DE102014006276A1

DE102014006276A1 - Messvorrichtung sowie Verfahren zum Messen des Pegels einer Flüssigkeit in einem Behälter

Info

Publication number: DE102014006276A1
Application number: DE102014006276.7A
Authority: DE
Inventors: Axel Bartos; Armin Meisenberg; Andreas Voss
Original assignee: Meas Deutschland GmbH
Current assignee: TE Connectivity Sensors Germany GmbH
Priority date: 2014-05-02
Filing date: 2014-05-02
Publication date: 2015-11-05
Also published as: BR112016025485A2; US10656004B2; KR20170008244A; WO2015165593A1; US20170074715A1; CN106662480A; EP3137858A1

Abstract

Messvorrichtung zum Messen des Pegels einer Flüssigkeit in einem Behälter mit einer Sensorzeile mit mindestens zwei entlang eines Messwegs beabstandet von einander angeordneten, magnetfeldempfindlichen Sensorelementen, einem ein Magnetfeld erzeugenden Schwimmer, der entlang des Messwegs von einem ersten Messort, an dem der Schwimmer eine erste Relativposition relativ zu der Sensorzeile einnimmt, zu zumindest einem zweiten Messort an dem der Schwimmer eine zweite Relativposition relativ zu der Sensorzeile einnimmt, beweglich ist, bei dem sich das von dem Schwimmer erzeugte Magnetfeld an einem ersten Ort entlang der Sensorzeile im Wesentlichen parallel zum Messweg erstreckt, wenn sich der Schwimmer am ersten Messort befindet, und sich das von dem Schwimmer erzeugte Magnetfeld an einem zweiten Ort entlang der Sensorzeile im Wesentlichen parallel zum Messweg erstreckt, wenn sich der Schwimmer am zweiten Messort befindet, wobei zumindest ein Sensorelement der Sensorzeile einen magnetoresistiven Effekt nutzt oder ein Hallsensor ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zum Messen des Pegels einer Flüssigkeit in einem Behälter sowie ein Verfahren zum Messen des Pegels einer Flüssigkeit in einem Behälter. Ebenso betrifft die Erfindung Verwendungen derartiger Messvorrichtungen und Messverfahren.
In einer Vielzahl technischer Gebiete besteht das Bedürfnis, die Höhe einer Flüssigkeitsoberfläche gegenüber einer Bezugshöhe zu ermitteln.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Schwimmer einzusetzen, die auf der Flüssigkeit aufschwimmen und durch Bestimmung der Position des Schwimmers in dem Behälter Rückschlüsse auf den Pegel der Flüssigkeit in dem Behälter zu ziehen.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, bei Messvorrichtungen zum Messen des Pegels einer Flüssigkeit magnetempfindliche Sensorelemente einzusetzen. Aus DE 101 56 479 A1 ist es bekannt, einen drehbar gelagerten Hebelarm einzusetzen, an dessen einem Ende ein Schwimmer angebracht ist und dessen drehbar gelagertes Ende mit einem Ringmagneten in Verbindung steht und einen Sensor einzusetzen, wobei bei Auslenkung des Hebels der Ringmagnet mitausgelenkt wird, sodass dieser seinen magnetischen Einfluss auf den Sensor verändert, was ein dem Pegel entsprechendes Ausgangssignal bewirkt. Als Sensor wird ein programmierbarer Hallsensor eingesetzt. Aus DE 199 35 652 A1 ist es bekannt, mit dem Schwimmer einen Magneten zu verbinden und außerhalb der Bewegungsbahn des Schwimmers einen Sensor vorzusehen, der die Richtungsänderung der Feldlinien des von dem Magneten erzeugten magnetischen Feldes abhängig von der Stellung und/oder der Lage des durch den Schwimmer bewegten Magneten messen kann und elektrisch an einer Anzeige wiedergeben kann. Aus DE 199 25 185 A1 ist es bekannt, einen um eine Drehachse drehbar gelagerten Schwimmer vorzusehen und an der Drehachse des Schwimmers einen Magneten zu montieren, der gegenüber einem im Innenraum eines Rohrs angeordneten Magnetfeldsensors angeordnet ist, der dazu eingerichtet ist, ein von der Winkelstellung des Schwimmers abhängiges Signal über eine elektrische Leitung an eine Auswerteeinrichtung auszugeben.
Aus US 3,982,087 , GB 1395 075 und DE 32 41 250 A1 sind Messvorrichtungen zum Messen des Pegels einer Flüssigkeit in einem Behälter bekannt, bei denen als magnetempfindliche Sensorelemente Reed-Kontakte eingesetzt werden. Reed-Kontakte weisen bewegliche Komponenten auf. Deshalb eignen sich derartige Messvorrichtungen nicht besonders gut für den Einsatz in Behältern, die in Fahrzeuge eingebaut werden. Die während der Fahrt entstehenden Vibrationen können zu Schädigungen der Reed-Kontakte führen.
Bei Messvorrichtungen, die Reed-Kontakte einsetzen, wird regelmäßig eine Reihe von Reed-Kontakten vorgesehen, die in einem Gehäuse von der Flüssigkeit abgekapselt werden. Der Pegel der Flüssigkeit wird durch das Schalten eines jeweiligen Reed-Kontakts ermittelt. Die Auflösung des Systems hängt somit von der Größe der Reed-Kontakte und deren Anzahl pro Abschnitt des Messwegs ab. Typischerweise erzielt man mit Messvorrichtungen mit Reed-Kontakten eine Auflösung von 10 bis 20 mm.
