DE69228548T2

DE69228548T2 - Digitales füllstands-messsondensystem

Info

Publication number: DE69228548T2
Application number: DE69228548T
Authority: DE
Inventors: Calvin Lee; Eliahou 13843 Oxnard Street Tousson
Original assignee: LEE MAATUK ENGINEERING Inc
Current assignee: LEE MAATUK ENGINEERING Inc
Priority date: 1991-05-29
Filing date: 1992-05-26
Publication date: 1999-09-23
Anticipated expiration: 2012-05-27
Also published as: IE921681A1; JP3290658B2; AR243997A1; WO1992021944A1; DE69228548D1; EP0587728A1; EP0587728A4; JPH06508433A; AU2011792A; US5138880A; USRE34731E; EP0587728B1; MX9202522A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein digitales Füllstandsmeßsondensystem. Besondere Anwendungen erfordern Füllstandsmessungen in anspruchsvollen Umgebungen, z. B. Messung des Füllstandes in Kraftfahrzeugen oder anderen Fahrzeugen, die durch eine Brennkraftmaschine erschüttert werden. Bei Kraftfahrzeugen ist der Stand der Technik darauf beschränkt, daß ein Niedrigpegelsignal erzeugt wird, welches am Armaturenbrett angezeigt wird. Dabei ist keine Information über dazwischenliegende Pegel verfügbar, außer man öffnet die Motorhaube und mißt den Pegel mit einem Peilstab. Dabei muß üblicherweise der Peilstab herausgezogen, abgewischt, wiedereingesetzt, zum Ablesen entnommen und danach wieder eingesetzt werden. Die anspruchsvolle Umgebung schließt übliche Füllstandspegelmeßsysteme aus, wie sie bei Kraftstofftankanzeigen verwendet werden und erfordert eine neue Lösung zum Messen des Füllstandpegels, die vorzugsweise die folgenden Bedingungen erfüllt:
1) Unempfindlichkeit gegen hohe Temperaturen, starke Erschütterungen oder Stöße, aggressive Flüssigkeiten, Anwesenheit von Verunreinigungen;
2) billig, in großen Stückzahlen produzierbar, robust, mit guter Reproduzierbarkeit und Gleichförmigkeit der Produkte,
3) universell anwendbar für beliebige Behälterprofile und zugleich speziell geeignet für das breite, niedrige Profil einer Kraftfahrzeug-Ölwanne,
4) kleines Sondenprofil bezogen auf die Volumenänderung, insbesondere kleiner Sondendurchmesser,
5) hohe Auflösung des bei jedem Auslesen gemessenen Volumens,
6) vollständig digitaler Aufbau mit einer Elektronik, deren Datenausgang direkt in einem binär kodierten Dezimalformat erfolgt, und
7) geringe Leistungsaufnahme.
Der nächstkommende der Anmelderin bekannte Stand der Technik für ein solches System besteht aus drei U. S. Patenten, die in einer zuvor durchgeführten Recherche ermittelt wurden.
US-PS 3,935,739 offenbart eine kapazitive Sonde mit einer gemeinsamen Elektrode und einzelnen Gegenelektroden. Der Sonde und gleichzeitig allen kapazitiven Elementen wird ein AC Signal eingeprägt. Bei Vorhandensein eines dielektrischen Materials ergibt sich ein analoger Strom an jedem einzelnen Kondensator, der größer ist als der sich ergebende Strom ohne dielektrisches Material. Die AC Ströme werden gleichgerichtet und entweder für ein analoges Anzeigeinstrument aufformiert oder für eine digitale Anzeige profiliert und synchronisiert. Durch folgende Eigenschaften ergeben sich unvermeidliche Begrenzungen: das System mißt die absolute Signalstärke und ist deshalb abhängig von Temperaturvariationen, Verunreinigungen und Variationen der dielektrischen Konstanten. Variationen der Kapazitäten unter den einzelnen Segmenten können Ungenauigkeiten nach sich ziehen. Der relativ große Platzbedarf schränkt das System auf Anwendungen mit kleinen Behältern ein.
