DE2824144A1 - Einrichtung zur kapazitiven niveauhoehenmessung von fluessigkeiten oder feststoffen - Google Patents

Einrichtung zur kapazitiven niveauhoehenmessung von fluessigkeiten oder feststoffen

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DE2824144A1 DE19782824144 DE2824144A DE2824144A1 DE 2824144 A1 DE2824144 A1 DE 2824144A1 DE 19782824144 DE19782824144 DE 19782824144 DE 2824144 A DE2824144 A DE 2824144A DE 2824144 A1 DE2824144 A1 DE 2824144A1
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Description

VDO Adolf Schindling AG GräfstraBe 1D3
6DDD Frankfurt/Main
Einrichtung zur kapazitiven IMivEauhöhenmESBung von Flüssigkeiten ader Feststoffen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur kapazitiven Niveauhöhenrnessung von Flüssigkeiten oder Feststoffen, insbesondere zur Füllstandsmessung in einem Kraftfahrzeugtank, mit einem MeB-fühler mit mindestens zuei achsparallel zueinander angeordneten Elektroden, die an einem Träger befestigt sind, und einer Einen Oszillator enthaltenden Ausuerteschaltung, an die der Meßfühler und ein Anzeigeinstrument angeschlossen ist.
Bei einer bekannten Einrichtung dieser Gattung sind die beiden MeB-elektroden koaxial zueinander angeordnet, wobei die innere Elektrode stabförmig und die äußere Elektrode rohrartig ausgebildet ist. Die Anpassung der Hennlinie dEs Meßfühlers an unterschiedliche BehältErformen kann bei dieser Einrichtung durch entsprechende Vergrößerung oder Verkleinerung des Durchmessers der stabförmigen und/oder der rohrartigen Elektrode bzw- durch Anbringen eines lMngsaxialen Schlitzes unterschiedlicher Breite in der rohrartigen Elektrode erfolgen. Eine solche Anpassbarkeit bringt jedoch erhebliche fertigungstechnische Nachteile mit sich. Derartige Einrichtungen sind daher nicht zur Großserienfertigung geeignet.
Es ist ΰεε ujEiteren einE kapazitive Füllstandsmeßeinrichtung bekannt, bei der die bEiden Elektroden in Form zweier kammartig ineinandergreifender Streifen auf einem Isnlierstoffträger aufgebracht sind. Diese Meßfühler lassen sich ohne Dchu'iErigkEiten lediglich durch Änderung
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der Streifenlange an unterschiedliche Behälterfarmen anpassen. Van Nachteil ist bei einer solchen Einrichtung jedoch, daß der Meßfühler empfindlich gegen elektrische Störfelder ist und zudem selbst als Sendeantenne für die von dem Oszillator abgegebenen Schwingungen wirkt, Deshalb er insbesondere nicht zur Niveauhöhenmessung in Kraftfahrzeugen verwendbar ist.
Diese Nachteile sollen durch die Erfindung überwunden werden. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zu schaffen, die in großen Stückzahlen billig herstellbar ist und sowohl gegen von außen einwirkende elektrische Störfelder als auch hinsichtlich einer Abstrahlung des zwischen den Elektroden vorhandenen elektrischen HochfrequenzfEides abgeschirmt ist.
Diese Aufgabe wird ausgehend vbn einer Einrichtung der eingangs beschriebenen Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die eine Elektrode aus einer auf einer länglichen Isolierstoffplatte befindlichen elektrisch leitenden Schicht besteht und die andere Elektrode in Form eines länglichen metallischen Trägers ausgebildet ist, an dem die Isolierstoffplatte mit der leitenden Schicht dem Träger zugewandt befestigt ist, und daß die Auswerteschaltung in Hybrid-Technik ausgebildet und an dem aus der Flüssigkeit bzw. Feststoff ragenden Teil des Meßfühlers befestigt ist.