Vor diesem Hintergrund lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung und ein Messverfahren zum Messen des Pegels einer Flüssigkeit in einem Behälter vorzuschlagen, die den Pegel der Flüssigkeit in dem Behälter mit einer höheren Auflösung messen können.
Diese Aufgabe wird durch die Messvorrichtungen gemäß den Ansprüchen 1 und 2 gelöst sowie durch das Messverfahren gemäß Anspruch 10. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben sowie in der hiernach folgenden Beschreibung.
Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, in der Sensorzeile ein magnetempfindliches Sensorelement einzusetzen, das keine beweglichen Komponenten enthält, insbesondere bevorzugt in der Sensorzeile keine Sensorelemente mit Reed-Kontakten einzusetzen. Dies wird insbesondere dann erreicht, wenn zumindest ein Sensorelement der Sensorzeile einen magnetoresistiven Effekt nutzt oder ein Hallsensor oder eine Feldplatte oder ein EMR Sensor ist.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung zum Messen des Pegels einer Flüssigkeit in einem Behälter weist eine Sensorzeile mit mindestens zwei entlang eines Messweges beabstandet voneinander angeordneten, magnetfeldempfindlichen Sensorelementen auf. Insbesondere bevorzugt weist die Sensorzeile mehr als zwei, insbesondere bevorzugt mehr als drei und insbesondere bevorzugt mehr als fünf und besonders bevorzugt mehr als 10 Sensorelemente, insbesondere bevorzugt mehr als 15 Sensorelemente auf. Die Anzahl der vorzusehenden Sensorelemente hängt insbesondere von der Länge des Messwegs, der verwendeten Gebermagnetgeometrie und der daraus resultierenden sensorparallelen Magnetfeldverteilung und von der gewünschten Auflösung ab. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Sensorelemente entlang des Messwegs äquidistant zueinander angeordnet. Es sind aber auch Ausführungsformen denkbar, bei denen die Sensorelemente in bestimmten Abschnitten des Messwegs enger zueinander angeordnet sind als in anderen Abschnitten des Messwegs. Beispielsweise sind Ausführungsformen denkbar, bei denen in bestimmten Abschnitten des Messwegs eine besonders hohe Auflösung gewünscht wird, beispielsweise am unteren Ende des Messwegs, an dem sich der Pegel der Flüssigkeit in dem Behälter möglicherweise dem vollständig entleerten Zustand des Behälters nähert.
In einer bevorzugten Ausführungsform nutzen alle Sensorelemente der Sensorzeile einen magnetoresistiven Effekt. Das Sensorelement kann den „anisotropen-magnetoresistiven Effekt” (AMR-Effekt) oder den „gigantischen” magnetoresistiven Effekt (GMR-Effekt) aufweisen. Das Sensorelement kann jedoch auch andere Effekte aufweisen, wie beispielsweise den giant magneto impedance-(GMI) oder den tunnel magneto resistance-Effekt (TMR). Ebenso kann das Sensorelement ein Hallsensor sein. Ebenso kann das Sensorelement eine Feldplatte oder ein Sensor basierend auf dem „extraordinären magnetoresistiven” Effekt (EMR) sein. Dabei wird unter einer Feldplatte (auch Magnetic Dependent Resistor (MDR) genannt) ein aus Halbleitern aufgebauter Sensor verstanden, der auf Magnetfelder durch eine Änderung des elektrischen Widerstandes reagiert Der zugrunde liegende Effekt wird auch als Gauß-Effekt oder als Thomson-Effekt, nach William Thomson bezeichnet
Der Einsatz von Sensorelementen, die den magnetoresistiven Effekt nutzen oder die Hallsensoren sind, bietet den zusätzlichen Vorteil, dass ihr analoges Signalverhalten auch die Interpolation von Schwimmerpositionen im Bereich zwischen zwei Sensorelementen erlaubt.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden magnetoresistive Sensorelemente eingesetzt, die Barberpole Strukturen aufweisen. Auch in diesem Fall kann zur Sicherstellung eines stabilen Betriebszustandes, insbesondere in Abwesenheit des Gebermagneten, entfernter Lage des Gebermagneten oder eines sehr schwachen Gebermagneten, der Einsatz einer Stützfeldvorrichtung vorgesehen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden magnetoresistive Sensorelemente eingesetzt, die lediglich zwei verschiedene Typen von Widerständen beinhalten, deren Widerstandsstreifen im Wesentlichen parallel und im Wesentlichen rechtwinklig zum Messweg orientiert sind. Der besondere Vorteil einer solchen Ausführung steht in dem insbesondere im Vergleich zu Barberpol- und Drehwinkelsensoren sehr großen Verhältnis zwischen erzielbarem Sensorwiderstand und Sensoroberfläche. Die Kennlinie derartiger Sensorelemente ist unipolar, unterscheidet also nicht zwischen einer Nordausrichtung und einer Südausrichtung des von ihm erfassten Magnetfelds. Dies kann im Zusammenwirken mit einem Schwimmer, dessen Nord-Süd-Achse parallel zum Messweg ausgerichtet ist, zumindest bei einer symmetrischen Schwimmerkonstruktion eine von der Einbaulage des Schwimmers unabhängige Funktion gewährleisten. In einer bevorzugten Ausführungsform verfügen die AMR-Sensoren durch Integration von Widerstandsmaterial mit unterschiedlichem Temperaturverhalten über ein Temperaturverhalten des Ausgangssignals, das zumindest im mittleren Teil der Kennlinien in erster Näherung eine Temperaturunabhängigkeit des Ausgangsmaterials bewirkt.