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Die
Erfindung betrifft ein Flüssigkeitsstand-Messverfahren
gemäß Anspruch
1 und eine Flüssigkeitsstand-Messvorrichtung
gemäß Anspruch 2.
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Anwendungsgebiet:
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Die
Erfindung ist nicht auf ein bestimmtes Anwendungsgebiet beschränkt, sondern überall dort anwendbar,
wo Flüssigkeitsstände (liquid
levels) gemessen werden sollen. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet
der Erfindung ist die Messung des Ölstandes in Motoren und Getrieben,
des Bremsflüssigkeitsstandes
in Bremssystemen und des Brennstoffstandes in Brennstoffbehältern (Benzin
oder Diesel) von Kraftfahrzeugen wie insbesondere Personenkraftwagen,
Lastkraftwagen und Panzern, ohne jedoch auf diese oder andere Fahrzeuge
beschränkt
zu sein.
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Aus
der
US 3 585 622 ist
eine Flüssigkeitsstand-Messvorrichtung
mit einem relaisartigen Sensor bekannt. Der Sensor hat eine Ankerzunge,
deren Schwingungsfrequenz gemessen wird und davon abhängig ist,
ob sie oberhalb oder innerhalb einer Flüssigkeit ist.
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Es
ist bekannt, in Brennstofftanks von Kraftfahrzeugen kapazitive Sensoren
anzuordnen, welche in Abhängigkeit
davon, ob sich zwischen Kondensatorflächen Luft oder Brennstoff befindet,
unterschiedliche elektrische Signale erzeugen. Die Kapazitätswerte
werden von einer elektronischen Schaltung ausgewertet. Jedoch enthält die Elektronik
selbst wieder Kapazitäten
und die Leitungen zwischen ihr und den Kondensatoren im Brennstoffbehälter bilden ebenfalls
Kapazitäten,
durch welche das Messergebnis verfälscht wird. Kapazitive Sensoren
sind auch empfindlich gegen elektromagnetische externe Störungen,
welche das Messergebnis verfälschen.
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Bei
Panzern befindet sich der Brennstofftank an einer geschützten Stelle;
welche für
die Installation von Kapazitäts-Niveausensoren
und deren Elektronik nicht oder nur sehr schwer zugänglich ist.
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Niveausensoren,
welche als Messelement einen Schwimmer haben, liefern verfälschte Messergebnisse
deshalb, weil der Auftrieb des Schwimmers von der Viskosität der Flüssigkeit
(Motoröl;
Brennstoff in Form von Benzin oder Dieselöl) und die Viskosität sehr stark
von der Temperatur der Flüssigkeit
und damit sehr stark von Temperaturänderungen abhängig ist.
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Durch
die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine Vorrichtung
zu schaffen, mit welcher der Flüssigkeitsstand über einen
weiten Bereich von sich ändernden
Temperaturen fehlerfrei messbar ist. Die Vorrichtung soll gegen
externe elektromagnetische Störungen
unempfindlich sein. Die Vorrichtung soll ferner auch für die Messung
des Flüssigkeitsstandes
von Behältern
verwendbar sein, welche an nicht zugänglichen oder schwer zugänglichen
Stellen angeordnet sind, beispielsweise Motor-Ölwannen, Ölbehälter für hydraulische Bremsanlagen,
Getriebe und Brennstofftanks von Panzern. Insbesondere soll in letzterem
Anwendungsfall die Elektronik oder ein anderes Messgerät entfernt
von der Ölwanne
oder dem Brennstofftank angeordnet werden können, so dass nur Sensoren
in der Ölwanne
oder im Brennstofftank angeordnet werden müssen, welche wesentlich unempfindlicher
gegen Defekte sind als das Messgerät und deshalb wesentlich weniger
häufig überprüft oder
repariert werden müssen.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch
die Merkmale der Ansprüche
1 und 2 gelöst.
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Weitere
Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Die
Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen anhand
von bevorzugten Ausführungsformen
als Beispiele beschrieben. In den Zeichnungen zeigen
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1 schematisch
eine Flüssigkeitsstand-Messvorrichtung
gemäß der Erfindung,
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2 im
oberen Teil ein Konstantstrom-Pulsdiagramm und im unteren Teil ein
sich daraus ergebendes Spannungsdiagramm,
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3 im
oberen Teil ein Konstantspannungs-Pulsdiagramm und im unteren Teil
ein sich daraus ergebendes Stromdiagramm.
