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Die Erfindung betrifft einen Sensor sowie eine Anordnung mit mindestens einem derartigen Sensor zur Messung einer Konzentration eines gefrierpunktvermindernden Mittels in einem Wassergemisch, insbesondere einem Wassergemisch für eine Scheibenwaschanlage eines Kraftfahrzeugs.
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Es besteht hierbei das Problem, dass eine vorbestimmte Mischung des Wassers mit einem gefrierpunktvermindernden Mittel bzw. Frostschutzmittel eingehalten werden muss, damit bei tiefen Temperaturen im Winter das Wassergemisch nicht gefriert und es nicht zu Funktionsstörungen oder gar zu Beschädigungen Waschanlagen kommen kann. Insbesondere im Bereich von Kraftfahrzeugen ist eine regelmäßige Überprüfung der Wassermischungen erforderlich, da aufgrund Nachfüllens die Konzentration kontinuierlich abnehmen kann und es so zu einer unzureichenden Konzentration kommen kann. Bei einer zu niedrigen Konzentration kann ein Einfrieren bei tiefen Temperaturen nicht mehr vermieden werden. Die Spritzdüsen bzw. Leitungen des Scheibenwaschsystems eines Kraftfahrzeugs sind wegen der exponierten Lage äußerst anfällig gegen Einfrieren. Daher ist es üblich, die Konzentration eines gefrierpunktvermindernden Mittels in dem Wassergemisch manuell regelmäßig zu überprüfen.
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Es ist bekannt, eine Konzentration von gefrierpunktvermindernden Mitteln bzw. Frostschutz in einem Wassergemisch durch externe Vorrichtungen zu überprüfen, die durch äußere Entnahme eines Teils der Flüssigkeit über einen Saugschlauch und eine Dichtemessung feststellen lassen, ob eine vorbestimmte Konzentration des Frostschutzmittels, die einer maximalen Tiefsttemperatur entspricht, nicht unterschritten wird. Nachteilig dabei ist, dass die Überprüfung von außen zu erfolgen hat, und dass eine Automatisierung des Vorgangs nur mit großem Aufwand möglich ist. Außerdem kann es zu Ungenauigkeiten in der Messung kommen, wenn in der Flüssigkeitsentnahme aus dem Behältnis des Wassergemischs unsauber vorgegangen wird oder wenn in der Prüfvorrichtung Restbestandteile einer vorhergehenden Prüfung zurückgeblieben sind.
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Aus der
DE 693 30 662 T2 ist ein Sensor zur Messung der Konzentration eines Stoffes in einem Wassergemisch bekannt, der ein Messelement in Form eines elektronischen, temperaturabhängigen Widerstands aufweist, das in ein Wassergemisch direkt eintauchbar ist.
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Weiterhin ist aus der
US 4 722 611 A ebenfalls ein Sensor mit einem Messelement bekannt, welches in ein Wassergemisch direkt oder indirekt eintauchbar ist. Das Messelement ist dabei ein elektronischer, temperaturabhängiger Widerstand. Weiterhin ist ein Zeitgeberelement zur Messung des elektrischen Widerstands des Messelements vorgesehen, und zwar nach einer vorgegebenen Zeitdauer nach dem Anlegen einer elektrischen Spannung an den Widerstand.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Sensor bzw. eine Anordnung zur Messung einer Konzentration eines gefrierpunktvermindernden Mittels in einem Wassergemisch aufzuzeigen, bei der ein Einfrieren des Wassergemisches effektiv vermieden wird. Diese Aufgabe wird bei einem Sensor bzw. einer Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 8 gelöst.
