DE4434646A1 - Measuring system for electronic measuring of filling level of liquid esp. in vehicle fuel tank - Google Patents
Measuring system for electronic measuring of filling level of liquid esp. in vehicle fuel tankInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum elektronischen Messen der Füllstandshöhe einer Flüssigkeit in einem Behälter, insbesondere im Kraftstofftank eines Fahrzeugs, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for electronically measuring the Level of a liquid in a container, especially in the Fuel tank of a vehicle, according to the preamble of claim 1.
Die Vorrichtung funktioniert nach folgendem Prinzip: Taucht ein beheiz tes Thermoelement in eine Flüssigkeit, deren Niveau gemessen werden soll, so wird es wegen des geringeren Wärmeübergangswiderstandes in der Flüssigkeit an die Umgebung mehr Wärme abgeben als im gasförmigen Me dium. Dadurch sinkt die Thermospannung in der Flüssigkeit. Auf diese Weise kann aus dem Signal der Thermospannung festgestellt werden, ob ein bestimmtes Thermoelement in die Flüssigkeit taucht oder nicht und so die Füllstandshöhe festgestellt werden.The device works according to the following principle: immerses a heated thermocouple into a liquid, the level of which is measured should, because of the lower heat transfer resistance in the Liquid gives off more heat to the environment than in gaseous Me dium. This reduces the thermal voltage in the liquid. To this In this way it can be determined from the signal of the thermal voltage whether a certain thermocouple immersed in the liquid or not and so the Level can be determined.
Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (DE-PS 40 30 401) werden die Sensor-Thermoelemente sowohl bei Parallel- als auch bei Serienschaltung als Einzelelemente aufgebaut, indem sie aus mit einem Halbleiter als hochohmigen elektrisch leitfähigen Material bedampften Folienstreifen ausgeschnitten oder -gestanzt und mit Hilfe eines Klebers auf die Trä gerfolie plaziert werden. Anschließend wird durch Siebdruck von schmalen Metall-Leitkleber-Bahnen als niederohmigem elektrisch leitfähigem Ma terial auf die Enden der bedampften Folie das Thermoelement komplet tiert, wobei die Kombination Metall-Halbleiter-Metall gebildet wird. Es wechseln also immer nieder- und hochohmige Leiterzüge ab, die nur an ei ner relativ kleinen Stelle miteinander in Kontakt stehen. Die zum Ent stehen einer Thermospannung notwendige Temperaturdifferenz wird durch einen Heizleiter erzeugt, der unter einem der Schenkel des Thermoelemen tes verläuft. Zum Erhalt von optimalen und gleichmäßigen Thermospannun gen in einer derartigen Vorrichtung ist es notwendig, die Grenzfläche zwischen Halbleiter und Metall exakt über dem Heizleiter zu justieren. Bei der üblichen Verwendung einer großen Anzahl von Thermoelementen pro Tankgeber lassen sich diese praktisch nicht mehr manuell verarbeiten, sondern nur mit Hilfe eines Automaten. Bei gleichzeitiger Aufbringung aller Thermoelemente im Sinne des Anspruchs 8 des genannten Patentes müssen dazu Stanzlinge hergestellt werden, die bei Parallelschaltung die Form eines Kammes, bei Serienschaltung die eines Mäanders haben, wobei im letzten Fall zweckmäßigerweise der Heizleiter ebenfalls alterniert. Um diese Formen aus den Streifen auszustanzen, sind spezielle Werkzeuge notwendig, deren Herstellung kostspielig ist. Weiterhin fällt beim Stan zen auch ein relativ hoher Abfall gerade von jenem Material an, das in seiner Herstellung durch das Aufdampfen des Halbleiters im Hochvakuum teuer ist.In a known device of this type (DE-PS 40 30 401) Sensor thermocouples for both parallel and series connection constructed as individual elements by using a semiconductor as high-resistance electrically conductive material vapor-coated film strips cut or punched and with the help of an adhesive on the backing be placed on the foil. Then, by screen printing from narrow Metal conductive adhesive sheets as a low-resistance electrically conductive material complete the thermocouple on the ends of the vapor-coated film tiert, wherein the combination of metal-semiconductor-metal is formed. It So always alternate low and high impedance conductors that only on egg ner relatively small point in contact. The ent the necessary temperature difference is due to a thermal voltage generates a heating conductor under one of the legs of the thermocouple tes runs. To maintain optimal and even thermal tension conditions in such a device, it is necessary the interface between semiconductor and metal exactly over the heating conductor. When using a large number of thermocouples per Tank sensors can practically no longer be processed manually, but only with the help of a machine. With simultaneous application all thermocouples as defined in claim 8 of said patent Die cuts have to be made for this Form of a comb, in series connection that of a meander, whereby in the latter case, the heating conductor also expediently alternates. Special tools are used to punch these shapes out of the strips necessary, the production of which is expensive. The Stan continues to fall zen also a relatively high waste especially from the material that in its manufacture by evaporating the semiconductor in a high vacuum is expensive.
Weiterhin kommt dazu, daß die beschriebenen Sensoren nur dann völlig zu friedenstellend arbeiten, solange sich die Umgebungstemperatur nur ge ringfügig ändert oder Temperatureinflüsse von außen z. B. durch thermi sche Abschirmungen auf ein Minimum reduziert werden. Ist jedoch der Ein satz bei stark schwankenden Umgebungstemperaturen (z. B. -40°C . . . +80°C) vorgesehen, versagen solche Abschirmmaßnahmen oder werden zu teu er. Im wesentlichen ergeben sich bei dieser Meßmethode aber zwei grund sätzliche Meßfehler, die, wenn sie gleichsinnig wirken, 15 bis 20 Pro zent des Meßwertes der Thermospannung ausmachen können.Furthermore, the sensors described are only then completely correct work satisfactorily as long as the ambient temperature is only changes slightly or temperature influences from the outside z. B. by thermi shielding can be reduced to a minimum. However, it is the one set with strongly fluctuating ambient temperatures (e.g. -40 ° C... + 80 ° C), such shielding measures fail or become too expensive he. There are two main reasons for this measurement method additional measurement errors, which, if they act in the same direction, 15 to 20 per make up a cent of the measured value of the thermal voltage.
Der erste Fehler besteht darin, daß der Proportionalitätsfaktor zwischen der Thermospannung und der Temperaturdifferenz der beiden Materialien, die das Thermoelement bilden, selbst auch temperaturabhängig ist. D.h. beispielsweise, bei einer angenommenen konstanten Temperaturdifferenz von 50°C wird bei Temperaturen am Sensor von z. B. +30°C und +80°C in der Regel eine höhere Thermospannung gemessen als bei -40°C und +10°C, obwohl die gleiche Temperaturdifferenz vorliegt.The first mistake is that the proportionality factor is between the thermal voltage and the temperature difference between the two materials, which form the thermocouple itself is also temperature-dependent. I.e. for example, with an assumed constant temperature difference of 50 ° C at temperatures at the sensor of z. B. + 30 ° C and + 80 ° C usually a higher thermal voltage measured than at -40 ° C and + 10 ° C, although there is the same temperature difference.
Ein weiterer Fehler kommt dazu, wenn, wie im Patentanspruch 14 der DE-PS 40 30 401 der Heizstrom konstant gehalten wird. Da bei metallischen Heizleitern (PTC-Verhalten) der elektrische Widerstand mit der Tempera tur zunimmt, bleibt die Heizleistung nicht konstant, sondern nimmt eben falls bei ansteigender Temperatur zu. Dadurch steigt die Thermospannung bei hohen Umgebungstemperaturen zusätzlich an. Verwendet man Heizleiter mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC), so sinkt die Heizleistung mit steigender Temperatur.Another error occurs when, as in claim 14 DE-PS 40 30 401 the heating current is kept constant. As with metallic Heating conductors (PTC behavior) the electrical resistance with the tempera heating increases, the heating output does not remain constant, but simply increases if the temperature increases. This increases the thermal voltage additionally at high ambient temperatures. One uses heating conductors with a negative temperature coefficient (NTC), the heating output drops with increasing temperature.
Zur elektronischen Signalverarbeitung der Meßwerte ist die bekannte Vor richtung mit einem Baustein ausgerüstet, der einen integrierten Schalt kreis aufweist (IC-Baustein) und nach Bedarf kundenspezifisch gestaltet wird (ASIC). Der Baustein ist gemäß Anspruch 21 der DE-PS 40 30 401 auf dem Träger für die Sensoren plaziert. Diesbezüglich hat es sich in der Praxis gezeigt, daß eine derartige Lokalisierung hinsichtlich der Zu gänglichkeit des Teils bei möglichen Reparaturen ungünstig ist, bzw. ei ne Verteuerung des Meßfühlers bewirkt, da der Baustein eine unmittelbare Baueinheit mit ihm bildet.For the electronic signal processing of the measured values is the known Vor direction equipped with a module that has an integrated switch has a circle (IC component) and designed according to customer requirements will (ASIC). The block is according to claim 21 of DE-PS 40 30 401 placed on the support for the sensors. In this regard, it has in the Practice has shown that such a localization with respect to the Accessibility of the part is unfavorable for possible repairs, or egg ne increases the cost of the sensor, because the block has an immediate Unit forms with it.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs be schriebenen Art hinsichtlich ihres Aufbaus dahingehend zu verbessern, daß die oben beschriebenen Nachteile gegenüber dem Stand der Technik überwunden werden können. Im einzelnen bedeutet dies, einen einfacheren Aufbau der Vorrichtung zu erzielen, der eine weniger aufwendige Her stellung aber auch eine verbesserte Meßgenauigkeit in einem großen Be reich der Umgebungstemperatur zuläßt.It is therefore an object of the invention to be a device of the beginning to improve the written type in terms of its structure, that the disadvantages described above compared to the prior art can be overcome. Specifically, this means an easier one To achieve structure of the device, the less expensive Her position but also an improved measurement accuracy in a large loading range of the ambient temperature.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das hochohmige elektrisch leitfä hige Material aus einem durchgehenden, auf dem Träger befindlichen Streifen besteht und das niederohmige elektrisch leitfähige Material auf dem Streifen eine durch Zwischenräume in Abschnitte gegliederte Auflage schicht bildet. Die Abschnitte sind mit dem hochohmigen elektrisch leit fähigen Material vollflächig verbunden und ergänzen den Streifen zu Thermoelementen, die im wesentlichen in Streifenlängsrichtung verlaufen. Die Zwischenräume zwischen den Abschnitten sind klein gegenüber der Ab schnittslänge. Die Heizleiter sind im Endbereich der einzelnen Abschnitte angeordnet und verlaufen im wesentlichen in Streifenquerrichtung.This object is achieved in that the high-resistance electrically conductive hige material from a continuous, on the carrier Strip exists and the low-resistance electrically conductive material the strip is an overlay divided into sections by spaces layer forms. The sections are electrically conductive with the high-resistance capable material fully connected and complement the stripes Thermocouples that run essentially in the longitudinal direction of the strip. The gaps between the sections are small compared to the Ab cut length. The heating conductors are in the end area of the individual sections arranged and extend substantially in the transverse direction of the strip.
Vorzugsweise ist das hochohmige elektrisch leitfähige Material ein Halb leiter, während das niederohmige elektrisch leitfähige Material aus ei nem Metall-Leitkleber gebildet wird.The high-resistance electrically conductive material is preferably a half conductor, while the low-resistance electrically conductive material from egg a metal conductive adhesive is formed.
