführungsform
zwischen den beiden Enden des Gehäuses 18 Vorsprünge 32 mit
weiteren Befestigungsösen 33 angeformt.
Anstelle der Vorsprünge 32 kann
auch auf das Gehäuseelement 19 ein
die Befestigungsösen 33 aufweisendes
ringartiges Haltestück
aufgesetzt sein.
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Vorstehend
wurde davon ausgegangen, daß die
Anschlußstücke 20 und 21 auf
die Enden des Gehäuseelementes
aufgesetzt sind. Auch andere Ausführungen sind denkbar. So ist
es beispielsweise möglich,
die Anschlußstücke beim
Spritzgießen
bereits mit dem Gehäuseelement 19 zu
verbinden, beispielsweise durch An- oder Umspritzen. Außerdem ist
es auch möglich,
anstelle wenigstens eines Anschlußstücks 20 bis 21 das
Gehäuseelement
an dem betreffenden Ende durch eine Vergußmasse zu verschließen und
hierbei dann z. B. auch das Sensorelement 1 an dem betreffenden
Ende in der Vergußmasse
zu fixieren.
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Weiterhin
wurde vorstehend davon ausgegangen, daß zur Befestigung des Füllstandssensors 2 Befestigungsösen 22 bzw. 33 vorgesehen
sind. Auch andere Befestigungsmittel sind denkbar. Insbesondere
ist es möglich,
den Füllstandssensor 2 durch eine
Rast- oder Klippbefestigung im Tank zu verankern.
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Die 6 zeigt
als weitere mögliche
Ausführungsform
ein Gehäuse 18a,
welches sich von dem Gehäuse 18 im
wesentlichen nur dadurch unterscheidet, daß das Gehäuseteil 19a außen und
innen mit einer im wesentlichen glatten Wandung ausgeführt ist,
und daß zum
Halten des Sensorelementes 1 in das Gehäuseelement 19a zwei
leistenartige Führungsstücke 34 eingesetzt
sind. Diese liegen jeweils gegen eine Innenfläche der schmäleren Querschnittsseiten
an und bilden als Halter oder Aufnahme 35 eine Führungsnut,
in die eine Längsseite
(4''') bzw. (4'''') des Sensorelementes 1 eingreift.
Durch die in den 4 und 5 dargestellte
Art der Lagesicherung des Sensorelementes an den beiden Längsseiten
ist eine Längsverschiebung
des Sensorelementes 1 relativ zum Gehäuse 18 bzw. 18a in
gewissen Grenzen möglich,
und zwar für
einen Längenausgleich
bei thermisch bedingten Längenänderungen
oder beim Krümmen
bzw. Biegen des Füllstandssensors 2.
Dieser Längenausgleich
vermeidet u.a. auch mechanische Spannungen im Sensorelement, die
zu Beschädigungen
führen
könnten.
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Wie
die 7 zeigt, kann es zweckmäßig sein, den Füllstandssensor 2 gekrümmt auszubilden, um
so auch niedrige Füllstände im Treibstofftank 3 zuverlässig und
mit hoher Auflösung
zu erfassen und auch thermische Längenänderungen des Füllstandssensors 2 und/oder
des Tanks besser ausgleichen zu können. Bei der gekrümmten Ausbildung
des Füllstandssensors 2 sind
das Gehäuse 18 bzw. 18a sowie
das in diesem Gehäuse
untergebrachte Sensorelement 1 gekrümmt ausgeführt. Gerade bei dieser gekrümmten Ausbildung
ist es notwendig, daß das Sensorelement 1 zur
Einhaltung der Abstände
an seinen beiden Längsseiten
(4''') und (4'''') im Gehäuseelement 19 bzw. 19a seitlich
gehalten ist.
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Grundsätzlich besteht
die Möglichkeit,
das Gehäuseelement 19 bzw. 19a mit
einer gewissen Flexibilität
auszubilden, und zwar beispielsweise dadurch, daß es als gewelltes Rohr mit
möglichst
glatter Innenfläche
ausgeführt
ist. Durch die flexible Ausbildung des Gehäuses 18 bzw. 18a und
des Füllstandssensors 2 insgesamt
kann sehr unterschiedlichen Formen für einen Treibstofftank Rechnung
getragen werden, insbesondere ist bei flexibler Ausbildung auch
die Montage des Füllstandssensors 2 bei
komplizierteren Tankformen vereinfacht.
