DE19643753A1 - Füllstandsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Füllstands­ ermittlung einer in einem Behältnis ihre Menge verändern­ den Flüssigkeit (Füllstandsensor).

Zur Ermittlung eines Füllstandes eines Tanks wird ein Schwimmkörper eingesetzt, der mit einem Schleifer jeweils einen Widerstand abgreift, die der jeweiligen Flüssigkeitsmenge entspricht.

Nachteilig ist, daß der Schleifer beim Verändern der Flüssigkeitsmenge ständig über den Widerstand oder eine mit ihm verbundene Kontaktfahne laufen muß. Durch diese ständigen Belastungen kann es zu Beschädigungen und damit zum Ausfall der Anzeige kommen.

Bekannt ist aus dem DE-Prospekt: Conrad-Katalog (Hirschau), 1996, S. 641, für industrielle Anlagen, Konsumelektronik, Automobiltechnik und biomedizinische Geräte eine Meßübertragungseinrichtung mit einem Relativ­ drucksensor einzusetzen. Hierfür kann es sich um eine Struktur mit zwei bzw. vier Sensorwiderständen verwendet werden, deren Signal mittels Widerstandsbrückenschaltung elektrisch als Differenzspannung ausgebildet wird. Dabei werden diese Widerstände so plaziert, daß sie im Sinne der Brückenschaltung möglichst eine gegensinnige Ver­ stimmung verursachen. Man erhält damit zwei bzw. vier unterschiedlich angeordnete Einzelwiderstände.

Es stellt sich demnach die Aufgabe, eine Einrichtung zur Ermittlung eines Füllstandes eines in einem Behältnis ihre Menge veränderten Flüssigkeit (Füllstandsensor) zu schaffen, die einfach im Aufbau und genau in der Meß­ werterfassung ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbe­ sondere darin, daß der Füllstandsensor ohne kontaktie­ rende Teile den jeweiligen Füllstand angibt. Um bei Kraftfahrzeugen den jeweiligen aktuellen Füllstand anzeigen zu können, können mehrere Kraftmeßelemente mit der auf ihm befindlichen Sensorstruktur vorgesehen wer­ den. Der Auftriebskörper, der das freie Ende der jewei­ ligen Kraftmeßelemente mit einer Kraft beaufschlagt, kann hierfür speziell ausgestaltet werden. Es können aber auch mehrere Auftriebskörper zum Einsatz kommen.

Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit und zur Vermeidung von Erschütterungseinflüssen kann zwischen dem Auftriebs­ körper und dem Biegekörperelement ein auf einer Dreh­ punktauflage aufliegender Kompensationsstab mit seinem freien Ende angeordnet sein. Am gegenüberliegenden Ende ist ein Kompensationsgewicht angehängt.

Einsetzbar sind also sämtliche Kraftmeßelemente, wie induktive, kapazitive Piezomeßwertumformer, Dehnungsmeß­ streifen und Federwegmeßsysteme. Das einseitig festge­ legte Kraftmeßelement kann ebenfalls ein Biegekörper­ element sein, auf dem eine Sensorstruktur zur Erfassung von Oberflächenspannungen angeordnet ist.

Immer dann, wenn der Auftriebskörper eine Kraft auf das Biegekörperelement ausübt, kommt es zu Widerstandsände­ rungen in der Sensorstruktur zur Erfassung von Oberflä­ chenspannungen. Die Erfassung und die Erzeugung des Füll­ standsignals wird "leistungsarm" vorgenommen, so daß es zu keinen Lichtbogen-Erscheinungen bei der Erfassung und Weiterleitung des Signals kommen kann. Aufgrund dessen eignet sich diese Form der Anzeige besonders gut als Kraftstoffanzeige in Fahrzeugtanks.

Die Sensorstruktur kann in der Draufsicht ein polygonal ausgebildetes Widerstandselement sein, an dem kreuzweise vier Elektrodenelemente so angeordnet sind, daß ein Vierpol entsteht, der bei diagonaler Belastung mittels gerichteter Zug-/Druckspannungen senkrecht zum elektri­ schen Feld zweier gegenüberliegender Elektrodenelemente eine Potentialdifferenz erzeugt.