Den erfindungsgemäßen Maßnahmen kommt im einzelnen folgende Bedeutung zu. Der Halbleiterwerkstoff, der in Form eines Streifens am Träger sitzt, bildet eine hochohmige durchgehende Leitungsverbindung zwischen den einzelnen Thermoelementen über den gesamten Träger. Der Metall-Leit kleber erzeugt eine stellenweise unterbrochene niederohmige Leitungs verbindung auf dem hochohmigen Leiter und steht vollflächig mit ihm in Verbindung. Gleichzeitig komplettiert er dadurch aber auch als der für die Generierung einer Thermospannung erforderliche zweite Werkstoff den Streifen zur vollständigen Schar der Thermoelemente. Da die Auflage schicht des Metall-Leitklebers erfindungsgemäß in Streifenlängsrichtung eine Ausdehnung besitzt, die groß gegenüber den Zwischenräumen ist, und nach Anspruch 4 auch breitflächig gestaltet werden kann, bestehen im Vergleich mit der bekannten Vorrichtung auch geringere Forderungen be züglich der Lagetoleranz der Abschnitte der Auflageschicht in Bezug auf die Heizleiter.The measures according to the invention have the following meaning in detail to. The semiconductor material, which is in the form of a strip on the carrier sits, forms a high-resistance continuous line connection between the individual thermocouples over the entire carrier. The metal leader adhesive creates a partially interrupted low-resistance line connection on the high-resistance conductor and is in full contact with it Connection. At the same time, he also completes it as the one for the generation of a thermal voltage required the second material Strips for a complete set of thermocouples. Because the edition layer of the metal conductive adhesive according to the invention in the longitudinal direction of the strip has an extent that is large compared to the gaps, and can also be designed according to claim 4, consist in Comparison with the known device also be less demanding regarding the positional tolerance of the portions of the overlay in relation to the heating conductor.
Das den ersten Werkstoff des Thermoelementes bildende Material kann be kanntermaßen auf einer vom Träger getrennten Folie aufgedampft und mit der Auflageschicht aus dem zweiten Material versehen sein und das so be schichtete Flächengebilde am Träger befestigt werden. Das Halbleiterma terial kann auch in Pastenform durch ein Siebdruckverfahren direkt auf den Träger aufgebracht und dann mit dem Metall-Leitkleber vervollstän digt sein.The material forming the first material of the thermocouple can be evaporated on a separate film from the carrier and with the support layer from the second material and be so layered fabrics are attached to the carrier. The semiconductor ma material can also be applied directly in paste form using a screen printing process applied the carrier and then complete with the metal conductive adhesive be done.
Von der fertigungstechnischen Seite her ist es evident, daß das an sich bekannte Aufbringen eines in der Regel wenige Millimeter breiten mit dem Halbleiter bedampften Folienstreifens oder des Halbleiters in Pastenform durch Siebdruck direkt auf den Träger über seine gesamte Länge ein un komplizierter, schnell ausführbarer Arbeitsgang ist, bei dem kein Ab fall entsteht und dessen vorzügliche Anwendung aus diesem Grund von Vor teil ist. Durch die Komplettierung mit dem Metall-Leitkleber entsteht, wie auch in Anspruch 8 hervorgehoben ist, wenn außer für die Verbin dungsleitungen zum Auswertegerät keine weiteren, zusätzlichen Kontaktie rungen im Sinne von Anspruch 26 vorgesehen werden, unmittelbar eine Rei henschaltung sämtlicher Thermoelemente.From the manufacturing point of view, it is evident that this in itself known application of a generally a few millimeters wide with the Semiconductors vaporized film strip or the semiconductor in paste form by screen printing directly onto the carrier over its entire length complicated, quickly executable process, in which no Ab case arises and its excellent application for this reason from before is part. Completion with the metal conductive adhesive creates is also highlighted in claim 8, except for the verb cables to the evaluation device no additional contacts rungen be provided within the meaning of claim 26, immediately a Rei circuit of all thermocouples.
Halbleiterwerkstoff und Metall-Leitkleber können in jedem der Abschnitte der Auflageschicht durch ein Ersatzschaltbild von parallelgeschalteten elektrischen Widerständen unterschiedlicher Größe beschrieben werden, wobei der größere Stromfluß durch den kleineren Widerstand des Metall- Leitklebers erfolgt. Daher ist auch der Spannungsabfall in diesen Ab schnitten gering. In den Räumen zwischen den Abschnitten ist der elek trische Strom gezwungen, seine Bahn durch das hochohmige Material zu nehmen, wobei je nach dem spezifischen Widerstand und den Schichtdicken der Spannungsabfall bedeutend größer werden kann als in den Abschnitten der Auflageschicht und mit der Größe des Zwischenraumes wächst. Gleich zeitig sind aber in der Nähe der Zwischenräume unter den Abschnitten der Auflageschicht die Heizleiter angeordnet, die für eine ausreichend große Temperaturdifferenz zum Entstehen der Thermospannung sorgen. Werden nun die Räume zwischen den Abschnitten der Auflageschicht zu klein, so er wärmt sich auch die unbeheizte Stelle, die eigentlich kalt bleiben soll te, und die entstehende Thermospannung verringert sich. Da insgesamt die gemessene Spannung, die sich aus entstehender Thermospannung und Span nungsabfall ergibt, möglichst groß sein sollte, und hinsichtlich ihrer Abhängigkeit von der Abstandsgröße zwischen den Abschnitten der Auflage schicht durch die beiden beschriebenen, gegenläufigen Tendenzen gekenn zeichnet ist, läßt sich ein sich bei einer bestimmten Abstandsgröße ein stellendes Spannungsmaximum gemäß Anspruch 3 als Kriterium eines optima len Abstandes zwischen den Abschnitten der Auflageschicht ansehen.Semiconductor material and metal conductive adhesive can be used in each of the sections the overlay by an equivalent circuit diagram of parallel electrical resistances of different sizes are described, the greater current flow through the smaller resistance of the metal Conductive adhesive. Therefore, the voltage drop in this Ab cut low. In the spaces between the sections is the elek electric current forced its path through the high-resistance material take, depending on the specific resistance and the layer thickness the voltage drop can be significantly greater than in the sections the overlay and with the size of the space grows. Soon but are near the gaps under the sections of the Overlay layer arranged the heating conductors, which are sufficient for a sufficiently large Ensure temperature difference to create thermal voltage. Will now the spaces between the sections of the overlay are too small, he says also warms the unheated area, which is supposed to stay cold te, and the resulting thermal voltage is reduced. Because overall the measured voltage resulting from the resulting thermal voltage and span waste, should be as large as possible, and in terms of their Depends on the size of the distance between the sections of the edition stratified by the two opposite tendencies described is drawn, one can be at a certain distance size voltage maximum according to claim 3 as a criterion of an optima Look at the distance between the sections of the overlay.
Die gemäß Anspruch 5 vorgesehene spezielle Aufdruckskontur der Abschnit te der Auflageschicht und die dementsprechende Anordnung der Heizleiter stellt eine möglichst große beheizte Verbindungsstelle und damit größere Thermospannung sicher, vermeidet aber den unerwünschten Temperaturaus gleich längs des Trägers der Thermoelemente. Die Abschnitte der Aufla geschicht des Metall-Leitklebers können beispielsweise eine H- oder T- Form aufweisen und die Heizleiter im Bereich des einen Schenkels des H bzw. des Querbalkens des T angeordnet sein.The special imprint contour of the section provided according to claim 5 te of the overlay and the corresponding arrangement of the heating conductors provides the largest possible heated connection point and thus larger Safe thermal voltage, but avoids the undesirable temperature right along the support of the thermocouples. The sections of the ed layer of the metal conductive adhesive, for example an H or T Have shape and the heat conductor in the area of one leg of the H or the crossbar of the T may be arranged.
Als Halbleitermaterialien eignen sich Werkstoffe wie Silicium, Germani um, Tellur, Galliumarsenid usw., die nur in einer Schichtstärke von we nigen Mikrometern aufgetragen werden. Vorteilhafterweise wird gemäß An spruch 6 für die Auflageschicht des zweiten Materials ein Werkstoff ge wählt, der nur eine geringe Neigung hat, mit dem Halbleiterwerkstoff in termetallische Verbindungen einzugehen, da sich diese oft hinsichtlich der entstehenden Thermospannung und des spezifischen elektrischen Wider standes, der wiederum den Spannungsabfall bestimmt, durch ungünstige Ei genschaften auszeichnen. Es wurde gefunden, daß insbesondere eine Paa rung von Tellur als Halbleitermaterial mit Nickel im Metall-Leitkleber in dieser Beziehung sehr günstige Eigenschaften aufweist.Materials such as silicon and germani are suitable as semiconductor materials um, tellurium, gallium arsenide etc., which are only in a layer thickness of we few micrometers. According to An saying 6 for the overlay of the second material a material ge chooses who has only a slight inclination with the semiconductor material in enter into metallic terminations, as these often differ in terms of the resulting thermal voltage and the specific electrical resistance stand, which in turn determines the voltage drop, by unfavorable egg mark properties. It has been found that in particular a Paa Tellurium as a semiconductor material with nickel in the metal conductive adhesive has very favorable properties in this respect.
Es ist vom materialökonomischen und fertigungstechnischen Gesichtspunkt her von Vorteil, die im Bereich der Verbindungsstellen aller Thermoele mente angeordneten Heizleiter als Teile eines gemeinsamen Heizleiters zu gestalten, der mäanderförmig auf der Trägerrückseite geführt ist (Anspruch 7) und durch Aufdrucken eines Metall-Leitklebers erzeugt wird.It is from the material economics and manufacturing point of view forth advantageous in the area of the connection points of all thermo oils elements arranged heating conductor as parts of a common heating conductor to design, which is guided in a meandering shape on the back of the carrier (Claim 7) and is generated by printing a metal conductive adhesive.
Damit in den Thermoelementen stets eine definierte Thermospannung ent steht, ist es wichtig, die Heizleistung des Heizleiters konstant zu hal ten und ggf. den jeweiligen Umgebungsbedingungen anzupassen. Für die Stromversorgung können dazu Konstantstrom- oder Konstantspannungsquellen Verwendung finden (Ansprüche 9 und 12).So that there is always a defined thermal voltage in the thermocouples it is important to keep the heating capacity of the heating conductor constant and, if necessary, to adapt to the respective environmental conditions. For the Power supplies can be constant current or constant voltage sources Find use (claims 9 and 12).
Wie oben beschrieben, treten bei der Messung im wesentlichen zwei Arten von Meßfehlern auf. Die einfachste Möglichkeit, die Meßgenauigkeit zu erhöhen, ist es, bei Einsatz einer Konstantstromquelle gemäß Anspruch 10, die Werkstoffauswahl der Heizleiter und der Thermoelemente entspre chend den genannten Temperaturkoeffizienten derart zu treffen, daß sich die beiden Meßfehler gerade gegenseitig kompensieren.As described above, there are essentially two types of measurement of measurement errors. The easiest way to measure accuracy increase, is to use a constant current source according to claim 10, the choice of materials for the heating conductors and the thermocouples chend to meet the temperature coefficient mentioned such that the two measuring errors just compensate each other.
Dies wird jedoch nur in wenigen Fällen möglich sein, da in der Regel an dere Kriterien bei der Werkstoffauswahl wichtiger sind. Es ist deshalb zweckmäßig, die Heizleistung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur geeignet zu verändern. Dazu eignen sich elektrische Widerstände mit de finiertem Temperaturverhalten, wie Heißleiter (NTC-Widerstände) oder Kaltleiter (PTC-Widerstände). Diese werden je nach der Art der verwen deten Stromquelle gemäß den Ansprüchen 11 oder 18 in den Heizleiter stromkreis geschaltet. Der weitgehend temperaturunabhängige Metallwider stand dient dabei zur Anpassung bzw. Linearisierung der NTC- (bzw. PTC-) Temperaturkennlinie an die der Thermoelemente, also zur Feineinstellung der Kompensation.However, this will only be possible in a few cases, as a rule whose criteria are more important when choosing materials. It is therefore expedient, the heating output depending on the ambient temperature suitable to change. Electrical resistors with de defined temperature behavior, such as thermistor (NTC resistors) or PTC thermistor (PTC resistors). These are used depending on the type of Deten power source according to claims 11 or 18 in the heating conductor circuit switched. The largely temperature-independent metal resistor stand serves to adapt or linearize the NTC (or PTC) Temperature characteristic to that of the thermocouples, i.e. for fine adjustment of compensation.