US-PS 3,343,415 offenbart einen zylindrischen Kondensator mit einer gemeinsamen Elektrode (innen) und Einzelelektroden, die (außen) entlang einer vertikalen (Längs) Achse beabstandet sind. Beim Detektionsverfahren wird der Signalausgang zweier benachbarter Kondensatoren verglichen. Sind beide Kondensatoren in die Flüssigkeit eingetaucht oder beide Kondensatoren oberhalb des Flüssigkeitspegels, sind ihre Ausgangssignale gleich. Ist ein Kondensator eingetaucht und der andere über dem Flüssigkeitspegel, unterscheidet sich der Ausgang durch die elektrische Konstante der Flüssigkeit. Jedem Kondensator entspricht ein besonderer Pegel, wodurch der Flüssigkeitspegel durch Detektion eines Differenzsignals bestimmt werden kann. Wie bei US-PS 3,935,739, kann eine Variation der Kapazitäten zwischen den einzelnen Segmenten zu Ungenauigkeiten führen, und der relativ große Platzbedarf begrenzt die Anwendung hinsichtlich der Behältergröße. Das System verwendet ein Verfahren mit Differenzkomparatoren, jedoch kann die elek tronische Verwirklichung zu Ungenauigkeiten führen, da die Elemente in Serie mit dem Datensignal isoliert sein können.
Der nächstkommende Stand der Technik, der im Prüfungsverfahren des europäischen Patentes Berücksichtigung fand, ist UK-A-2 066 961. Dieses Dokument offenbart eine Flüssigkeitspegelmeßeinrichtung mit mehreren einzelnen Kondensatoren, die vertikal in der Flüssigkeit angeordnet sind und von dieser mittels einer Wand aus einem dielektrischen Material isoliert sind. Eine oszillierende Versorgungsspannung wird über einen Lastwiderstand an eine Elektrode jedes Kondensators angeschlossen, und die Gegenelektrode auf Erde gelegt, die durch die Flüssigkeit gegeben ist, deren Pegel gemessen werden soll. Dabei werden die Kondensatoren in einer Schaltfolge durch eine Wechselspannung abgetastet. Die von den Kondensatoren empfangenen Signale werden getrennt, um einen Logikausgang zu erreichen, der davon abhängt, ob eine Flüssigkeit vorliegt oder nicht. Die Ausgaben werden weiter verarbeitet, um Zentimeterangaben zu erzeugen. Durch Einstellen eines Widerstandes kann ein Referenzpegel für die an den Kondensatoren gemessenen Spannungen eingestellt werden.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein digitales Füllstandmeßsondensystem zu schaffen, bei dem der Füllstand in Stufen gemessen wird, wobei die Sonde vollständig unabhängig von der Art der Flüssigkeit und von Flüssigkeitsgemischen ist. Weitere Ziele ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Obiges Ziel wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.
Die digitale Sonde besteht aus zwei Zylindern, die eine Gruppe einzelner, zylindrischer Kondensatoren bildet, die die Substanz, deren Pegel gemessen werden soll, als dielektrisches Material verwenden. Diese Gruppe von Kondensatoren ist entlang der Meßachse angeordnet, wobei jeder Kondensator einer Füllstandsstufe entspricht.
In einer Schaltfolge ist jedem Kondensator ein besonderes Zeitfenster zugewiesen. Der erste Pegelkondensator wird als Bezug verwendet, mit dem alle anderen Kondensatoren nachfolgend verglichen werden. In der Schaltfolge wird ein AC Signal an jeden Kondensator geschaltet und mit dem invertierten Signal verglichen, das an den ersten Pegelkondensator angelegt wurde. Man erhält eine logische "1", wenn eine Substanz vorliegt und eine logische "0", wenn keine Substanz vorhanden ist. Die Füllstandsdaten werden dekodiert und umgewandelt, um die entsprechende Menge der gemessenen Substanz anzuzeigen.
