DE3328743C2 - Kapazitiver Füllstandsgeber zum Messen der in einem Behälter enthaltenen Flüssigkeit - Google Patents

Kapazitiver Füllstandsgeber zum Messen der in einem Behälter enthaltenen Flüssigkeit

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Abstract

Ein Sensor zum Messen der in einem Behälter enthaltenen Flüssigkeit umfaßt mindestens ein Paar Elektrodenplatten, die vertikal in einem Behälter, z.B. in einem Kraftstofftank eines Kraftfahrzeuges, im Abstand und parallel zueinander zum Bilden eines Kondensators angeordnet sind. Um die Genauigkeit und die Gleichförmigkeit des Abstandes zwischen den beiden Elektrodenplatten zu erhöhen, sind mehrere isolierende Abstandhalter einer Länge, welche dem genannten Abstand entspricht, zwischen die beiden Elektrodenplatten in einer solchen Anordnung vorgesehen, daß der Abstand zwischen zwei benachbarten Abstandhaltern nicht größer als 80 mm ist. Die beiden Elektrodenplatten werden miteinander an jeder Stelle, an welcher ein Abstandhalter vorhanden ist, durch Anziehen von Verbindern, wie eines Niets, miteinander verbunden, die in Löcher in den beiden Elektrodenplatten eingesetzt sind, wobei jeder Abstandhalter einer Druckkraft von nicht weniger als 400 N ausgesetzt wird.

Description

gekennzr ichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:
f) der Abstand (D), zwischen benachbarten Abstandhaltern (26) ist auf ein-n Bereich zwischen 50 und 80 mm festgelegt,
g) jeder Abstandhalter (40) ist für eine Druckbelastung von 400 bis 1000 N ausgelegt.
2. Kapazitiver 'füllstandsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandhalter aus synthetischem Kunstharz bestehen.
3. Kapazitiver Füllstandsgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandhalter Ringgestalt haben.
4. Kapazitiver Füllstandsgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Satz Elektrodenplatten mehrere Isolatoren (42) je in Form eines Flanschrohrstückes aufweist, dessen Rohrabschnitt in ein zentrales Loch eines zwischen der ersten und der zweiten Elektrodenplatte angeordneten Abstandhalters eingesetzt ist.
5. Kapazitiver Füllstandsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbinder ein Niet (26) ist.
6. Kapazitiver Füllstandsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbinder von Bolzen und Mutter gebildet ist.
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Füllstandsgeber mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Beispielsweise wird ein solcher Füllstandsgeber in einem Kraftstofftank eines Fahrzeuges verwendet.
Es ist möglich, die in einem Behälter enthaltene Flüssigkeitsmenge durch zwei adäquat beabstandete, ebene und parallele oder zylindrische und konzentrische Elektrodenplatten zu messen, die in dem Behälter fix und vertikal angeordnet sind, indem die Kapazität zwischen den beiden Elektrodenplatten gemessen wird. Dieses Verfahren basiert auf der Tatsache, daß die meisten Flüssigkeiten Diaelektrizitäts-Konstanten haben, die beträchtlich von der Diaelektrizitäts-Konstante von Luft abweichen. Wenn der Flüssigkeitsstand ii*i Behälter ansteigt oder absinkt, nimmt der eingetauchte
to Bruchteil der wirksamen Oberfläche des durch die beiden Elektrodenplatten gebildeten Kondensators bei entsprechender Änderung der Kapazität zwischen den beiden Elektrodenplatten zu oder ab.