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In
der 7 ist mit 36 ein Anschlag im Treibstofftank 3 bezeichnet.
Dieser Anschlag 36 wirkt mit dem unteren Ende des Füllstandssensors 2 zusammen
und definiert dadurch die richtige Lage dieses Endes, so daß nach der
Montage des Füllstandssensors 2 im
Treibstofftank 3 eine exakte Messung insbesondere auch
kleiner Füllstandshöhen gewährleistet
ist.
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Die 8 zeigt
nochmals in Teildarstellung das obere Ende eines Sensorelementes 1a,
welches von seinem grundsätzlichen
Aufbau her dem Sensorelement 1 entspricht, allerdings am
oberen Ende 4' des
Trägers 4 mit
einem Anschlußelement 37 versehen
ist, und zwar zum Anschließen
der äußeren Anschlussleitungen 23–26 und
zur Zugentlastung. Das Anschlußelement 37 besteht
aus zwei Platten 38, die jeweils aus einem elektrisch isolierenden
Flachmaterial hergestellt sind, und zwar aus einem Material, wie es
auch für
Print- oder Leiterplatten von elektrischen Schaltkreisen verwendet
wird. Die beiden Platten 38 sind identisch ausgebildet,
und zwar wie dies in der 10 dargestellt
ist. Jede Platte 38 besitzt ein Fenster 39 und
seitlich von diesem Fenster an einer Plattenseite zwei erste Kontaktflächen 40 und 41.
Mit M ist in der 10 die Mittellinie der Platte 38 angedeutet.
Diese Mittellinie M liegt parallel zu den kürzeren Seiten der rechteckförmigen Platte 38.
Auf der einen Seite der Mittellinie M befindet sich die ebenfalls rechteckförmig ausgebildete Öffnung 39.
Auf der anderen Seite sind die beiden, mit ihrer Längserstreckung
parallel zur Mittellinie M orientierten und voneinander beabstandeten
ersten Kontaktflächen 40 und 41 vorgesehen,
und zwar die Kontaktfläche 41 mit
kleinerem Abstand von der Mittellinie M als die Kontaktfläche 40.
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Die
Anordnung ist weiterhin so getroffen, daß die Öffnung 39 auf der
einen Seite der Mittellinie M eine Fläche einnimmt, die auf der anderen
Seite der Mittellinie M von den beiden ersten Kontaktflächen 40 und 41 eingenommen
ist.
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Auf
der anderen Plattenseite 38 sind zweite Kontaktflächen 40 und 41 vorgesehen,
und zwar derart, daß der
ersten Kontaktfläche 40 auf
der einen Plattenseite eine formgleiche zweite Kontaktfläche 40 auf
der anderen Plattenseite gegenüberliegt
und ebenso auch der ersten Kontaktfläche 41 auf der einen
Plattenseite der Platte 38 eine formgleiche zweite Kontaktfläche 41 auf
der anderen Plattenseite.
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Das
Anschlußelement 37 ist
dadurch gebildet, daß im
Bereich des oberen Endes 4' des
Trägers 4 des
Sensorelementes 1a auf beiden Seiten dieses Elementes oder
des Trägers 4 jeweils
eine Platte 38 vorgesehen ist. Dieser Randbereich ist zwischen
den beiden Platten 38 verspannt und zwar durch Schrauben
oder Nieten, die die Öffnungen 42 in
den Platten 38 durchdringen, oder durch Verkleben oder
durch Verlöten
der Platten 38 an Metallisierungen. Die Platten 38 sind
dabei so angeordnet, daß jeweils
die Kontaktflächen 40 und 41 einer
Platte 38 deckungsgleich mit der Öffnung bzw. dem Fenster 38 der
anderen Platte liegen. Der Träger 4 und
die Schutzschichten 16 und 17 sind im Bereich
der Öffnung 39 mit
einer dieser Öffnung
entsprechenden Öffnung 43 versehen,
so daß an
jeder Seite des Anschlußelementes 37 zwei äußere Kontaktflächen 40 und 41 an
der diese Seite bildenden Platte 38 seitlich von einem
Fenster 39 und außerdem
durch dieses Fenster 39 und die entsprechende Öffnung 43 im
Träger 4 zwei
Kontaktflächen 40 und 41 an
der anderen Platte 38 zugängig sind. Die Öffnungen 43 sind
dabei so ausgebildet, daß durch
diese Öffnungen
im Bereich jedes Fensters 39 nur die obere Hälfte der
jeweiligen Kontaktfläche 40 bzw. 41 freiliegt
und die untere Hälfte
jeder Kontaktfläche 40 bzw. 41 vom
Träger 4 abgedeckt
ist, und zwar derart, daß die
anzuschließenden Leiterbahnen 10 und 11 bzw. 13 und 14 mit
ihren Enden in die jeweilige Öffnung 39 hineinreichen.