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden als Sensorelemente der Sensorzeile magnetoresistive Drehwinkelsensoren verwendet, die sin- und cos-artige feldwinkelabhängige Sensorsignale erzeugen können. Der Vorteil des Einsatzes von Drehwinkelsensoren besteht darin, dass bei der Bestimmung des Magnetfeldwinkels am Sensorort die Temperaturabhängigkeit der Sensorausgangsamplitude keinen Einfluss auf die Winkel- und damit Geberpositionsbestimmung hat. Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft dieses Sensortyps in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Möglichkeit, über die Wurzel der Summe der Quadrate der Ausgangssignale beider Kanäle die MR-Signalamplitude unabhängig von der Magnetfeldrichtung und über die Temperaturabhängigkeit dieses Parameters eine Temperaturmessung ohne die Notwendigkeit des Einsatzes eines zusätzlichen Temperatursensors zu realisieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das jeweilige Sensorelement eine Vollbrücken-Anordnung (Wheatstone Brücke) magnetoresistiver Elemente auf oder eine Halbbrückenschaltung derartiger magnetoresistiver Elemente. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform können pro Sensorelement weitere Vollbrückenschaltungen, bzw. weitere Halbbrückenschaltungen vorgesehen sein. Durch eine geeignete Konstruktion des magnetfeldempfindlichen Sensors können zwei sinus- und cosinus-artige, in erster Linie von der Feldrichtung abhängende Signale erhalten werden. Auch in diesem Fall kann zur Sicherstellung eines stabilen Betriebszustandes, insbesondere in Abwesenheit des Gebermagneten, entfernter Lage des Gebermagneten oder eines sehr schwachen Gebermagneten, der Einsatz einer Stützfeldvorrichtung vorgesehen werden.
Ergänzend oder alternativ weist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zumindest ein Sensorelement der Sensorzeile, insbesondere bevorzugt alle Sensorelemente einen ersten Teil auf, der ein erstes Zwischensignal erzeugt, und einen zweiten Teil auf, der ein zweites Zwischensignal erzeugt, wobei der Verlauf des ersten Zwischensignals und der Verlauf des zweiten Zwischensignals abhängig ist von der Richtung und/oder der Stärke eines extern erzeugten Magnetfelds und das erste Zwischensignal im Wesentlichen einen sinus-artigen Verlauf und das zweite Zwischensignal im Wesentlichen einen cosinus-artigen Verlauf aufweist, wobei der Mittelpunkt des ersten Teils dem Mittelpunkt des zweiten Teils entspricht. Durch diese Anordnung des ersten, das sinus-artige Signal erzeugenden Teils relativ zum zweiten, das cosinus-artige Signal erzeugenden Teils kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass aus einer Analyse der beiden Zwischensignale auf eine momentane Signalamplitude geschlossen werden kann. Diese Information kann beispielsweise zu einer Bestimmung einer Grobposition des Schwimmers (der Bestimmung seiner Position mit geringer Auflösung) herangezogen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Sensorelement der Sensorzeile ein Ausgangssignal erzeugen, dass durch die Überlagerung des sensorzeilenparallelen Magnetfeldes mit einem magnetischen Stützfeld bestimmt wird. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass am Ort der Sensorelemente mittels einer Stützfeldvorrichtung ein permanentes Magnetfeld erzeugt wird, welches senkrecht zur Zeilenlängsrichtung orientiert ist und durch ein zeilenparalleles, vom Schwimmer erzeugte Messfeld, welches an jedem Ort schwächer ist als das Stützfeld, in seinem Winkel beeinflusst wird. Das Sensorelement, bei dem es sich um einen Barberpolsensor oder einen Drehwinkelsensor oder eine Einzelbrücke aus zueinander orthogonal orientierten Streifen mit sinus-artigem Signal handeln kann, erzeugt dann ein im Wesentlichen vom Feldwinkel am Sensorort abhängiges Signal. Der Winkel des durch die Überlagerung des vom Schwimmer erzeugten Feldes mit dem Stützfeld erzeugten Feldes am Sensorort hängt in erster Näherung nur von der in Zeilenrichtung wirkenden Komponente des vom Schwimmer erzeugten Feldes ab. Hierdurch wird insbesondere ein Einfluss von radialen Feldkomponenten, die z. B. durch Verkippungen oder radiale Positionsverlagerungen des Schwimmers entstehen können, minimiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ausgangssignalverhalten der einzelnen Sensoren nicht spiegelsymmetrisch zu der Mittelposition des magnetischen Gebers relativ zu dem jeweiligen Sensorelement.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Messweg ein sich linear erstreckender Messweg. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Sensorzeile in ein Gehäuse integriert. Dies erlaubt es, die Sensorzeile von der Flüssigkeit zu trennen. Das Gehäuse der Sensorzeile kann dann gleichzeitig als Führung für den Schwimmer verwendet werden, wenn dieser sich von einer ersten Relativposition relativ zur Sensorzeile zu einer zweiten Relativposition relativ zur Sensorzeile bewegt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse der Sensorzeile stabartig ausgeführt und der Schwimmer ring- oder zylinderförmig ausgebildet, sodass er auf den Stab aufgeschoben werden kann. Ist der Stab ein sich linear erstreckender Stab, kann er einen sich linear erstreckenden Messweg vorgeben. Ebenso ist es denkbar, durch die Form des Stabes einen anderen als einen sich linear erstreckenden Messweg vorzugeben, beispielsweise wenn der Stab einem Ellipsenbogen, insbesondere bevorzugt einem Kreisbogen folgend ausgeformt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse der Sensorzeile stabartig ausgebildet und der Schwimmer ring- oder zylinderförmig ausgebildet und auf den Stab aufgeschoben, wobei der Durchmesser der Öffnung des ring- oder zylinderförmig ausgebildeten Schwimmers größer ist, als der Außendurchmesser, des stabförmigen Gehäuses. Insbesondere bevorzugt ist bei symmetrischer Anordnung des Schwimmers relativ zur Längsachse des Stabs auf gegenüberliegenden Seiten des Stabs ein Spiel von einem 1 mm, insbesondere bevorzugt von mehr als 1 mm, insbesondere bevorzugt von mehr als 2 mm zwischen der Außenoberfläche des Stabs und der nach innen weisenden Oberfläche des ring- oder zylinderförmigen Schwimmers vorgesehen. Es ist bekannt, dass Flüssigkeiten in Behältern kristallisieren können. Dabei sind Betriebssituationen denkbar, bei denen nur einige Kristalle aus der Flüssigkeit gebildet werden. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Messvorrichtungen zum Messen des Pegels einer Flüssigkeit in einem Behälter, bei der ein Schwimmer entlang eines Stabs geführt wird, hat dies dazu geführt, dass bei zu eng gewähltem Spiel zwischen dem Schwimmer und dem Stab, die Kristalle die Bewegung des Schwimmers blockieren, sodass dieser den Pegel der Flüssigkeit nicht mehr ermitteln kann. Der Einsatz von Sensorelementen, die den magnetoresistiven Effekt nutzen, bzw. von Hallsensoren erlaubt es, insbesondere im Vergleich zu Ausführungsformen aus dem Stand der Technik, die Reed-Kontakte einsetzen, das Spiel zwischen dem Schwimmer und dem Stab größer zu wählen. Dadurch bietet der erfindungsgemäße Einsatz von Sensorelementen, die den magnetoresistiven Effekt nutzen, bzw. Hallsensoren sind, den weiteren Vorteil, dass diese Messvorrichtungen auch bei kristallisierenden Flüssigkeiten besser eingesetzt werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Schwimmer so ausgeführt, dass er um die dem Messweg entsprechende Längsrichtung der Sensorzeile frei drehbar ist. Dies kann insbesondere bevorzugt dadurch umgesetzt werden, dass die Sensorzeile in einem stabartig ausgeführten Gehäuse integriert ist, während der Schwimmer ring- oder zylinderförmig ausgebildet ist. Aus dem Stand der Technik sind Ausführungsformen bekannt, bei denen ein ring- oder zylinderförmig ausgebildeter Schwimmer eine Ausnehmung aufweist, in die eine an dem Stab vorgesehene, sich in Längsrichtung des Stabs erstreckende Rippe eingreift. Dadurch wird verhindert, dass sich der ring- oder zylinderförmige Schwimmer um die Längsachse des Stabs dreht. Der Einsatz einer solchen Führung des Schwimmers an dem Stab birgt wiederum das Risiko, dass Kristalle der Flüssigkeit die Bewegung des Schwimmers entlang der Längsachse des Stabs blockieren, wenn sie sich in den Spalt zwischen Rippe und der die Ausnehmung begrenzenden Wandung setzen. Indem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Schwimmer frei drehbar um die Längserstreckung der Sensorzeile ausgeführt wird, kann auf derartige Führungen verzichtet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Sensorzeile eine Stützfeldvorrichtung auf, die in den Sensorelementen ein magnetisches Stützfeld erzeugt. Die eingesetzte Stützfeldvorrichtung kann aus einem oder mehreren Bauteilen, beispielsweise Permanentmagneten bestehen. Die Stützfeldvorrichtung kann aber auch aus einer Vielzahl von Komponenten bestehen, wie sie beispielsweise bei der Erzeugung von Magnetfeldern mittels elektromagnetischer Spulen notwendig sind. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Stützfeldvorrichtung durch eine Mehrzahl von Permanentmagneten gebildet, wobei jedem Sensorelement mindestens ein Permanentmagnet, insbesondere bevorzugt genau ein Permanentmagnet zugeordnet ist. Werden die Sensorelemente bei einer solchen Ausführungsform auf einem Trägerelement, beispielsweise einer Leiterplatte angeordnet, so können die Permanentmagneten neben oder gegenüber den Sensoren auf derselben Leiterplatte angeordnet sein. Ebenso können die Permanentmagneten unmittelbar auf oder unter den Sensorsubstraten angeordnet sein. Die Anordnung der die Stützfeldvorrichtung bildenden Magnete in der Nähe der Sensorelemente erlaubt den Einsatz kleinerer Magnete mit weniger ausgreifenden Feldern, wodurch im praktischen Einsatz Probleme durch anhaftende Metallverunreinigung verringert werden können. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden die zusätzlichen Permanentmagneten auf der Leiterplatte in demselben Lötvorgang wie die Sensoren und übrigen Bauelemente aufgebracht. Zur Verbesserung des Lot- oder Klebevorganges können die Magnete mit einer Oberflächenbeschichtung versehen sein.