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Der Sensor zur Messung einer Konzentration eines gefrierpunktvermindernden Mittels in einem Wassergemisch gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Messelement auf, welches in das Wassergemisch direkt oder indirekt eintauchbar ist, wobei das Messelement ein elektronischer, temperaturabhängiger Widerstand ist, dessen Messbereich angepasst ist an die spezifische Wärmekapazität des Wassergemisches zur Messung eines ausreichenden Frostschutzes. Auf diese Weise kann auf elektronischem Weg die Konzentration eines gefrierpunktvermindernden Mittels in einem Wassergemisch auf einfache und zuverlässige Weise festgestellt werden. Das temperaturabhängige Widerstandselement kann über die elektronische Spannung einen Messwert liefern, der stellvertretend für die relative Konzentration und damit entsprechend der Gefrierneigung des Wassergemisches ist. Hierdurch wird sicher vermieden, dass das Wassergemisch versehentlich gefriert aufgrund eines fehlenden Nachfüllens von gefrierpunktvermindernden Mitteln bzw. Frostschutzmittel. Vorzugsweise betrifft die Erfindung das Wassergemisch einer Scheibenwaschanlage für ein Kraftfahrzeug, wobei das Wasser mit einer alkoholartigen Flüssigkeit als Frostschutz versetzt ist. Selbstverständlich kann jedoch jede andere Art von gefrierpunktvermindernden Flüssigkeiten eingesetzt werden. Wesentlich ist, dass gemäß der vorliegenden Erfindung aufgrund der spezifischen Wärmekapazitäten und der dadurch unterschiedlichen Leitungseigenschaften des Messelements mit oder ohne Frostschutzmittel über einen temperatursensiblen bzw. abhängigen elektronischen Widerstand festgestellt werden kann, welche Konzentration von Frostschutzmittel in einem Gemisch tatsächlich vorliegt. Dies kann beispielsweise auf kontinuierliche Weise erfolgen oder auf stetige Weise, d.h. bei Überschreiten eines oder mehrerer Schwellenwerte einer Mindestkonzentration. Erfindungsgemäß ist es weiterhin vorgesehen, dass eine Steuerung vorhanden ist, die angepasst ist zur Messung von mindestens einem Schwellenwert einer Konzentration des Mittels in dem Wassergemisch. Der Sensor kann so ein Signal erzeugen, sobald ein bestimmter Mindestwert bzw. Schwellenwert einer Konzentration des gefrierpunktvermindernden Mittels unterschritten wird. Hierdurch wird ein Einfrieren bei normalen Außentemperaturen effektiv vermieden.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Messbereich des Widerstands derart gewählt, dass eine vorbestimmte Grenze einer minimal zulässigen Konzentration des gefrierpunktvermindernden Mittels feststellbar ist. Hierdurch kann bei Unterschreiten einer Mindestmenge an Frostschutzmittel eine Messung im Sinne einer Plus/Minus-Abfrage erfolgen, d.h. ob eine ausreichende Konzentration des Frostschutzmittels im Wasser vorhanden ist, um das Unterschreiten einer vorgegebenen Gefrierschwelle bei Temperaturen beispielsweise von mehr als -20° zu vermeiden. Die vorbestimmte Konzentration entspricht dabei einer voreingestellten Gefriertemperatur des Gemisches.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Messbereich des elektronischen Widerstandes angepasst zur Erfassung einer tatsächlich gegebenen Konzentration einer alkoholartigen Flüssigkeit in dem Wassergemisch. Unter alkoholartiger Flüssigkeit wird vorliegend jede Flüssigkeit verstanden, die geeignet ist, den Gefrierpunkt von Wasser herabzusetzen, insbesondere Isopropanol, Ethanol, Methanol oder Glykol. Der Messbereich des Widerstandselementes wird z.B. über seine Struktur und Zusammensetzung derart gewählt, dass die Unterschiede in der Wärmekapazität des Wassergemisches mit und ohne alkoholartiges Frostschutzmittel genauestens feststellbar sind. Die unterschiedlichen Wärmekapazitäten von einem Wassergemisch mit dem Frostschutzmittel und von Wasser ohne Frostschutzmittel ermöglichen es, die Konzentration des ersteren über unterschiedliche Widerstandswerte, die auf elektronischem Wege durch eine angelegte Spannung erfassbar sind, zu ermitteln. Die Ergebnisse der Messungen sind demnach äußerst genau und schnell verfügbar.