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Dokumentenidentifikation DE19643753C2 22.02.2001
Titel Füllstandssensor
Anmelder AB Elektronik GmbH, 59368 Werne, DE
Erfinder Fichte, Werner, 01738 Colmnitz, DE
Vertreter Hoffmeister, H., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 48147 Münster
DE-Anmeldedatum 23.10.1996
DE-Aktenzeichen 19643753
Offenlegungstag 05.03.1998
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 22.02.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.02.2001
IPC-Hauptklasse G01F 23/22
IPC-Nebenklasse G01F 23/56   G01L 1/18   H01L 21/28   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Füllstandssensor zur Füllstandsermittlung einer in einem Behältnis ihre Menge verändernden Flüssigkeit.

Zur Ermittlung eines Füllstandes eines Tanks wird ein Schwimmkörper eingesetzt, der mit einem Schleifer jeweils einen Widerstand abgreift, die der jeweiligen Flüssigkeitsmenge entspricht.

Nachteilig ist, daß der Schleifer beim Verändern der Flüssigkeitsmenge ständig über den Widerstand oder eine mit ihm verbundene Kontaktfahne laufen muß. Durch diese ständigen Belastungen kann es zu Beschädigungen und damit zum Ausfall der Anzeige kommen.

Bekannt ist aus dem DE-Prospekt: Conrad-Katalog (Hirschau), 1996, S. 641, für industrielle Anlagen, Konsumelektronik, Automobiltechnik und biomedizinische Geräte eine Meßübertragungseinrichtung mit einem Relativdrucksensor einzusetzen. Hierfür kann es sich um eine Struktur mit zwei bzw. vier Sensorwiderständen verwendet werden, deren Signal mittels Widerstandsbrückenschaltung elektrisch als Differenzspannung ausgebildet wird. Dabei werden diese Widerstände so plaziert, daß sie im Sinne der Brückenschaltung möglichst eine gegensinnige Verstimmung verursachen. Man erhält damit zwei bzw. vier unterschiedlich angeordnete Einzelwiderstände.

Aus der DE 37 16 770 A1 ist eine Einrichtung zur Ermittlung des Flüssigkeitsvolumens in einem Behälter mit einem Auftriebskörper bekannt. Als Auftriebskörper wird ein Verdrängungskörper eingesetzt, der sich über die gesamte Höhe des Behälters erstreckt. Der Verdrängerskörper erzeugt eine resultierende Angriffskraft, die sich aus dem Gewicht und dem Auftrieb des Verdrängungskörpers ergibt und von Dehnungsmeßstreifen erfaßt wird, die sich auf einem Biegebalken befinden. Zur Stabilisierung und Korrektur eines Verlagerungsfehlers, der bei Schräglage des Behälters auftritt, ist der Verdrängungskörper mit dem Biegebalken, dem Träger und einem Abstandshalter trapezförmig verbunden.

Die DE 24 13 348 A1 gibt eine Vorrichtung zur Messung der Niveauhöhe von Flüssigkeiten in geschlossenen Behältern an, bei der der die vom Auftrieb eines in die Flüssigkeit eintauchenden Körpers auf ein an der Behälterwand befindliches Rohrstück, an dessen Innenwand Dehnungsmeßstreifen angeordnet sind, ausgeübte Kraft als Maß für die Niveauhöhe dient.

Aus der DE 33 40 760 A1 ist ein Flüssigkeitsstandanzeiger mit einem als Sensor für den Flüssigkeitsstand dienenden Auftriebskörper bekannt, der je nach Flüssigkeitsstand mehr oder weniger in die Flüssigkeit eintaucht. Hierbei ist der Auftriebskörper direkt oder über Zwischenelemente mit einer einen einseitig fest eingespannten Federstab umfassenden, auslenkbaren Halteeinrichtung verbunden, deren Auslenkung aus einer vorgegebenen Stellung als Maß für den Flüssigkeitsstand dient und durch eine Anzeigeeinrichtung anzeigbar ist. Der Auftriebskörper, der ein höheres oder geringeres spezifisches Gewicht als die zu erfassende Flüssigkeitsmenge hat, ist aus einer Vielzahl von kettenartig aneinander gereihten Auftriebselementen gebildet.

In der DE 34 32 199 A1 ist eine Vorrichtung zur Ermittlung der Füllstandshöhe von Flüssigkeiten unterschiedlichen spezifischen Gewichts in einem Behälter beschrieben, wobei an einer Krafteinleitung eines Kraftstoffmeßsystems ein Körper mit einem Gewicht hängt, das größer als das Gewicht der verschiedenen von ihm zu verdrängenden Flüssigkeit ist. Die Dicke des Körpers ist im Verhältnis zur Bauhöhe gering. Der Körper ist an einer Aufnahmeeinrichtung heb- und senkbar befestigt. Die Aufnahmeeinrichtung ist an der Krafteinleitung einer Kraftmeßzelle befestigt.