Gegenüber dem Stand der Technik hat das digitale Füllstandsmeßsystem dieser Offenbarung einige unterscheidende Merkmale:
Flexible gedruckte Schaltungskondensatoren und Schaltungsverbindungen werden in ein flexibles Platinenmaterial geätzt. Die Platinen werden dann an feste konzentrische Zylinder angebracht. Jeder Kondensator wird dadurch gebildet, indem die geätzten Schaltungen oder Streifen konzentrisch entlang der Längsachse der Sonde ausgerichtet werden. Die festen Zylinder haben eine Vertiefung, um die Platinen und damit die Kondensatorelektroden genau auszurichten. Die Vorteile dieser Verwirklichung liegen in Massenproduzierbarkeit unter Vermeidung des Zusammenbaus von Kondensatoren mit Leitungen oder Verbindungen. Dadurch kann man sehr enge Toleranzen einhalten und dabei hohe Genauigkeit, Produktivität und Wiederholbarkeit bei der Herstellung der Kondensatoren erreichen. Die Sonde ist unanfällig gegenüber Erschütterungen oder Schwingungen.
Die einzelnen isolierten Kondensatorelemente haben keine gemeinsame Elektrode oder Zwischenverbindungen. Durch das Prinzip der Elektronik kann man alle Kondensatoren der Gruppe auf Erde schalten, bis auf den Bezugskondensator und dasjenige Kondensatorelement, das ausgelesen wird. Dadurch werden Ungenauigkeiten der Kondensatorwerte aufgrund Auswirkungen benachbarter Kondensatoren und/oder einer gemeinsamen Elektrode vermieden.
Ein Multiplex-Verfahren wird verwendet, bei dem jedem Kondensatorelement der Gruppe ein besonderes Zeitfenster zugewiesen wird, in dem dieser ausgelesen wird. In diesem Zeitfenster wird das ausgewählte Kondensatorelement mit einem Bezugskondensatorelement verglichen. Während des Auslesens können alle anderen Kondensatorelemente auf Erde gelegt werden. Die Kondensatorelemente werden aufeinanderfolgend zyklisch ausgelesen und das Ergebnis jeder Auslesungsfolge abfolgend angezeigt. Die serielle Ausgabe der Meßwerte verringert die Anzahl der Verbindungen zur Anzeigeeinheit. Es werden nicht mehr als drei Leitungen benötigt. Theoretisch genügt auch eine Leitung mit der Karosserie als Rückleitung. Die Genauigkeit wird stark verbessert, wenn man den ausgelesenen Kondensator von externen Schaltungsereignissen isoliert. Die Ausgabe ist eine direkte Anzeige im binär kodierten Dezimalformat.
Zur Bereitstellung des Behälterprofils ist ein integrierter EPROM oder ein anderer nichtflüchtiger Speicher vorgesehen. Für jedes Behälterprofil ist im nicht- flüchtigen ein Programmalgorithmus abgelegt. Der Speicher enthält Volumendaten, z. B. die Volumenstufen pro Kondensatorelementstufe des jeweiligen Kondensatorprofils oder Formfaktors. Der nichtflüchtige Speicher kann auch weitere relevante Daten enthalten, z. B. eine Identifikationsnummer. Dadurch können Sonde und Elektroden universell anwendbar unabhängig vom Behälter gestaltet werden, und man muß nur ein einzelnes System fertigen, was das Einsatzgebiet des Systems und die Wirtschaftlichkeit der Produktion stark erhöht.
Das System kann kleine Kapazitäten auslesen, indem lineare Operationsverstärker als Stromspannungswandler verwendet werden. Der Operationsverstärker verstärkt die Ausgänge gleichzeitig, wodurch der Spannungsabfall an dem in anderen Systemen verwendeten Widerstand vermieden wird, der das Datensignal schwächt und Ungenauigkeiten zur Folge hat. Durch das System sind darüber hinaus Trenndioden und andere Schaltvorrichtungen überflüssig, die das Datensignal schwächen und Ungenauigkeiten zur Folge haben.