In einer besonders einfachen Ausführungsform besteht die Stützfeldvorrichtung aus einem einzelnen, segmentweise unterschiedlich magnetisierten Magneten.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Sensoren entlang des Messwegs gleichmäßig angeordnet. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist bei dieser Ausführungsform eine Stützfeldvorrichtung vorgesehen, bei der Permanentmagneten eingesetzt werden, die ebenfalls gleichmäßig angeordnet sind.
Um bei den jeweils äußeren Sensoren der Sensorreihe durch den Abbruch der Magnetreihe eine abweichende magnetische Flussdichte am Sensorort zu vermeiden, kann der jeweils äußere Magnet eine von den inneren Magneten abweichende Form oder Lage enthalten.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Stützfeldvorrichtung Permanentmagneten auf, die gleich ausgebildet sind.
Zur Erleichterung der Handhabung der Magnete beim Bestückungsvorgang und zur Sicherstellung einer korrekten Magnetisierung aller Magnete erfolgt dieser Schritt vorteilhafterweise mit unmagnetisierten Magneten, welche erst in einem zusätzlichen Fertigungsschritt magnetisiert werden.
Magnetfeldempfindliche Sensorelemente, insbesondere magnetoresistive Sensorelemente, insbesondere Barberpolsensoren, weisen häufig einen Verlauf der Kennlinie, die für jede Feldstärke der Magnetfeldkomponente eines durch einen magnetfelderzeugenden Gebers erzeugten Magnetfelds in dem Sensor einen Wert des Verhältnisses der Stärke des von dem Sensorelement erzeugten Sensorsignals relativ zum maximal von dem Sensorelement erzeugbaren Sensorsignal wiedergibt, auf, der nur in einem teilweise geringen Feldstärkenbereich der Magnetfeldkomponente im Wesentlichen linear ist und angrenzend an den im Wesentlichen linear verlaufenden Abschnitt der Kennlinie nichtlinear verläuft. Mit dem Einsatz einer Stützfeldvorrichtung besteht die Möglichkeit, die Kennlinie des Sensors zu beeinflussen, um so den Feldstärkenbereich der Magnetfeldkomponente des externen Magnetfelds, in dem die Kennlinie linear verläuft, anzupassen. So kann die Vorrichtung zum Erzeugen eines Sensorsignals beispielsweise durch geeignete Wahl der Stützfeldvorrichtung so eingestellt werden, dass sie bei der sonst bei zu starken Signalen des Gebers nicht-linear werdenden Sensorkennlinie durch den Einsatz der Stützfeldvorrichtung ein Kennlinienverlauf bereitstellt, bei dem einerseits bei den stärksten zu erwartenden Gebermagneten die dadurch in dem Sensor erzeugte Feldstärke noch im weitgehend linearen Bereich der Sensorkennlinie ist und andererseits auch bei schwächeren, weit entfernten Magneten noch gut auswertbare Kennlinienverläufe zur Verfügung stellt. Auch ermöglicht es der Einsatz eines Stützfeldes eine einzige Bauform der Vorrichtung bereitzustellen, die mit unterschiedlichen Gebern mit unterschiedlichen Magnetfeldern des Gebers eingesetzt werden kann.
Der Einsatz eines Stützmagnetfelds führt sowohl bei der Verwendung von Barberpol- als auch bei magnetoresistiven Drehwinkelsensoren dazu, dass die für anisotrop-magnetoresistive Sensoren typische Unabhängigkeit des Sensorsignals von der N-S-Orientierung aufgehoben wird und damit die Signalform eines Einzelsensorelements nicht mehr spiegelsymmetrisch zur Gebermagnetposition ist. Hierdurch wird die Mehrdeutigkeit der Positionsbestimmung bei der Auswertung eines Einzelsensorsignals reduziert. Eine in allen Positionen eindeutige Positionsbestimmung des Gebermagneten ist hierdurch mit weniger Einzelsensorelementen im Wirkungsbereich des Gebermagneten möglich, sodass der mittlere Abstand der Einzelsensorelemente vergrößert wird, bzw. deren Gesamtanzahl für einen vorgegebenen Pegelmessbereich verringert werden kann.