Die Ansprüche 13 bis 16 betreffen die detaillierte Ausgestaltung der Meßwert- bzw. Signalverarbeitung der Temperatursensoren, die gemäß dem Hauptanspruch Thermoelemente sind, aber auch, wie in den Ansprüchen 21 und 22 ausgeführt wird, Heißleiter (NTC-Widerstände), Kaltleiter (PTC- Widerstände) oder Meßdrähte mit definiertem temperaturabhängigem Verhal ten des elektrischen Widerstandes sein können. Nach Anspruch 13 befindet sich im Stromkreis in Reihe mit den Thermoelementen zur Füllstandsmes sung ein Impedanzwandler zur eingangsseitigen Anpassung der in den Ther moelementen zur Füllstandsmessung entstehenden Meßthermospannung an ei nen an eine Referenzspannungsquelle angeschlossenen, ebenfalls in Reihe nachgeschalteten Operationsverstärker, der als Inverter geschaltet ist. Das im Operationsverstärker durch Vergleich des Signals der Meßthermo spannung der Thermoelemente zur Füllstandsmessung mit der Spannung der Referenzspannungsquelle gebildete Spannungs-Ausgangssignal wird dann analog (Anspruch 14) oder digital (Anspruch 16) weiter verarbeitet. An spruch 15 betrifft eine zweckmäßige Maßnahme, die die Anzeige der Unter schreitung eines bestimmten Mindestfüllstandes (Reserve) gestattet.Claims 13 to 16 relate to the detailed design of the Measured value or signal processing of the temperature sensors, which according to The main claim is thermocouples, but also, as in claims 21 and 22 is executed, thermistor (NTC resistors), PTC thermistor (PTC- Resistors) or measuring wires with defined temperature-dependent behavior electrical resistance. According to claim 13 in the circuit in series with the thermocouples for level measurement solution an impedance converter for the input-side adaptation of the in the Ther measuring elements for measuring the level of the measuring thermo voltage on an egg connected to a reference voltage source, also in series downstream operational amplifier, which is connected as an inverter. That in the operational amplifier by comparing the signal of the measuring thermo Voltage of the thermocouples for level measurement with the voltage of the Reference voltage source formed voltage output signal is then processed analog (claim 14) or digital (claim 16). On Proverb 15 relates to an appropriate measure that the display of the sub a certain minimum fill level (reserve) is permitted.
Die nach den Ansprüchen 13 bis 16 vorgesehenen Bauteile können sich in der Nähe der Sensoren befinden oder aber sind vorteilhafterweise nach Anspruch 17 teilweise oder vollständig in das Auswertegerät integriert. The components provided according to claims 13 to 16 can be in are close to the sensors or are advantageously after Claim 17 partially or completely integrated into the evaluation device.
Zur Aufrechterhaltung der erforderlichen Heizleiterleistung sind außer den bereits beschriebenen Maßnahmen nach den Ansprüchen 10, 11 und 18 die Möglichkeiten nach den Ansprüchen 19 (bzw. 20) gegeben, nach denen ein (oder mehrere Referenzthermoelemente) vorgesehen sind, das (die) ein Signal liefern, welches nach einer zweckentsprechenden Umformung über einen anspruchsgemäß vorgesehenen Regler die Änderung der Stromstärke im Heizleiterstromkreis im gewünschten Sinne bewirkt.To maintain the required heating conductor power are excluded the measures already described according to claims 10, 11 and 18 given the possibilities according to claims 19 (or 20), according to which one (or more reference thermocouples) are provided, the one Deliver signal, which after an appropriate transformation over a controller provided for the change of the current strength in the heating conductor circuit in the desired sense.
Die gleiche Funktion kann auch, wie in Anspruch 23 dargelegt, durch ei nen mit den Referenztemperatursensoren - wie den Thermoelementen (An sprüche 19, 20), den temperaturabhängigen Widerständen (Anspruch 21) oder den Meßdrähten (Anspruch 22) - gekoppelten Mikrocontroller erfüllt werden.The same function can also, as set out in claim 23, by ei with the reference temperature sensors - such as the thermocouples (An Proverbs 19, 20), the temperature-dependent resistors (claim 21) or the measuring wires (claim 22) - coupled microcontroller will.
Schließlich ist es möglich, die Charakteristik der Abhängigkeit der Thermospannung der Thermoelemente von der Umgebungstemperatur fest im Speicher eines Mikrocontrollers (EPROM) zu erfassen und entsprechend der gemessenen Umgebungstemperatur die Meßwerte der Thermospannungen der Thermoelemente zu korrigieren, ohne daß die Heizleiterleistung verändert wird (Anspruch 24).Finally, it is possible to determine the characteristics of the dependency Thermal voltage of the thermocouples fixed in the ambient temperature Memory of a microcontroller (EPROM) to capture and according to the measured ambient temperature the measured values of the thermal voltages of the Correct thermocouples without changing the heat conductor output is (claim 24).
Weitere Maßnahmen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den bisher nicht genannten Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen. Die Erfindung richtet sich dabei auf alle daraus entnehm baren neuen Merkmale und Merkmalskombinationen, auch wenn diese nicht ausdrücklich in den Ansprüchen vorgebracht sein sollten.Further measures and advantages of the invention result from the so far not mentioned claims, the following description and the Drawings. The invention is directed to all of them new features and combinations of features, even if they are not should be expressly put forward in the claims.
In den Zeich nungen ist die Erfindung nachstehend in mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt. Es zeigen:In the drawing The invention is below in several exemplary embodiments shown. Show it:
Fig. 1 schematisch, einen Anwendungsfall der erfindungsgemäßen Vorrich tung, Fig. 1 shows schematically, an application of the tung Vorrich invention,
Fig. 2 perspektivisch, teilweise im Ausbruch, das zur Vorrichtung von Fig. 1 gezeigte Meßgerät mit darin erkennbarem Thermoelementträ ger, Fig. 2 shows in perspective, partly in ger outbreak, the meter shown for the device of Fig. 1 with recognizable therein Thermoelementträ,
Fig. 3 in starker Vergrößerung, die Querschnittsansicht durch eine Folie mit ober- und unterseitiger Beschichtung zur Verdeutlichung einer ersten Verfahrensstufe zur Herstellung der erfindungsgemäßen Sen soren, Fig. Greatly enlarged, cross-sectional view of sensors by a film having top and bottom-side coating for illustrating a first process step for producing the inventive Sen 3,
Fig. 4 schematisch, einen Teil der Vorderseite des Thermoelementträgers mit erfindungsgemäß ausgebildeten Sensoren und Heizleitern auf seiner Rückseite, Fig. 4 schematically shows a part of the front of the thermocouple carrier with inventively embodied sensors and heating conductors on its rear side,
Fig. 5 schematisch, die Vorderseite eines weiteren Thermoelementträgers mit erfindungsgemäß ausgebildeten Sensoren und einem mäanderför mig verlaufenden Heizleiter, sowie dessen Rückleitung auf der Rückseite des Trägers, Fig. 5 diagrammatically the front of a further thermocouple carrier with inventively embodied sensors and a mäanderför mig extending heat conductor, and its return line on the back of the wearer,
Fig. 6 in starker Vergrößerung, einen Längsschnitt durch den Thermoele mentträger in Fig. 5 im Sinne der Pfeile VI-VI mit zusätzlicher Darstellung von ober- und unterseitig vorgesehenen Abdeckfolien mit Metallkaschierung, Fig. 6, greatly enlarged, shows a longitudinal section through the carrier element thermocouples in Fig. 5 in the direction of the arrows VI-VI with additional representation of the top and bottom cover sheets provided with metal cladding,
Fig. 7 ebenfalls in starker Vergrößerung, einen weiteren Längsschnitt durch den Thermoelementträger in Fig. 5 bzw. in Fig. 4 entlang der Mittellinie der Sensoren mit Darstellung des bevorzugten We ges des elektrischen Stroms und der Kontaktierungen am ersten und letzten Thermoelement, Fig. 7 also in high magnification, a further longitudinal section through the thermocouple carrier shown in Fig. 5 or in Fig. 4 taken along the center line of the sensors with a representation of the preferred We ges of the electric current and the contacts on the first and last thermocouple,
Fig. 8 schematisch, die Abhängigkeit der Thermospannung von den ver schiedenen Einflußfaktoren zur Ermittlung der optimalen Größe der Zwischenräume zwischen den Abschnitten der Auflageschicht des Metall-Leitklebers, Fig. 8 shows schematically the dependence of the thermal voltage of the ver various factors contributing to the determination of the optimum size of the gaps between the portions of the plating layer of the metal conductive adhesive,
Fig. 9 eine elektrische Schaltung des an eine Konstantspannungsquelle angeschlossenen Heizleitungszweiges der erfindungsgemäßen Vor richtung mit Korrektur des Einflusses der Umgebungstemperatur auf die Heizleistung, Fig. 9 is an electrical circuit of is connected to a constant voltage source Heizleitungszweiges the invention Before direction with correction for the effect of ambient temperature on the heating power,
Fig. 10 eine elektrische Schaltung des an eine Konstantstromquelle an geschlossenen Heizleitungszweiges der erfindungsgemäßen Vor richtung mit Korrektur des Einflusses der Umgebungstemperatur auf die Heizleistung, Fig. 10 is an electric circuit of a constant current source in closed Heizleitungszweiges the invention Before direction with correction for the effect of ambient temperature on the heating power,
Fig. 11 eine elektrische Schaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Darstellung der Meßwertauswertung und Referenzthermoelement, Fig. 11 is an electric circuit of the apparatus of the invention showing the measured value evaluation and reference thermocouple,
Fig. 12 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Darstellung der Meßwertauswertung und -fehlerkorrektur unter Einsatz eines Mikrocontrollers, Fig. 12 is a circuit diagram of the device according to the invention, showing the measured value evaluation and Error correction using a microcontroller
Fig. 13 ein Schaltbild eines Teils der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Darstellung der Meßwertauswertung und Aufrechterhaltung einer konstanten Heizleiterleistung unter Einsatz eines Mikrocontrol lers, Fig. 13 is a circuit diagram of a part of the inventive apparatus showing the measured value evaluation and maintenance of a constant Heizleiterleistung using a Micro Control coupler,
Fig. 14 einen Teil der elektrische Schaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei paralleler Auswertung der Spannung der Thermo elemente, Fig. 14 shows a part of the electrical circuit of the inventive device for parallel evaluation of the voltage of the thermocouples,
Fig. 15 einen Teil der Fig. 11 entsprechenden elektrischen Schaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Darstellung der Meßwert auswertung und Heizleistungskorrektur, aber unter Verwendung von Meßdrähten mit definiertem temperaturabhängigen Verhalten des elektrischen Widerstandes, Fig. 15 evaluation a part of FIG. 11 corresponding electrical circuit of the device according to the invention, showing the measured value and correction heating power, but using Meßdrähten with a defined temperature-dependent behavior of the electrical resistance,
Fig. 16 einen Teil der Fig. 11 entsprechenden elektrischen Schaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Darstellung der Meßwert auswertung und Heizleistungskorrektur, aber unter Verwendung von temperaturabhängigen Widerständen. Fig. 16 shows a part of the Fig. 11 corresponding electrical circuit of the device according to the invention showing the measurement value evaluation and heating power correction, but using temperature-dependent resistors.