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Die
an jeder Seite des Anschlußelementes 39 durch
eines der Fenster 39 und 43 zugänglichen Kontaktflächen 40 und 41 sind über Drahtbonds 44 mit
den in den Fenstern 39 und 43 endenden Leiterbahnen 10 und 11 (auf
der einen Seite des Anschlußelementes 37)
bzw. mit den in den Fenstern endenden Leiterbahnen 13 und 14 (auf
der anderen Seite des Anschlußelementes 37)
verbunden. Über Durchkontaktierungen 45 sind
die zugehörigen
ersten und zweiten Kontaktflächen 40 bzw. 41 jeder
Platte 38 miteinander verbunden, so daß dann an den außenliegenden
Kontaktflächen 40 und 41 des
Anschlußelementes 37 z.B.
durch Anlöten
die Anschlussleitungen 23–26 angeschlossen
werden können,
die dann über
die Kontaktflächen 40 bzw. 41,
die Durchkontaktierungen 45 und die Drahtbonds 44 mit
den Leiterbahnen 10, 11, 13 bzw. 14 verbunden
sind. Die elektrische Verbindung zwischen den Kontaktflächen 40 und 41 und
den Leiterbahnen durch die Drahtbonds 44 ist also bei dieser
Ausführungsform
in der jeweiligen Öffnung 39 ausgeführt.
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Mit
dem Anschlußelement 37 ist
ein zuverlässiger
Anschluß der
Anschlussleitungen 23–26 insbesondere
auch mit Zugentlastung möglich.
Durch die Drahtbonds 44 ist wirksam vermieden, daß durch Temperaturänderungen
bedingte mechanische Spannungen, insbesondere auch solche zwischen dem
Anschlußelement 37,
den dortigen Kontaktflächen 40 und 41 und
dem Träger 4 zu
Rissen in den Leiterbahnen 10, 11, 13 und 14 führen können, deren Dicke
sehr gering ist und beispielsweise in der Größenordnung von nur einigen
100nm liegt.
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Sofern
durch entsprechende Wahl der Materialien thermisch bedingte mechanische
Spannungen im Bereich der Anschlüsse
der Leiterbahnen 10, 11, 13, 14 nicht
zu befürchten
sind, ist auch eine direkte Kontaktierung der Kontaktflächen 40 und 41 mit
diesen Leiterbahnen möglich,
und zwar beispielsweise durch Verlöten.
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Mit 46 ist
in der 10 mit unterbrochenen Linien
noch eine zusätzliche
rechteckförmige Öffnung angedeutet,
die sich unterhalb der Kontaktflächen 40 und 41 sowie
unterhalb der Öffnung 39 befindet
und in die Öffnung 39 mündet. Diese
zusätzliche Öffnung 46 kann
für das
Einbringen einer Verguß-
oder Abdichtmasse vorgesehen sein, die den Träger 4 sowie auch den Übergang
zu den Schutzschichten 16 bzw. 17 abdeckt.
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Die 11 zeigt
in einer Schnittdarstellung ähnlich 5 als
weitere mögliche
Ausführungsform das
Gehäuse 18b und
das in diesem Gehäuse
angeordnete Sensorelement 1 bzw. 1a. Das Gehäuse 18b besteht
aus einem Gehäuseelement 19b,
welches von einem Rohrstück
mit einem ovalen Querschnitt, beispielsweise von einem gewellten
Rohrstück
mit ovalem Querschnitt gebildet ist. Bei der Herstellung des Füllstandssensors
wird das Sensorelement 1 bzw. 1a in das Gehäuse 18b eingesetzt,
und zwar derart, daß das
Sensorelement in der die größere Querschnittsachse
des ovalen Querschnittes definierenden Mittelebene des Gehäuseelementes 19b angeordnet
ist. Im Anschluß daran
werden durch bleibende Verformung von außen her in die Wandung des
Gehäuses
Nasen 30b eingedrückt,
und zwar derart, daß diese
Nasen 30b gegen beide Oberflächenseiten des Sensorelementes 1 bzw. 1a an
beiden Längsseiten
(4''') und (4'''') anliegen und hierdurch das Sensorelement
im Gehäuse 18b fixiert
ist. Die Nasen 30b können
steg- oder leistenartig ausgeführt sein,
so daß sich
jede Nase in Längsrichtung
des Gehäuses 18b über die
gesamte Länge
oder über
eine Teillänge
dieses Gehäuses
erstreckt. Weiterhin können
die Vorsprünge
oder Nasen auch solche mit relativ kurzen Abmessungen in Gehäuselängsrichtung sein,
wobei dann in dieser Richtung jeweils mehrere Nasen oder Vorsprünge 30b aufeinander
folgen.