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist eine Steuerung vorgesehen, die für eine kontinuierliche Messung der Konzentration des Mittels zur Verminderung des Gefrierpunktes des Wassergemisches angepasst ist. Die kontinuierliche Messung ermöglicht auf vorteilhafte Weise, das Einfrieren des Wassergemisches unter allen Umständen zu vermeiden, da direkt auf abfallende Werte in der Konzentration reagiert werden kann. Die kontinuierlichen Messwerte können beispielsweise auf einer digitalen Anzeige dem Benutzer der Sensorik direkt angezeigt werden, welcher demnach situationsbedingt entscheiden kann, ob eine Erhöhung der Konzentration notwendig ist. Die Messwerke können auch einer zentralen Steuerung übermitteln werden. Bei einer Anzeige wird vermieden, dass bei einem Verwendungsbereich mit erhöhten Temperaturen eine vorzeigte Ergänzung oder Nachfüllung von Frostschutzmittel erfolgt, da der Benutzer selbst entscheiden kann, ob ihm die derzeitige Konzentration ausreichend ist oder nicht.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuerung derart ausgebildet, dass das Messelement des Sensors vor Beginn einer Messung der Konzentration des gefrierpunktvermindernden Mittels vorheizbar ist. Durch ein Vorheizen kann die Genauigkeit der Messung verbessert werden, da sich der Sensor immer in einem optimalen Temperaturbereich befindet, der auf die jeweiligen spezifischen Wärmekapazitäten des Wassergemisches und des gefrierpunktvermindernden Mittels angepasst ist.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Speichereinheit vorgesehen mit vorgespeicherten Gefriertemperaturwerten des Wassergemisches im Verhältnis zu einer gegebenen Konzentration des gefrierpunktvermindernden Mittels. Mit den Informationen einer konzentrationsabhängigen Gefriertemperatur kann mit dem Sensor so aktiv auf die jeweilige Situation Einfluss genommen werden. Beispielsweise kann ein Warnsignal erzeugt werden, sobald die Außentemperatur unter einen Wert sinkt, der bei gemessener Konzentration eine Gefahr eines Einfrierens des Wassergemisches bedeutet. Alternativ kann die Steuerung durch einen Abgleich mit den vorgespeicherten Temperaturwerten feststellen, ob eine Erhöhung der Konzentration des Mittels erforderlich ist oder nicht.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Messelement des Sensors beabstandet von elektronischen Kontakten für den elektronischen Anschluss angeordnet und mit einer elektrischen Isolierung versehen, welche eine gute Wärmeleiteigenschaft aufweist im Verhältnis zu herkömmlichen elektrischen Leitungsisolierungen. Eine gute Leiteigenschaft ist beispielsweise dadurch gewährleistet, dass die Isolierung eine relativ dünne Beschichtung ist, im Gegensatz zu der relativ dicken Kunststoffhülle von herkömmlichen Isolierungen für Stromleiter.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Anordnung zwei getrennte Tanks für das gefrierpunktvermindernde Mittel einerseits und das Wassergemisch andererseits auf, und es sind Mittel zur Erhöhung der Konzentration des gefrierpunktvermindernden Mittels vorgesehen. Hierdurch kann bei Unterschreiten einer vorgegebenen Konzentration des Mittels von dem einen Tank das Mittel in den Tank des Wassergemisches herübergepumpt werden. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Pumpeinrichtung über ein Ventil über eine Verbindungsleitung erfolgen, die über eine entsprechende Steuerung ansteuerbar sind.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Steuerung vorgesehen zur Erzeugung eines Signals bei Unterschreiten einer vorbestimmten Konzentration des gefrierpunktvermindernden Mittels. Als Signal kann beispielweise ein Warnsignal in Form eines Signaltons oder einer Signalleuchte erzeugt werden. Oder es kann ein Betätigungssignal erzeugt werden, über welches beispielsweise eine Pumpeinrichtung oder ein Ventil betätigbar ist, um die Konzentration automatisch zu erhöhen. Die Signalverarbeitung erfolgt vorzugsweise über eine angepasste Steuerung, die beispielsweise ein integraler Bestandteil einer zentralen Steuerung eines Kraftfahrzeugs (Kfz) sein kann.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Warneinrichtung vorgesehen zur Erzeugung einer Warnausgabe bei Unterschreiten einer vorbestimmten Konzentration des gefrierpunktvermindernden Mittels in dem Wassergemisch. Ein Benutzer der Anordnung wird rechtzeitig auf die Gefahr eines Einfrierens des Wassergemisches hingewiesen. Die Warneinrichtung kann beispielsweise im Innern eines Kfz im Bereich der Armatur angeordnet sein.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, in welcher die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert ist.
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In der Zeichnung zeigen:
- 1 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Sensors gemäß der Erfindung;
- 2 eine Schrägdraufsicht des Ausführungsbeispiels eines Sensors gemäß 1; und
- 3 eine schematische Darstellung einer Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Messung der Konzentration eines Frostschutzmittels in einem Wassergemisch.