Wie Fig. 1 erkennen läßt, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Be stimmung des jeweiligen Füllinhalts eines Behälters 11, vorzugsweise des Kraftstofftanks eines Fahrzeugs, geeignet. Der Tank kann zur besseren Raumausnutzung im Fahrzeug auch eine unregelmäßige Form aufweisen. Die Vorrichtung umfaßt dabei eine Meßeinrichtung 12 im Behälterinneren 19, die über eine Verbindungsleitung 18 die Signale zu einem Auswertegerät 13 weiterleitet, wo sie verarbeitet werden und über die Verbindungslei tungen 18′ ein Anzeigegerät 14 steuern. Die Meßeinrichtung 12 taucht in die im Behälter 11 befindliche Flüssigkeit 15 ein, deren Füllstandshöhe 16 durch die Vorrichtung 10 zu ermitteln ist. Dies erfolgt durch eine elektronische Messung der Höhenlage des Flüssigkeitsspiegels 17 im Be hälter 11.As can be seen in FIG. 1, the device according to the invention is suitable for determining the respective filling contents of a container 11 , preferably the fuel tank of a vehicle. The tank can also have an irregular shape for better use of space in the vehicle. The device includes a measuring device 12 in the container interior 19 , which forwards the signals via a connecting line 18 to an evaluation device 13 , where they are processed and lines 18 'control a display device 14 via the connecting lines. The measuring device 12 is immersed in the liquid 15 in the container 11 , the fill level 16 of which can be determined by the device 10 . This is done by an electronic measurement of the height of the liquid level 17 in the container 11th
Die Meßeinrichtung 12 umfaßt, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ein Tauch rohr 22, das im Bereich der zu messenden Füllstandshöhe 16 fest im Be hälterinneren 19 angeordnet ist. Im Inneren 25 des Tauchrohres 22 befin det sich der eigentliche Meßfühler 20, der aus einem Träger 27 mit einer Schar speziell ausgebildeter Sensoren 30 besteht. Zur Minimierung des Einflusses der Fahrzeugbewegung, die zu unkontrollierten Wellenbewegun gen des Flüssigkeitsspiegels 17 im Behälter 11 führen kann, ist eine Blende mit einer verengten Öffnung 23 im Tauchrohr 22 vorgesehen. Durch die Öffnung 23 erfolgt eine verlangsamte Strömung 24 der Flüssigkeit in das Tauchrohr 22; und auf diese Weise werden beispielsweise die durch Brems- oder Beschleunigungsbewegungen des Fahrzeugs hervorgerufenen kurzzeitigen Höhenänderungen des Flüssigkeitsspiegels 17 im Behälter 11 im Tauchrohr 22 nahezu unwirksam.The measuring device 12 includes, as can be seen from Fig. 2, a dip tube 22 which is arranged in the area of the level 16 to be measured in the container interior 19 Be. Inside 25 of immersion tube 22 is the actual sensor 20 , which consists of a carrier 27 with a bevy of specially designed sensors 30 . To minimize the influence of the vehicle movement, which can lead to uncontrolled wave movements of the liquid level 17 in the container 11 , a diaphragm with a narrowed opening 23 in the dip tube 22 is provided. Through the opening 23 there is a slowed flow 24 of the liquid into the dip tube 22 ; and in this way, for example, the brief changes in height of the liquid level 17 in the container 11 in the dip tube 22 caused by braking or acceleration movements of the vehicle become almost ineffective.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 4 näher erläutert. Ein Halbleiterwerkstoff 40, der in Form eines Streifens 34 auf der Träger vorderseite 28 aufgebracht ist, bildet eine hochohmige durchgehende Lei tungsverbindung zwischen den einzelnen Thermoelementen 30. Mittels ei nes Metall-Leitklebers 45 ist auf der hochohmigen Halbleiterschicht 40 eine stellenweise unterbrochene, und so in Abschnitte 46 gegliederte, niederohmige Leitungsverbindung erzeugt, die im Gegensatz zu den her kömmlichen Thermoelementen vollflächig mit der Halbleiterschicht 40 in Verbindung steht. Der Metall-Leitkleber 45 komplettiert als der für die Generierung einer Thermospannung ΔU(ΔT) erforderliche zweite Werkstoff den Streifen 34 zur vollständigen Schar der Thermoelemente 30. Trotz der vollflächigen Verbindung der Halbleiterschicht 40 und der Metall-Leit kleber-Auflageschicht 45 kann aufgrund der unterschiedlichen spezifi schen elektrischen Widerstände der beiden Werkstoffe 40, 45 der Thermo elemente 30 eine Thermospannung ΔU(ΔT) entstehen, die sich nicht durch einen Kurzschlußstrom ausgleicht. Die Abschnitte 46 der Auflageschicht des Metall-Leitklebers 45 besitzen in Längsrichtung des Streifens 34 eine Ausdehnung 44, die groß gegenüber den Zwischenräumen 31 ist, und die Breite 43 der Abschnitte 46 erstreckt sich nahezu über die gesamte Breite 21 des Streifens 34.An embodiment of the invention is explained in more detail in FIG. 4. A semiconductor material 40 , which is applied in the form of a strip 34 on the carrier front side 28 , forms a high-resistance, continuous line connection between the individual thermocouples 30 . By means of egg nes conductive adhesive 45 on the high-resistance semiconductor layer 40 is interrupted in places, and thus divided into sections 46 , low-resistance line connection is generated, which, in contrast to the conventional thermocouples, is in full contact with the semiconductor layer 40 . The metal conductive adhesive 45 , as the second material required for the generation of a thermal voltage ΔU (ΔT), completes the strip 34 for a complete family of the thermocouples 30 . Despite the full-surface connection of the semiconductor layer 40 and the metal conductive adhesive layer 45 , a thermal voltage .DELTA.U (.DELTA.T) can arise due to the different specific electrical resistances of the two materials 40 , 45 of the thermocouples 30 , which is not compensated for by a short-circuit current. The sections 46 of the support layer of the metal conductive adhesive 45 have an extension 44 in the longitudinal direction of the strip 34 which is large compared to the gaps 31 , and the width 43 of the sections 46 extends almost over the entire width 21 of the strip 34 .
Fig. 3 veranschaulicht eine erste Verfahrensstufe zur Herstellung der Sensoren 30. Sie zeichnet sich dadurch aus, daß der Halbleiterwerkstoff 40 als Schicht auf einer vom Träger 27 getrennten Kunststoff-Folie 41, beispielsweise durch ein chemisches oder physikalisches Abscheiden aus der Gasphase (CVD, PVD) oder auch durch Aufspritzen oder Siebdruck, auf gebracht ist. An der Unterseite der Folie 41 befindet sich eine Klebe schicht 39, welche die spätere Befestigung am Träger 27 vereinfacht. Die mit dem Halbleiterwerkstoff 40 beschichtete und mit der Klebeschicht 39 versehene Kunststoff-Folie 41 bildet ein einheitliches Flächengebilde 42, das als Vorprodukt zur Herstellung der Sensoren 30 angesehen werden kann. Aus diesem Flächengebilde 42 werden dann in weiteren Verfahrens stufen Streifen 34 geschnitten, auf die die Metall-Leitkleber-Auflage schicht 45 durch Siebdruck aufgebracht wird und die dann auf den Träger 27 befestigt werden. Das Material des Trägers 27 ist ein blattförmiger Kunststoff. Es sollte dafür ebenfalls, wie für das Flächengebilde 42, eine flexible Folie verwendet werden. Das Halbleitermaterial 40 kann aber auch in der oben beschriebenen Weise direkt auf den Träger 27 auf gebracht sein. Fig. 3 illustrates a first stage of the process for producing the sensors 30. It is characterized in that the semiconductor material 40 is applied as a layer on a plastic film 41 separated from the carrier 27 , for example by chemical or physical deposition from the gas phase (CVD, PVD) or by spraying or screen printing. On the underside of the film 41 there is an adhesive layer 39 , which simplifies subsequent attachment to the carrier 27 . The plastic film 41 coated with the semiconductor material 40 and provided with the adhesive layer 39 forms a uniform sheet-like structure 42 which can be regarded as a preliminary product for the production of the sensors 30 . From this fabric 42 , strips 34 are then cut in further process steps, onto which the metal conductive adhesive layer 45 is applied by screen printing and which are then fastened to the carrier 27 . The material of the carrier 27 is a sheet-shaped plastic. A flexible film should also be used for this, as for the fabric 42 . The semiconductor material 40 can also be brought directly onto the carrier 27 in the manner described above.
Durch elektrisch isolierte, aber thermisch in Kontakt stehende, elek trische Heizleiter 26, die jeweils in dem einen Endbereich 33 der Ab schnitte 46 der Metall-Leitkleber-Schicht 45 auf der Trägerrückseite 29 in Querrichtung zum Streifen 34 verlaufen, wird die zum Entstehen der Thermospannung ΔU(ΔT) unabdingbare Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem unbeheizten Ende 32 und dem beheizten Ende 33 eines jeden Thermoelemen tes 30 erzeugt. In Fig. 4 ist eine Füllstandshöhe 16 angenommen, die den Flüssigkeitsspiegel 17 etwas über den Höhenbereich der beiden unteren dargestellten Sensoren 30 bringt. Das hat zur Folge, daß bei diesen und den noch tiefer angeordneten Sensoren 30, die in die Flüssigkeit 15 ein tauchen, die vom Heizleiter 26 erzeugte Wärme besser abgeführt wird als bei den sich über dem Flüssigkeitsspiegel 17 befindlichen Sensoren 30. Wegen der bei den letzteren auftretenden größeren Temperaturdifferenz ΔT zwischen den kalten Endbereichen 32 der Meßthermoelemente 30 und war men Endbereichen 33 der Abschnitte 46 der Metall-Leitkleber-Auflage schicht 45 entsteht eine größere Thermospannung ΔU(ΔT) als in den dar unter befindlichen, unter der Füllstandshöhe 16 liegenden Sensoren 30. By electrically insulated, but thermally in contact, elec trical heat conductors 26 , each in the one end region 33 of the sections 46 of the metal conductive adhesive layer 45 on the back of the carrier 29 in the transverse direction to the strip 34 , which is used to create the thermal voltage ΔU (ΔT) indispensable temperature difference ΔT between the unheated end 32 and the heated end 33 of each Thermoelemen tes 30 generated. In FIG. 4, a liquid level is assumed 16 bit 17 causes the liquid level above the height region of the two sensors shown bottom 30. The result of this is that with these and the sensors 30 , which are arranged even deeper, and which are immersed in the liquid 15 , the heat generated by the heating conductor 26 is dissipated better than with the sensors 30 located above the liquid level 17 . Because of the larger temperature difference ΔT occurring in the latter between the cold end regions 32 of the measuring thermocouples 30 and the end regions 33 of the sections 46 of the metal conductive adhesive layer 45 , a greater thermal voltage ΔU (ΔT) than in the ones below it arises under the Level 16 lying sensors 30 .