Durch die Kombination dieser unterscheidenden Merkmale erhält man ein digitales Meßsystem, das die kleinstmögliche Sonde aufweist und dennoch in einer beliebig großen Anwendung einsatzbar ist. Es ist möglich, Kapazitäten unter einem Pikofarad in der ganzen Kondensatorgruppe herzustellen und die sich daraus ergebenden sehr geringen Ströme vollständig in einer digitalen Betriebsweise zu detektieren, wodurch man einen kleinen Sondendurchmesser bei größter Sondenauflö sung (größte Anzahl einzelner Segmente pro Längeneinheit der Höhe) herstellen kann.
Dadurch löst die vorliegende Erfindung auf einzigartige Weise das Problem, Volumenänderungen stufenweise in einem viskosen Fluid in einem Raum zu messen, der ein großes Verhältnis von Oberfläche zu Tiefe hat. Eine Kraftfahrzeug-Ölwanne ist ein solcher Fall. Die Ölwanne ist flach (üblicherweise unter 6 inch nutzbare Tiefe) und hat eine relativ große Oberfläche (über 120 inch²) und enthält ein viskoses Fluid. Darüber hinaus ergeben sich weitere Schwierigkeiten aus Partikelverunreinigungen, hohen Temperaturen, Erschütterungen, Schwingungen sowie die Anwesenheit aggressiver Gase. Das Gesamtvolumen der Kraftfahrzeug-Ölwanne ist darüber hinaus eine besondere Anforderung, da das Meßsystem klein genug sein muß, um die Messung nicht durch Volumenverdrängung zu verfälschen. Zusammenfassend kann man sagen, daß das offenbarte System ein Mittel bereitstellt, mit dem kleine Volumenänderungen von Flüssigkeitsfüllständen digital in Behältern gemessen werden können, die einen ungünstigen Formfaktor, gegeben als großes Verhältnis von Oberfläche zu Tiefe, aufweisen und bei denen das Behältervolumen gering ist, und wobei das Fluid viskos ist und die Umgebung anspruchsvoll.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung mit den Hauptbestandteilen des vorliegenden digitalen Füllstandsmeßsondensystem,
Fig. 2 ist eine detaillierte Schemadarstellung mit entsprechenden zusätzlich eingesetzten Elementen,
Fig. 3, 3A und 3B sind schematische Darstellungen der in der beschriebenen Ausführungsform verwendeten Sonde mit der entsprechenden Kapazitätsformel,
Fig. 4 ist eine weiter detaillierte Schemadarstellung des digitalen Füllstandsmeßsystems,
Fig. 5A mit 5B sind Konstruktionszeichnungen des rohrförmigen Gehäuses und des Endkappenbauteils der Sonde,
Fig. 6A und 6B sind die Layoutdarstellungen flexibler Platinen in abgewickelter Darstellung, wie sie geätzt werden,
Fig. 6C ist eine Schnittdarstellung mit den entsprechenden inneren und äußeren flexiblen Platinen im rohrförmigen Gehäuse der Sonden,
Fig. 7A und 7B sind Layoutdarstellungen flexibler Platinen einer abgewandelten Sonde,
Fig. 7C ist eine Schnittdarstellung der Konstruktion der abgewandelten Sonde,
Fig. 8 ist eine vergrößerte Seitenansicht des Gehäuserohres allein in der Abwandlung der Fig. 7A mit 7C,
Fig. 9 ist eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht der Außenhülse alleine in der Abwandlung der Fig. 7A bis 7C,
Fig. 10 ist eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht der Innenhülse für sich alleine in der Abwandlung der Fig. 7A mit 7C, und
Fig. 11 ist eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Abfolge digitaler Füllstandsmessungen der beschriebenen Ausführungsform.

BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Die in Fig. 1 dargestellten Hauptbestandteile des Systems umfassen eine digitale Sonde (Digital Probe), eingebettete Anschlüsse (Imbedded Connector), Sondenelektronik (Probe Associated Electronics), Verbindungskabel (Remote Cable), separate Elektronik für die Daten (Remote Data Electronics), die an die Hauptlogik oder Anzeige angeschlossen sind (to Main Logic or Display), wie es im Blockdiagramm veranschaulicht ist.
In den Fig. 2, 3 und 4 sind die Hauptbestandteile der Fig. 1 genauer bezeichnet durch die schematische Darstellung der digitalen Sonde A1, eines Innenzylinders 41 (Inner Cylinder) und eines Außenzylinders 42 (Outer Cylinder), die in einem Ölbehälter (Oil Container) angeordnet über eingebettete Anschlüsse (Embedded Connector) liegen. Die Sondenelektronik (Probe Associated Electronics) umfaßt eine Anregung EX mit schematischen Blöcken B1, C, D und E, die jeweils ein Niedrig-Z-schaltendes Netzwerk, einen Sinusschwingkreis, einen Verstärker und einen Invertierer haben. Weiter ist vorgesehen, eine Spannungsversorgung P1 mit +5 V DC, -5 V DC und +8 V DC sowie eine Rückleitung (Return) RE mit schematischen Blöcken B2, F, G und H, die jeweils ein Hoch-Z schaltendes Netzwerk, einen Stromspannungswandler/Verstärker, einen Verstärker sowie einen Schmitt-Trigger und Filter umfassen. Eine Logiksteuerung LC hat schematisch dargestellte Blöcke I1, J1, K und L, die jeweils für einen Schaltsteuerspeicher, einen Binärzähler, ein Systemtaktgenerator und eine Logiksteuerschaltung stehen.
Von der Sondenelektronik (Probe Associated Electronics) zur separaten Elektronik für die Daten (Remote Data Associated Electronics) ist ein Verbindungskabel (Remote Cable) vorgesehen, das eine Spannungsversorgung P2 mit +5V DC, einen separate Logik-IC mit schematisch dargestellten Blöcken J1 und J2, welcher einen Dekadenzähler und einen separaten Schnittstellenspeicher bezeichnen, und einen Block N umfassen, die eine Füllstands/Volumenumwandlung bezeichnet, die mit einer automatischen Hauptlogik oder Anzeige (Main Logic/Display) N verbunden ist.
Wie in Fig. 3 zu sehen ist, ist ein fester Kondensator A2 (A2 fixed) zwischen der Anregung B1 des Niedrig-Z-schaltenden Netzwerkes und der Rückführleitung B2 des Hoch-Z-schaltenden Netzwerkes geschaltet. Ein invertierend anregender Kondensator (Inverted Excitation) ist an die Rückleitung (Return) angeschlossen. Zwischen den entsprechenden Netzwerken B1 und B2 sind Einzelkondensatoren 2 bis 16 vorgesehen.
Die Kapazität jedes Sensorelementes wird durch dessen Höhe L, dessen Außenradius R1, dessen Innenradius R2 und die dielektrische Konstante bestimmt, wie es in der dargestellten Grundformel beschrieben ist. Ein vollständig mit der zu messenden Substanz (Substance) gefülltes Sensorelement hat die Kapazität CF, ein Sensorelement ohne die zu messende Substanz (Air) Kapazität CE.
Wie in den Fig. 5A mit 5F zu sehen ist, hat das Aluminiumsondengehäuse 10 einen Spalt 11. In das Gehäuse können flexible Platinen mit darauf geätzten Elektroden eingesetzt und von entsprechenden Endkappen, die in den Fig. 5C mit 5F dargestellt sind, gehalten werden, die im Aluminiumgehäuse 10 sitzen. Die Endkappen sind gegenüber dem Gehäuse 10 vergrößert dargestellt. Sie werden eingebaut, um die flexiblen Platinen wie folgt zu halten. Die untere Endkappe 13 sitzt in einer Ringaussparung 14 in der unteren Endkappe 15, welche in das untere Ende des Gehäuses 10 paßt. Die obere Endkappe 16 sitzt in einer Aussparung 17 der oberen Endkappe 18, welche in das obere