DE4114934C2 - Flüssigkeitspegelsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Flüssigkeitspegelsen­ sor für das Messen des Spiegels einer Flüssigkeit, die eine elektrolytische Substanz enthält.

Zum Messen einer gespeicherten oder strömenden Flüssig­ keitsmenge wurde bisher eine Vielzahl von Sensoren zum Er­ fassen des Flüssigkeitspegels entwickelt. Derartige Senso­ ren sind typischerweise zum optischen oder magnetischen Er­ mitteln der Lage eines Schwimmkörpers auf der Flüssigkeits­ oberfläche ausgelegt. Diese herkömmlichen Flüssigkeitspe­ gelsensoren können den Flüssigkeitspegel unabhängig von der Art der Flüssigkeit, aber nicht mit hoher Genauigkeit er­ fassen und müssen beträchtlich groß bemessen sein.

Ferner zeigt die DE 28 49 143 B2 eine Vorrichtung zur kon­ tinuierlichen Messung des Füllstandes in einem mit einer Flüssigkeit zumindest teilweise gefüllten Behälter. Dort ist eine Widerstandsschicht vorgesehen, die zu beheizen ist. Da sich die Schicht außerhalb der Flüssigkeit stärker erwärmt, kann der Temperaturunterschied zur Erfassung des Flüssigkeitsstands ausgewertet werden. Zur Vermeidung von Messungsverfälschungen sind Abdeckfolien in geringem Ab­ stand zu der Widerstandsschicht vorgesehen.

Die DE 31 48 533 C2 offenbart eine Vorrichtung zur Messung des Füllstandes in einem eine Flüssigkeit enthaltenden Be­ hälter. Auch dort ist ein Widerstand zur Messung vorgese­ hen, bei dem eine Erwärmung erfolgt. Ferner ist ein Ver­ gleichswiderstand vorgesehen, der mit einem Strom gespeist wird, der nicht zu einer Erwärmung führt. Bei einer Ände­ rung des Füllstandes ändert sich der Meßwiderstandswert. Die Differenz zwischen dem Spannungsabfall am Meßwiderstand und am Vergleichswiderstand wird dabei zur Ermittlung des Füllstands ausgewertet.

Zudem ist aus der US 4,169,377 ein Sensor zur Erfassung des Pegelstands einer Flüssigkeit in einem Behälter bekannt. Dabei besteht der Sensor aus einer Röhre aus nicht­ leitendem Material besteht, die paarweise Elektroden auf­ weist, die der Flüssigkeit ausgesetzt und mit Widerständen verbunden sind. Dabei muß die Flüssigkeit so beschaffen sein, daß die mit der Flüssigkeit bedeckten Widerstandspaa­ re kurzgeschlossen werden. Dadurch wird ein zu dem Pegel­ stand proportionales Spannungssignal erhalten, das auf ei­ nem Monitor angezeigt werden kann.

Falls also die zu messende Flüssigkeit ein Elektrolyt ist, kann ein Sensor benutzt werden, bei dem die elektrische Leitfähigkeit der Lösung ausgenutzt wird. Zu solchen Elek­ trolyten zählen diejenigen, die bei verschiedenerlei chemi­ schen Prozessen verwendet werden. Ferner kann der Sensor dieser Art auch zum Messen einer Probenmenge von Körper­ flüssigkeiten wie Urin verwendet werden, die eine gewisse elektrische Leitfähigkeit haben.

Die Fig. 7 und 8 zeigen beispielhaft einen Flüssigkeitspe­ gelsensor zum Messen der Oberflächenhöhe eines Elektroly­ ten. Genauer wird in einen Behälter 10 ein Flüssigkeitspe­ gelsensor 20 zum Messen einer Probenmenge an Körperflüssig­ keit eines Patienten eingesetzt. Der Sensor 20 ist derart gestaltet, daß auf ein isolierendes Substrat 22 aus Kunststoff oder der­ gleichen durch Aufdrucken, Aufdampfen oder dergleichen zwei Widerstandsfilme 24a und 24b vertikal parallel zueinander aufgebracht sind. Bei dem dargestelten Beispiel sind diese Widerstandsfilme 24a und 24b z. B. Kohlewiderstände, die auf das isolierende Substrat 22 aufgedruckt sind. Durch Sieb­ druck-Bedampfung ist auf die Widerstandsfilme 24a und 24b in deren Längsrichtung eine Vielzahl von Elektroden 26a-1, ...., 26a-n und 26b-1, ...., 26b-m abgelagert. Diese Elektroden 26 sind beispielsweise dünne Silberfilme und derart angeordnet, daß die Elektroden auf dem Widerstandsfilm 24a gegenüber denjenigen auf dem Widerstandsfilm 24b versetzt sind. Bei diesem Beispiel sind die Elektroden 26a-1 und 26b-1 an den oberen Enden der Widerstandsfilme 24 jeweils einstückig mit Elektroden 28a bzw. 28b ausgebildet und über Außenanschlüsse 30a bzw. 30b an eine Pegelmeßschaltung angeschlossen. Ande­ rerseits ist an den unteren Enden eine gemeinsame Elektrode 31 in Kontakt mit beiden Widerstandsfilmen 24a und 24b ausgebildet.

