Die Erfindung betrifft einen Mediensensor zum Erfassen eines Mediums
und/oder zum Bestimmen der Beschaffenheit eines Mediums mit einem Gehäuse, in dem
ein Kondensator angeordnet ist, zwischen dessen Elektroden ein Medium eingeführt
werden kann.
Derartige kapazitive Mediensensoren werden auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugtechnik
beispielsweise zur Kraftstofferkennung, zur Ermittlung einer Medienqualität, insbesondere
der Ölqualität und zur Erkennung und Erfassung des Auftretens von Wasser benutzt.
Aus der DE 100 60 419 C2
ist ein Mediensensor insbesondere ein Wassersensor bekannt, der in Form eines elektrischen
Widerstandes ausgebildet ist, dessen Ohmscher Widerstand von dem zu erfassenden
Medium abhängt. Ein derartiger Medien- oder Wassersensor kann Medien über die verschiedenen
Leitfähigkeiten unterscheiden und dient insbesondere zum Schutz des Einspritzsystems
eines Kraftfahrzeuges vor dem Eindringen von Wasser.
Ein derartiger Sensor ist jedoch nur in der Lage das Auftreten eines
bestimmten Mediums zu erfassen, unterschiedliche Medien, beispielsweise unterschiedliche
Kraftstoffarten wie Dieselkraftstoff oder Biokraftstoffe wie beispielsweise Rapsölmethylester
können durch einen derartigen Sensor nicht unterschieden werden. Darüber hinaus
kann ein derartiger Sensor keine Aussage über die Art oder die Qualität eines Mediums
machen.
Es sind auf kapazitive Mediensensoren bekannt, die jedoch mit hohen
Frequenzen und mit Brückenschaltungen arbeiten, die bezüglich der elektromagnetischen
Verträglichkeit sehr störanfällig sind und zudem als Sender wirken können.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht daher darin,
einen Mediensensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der für verschiedene
Medien insbesondere verschiedene Kraftstoffarten und Wasser empfindlich ist.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Ausbildung gelöst,
die im Patentanspruch 1 angegeben ist.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen
Mediensensors sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 6.
Da der erfindungsgemäße Mediensensor so ausgebildet ist, dass sein
Kondensator ein homogenes elektrisches Feld erzeugt, liefert er ein Messergebnis,
das für die Unterscheidung von verschiedenen Kraftstoffarten exakt auswertbar ist.
Streufelder, die bei kapazitiven Sensoren mit nicht homogenen Feldern, wie beispielsweise
Sensoren mit Platten- oder Stabelektroden auftreten, können das Messergebnis nicht
negativ beeinflussen.
Der erfindungsgemäße Mediensensor wird so betrieben, dass sein Kondensator
mit einer niederfrequenten Taktrate mit einer Gleichspannung aufgeladen wird, der
zeitliche Anstieg der Ladespannung des Kondensators in Impulse umgewandelt wird,
deren Dauer zur Kapazität der Kondensators proportional ist, und die Impulse in
eine sich mit der Kapazität ändernden Signalspannung umgewandelt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Mediensensor ist es in dieser Weise zum
einen möglich, die Beschaffenheit eines bestimmten Medium beispielsweise eines verwendeten
Kraftstoffs zu bestimmen und zu kennen, um die künftigen Abgasvorschriften einhalten
zu können, was insbesondere für mit Dieselkraftstoff oder Biodieselkraftstoff betriebene
Fahrzeuge gilt, und kann darüber hinaus das Einspritzsystem vor einer Korrosion
geschützt werden, da eine Warnung bewirkt werden kann, wenn im Kraftstofffilter
ein bestimmter Wasserstand erreicht ist. Beide Funktionen sind mit dem erfindungsgemäßen
Sensor möglich.
Im Folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen
1 eine Teilschnittansicht des Ausführungsbeispiels,
2 eine perspektivische Ansicht des in
1 dargestellten Ausführungsbeispiels mit aufgebrochener
äußerer Elektrode und
3 eine perspektivische Ansicht eines weiteren
Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Mediensensors mit zusätzlicher Mittelelektrode.
Das in den 1 und 2
dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mediensensors umfasst ein
Gehäuse 1, an dem ein Kondensator angeordnet ist, der aus einer Außenelektrode
3 und einer Innenelektrode 4 besteht. Beide Elektroden sind über
Anschlussleiter jeweils mit einem elektrischen Anschluss 2 verbunden.
Der Kondensator besteht aus Hohlkörperelektroden 3,
4, die koaxial angeordnet sind, und insbesondere aus zwei zylindrischen
Elektroden, wobei in der äußeren Elektrode 3 Bohrungen 7 ausgebildet
sind, die die Durchflutung des Sensors mit dem zu erfassenden Medium unterstützen.
Ein derartiger Mediensensor wird beispielsweise von unten in den Kraftstofffilter
eines Kraftfahrzeuges eingebaut, um das Überschreiten der zulässigen Wassermenge
im Filter zu erfassen. Der Sensor kann jedoch auch in einer beliebigen Lage im Kraftstofftank
eingesetzt werden.