Aus der DE 32 08 986 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung und Anzeige des Gewichtes von Flüssigkeiten in einem Tank mittels eines Verdrängers bekannt. Der Tank weist ein Schwimmdach auf. Durch eine Aussparung im Schwimmdach ist ein auf dem Tankboden befestigtes Standrohr in seiner Lage fixiert.

Nachteilig ist bei diesen bekannten Lösungen, daß die eingesetzten Kraftmeßelemente keine ausreichende Temperaturbeständigkeit besitzen.

Letztendlich ist aus der EP 0 168 149 A1 eine Dehnungsmeßbrücke bekannt, bei der Temperaturfehler durch eine Brückenformation beseitigt werden. Jeder Brückenarm umfaßt allerdings eine Vielzahl von Widerstandsstreifen, die gleichartig orientiert sind. Sie sind darüber hinaus vermischt und haben eine ähnliche Verteilung auf einer planen Fläche.

Es stellt sich deshalb die Aufgabe, einen Füllstandssensor zur Füllstandsermittlung einer in einem Behältnis ihre Menge verändernden Flüssigkeit so weiter zu entwickeln, daß die Temperaturbeständigkeit des eingesetzten Kraftmeßelements und damit die Meßgenauigkeit verbessert wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Füllstandssensor ohne kontaktierende Teile den jeweiligen Füllstand angibt. Um bei Kraftfahrzeugen den jeweiligen aktuellen Füllstand anzeigen zu können, können mehrere Kraftmeßelemente mit der auf ihm befindlichen Sensorstruktur vorgesehen werden. Der Auftriebskörper, der das freie Ende der jeweiligen Kraftmeßelemente mit einer Kraft beaufschlagt, kann hierfür speziell ausgestaltet werden. Es können aber auch mehrere Auftriebskörper zum Einsatz kommen. Immer dann, wenn der Auftriebskörper eine Kraft auf das Biegekörperelement ausübt, kommt es zu Widerstandsänderungen in der Sensorstruktur zur Erfassung von Oberflächenspannungen. Die Erfassung und die Erzeugung des Füllstandsignals wird "leistungsarm" vorgenommen, so daß es zu keinen Lichtbogen-Erscheinungen bei der Erfassung und Weiterleitung des Signals kommen kann. Aufgrunddessen eignet sich diese Form der Anzeige besonders gut als Kraftstoffanzeige in Fahrzeugtanks. Die speziell ausgebildete Sensorstruktur ist bezüglich ihres Temperaturbeiwertes um eine Größenordnung besser als die bekannten Strukturen. Darüber hinaus ist durch die kleine räumliche Anordnung in der Meßübertragungseinrichtung die Empfindlichkeit auf Temperaturgradienten im Meßelement ebenfalls deutlich geringer. Die Sensorstruktur wird entsprechend gerichtet in dem Hauptbereich mechanischer Spannungen plaziert und ermöglicht so einen recht einfachen Sensoraufbau. Durch das quadratische Widerstandselement ist es möglich, Fertigungstoleranzen weiter zu minimieren.

Durch diese Unterbringung des Auftriebskörpers in dem Schutzrohr ist eine von fremden Einflüssen freie Messung gegeben. Das Verschlußstück des Schutzrohres kann als Sieb ausgebildet sein. Das Sieb übernimmt außer einer Schutz- auch Dämpfungsfunktionen, insbesondere gegen schnell wechselnde Flüssigkeitsabstände. Der Durchlaß des Siebes kann hierfür entsprechend eingestellt werden.

Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit und zur Vermeidung von Erschütterungseinflüssen kann zwischen dem Auftriebskörper und dem Biegekörperelement ein auf einer Drehpunktauflage aufliegender Kompensationsstab mit seinem freien Ende angeordnet sein. Am gegenüberliegenden Ende ist ein Kompensationsgewicht angehängt.

Durch das quadratische Widerstandselement ist es möglich, Fertigungstoleranzen weiter zu minimieren.

Der Sensorwiderstand, die Widerstandsstreifenelemente und die Elektrodenelemente können im Dickschichtverfahren hergestellt und auf dem Biegekörperlement aufgebracht sein. Das Biegekröperelement kann eine Dichtschichtkeramik oder ein emaillierter Stahl sein. Die Dicke und die Abmessungen dieses Flächenlements werden von den jeweiligen Einsatz- und Fertigungsbedingungen bestimmt. Hierdurch ist eine Konstellation herstellbar, die an die jeweiligen Einsatzbedingungen einfach anpaßbar ist. Sensorwiderstand, die Widerstandsstreifenelemente und die Elektrodenelemente können auch in Dünnschichttechnik ausgeführt werden.