Wenn die zu messende Flüssigkeit gemäß der Darstellung durch einen Pfeil 100 in den Behälter 10 eingefüllt wird, ändert sich entsprechend der eingegebenen Menge ein Flüssigkeitspe­ gel 200, wobei die auf die Widerstandsfilme 24a und 24b aufgebrachten Elektroden 26 nacheinander leitend verbunden werden. D. h., mit steigendem Flüssigkeitspegel nimmt aufein­ anderfolgend der Widerstandswert zwischen den Elektroden 28a und 28b bzw. den Außenanschlüssen 30a und 30b ab, wodurch ziemlich leicht der Flüssigkeitspegel gemessen werden kann.

Fig. 9 zeigt eine Äquivalenzschaltung des vorstehend be­ schriebenen Flüssigkeitspegelsensors. Dem Sensor werden für die Messung aus einer Wechselspannungsquelle 32 Wechselspan­ nungssignale zugeführt, die von dem Sensor als Meßsignale über einen Impedanzwandler 34 an einen Signalprozessor 36 für das elektronische Verarbeiten der Flüssigkeitspegeldaten ausgegeben werden, welche danach in einer Rechen/Anzeigeein­ heit 38 angezeigt werden.

Mit steigendem Flüssigkeitspegel werden die linken und die rechten Elektroden 36 nacheinander und intermittierend leitend. Bei diesem Beispiel sind die Oberflächen der Elek­ troden 26 mit Ausnahme ihres eigentlichen Elektrodenbereichs mit einer wasserabstoßenden Schicht überdeckt, um sie gegen­ über einer Befeuchtung infolge der Oberflächenspannung der Flüssigkeit zu schützen, wenn sie oberhalb des Flüssigkeits­ pegels 200 liegen. D. h., normalerweise werden das isolieren­ de Substrat 22, der Widerstandsfilm 24 und die Elektroden leicht benäßt. Infolgedessen werden bei dem Schütteln oder Spritzen an der Flüssigkeitsoberfläche die Elektroden 26 oberhalb des Flüssigkeitsspiegels manchmal auf unerwünschte Weise leitend verbunden, wodurch Meßfehler entstehen.

Die wasserabstoßende Schicht soll derartige Mängel verhin­ dern. Gemäß der Darstellung durch gestrichelte Linien ist eine wasserabstoßende Schicht 40 auf die Elektroden 26 derart aufgebracht, daß nur deren Mittelteil zu der Flüssig­ keit hin freiliegt. Infolgedessen wird an der wasserabstos­ senden Schicht 40 die Flüssigkeit nahezu vollständig abge­ stoßen, so daß sie unabhängig von einem Schütteln oder Spritzen an der Flüssigkeitsoberfläche die Elektroden nicht leitend verbindet, wodurch irgendwelche Meßfehler vermieden werden.

Bei dem Flüssigkeitspegelsensor 20 dieser Art wird der Ausgangswiderstandswert ein Ausgangssignal, das sich ent­ sprechend dem Flüssigkeitspegel durch das aufeinanderfolgen­ de leitende Verbinden der Elektroden in Stufen ändert. Die erwünschte Meßauflösung kann daher dadurch erzielt werden, daß die Abstände zwischen den Elektroden geeignet gewählt werden.

Bei diesem Flüssigkeitspegelsensor trat jedoch folgender Mangel auf: Die Meßflüssigkeit zieht in die zum Bestimmen des Ausgangswiderstands dienenden Widerstandsfilme ein und verursacht Änderungen des Widerstandswerts, die einen be­ trächtlichen Meßfehler ergeben. Insbesondere ist es im Falle eines Kohlewiderstands oder dergleichen mit hoher Wasserab­ sorptionsfähigkeit nach einmaliger Benutzung unmöglich, den ursprünglichen Widerstandswert desselben beizubehalten. D. h., der Sensor ist nicht wiederverwendbar. Ferner wird manchmal der Widerstandsfilm schon bei dem ersten Einsatz naß, wodurch Meßfehler verursacht werden.