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Die
Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsstand-Sensor 2,
im folgenden nur Sensor 2 genannt, welcher ein durch elektrische
Pulse betätigbares elektromagnetisches
Betätigungselement 4 und
ein von diesem elektromagnetisch entgegen einer Rückstellkraft
von einer Startstellung 6-1, welche in 1 in
ausgezogenen Linien dargestellt ist, in eine Zielstellung 6-2,
welche in 1 in gestrichelten Linien gezeigt
ist, auf einer Bewegungsstrecke "s" bewegbares Fluidverdrängungselement 6 aufweist.
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Die
Rückstellkraft
kann von einer Rückstellfeder 8 erzeugt
werden oder dadurch, dass das Fluidverdrängungselement selbst als federelastisches Element
ausgebildet ist. Die Rückstellfeder 8 ist
bei der dargestellten Ausführungsform
eine Zugfeder in Form einer Schraubenfeder, jedoch könnte statt
dessen auch eine Druckfeder vorgesehen sein, welche in entgegengesetzter
Richtung auf das Fluidverdrängungselement
wirkt. Anstelle einer Schraubenfeder kann auch eine Spiralfeder
oder Blattfeder verwendet werden.
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Die
Rückstellfeder 8 bewegt
das Fluidverdrängungselement
von der Zielstellung 6-2 in die Startstellung 6-1 zurück, wenn
das elektromagnetische Betätigungselement
ausgeschaltet wird.
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Bei
der gezeigten Ausführungsform
ist das Fluidverdrängungelement
ein zweiseitiger Hebel, welcher um eine Lagerstelle 10 schwenkbar
angeordnet ist. Das elektromagnetische Betätigungselement 4 kann
nach Art eines Relais ausgebildet sein und eine (oder mehrere) elektrische
Wicklungen 12 auf einem Eisenkern 14 aufweisen.
Der Eisenkern 14 kann beispielsweise ein zentraler axialer
Stab eines Topfmagneten mit einem Eisengehäuse oder äußeren Schenkeln 16 sein.
Einer der Schenkel kann die Lagerstelle 10 für das Fluidverdrängungelement 6 bilden.
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Die
Rückstellfeder 8 befindet
sich auf der einen Seite der Lagerstelle 10 am Fluidverdrängungselement 6,
und eine aus der Wicklung 12 herausragende Stirnfläche 18 des
Eisenkerns 14 befindet sich auf der entgegengesetzten Seite
der Lagestelle 10.
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Das
Fluidverdrängungselement 6 hat
in der Startstellung den Abstand "s" von
der Eisenkern-Stirnseite 18, und liegt in der Zielstellung
auf dieser Eisenkern-Stirnseite 18 auf.
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Der
Sensor 2 ist flüssigkeitsunempfindlich ausgebildet,
so dass er an einer Stelle angeordnet werden kann, an der das Fluidverdrängungselement 6 in
Abhängigkeit
vom Flüssigkeitsstand über dem Flüssigkeitsniveau
oder unter dem Flüssigkeitsniveau
in der Flüssigkeit
ist.
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Das
Fluidverdrängungselement 6 kann
ein Hebel entsprechend 1 oder ein axial zum Eisenkern 14 linear
bewegbares Element sein. Der Bewegungswiderstand des Fluidverdrängungselements auf
seinem Bewegungsweg (s) von der Startstellung 6-1 in die
Zielstellung 6-2 ist in Flüssigkeit wesentlich größer als
in Luft. Um diesen Unterschied größer und damit auch leichter
messbar zu machen, hat das Fluidverdrängungelement 6 vorzugsweise
eine Form, beispielsweise eine schaufelartige oder löffelartige Form,
durch welche sein Bewegungswiderstand in der Bewegungsrichtung von
der Startstellung 6-1 in die Zielstellung 6-2 größer ist
als ohne eine solche Schaufel- oder Löffelwirkung. Der Bewegungswiderstand
kann auch dadurch erhöht
werden, dass die Fläche
der Eisenkern-Stirnseite 18 oder die Umgebung darum herum
vergrößert wird
und dadurch vom Fluidverdrängungelement
mehr Kraft erforderlich ist, um zwischen ihm und dem elektromagnetischen
Betätigungselement 4 (Eisenkern 14 und
Spule 12) Flüssigkeit
zu verdrängen.
In der umgekehrten Bewegungsrichtung von der Zielstellung 6-2 in
die Startstellung 6-1 sollte dagegen der Bewegungswiderstand
des Fluidverdrängungelements 6 möglichst klein
sein.