Hierdurch ist die Sensorstruktur bezüglich ihres Tempe­ raturbeiwertes um eine Größenordnung besser als die bekannten Strukturen. Darüber hinaus ist durch die kleine räumliche Anordnung in der Meßübertragungseinrich­ tung die Empfindlichkeit auf Temperaturgratienten im Meßelement ebenfalls deutlich geringer. Die Sensorstruk­ tur wird entsprechend gerichtet in dem Hauptbereich me­ chanischer Spannungen plaziert und ermöglicht so einen recht einfachen Sensoraufbau.

Das Widerstandselement kann als Polygon quadratisch oder rund ausgebildet sein. Hierdurch kann der gewünschte Vierpol auf einfache Art und Weise ausgebildet werden.

Ist das Widerstandselement ein quadratischer Sensorwider­ stand, schließen sich an seinen Seiten in den vier Kreuzungsenden vor den Elektrodenelementen Widerstands­ streifenelemente an. Hierdurch ist es möglich, Ferti­ gungstoleranzen weiter zu minimieren.

Bei einem kreisförmigen Sensorwiderstand bildet sich eine Seite für den Anschluß aus.

Die sich anschließenden Widerstandsstreifenelemente und die Elektrodenelemente können streifenförmig ausgebildet sein.

Der Sensorwiderstand, die Widerstandsstreifen und die Elektroden-Streifen können im Dickschichtverfahren her­ gestellt und auf einem Biegekörperelement aufgebracht sein. Das Biegekörperelement kann eine Dichtschicht­ keramik oder ein emaillierter Stahl sein. Die Dicke und die Abmessungen dieses Flächenelements werden von den jeweiligen Einsatz- und Fertigungsbedingungen bestimmt. Hierdurch ist eine Konstellation herstellbar, die an die jeweiligen Einsatzbedingungen einfach anpaßbar ist. Sensorwiderstand, die Widerstandsstreifen und die Elektroden-Streifen können auch in Dünnschichttechnik ausgeführt werden.

Wenigstens diese Konstellation kann mit einem Sensorkopf umschlossen sein. Hierdurch ist eine Abschirmung durch äußere Einflüsse sichergestellt.

Der Auftriebskörper kann in einem mit einem Verschluß stück verschlossenen Schutzrohr untergebracht sein. Das Verschlußstück kann als Sieb ausgebildet sein. Durch diese Unterbringung des Auftriebskörpers ist eine von fremden Einflüssen freie Messung gegeben. Das Sieb über­ nimmt außer einer Schutz- auch Dämpfungsfunktionen, ins­ besondere gegen schnell wechselnde Flüssigkeitsabstände. Der Durchlaß des Siebes kann hierfür entsprechend eingestellt werden.

Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zei­ gen:

Fig. 1a einen Füllstandsensor;

Fig. 1b eine weitere Ausführungsform eines Füllstand­ sensors;

Fig. 2 einen Füllstandsensor gemäß Fig. 1a bzw. 1b in einem einsatzfähigen Zustand;

Fig. 3 eine Sensorstruktur zur Erfassung von Ober­ flächenspannungen von Biegeelementen für einen Füllstandsensor gemäß Fig. 1a bis Fig. 2 und

Fig. 4 eine Sensorstruktur in einer zweiten Ausfüh­ rungsform für einen Füllstandsensor gemäß Fig. 1a bis Fig. 2.

Eine erste Ausführungsform eines Füllstandsensors ist in Fig. 1a dargestellt.

Hierbei ist ein Sensor 1 gemäß Fig. 3 oder 4 auf einem Biegekörperelement 2 angeordnet, die ein Kraftmeßelement ausbilden.

Der Widerstandssensor 1 besteht gemäß Fig. 3 aus einem polygonalem Widerstandselement, das ein quadratisch ausgebildeter Sensorwiderstand 11 ist. Erfindungswesent­ lich ist, daß an seinen vier Seiten kreuzförmig Elek­ troden-Streifen 12 angebracht sind. Hierdurch entsteht ein Vierpol. Er wirkt elektrisch wie eine Widerstands­ brücke, bei der bei diagonaler Belastung mittels einer gerichteten Zug-/Druckspannung D senkrecht zum elek­ trischen Feld zweier gegenüberliegender Elektroden-Strei­ fen 12 eine Potentialdifferenz erzeugt wird. Diese Potential-Differenz ist annähernd proportional der ange­ wandten Zug-/Druckspannung D und kann über die beiden freien Elektroden-Streifen 12 abgegriffen werden.

