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Die
Erfindung betrifft einen Füllstandssensor zum Erfassen
eines Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter,
insbesondere einen kapazitiven Füllstandssensor nach dem
Oberbegriff des Anspruches 1.
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Kapazitive
Füllstandssensoren sind in verschiedenen Ausführungsformen
bekannt. Es wird in diesem Zusammenhang beispielhaft auf die Druckschriften
DE 29 41 652 C2 ,
DE 42 04 212 A1 ,
DE 197 54 093 C2 ,
EP 0 152 644 A2 ,
EP 1 528 375 A1 ,
US 5 802 728 und
WO 99/10714 A1 verwiesen.
Allen diesen Füllstandssensoren ist gemeinsam, dass sie
wenigstens zwei sich über den Füllhöhenbereich
des Flüssigkeitsbehälters erstreckende Elektroden
aufweisen, die einen Messkondensator bilden, und dass eine Auswerteschaltung
den Füllstand der Flüssigkeit im Behälter
in Abhängigkeit von der Kapazität dieses Messkondensators
bestimmt. Dabei wird ausgenutzt, dass die füllstandsabhängige
Benetzung der Elektroden mit der Flüssigkeit, welche eine
bestimmte Dielektrizitätszahl besitzt, die Kapazität
des Messkondensators verändert.
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Aus
einigen der oben genannten Druckschriften ist es außerdem
bekannt, wenigstens eine der beiden einander gegenüber
liegenden Elektroden zu teilen und so zwei Messkondensatoren zu
bilden. Die Teilung erfolgt dabei vorzugsweise derart, dass sich
die Breite der Teilelektroden über den Füllhöhenbereich
der Flüssigkeit im Behälter verändert.
Durch eine geeignete Verknüpfung der Kapazitätswerte
der beiden so gebildeten Messkondensatoren lässt sich der
Füllstand der Flüssigkeit unabhängig
von deren Dielektrizitätszahl ermitteln.
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Im
Bereich der Kraftfahrzeugtechnik können derartige Füllstandssensoren
zum Beispiel in Kraftstofftanks eingesetzt werden. Problematisch
sind dabei mögliche Korrosionen, die an den in den Kraftstoff
eintauchenden Elektroden im Laufe der Zeit entstehen können.
Die durch solche Korrosionen verursachten Übergangswiderstände
können sich negativ auf die Bestimmung des Füllstandes
des Kraftstoffes mit Hilfe eines kapazitiven Füllstandssensors
auswirken.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen verbesserten Füllstandssensor
der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, der auf einfache Weise
seine Funktionsfähigkeit auf Dauer beibehält.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Füllstandssensor zum Erfassen
eines Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter
mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
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Der
Füllstandssensor zum Erfassen eines Füllstandes
einer Flüssigkeit in einem Behälter enthält
eine erste Elektrode und wenigstens eine zweite Elektrode, die sich
einander gegenüber liegend über einen Füllhöhenbereich
des Behälters erstrecken, wobei sich die Kapazität
eines aus den gegenüber liegenden Elektroden gebildeten
Messkondensators in Abhängigkeit vom Füllstand
der Flüssigkeit im Behälter ändert, sowie
eine Auswerteschaltung, die aus der Kapazität des Messkondensators
den Füllstand der Flüssigkeit im Behälter
bestimmt. Der Füllstandssensor der Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung ein aus dem Messkondensator
und einer Induktivität gebildetes LC-Glied aufweist.
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Der
erfindungsgemäße Füllstandssensor hat
eine Auswerteschaltung, die ein aus dem Messkondensator und einer
Induktivität gebildetes LC-Glied aufweist. Ein solches
LC-Glied in der Auswerteschaltung ist im Vergleich zu den in den
Auswerteschaltungen der herkömmlichen kapazitiven Füllstandssensoren
verwendeten RC-Gliedern wesentlich unempfindlicher gegenüber
ohmschen Widerständen. Übergangswiderstände,
die sich im Laufe der Zeit an den Elektroden in der jeweiligen Flüssigkeit
bilden können, haben somit bei der Bestimmung des Füllstandes
mit diesem kapazitiven Füllstandssensor keine bzw. allenfalls
geringe Auswirkung. Der Füllstandssensor behält
dadurch seine Funktionsfähigkeit auf Dauer bei, ohne dass
Elektroden aufwändig und teuer gegenüber der sie
kontaktierenden Flüssigkeit haltbar gemacht oder gegenüber
dieser isoliert werden müssten.