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In 1 ist in einer schematischen Schnittansicht ein Sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Sensor 1 weist im oberen Bereich zwei elektronische Kontakte 7, 8 auf, die in einer elektrischen Isolierung 15 eingebettet sind. Die Kontakte 7, 8 sind elektrisch mit einem Messelement 2 des Sensors 1 verbunden, welches aus einem temperaturabhängigen Widerstand 3 besteht, der von der Unterseite des Sensors 1 hervorragt. Das Messelement 2 ist mit einem Zwischenraum in Bezug auf die stopfenartige Isolierung 15 der elektrischen Kontakte 7, 8 angeordnet. Hierdurch wird die Wärmeübertragung auf den allseits umströmbaren Sensor verbessert. Das Messelement 2 ist selbst mit einer elektrischen Isolierung 14 versehen, die jedoch eine gute Wärmeleiteigenschaft aufweist. Die gute Wärmeleitung kann z.B. durch eine relativ dünne Isolierschicht im Verhältnis zu der elektrischen Isolierung 15 der Anschlusskontakte 7, 8 realisiert werden. Das Messelement 2 weist einen elektronischen, temperaturabhängigen Widerstand 3 auf, der im vorliegenden Beispiel in Form eines tropfenförmigen Messelementes 2 wiedergegeben ist. Selbstverständlich kann jede andere Form des Widerstandes, beispielsweise eine Scheibenform, eine Kastenform oder dergleichen, ebenso passen. Der Widerstand 3 ist ein temperaturabhängiger Widerstand, beispielsweise ein NTC-Widerstand (Negative Temperature Coefficient, das heißt Heißleiter) oder ein sogenannter Kaltleiter bzw. PTC-Widerstand (Positive Temperature Coefficient, das heißt positiver Temperaturbeiwert). Die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes bedeutet, dass der Widerstandswert und damit die messbare Stromspannung oder Stromstärke sich entsprechend einer vorbestimmten Kennlinie mit der Temperatur an dem Sensor 1 ändert. Die Änderung des Widerstandes bei unterschiedlichen Temperaturen und Wassermischungen wird erfindungsgemäß durch den Sensor 1 ausgenutzt, indem der Messbereich des temperaturabhängigen Widerstandselementes 3 angepasst ist auf die spezifische Wärmekapazität eines Wassergemischs mit einem gefrierpunktvermindernden Mittel, das heißt einem Frostschutzmittel.
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Herkömmlicher Weise wird über eine alkoholartige Flüssigkeit der Gefrierpunkt von Wasser herabgesetzt, um ein Einfrieren zu vermeiden. Die alkoholartige Flüssigkeit, beispielsweise ein Isopropanol, ein Ethanol, ein Methanol oder ein Glykol, weist eine wesentlich geringere Wärmekapazität auf als Wasser, sodass über die Anpassung des Messbereiches des temperaturabhängigen Widerstandes 3 die aktuelle Konzentration der alkoholartigen Flüssigkeit in dem Wasser feststellbar ist. Der Sensor 1 wird dabei in eine (in 1 nicht wiedergegebene) Wassermischung eingetaucht, und eine Stromspannung (Gleich- oder Wechselspannung) wird an den Kontakten 7, 8 angelegt. Nach einer vorbestimmten Zeit und/oder über eine festgelegte Zeitdauer wird der Widerstand gemessen. Hierdurch kann eine Konzentration des gefrierpunktvermindernden Mittels bzw. Frostschutzmittels festgestellt und daraus ein aktueller Gefrierpunkt der Mischung abgeleitet werden.
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In 2 ist das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel eines Sensors 1 aus 1 in einer schematischen Schrägansicht dargestellt. Die Isolierung 15 der elektrischen Anschlusskontakte 7, 8 ist in Form eines zylindrischen Stutzens ausgebildet, um ein Einsetzen beispielsweise in eine entsprechende Öffnung in einem Tank oder dergleichen zu ermöglichen. Selbstverständlich kann jede andere Form der Isolierung 15 ebenso passen. Beabstandet von der Isolierung 15 ist an der Unterseite des Sensors 1 das temperaturabhängige, elektrische Widerstandselement 3 vorgesehen. Im eingebauten Zustand ragt dieses Widerstandselement 3 beispielsweise in einen Tank hinein, sodass es von dem Wassergemisch vollständig umgeben ist und umströmt wird. Die Messung erfolgt über eine Stromspannung, die an den elektrischen Kontakten 7, 8 angelegt wird. Das Messelement 2 kann beispielsweise ein NTC-Widerstand oder ein PTC-Widerstand sein.