Wenn ein Behälter mit einem kapazitiven Füllstandsgeber zum Messen der Flüssigkeitsmenge stationär gehalten ist, bestehen wenig Schwierigkeiten beim genauen Messen der in dem Behälter enthaltene!? Flüssigkeitsmenge. Die Situation ändert sich jedoch, wenn der Behälter in einem Fahrzeug, wie einem Kraftfahrzeug,
2Q als Kraftstofftank installiert ist. In diesem Fall entstehen Schwierigkeiten, wenn die im Kraftstofftank enthaltene Kraftstoffmenge bei Fahrt des Fahrzeuges genau erfaßt werden soll, weil der Kraftstofftank sich um unterschiedliche Winkelgrade neigt und der Kraftstoff selbst schwappende und wellenförmige Bewegungen macht Zur Lösung derartig sr Schwierigkeiten ist es üblich, einen Sensor zum Messen der Flüssigkeitsmenge in Form von mehreren Sätzen von die Kapazitätsänderungen erfassenden Elektrodenplatten an geeignet ausgewählten Stellen im Kraftstofftank vorzusehen und miteinander parallel zu schalten. Unabhängigkeit von der Konfiguration und Anordnung der Elektrodenplatten ist für eine genaue Erfassung der Flüssigkeitsmenge bzw. des Füllstandes wesentlich, einen genauen und gleichförmigen Abstand zwischen jedem Paar Elektrodenplatten zu halten. In diesem Zusammenhang sei auf die DE-OS 31 49 463 hingewiesen, welche einen kapazitiven Füllstandsgeber mit mehreren isolierenden Abstandhaltern zeigt, welche sämtlich eine exakt vorherbestimmte Länge oder Stärke haben und zwischen jedes Paar Elektrodenplatten eingesetzt sind.
Solche und andere bekannte kapazitive Füllstandsgeber sind jedoch nicht vollständig zufriedenstellend hinsichtlich der Meßgenauigkeit, wenn sie z. B. in Kraft-Stofftanks von Kraftfahrzeugen zu verwenden sind.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Füllstandsgeber der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, der ein sehr genaues Erfassen der in einem Behälter enthaltenen Flüssigkeitsmenge selbst dann gewährleistet, wenn der Behälter sich unter verschiedenen Winkelgraden neigt oder wenn die Flüssigkeit selbst schwappende oder wellenförmige Bewegungen ausführt.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einem kapazitiven Füllstandsgeber der im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen Art die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.
Die Anmelderin hat festgestellt, daß die Gleichförmigkeit des horizontalen Abstandes zwischen den beiden Elektrodenplatten wesentlich nicht nur durch den Abstand zwischen zwei benachbarten Abstandhaltern sondern auch durch die Zusammenhaltekraft der Verbindung der beiden Elektrodenplatten beeinflußt wird, welche durch eine Druckkraft auf jeden zwischen den beiden Elektrodenplatten angeordneten Abstandhalter repräsentiert wird. Die Anmelderin hat aufgefunden und bestätigt, daß die Gleichförmigkeit des Abstandes zwischen den beiden Elektrodenplatten und daher die
Gleichförmigkeit der Kapazität zwischen den beiden Elektroden erheblich verbessert werden können, indem die Verbindung der beiden Eiektrodenplatten unter Ausüben einer Druckkraft von mindestens etwa 400 N (40 kgf) auf jeden Abstandhalter geschieht, während die Abstandhalter so angeordnet sind, daß der Abstand zwischen zwei benachbarten Abstandhaltern nicht 80 mm übersteigt
i. Damit ist es in der industriellen Herstellung eines
solchen Füllstandsgebers möglich, die Streuung der Kaf pazität unter einer großen Anzahl von hergestellten Produkten deutlich zu senken. Wenn Gestalt und An- > Ordnung jedes Paares Elelrirodenplatten in einem Flüssigkeitsbehälter zweckentsprechend getroffen sind, kann ein Füllstandsgeber (im folgenden kurz als »Sensor« bezeichnet) gemäß der Erfindung die im Behälter - enthaltene Flüssigkeitsmenge mit hoher Genauigkeit fe selbst dann messen, wenn die Flüssigkeit eine schwap- P pende oder wellenförmige Bewegung ausführt
Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel nvt weiteren Einzelheiten näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 einen vertikalen Schnitt durch den Kraftstofftank eines Kraftfahrzeuges mit einem Sensor zum Erfassen der darin enthaltenen Flüssigkeitsmenge gemäß der Erfindung;
F i g. 2 in einer Teilansicht in größerem Maßstab die Art und Weise der Befestigung eines Paares Eiektrodenplatten bei dem Sensor nach F i g. 1 unter Verwenden eines Abstandhalters und eines Niets und
F i g. 3 ein Diagramm, in welchem ein Versuchsergebnis betreffend die Einflüsse des Abstandes zwischen zwei benachbarten Abstandhaltern, welche bei einem Paar Eiektrodenplatten des Sensors verwendet sind, und der auf jeden Abstandhalter beim Verbinden der beiden Eiektrodenplatten miteinander ausgeübten Druckkraft auf die Streuung der zwischen zwei Eiektrodenplatten erzeugten Kapazitäten.