-
Die 12 zeigt
nochmals sehr schematisch das Sensorelement 1, und zwar
zusammen mit einer Ansteuer- und Auswertelektronik 47.
Diese besitzt mehrere Anschlüsse 48–52,
und zwar
- – den
Anschluß 48 als
Ausgang zur Ansteuerung eines elektrischen Anzeigeinstruments 53 für die Füllstandsanzeige,
- – den
Anschluß 49 als
Ausgang zur Beaufschlagung des Heizleiters 12 mit einem
konstanten, aber gepulsten oder impulsförmigen Heizstrom sowie gegenüber diesem
phasenverschoben mit einem wesentlich niedrigeren impulsförmigen Meßstrom konstanter
Größe,
- – den
Anschluß 50 als
Eingang für
eine Meßspannung
U1, abgeleitet von dem einen Meßwiderstand 54 durchfließenden Meßstrom,
- – den
Anschluß 51 als
Eingang für
eine zweite Meßspannung
U2, die die am Heizleiter 12 anliegende
Spannung ist und
- – den
Anschluß 52 als
Eingang für
die von den Thermoelementen 5 gelieferte Thermoelementespannung.
-
Da
bei konstantem Heizstrom die Heizleistung des Heizleiters 12 vom
elektrischen Widerstand dieses Heizleiters abhängt, dieser Widerstand aber temperaturabhängig ist,
die Spannung Uth kein exaktes Maß für die Füllstandshöhe. Dieser
durch die Temperaturabhängigkeit
des Heizleiter-Widerstandes bedingte Meßfehler wird durch die Ansteuer-
und Auswertelektronik 47 berücksichtigt, und zwar bei konstanter
Amplitude des Meßstroms
durch Berücksichtigung
der Größe dieses
Meßstromes
und der Spannung U2. Die Spannung U1 dient dabei als Istwert für die Regelung
des Meßstromes,
aber auch für die
Regelung des Heizstromes.
-
Der
Heizleiter
12 wird also zeitversetzt jeweils über eine
ausreichende Impulsdauer mit dem Heizstrom beaufschlagt. Während dieser
Zeit wird die Spannung U
th gemessen (Meßphase)
und in der Elektronik
47 gespeichert. Zwischen zwei Impulsen des
Heizstromes wird der Heizleiter
12 in einer Korrekturphase
mit dem Meßstrom
beaufschlagt, und zwar für
die Korrektur der Thermoelementespannung U
th und
damit der Anzeige am Anzeigeinstrument
53 durch einen während der
Korrekturphase gebildeten Korrekturfaktor. Dieses Verfahren ist
im Detail in der
DE
100 38 792 A1 beschrieben.
-
Es
hat sich nun gezeigt, daß es
bei Verwendung der Elektronik 47 in besonders einfacher
Weise möglich
ist, die Nullstellung des Anzeigeinstrumentes 53 oder die
Nullstellung der Füllstandsanzeige
bei leerem Tank dadurch einzustellen, daß nach dem Einbau des Füllstandssensors
in den Tank in einer Nullstellenkorrekturphase ein Nullstellenkorrekturfaktor
ermittelt und anschließend
in der Elektronik 47 abgespeichert wird. Hierfür wird in
der Nullpunktkorrekturphase, die z. B. bei der ersten Inbetriebnahme
der Elektronik nach dem Einbau des Füllstandssensors in den Treibstofftank 3 automatisch
eingeleitet wird oder aber durch eine entsprechende Eingabe, beispielsweise
Befehl veranlaßt
wird, in der üblichen Weise
eine Meßphase
und eine Korrekturphase durchgeführt
und aufgrund der in der Meßphase
gemessenen Spannung Uth und aufgrund des
in der Korrekturphase gewonnenen Korrekturfaktors (erster Korrekturfaktor)
die Anzeige an dem Anzeigeinstrument 53 bzw. das entsprechende,
das Anzeigeinstrument 53 ansteuernde Anzeigesignal gebildet.