In Fig. 4 ist eine zweite Ausführungsform eines Wider­ standssensors 1, der nach dem Differenzprinzip arbeitet, dargestellt. Im Unterschied zum Widerstandssensor 1 ge­ mäß Fig. 3 weist das polygonale Widerstandselement einen quadratischen Sensorwiderstand 21 auf, an dessen vier Seiten Widerstandsstreifenstücke 23, 24, 25 und 26 in Richtung seiner Elektroden-Streifen 22 angesetzt. Die Widerstandsstreifenstücke 23, . . . 26 und die Elektroden­ streifen 22 haben die gleiche Breite. Die Widerstands­ streifenstücke 22, . . . 26 werden gemeinsam mit dem Widerstandssensor 1 hergestellt (gedruckt) und bewirken eine Minimierung der Fertigungstoleranzen.

Die Struktur des Widerstandssensors 1 gemäß Fig. 3 und 4 ist bezüglich seines Temperaturbeiwertes um Größenord­ nungen besser als bekannte Strukturen. Darüber hinaus ist durch seine kleinere räumliche Anordnung die Empfind­ lichkeit auf Temperaturgradienten in einer Meßübertra­ gungseinrichtung ebenfalls deutlich geringer. Die Sensor­ struktur gemäß Fig. 3 und 4 wird entsprechend gerichtet in dem Hauptbereich der mechanischen Zug-/Druckspan­ nungen plaziert und ermöglicht damit einen einfachen Aufbau.

Die Anordnung des Widerstandssensors 1 mit seinem Sen­ sorwiderstand 11, 21, den Widerstandsstreifenstücken 22, . . . 26 und den Elektroden-Streifen 12, 22 erfolgt in Dickschichttechnik. Hierbei werden die einzelnen Teile auf dem Biegekörperelement 2 aufgetragen. Das Biege­ körperelement 2 ist eine Dickschichtkeramik. Es kann auch ein emaillierter Stahl sein.

Das Biegekörperelement 2 ist einseitig festgespannt. Die Sensorstruktur ist so angeordnet, daß sie sich im über­ gangsbereich zwischen fester Einspannung und beweglicher Zunge im Bereich größter Materialspannung befindet. An der gegenüberliegenden freien Seite stößt ein mit einem Auftrieb A beaufschlagter Auftriebskörper 6 an. Anstelle des beschriebenen Kraftmeßelements können alle bekannten Kraftmeßelemente, wie auch Piezomeßwertumformer oder Federwegmeßsysteme eingesetzt werden.

Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit ist diese Konfiguration, wie eine zweite Ausführungsform in Fig. 1b zeigt, ergänzt durch einen Kompensationsstab 3, der auf der Spitze des Auftriebskörpers 6 aufliegt. Zwischen dem Kompensationsstab 3 und dem Biegekörperelement 2 ist ein Kompensationszwischenstück 4 angeordnet. Der Kompensa­ tionsstab 3 ist ähnlich einer Wippe auf einer Drehauf­ lage 5′ gelagert. An seinem freien Ende ist ein Kompen­ sationsgewicht 5 angehängt.

Fig. 2 zeigt einen Füllstandssensor gemäß Fig. 1a bzw. 1b in einem einbaufähigen Zustand.

Hierbei sind wenigstens das Biegekörperelement 2 und der auf ihm im Deckschichtverfahren aufgebrachte Widerstands­ sensor 1 gemäß Fig. 3 oder 4 von einem Sensorkopf umge­ ben. Der Sensorkopf 7 schützt diese Teile vor einer Beeinflussung durch äußere Einflüsse und chemische Stoffe.

Der Auftriebskörper 6 ist in einem Schutzrohr 8 unter­ gebracht. Das Schutzrohr 8 ist mit einem Verschlußstück 9, das als Siebkörper oder Gaze zur Erreichung gegebe­ nenfalls einer erforderlichen Dämpfung verschlossen ist.