In Fig. 7 sind die Kontaktierung 38 der Anschlußleitung 36 an einer der beheizten Stellen 33 des ersten Thermoelements 30 auf dem Träger 27 mit der Metall-Leitkleber-Auflageschicht 45 und die Kontaktierung 37 der An schlußleitung 35 einer der nicht beheizten Stellen im Endbereich 32 des letzten Thermoelements 30 auf dem Träger 27 mit der Halbleiterschicht 40 dargestellt. Die Anschlußleitungen 35, 36 führen zum Auswertegerät 13. Alle Thermoelemente 30 sind so in Serie geschaltet. Die an den Kon taktierungen 37, 38 der Anschlußleitungen 35, 36 abgreifbare elektrische Spannung ergibt sich aus der Summe der einzelnen Thermospannungen ΔU(ΔT) aller Thermoelemente 30, sowohl derjenigen unter dem Flüssigkeitsspiegel 17 mit geringer Thermospannung ΔU(ΔT), als auch derjenigen über dem Flüssigkeitsspiegel 17 mit höherer Thermospannung ΔU(ΔT), abzüglich des widerstandsbedingten Spannungsabfalls in den Leitern, und stellt so ein Maß für die Füllstandshöhe 16 der Flüssigkeit 15 im Behälter 11 dar.In Fig. 7, the contact 38 of the connecting line 36 at one of the heated points 33 of the first thermocouple 30 on the carrier 27 with the metal conductive adhesive layer 45 and the contact 37 of the connection line 35 to one of the unheated points in the end region 32 of last thermocouple 30 shown on the carrier 27 with the semiconductor layer 40 . The connecting lines 35 , 36 lead to the evaluation device 13 . All thermocouples 30 are thus connected in series. The contacts at the contacts 37 , 38 of the connecting lines 35 , 36 can be tapped from the electrical voltage resulting from the sum of the individual thermal voltages ΔU (ΔT) of all thermocouples 30 , both those below the liquid level 17 with low thermal voltage ΔU (ΔT) and those above the liquid level 17 with a higher thermal voltage ΔU (ΔT) minus the resistance-related voltage drop in the conductors, and thus represents a measure of the fill level 16 of the liquid 15 in the container 11 .
Fig. 7 veranschaulicht auch den Hauptweg 52 des elektrischen Stromes durch den aus der Schar der Thermoelemente 30 gebildeten Meßfühler 20. Der elektrische Strom fließt vorzugsweise durch die Abschnitte 46 der niederohmigen Metall-Leitkleber-Auflageschicht 45, in denen es nur zu einem sehr geringen Abfall der elektrischen Spannung kommt. Dort, wo die Metall-Leitkleber-Auflageschicht 45 durch Zwischenräume 31 unterbrochen ist, verläuft der Stromweg 52 durch das hochohmige Halbleitermaterial 40, das pro durchflossener Wegeinheit einen höheren Spannungsabfall be wirkt. Die in Streifenlängsrichtung gegenüber den Zwischenräumen 31 gro ße Ausdehnung 44 der Abschnitte 46 des Metall-Leitklebers 45 sichert aber, daß der Spannungsabfall in den Zwischenräumen 31 relativ gering bleibt. Fig. 7 illustrates the main path 52 of the electric current through the formed from the family of the thermocouples 30 probe 20th The electrical current preferably flows through the sections 46 of the low-resistance metal conductive adhesive support layer 45 , in which there is only a very slight drop in the electrical voltage. Where the metal conductive adhesive layer 45 is interrupted by gaps 31 , the current path 52 runs through the high-resistance semiconductor material 40 , which causes a higher voltage drop per path unit flowed through. The large extent 44 of the sections 46 of the metal conductive adhesive 45 in the longitudinal direction of the strip relative to the interstices 31 ensures that the voltage drop in the interstices 31 remains relatively small.
Die genaue Festlegung der Größe Δ1 der Zwischenräume 31 zwischen den Ab schnitten 46 der Metall-Leitkleber-Auflageschicht 45 stellt, wie bereits erwähnt, ein Optimierungsproblem dar, das durch Fig. 8 verdeutlicht wird. In dem Diagramm ist die Spannungsdifferenz ΔU über der Größe Δ1 der Zwischenräume 31 aufgetragen. Es existieren zwei einander entgegen gerichtete Abhängigkeiten: die Abhängigkeit ΔU(ΔT) der Thermospannung von der Temperaturdifferenz zwischen den warmen und kalten Endbereichen 32, 33 der Sensoren 30 und die Abhängigkeit ΔU(R) des Spannungsabfalls aufgrund des Ohmschen Widerstandes R in der Halbleiterschicht 40 in den Zwischenräumen 31 mit der Größe Δ1. Mit zunehmender Größe Δ1 der Zwi schenräume 31 bis zu einem bestimmten Wert wächst die Temperaturdiffe renz ΔT, und damit die entstehende Thermospannung ΔU(ΔT), an, da die kalten Endbereiche 32 der Sensoren 30 weniger durch die Wärmeleitung vom Heizleiter 26 des benachbarten Thermoelementes 30 beeinflußt werden. Bei Überschreitung dieses Wertes wirkt sich jedoch eine Vergrößerung der Zwischenräume 31 dann nicht mehr auf die Thermospannung ΔU(ΔT) aus. Gleichzeitig steigt entsprechend dem Ohmschen und dem Widerstandsgesetz der Spannungsabfall ΔU(R) mit zunehmender Abstandsgröße Δl stetig an. Die optimale Abstandslänge Δ1opt ist dann erreicht, wenn die zwischen dem beheizten Endbereich 33 und dem unbeheizten Endbereich 32 der Sensoren 30 gemessene Spannung ΔU einen Maximalwert ΔUmax aufweist.The exact definition of the size Δ1 of the spaces 31 between the sections 46 from the metal conductive adhesive layer 45 represents, as already mentioned, an optimization problem which is illustrated by FIG. 8. In the diagram, the voltage difference ΔU is plotted against the size Δ1 of the interstices 31 . There are two opposing dependencies: the dependency ΔU (ΔT) of the thermal voltage on the temperature difference between the warm and cold end regions 32 , 33 of the sensors 30 and the dependency ΔU (R) of the voltage drop due to the ohmic resistance R in the semiconductor layer 40 in the spaces 31 with the size Δ1. With increasing size Δ1 of the inter mediate spaces 31 up to a certain value, the temperature difference ΔT, and thus the resulting thermal voltage ΔU (ΔT), increases because the cold end regions 32 of the sensors 30 are less affected by the heat conduction from the heating conductor 26 of the adjacent thermocouple 30 to be influenced. If this value is exceeded, however, an enlargement of the interstices 31 no longer has an effect on the thermal voltage ΔU (ΔT). At the same time, according to Ohm's law and the law of resistance, the voltage drop ΔU (R) increases steadily with increasing distance variable Δl. The optimal distance length Δ1 opt is reached when the voltage ΔU measured between the heated end region 33 and the unheated end region 32 of the sensors 30 has a maximum value ΔU max .
Fig. 5 und Fig. 6 zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Die Abschnitte 46 der Auflageschicht des Metall-Leitklebers 45 weisen hier eine H-Kontur auf, und ein einziger allen Thermoelementen 30 gemeinsamer Heizleiter 26 ist mäanderförmig auf der Trägerrückseite 29 geführt und jeweils im Bereich des einen Schenkels der H angeordnet. Der Querbalken des H stellt hier einen verjüngten Bereich 54 der Abschnitte 46 der Me tall-Leitkleber-Auflageschicht 45 dar, während die Schenkel des H nicht verjüngte Bereiche 55 bilden. Durch diese Ausführung treten die bereits o.g. Vorteile ein. Die Heizleiter-Rückleitung 47 ist mit einer relativ großen Breite 48 ausgebildet, wodurch erreicht wird, daß sie sich we niger erwärmt als die Leiterzüge 26. Der Heizleiter 26 und dessen Rück leitung 47 sind durch streifenförmiges bzw. bahnförmiges Bedrucken der Trägerrückseite 29 ebenfalls mit einem Metall-Leitkleber erzeugt. In Fig. 6 ist weiterhin eine in Fig. 5 nicht dargestellte Umhüllung der Thermoelement-Träger 27 durch äußere, kraftstoff- und temperaturbestän dige sowie kraftstoffdichte, mit einer Metallkaschierung 53 versehene Abdeckfolien 50, 51 sichtbar, wobei die Metallschicht 53 leitend mit der elektrischen System-Masse 49 verbunden ist. Fig. 5 and Fig. 6 show a further embodiment of the invention. The sections 46 of the support layer of the metal conductive adhesive 45 have an H contour here, and a single heating conductor 26 common to all the thermocouples 30 is guided in a meandering shape on the back of the carrier 29 and is arranged in the region of one leg of the H. The crossbar of the H represents a tapered area 54 of the sections 46 of the metal conductive adhesive support layer 45 , while the legs of the H form non-tapered areas 55 . With this design, the advantages already mentioned occur. The heating conductor return line 47 is formed with a relatively large width 48 , whereby it is achieved that it heats up less than the conductor lines 26th The heat conductor 26 and its return line 47 are also produced with a metal conductive adhesive by strip-shaped or web-shaped printing on the back of the carrier 29 . In FIG. 6, a sheath of the thermocouple carrier 27, not shown in FIG. 5, is also visible through outer, fuel- and temperature-resistant and fuel-tight, provided with a metal liner 53 cover films 50 , 51 , the metal layer 53 being conductive with the electrical system -Mass 49 is connected.
Fig. 9 und 10 zeigen zwei Möglichkeiten elektrischer Schaltungen der Stromkreise für den Heizleiter 26 der Thermoelemente 30, mit denen die Heizleistung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur geeignet geän dert wird. In Fig. 9 wird der Stromkreis der Heizleiter 26 durch eine Konstantspannungsquelle 56 und in Fig. 10 durch eine Konstantstromquelle 57 gespeist. In Reihe mit der Konstantspannungsquelle 56 sind ein elek trischer Widerstand 58 mit einem definierten Temperaturverhalten, wie ein Heißleiter (NTC-Widerstand) oder ein Kaltleiter (PTC-Widerstand), und ein ihm parallel geschalteter Metallschichtwiderstand 59 geschaltet. Der Konstantstromquelle 57 sind ein elektrischer Widerstand 58 mit einem definierten Temperaturverhalten, wie ein Heißleiter (NTC-Widerstand) oder ein Kaltleiter (PTC-Widerstand), sowie ein Metallschichtwiderstand 59 parallel geschaltet. FIGS. 9 and 10 show two possibilities of electrical circuits of the circuits for the heat conductors 26 of the thermocouples 30, with which the heating power is changed geän suitable depending on the ambient temperature. In FIG. 9, the circuit of the heating conductors 26 is fed by a constant voltage source 56 and in FIG. 10 by a constant current source 57 . In series with the constant voltage source 56 are an elec trical resistor 58 with a defined temperature behavior, such as a thermistor (NTC resistor) or a PTC resistor (PTC resistor), and a parallel connected metal film resistor 59 . The constant current source 57 has an electrical resistor 58 with a defined temperature behavior, such as a thermistor (NTC resistor) or a PTC resistor (PTC resistor), and a metal film resistor 59 connected in parallel.
Tritt nun, wie eingangs beschrieben, bei konstanter Heizspannung (Fig. 9) und bei metallischen Heizleitern 26 (PTC-Verhalten) der Umstand ein, daß der elektrische Widerstand des Heizleiters 26 mit der Umgebungstem peratur zunimmt, so wird eine sinkende Heizleistung und eine dadurch ebenfalls sinkende Thermospannung ΔU(ΔT) dadurch verhindert, daß ein abnehmender Anteil der Spannung über die mit der Konstantspannungsquelle 56 in Reihe geschalteten Widerstände 58, 59 abfällt. Der elektrische Wi derstand 58 mit dem definierten Temperaturverhalten muß ein NTC-Wider stand sein. Verwendet man Heizleiter 26 mit negativem Temperaturkoeffi zienten (NTC), so muß der vorgeschaltete elektrische Widerstand 58 mit dem definierten Temperaturverhalten ein PTC-Widerstand sein.Now, as described at the beginning, with constant heating voltage ( Fig. 9) and with metallic heating conductors 26 (PTC behavior), the fact that the electrical resistance of the heating conductor 26 increases with the ambient temperature, so a decreasing heating power and thereby likewise falling thermal voltage .DELTA.U (.DELTA.T) prevents a decreasing portion of the voltage from dropping across resistors 58 , 59 connected in series with constant voltage source 56 . The electrical resistance 58 with the defined temperature behavior must be an NTC resistance. If heat conductor 26 with negative temperature coefficient (NTC) is used, the upstream electrical resistor 58 with the defined temperature behavior must be a PTC resistor.