Werden für die Magneten des Stützfelds und für den Gebermagneten Materialien mit dem gleichen Temperaturkoeffizienten der reversiblen Magnetisierung verwendet, so wird die Empfindlichkeit der Sensorelemente und damit die Sensorsignale praktisch nicht durch das Temperaturverhalten der Permanentmagneten beeinflusst.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Schwimmer mehr als einen Permanentmagneten auf, wobei alle Permanentmagnete entweder bezüglich einer Achse achsparallel magnetisiert sind oder alle Permanentmagneten bezüglich einer Achse radial magnetisiert sind und wobei alle Permanentmagneten in einer die Permanentmagneten schneidenden Ebene die senkrecht zu der Achse steht, radiärsymmetrisch angeordnet sind. Als radiärsymmetrische Anordnung der Permanentmagneten wird dabei verstanden, dass bei einer Drehung des Schwimmers um einen gewissen Winkel um die Achse die Permanentmagneten wieder mit sich selbst zur Deckung kommen. Mit einem derartigen Schwimmer kann an dem jeweiligen Einzelsensorelement abhängig von der Positionierung des Schwimmers relativ zu diesem Einzelsensorelement ein im Wesentlichen sensorzeilenparalleles Magnetfeld erzeugt werden, dessen lokale Stärke für das Ausgangssignal des jeweiligen Einzelsensorelementes bestimmend ist. Bei Sensoranordnungen deren Kennlinie zwischen Nord- und Südpol unterscheiden, bietet insbesondere die Schwimmerausführung mit radialmagnetisieren Magneten den Vorteil, dass – einen symmetrischen, mechanischen Aufbau des Schwimmers vorausgesetzt – die Einbaulage bezüglich oben/unten beliebig ist. Bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung erstreckt sich das von dem Schwimmer erzeugte Magnetfeld an einem ersten Ort entlang der Sensorzeile im Wesentlichen parallel zum Messweg, wenn sich der Schwimmer am ersten Messort befindet, und erstreckt sich an einem zweiten Ort entlang der Sensorzeile im Wesentlichen parallel zum Messweg, wenn sich der Schwimmer am zweiten Messort befindet. Insbesondere bevorzugt ist der erste Messort gewählt, dass sich an dem ersten Ort entlang der Sensorzeile, an dem sich das von dem Schwimmer erzeugte Magnetfeld im Wesentlichen parallel zum Messweg erstreckt, ein Sensorelement angeordnet ist. Ferner ist der zweite Messort insbesondere bevorzugt so gewählt, dass sich an dem zweiten Ort entlang der Sensorzeile, an dem sich das von dem Schwimmer erzeugte Magnetfeld im Wesentlichen parallel zum Messweg erstreckt, ein Sensorelement angeordnet ist. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist somit an jedem Messort ein Sensorelement vorgesehen, das nur ein sich im Wesentlichen parallel zum Messweg erstreckendes Messfeld sieht. In der Mehrzahl der Ausführungsformen der Erfindung wird es eine beliebige Anzahl von Messorten zwischen dem ersten und dem zweiten Messort geben, da der Pegel zwischen dem ersten und dem zweiten Messort eine beliebige Anzahl von Ständen einnehmen kann und der auf der Flüssigkeit aufschwimmende Schwimmer somit eine beliebige Zahl von Positionen relativ zur Sensorzeile einnehmen kann.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Schwimmer eine Anzahl von äquidistant über den Umfang eines ring- oder zylinderförmig ausgeführten Schwimmers verteilter Permanentmagneten auf, wobei alle Permanentmagnete entweder bezüglich einer Achse achsparallel ausgerichtet sind oder alle Permanentmagneten bezüglich einer Achse radial ausgerichtet sind und wobei alle Permanentmagneten in einer die Permanentmagneten schneidenden Ebene die senkrecht zu der Achse steht, radiärsymmetrisch angeordnet sind, wobei die Anzahl der Permanentmagneten zwei, insbesondere bevorzugt drei, insbesondere bevorzugt vier oder insbesondere bevorzugt fünf ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Schwimmer einen hohlzylinderförmigen Magneten auf, dessen Längsachse parallel zum Messweg weist, bzw. auf dem Messweg liegt, und der Magnet radial oder achsparallel zur Längsachse magnetisiert ist. Der Einsatz eines hohlzylinderförmigen Magneten vereinfacht den Bau des Schwimmers im Verhältnis zu einem Schwimmer, der eine Anzahl von äquidistant über den Umfang eines ring- oder zylinderförmig ausgeführten Schwimmers verteilter Permanentmagneten aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Temperaturmessvorrichtung, die die Temperatur der Flüssigkeit in dem Behälter messen kann. Dadurch kann eine Kompensation von temperaturabhängigen Sensor- und/oder Geberparametern erfolgen. Ebenso kann die Temperaturmessung Hinweise über den Zustand der Flüssigkeit geben, deren Pegel zu messen ist. Die Temperaturmessvorrichtung kann ein separat vorgesehenes Messelement, beispielsweise ein einen Platin-Messwiderstand aufweisendes Messelement aufweisen. Ebenso kann die Temperaturmessvorrichtung halbleitende Bauelemente, die PN Übergänge aufweisen verwenden. Ebenso kann die Temperaturmessvorrichtung Bauelemente mit nichtlinearen Widerständen, wie bspw. Thermistoren verwenden. Ebenso kann die Temperaturmessvorrichtung thermoelektrische Bauelemente, wie zum Beispiel Thermoelemente verwenden. Ebenso kann die Temperaturmessvorrichtung durch Auswertung der Ausgangssignale der Sensorzeile die Temperatur ermitteln, beispielsweise durch Ermittlung der temperaturabhängigen MR-Signalamplitude eines Drehwinkelsensors, bei dem über die Summe der Quadrate der Ausgangssignale beider Kanäle die MR-Signalamplitude ermittelt werden kann. Die Temperaturmessvorrichtung kann ebenfalls Teil der Auswerteeinheit sein. Insbesondere kann die Temperatur in einem Microcontroller mittels Bandgap-Referenz ermittelt werden. Dies hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen Komponenten für die Temperaturmessung benötigt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Sensorsignale mehrerer Einzelsensorelemente mit Hilfe eines Multiplexers in zeitlicher Folge einem Analog-Digital-Konverter zugeführt werden, so dass die Anzahl der zur Signalauswertung verwendeten Analog-Digital-Konverter kleiner ist als die Anzahl der auszuwertenden Einzelsensorsignale.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Messen des Pegels einer Flüssigkeit in einem Behälter mit einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung sieht vor, dass bei der Bestimmung der Position des Schwimmers entlang des Messwegs die Ausgangssignale der Sensorelemente mit in einem Speicher gespeicherten Werten verglichen werden und das Ergebnis des Vergleichs eine Grundlage für die Bestimmung der Position des Schwimmers ist. Insbesondere erfolgt als Teil des Verfahrens ein schrittweiser Vergleich der Ausgangssignale der Sensorelemente mit aus einer in einem nichtflüchtigen Speicher abgelegten Sensorelementekennlinie ermittelten, erwarteten Sensorsignalen. Unter dem Begriff der Sensorelementekennlinie ist die funktionale Beziehung zwischen der Ausgangsspannung eines Sensorelements und dem Abstand zwischen Schwimmer und Sensorelement in Schwimmerbewegungsrichtung zu verstehen. Dabei werden in einer Auswerteeinheit für eine Mehrzahl möglicher Orte, an denen sich der Schwimmer relativ zur Sensorzeile befinden könnte, die sich für die einzelnen Sensorelemente der Sensorzeile unter Rückgriff auf die abgespeicherte Sensorelementekennlinie ergebenden, erwarteten Sensorsignale ermittelt und der Ort als tatsächlicher Ort des Schwimmers ausgegeben, an dem die Summe der Quadrate der Differenzen zwischen gemessenen und zu erwartenden Signalen minimal ist (Methode der kleinsten Quadrate). Zusätzlich zu der Pegelinformation kann die Temperatur der Flüssigkeit an die weiterverarbeitende Einheit übermittelt werden. Werden bestimmte Flüssigkeitstemperaturen unter- oder überschritten, können Warnsignale übermittelt werden.