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Jeder
elektrische Impuls, welcher an die Wicklung 12 angelegt
wird, ist mindestens so stark (Amplitude und Länge), dass das von ihm erzeugte elektromagnetische
Feld das Fluidverdrängungselement 6 magnetisch
anziehen kann von der Startstellung 6-1 in die Zielstellung 6-2.
Wie nachfolgend erklärt
wird, ergibt sich beim Aufschlagen des Fluidverdrängungselements 18 auf
die Eisenkern-Stirnseite 18 eine positive Spannungsspitze,
wenn der Puls von einer konstanten Stromquelle erzeugt wird (2), oder
eine negative Stromspitze, wenn der Puls von einer Konstantspannungsquelle
erzeugt wird (3).
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Ein
solcher Sensor 2 kann auf einem bestimmten Flüssigkeitsniveau
angeordnet werden, welches überwacht
werden soll. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
eine Flüssigkeitsstand-Sensoranordnung
mit einer Vielzahl von zwei oder mehr Sensoren auf verschiedenen
Messhöhen L1,
L2, L3, L4, L5, ..., Ln angeordnet, beispielsweise an einer Behälterwand
oder vorzugsweise an einem Messstab über die Länge des Messstabes verteilt. Der
Messstab ist vorzugsweise ein Rohr 22, in welchem die Sensoren 2 auf
verschiedenen Messhöhen L1,
..., Ln angeordnet sind. In 1 sind zur
Vereinfachung der zeichnerischen Darstellung und zum besseren Verständnis ein
Sensor größer und
die anderen Sensoren 2 wesentlich kleiner gezeichnet. In der
Praxis sind vorzugsweise alle Sensoren 2 gleich ausgebildet.
Die Sensoren 2 können
aufrecht angeordnet sein, so dass das Fluidverdrängungelement 6 oberhalb
der Eisenkern-Stirnseite 18 ist, oder kopfüber, so
dass das Fluidverdrängungselement 6 unterhalb
der Eisenkern-Stirnseite 18 ist, oder quer gedreht, so
dass das Fluidverdrängungselement 6 seitlich
neben der Eisenkern-Stirnseite 18 ist.
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Das
Messrohr 22 muss offen sein, damit die zu messende Flüssigkeit
in das Messrohr 22 eindringen kann. Damit schnelle Füllstandsänderungen
verzögerungsfrei
messbar sind, hat das Messrohr 22 möglichst eine große Vielzahl
von Öffnungen,
beispielsweise ist es nicht nur unten und oben offen, sondern auch
mit seitlichen Öffnungen 24 versehen.
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Eine
Flüssigkeitsstand-Messvorrichtung nach
der Erfindung enthält
mindestens einen Sensor 2 oder vorzugsweise eine Sensoranordnung
mit einer Vielzahl von Sensoren 2, z. B. getragen von einem
Messtab 22 der genannten Art, und ein entfernt davon positionierbares
Messgerät 26.
Das Messgerät 26 enthält einen
Pulsgeber 30 zur wiederholten, beispielsweise periodischen
Abgabe von elektrischen Impulsen an alle Sensoren 2 von
solcher Stärke
und Dauer, dass das elektromagnetische Betätigungselement 4 zumindest
dann während
einer Pulsdauer das Fluidverdrängungselement 6 von
der Startstellung 6-1 in die Zielstellung 6-2 bewegen kann,
wenn das Flüssigkeitsniveau
niedriger als die Messhöhe
L1, L2, L3, L4, L5, ..., Ln des betreffenden Sensors 2 ist
und damit dessen Fluidverdrängungelement 6 in
Luft oberhalb des aktuellen Flüssigkeitsniveaus
ist.
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Ferner
enthält
das Meßgerät 26 eine
Messschaltung 32, welche ausgebildet ist, um für alle Sensoren 2 elektrische
Wertänderungsspitzen
zu ermitteln, welche in einem den Puls leitenden elektrischen Leiter 44 während der
Dauer des Pulses beim Aufschlagen des entsprechenden Fluidverdrängungselements
auf die Eisenkern-Stirnseite 18 des
betreffenden Sensors 2 entstehen. Die Messschaltung 32 ist
ausgebildet, um in Abhängigkeit
von solchen elektrischen Wertänderungsspitzen
ein Messsignal zu erzeugen, welches das jeweilige Flüssigkeitsniveau
repräsentiert.