Durch die Kombination dieser Maßnahmen wird eine Einrichtung erhalten, die in besonders hohem Maße für die Großserienfertigung und damit den Einsatz im Kraftfahrzeug geeignet ist. Die Ausbildung der beiden Elektroden und ihre Zuordnung zueinandEr führt zu einem fertinungsgünstigen an unterschiedliche Behälterformen leicht anpaßbaren Meßfühler, der darüber hinaus eine hohe Eigenstabilität besitzt. Ein besondErer Vorteil dieses Meßfühlers besteht darin, daß er durch plastisches Verformen der als Träger dienenden Elektrode leicht und ohne Werkzeug hinsichtlich seiner Kennlinie justiert werden kann. Eine solche üustage, die
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bisher nur in der Auswerteschaltung selbst vorgenommen werden konnte, erlaubt nunmehr die Möglichkeit, die gesamte Auswerteschaltung in Hybrid-Technik ausbilden zu können, nachdem verstellbare Elemente für die Eichung in der Auswerteschaltung nicht mehr benötigt werden. Die in Hybrid-Technik ausgebildete Ausuerteschaltung kann auf einem nur uienige Quadratmillimeter großen Substratplättchen und dieses im Meßfühler selbst untergebracht werden. Dies fuhrt nicht nur zu einer Einrichtung besonders geringen Bauvolumens und Gewichts, sondern bringt darüber hinaus auch den Vorteil mit sich, daß sich die Verkabelung insoweit wesentlich vereinfacht, als die aus dem Meßfühler herausgeführte und zum Anzeigeinstrument gehende Leitung im Gegensatz zu den bekannten Einrichtungen mit einem Gleichstrom beaufschlagt ist und mithin diese Leitung nicht hochfrequenzmäßig abgeschirmt zu werden braucht.
Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, die in Hybrid-Technik ausgebildete Auswerteschaltung auf der die Elektroden tragenden Seite der Isolierstoffplatte anzuordnen. Hierdurch werden sich die elektrischen l/erbindungen zwischen der Auswerteschaltung und den Elektroden besonders kurz halten. Auch ist dann die Zahl der Leitungen, die aus dem Meßfühler herausgeführt werden müssen, besonders gering; besitzt der Meßfühler eine metallische Halterung, beispielsweise einen metallischen Flansch, an dem der die Isolierstoffplatte tragende Träger befestigt ist, so ist lediglich eine einadrige Leitung aus dem Meßfühler herauszuführen, was naturgemäß weniger Probleme hinsichtlich der Abdichtung gegen einen Flüssigkeits- bzw. Gasdurchtritt mit sich bringt, als dies bei einer mehrpoligen Durchführung der Fall ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Elektroden auf der Isolierstoffplatte und die zu diesen fuhrenden Zuleitungen Teil einer auf der Isolierstoffplatte befindlichen, ausgeätzten Metallschichtkaschierung. Die Elektroden und die mit diesen verbundenen Zuleitungen bilden also jeweils eine einstückige Einheit. Dadurch läßt sich der Herstellungsaufwand nicht unwesentlich verringern. Sind die
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freien Zuleitungsenden zudem so angeordnet, daß die in Hybrid-Technik ausgebildete Ausuierteschaltung bei ihrer Befestigung auf der Isolierstoffplatte unmittelbar mit diesen Enden in Kontakt gelangen kann, ergibt sich eine besonders fertigungsgünstige Verbindung von Auswerteschaltung und Elektroden.
Falls das zu messende Medium dies erlaubt, können für die Isolierstoffplatte mit der darauf befindlichen Metallschichtkaschierung übliche kupferkaschierte Leiterplatten verwendet werden, aus denen dann in bekannter Weise die Elektroden und deren Zuleitungen durch Herausätzen der nicht benötigten Kupferschicht gewonnen werden können.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung besteht die als Träger dienende Elektrode aus einem Blechstreifen in Form eines U-Profils, dessen freie Schenkelenden in eine die Isolierstoffplattenkante umfassende Bördelung übergehen. Um bei einer solchen Ausführungsform eine einwandfreie Abschirmung gegen Störstrahlung zu erhalten, empfiehlt sich die Verwendung einer IsDlierstoffplatte mit einer auf beiden Seiten angeordneten Metallschichtkaschierung, aus der lediglich auf der dem Blechstreifen zugewandten Seite die Elektroden und Zuleitungen herausgeätzt sind. Die andere, dem Blechstreifen abgewandte Metallschichtkaschierung dient dann zusammen mit dem Blechstreifen als Abschirmung.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Einrichtung besteht die als Träger dienende Elektrode aus zwei Blechstreifen in Form von U-Profilen, deren freie Schenkelenden die Isolierstoffplatte zwischen sich aufnehmend miteinander verbunden sind. Bei dieser Ausführungsform kann eine lediglich auf einer Seite mit einer Metallschichtkaschierung versehene Leiterplatte verwendet werden. Die Ausführungsform hat gegenüber der zuvor beschriebenen den Vorteil einer wesentlich höheren Formstabilität, weshalb sie besonders zur Verwendung in Kraftfahrzeugen geeignet ist.