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Der
Füllstandssensor der Erfindung ist daher insbesondere im
Kraftfahrzeugbereich in vorteilhafter Weise einsetzbar. Zum Beispiel
können die Füllstände von Kraftstoffen
(Benzin, Diesel, etc.), Schmierstoffen (Schmieröl, etc.)
und Hilfsmitteln (Kühlmittel, Reduktionsmittel, etc.) in
den jeweiligen Behältern zuverlässig und in einfacher
Weise ermittelt werden.
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Darüber
hinaus bietet der erfindungsgemäße Füllstandssensor
natürlich auch die Vorteile der herkömmlichen
kapazitiven Füllstandssensoren, wie den Verzicht auf bewegliche
Bauteile, die Verwendbarkeit für unterschiedliche Flüssigkeiten,
die Verwendbarkeit auch für heterogene Flüssigkeiten,
Integration auch in komplexe Behälterformen, Messbarkeit
des Füllstandes in verschiedenen Behälterlagen,
kontinuierliche Füllstandsmessung und dergleichen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung können zwei
zweite Elektroden vorgesehen sein, die sich jeweils über
den Füllhöhenbereich des Behälters erstrecken
und elektrisch voneinander isoliert sind, um mit der einen gegenüber
liegenden ersten Elektrode zwei Messkondensatoren zu bilden, wobei
sich die Breite wenigstens einer der zwei zweiten Elektroden über
den Füllhöhenbereich des Behälters verändert.
Die Auswerteschaltung kann dann zwei LC-Glieder aufweisen, die jeweils
aus einem der beiden Messkondensatoren und einer Induktivität
gebildet sind.
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Durch
Verwendung von zwei derartigen Messkondensatoren lässt
sich der Füllstand der Flüssigkeit im Behälter
unabhängig von einigen physikalischen Größen
(insbesondere Dielektrizitätszahl der Flüssigkeit, Temperatur,
usw.) ermitteln, indem die über die beiden Messkondensatoren
bestimmten Kapazitätswerte in geeigneter Weise miteinander
verknüpft werden.
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Bei
einem solchen Füllstandssensor können die zwei
zweiten Elektroden bevorzugt auch elektrisch zusammenschaltbar sein
und die Auswerteschaltung kann so ausgestaltet sein, dass sie die
folgenden Verfahrensschritte durchführen kann:
- a) Ermitteln des Füllstandes der Flüssigkeit
im Behälter aus einer Verknüpfung der Kapazitäten
der beiden Messkondensatoren als einen ersten Messwert;
- b) Bestimmen einer Dielektrizitätszahl der Flüssigkeit
im Behälter aus einer Messfrequenz der Auswerteschaltung
und dem als ersten Messwert ermittelten Füllstand; und
- c) Ermitteln des Füllstandes der Flüssigkeit
im Behälter aus der Dielektrizitätszahl der Flüssigkeit
und der Kapazität des Messkondensators bei zusammengeschalteten
zweiten Elektroden als einen zweiten Messwert und Vergleichen dieses
zweiten Messwerts mit dem ersten Messwert.
Vorzugsweise kann
die die Auswerteschaltung weiter so ausgestaltet sein, dass sie
den folgenden Verfahrensschritt durchführen kann:
- d) Korrigieren der in Schritt b) bestimmten Dielektrizitätszahl
der Flüssigkeit im Behälter auf Basis eines oder
mehrerer Vergleiche gemäß Schritt c).
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann eine Messfrequenz
der Auswerteschaltung an die Dielektrizitätszahl der Flüssigkeit
im Behälter angepasst sein.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Auswerteschaltung
im Wesentlichen zwischen den ersten und zweiten Elektroden des Messkondensators
bzw. der Messkondensatoren im Endbereich der Elektroden am oberen
Ende des Füllhöhenbereichs angeordnet sein. Vorzugsweise
kann die Auswerteschaltung in diesem Fall auf einer Hybridkeramik
angeordnet und in einem Metallgehäuse gekapselt sein.
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Bei
dieser Ausführungsform werden die im Allgemeinen nur geringen
Kapazitätsänderungen des Messkondensators bzw.
der Messkondensatoren durch die Anordnung der Auswerteschaltung
unmittelbar an den Elektroden des Füllstandssensors nicht
durch die sonst erforderlichen, längeren Verbindungsleitungen verfälscht.
Außerdem bietet sich bei dieser Ausführungsform
die Möglichkeit, ohne einen zusätzlichen Temperatursensor
auch die Temperatur der Flüssigkeit im Behälter
mit zu messen.