An dem vorstehend beschriebenen Sensor ist der Widerstands­ film 24 mit der wasserabstoßenden Schicht 40 überdeckt. Die üblicherweise für die wasserabstoßende Schicht verwendeten Silicon-Beschichtungsmaterialien sind jedoch nicht ausrei­ chend wasserdicht, so daß der Widerstandsfilm die Flüssig­ keit durch die wasserabstoßende Schicht 40 hindurch absor­ biert.

Insbesondere dann, wenn der Flüssigkeitspegelsensor dieser Art zum Messen an einer Flüssigkeit eingesetzt wird, deren Spiegel sich über eine lange Zeitdauer allmählich ändert, absorbiert der Widerstandsfilm die Flüssigkeit durch den darin eingetauchten Bereich hindurch, wodurch Meßfehler verursacht werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Flüs­ sigkeitspegelsensor zu schaffen, der mit Sicherheit frei von Meßfehlern ist, die durch Flüssigkeitsabsorption des Wider­ standsfilms verursacht werden.

Zur Lösung der Aufgabe wird die freiliegende Fläche des Widerstandsfilms mit einem wasserdichten Film überzogen.

Da der Widerstandsfilm aus Kohlenstoff oder dergleichen durch die wasserdichte Schicht durch Abdichtung geschützt ist, ist jede Möglichkeit von Meßfehlern ausge­ schaltet, die infolge einer durch die Wasserabsorption des Widerstandsfilms verursachten Änderung des Widerstandswerts hervorgerufen werden könnten.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine teilweise vergrößerte schema­ tische Ansicht, die den erfindungsgemäßen Flüssigkeitspegel­ sensor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.

Fig. 2 ist eine Ansicht eines Schnitts ent­ lang einer Linie II-II in Fig. 1.

Fig. 3 ist eine teilweise vergrößerte schema­ tische Ansicht, die den erfindungsgemäßen Flüssigkeitspegel­ sensor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt.

Fig. 4 ist eine Ansicht eines Schnitts ent­ lang einer Linie IV-IV in Fig. 3.

Fig. 5 ist eine teilweise vergrößerte schema­ tische Ansicht, die den erfindungsgemäßen Flüssigkeitspegel­ sensor gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt.

Fig. 6 ist eine Ansicht eines Schnitts ent­ lang einer Linie VI-VI in Fig. 5.

Fig. 7 ist eine schematische Ansicht eines Flüssigkeitspegelsensors.

Fig. 8 ist eine Ansicht eines Schnitts ent­ lang einer Linie VIII-VIII in Fig. 7.

Fig. 9 ist ein Äquivalenzschaltbild des Widerstands-Flüssigkeitspegelsensors nach Fig. 7.

Fig. 10 ist eine grafische Darstellung der Kennlinie eines Flüssigkeitspegelsensors mit periodisch beabstandeten Elektroden.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel des Flüssigkeitspegelsensors. Auf gleiche Weise wie bei dem vorangehend beschriebenen Sensor wird die zu messende Flüs­ sigkeit, die eine elektrolytische Substanz enthält, z. B. Körperflüssigkeit wie Urin in einen Behälter eingefüllt oder durch einen Behälter hindurchgeleitet, welcher in im wesent­ lichen senkrechter Richtung ein Paar von Widerstandsfilmen für das elektrische Messen des Flüssigkeitspegels unter Nutzung der Leitfähigkeit zwischen Elektroden enthält, die in regelmäßigen Abständen angeordnet sind.

Auf ein isolierendes Substrat 50 in Form eines dünnen Kunst­ stoffilms oder dergleichen mit einer Dicke von 80 bis 100 µm sind parallel zueinander zwei Widerstandsfilme 52a und 52b als Kohlenwiderstände oder dergleichen mit einer Dicke von 30 bis 50 µm aufgebracht. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Widerstandsfilme 52 auf dem isolierenden Substrat 50 durch Siebdruck oder Aufdampfen ausgebildet. Das isolie­ rende Substrat 50 selbst ist ein Dünnfilm aus Kunststoff vom Siliciumtyp mit wasserabstoßenden Eigenschaften, wie ein Polyethylen-Dünnfilm. Daher wird gemäß der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung die Flüssigkeit von dem isolie­ renden Substrat 50 außer an dem eigentlichen Elektrodenbe­ reich abgestoßen, wodurch auf zuverlässige Weise Meßfehler verhindert werden, die durch befeuchtete Widerstandsschich­ ten verursacht werden.