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Das
Messsignal kann zur Erzeugung eines optischen Signals, eines akustischen
Signals und/oder zur automatischen Aufzeichnung von Flüssigkeitsständen und
Flüssigkeitsänderungen
für Diagnosezwecke
verwendet werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung enthält
das Messgerät 26 ein
optisches Anzeigeinstrument 34 zum optischen Anzeigen des gemessenen
Flüssigkeitsniveaus
in Abhängigkeit von
dem Messsignal.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung, zu welcher die Diagramme von 2 gehören, ist
der Pulsgeber ein Konstantstrom-Pulse erzeugender Pulsgeber, und
die Messschaltung 32 ist ausgebildet zur Bildung eines
Messsignals in Abhängigkeit
von Wertänderungsspitzen
in Form von positiven Spannungsspitzen, die entstehen, wenn das
Fluidverdrängungselement 6 eines
Sensors 2 seine Zielstellung erreicht und dabei auf die
Eisenkern-Stirnseite 18 aufschlägt.
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Das
Messgerät 26 der
bevorzugten Ausführungsformen
besteht aus oder enthält
einen Mikrocomputer, welcher die Meßschaltung 32 und/oder den
Pulsgeber 30 bildet.
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Das
obere Diagramm von 2 zeigt zwei von einer Vielzahl
von Konstantstrom-Pulsen 40,
welche jeweils zum Zeitpunkt t1 beginnen und zum Zeitpunkt t4 enden.
Wie das untere Diagramm von 2 zeigt,
beginnt die elektrische Spannung in der Wicklung 12 des
betreffenden Sensors 2 und damit auch im elektrischen Verbindungsleiter 44 zwischen
dem Pulsgeber 30 und der Wicklung 12 vom Zeitpunkt
t1 bis t2 schnell anzusteigen. Durch die eintretende magnetische
Sättigung
des Eisenkerns 14 fällt
die Spannung bis zum Zeitpunkt t3 auf einen bestimmten Wert ab,
der bis zum Ende t4 des Pulses konstant bleibt. Am Ende des Pulses 40 fällt auch
die Spannung bei t4 wieder auf Null ab.
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Wenn
während
der Pulsdauer eines Pulses 40 das Fluidverdrängungselement 6 eines
Sensors 2 von der Startstellung 6-1 in die Zielstellung 6-2 bewegt
wird und dabei auf die Eisenkern-Stirnseite 18 aufschlägt, ergibt
sich zum Zeitpunkt tx eine zweite Spannungsspitze 44 als
die vorgenannte Wertänderungsspitze.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform der
Erfindung sind die Pulse 40 so kurz, dass das Fluidverdrängungselement 6 nur
elektromagnetisch von der Startstellung 6-1 in die Zielstellung 6-2 bewegt
werden kann, wenn sich zwischen dem Fluidverdrängungselement 6 und
der Eisenkern-Stirnseite 18 Luft, jedoch keine Flüssigkeit
befindet. Bei dieser Ausführungsform
braucht das Messgerät 26 keine Zeitdauer
vom Beginn der Pulse 40 bis zur Wertänderungsspitze 44 zum
Zeitpunkt tx zu messen und daraus ein Signal zu bilden, sondern
es genügt
lediglich das Detektieren, ob innerhalb einer Pulsdauer eine solche
Wertänderungsspitze 44 entsteht.
Ausführbar
sind jedoch beide Ausführungsformen.
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Selbstverständlich besteht
auch die Möglichkeit,
die Pulsdauer der Pulse 40 so lang zu machen, dass während eines
Pulses das Fluidverdrängungselement 6 auch
dann von der Startstellung 6-1 in die Zielstellung 6-2 bewegbar
ist, wenn sich zwischen dem Fluidverdrängungelement 6 und
der Eisenkern-Stirnseite 18 Flüssigkeit anstatt Luft befindet. Eine
solche verlängerte
Pulsdauer ist im oberen Diagramm von 2 mit der
Bezugszahl 41 versehen und die sich dann ergebende Wertänderungsspitze
in Form einer Spannungsspitze 43 ist im unteren Diagramm
von 2 dargestellt, für den Fall, dass sich Flüssigkeit
anstatt Luft zwischen dem Fluidverdrängungselement und der Eisenkern-Stirnseite 18 befindet.
Der zugehörige
Zeitpunkt ist mit ty bezeichnet.