Die elektrische Verbindung des bzw. der als Elektrode dienenden Blechstreifen mit der Auswerteschaltung bzw. miteinander erfolgt am zweckmäßigsten dadurch, daß die Isolierstaffplatte in ihrem Randbereich mindestens eine mindestens einen Blechstreifen kontaktierende leitende Schicht auf umist, die in einen Leitungszug übergeht. Diese leitende Schicht und der mit ihr in Verbindung stehende Leitingszug können im gleichen Arbeitsgang, in der auch die Elektroden und deren Zuleitungen hergestellt werden, aus der Metallschichtkaschierung ausgeätzt werden.
Zur Dämpfung der insbesondere bei einem fahrenden Kraftfahrzeug auftretenden Flüssigkeitsbewegungen am Meßfühler, die zu einer unruhigen Anzeige führen, ist gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung an mindestens ein Blechstreifen an seinem in das Medium tauchenden Ende ein rechtwinklig abgebogener, den durch die IsDlierstoffplatte und den bzw. die Blechstreifen gebildeten Raum im wesentlichen abschließender Lappen angeformt ist. Der zwischen der Isolierstoffplatte und der oder den Blechstreifen gebildete Meßraum ist mithin über eine durch den Lappen gebildete Drosselstelle vom übrigen Behälterinnenraum abgetrennt, so daß im Behälterinnenraum auftretende Flüssigkeitsbewegungen nicht Dder nur wesentlich abgeschwächt in den Meßraum gelangen.
Irtie sich gezeigt hat, ist die Dielektrizitätskonstante verschiedener handelsüblicher Vergaserkraftstoffe nicht konstant, sondern unterschiedlich groß. Um darauf basierende Anzeigedifferenzen auszuschalten, ist zusätzlich zu den beiden MeBelektroden eine Referenzelektrode vorhanden, die gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung eine weitere leitende Schicht auf der Isolierstoffplatte ist. Diese Referenzelektrode bildet mit dem ihr gegenüberliegenden Teil des metallischen Trägers bzw. Blechstreifens eine Referenzkapazität. Die Auswertung der von den MeBelektroden und der Referenzelektrode abgegebenen Signale erfolgt mit besonderem Vorteil dadurch, daß die MeBfühlerkapazitit und die Referenzkapazität parallel geschaltet an den Ausgang des Oszillators
angeschlossen sind und jede Kapazität über jeweils einen Gleichrichter mit einem ihr zugeordneten Eingang eines Differenzverstärkers verbunden ist, dessen Ausgang an ein QuatientenmeBwerk angeschlossen ist. Eine solche Auswerteschaltung besitzt einen besonders bauteilarmen Aufbau und darüber hinaus kann ein billiger Oszillator geringer Frequenzkonstanz verwendet uierden, da Frequenzschwankungen des Oszillators nicht ins MeBergebnis eingehen.
Die Erfindung sei anhand der Zeichnung, die in zum Teil schematischer Darstellung Ausfuhrungsbeispiele enthalt, nMher erläutert. Es zeigen
Figur 1 ein Blockschaltbild der Meßeinrichtung,
Figur 2 eine teilgeschnittene Seitenansicht des Meßfühlers,
Figur 3 einen Querschnitt durch den Meßfühler nach Figur 2 entlang der Linie IH-III,
Figur k eine Aufsicht auf die Elektroden tragende Isolierstüffplatte des Meßfühlers nach Figur 2 und
Figur 5 einen Querschnitt durch einen anderen Meßfühler der Einrichtung.