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Obige
sowie weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten
werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen besser
verständlich. Darin zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Flüssigkeitsbehälters
mit einem Füllstandssensor der Erfindung;
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2 eine
schematische Seitenschnittansicht eines Füllstandssensors
gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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3 eine
schematische Draufsicht des Füllstandssensors von 2 ohne
Gegenelektrode; und
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4 ein
Kapazitäts-Füllstands-Diagramm zur Erläuterung
der Funktionsweise des Füllstandssensors von 2 und 3.
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1 zeigt
schematisch einen kapazitiven Füllstandssensor 10,
der in einem Behälter 12 zur Aufnahme einer Flüssigkeit 14 wie
zum Beispiel in einem Kraftstofftank eines Kraftfahrzeuges angeordnet
ist. Der Füllstandssensor 10 erstreckt sich im
Wesentlichen über den gesamten Füllhöhenbereich
des Behälters 12, um den Füllstand 16 der
Flüssigkeit 14 im Behälter 12 zu
erfassen. Er ist außerdem über ein Verbindungskabel 18 mit
weiteren Geräten, wie Steuerungen, Anzeigen und dergleichen
verbunden, um diesen den ermittelten Füllstand der Flüssigkeit 14 zur
weiteren Verarbeitung, Anzeige oder dergleichen zu senden.
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Wie
in 2 und 3 veranschaulicht, enthält
der kapazitive Füllstandssensor 10 eine Ummantelung 24,
die gleichzeitig als erste Elektrode bzw. Gegenelektrode dient.
Zu diesem Zweck ist die Ummantelung zum Beispiel aus Metall gefertigt
oder aus einem mit Metall bedampften Kunststoff gebildet.
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Innerhalb
dieser Ummantelung 24 ist ein Träger 20,
zum Beispiel aus einem Epoxidharz, angeordnet, auf dem zwei im Wesentlichen
dreieckförmige Platten 22a, 22b aufgebracht
sind, die als zweite Elektroden dienen. Diese Platten 22a, 22b sind
zu diesem Zweck zum Beispiel aus Aluminium gefertigt.
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Gestalt
und Größe von Träger 20, erster
Elektrode 24 und zweiten Elektroden 22a, 22b sind
nicht auf die Ausführungsform von 2 und 3 eingeschränkt.
Für die Funktionsweise des Füllstandssensors 10 ist
es aber von Vorteil, wenn die Gegenelektrode 24 und die
ersten Elektroden 22a, 22b einander in Größe
und Form angepasst sind, sodass sie im Wesentlichen über
den gesamten Füllhöhenbereich des Behälters 12 einander
in einem im Wesentlichen konstanten Abstand gegenüber liegen
und auf diese Weise einen Messkondensator bzw. zwei Messkondensatoren
bilden. Typische Grundformen sind in diesem Zusammenhang zum Beispiel
Platten- und Zylinderkondensatoren, ohne dass die vorliegende Erfindung
hierauf beschränkt sein soll.
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Die
Auswerteschaltung 26 ist vorzugsweise in einem Endbereich
(links in 2 und 3) des Füllstandssensors 10,
der im Bereich des oberen Endes des Füllstandes 16 der
Flüssigkeit 14 liegt, direkt auf den zweiten Elektroden 22a, 22b und
damit zwischen den Elektroden 22a, 22b und 24 montiert
und über Pins 30 mit den zweiten Elektroden 22a, 22b verbunden.
Die Ummantelung 24 ist typischerweise mit Masse verbunden.
Die Auswerteschaltung 26 ist zum Beispiel auf einer Hybridkeramik
angeordnet und in einem metallischen Gehäuse 28 (z.
B. umlaufend gelöteter Blechdeckel) gekapselt. Die Hybridkeramik
verändert den Kapazitätswert des Messkondensators
nur sehr gering.
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Bei
dieser Anordnung der Auswerteschaltung 26 sind keine Verbindungsleitungen
zwischen ihr und dem aus den Elektroden 22a, 22b, 24 gebildeten
Messkondensator notwendig, sodass selbst kleine Kapazitätsänderungen
dieses Messkondensators nicht verfälscht werden. Außerdem
ermöglicht es diese Anordnung, ohne Verwendung eines zusätzlichen
Temperatursensors auch die Temperatur der Flüssigkeit 14
im Behälter 12 mit zu messen.
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Die
Auswerteschaltung 26 weist zwei LC-Glieder auf, die aus
dem einen Messkondensator, gebildet aus der einen Aluminiumplatte 22a und
der Ummantelung 24, und einer Induktivität bzw.
aus dem anderen Messkondensator, gebildet aus der anderen Aluminiumplatte 22b und
der Ummantelung 24, und einer Induktivität gebildet
sind. Die LC-Glieder können dabei wahlweise als Parallelschaltung
oder als Reihenschaltung aus dem jeweiligen Messkondensator und
der jeweiligen Induktivität aufgebaut sein. Außerdem
können die beiden LC-Glieder wahlweise zwei getrennte Induktivitäten,
eine gemeinsame Induktivität oder zwei miteinander gekoppelte
Induktivitäten enthalten.