Wenigstens diese Konstellation kann mit einem Sensorkopf umschlossen sein. Hierdurch ist eine Abschirmung durch äußere Einflüsse sichergestellt.

Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1a einen Füllstandssensor;

Fig. 1b eine weitere Ausführungsform eines Füllstandsensors;

Fig. 2 einen Füllstandssensor gemäß Fig. 1a bzw 1b in einem einsatzfähigen Zustand;

Fig. 3 eine Sensorstruktur zur Erfassung von Oberflächenspannungen von Biegeelementen für einen Füllstandssensor gemäß Fig. 1a bis Fig. 2 und

Eine erste Ausführungsform eines Füllstandssensors ist in Fig. 1a dargestellt.

Hierbei ist ein Sensor 1 gemäß Fig. 3 auf einem Biegekörperelement 2 angeordnet, das ein Kraftmeßelement ausbildet.

Der Widerstandssensor 1, der nach dem Differenzprinzip arbeitet, besteht gemäß Fig. 3 aus einem polygonalen Widerstandselement, das ein quadratisch ausgebildeter Sensorwiderstand 21 ist. An seinen vier Seiten sind kreuzförmig Widerstandsstreifenelemente 23, 24, 25 und 26 in Richtung seiner Elektrodenelemente 22 angesetzt. Hierdurch entsteht ein Vierpol. Er wirkt elektrisch wie eine Widerstandsbrücke, bei der bei diagonaler Belastung mittels einer gerichteten Zug-/ Druckspannung D senkrecht zum elektrischen Feld zweier gegenüberliegender Elektrodenelemente 22 eine Potentialdifferenz erzeugt wird. Diese Potential-Differenz ist annähernd proportional der angewandten Zug-/Druckspannung D und kann über die beiden freien Elektrodenelemente 22 abgegriffen werden. Die Widerstandsstreifenelemente 23, . . . 26 und die Elektrodenelemente 22 haben die gleiche Breite. Die Widerstandsstreifenstücke 22, . . . 26 werden gemeinsam mit dem Widerstandssensor 1 hergestellt (gedruckt) und bewirken eine Minimierung der Fertigungstoleranzen.

Die Struktur des Widerstandssensors 1 gemäß Fig. 3 ist bezüglich seines Temperaturbeiwertes um Größenordnungen besser als bekannte Strukturen. Darüber hinaus ist durch seine kleinere räumliche Anordnung die Empfindlichkeit auf Temperaturgradienten in einer Meßübertragungseinrichtung ebenfalls deutlich geringer. Die Sensorstruktur gemäß Fig. 3 wird entsprechend gerichtet in dem Hauptbereich der mechanischen Zug-/Druckspannungen plaziert und ermöglicht damit einen einfachen Aufbau.

Die Anordnung des Widerstandssensors 1 mit seinem Sensorwiderstand 21, den Widerstandsstreifenelementen 22, . . . 26 und den Elektrodenelementen 22 erfolgt in Dickschichttechnik. Hierbei werden die einzelnen Teile auf dem Biegekörperelement 2 aufgetragen. Das Biegekörperelement 2 ist eine Dickschichtkeramik. Es kann auch ein emaillierter Stahl sein.

Das Biegekörperelement 2 ist einseitig festgespannt. Die Sensorstruktur ist so angeordnet, daß sie sich im Übergangsbereich zwischen fester Einspannung und beweglicher Zunge im Bereich größter Materialspannung befindet. An der gegenüberliegenden freien Seite stößt ein mit einem Auftrieb A beaufschlagter Auftriebskörper 6 an. Anstelle des beschriebenen Kraftmeßelements können alle bekannten Kraftmeßelemente, wie auch Piezomeßwertumformer oder Federwegmeßsysteme eingesetzt werden.

Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit ist diese Konfiguration, wie eine zweite Ausführungsform in Fig. 1b zeigt, ergänzt durch einen Kompensationsstab 3, der auf der Spitze des Auftriebskörpers 6 aufliegt. Zwischen dem Kompensationsstab 3 und dem Biegekörperelement 2 ist ein Kompensationszwischenstück 4 angeordnet. Der Kompensationsstab 3 ist ähnlich einer Wippe auf einer Drehauflage 5' gelagert. An seinem freien Ende ist ein Kompensationsgewicht 5 angehängt.

Fig. 2 zeigt einen Füllstandssensor gemäß Fig. 1a bzw. 1b in einem einbaufähigen Zustand.