Ende des Gehäuses 10 paßt. Eine innere flexible zylindrische Platine, die in den Fig. 5A mit 5F nicht dargestellt ist, wird zwischen den Wänden 19 und 20 der entsprechenden Endkappen 13 und 16 gehalten. Eine äußere zylindrische, flexible Platine wird zwischen den Außenrändern 21 und 22 der Endkappen 13 und 14 und den Innenrändern 23 und 23 der Endkappen 15 und 18 gehalten. Der zusammengebaute Zustand der Probenbauteile 43 ist in Fig. 6C dargestellt, deren äußere Platine 25 nach ihrer Ätzung abgewickelt in Fig. 4A dargestellt ist. Sie formt eine Röhre 25A, wie in Fig. 6C dargestellt ist. Ähnlich wird die innere gedruckte Schaltung 26 der Fig. 6B als Röhre 26A in der zusammengebauten Sonde eingesetzt. Für jeden Kondensator sind einzelne gedruckte Schaltungsleitungen vorgesehen, wie in den Fig. 7A und 7B zu sehen ist.
Die Fig. 7A mit 7C, 8, 9 und 10 zeigen eine abgewandelte Sonde mit zwei festen Spulen auf den zylindrischen Flächen, an denen die innere und die äußere flexible Platine gegenüberliegend angebracht sind. Dabei ist die äußere Platine 27, die abgewickelt in Fig. 7A dargestellt ist, an der Innenfläche der Außenhülse (Spule) 28, die im Gehäuserohr 29 sitzt, und die innere, flexible Platine 30, die abgewickelt in Fig. 7B dargestellt ist, an der Außenfläche der inneren Hülse (Spule) 31 befestigt. Die entsprechenden Spulenenden sind so abgemessen, daß sie jeweils im Gehäuserohr 29 so sitzen, daß geeigneter Abstand 32 zwischen den gegenüberliegenden Platinen gewährleistet ist, damit das dielektrische Material detektiert werden kann. Das hier beschriebene digitale Füllstandmeßsondensystem hat bezugnehmend auf Fig. 11 folgende Eigenschaften:
Der digitale Sensor ist ein Sensor, der nur diskrete Werte der gemessenen Eigenschaften mittels einer Ausgabe für jede überwachte Teileinheit mißt, die ent weder JA (1) oder NEIN (0) ist. Im Gegensatz gibt ein analoger Sensor ein kontinuierlichen Ausgabewert für den gemessenen Eigenschaftswert.
Der digitale Sensor ist ein Feld aus Sensorelementen, die jeweils "1" oder "0" bzw. EIN/AUS bzw. ein Binärformat ausgeben. Die Anzahl von Sensorelementen in der Gruppe bzw. der Abstand zwischen zwei benachbarten vom Sensor auszulesenden Teileinheiten legt die Meßauflösung fest. Die einzelnen Sensorelemente werden von einer Logikschaltung gesteuert, die das Verhältnis der gemessenen Werte bildet. Das kapazitive digitale Füllstandsmeßsondensystem ist aus einer Gruppe einzelner, zylindrischer, gleicher Kondensatoren aufgebaut, die die Substanz, deren Pegel gemessen werden soll, als dielektrisches Material verwendet. Die Kondensatorgruppe ist entlang der Meßachse angeordnet, wobei jeder Kondensator eine diskrete Pegelstufe darstellt.
Die Steuerlogikschaltung steuert die Sondenkondensatoren (in der Sensorelementgruppe) über ein Schaltnetzwerk. Jedem Kondensator ist in einer Schaltfolge ein besonderes Zeitfenster zugeordnet. Der erste (am Boden liegende) Pegelkondensator 45 wird als Referenz für alle anderen Kondensatoren verwendet, die mit ihm nachfolgend verglichen werden. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß Änderungen der dielektrischen Konstante der gemessenen Substanz und Änderungen der Sonde selbst kompensiert werden. In der Schaltfolge wird ein Signal V = V&sub0; · sin (wt) über jeden Kondensator geschaltet, beginnend mit dem zweiten Sensorelement, das über dem Referenzelement liegt. Jedesmal, wenn ein Signal V an einem Sensorelement angelegt wird, ergibt sich als Ausgang ein Stromsignal I = C · dV/dt = C · · w · cos (wt). Dieser Strom wird zum Strom des Referenzelementes addiert, welcher von einem invertierten Signal Vi = V&sub0; · sin · wt + π angeregt wurde. Liegt im dabei abgefragten Kondensator eine Substanz vor, ist das Ergebnis Null oder ein verschwindender Strom (wenn man davon ausgeht, daß das Referenzelement in die Substanz eingetaucht ist), der in eine logische 1 umgesetzt wird. Ist keine Substanz im in der Folge abgefragten Segment vorhanden, jedoch im Referenzelement, ist der erhaltene, aufsummierte Strom nicht Null, was in eine logische "0" umgesetzt wird.