Bei dem Sensor gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist in regelmäßigen Abständen in Längsrichtung der beiden Wider­ standsfilme 52 eine Vielzahl von Elektroden 54a-1 bis 54a-n und 54b-1 bis 54b-m angeordnet. Das Auflösunosvermögen bei der Flüssigkeitspegelmessung hängt von den Abständen zwi­ schen den Elektroden ab, die bei diesem Ausführungsbeispiel auf weniger als 1 mm festgelegt sind, obgleich sie in Fig. 1 zur Verdeutlichung vergrößert dargestellt sind.

Die obersten Elektroden 54a-1 und 54b-1 werden über daran angeschlossene Zuleitungselektroden 56a und 56b mit einer externen Schaltung verbunden. An dem unteren Ende bildet eine Elektrode 58 eine leitende Verbindung der Widerstands­ filme 52a und 52b. Ein wesentliches Merkmal des Sensors gemäß diesem Ausführungsbeispiel besteht darin, daß die Widerstandsfilme 52a und 52b durch einen wasserdichten Film 60 abgedeckt sind. Daher sind erfindungsgemäß die Wider­ standsfilme 52 durch den wasserdichten Film 60 auch bei eingetauchtem Zustand gegen Flüssigkeitsabsorption ge­ schützt, so daß ihr Widerstandswert konstant gehalten ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel hat anders als bei dem ein­ gangs beschriebenen Sensor jede der an den Widerstandsfilmen 52 angebrachten Elektroden 54 einen sich von dem Wider­ standsfilm 52 nach außen hin erstreckenden Ausläufer für das Herstellen der elektrischen Verbindung zwischen den Elektro­ den 54a und 54b. Gemäß Fig. 1 steht der Armteil bzw. Ausläu­ fer 62 der Elektrode 54a-1 nach links vor. In der Zeichnung sind zwar die Bezugszeichen weggelassen, jedoch haben die anderen Elektroden auf gleiche Weise ihre Ausläufer, die an den Elektroden 54a nach links vorstehen, während sie an den Elektroden 54b nach rechts vorstehen.

Mittels dieser Ausläufer 62 können die Widerstandsfilme 52a und 52b durch die Flüssigkeit hindurch auf zuverlässige Weise über die Ausläufer 62 auch dann leitend verbunden werden, wenn die Widerstandsfilme 52 vollständig durch den wasserdichten Film 60 abgedeckt sind.

Auf diese Weise werden erfindungsgemäß die Widerstandsfilme 52 gänzlich durch den wasserdichten Film 60 aus Kunststoff vom Polyethylentyp abgedeckt, um dadurch Meßfehler zu ver­ hindern, die auf durch Flüssigkeitsabsorption verursachte Änderungen des Widerstandswerts zurückzuführen sind, und damit die wiederholte Verwendung des gleichen Flüssigkeits­ pegelsensors sicherzustellen.

Bei dem Ausführungsbeispiel sind die Ausläufer 62 für die leitende Verbindung mit der Flüssigkeit durch Siebdruck oder Aufdampfen direkt auf das isolierende Substrat 50 mit den wasserabstoßenden Eigenschaften aufgebracht. Infolgedessen ist bei der angestrebten Messung unter Nutzung der stufen­ weisen und linearen Änderungen der Widerstandswerte der Widerstandsfilme der nicht mit der Flüssigkeit in Berührung stehende Ausläufer 62 gegen Befeuchtung durch die Flüssig­ keit geschützt.

Die Fig. 3 und 4 zeigen den erfindungsgemäßen Flüssigkeits­ pegelsensor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Ein wesentliches Merkmal bei diesem Ausführungsbeispiel besteht darin, daß das isolierende Substrat 50 eine gewöhn­ liche Platte mit geringer Wasserabstoßfähigkeit wie eine Platte aus Phenolharz ist und daß nach dem aufeinanderfol­ genden Aufschichten der Widerstandsfilme 52, der Elektroden 54 und des wasserdichten Films 60 auf das Substrat eine wasserabstoßende Schicht 64, beispielsweise aus Beschich­ tungsmaterial vom Siliciumtyp oder dergleichen, gemäß der Darstellung durch eine strichpunktierte Linie aufgebracht ist. In der wasserabstoßenden Schicht 64 sind natürlich Fenster 64a zum Freilegen der Ausläufer 62 für den Kontakt mit der Flüssigkeit ausgebildet. Infolgedessen wird von der wasserabstoßenden Schicht 64 auf zuverlässige Weise das Wasser zwischen den Elektroden und auch an dem wasserdichten Film 60 abgestoßen.

Die Fig. 5 und 6 zeigen den erfindungsgemäßen Flüssigkeits­ pegelsensor gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.