Die zulässige Wassermenge wird dann durch den Höhenabstand
6 der Innenelektrode 4 des Kondensators definiert.
Sobald der Wasserstand so weit angestiegen ist, dass sich zwischen den Elektroden
3 und 4 Wasser befindet, ändert sich die Dielektrizitätskonstante
so stark, dass das über eine entsprechende Auswerteschaltung sicher erfasst werden
kann.
Die Bohrungen 7, die das Durchfluten des Sensors unterstützen,
stellen sicher, dass die Kraftstoffart oder der Wasserstand im Inneren des Sensors
auch der Kraftstoffart oder dem Wasserstand außerhalb des Sensors entspricht.
Die Elektroden 3, 4 sind bei dem in 1
und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel als
koaxiale Zylinderelektroden vorgesehen, sie können aber auch einen ovalen oder einen
rechteckigen insbesondere quadratischen Querschnitt haben, so lange sie ein homogenes
elektrisches Feld liefern und Einwirkungen von Streufeldern vermieden sind.
Wenn die mittlere Elektrode 4 mit einer Gleichspannung insbesondere
Gleichspannungsimpulsen beaufschlagt wird, wirkt darüber hinaus die äußere Elektrode
3 als Abschirmung, was zur Einhaltung der EMV-Grenzwerte dient.
Der oben beschriebene Mediensensor arbeitet in der folgenden Weise:
Im Ruhezustand liegt die Mittelelektrode 4 niederohmig auf Massepotential,
so dass beide Elektroden 3, 4 in diesem Zustand spannungsfrei
sind.
Zu Beginn eines Grundtaktes wird die Mittelelektrode 4 hochohmig
geschaltet und wird mit dem Aufladen des Kondensators begonnen. Der Ladevorgang
des Kondensators endet, wenn die Spannung an der Mittelelektrode 4 einen
bestimmten Wert erreicht, der als Schwellenwert bezeichnet werden kann. Gleichzeitig
mit dem Ende des Ladungsvorgangs wird die Mittelelektrode 4 wieder niederohmig
auf Massepotential gelegt. Dadurch wird der Kondensator entladen.
Das Ausgangssignal des Kondensators liegt an einem Multivibrator,
der einen Impuls erzeugt, dessen Länge in einem linearen Zusammenhang mit der Sensorkapazität
steht. Zwischen der Sensorkapazität und der Impulsdauer besteht ein linearer Zusammenhang.
Das Ausgangssingal des Multivibrators kann über ein Tiefpassfilter
in eine Signalspannung umgewandelt werden, die nur noch in den gewünschten Spannungsbereich
durch Verstärkung oder Offset-Korrektur umgewandelt werden muss und zur Anzeige
verwandt werden kann.
Zur Durchführung dieses Verfahrens wird eine Schaltungsanordnung benötigt,
die einen Taktgenerator aufweist, dessen Taktausgangssignal an dem Multivibrator
liegt, der seinerseits einen Signaleingang aufweist, der mit der Mittelelektrode
4 des Mediensensors verbunden ist, an dem die Ladespannung liegt. Über
diesen Signaleingang wird die Elektrode 4 des Mediensensors hochohmig und
niederohmig geschaltet wobei das Tiefpassfilter, an dem das Ausgangssignal des Multivibrators
liegt an seinem Ausgang die gewünschte Signalspannung liefert, die zur Kapazität
des Mediensensors proportional ist.
Wenn der Kondensator mit einer niederfrequenten Taktrate mit einer
Gleichspannung aufgeladen wird und der zeitliche Anstieg der Ladespannung des Kondensators
in Impulse umgewandelt wird, deren Dauer zur Kapazität des Kondensators proportional
ist ergibt sich eine Signalspannung, die sich linear mit der Kapazität des Kondensators
ändert und damit eine Anzeige für das entsprechende Medium liefert, das sich zwischen
den Kondensatorelektroden 3, 4 befindet.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Mediensensors, das sich von dem in den 1
und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch
unterscheidet, dass eine zusätzliche Mittelelektrode 5 vorgesehen ist,
die elektrisch mit der Außenelektrode 3 verbunden ist, wobei alle Elektroden
3, 4, 5 koaxial angeordnet und ausgebildet sind. Diese
zusätzliche Mittelelektrode 5 erhöht die Fläche des Kondensators, was ein
sicheres Erkennen verschiedener Kraftstoffarten gewährleistet und es erlaubt, die
Bauhöhe des Sensors zu begrenzen.
Mit dem erfindungsgemäßen Mediensensor ist es möglich, mit großer
Sicherheit Wasser in Kraftstofffiltern zu erkennen und in Kombination mit der Wassererkennung
die Kraftstoffart zu erkennen, wobei eine ausgezeichnete Durchspülung des Sensors
und eine gute Abschirmung durch die äußere Elektrode gewährleistet sind.