Tritt bei konstantem Heizstrom (Fig. 10) und bei metallischen Heizlei tern 26 (PTC-Verhalten) der Umstand ein, daß der elektrische Widerstand des Heizleiters 26 mit der Umgebungstemperatur zunimmt, so wird eine an steigende Heizleistung und eine dadurch ebenfalls ansteigende Thermo spannung ΔU(ΔT) dadurch verhindert, daß ein zunehmender Anteil des Stro mes über den der Konstantstromquelle 57 parallelen Zweig fließt, der in diesem Fall einen NTC-Widerstand enthalten muß. Verwendet man Heizleiter 26 mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC), so muß der elektrische Widerstand 58 mit dem definierten Temperaturverhalten im Parallelzweig ein PTC-Widerstand sein.Occurs with constant heating current ( Fig. 10) and with metallic Heizlei tern 26 (PTC behavior), the fact that the electrical resistance of the heating conductor 26 increases with the ambient temperature, then an increasing heating power and thereby also increasing thermal voltage ΔU (ΔT) thereby prevents an increasing proportion of the current from flowing through the branch parallel to the constant current source 57 , which in this case must contain an NTC resistor. If heating conductor 26 with a negative temperature coefficient (NTC) is used, the electrical resistor 58 with the defined temperature behavior in the parallel branch must be a PTC resistor.
Der weitgehend temperaturunabhängige Metallwiderstand 58 dient in beiden Fällen (Fig. 9 und 10) zur Anpassung bzw. Linearisierung der NTC- bzw. PTC-Temperaturkennlinie an die der Thermoelemente 30, also zur Fein einstellung der Kompensation.The largely temperature-independent metal resistor 58 is used in both cases ( FIGS. 9 and 10) to adapt or linearize the NTC or PTC temperature characteristic to that of the thermocouples 30 , that is, for fine adjustment of the compensation.
Fig. 11 zeigt eine Schaltung, die selbständig Fehler korrigiert, die infolge von Temperatureinflüssen und Langzeitveränderungen, bedingt durch die Alterung der Widerstände der Heizleiter 26 auftreten. Solche Alterungsfehler sind besonders dann vorhanden, wenn für den Heizleiter 26 Werkstoffe verwendet werden, die im Siebdruckverfahren aufgedruckt oder aufgedampft werden. Ändert sich durch Alterungseffekte der elek trische Widerstand der Heizungsbahn 26, so ändert sich die Heizleistung und somit auch die Thermospannung ΔU(ΔT). Die weitgehende Temperaturun abhängigkeit und Resistenz der Schaltung gegenüber Fehlern, die durch eine Änderung des Heizleiter-Widerstandes entstehen, wird durch eine Regeleinrichtung 60 erreicht. Bei dieser wird durch die Regelung des Heizstromes die Thermospannung ΔU(ΔT) an einem oder mehreren in Reihe geschalteten Referenzthermoelementen 61 konstant gehalten. Die Referenz thermoelemente 61 müssen die gleichen physikalischen Eigenschaften be sitzen wie die Meßthermoelemente 30. Dabei ist es erforderlich, daß der gleiche Heizstrom sowohl die Heizleitung 26 der Meßthermoelemente 30 als auch die der Referenzthermoelemente 61 durchfließt. Die Thermoelemente schar, bestehend aus mehreren in Reihe geschalteten Meßthermoelementen 30, liefert die Meßthermospannung 62, die weiter ausgewertet wird. Alle Thermoelemente 30, 61 werden beheizt. Fig. 11 shows a circuit which automatically corrects errors due to temperature effects and long-term changes due to the aging of the resistances of the grid lines 26 occur. Such aging errors are particularly present when 26 materials are used for the heating conductor, which are printed or vapor-deposited using the screen printing method. If the electrical resistance of the heating track 26 changes due to aging effects, then the heating power and thus also the thermal voltage ΔU (ΔT) changes. The extensive temperature dependency and resistance of the circuit to errors caused by a change in the heating conductor resistance is achieved by a control device 60 . In this case, by regulating the heating current, the thermal voltage ΔU (ΔT) is kept constant at one or more reference thermocouples 61 connected in series. The reference thermocouples 61 must have the same physical properties as the measurement thermocouples 30 . It is necessary that the same heating current flows through both the heating line 26 of the measuring thermocouples 30 and that of the reference thermocouples 61 . The thermocouples sharp, consisting of a plurality of measurement thermocouples 30 connected in series, provide the measurement thermal voltage 62 , which is further evaluated. All thermocouples 30 , 61 are heated.
Da der elektrische Widerstand von vielen in Reihe geschalteten Thermo elementen 30 in der Regel hochohmig ist, ist zur Anpassung des Wider standes der Thermoelemente 30 an den Eingang des nachgeschalteten Ver stärkers 63 ein Impedanzwandler 64 vorgesehen. Der Verstärker 63 ver gleicht die Meßthermospannung 62 mit der Spannung einer Referenzquelle 65. Die Referenzspannungsquelle 65 wird einmalig so eingestellt, daß die Ausgangsspannung 66 des Operationsverstärkers 63 Null ist, falls keines der Thermoelemente 30 in die Flüssigkeit 15 taucht. Da in diesem Fall die Thermospannung 62 größer ist als im Fall des Eintauchens der Thermo elemente 30 in die Flüssigkeit 15, muß eine Umkehr der Anzeigespannung erfolgen. Dies wird durch den als Inverter geschalteten Operationsver stärker 63 bewirkt.Since the electrical resistance of many series-connected thermal elements 30 is highly resistive in general, is to adapt the abutment 30 prior thermocouples at the entrance of the downstream Ver stärkers 63 an impedance converter 64 is provided. The amplifier 63 compares the measurement thermal voltage 62 with the voltage of a reference source 65 . The reference voltage source 65 is set once so that the output voltage 66 of the operational amplifier 63 is zero if none of the thermocouples 30 are immersed in the liquid 15 . Since in this case the thermal voltage 62 is greater than in the case of immersion of the thermo elements 30 in the liquid 15 , the display voltage must be reversed. This is caused by the Operationsver 63 switched as an inverter.
Seine Ausgangsspannung 66 wird nun weiter verarbeitet. Für eine Analog anzeige 14′, die von der Auswerteelektronik 13 räumlich getrennt sein kann, ist es sinnvoll, in der Baugruppe 67 die Meßspannung 66 in einen proportionalen Anzeigestrom zu verwandeln. Dieser Anzeigestrom fließt durch das analoge Anzeigeinstrument 14′. Eventuell vorhandene Widerstän de in der Zuleitung verfälschen so die Anzeige nicht. Mit Hilfe des in einer Stromteilerschaltung zum Anzeigeinstrument 14′ parallel geschalte ten Einstellwiderstandes 68 kann die Anzeige der Füllstandshöhe 16 für die Anzeige "voll" einjustiert werden. Tauchen nur einige der Thermoele mente 30 in die Flüssigkeit 15 ein, so wird die Spannung 66 gegenüber der Spannung bei dem Grenzwert "leer" (Null Volt) ansteigen und bei dem Grenzwert "voll" ein Maximum erreichen. Infolge der Umwandlung dieser Spannung 66 in Stromwerte besteht ein linearer Zusammenhang zwischen dem Füllstand 16 und der Anzeige im Anzeigeinstrument 14′. Zum Betreiben des Anzeigeinstrumentes 14′ ist es erforderlich, seinen zweiten Anschluß je nach Auslegung des Spannungs-Strom-Wandlers 67 an die Versorgungsspannung 69 oder an die Bezugsmasse anzuschließen.Its output voltage 66 is now processed further. For an analog display 14 ', which can be spatially separated from the evaluation electronics 13 , it is useful to convert the measuring voltage 66 in the module 67 into a proportional display current. This display current flows through the analog display instrument 14 '. Any existing resistances in the supply line do not falsify the display. With the help of in a current divider circuit to the display instrument 14 'connected in parallel th adjustment resistor 68 , the display of the fill level 16 can be "fully" adjusted for the display. If only some of the thermocouples 30 dip into the liquid 15 , the voltage 66 will rise compared to the voltage at the "empty" limit (zero volts) and will reach a maximum at the "full" limit. As a result of the conversion of this voltage 66 into current values, there is a linear relationship between the fill level 16 and the display in the display instrument 14 '. To operate the display instrument 14 ', it is necessary to connect its second connection depending on the design of the voltage-current converter 67 to the supply voltage 69 or to the reference ground.
Ist eine digitale Auswertung 14′′ des Füllstandes 16 vorgesehen, wird die dem Füllstand 16 proportionale Ausgangsspannung 66 in einem Analog- Digital-Wandler 70 digitalisiert, in der Auswerteschaltung 71 ausgewer tet und im Digitaldisplay 72 angezeigt. In der Auswerteschaltung 71 kann eine Umrechnung von Liter in Gallonen, Kubikmeter etc. oder eine Berück sichtigung der Unregelmäßigkeiten in der geometrischen Form des Behäl ters 11 erfolgen. Auch eine digitale Schwellwertüberwachung, z. B. zur Überwachung eines bestimmten Mindestniveaus des Füllstandes 16, kann vorgenommen werden.If a digital evaluation 14 '' of the fill level 16 is provided, the output voltage 66 proportional to the fill level 16 is digitized in an analog-to-digital converter 70 , evaluated in the evaluation circuit 71 and shown in the digital display 72 . In the evaluation circuit 71 , a conversion from liters to gallons, cubic meters, etc. or a consideration of the irregularities in the geometric shape of the container 11 can take place. Also digital threshold monitoring, e.g. B. to monitor a certain minimum level of level 16 , can be made.
Ist eine rein analoge Anzeige 14′ des Füllstandes 16 der Flüssigkeit 15 im Behälter 11 vorgesehen, wird mit Hilfe einer analogen Reserveanzeige auswertung 14′′′ das Unterschreiten eines bestimmten Flüssigkeitsniveaus 17 angezeigt. Dabei wird eine Referenzspannung 73 mit der Spannung 66 in einem Schwellwertschalter 74 verglichen. Unterschreitet die Spannung 66 einen durch die Referenzspannungsquelle 73 festgelegten Wert, so leuchtet die Reserveanzeige 75 auf.If a purely analog display 14 'of the level 16 of the liquid 15 in the container 11 is provided, with the aid of an analog reserve display evaluation 14 ''' the drop below a certain liquid level 17 is displayed. A reference voltage 73 is compared with the voltage 66 in a threshold switch 74 . If the voltage 66 falls below a value determined by the reference voltage source 73 , the reserve indicator 75 lights up.
Die Schaltung zur Korrektur der Temperatureinflüsse und der Alterungs
effekte des Heizleiters 26 hat folgende Struktur:
Die Referenzthermoelemente 61 erzeugen eine Referenzthermospannung 76.