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Die
beiden Aluminiumplatten 22a, 22b auf dem Träger 20 sind
elektrisch voneinander isoliert, sodass zusammen mit der diesen
gegenüber liegenden Ummantelung 24 zwei getrennte
Messkondensatoren gebildet werden können. Die Auswerteschaltung 26 ist
aber bevorzugt so ausgebildet, dass diese beiden zweiten Elektroden 22a, 22b zusammengeschaltet
werden können und auf diese Weise ein einziger Messkondensator
entsteht.
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Wie
in 3 dargestellt, ändert sich jeweils die
Breite der beiden zweiten Elektroden 22a, 22b über den
Füllhöhenbereich des Behälters 12.
Dabei entspricht das linke Ende der Elektroden 22a, 22b in 3 dem oberen
Endbereich des Füllhöhenbereichs und das rechte
Ende der Elektroden 22a, 22b in 3 dem
unteren Endbereich des Füllhöhenbereichs. Vorzugsweise
sind die beiden zweiten Elektroden 22a, 22b als
zwei Dreiecke ausgebildet, die zueinander passend gegenläufig
zueinander auf dem Träger 20 angeordnet sind,
wie in 3 veranschaulicht.
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Werden
die Elektroden 22a, 22b und 24 entsprechend
dem Füllstand 16 der Flüssigkeit 14 im
Behälter 12 mit der Flüssigkeit 14 benetzt,
so verändern sich die Kapazitäten C1 und
C2 der beiden Messkondensatoren aufgrund
der Flüssigkeit 14 (Dielektrikum) zwischen den
ersten und zweiten Elektroden 22a, 22b, 24.
Dabei bezeichnet C1 die Kapazität
des aus der einen zweiten Elektrode 22a und der Ummantelung 24 gebildeten Messkondensators
und C2 die Kapazität des aus der
anderen zweiten Elektrode 22b und der Ummantelung 24 gebildeten
anderen Messkondensators.
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Ist
der Füllstandssensor 10 nicht mit Flüssigkeit 14 benetzt,
so sind die beiden Kapazitäten C1 und
C2 gleich groß. Wird nun der Füllstandssensor 10,
d. h. werden seine Elektroden 22a, 22b und 24 von
unten (rechts in 2 und 3) nach
oben (links in 2 und 3) benetzt,
so steigt die Kapazität C2 des
Messkondensators mit der im unteren Bereich breiteren zweiten Elektrode 22b aufgrund
der Dielektrizitätszahl der Flüssigkeit 14,
die im Allgemeinen deutlich größer als 1 ist,
schneller an als die Kapazität C1 des
anderen Messkondensators, wie in dem Diagramm von 4 beispielhaft
dargestellt. Wenn der maximale Füllstand 16 erreicht
ist, d. h. wenn die Elektroden des Füllstandssensors 10 vollständig
mit der Flüssigkeit 14 benetzt sind, sind die
beiden Kapazitäten C1 und C2 wieder gleich groß.
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Da
die anstelle eines RC-Gliedes verwendeten LC-Glieder der Auswerteschaltung 26 unempfindlich gegenüber
ohmschen Widerständen sind, werden diese Kapazitätswerte
C1 und C2 durch Übergangswiderstände,
die ggf. durch Korrosion der Elektroden 22a, 22b, 24 in
der Flüssigkeit 14 entstehen, nicht beeinflusst. Aus
diesem Grund müssen die Elektroden 22a, 22b, 24 bei
dem Füllstandssensor 10 der Erfindung nicht gegen
die Flüssigkeit 14 isoliert werden oder in besonderer
Weise haltbar gemacht werden.
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Die
Auswerteschaltung
26 kann nun aus dem Verhältnis
der beiden ermittelten Kapazitäten C
1 und
C
2 den Füllstand der Flüssigkeit
als einen ersten Messwert h
1 berechnen.