Ein wesentliches Merkmal bei diesem Ausführungsbeispiel besteht darin, daß zwischen den Elektroden 54 jeweils eine wasserabstoßende Schicht 66 angebracht ist, um durch das Abstoßen des Wassers die Elektroden 54 voneinander zu tren­ nen. Bei dem dritten Ausführungsbeispiel kann, obgleich die gesamte Wasserabstoßwirkung nicht so hoch ist wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel, eine hervorragende Wasserab­ stoßwirkung durch die abstoßenden Trennschichten zwischen den Elektroden erreicht werden, welche leicht miteinander in leitende Verbindung kommen könnten, was Meßfehler verursa­ chen würde. Ferner wirkt bei dem dritten Ausführungsbeispiel der wasserdichte Film 60 auf die gleiche Weise wie bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung können die durch eine Flüssigkeitsabsorption verursachten Meßfehler auf zuverläs­ sige Weise erfindungsgemäß dadurch vermieden werden, daß die das Wasser stark absorbierenden Widerstandsfilme mit der wasserdichten Schicht überdeckt werden, so daß dadurch ein genauer und dauerhafter Flüssigkeitspegelsensor erzielt wird.

Da ferner die Widerstandsfilme keine Flüssigkeit absorbie­ ren, kann der Flüssigkeitspegelsensor wiederholt benutzt werden, eine durch absorbierten Elektrolyt verursachte Korrosion verhindert werden und die Lebensdauer des Flüssig­ keitspegelsensors beträchtlich verlängert werden.

Ein Flüssigkeitspegelsensor für das Messen des Spiegels einer elektrolytischen Flüssigkeit hat zwei auf einem iso­ lierenden Substrat gebildete Widerstandsfilme und eine Vielzahl von auf den Widerstandsfilmen in Längsrichtung in Abständen angebrachten Elektroden. Die Widerstandsfilme werden in der Längsrichtung senkrecht in die elektrolytische Flüssigkeit eingetaucht. Der Flüssigkeitsspiegel wird aus der Veränderung des Widerstandswerts der Widerstandsfilme ermittelt, die durch das paarweise Kurzschließen der Elek­ troden in dem Elektrolyt verursacht ist. Die freiliegende Fläche des Widerstandsfilms ist mit einem feuchtigkeitsbe­ ständigen Film abgedeckt. Infolgedessen ist auf zuverlässige Weise verhindert, daß durch eine Befeuchtung eine uner­ wünschte Änderung des Widerstandswerts des Widerstandsfilms hervorgerufen wird.

Claims (7)

1. Flüssigkeitspegelsensor für das Messen des Spiegels einer Flüssigkeit, die eine elektrolytische Substanz enthält, wobei der Widerstandswert zwischen Zuleitungselektroden bei dem Anlegen einer Spannung von dem Pegel der Flüssigkeit abhängig ist, mit
einem isolierenden Substrat (50),
zwei auf dem Substrat (50) in einem vorbestimmten Zwischenabstand parallel zueinander angeordneten Widerstandsfilmen (52),
einer Vielzahl von in Längsrichtung der Widerstandsfilme (52) in periodischen Abständen angebrachten Meßelektroden (54) und jeweils an einem Ende der Widerstandsfilme angebrachten Zuleitungselektroden, wobei
jede der Meßelektroden (54) einen Ausläufer (62) aufweist, der sich von dem Widerstandsfilm (52) weg nach außen erstreckt,
die Widerstandsfilme vollständig durch einen wasserdichten Film (60) abgedeckt sind und
die Ausläufer (62) der Meßelektroden (54) zum Teil aus dem wasserdichten Film (60) herausstehen.

2. Flüssigkeitspegelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausläufer (62) auf der Oberfläche des isolierenden Substrats (50) in horizontaler Richtung von den Widerstandsfilmen (52) weg herausstehen.

3. Flüssigkeitspegelsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Meßelektroden (54) wasserabstoßende Schichten (66) gebildet sind.

4. Flüssigkeitspegelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine wasserabstoßende Schicht (64), die zumindest die Meßelektroden (54) mit Ausnahme von bestimmten Teilen (64a) der Ausläufer (62) abdeckt.

5. Flüssigkeitspegelsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wasserabstoßende Schicht (64) jeweils Fenster (64a) zum Freilegen der Ausläufer (62) zum Kontakt mit der Flüssigkeit hat.

6. Flüssigkeitspegelsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Substrat (50) aus einem Kunststoff des Polyethylen-Typs besteht.

7. Flüssigkeitspegelsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit eine Körperflüssigkeit wie Urin ist.