Hierbei sind wenigstens das Biegekörperelement 2 und der auf ihm im Deckschichtverfahren aufgebrachte Widerstandssensor 1 gemäß Fig. 3 von einem Sensorkopf 7 umgeben. Der Sensorkopf 7 schützt diese Teile vor einer Beeinflussung durch äußere Einflüsse und chemische Stoffe.

Der Auftriebskörper 6 ist in einem Schutzrohr 8 untergebracht. Das Schutzrohr 8 ist mit einem Verschlußstück 9, das als Siebkörper oder Gaze zur Erreichung gegebenenfalls einer erforderlichen Dämpfung verschlossen ist.

Wird der Füllstandssensor gemäß Fig. 2 in einem Flüssigkeitsbehältnis insbesondere einem Benzintank, einer Waschmaschine, einer Spülmaschine oder sonstige Flüssigkeitsbehälter eingebaut, wird durch die ansteigende Flüssigkeit der Auftriebskörper 6 in dem Schutzrohr 8 in Richtung Biegekörperelement 2 mit der Auftriebskraft A gedrückt. Die hierbei auftretende Druckspannung D führt zu einem Verformen des Biegekörperelements 2. Die durch die Auftriebkraft A ausgeübte Druckspannung D ist an den beiden freien Elektrodenelemente 22 als Spannungsgröße abgreifbar und zugleich ein Signal für einen zu erreichenden Füllstand. Dieses Signal kann abgegriffen und angezeigt oder an eine Steuereinheit weitergeleitet werden, um eine Niveauanzeige abzuleiten oder Steuerungsvorgänge einzuleiten.

Sind in einem Behältnis mehrere Füllstände anzuzeigen, sind mehrere Biegekörperelemente 2 mit dem Widerstandssensor 1 vorzusehen. Ihr Beaufschlagen mit einer Kraft, die dem jeweiligen Füllstand entspricht, kann ein Auftriebskörper oder mehrere Auftriebskörper realisieren. Läßt es die Behältergeometrie zu, wird ein Biegekörperelement 2 mit dem Widerstandssensor 1 und ein Antriebskörper 6 eingesetzt.


Anspruch[de]
  1. 1. Füllstandssensor zur Füllstandsermittlung einer in einem Behältnis ihre Menge verändernden Flüssigkeit die aufweist:
    1. - wenigstens ein einseitig festgelegtes Kraftmeßelement (1, 2) und
    2. - wenigstens einen Auftriebskörper (6), durch den das freie Ende des Kraftmeßelementes (1, 2) kontaktierend mit einer Auftriebskraft beaufschlagbar ist,
    wobei das einseitig festgelegte Kraftmeßelement ein Biegekörperelement (2) ist, auf dem eine Sensorstruktur eines Widerstandssensors (1) zur Erfassung von Oberflächenspannungen angeordnet ist,

    wobei der Widerstandssensor (1) ein in der Draufsicht quadratisch ausgebildetes Widerstandselement (21) aufweist, das sich an seinen vier Seiten in je einem Widerstandsstreifenelement (23, 24, 25, 26) fortsetzt,

    wobei kreuzweise vier Elektrodenelemente (22) an den Widerstandsstreifenelementen so angeordnet sind, daß ein Vierpol entsteht, der bei diagonaler Belastung mittels gerichteter Zug-/Druckspannungen (D) senkrecht zum elektrischen Feld zweier gegenüberliegender Elektrodenelemente (22) eine Potentialdifferenz erzeugt, und wobei der Auftriebskörper (6) in einem mit einem Verschlußstück (9) verschlossenen Schutzrohr (8) untergebracht ist.
  2. 2. Füllstandssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenelemente (22) streifenförmig ausgebildet sind.
  3. 3. Füllstandssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen dem Biegekörperelement (2) und dem Auftriebskörper (6) ein auf einer Drehpunktauflage (5') aufliegender Kompensationsstab (3) mit einem Ende angeordnet ist, wobei am gegenüberliegenden Ende ein Kompensationsgewicht (5) angehängt ist.
  4. 4. Füllstandssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorwiderstand (21), die Widerstandsstreifenelemente (23, . . . 26) und die Elektrodenelemente (22) im Dickschichtverfahren hergestellt und auf dem Biegekörperelement (2) aufgebracht sind.
  5. 5. Füllstandssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Biegekörperelement (2) eine Dichtschichtkeramik oder ein emaillierter Stahl ist.
  6. 6. Füllstandssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens das Biegekörperelement (2), der auf ihm angeordnete Sensorwiderstand (21) und die Elektrodenelemente (22) von einem Sensorkopf (7) umschlossen sind.






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