Die Einrichtung zur kapazitiven Niveauhöhenmessung besteht aus einem in das zu messende Medium eintauchenden Meßfühler 1, der einen Meßkondensator 2 und einen Referenzkondensator 3 enthält, einer Auswertschaltung k und einem QuotientenmeBwerk 5 zur Anzeige des Meßergebnisses.
Die Ausuierteschaltung k umfaßt einen Oszillator 6, dessen Ausgang über jeweils einen hochohmigen Widerstand 7 bzui. 8 mit dem Meßkondensator 2 und dem Referenzkondensator 3 verbunden ist. Die beiden Kondensatoren 2 und 3 sind jeweils über einen Impedanzwandler 9 bzu. 10 und eine Gleichrichterstufe 11 bzw. 12 mit den beiden Eingängen eines Differenzverstärkers 13 verbunden, in dessen Ausgang das Quotientenmeßuierk 5 liegt. Die gesamte Auswerteschaltung k mit Ausnahme des Anzeigeinstruments 5 und den beiden Kondensatoren 2 und 3 ist unter An-
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Wendung der Hybrid-Technik in einem einzigen Baustein "]k zuBammengefBBt.
Wie aus Figur k ersichtlich ist, sitzt dieser Baustein 14 auf einer Isolierstoffplatte 15, auf der sich auch die eine Elektrode 16 des MeBkondensatars 2 und die eine Elektrode 17 des Referenzkondensators befinden. Die Elektroden 16 und 17 bilden jeweils mit den ihnen zugeordneten Zuleitungen 18 bzw. 19 eine Einheit. In ihrem Randbereich ißt die Isolierstaffplatte 15 mit einer Kontaktierungsbahn 20 versehen, die entlang der beiden Längsseiten und der oberen Breitseite verlaufen und in einen Zuleitungsansatz 21 übergehen. Auf der Isolierstaffplatte 15 ist des weiteren eine LötanschluBfläche 22 für die Zuleitung zum Anzeigeinstrument 5 vorhanden. Die Elektroden und die Leitungszüge auf der Isolierstaffplatte 15 werden in vorteilhafter Weise in einem einzigen Arbeitsgang gemeinsam dadurch erzeugt, daß aus einer auf der Isolierstoffplatte 15 aufgebrachten Metallkaschierung, insbesondere einer Kupferkaschierung, die nicht benötigten Flachen herausgeätzt werden. Die MeBelektrode 16 kann hierbei in jeder nur denkbaren Flächenform hergestellt und damit die Kennlinie deB Meßfühlers in weiten Grenzen den von unterschiedlichen Behälterformen herrührenden Forderungen angepaßt werden.
Die anderen Elektroden des Heßkondensators 2 und des Referenzkondensators 3 sind zu einer gemeinsamen Elektrode in Farm zweier Blechstreifen 23 und 2k zusammengefaßt, deren Querschnitt U-förmig ist und deren freie Schenkelenden 25 bzw. 26 die Isolierstoffplatte 15 zwischen eich aufnehmend miteinander durch Umbördeln zweier Kanten verbunden sind. Beide Blechstreifen 23 und 2k sind an dem Einbauflansch 27 befestigt und dienen als Träger für die Isolierstoffplatte 15. Nach dem Zusammenbau des Meßfühlers 1 berührt einer der beiden Blechstreifen 23 bzw. 2k - bei der dargestellten Ausführungsform ist dies der Blechstreifen 23 - mit seinen abgewinkelten Schenkelenden, die auf der Isolierstoffplatte 15 umlaufende Kontaktierungsbahn 20, wodurch eine
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einuiandfreiE Elektrische Verbindung diEssr MeB- und REferenzelEktrodE mit dEm Baustein 14 sichergEstEllt ist.
Die bsidEn BlBchBtrsifen U-förmigen Profils können mit dem gleichen UerkzEug aus untErschiEdlich brsiten Streifen hergestellt werden.
Zur Dämpfung der Medienschuankungen im Meßfühler 1 ist an den Blechstreifen 23 ein rechtwinklig abgebDgenEr Lappsn 28 angeformt, dessen Länge geringfügig kürzer als die Schmalseite des rohrartigen, aus den BlechstrEifsn 23 und 24 bestehenden. Trägers ist. Auf diese Weise erhält man eine DrDsselstelle 29 zwischen Meßfühlerinnenraum und -außenraum.