Die Referenzthermoelemente 61 werden über einen Impedanzwandler 77 an
die Auswerteelektronik angeschlossen. Die Thermospannung 76 der Referen
zelemente 61 wird nun im Operationsverstärker 78 mit einer Spannung aus
einer Referenzspannungsquelle 79 verglichen. Der Operationsverstärker
78 führt keine Ausgangsspannung, wenn die Spannung der Referenzspan
nungsquelle 79 und die Referenzthermospannung 76 gleich hoch sind. In
diesem Fall wird über die Heizstromregeleinrichtung 60 der Heizstrom für
alle Thermoelemente 30, 61 nicht nachgeregelt. Er hat die richtige Grö
ße. Ändert sich aber die Referenzthermospannung 76, weil sich z. B. durch
Temperaturänderungen die Leistung der Heizleiter 26 geändert hat, so
wird der Heizstrom so lange nachgeregelt, bis die Referenzthermospannung
76 genauso groß ist wie die Spannung der Referenzspannungsquelle 79. Die
Referenzthermospannung 76 wird dadurch konstant gehalten. Bei diesem
Vorgang wird der Strom für den Heizleiter 26 der Meßthermoelemente 30
so eingestellt, daß er für die jeweilige Umgebungstemperatur den richti
gen Wert annimmt. Dadurch wird die Spannung 62 der Meßthermoelemente 30
stets - unabhängig von der Umgebungstemperatur - konstant gehalten. Im
Heizleiterstromkreis befindet sich eine nicht stabilisierte Heizspan
nungsquelle 80. Tauchen nun Meßthermoelemente 30 in die Flüssigkeit 15
ein, so kann die Meßthermospannung 62 so wie bisher absinken, da diese
selbst nicht geregelt wird. Der Heizstrom für die Thermoelemente 30 kann
durch Änderung der Spannung der Referenzspannungsquelle 79 einjustiert
werden.The circuit for correcting the temperature influences and the aging effects of the heating conductor 26 has the following structure:
The reference thermocouples 61 generate a reference thermo voltage 76 . The reference thermocouples 61 are connected to the evaluation electronics via an impedance converter 77 . The thermal voltage 76 of the reference elements 61 is now compared in the operational amplifier 78 with a voltage from a reference voltage source 79 . The operational amplifier 78 has no output voltage if the voltage of the reference voltage source 79 and the reference thermal voltage 76 are the same. In this case, the heating current for all thermocouples 30 , 61 is not readjusted via the heating current control device 60 . It's the right size. But changes the reference thermal voltage 76 because z. B. has changed the power of the heating conductor 26 by temperature changes, the heating current is readjusted until the reference thermal voltage 76 is the same as the voltage of the reference voltage source 79 . The reference thermal voltage 76 is thereby kept constant. In this process, the current for the heat conductor 26 of the measuring thermocouples 30 is set so that it assumes the correct value for the respective ambient temperature. As a result, the voltage 62 of the measuring thermocouples 30 is always kept constant, regardless of the ambient temperature. An unstabilized heating voltage source 80 is located in the heating conductor circuit. If measuring thermocouples 30 are now immersed in the liquid 15 , the measuring thermoelectric voltage 62 can drop as before, since this itself is not regulated. The heating current for the thermocouples 30 can be adjusted by changing the voltage of the reference voltage source 79 .
Die Anzahl der Meßthermoelemente 30 bzw. die Anzahl der Referenzthermo elemente 61 kann, muß aber nicht, miteinander identisch sein. In Fig. 10 ist nur ein Referenzthermoelement 61 dargestellt. Wesentlich dabei ist nur, daß das physikalische Verhalten der einzelnen Meßthermoelemente 30 und der einzelnen Referenzthermoelemente 61 identisch ist. Sind den noch kleine Abweichungen im Verhalten vorhanden oder zeigt der Regel kreis Temperaturdriftverhalten, so kann, falls extreme Meßgenauigkeiten verlangt werden, eine zusätzliche Korrektur der Thermospannung 62 über eine Widerstandskompensation 58, 59, wie vorstehend bei der Erläuterung der Fig. 9 und 10 ausgeführt, vorgenommen werden. Die beschriebene Rege lung des elektrischen Stromes der Heizleiter 26 funktioniert nur dann, wenn das Referenzthermoelement 61 entweder ständig in die zu vermessende Flüssigkeit 15 taucht, oder gewährleistet ist, daß das Referenzthermo element 61 nie in die Flüssigkeit 15 eintaucht.The number of measuring thermocouples 30 or the number of reference thermal elements 61 may, but need not, be identical to one another. Only one reference thermocouple 61 is shown in FIG. 10. It is only essential that the physical behavior of the individual measuring thermocouples 30 and the individual reference thermocouples 61 is identical. If there are still small deviations in behavior or if the control circuit shows temperature drift behavior, if extreme measuring accuracies are required, an additional correction of the thermal voltage 62 can be made via a resistance compensation 58 , 59 , as explained above in the explanation of FIGS. 9 and 10, be made. The described regulation of the electric current of the heating conductor 26 only works if the reference thermocouple 61 either constantly immerses in the liquid 15 to be measured, or it is ensured that the reference thermocouple 61 never immerses in the liquid 15 .
Zur Messung der Füllstandshöhe 16 der Flüssigkeit 15 im Behälter 11 und zur entsprechenden Korrektur der Meßwerte können prinzipiell, wie dies aus Fig. 15 und 16 ersichtlich ist, auch anstelle der Thermoelemente 30, 61 in Fig. 10 andere Sensoren 81, 82, 83, 84 herangezogen werden. Diese können beheizte elektrische Widerstände, wie NTC- oder PTC-Widerstände 81, 82 bzw. Heizdrähte 83, 84 sein, die die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes zur Messung ausnutzen. Die an den Sensoren 81, 82, 83, 84 über Vorwiderstände angeschlossenen Konstantspannungsquellen 85, 86 bewirken einen Stromfluß, der wiederum einen Spannungsabfall an den Sensoren 81, 82, 83, 84 hervorruft. Der Spannungsabfall wird in Ope rationsverstärkern 63, 78 mit den Spannungen von Referenzspannungsquel len 65, 79 verglichen. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 63 dient zur Anzeige 14 des Meßwertes, das Ausgangssignal des Operations verstärkers 78 zur Regelung 60 der Heizleistung der Heizleiter 26.In principle, as can be seen from FIGS. 15 and 16, for measuring the fill level 16 of the liquid 15 in the container 11 and for correspondingly correcting the measured values, other sensors 81 , 82 , 83 can also be used instead of the thermocouples 30 , 61 in FIG. 84 can be used. These can be heated electrical resistors, such as NTC or PTC resistors 81 , 82 or heating wires 83 , 84 , which use the temperature dependence of the electrical resistance for the measurement. The constant voltage sources 85 , 86 connected to the sensors 81 , 82 , 83 , 84 via series resistors cause a current flow, which in turn causes a voltage drop at the sensors 81 , 82 , 83 , 84 . The voltage drop is compared in operational amplifiers 63 , 78 with the voltages of reference voltage sources 65 , 79 . The output signal of the operational amplifier 63 is used for displaying 14 the measured value, the output signal of the operational amplifier 78 for controlling 60 the heating power of the heating conductor 26 .
Wie Fig. 12 zeigt, besteht auch die Möglichkeit, die erfaßten Werte der Meßthermospannung 62 mit Hilfe eines Mikrocontrollers 90 in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur zu korrigieren. Die Thermoelemente 30 werden mit Hilfe des Heizleiters 26 beheizt. Die für die Heizung erforderliche Energiequelle ist eine Konstantstromquelle oder eine Konstantspannungs quelle 80. Es ist erforderlich, entweder den Heizstrom oder die Heiz spannung konstant zu halten. Die Summenthermospannung 62 wird eine von der Umgebungstemperatur abhängige Charakteristik besitzen. Diese Span nungscharakteristik wird erfaßt und einmalig im nicht flüchtigen Spei cherbaustein (EPROM) 89 des Mikrocontrollers 90 abgelegt. Die tempera turabhängige Thermospannung 62 der Messung wird mit Hilfe des Mikropro zessors 87 ausgewertet, das Meßergebnis entsprechend der Umgebungstem peratur der Thermoelemente 30 korrigiert und im analogen oder digitalen Anzeigeelement 14 angezeigt. Dazu wird mit Hilfe eines Temperatursensors 91 die Umgebungstemperatur ermittelt und die Meßwerte im Analog-Digital- Wandler 92 digitalisiert. Diese dienen nun zur Korrektur der im Analog- Digital-Wandler 92 ebenfalls digitalisierten Meßthermospannung 62. Der Temperatursensor 91 kann ein spannungsabhängiger elektrischer Wider stand, z. B. ein NTC-Widerstand, sein. Auch ein durch die Heizleitung 26 einseitig erwärmtes Referenzthermoelement 61, wie in Fig. 11, dessen Thermospannung 76 zur mikroprozessorgesteuerten Korrektur des Anzeige wertes des Füllstandes 16 dient, kann hier Anwendung finden.As FIG. 12 shows, there is also the possibility of correcting the detected values of the measuring thermal voltage 62 with the aid of a microcontroller 90 as a function of the ambient temperature. The thermocouples 30 are heated with the aid of the heating conductor 26 . The energy source required for the heating is a constant current source or a constant voltage source 80 . It is necessary to keep either the heating current or the heating voltage constant. The total thermal voltage 62 will have a characteristic which is dependent on the ambient temperature. This voltage characteristic is detected and stored once in the non-volatile memory module (EPROM) 89 of the microcontroller 90 . The temperature-dependent thermal voltage 62 of the measurement is evaluated with the help of the microprocessor 87 , the measurement result is corrected in accordance with the ambient temperature of the thermocouples 30 and displayed in the analog or digital display element 14 . For this purpose, the ambient temperature is determined with the aid of a temperature sensor 91 and the measured values are digitized in the analog-digital converter 92 . These are now used to correct the measurement thermal voltage 62, which is also digitized in the analog-digital converter 92 . The temperature sensor 91 may have a voltage-dependent electrical resistance, for. B. an NTC resistor. A reference thermocouple 61 , heated on one side by the heating line 26 , as in FIG. 11, whose thermal voltage 76 is used for microprocessor-controlled correction of the display value of the fill level 16 , can also be used here.
Bei Zugrundelegung einer der Schaltungen aus Fig. 11, 15 oder 16 kann mittels eines Referenzthermoelementes 61 oder eines anderen Sensors 82, 84 der Strom in den Heizleitern 26 ebenfalls unter Einsatz eines Mikro controllers 90 so nachgeregelt werden, daß die Referenzthermospannung 76 bzw. der Referenzstrom konstant gehalten wird. Dazu muß der Heizlei ter 26 der Meßsensoren 30, 81, 83 und der Referenzsensoren 61, 82, 84 vom selben Strom durchflossen werden (Fig. 13). Die Heizstromquelle 80 wird dabei vom Mikroprozessor 87 mittels der Regelspannung 88 über die Regeleinrichtung 60 geregelt.Assuming a of the circuits of Fig. 11, 15, or 16 or a different sensor 82, 84, the current in the heating conductors 26 also using a micro may be controllers 90 readjusted so by means of a reference thermocouple 61, that the reference thermocouple voltage 76 and the reference current is kept constant. For this purpose, the Heizlei ter 26 of the measuring sensors 30 , 81 , 83 and the reference sensors 61 , 82 , 84 must be flowed through by the same current ( Fig. 13). The heating current source 80 is controlled by the microprocessor 87 by means of the control voltage 88 via the control device 60 .