Wird die erste logische "0" erhalten, markiert die Steuerschaltung elektronisch den Substanzpegel und sorgt dafür, daß der die Schaltfolge steuernde Zähler zurückgesetzt wird und die Folge neu begonnen wird. Der vollständig (mit Substanz) gefüllte Zustand wird festgestellt, wenn eine logische "0" erhalten wird, wenn das erste "Bezugs"-Element mit einem festen Element (in den Schemazeichnungen A2) verglichen wird, dessen Wert sich ausreichend von der "gefüllten" Kapazität CF unterscheidet. Bei vollständig leerem Zustand (wenn das Bezugselement leer ist), wird der Pegel Null ermittelt, da der feste Kondensatorwert nahe des "leeren" Kondensatorwertes CE liegt. Der Nullpegel wird dann durch den Zähler und nicht von einer logischen "0" der Sonde erkannt. Der bestätigte Pegel der Logikschaltung (als binäre Zahl) wird dekodiert und umgewandelt, um die entsprechende Menge der gemessenen Substanz anzuzeigen.
Wie in Fig. 11 dargestellt ist, bedeutet das Auslesen des Pegels 4, daß der Substanzpegel zwischen 3,5 und 4,5 Pegelstufen über dem Boden liegt.
Wie sich aus obiger Beschreibung ergibt, sind die Kondensatorelemente 43 zum Betrieb der digitalen Sonde wesentlich. Um die Anforderungen hinsichtlich Genauigkeit, Auflösung und Sondengröße erfüllen zu können, muß das Kondensatorelement drei gegenläufige und sich deshalb gegeneinander ausschließende Anforderungen erfüllen: geringe physikalische Größe der Elektroden, um eine ausreichende Anzahl vertikaler Elemente zum Erzielen der Auflösung und eines geringen Sondendurchmessers zu erreichen, ausreichend Abstand zwischen den Elektroden, um ungehindertes Abfließen der viskosen Flüssigkeit zu ermöglichen, Einhalten exakter Abmessungen der Kondensator-Elektrodenflächen und des Spaltes, um exakte Kapazitäten zu erreichen, Sicherstellen, daß alle Kondensatoren hinsichtlich ihrer Kapazität gleich sind.
Die einzelnen Kondensatoren der Platine sind unabhängig von einer gemeinsamen Elektrode oder von Zwischenverbindungen, ermöglichen sehr kleine, mit geringen Toleranzen versehene Kondensatorelektroden im Massenproduktionsmaßstab. Die Zeitabfolge und die Isolation der Kondensatoren macht es zusammen mit der Methode der Stromaufsummation möglich, daß man mit den vorliegenden, sehr geringen Kapazitäten arbeiten kann.
Obwohl in der bevorzugten Ausführungsform die Kondensatoren aus Platinen, die aus flexiblem Material geätzt wurden, aufgebaut sind, kann man solche Kondensatoren auch als Teil eines festen Zylinders aufbauen, oder sie können die Zylinder selbst sein, ohne die funktionelle Leistungsfähigkeit der bevorzugten Ausführungsform zu verlieren. Obwohl im beschriebenen Aufbau die Verwendung konzentrischer Zylinder hinsichtlich der strengen Genauigkeitsanforderungen bevorzugt wurde, sind auch andere Konstruktionen mit gedruckten Schaltungen möglich. Beispielsweise können die abgewickelt dargestellten Schaltungen der Fig. 6A und 6B oder der Fig. 7A und 7B gegenüberliegend auf flachen Tragelementen in entsprechend ausgerichteter Beabstandung befestigt werden.