F i g. 1 zeig' einen Kraftstofftank 10 für ein Kraftfahrzeug, welches mit einem Sensor zum Messen der Flüssigkeitsmenge gemäß der Erfindung versehen ist Hauptsächlich besteht der Kraftstofftank 10 aus einer oberen Schale 12 und einer unteren Schale 14, welche aus Blech geformt und miteinander längs ihrer seitlichen Umfangsflapsche 15 verschweißt sind Zwei Prall- oder Abweisplatten 20 und 30 sind im Kraftstofftank 10 angeordnet, um heftige, geräuscherzeugende Bewegungen des im Tank enthaltenen flüssigen Kraftstoffes 18 sowie starke Schwankungen de; Kraftstoffstandes bei Fahrt des Kraftfahrzeuges zu unterdrücken. Jede Prallplatte 20 bzw. 30 ist eine Metallplatte, die vertikal angeordnet und am inneren Umfang der oberen Schale 12 beispielsweise durch Punktschweißen befestigt ist
Eine im folgenden als Elektrodenplatte bezeichnete Metallplatte 22 ist gegenüber und parallel zur Prallplatte 20 in kurzem und vorbestimmtem horizontalen Abstand zu dem Zweck angeordnet, einen Kondensator 24 durch Benutzen der Prallplatte 20 als die andere Elektrodenplatte zu bilden. Die Elektrodenplatte 22, (im folgenden als zweite Elektrodenplatte des Kondensators so 24 bezeichnet) ist mechanisch mit der Prallplatte 20 (im folgenden als erste Elektrodenplatte bezeichnet) an mehreren Punkten unter Verwendung von Nieten 26 verbunden. Um die zweite Elektrodenplatte 22 genau im Abstand und elektrisch isoliert von der ersten Eiektrodenplatte 20 zu halten, sivi in Kombination mit jedem Niet ein isolierender Abstandhalter und ein Isolierkragen verwendet.
Gemäß F i g. 2 sind die erste und die zweite Elektrodenplatte 20 und 22 an jedem Verbindungspunkt mit kleinen Löchern (nicht bezeichnet) gleichen Durchmessers versehen. Die Löcher in den beiden Elektrodenplatten 20, 22 werden in Fluchtung gebracht, und ein ringförmiger, isolierender Abstandhalter 40 wird zwischen die beiden Eiektrodenplatten 20 und 22 etwa koaxial mit den Löchern in den Eiektrodenplatten angeordnet Der Innendurchmesser des ringförmigen Abstandhalters 40 ist größer als der Durchmesser der Löcher in den Eiektrodenplatten 20, 22, und die Länge bzw. Stärke des Abstandhalters 40 stimmt mit dem gewünschten Abstand d zwischen den beiden Eiektrodenplatten 20 und 22 überein. Darauf wird ein isolierender Kragen 42 in Form eines hohlen zylindrischen Flanschrohrstückes mit einem Ende in das zentrale Loch des Abstandhalters 40 durch das Loch in der zweiten Elektrodenplatte 22 eingeschoben, und der Niet 26 wird in den isolierenden Kragen 42 von der Seite der ersten Elektrodenplatte 20 eingeschoben. In diesem Zustand wird das herausragende Ende des Niets 26 angestaucht, um ünen zweiten Nietkopf zu bilden und hierdurch die Verbindung der zweiten Elektrodenplatte 22 mit der ersten Elektrodenplatte 20 zu vollenden.