Aus Abweichungen dieses Anzeigesignals von einem der Nullstellung
des Anzeigeinstrumentes 53 entsprechenden Nullwert wird
dann in der Nullwertkorrekturphase ein zweiter Korrekturfaktor,
nämlich
der Nullwert-Korrekturfaktor
gebildet und in der Elektronik 47 abgelegt.
-
Im
späteren
Betrieb der Füllstandsanzeige bzw.
der Elektronik 47 wird dann die Anzeige an dem Anzeigeinstrument 53 nicht
nur durch den ersten Korrekturfaktor; sondern auch durch den zweiten
Korrekturfaktor korrigiert, wobei der zweite Korrekturfaktor zur
Korrektur des Heizstromes durch den Heizleiter 12 und/oder
zur Korrektur der Thermoelementespannung Tth verwendet
wird.
-
So
wurde vorstehend davon ausgegangen, daß zumindest das Gehäuseelement 19, 19a, 19b des
jeweiligen Gehäuses
rohrartig bzw. einteilig ausgebildet ist. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit,
das entsprechende Gehäuse
oder Gehäuseelement
zweiteilig, beispielsweise bestehend aus zwei schalenartigen Gehäuseteilen
auszubilden, die dann in geeigneter Weise zu dem Gehäuse miteinander verbunden
werden, beispielsweise durch Verklipsen oder Einrasten. Diese Ausführung hat
dann auch den Vorteil, daß das
jeweilige Sensorelement 1 bzw. 1a vor dem Verbinden
der beiden Gehäuseteile
in bzw. an einem dieser Gehäuseteile
montiert werden kann, und zwar derart, daß das Sensorelement nach dem Verbinden
der Gehäuseteile
an seinen Längsseiten im
Randbereich zwischen diesen Gehäuseteilen
fixiert ist, beispielsweise durch Klemmsitz- und/oder durch an den
Gehäuseteilen
angeformte und Öffnungen
des Sensorelementes durchdringende zapfenartige Vorsprünge usw.
-
- 1,
1a
- Sensorelement
- 2
- Füllstandssensor
- 3
- Treibstofftank
- 4
- Träger
- 4'
- oberes
Ende des Trägers
- 4''
- unteres
Ende des Trägers
- 4''',
4''''
- Seite
oder Längsseite
- 5
- Thermoelement
- 6,
7
- Strukturen
oder Thermoelementstrukturen
- 8,
9
- Übergänge
- 10,
11
- Leiterbahn
- 12
- Heizleiter
- 13,
14
- Leiterbahn
- 15
- Leiterbahnabschnitt
- 16,
17
- Schutzschicht
- 18,
18a, 18b
- Gehäuse
- 19,
19a, 19b
- Gehäuseelement
- 20,
21
- Abschlußstück
- 22
- Befestigungsrohr
- 23–26
- (Anschluß-)Leitung
- 27,
28
- Öffnung
- 29
- Gehäuseinnenraum
- 30
- Steg
- 30b
- Vorsprung
- 31
- Aufnahme
oder Halter bzw. Nut
- 32
- Vorsprung
- 33
- Befestigungsöse
- 34
- Führungsstück
- 35
- Aufnahme
oder Halter bzw. Nut
- 36
- Anschlag
- 37
- Anschlußelement
- 38
- Platte
- 39
- Öffnung oder
Fenster
- 40,
41
- Kontaktfläche
- 42
- Öffnung
- 43
- Öffnung oder
Fenster
- 44
- Drahtbond
- 45
- Durchkontaktierung
- 46
- zusätzliche Öffnung
- 47
- Steuer-
und Auswertelektronik
- 48–52
- Anschluß
- 53
- Anzeigevorrichtung
- 54
- Meßwiderstand
- 55
- Ansteuerkreis
- 56
- Nullpunkteinstellung
- L
- Achsrichtung
oder Längsachse
des Sensorelementes
- L8
- gemeinsame
Linie der heißen Übergänge
- L9
- gemeinsame
Linie der kalten Übergänge
- M
- Mittellinie
- U1, U2
- Meßspannung
- Uth
- Termoelementespannung