Ist die Sensorelementekennlinie temperaturabhängig, so können in einer bevorzugten Ausführungsform in einem Speicher zu verschiedenen Betriebstemperaturen zugehörige Sensorelementekennlinien abgelegt werden und bei der Durchführung des Verfahrens unter Rückgriff auf eine in einer bevorzugten Ausführungsform erfolgende Temperaturmessung zu Ermittlung der erwarteten Sensorsignale die Sensorelementekennlinie ausgewählt werden, die der gemessenen Temperatur am ehesten zugehörig ist. Alternativ können die von den Sensorelementen erzeugten Messwerte vor der weiteren Auswertung anhand des bekannten Temperaturverhaltens der Sensorelemente auf diejenige Temperatur umgerechnet werden, auf die sich die zu erwartenden Spannungswerte der im Speicher abgelegten Sensorelementkennlinien beziehen.
Insbesondere bevorzugt finden die erfindungsgemäße Messvorrichtung und/oder das erfindungsgemäße Messverfahren Anwendung bei der Messung des Pegels einer Tinte in einem Behälter, bei der Messung des Pegels eines Lösungsmittels in einem Behälter oder bei der Messung des Pegels einer Harnstoff enthaltenden Flüssigkeit in einem Behälter.
Eine aktuelle Anwendung der Pegelmessung findet sich in der Abgasreinigung von Nutzfahrzeugen und PKWs. Eine wässrige synthetische Harnstofflösung wird zur Nachbehandlung von Abgasen in einem SCR-Katalysator benutzt. Dazu wird eine Harnstoff-Wasser-Lösung in das Abgas von Dieselmotoren eingesprüht, um den Anteil der Stickoxide (NOx) im Abgas zu vermindern. Dabei wird in einer Reduktionsreaktion das NOx unter Bildung von Stickstoff und Wasser zu N2O reduziert. Auch andere Reduktionsmittel und/oder Reduktionsmittel-Vorläufer (welche sich beispielsweise erst im Abgas oder im Bereich des Abgases zum Reduktionsmittel umsetzen) sind bekannt. Derartige Verfahren werden oft auch als SCR-Verfahren (SCR: selektive catalytic reduction) bezeichnet. Durch die selektive katalytische Reduktion werden beispielsweise Stickoxide mit hoher Selektivität zu Stickstoff reduziert, wodurch die Stickoxidkonzentration im Abgas deutlich verringert werden kann. Durch thermische Zersetzung des Harnstoffs entsteht aus dem Harnstoff als Reduktionsmittel-Vorläufer das eigentliche Reduktionsmittel, nämlich gasförmiges Ammoniak.
Einige der Harnstoff-Wasser-Lösungen kristallisieren bei einer Temperatur unter –11,5°C. Die Kristallisation ist zwar umkehrbar, verursacht jedoch technische Probleme, wodurch die Harnstoff-Wasser-Lösung sich nicht mehr für den Betrieb eignet.