Gemäi F i g. 1 ist ein weiterer Kondensator 34 durch Verbinden einer Elektrodenplatte 32 mit der Prallplatte 30 unter Verwendung der oben beschriebenen Nieten 26, isolierenden Abstandhalter 40 und isolierenden Kragen 42 vorgesehen. Die beiden Kondensatoren 24 und 34 sind durch einen Bus-Träger 28 parallelgeschaltet Die miteinander verbundenen Kondensatoren 24 und 34 sind mit einer Kapazitäts-Meßvorrichtung 36 verbunden, welche außerhalb des Kraftstofftankes 10 liegt und über ein Kabel (nicht gezeigt) angeschlossen ist, welches von der Elektrodenplatte 32 wegführt Zum Beispiel hat die Kapazitäts-Meßvorrichtung 36 eine Osziiiatorschaltung, welche ein Impulssignal erzeugt, dessen Frequenz umgekehrt proportional der Kapazität eines daran angeschlossenen Kondensators ist Somit bilden die beiden Kondensatoren 24 und 34 oder die beiden Paare Eiektrodenplatten 20, 22 und 30, 32 zusammen mit der Kapazitäts-Meßvorrichtung 36 einen Flüssigkeitsmengen-Sensor zum Messen der im Tank 10 zu jsder Zeit enthaltenen Kraftstoffmenge.
Bei dem Sensor nach F i g. 1 ist die Gesamtkapazität C der beiden Kondensatoren 24 und 34 durch die folgende Formel vorgegeben:
P S ' X Λ. F
El—-j— + EA
worin El die Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit (des Kraftstoffes 18) im Tank, EA die Dielektizitätskonstante von Luft, 5 die Summe der wirksamen Flächen der beiden Kondensatoren 24 und 34, χ ein dun eingetauchten Abschnitt der gesamten wirksamen Fläche 5 repräsentierender Bruchteil und d der horizontale Abstand zwischen den beiden Eiektrodenplatten jedes Kondensators 24,34 sind.
Diese Gleichung zeigt, daß die Kapazität C umgekehrt proportional zum Abstand rf zwischen, jedem Paar " Eiektrodenplatten 20 (30) und 22 (32) ist Es ist daher wichtig, einen genau konstanten Abstand d über die gesamte Oberfläche Γ der beiden Kondensatoren 24,34 einzuhalten, um eine definierte Beziehung zwischen der Menge oder dem Stand des Kraftstoffs 18 im Tank 10 und der Kapazität czu haben. In der Praxis ist es zweckmäßig, den Abstand d in einem Bereich von etwa 2 mm
bis etwa 4 mm zu legen, und zwar unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Auflösung der Flüssigkeitsmengenmessung um so größer wird, je kleiner der Abstand d gemacht wird, und daß ein kleiner Wert für den Abstand </zum Verhindern des Eindringens von festen Fremdteilchen zwischen die Elektrodenplattenpaare günstig ist, wobei die Montage der Elektrodenplatten jedoch schwierig wird, wenn der Abstand dsehr gering ist.
Zur Realisierung des gewünschten Abstandes d in jedem Gebiet jedes Kondensators 24, 34 werden die beiden Elektrodenplatten jedes Kondensators 24,34 an einer genügend großen Anzahl von Punkten gemäß F i g. 1 miteinander verbunden, indem der in F i g. 2 gezeigte Verbinder an jedem Befestigungspunkt verwendet wird, so daß die Abstandhalter 40 nahezu gleichförmig über die gesamte Fläche der zweiten Elektroden-
μιαικ. AA, -js, ji.ut.3 rs*\jti\*\.ii&awji Λ *>~w$ *r*v vti M.111 ainu uiiu der Abstand D zwischen zwei benachbarten Nieten 26 oder Abstandhaltern 40 bei jedem Kondensator 24, 34 80 mm nicht überscnreitet, wie in der oben angegebenen GB-OS 20 89 516 A empfohlen. Der Abstand D bedeutet einen Mitte-zu-Mitte-Abstand.