In Figur 5 ist εΐηε andere Ausführungsform des MEßfühlErs dargestellt. Der Meßfühler 1' besteht aus einer beidssitig mit einer leitenden Schicht versehenen Isolierstoffplatte 15' und einem einzigen U-profilfürmigen Blechstreifen 3D, der die eine Elektrode des MeßkondEnsators und des Referenzkondensators 3 bildet. Die andere Elektrode des MeB-kondensators 2 und des Referenzkondensators 3 sind aus der dem Blechstreifen 3D benachbarten Seite der metallkaschierten Isolierstoffplatte 15' ausgeätzt, mährend die dem Blechstreifen 3D abgeuandte SeitE der metallkaschierten Isolierstoffplatte 151 nicht geätzt ist und diese Metallschicht 31 mit dem Blechstreifen 3D eine Abschirmung bildet.
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Claims (9)

UDD Adnlf Schindling AG GräfstraBe 103 60DG Frankfurt/Hain Patentansprüche
1.) Einrichtung zur kapazitiven Niveauhöhenrnessung von Flüssig- ^--^ keiten oder Feststoffen, insbesondere zur Füllstandsmessung in einem Kraftfahrzeugtank, mit einem Meßfühler mit mindestens zuei achsparallel zueinander angeordneten Elektroden, die an einem Träger befestigt sind, und einer einen Oszillator enthaltenden Ausuerteschaltung, an die der Meßfühler und ein Anzeigeinstrument angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Elektrode (16;17) aus einer auf einer länglichen Isolierstoffplatte (15;15') befindlichen leitenden Schicht besteht und die andere Elektrode in Form eines länglichen metallischen Trägers (23;2k) ausgebildet ist, an dem die Isolierstoffplatte (15;15') mit der leitenden Schicht dem Träger (23;2*0 zugewandt befestigt ist, und daß die Ausuierteschaltungen (*t) in Hybrid-Technik ausgebildet und an dem aus der Flüssigkeit bzw. Feststoff ragenden Teil des Meßfühlers (1;1·) befestigt ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Hybrid-Technik ausgebildete Ausuerteschaltung (Ό auf der die Elektroden (16;17) tragenden Seite der Isolierstoffplatte (15;15') angeordnet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (16;17) auf der Isolierstoffplatte (15;15') und die zu diesen führenden Zuleitungen (18;19) Teil einer auf der Isolierstoffplatte (15}15') befindlichen, ausgeätzten Metallschichtkaschierung sind.
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4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die als Träger dienende Elektrode aus einem Blechstreifen (3D) in Fürm eines U-Prafils besteht, dessen freie Schenkelenden in eine die Isolierstoffplattenkante umfassende Bördelung übergehen.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die als Trager dienende Elektrode aus zwei Blechstreifen (23,2*0 in Form uon U-Profilen besteht, deren freie Schenkelenden (25,26) die Isolierstoffplatte (15) zwischen sich aufnehmend miteinander verbunden sind.
S. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierstoffplatte (15;15') in ihrem Randbereich mindestens eine mindestens einen Blechstreifen (23,24;3D) kontaktierende leitende Schicht (2D) aufweist, die in einen Leitungszug (21) übergeht.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Blechstreifen (23,24;3D)
an seinem in das Medium eintauchenden Ende einen rechtwinklig
abgebogenen, den durch die Isolierstaffplatte (15;15') und
den bzw. die Blechstreifen (23,24;30) gebildeten Raum im
wesentlichen abschließenden Lappen (2B) aufweist.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einem zwei Meßelektroden und eine Referenzelektrode aufweisenden Heßfühler, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzelektrode (17) eine weitere leitende Schicht auf der Isolierstoffplatte (15;15·) ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfühlerkapazitat (2) und die Referenzkapazität (3) parallel
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geschaltet an den Ausgang des Oszillators (G) angeschlossen sind und jede Kapazität (2,3) über jeweils einen Gleichrichter (11,12) mit einem ihr zugeordneten Eingang eines Differenzverstärkers (13) verbunden ist, dessen Ausgang an ein QuotientenraeBujerk (5) angeschlossen ist.
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