Wird der Füllstandsensor gemäß Fig. 2 in einem Flüssig­ keitsbehältnis insbesondere einem Benzintank, einer Waschmaschine, einer Spülmaschine oder sonstige Flüssig­ keitsbehälter eingebaut, wird durch die ansteigende Flüs­ sigkeit der Auftriebskörper 6 in dem Schutzrohr 8 in Richtung Biegekörperelement 2 mit der Kraft eines Auf­ triebs A gedrückt. Die hierbei auftretende Druckspannung D führt zu einem Verformen des Biegekörperelements 2. Die durch den Auftrieb A ausgeübte Druckspannung D ist an den beiden freien Elektroden-Streifen 12 bzw. 22 als Spannungsgröße abgreifbar und zugleich ein Signal für einen zu erreichenden Füllstand. Dieses Signal kann abgegriffen und angezeigt oder an eine Steuereinheit weitergeleitet werden, um eine Niveauanzeige abzuleiten oder Steuerungsvorgänge einzuleiten.

Sind in einem Behältnis mehrere Füllstände anzuzeigen, sind mehrere Biegekörperelemente 2 mit dem Widerstands­ sensor 1 vorzusehen. Ihr Beaufschlagen mit einer Kraft, die dem jeweiligen Füllstand entspricht, kann ein Auf­ triebskörper oder mehrere Auftriebskörper realisieren, läßt es die Behältergeometrie zu, wird ein Biegekörper­ element 2 mit dem Widerstandssensor 1 und ein Antriebs­ körper 6 eingesetzt.

Claims (11)

1. Einrichtung zur Füllstandsermittlung einer in einem Behältnis ihre Menge verändernden Flüssigkeit (Füllstandsensor), die aufweist:

• - wenigstens ein einseitig festgelegtes Kraftmeß­ element (1, 2) und
• - wenigstens einen Auftriebskörper (6), durch den das freie Ende des Kraftmeßelementes (1, 2) kontaktierend mit einer Kraft (Auftrieb A) beauf­ schlagbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kraftmeßelement (1, 2) und dem Auftriebskörper (6) ein auf einer Drehpunktauflage (5′) aufliegender Kompensationsstab (3) mit einem Ende angeordnet ist, wobei am gegenüberliegenden Ende ein Kompensationsgewicht (5) angehängt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das einseitig festgelegte Kraftmeß­ element ein Piezomeßwertumformer, ein Federwegmeß­ system oder ein Biegekörperelement (2) ist, auf dem eine Sensorstruktur zur Erfassung von Oberflächen­ spannungen (Widerstandssensor 1) angeordnet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sensorstruktur (1) ein in der Draufsicht diagonal ausgebildetes Widerstandselement (11; 21, 23, 24, 25, 26) aufweist, an dem kreuzweise vier Elektrodenelemente (12; 22) so angeordnet sind, daß ein Vierpol entsteht, der bei diagonaler Bela­ stung mittels gerichteter Zug-/Druckspannungen (D) senkrecht zum elektrischen Feld zweier gegenüber­ liegender Elektrodenelemente (12; 22) eine Potential­ differenz erzeugt.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement ein quadratisch oder rund ausgebildet er Sensorwiderstand (11) ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement ein quadratisch ausgebildeter Sensorwiderstand (21) ist, der sich an seinen vier Seiten in den Kreuzungsenden der Elektrodenelemente (22) in je einem Widerstands­ streifenelement (23, 24, 25, 26) fortsetzt.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Widerstandsstreifen (23, . . . 26) und die Elektrodenelemente (12; 22) streifenförmig ausgebildet sind.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der Sensorwiderstand (11; 21), die Widerstandsstreifen (23, . . . 26) und die Elektroden-Streifen (12; 22) im Dickschichtverfahren hergestellt und auf dem Biegekörperelement (2), aufgebracht sind.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß das Biegekörperelement (2) eine Dichtschichtkeramik oder ein emaillierter Stahl ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß wenigstens das Kraftmeßele­ ment (2) und der auf ihm angeordnete Sensorwider­ stand (11; 21) mit wenigstens den Elektroden-Strei­ fen (12; 22) von einem Sensorkopf (7) umschlossen sind.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß der Auftriebskörper (6) in einem mit einem Verschlußstück (9) verschlossenen Schutzrohr (8) untergebracht ist.