Gemäß der Erfindung ist zusäztlich gefordert, daß das Verbinden der beiden Elektrodenplatten miteinander an jedem Befestigungspunkt unter Ausüben einer Druckkraft nicht kleiner als 400 N (40 kgf) auf den isolierenden Abstandhalter 40 geschieht. Vorzugsweise soll die Druckkraft auf den Abstandhalter 40 1000 N nicht überschreiten, weil eine größere Druckkraft gelegentlich Zerspringen der gewöhnlich aus einem synthetischem Kunstharz hergestellten Abstandhalter 40 herbeiführt.
Die Anmelderin hat einen Versuch durchgeführt, bei welcher eine Anzahl von Kondensatoren im wesentlichen der in F i g. 1 gezeigten Gestalt durch Anwenden des Verbindungsverfahrens gemäß F i g. 2 hei variierendem Abstand D zwischen zwei benachbarten Abstandhaltern sowie bei variierender Durcklast auf jeden Abstandhalter hergestellt wurden. Eine plattierte Stahlplatte einer Stärke von 4 mm (die Stärkentoleranz betrug ±0,1 mm) wurde als Werkstoff für die Elektrodenplatten verwendet Sowohl die isolierenden Abstandhalter 40 als auch die isolierenden Kragen 42 waren aus Polyacetalharzen gefertigt. Jeder Abstandhalter 40 hatte 10 mm Außendurchmesser, 5 mm Innendurchmesser und 3 mm Länge bzw. Stärke mit einer Toleranz von ± 1%. Der Abstand D zwischen zwei benachbarten Abstandhaltern 40 wurde über einen Bereich von 40 bis 100 mm verändert, und die Drucklast auf jeden Abstandhalter 40 Wi.rde über einen Bereich von 0 bis 1400N (140 kgf) variiert Sämtliche bei dem Versuch hergestellten Kondensatoren wurden einer Kapazitätsmessung in einem Behälter unterzogen, welcher eine bestimmte Menge flüssigen Kraftstoffes enthielt um die Streuung der gemessenen Kapazitätswerte bei einer Anzahl von identisch hergestellten Kondensatoren zu einer Anzeige der Abweichung des Abstandes d zwischen den beiden Elektrodenplatten von der idealen Gleichheit zu überprüfen. F i g. 3 zeigt die Versuchsergebnisse.
Der Versuch wurde unter Abänderung des Werkstoffes der Elektrodenplatten als plattierte Stahlplatte einer Stärke von 0,8 mm (die Stärkentoleranz betrug ±0,1 mm) wiederholt, was jedoch die aus den Kurven in Fig.3 hervorgehenden Ergebnisse nicht veränderte. Der Versuch wurde ferner durch Verwenden eines anderen synthetischen Harzes wie eines Polyäthylens, Nylons und eines Phenolharzes für die isolierenden Abstandhalter 40 wiederholt, wobei jedoch auch in diesem Fall sich die durch die Kurven in Fig. 3 illustrierten Versuchsergebnisse nicht änderten. Außerdem wurde der Außendurchmesser des Abstandhalters 40 zu 12 mm und 8 mm verändert, was wiederum die Versuchsergebnisse nicht beeinflußte. Da es nicht praktikabel ist, den Außendurchmesser des Abstandhalters in großem Ausmaß zu verändern, weil eine Verkleinerung der wirksamen Oberfläche der Elektrodenplatten oder eine Absenkung der mechanischen Festigkeit der Abstandhalter nicht günstig ist, kann aus den Versuchsergebnissen beschlossen werden, daß weder der Werkstoff noch der Außendurchmesser der Abstandhalter 40 die Kapazität bzw. die Genauigkeit deren Messung beeinflußt.