Claims

1. Digitales Füllstands-Meßsondensystem mit

digitalen Füllstandsmeßsondenmitteln, die aus einer Gruppe von elektrisch isolierten Kondensatoren (2-16) aufgebaut sind, welche entlang einer Meßachse angeordnet, diskret aufgebaut und ohne gemeinsame Elektroden oder Verbindungen sind, wobei jeder Kondensator (2-16) einer diskreten Pegeleinheit im zu messenden, dielektrischen, fluidischen Material entspricht,

Schaltfolgemitteln, wobei jedem Kondensator eine besondere Zeitspanne zum sequentiellen Vergleich mit einem ersten Kondensator zugeordnet ist,

Mitteln zum Anlegen eines AC-Signals in einer Schaltfolge an aufeinanderfolgende Kondensatoren,

Mitteln zum Erzeugen eines elektrischen Bezugssignals durch Anlegen eines invertierten AC-Signals an den ersten Kondensator zum Vergleich mit jedem in der Schaltfolge angelegten AC-Signal, welche Mittel Mittel aufweisen zum Unterscheiden zwischen jeweils verglichenen Signalen, um eine logische "1" zu erzeugen, wenn Fluid anwesend ist, und eine logische "0", wenn kein Fluid anwesend ist, oder umgekehrt, und Mittel zum Decodieren und Umwandeln des logischen Signales, um die entsprechend gemessene Fluidmenge in Einheiten anzuzeigen, die den diskreten Kondensatoren entspricht.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kondensator eine flexible, gedruckte Schaltung aufweist, wobei die Kondensatorelektroden und Schaltungsverbindungen in ein flexibles Material (27, 30) für eine gedruckten Schaltung geätzt sind.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren auf den flexiblen, gedruckten Schaltungen an feste, konzentrische Zylindern (28, 31) angebracht sind.

4. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kondensator gebildet wird, indem die geätzten Schaltungen konzentrisch an der Längsachse der Sonde ausgerichtet werden.

5. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Zylinder formschlüssig verrastet sind, um die gedruckten Schaltungen und damit die Kondensatorelektroden exakt auszurichten.

6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren (2-16) mit den festen Zylindern (28, 31) ganzstückig ausgebildet sind.

7. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Kondensatoren (2-16) der Gruppe geerdet sind, bis auf den ersten Kondensator und einen einzigen Kondensator, an den das AC-Signal gelegt ist.

8. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Rückstellmittel, womit jeder Kondensator beim Überwachen in seiner zugeordneten Zeitspanne wiederholt verglichen wird.

9. System nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Mittel, mit denen die Zeitspannen, in denen jeder Kondensator mit dem Bezug verglichen wird, jedesmal zurückgestellt werden, wenn ein Signal auftritt, das die Abwesenheit des Fluides anzeigt.

10. System nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Mittel zum Erden der anderen Kondensatoren beim Überwachen eines Kondensators durch Anlegen des AC- Signals.

11. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel mittels derer die Kondensatoren in einem Wraparound-Modus abfolgend überwacht werden.

12. System nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Mittel zum Anlegen einer Spannung an jeden Kondensator in einer Folge, wobei der Ausgang von jeder Überwachten Folge sequentiell vorliegt.

13. System nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Mittel zum direkten Einlesen des Ausganges in einem binärcodierten Dezimalformat.

14. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein integriertes EPROM oder eine entsprechende, nichtflüchtige Speichervorrichtung für das Behälterprofil.

15. System nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch einen in die nichtflüchtige Speichervorrichtung geschriebenen Programmalgorithmus für jedes Behälterprofil.

16. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtflüchtige Speichervorrichtung einen Speicher für Volumendaten umfaßt.

17. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch lineare Operationsverstärker als Stromspannungswandler.

18. System nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Operationsverstärker Mittel zum gleichzeitigen Verstärken der Ausgabedaten haben.

19. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zum Bereitstellen der Gruppe von Kondensatoren in einer gleichförmigen Gruppe aus Einzelkondensatoren mit einer jeweiligen Kapazität unter 1 pF.