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In 3 ist ein Anwendungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Messung der Konzentration eines Frostschutzmittels in einem Wassergemisch 12 schematisch wiedergegeben. Der erfindungsgemäße, temperaturabhängige Widerstandsensor 1 ist seitlich an einem Tank 10 für ein Wassergemisch 12 angebracht. Er ragt mit dem beabstandet angeordneten elektronischen, temperaturabhängigen Widerstand 3 ins Innere des Tanks 10 hinein und ist vorzugsweise in einem unteren Bereich des Tanks 10 angeordnet. Das Wassergemisch 12 besteht aus Wasser und einem Mittel, welches den Gefrierpunkt herabsetzen lässt. Vorzugsweise ist das gefrierpunktvermindernde Mittel bzw. Frostschutzmittel 11 ein Alkohol, wie zum Beispiel Ethanol, Methanol oder Glykol. Weiter ist ein zweiter Tank 9 vorgesehen, in welchem das gefrierpunktvermindernde Frostschutzmittel 11 vorgesehen ist. Der Tank 9 ist mit dem Tank 10 des Wassergemisches 12 über eine Verbindungsleitung 16 und eine Pumpeinrichtung 13 verbunden. Die Konzentration von Frostschutzmittel 11 in dem Wassergemisch 12 wird derart gewählt, dass jederzeit ein Einfrieren des Wassergemisches bei den gegebenen Temperaturen effektiv vermieden wird. Dies ist erforderlich, damit die Funktion von beispielsweise einer Scheibenwaschanlage oder eines Kühlkreislaufes eines Verbrennungsmotors eines Kfz (nicht dargestellt) nicht beeinträchtigt wird und/oder Teile des Wasserleitungssystems nicht beschädigt werden. Hierfür weist die erfindungsgemäße Anordnung weiter eine Steuereinrichtung 5 auf, die von dem Sensor 1 Sensorwerte erhält. Die Messung des Sensors 1 über das temperaturabhängige Widerstandselement 3 erfolgt beispielsweise über eine vorgegebene Zeitdauer. Über die angelegte Spannung ist feststellbar, welcher Konzentrationsgrad von Frostschutzmittel 11 in dem Wassergemisch 12 aktuell vorhanden ist. Der gemessene Widerstandswert verändert sich nämlich je nach Konzentrationsgrad, da die spezifische Wärmekapazität von Wasser wesentlich größer ist als diejenige der alkoholartigen Frostschutzmittel oder einer Mischung mit letzterem. In der Steuerung 5 ist weiter ein Zeitgeberelement 4 vorgesehen, über welches nach Ablauf von und über eine vorbestimmte Zeitdauer eine Messung des Widerstandswertes am elektronischen Widerstandselement 3 erfolgen kann. Weiter ist die Steuerung 5 mit einer Speichereinheit 6 verbunden, in welcher beispielsweise Grenzwerte für eine Mindestkonzentration bzw. Schwellenwerte für einen maximalen Gefrierpunkt gespeichert sind. Die Steuerung 5 ist weiter mit einer Pumpeinrichtung 13 in dem Tank 9 mit Frostschutzmittel 11 verbunden, sodass bei Feststellung einer nicht ausreichenden Konzentration von Frostschutzmittel 11 in dem Wassergemisch 12 die Pumpe 13 betätigt werden kann, sodass zusätzliches Frostschutzmittel 11 über die Leitung 16 in das Wassergemisch 12 einpumpbar ist. Weiter ist die Steuerung 5 mit einer Warneinrichtung 17 verbunden, über welche beispielsweise ein akustisches oder ein optisches Signal erzeugbar ist, sofern ein bestimmter Grenzwert eines Gefrierpunktes bzw. einer Konzentration von Frostschutzmittel 11 in dem Wassergemisch 12 unterschritten wird. Das Wassergemisch 12 in dem Tank 10 ist beispielsweise Teil einer Scheibenwaschanlage eines Kfz (nicht dargestellt), was jedoch nicht beschränkend für die vorliegende Erfindung ist. Weiter kann die in 3 dargestellte Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung zusätzliche Elemente umfassen, wie zum Beispiel einen Außentemperatursensor, durch welchen der Steuerung 5 Informationen hinsichtlich des aktuell notwendigen Gefrierschutzes des Wassergemisches 12 lieferbar sind. Die Pumpeinrichtung 13 kann beispielsweise auch über ein ansteuerbares Ventil ersetzt werden, sofern der Tank 9 sich oberhalb des Tankes 10 befindet. Selbstverständlich kann der Tank 9 auch mit dem Tank 10 als integrale oder aber als modulare Einheit ausgebildet sein. Die Steuerung 5 kann als direkter elektronischer Bausatz an dem Sensor 1 angeordnet sein oder alternativ eine separate Einrichtung sein.
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Sämtliche in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensor
- 2
- Messelement
- 3
- temperaturabhängiger Widerstand
- 4
- Zeitgeberelement
- 5
- Steuerung
- 6
- Speichereinheit
- 7, 8
- elektronische Kontakte (Spannungsanschlüsse)
- 9
- Tank für Frostschutzmittel
- 10
- Tank Wassergemisch
- 11
- Frostschutzmittel
- 12
- Wassergemisch
- 13
- Pumpeinrichtung
- 14
- Isolierung Messelement mit guter Wärmeleiteigenschaft
- 15
- Isolierung elektronischer Anschlusskontakte
- 16
- Verbindungsleitung
- 17
- Warneinrichtung