Die Ergebnisse des oben beschriebenen Versuchs zeigen anhand der F i g. 3, daß die Streuung der Kapazität des Flüssigkeitsmengen-Sensors dadurch ziemlich klein gehalten werden kann, daß die isolierender; Abstandhalter 40 bei jedem Paar Elektrodenplatten so angeordnet werden, daß der Abstand D zwischen zwei benachbarten Abstandhaltern 80 mm nicht überschreitet, und daß außerdem die Verbindung der beiden Elektrodenplatten miteinander unter Anwendung einer ausreichend hohen Druckkraft auf jeden Abstandhalter 40 vorzunehmen ist Aus praktischer Sicht ist ausreichend, wenn die Streuung der Kapazität kleiner als etwa 1 % ist. Demgemäß ist bevorzugt, daß der Abstand D zwischen zwei benachbarten Abstandhaltern zwischen 80 mm und etwa 50 mm liegt, wobei zu berücksichtigen ist, daß eine weitere Verkürzung des Abstandcs D keine signifikante Erhöhung der Genauigkeit der Kapazität bringt, sondern lediglich zu einem Anwachsen der Kosten als natürliche Konsequenz eines Ansteigens der Anzahl der Abstandhalter führt Die Versuchsergebnisse zeigen, daß eine Drucklast von mindestens etwa 400 N auf jeden Abstandhalter 40 bei der Verbindung jedes Paares Elektrodenplatten ausgeübt werden soll. Es ist bevorzugt, wenn die Druckbelastung jedes Abstandhalters zwischen 400 und 1000 N liegt, weil eine größere Druckbelastung sich in ihrer Auswirkung nicht mehr von einer kleineren Druckbelastung unterscheidet und manchmal zum Zerspringen bzw. Zerstören der Abstandhalter führt
Selbstverständlich ist die in F i g. 1 und 2 gezeigte Ausführung nicht als Beschränkung zu verstehen; vielmehr können zahlreiche Abwandlungen vorgesehen werden. Zum Beispiel anstelle des Niets 26 eine Kombination aus Mutter und Schraube verwendet werden, und es ist ferner möglich, dem Flüssigkeitsmer.gen-Sensor gemäß F i g. 1 noch ein weites Paar Elektrodenpmtten hinzuzufügen oder die beiden Paare Elektrodenplatten 24 und 34 durch ein Paar relativ große Elektrodenplatten zu ersetzen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Kapazitiver Füllstandsgeber ^um Messen der in einem Behälter enthaltenen Flüssigkeit mit mindestens einem Satz Elektrodenplatten, wobei
a) eine erste Elektrodenplatte (20; 30) im wesentlichen vertikal in dem Behälter angeordnet ist;
b) eine zweite Elektrodenplatte (22; 32) parallel und im Abstand von der ersten Elektrodenplatte so angeordnet ist, daß die erste und die zweite Elektrodenplatte einen Kondensator bilden;
c) mehrere Abstandhalter (40) aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff fest zwischen der ersten und der zweiten Elektrodenplatte in einer solchen Anordnung vorgesehen sind, daß der Abstand zwischen zwei benachbarter. Abstandfedtern nicht größer als 80 mm ist;
d) alle Abstandhalter (40) gleiche Länge haben;
e) und mehrere Verbinder (26) zum Befestigen der zweiten Elektrodenplatte an der ersten Elektrodenplatte unter Verwendung von in der ersten und der zweiten Elektrodenplatte vorgesehenen Löchern, je an Stellen vorgesehen sind, an denen die Abstandhalter zwischen die ersten und die zweiten Elektrodenplatten eingesetzt sind,
DE3328743A 1982-09-10 1983-08-09 Kapazitiver Füllstandsgeber zum Messen der in einem Behälter enthaltenen Flüssigkeit Expired DE3328743C2 (de)

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