Dieser erste Messwert h
1 ist unabhängig von
der Permettivität bzw. Dielektrizitätszahl ε der
Flüssigkeit
14 im Behälter, da diese
das Verhältnis der beiden Kapazitätswerte zueinander
nicht ändert. Dies erkennt man zum Beispiel aus der Formel
(1) zur Berechnung der Kapazität C eines Plattenkondensators
mit einer Plattenfläche A und einem Plattenabstand d:
oder aus der Formel (2) zur
Berechnung der Kapazität C eines Zylinderkondensators mit
dem Radius R
1 der inneren Elektrode, dem
Radius R
2 der äußeren
Elektrode und der Zylinderlänge l:
jeweils mit ε
0 als der Dielektrizitätskonstanten
des Vakuums. Bei beiden Formeln (1) und (2) würden sich
die Dielektrizitätszahlen ε der Flüssigkeit
bei der Berechnung des Verhältnisses von C
1/C
2 herauskürzen. Mit anderen Worten
wirken sich Änderungen der Dielektrizitätszahlen
der Flüssigkeit
14 auf beide Flächen
22a und
22b in
gleicher Weise aus. Diese Überlegung gilt in analoger Weise
auch für andere Kondensatorformen. Neben der Bildung des
Verhältnisses C
1/C
2 sind
auch andere Verknüpfungen der beiden Kapazitätswerte
denkbar, bei denen die Dielektrizitätszahl ε der
Flüssigkeit
14 im Behälter
12 herausfällt.
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Eine
Veränderung des Dielektrikums und damit seiner Dielektrizitätszahl ε zum
Beispiel durch ein verändertes Mischungsverhältnis
des verwendeten Kraftstoffes (Ethanol, Methanol, Benzol, Methylester,
Ottokraftstoff, Dieselkraftstoff, usw.) beeinflusst die Bestimmung
des Füllstandes 16 mit dem kapazitiven Füllstandssensor 10 der
Erfindung somit nicht.
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Hat
die Auswerteschaltung
26 das Verhältnis C
1/C
2 ermittelt und
daraus den Füllstand
16 der Flüssigkeit
14 als
den ersten Messwert h
1 berechnet, so kann
sie nun anhand der Messfrequenz f die Dielektrizitätszahl ε der
Flüssigkeit
14 bestimmen. Aus der Thomson'schen
Schwingungsgleichung (
3) für elektrische Schwingkreise
erkennt man, dass dies für ein LC-Glied auch bei komplexeren
Schaltungsaufbauten grundsätzlich möglich ist:
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Ist
auf diese Weise die Dielektrizitätszahl ε der
Flüssigkeit 14 im Behälter 12 bekannt,
so schaltet die Auswerteschaltung 26 die beiden zweiten
Elektroden 22a und 22b zusammen, sodass diese
zusammen mit der Ummantelung 24 einen gemeinsamen Messkondensator
bilden. Diese Referenzmessung liefert mit Hilfe zum Beispiel von
Formel (1) oder (2) einen Kapazitätswert C, aus dem sich
ein zweiter Messwert h2 für den Füllstand 16 der
Flüssigkeit 14 im Behälter 12 ableiten
lässt.
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Die
Auswerteschaltung 26 kann nun die beiden Messwerte h1 und h2 miteinander
vergleichen und so den von ihr bestimmten Füllstand 16 kontrollieren.
Dabei kann die Auswerteschaltung 26 so abgestimmt werden,
dass sich anhand der Korrekturen der er mittelten Dielektrizitätszahl ε der
Flüssigkeit 14 die gleichen Messwerte h1 und h2 für
den Füllstand 16 bei getrennten und zusammengeschalteten
zweiten Elektroden 22a, 22b ergeben. Insbesondere
wird die Messfrequenz f der Auswerteschaltung 26 auf Basis
der Benetzungsfläche der Elektroden 22a, 22b dem
ermittelten Dielektrikum angepasst.
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Selbst
wenn die Flüssigkeit 14 im Behälter 12 inhomogen
ist (z. B. Wasser im unteren Bodenbereich eines Kraftstofftanks),
so verfälscht dies die oben beschriebene Bestimmung des
Füllstandes 16 kaum, da stets der gesamte Messbereich
als Referenzstrecke verwendet wird.
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Der
kapazitive Füllstandssensor 10 der Erfindung ist
in besonders vorteilhafter Weise im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik
einsetzbar, da die verwendeten Flüssigkeiten 14 (Kraftstoff,
Schmierstoffe, Hilfsmittel) typischerweise zu Korrosionen der mit
ihr in Kontakt kommenden Elektroden und damit die Entstehung entsprechender Übergangswiderstände
bewirken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 2941652
C2 [0002]
- - DE 4204212 A1 [0002]
- - DE 19754093 C2 [0002]
- - EP 0152644 A2 [0002]
- - EP 1528375 A1 [0002]
- - US 5802728 [0002]
- - WO 99/10714 A1 [0002]