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Die
Zeitdauer von t1 bis ty kann auch als Maß für die Viskosität der Flüssigkeit
und damit zur Viskositätsmessung
verwendet werden.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der Pulsgeber 30 ein Pulse mit konstanter
Spannung erzeugender Pulsgeber und die Messschaltung 32 ist
ausgebildet zur Bildung eines Messsignals in Abhängigkeit von Wertänderungsspitzen
in Form von negativen Stromspitzen 54, welche entstehen,
wenn das betreffende Fluidverdrängungselement
seine Zielstellung 6-2 erreicht.
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Dieser
Ausführungsform
entspricht 3. Sie zeigt in einem oberen
Diagramm zwei von einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Pulse 50 von
jeweils konstanter Spannung. Im unteren Diagramm ist der elektrische
Strom über
der Zeit aufgetragen. Der Strom steigt zu Beginn der Pulse zum Zeitpunkt
t10 an bis zu einem Höchstwert
zum Zeitpunkt t14 am Ende des betreffenden Pulses, wenn während der Pulsdauer
das Fluidverdrängungselement 6 des
betreffenden Sensors 2 nicht von der Startstellung 6-1 in
die Zielstellung 6-2 bewegt wurde, weil sich zwischen ihm
und der Eisenkern-Stirnseite 18 Flüssigkeit befindet. Wenn jedoch
das Flüssigkeitsniveau unterhalb
der Bewegungsstrecke "s" des Fluidverdrängungselementes 6 liegt,
so dass sich zwischen ihm und der Eisenkern-Stirnseite 18 Luft
befindet, reicht die von einem einzigen Puls 50 erzeugte
elektromagnetische Kraft aus, das Fluidverdrängungelement 6 von
der Startposition 6-1 in die Zielposition 6-2 zu
bewegen und damit an die Eisenkern-Stirnseite 18 anzuschlagen.
Dieser Anschlag hat zum Zeitpunkt tx entsprechend 3 eine
Wertänderungsspitze 54 in
Form der negativen Stromspitze zur Folge. Der zunächst vom
Zeitpunkt t10 bis zum Zeitpunkt t12 angestiegene Strom fällt somit
kurzzeitig bis zum Zeitpunkt tx wieder ab, und steigt dann bis zum
Ende t14 des betreffenden Pulses 50 wieder an, um dann
am Ende des Pulses wieder abzufallen.
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Auch
hier besteht die Möglichkeit,
durch Verlängerung 51 der
Konstantspannungspulse 50 diese Pulse 50 so lang
zu machen, dass das Fluidverdrängungelement 6 auch
in Flüssigkeit
während
einer Pulsdauer angezogen werden kann. Auch hierbei ergibt sich
eine negative Stromspitze 53 zum Zeitpunkt ty entsprechend 3.
Diese negative Stromspitze 53, welche entsteht, wenn das
Flüssigkeitsniveau
bis in den Bewegungsbereich des Fluidverdrängungslements 6 reicht,
kann zur Viskositätsmessung
verwendet werden, weil die Zeitdauer vom Beginn zum Zeitpunkt t10
bis zum Entstehen der negativen Stromspitze 53 zum Zeitpunkt
ty von der Viskosität
abhängig
ist.
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Zur
Messung von Spannungsspitzen gemäß 2 oder
Stromspitzen gemäß 3 kann
die Messschaltung 22 ein entsprechendes Interface aufweisen
oder eine Spannungsteilerschaltung 62 und ein Spannungsmessgerät 64 und/oder
ein Strommessgerät 66,
wie dies in 1 schematisch dargestellt ist.
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Die
Erfindung eignet sich gleichzeitig zur Temperaturmessung auf einfache
Weise durch Messen des elektrischen Widerstandes der Wicklung 12 einer
der Sensoren 2, weil der elektrische Widerstand temperaturabhängig ist.
Diese Temperaturmessung kann wiederum verwendet werden zur Fehlerkompensation
bei der Viskositätsmessung
der Flüssigkeit.
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In 1 ist
das Meßgerät 26 mit
einer Verlängerung 70 versehen.
Diese dient nur zur deutlicheren Darstellung der Erfindung, ist
jedoch in Wirklichkeit nicht vorhanden.
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Die
elektrischen Leitungen der Sensoren 2 werden vorzugsweise
nicht an vielen Stellen durch die Wand des Messrohres 22 hindurchgeführt, sondern
nur am oben oder unten offenen Teil des Messrohres 22.
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Die
Pulse (Konstantstrompulse oder Konstantspannungspulse) können Gleichspannungspulse
oder Wechselspannungspulse bzw. Gleichstrompulse oder Wechselstrompulse
sein. Vorzugsweise werden Gleichspannungspulse oder Gleichstrompulse
verwendet.