Die Anwendung der Schaltungen gemäß Fig. 9 bis 13 und 16 ist, wie in den Zeichnungen dargestellt, sowohl vorteilhaft bei der getrennten Auswer tung der Meßthermospannungen 62 der einzelnen Sensoren 30, 81 (parallele Auswertung), als auch bei der Auswertung der Summenspannung 62 von in Reihe geschalteten Sensoren 30, 81. Außerdem ist sie auch für anders als in den Fig. 4 bis 6 gestaltete Meßfühler 20, beispielsweise für Meßfüh ler nach der DE-PS 40 30 401, anwendbar. Für eine Parallelauswertung der Spannungen der Meßthermoelemente 30, die besonders für den Einsatz eines Mikrocontrollers 90 geeignet ist, werden die Kontaktierungen 37, 38 der Anschlußleitungen 35, 36 (Fig. 7) in jedem kalten und warmen Endbereich 32, 33 der Sensoren 30 vorgesehen. Jedes Meßthermoelement 30 ist, wie Fig. 14 zeigt, mit einem Impedanzwandler 64 und einem an eine Referenz spannungsquelle 65 angeschlossenen Operationsverstärker 63 elektrisch verbunden, deren Ausgangssignale 66 von einem Multiplexer 93 abgefragt, im Auswertegerät 13 weiterverarbeitet und im Anzeigegerät 14 (Fig. 1) dargestellt werden.The use of the circuits according to FIGS. 9 to 13 and 16 is, as shown in the drawings, both advantageous in the separate evaluation of the measurement thermal voltages 62 of the individual sensors 30 , 81 (parallel evaluation), and in the evaluation of the total voltage 62 of sensors 30 , 81 connected in series. In addition, it is also for sensors 20 designed differently than in FIGS . 4 to 6, for example for sensors according to DE-PS 40 30 401, applicable. For a parallel evaluation of the voltages of the measuring thermocouples 30 , which is particularly suitable for the use of a microcontroller 90 , the contacts 37 , 38 of the connecting lines 35 , 36 ( FIG. 7) are provided in each cold and warm end area 32 , 33 of the sensors 30 . Each measuring thermocouple 30 , as shown in FIG. 14, is electrically connected to an impedance converter 64 and an operational amplifier 63 connected to a reference voltage source 65 , the output signals 66 of which are queried by a multiplexer 93 , processed further in the evaluation device 13 and in the display device 14 ( FIG. 1) being represented.
BezugszeichenlisteReference list
10 Vorrichtung
11 Behälter
12 Meßgerät
13 Auswertegerät
14 Anzeigegerät
14′ Analoganzeigeelement
14′′ Elemente der Digitalauswertung und -anzeige
14′′′ Reserveanzeigeelemente
15 Flüssigkeit in 11
16 Füllstandshöhe von 15
17 Flüssigkeitsspiegel von 16
18 Verbindungsleitung
18′ Verbindungsleitung
19 Behälterinneres
20 Meßfühler
21 Breite von 34
22 Tauchrohr
23 verengte Öffnung in 22
24 Flüssigkeitsströmung
25 Rohrinneres
26 Heizleiter
27 Träger
28 Trägervorderseite
29 Trägerrückseite
30 Meßthermoelement, Sensor
31 Zwischenräume in 45
32 Endbereich von 30 (kalt), unbeheizte Stellen
33 Endbereich von 30 und 46 (warm), beheizte Verbindungsstellen
34 Streifen
35 Anschlußleitung in 32
36 Anschlußleitung in 33
37 Kontaktierung von 35 mit 40
38 Kontaktierung von 36 mit 45
39 Klebeschicht auf 41
40 Halbleiterwerkstoff
41 Kunststoff-Folie
42 Flächengebilde zur Herstellung von 30
43 Breite von 46
44 Länge von 46
45 Metall-Leitkleber-Auflageschicht
46 Abschnitt von 45
47 Heizleiter-Rückleitung
48 Breite von 47
49 elektrische System-Masse
50 obere Abdeckfolie
51 untere Abdeckfolie
52 Hauptweg des elektrischen Stromes durch 20
53 Metallkaschierung
54 verjüngter Bereich von 46
55 nichtverjüngter Bereich von 46
56 Konstantspannungsquelle
57 Konstantstromquelle
58 NTC- oder PTC-Widerstand
59 Metallschichtwiderstand
60 Regeleinrichtung, regelbarer Widerstand
61 Referenzthermoelement
62 Meßthermospannung
63 Verstärker (OPV)
64 Impedanzwandler
65 Referenzspannungsquelle
66 verstärkte Meßspannung, Ausgangssignal von 63
67 Spannungs-Strom-Wandler
68 Einstellwiderstand
69 Versorgungsspannung
70 Analog-Digital-Wandler (ADU)
71 digitale Auswerteschaltung
72 digitale Füllstandsanzeige
73 Referenzspannung für Reserveanzeige
74 Schwellwertschalter
75 Reserveanzeige
76 Referenzthermospannung
77 Anpassungsschaltung (Impedanzwandler)
78 Operationsverstärker (OPV)
79 Referenzspannungsquelle
80 Heizspannungsquelle
81 NTC- oder PTC-Meßsensor
82 NTC- oder PTC-Referenzsensor
83 Meßdraht
84 Referenzmeßdraht
85 Konstantspannungsquelle
86 Konstantspannungsquelle
87 Mikroprozessor aus 90
88 Regelspannung
89 nichtflüchtiger Speicher (EPROM) aus 90
90 Mikrocontoller
91 Temperatursensor
92 Analog-Digital-Wandler (ADU)
93 Multiplexer (MUX)
94 Vorwiderstand für 85
95 Vorwiderstand für 86
Δ1 Größe von 31
Δ1opt optimale Größe von 31
ΔT Temperaturdifferenz
ΔU Spannung zwischen 32 und 33
ΔU(R) Spannungsabfall
ΔU(ΔT) Thermospannung
ΔUmax maximale Spannung zwischen 32 und 33
R Ohmscher Widerstand 10 device
11 containers
12 measuring device
13 evaluation device
14 display device
14 ′ analog display element
14 ′ ′ elements of the digital evaluation and display
14 ′ ′ ′ reserve display elements
15 liquid in 11
16 level of 15
17 liquid level of 16
18 connecting line
18 ′ connecting line
19 interior of the container
20 sensors
21 width of 34
22 immersion tube
23 narrowed opening in 22
24 fluid flow
25 pipe interior
26 heating conductors
27 carriers
28 front of carrier
29 back of carrier
30 measuring thermocouple, sensor
31 spaces in 45
32 end range of 30 (cold), unheated places
33 end area of 30 and 46 (warm), heated connection points
34 strips
35 connecting line in 32
36 connecting line in 33
37 contacting 35 with 40
38 contacting 36 with 45
39 adhesive layer on 41
40 semiconductor material
41 plastic film
42 fabrics for the production of 30
43 latitude of 46
44 length of 46
45 metal conductive adhesive layer
46 section of 45
47 Heating conductor return line
48 width of 47
49 electrical system ground
50 top cover film
51 lower cover film
52 main route of electric current through 20
53 metal lamination
54 tapered area of 46
55 non-tapered area of 46
56 constant voltage source
57 constant current source
58 NTC or PTC resistor
59 Metal film resistor
60 control device, adjustable resistance
61 Reference thermocouple
62 Measuring thermal voltage
63 amplifiers (OPV)
64 impedance converters
65 Reference voltage source
66 amplified measuring voltage, output signal from 63
67 voltage-current converters
68 setting resistance
69 supply voltage
70 analog-digital converter (ADC)
71 digital evaluation circuit
72 digital level indicator
73 Reference voltage for reserve display
74 threshold switches
75 Reserve display
76 Reference thermal voltage
77 matching circuit (impedance converter)
78 operational amplifiers (OPV)
79 Reference voltage source
80 heating voltage source
81 NTC or PTC measuring sensor
82 NTC or PTC reference sensor
83 measuring wire
84 reference measuring wire
85 constant voltage source
86 constant voltage source
87 microprocessor from 90
88 control voltage
89 non-volatile memory (EPROM) from 90
90 microcontrollers
91 temperature sensor
92 analog-digital converter (ADC)
93 multiplexer (MUX)
94 series resistor for 85
95 series resistor for 86
Δ1 size of 31
Δ1 opt optimal size of 31
ΔT temperature difference
ΔU voltage between 32 and 33
ΔU (R) voltage drop
ΔU (ΔT) thermal voltage
ΔU max maximum voltage between 32 and 33
R ohmic resistance
Claims (26)
mit einer Schar von Thermoelementen als Sensoren (30), die jeweils min destens zwei Verbindungsstellen zwischen zwei unterschiedlichen Werk stoffen aufweisen, auf der Vorderseite (28) eines elektrisch isolieren den, blattförmigen Trägers (27) angebracht und mit diesem in unter schiedlicher, definierter Höhe im Behälterinneren (19) angeordnet sind,
wobei der eine Werkstoff der Thermoelemente (30) aus einer Schicht eines hochohmigen elektrisch leitfähigen Materials (40) und der andere Werk stoff aus einem niederohmigen elektrisch leitfähigen Material (45) be steht,
ferner auf der Rückseite (29) des Trägers (27) elektrische Heizleiter (26) im Bereich von Verbindungsstellen aller Thermoelemente (30) an geordnet sind,
und schließlich ein Auswertegerät (13) an die Thermoelemente (30) angeschlossen ist, das eine Anzeige (14) der Füllstandshöhe (16) be wirkt,
dadurch gekennzeichnet,
daß das hochohmige elektrisch leitfähige Material (40) aus einem durch gehenden, auf dem Träger (27) befindlichen Streifen (34) besteht,
das niederohmige elektrisch leitfähige Material (45) auf dem Streifen (34) eine durch Zwischenräume (31) in Abschnitte (46) gegliederte Auflageschicht bildet,
die Abschnitte (46) mit dem hochohmigen elektrisch leitfähigen Material (40) vollflächig verbunden sind und den Streifen (34) zu Thermoelementen (30) komplettieren, die im wesentlichen in Längsrichtung des Streifens (34) verlaufen,
die Zwischenräume (31) zwischen den Abschnitten (46) klein gegenüber der Länge (44) der Abschnitte (46) sind,
und die Heizleiter (26) im Endbereich (33) der einzelnen Abschnitte (46) angeordnet sind und im wesentlichen in Querrichtung des Streifens (34) verlaufen.1. Device ( 10 ) for electronically measuring the fill level ( 16 ) of a liquid ( 15 ) in a container ( 11 ), in particular in the fuel tank of a vehicle,
with a host of thermocouples as sensors ( 30 ), each having at least two connection points between two different materials, on the front ( 28 ) of an electrically isolating, the sheet-shaped carrier ( 27 ) attached and with this at different, defined height are arranged inside the container ( 19 ),
one material of the thermocouples ( 30 ) consisting of a layer of a high-resistance electrically conductive material ( 40 ) and the other material consisting of a low-resistance electrically conductive material ( 45 ),
further arranged on the back ( 29 ) of the carrier ( 27 ) are electrical heating conductors ( 26 ) in the region of connection points of all thermocouples ( 30 ),
and finally an evaluation device ( 13 ) is connected to the thermocouples ( 30 ), which acts as an indicator ( 14 ) of the fill level ( 16 ),
characterized,
that the high-resistance electrically conductive material ( 40 ) consists of a continuous strip ( 34 ) located on the carrier ( 27 ),
the low-resistance, electrically conductive material ( 45 ) on the strip ( 34 ) forms a support layer which is divided into sections ( 46 ) by spaces ( 31 ),
the sections ( 46 ) are fully connected to the high-resistance electrically conductive material ( 40 ) and complete the strip ( 34 ) to form thermocouples ( 30 ) which run essentially in the longitudinal direction of the strip ( 34 ),
the gaps ( 31 ) between the sections ( 46 ) are small compared to the length ( 44 ) of the sections ( 46 ),
and the heating conductors ( 26 ) are arranged in the end region ( 33 ) of the individual sections ( 46 ) and run essentially in the transverse direction of the strip ( 34 ).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19944434646 DE4434646A1 (en) | 1994-09-28 | 1994-09-28 | Measuring system for electronic measuring of filling level of liquid esp. in vehicle fuel tank |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19944434646 DE4434646A1 (en) | 1994-09-28 | 1994-09-28 | Measuring system for electronic measuring of filling level of liquid esp. in vehicle fuel tank |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE4434646A1 true DE4434646A1 (en) | 1996-04-04 |
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ID=6529407
Family Applications (1)
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DE19944434646 Withdrawn DE4434646A1 (en) | 1994-09-28 | 1994-09-28 | Measuring system for electronic measuring of filling level of liquid esp. in vehicle fuel tank |
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8130 | Withdrawal |