Der Pegelmesser kann zusammen mit weiteren Sensoreinheiten verbaut werden, die physikalische oder chemische Messgrößen erfassen, die zum Beispiel die Beurteilung der Qualität der Flüssigkeit ermöglichen oder ebenfalls einen Pegelstand ermitteln. Der Pegelmesser kann auch Teil einer weiteren Sensoreinheit sein.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer, lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 eine Schemazeichnung eines ersten Aufbaus einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung zum Messen des Pegels einer Flüssigkeit,
2 eine geschnittene, schematische Seitenansicht des bei der Ausführungsform gemäß 1 eingesetzten Schwimmers
3 den Verlauf der Feldstärke der in Zeilenrichtung weisenden Magnetfeldkomponente des von dem Magneten des Schwimmers erzeugten Magnetfelds für die Ausführungsform gemäß 1
4 die Sensorkennlinie eines Sensorelements der Sensorzeile der Ausführungsform gemäß 1, die das Ausgangssignal in Abhängigkeit der anliegenden Feldstärke der in Zeilenrichtung weisenden Magnetfeldkomponente zeigt,
5 den Verlauf des Ausgangssignals des Sensorelements für verschiedene Relativpositionen des Schwimmers und des Sensorelements entlang der Sensorzeile (y-Richtung) für die Ausführungsform gemäß 1
6 eine Schemazeichnung eines zweiten Aufbaus einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung zum Messen des Pegels einer Flüssigkeit,
7 eine geschnittene, schematische Seitenansicht des bei der Ausführungsform gemäß 6 eingesetzten Schwimmers
8 den Verlauf der Feldstärke der in Zeilenrichtung weisenden Magnetfeldkomponente des von dem Magneten des Schwimmers erzeugten Magnetfelds für die Ausführungsform gemäß 6
9 die Sensorkennlinie eines Sensorelements der Sensorzeile der Ausführungsform gemäß 6, die das Ausgangssignal in Abhängigkeit der anliegenden Feldstärke der in Zeilenrichtung weisenden Magnetfeldkomponente zeigt,
10 den Verlauf des Ausgangssignals des Sensorelements für verschiedene Relativpositionen des Schwimmers und des Sensorelements entlang der Sensorzeile (y-Richtung) für die Ausführungsform gemäß 6
11 eine Schemazeichnung eines dritten Aufbaus einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung zum Messen des Pegels einer Flüssigkeit,
12 eine geschnittene, schematische Seitenansicht des bei der Ausführungsform gemäß 11 eingesetzten Schwimmers
13 den Verlauf der Feldstärke der in Zeilenrichtung weisenden Magnetfeldkomponente des von dem Magneten des Schwimmers erzeugten Magnetfelds für die Ausführungsform gemäß 11
14 die Sensorkennlinie eines Sensorelements der Sensorzeile der Ausführungsform gemäß 11, die das Ausgangssignal in Abhängigkeit der anliegenden Feldstärke der in Zeilenrichtung weisenden Magnetfeldkomponente zeigt,
15 den Verlauf des Ausgangssignals des Sensorelements für verschiedene Relativpositionen des Schwimmers und des Sensorelements entlang der Sensorzeile (y-Richtung) für die Ausführungsform gemäß 11
16 eine Schemazeichnung eines vierten Aufbaus einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung zum Messen des Pegels einer Flüssigkeit,
17 eine geschnittene, schematische Seitenansicht des bei der Ausführungsform gemäß 16 eingesetzten Schwimmers
18 den Verlauf der Feldstärke der in Zeilenrichtung weisenden Magnetfeldkomponente des von dem Magneten des Schwimmers erzeugten Magnetfelds für die Ausführungsform gemäß 16
19 die Sensorkennlinie eines Sensorelements der Sensorzeile der Ausführungsform gemäß 16, die das Ausgangssignal in Abhängigkeit der anliegenden Feldstärke der in Zeilenrichtung weisenden Magnetfeldkomponente zeigt,
20 den Verlauf des Ausgangssignals des Sensorelements für verschiedene Relativpositionen des Schwimmers und des Sensorelements entlang der Sensorzeile (y-Richtung) für die Ausführungsform gemäß 16
21 eine Schemazeichnung eines fünften Aufbaus einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung zum Messen des Pegels einer Flüssigkeit,
22 eine geschnittene, schematische Seitenansicht des bei der Ausführungsform gemäß 21 eingesetzten Schwimmers
23 den Verlauf der Feldstärke der in Zeilenrichtung weisenden Magnetfeldkomponente des von dem Magneten des Schwimmers erzeugten Magnetfelds für die Ausführungsform gemäß 21
24 die Sensorkennlinie eines Sensorelements der Sensorzeile der Ausführungsform gemäß 21, die das Ausgangssignal in Abhängigkeit der anliegenden Feldstärke der in Zeilenrichtung weisenden Magnetfeldkomponente zeigt
25 den Verlauf des Ausgangssignals des Sensorelements für verschiedene Relativpositionen des Schwimmers und des Sensorelements entlang der Sensorzeile (y-Richtung) für die Ausführungsform gemäß 21,
26a, b ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Ausgangssignale des einen, ein sin-artiges, feldwinkelabhängiges Sensorsignale erzeugenden Sensorelementes und des anderen, ein cos-artiges, feldwinkelabhängiges Sensorsignale erzeugenden Sensorelementes von der Temperatur verdeutlicht und
27 eine Schemazeichnung eines sechsten Aufbaus einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung zum Messen des Pegels einer Flüssigkeit,
28 eine geschnittene, schematische Seitenansicht des bei der Ausführungsform gemäß 27 eingesetzten Schwimmers
29 den Verlauf der Feldstärke der in Zeilenrichtung weisenden Magnetfeldkomponente des von dem Magneten des Schwimmers erzeugten Magnetfelds für die Ausführungsform gemäß 27
30 die Sensorkennlinie eines Sensorelements der Sensorzeile der Ausführungsform gemäß 27, die das Ausgangssignal in Abhängigkeit der anliegenden Feldstärke der in Zeilenrichtung weisenden Magnetfeldkomponente zeigt
31 den Verlauf des Ausgangssignals des Sensorelements für verschiedene Relativpositionen des Schwimmers und des Sensorelements entlang der Sensorzeile (y-Richtung) für die Ausführungsform gemäß 27,
32 eine geschnittene, schematische Ansicht in Blickrichtung der Sensorzeile, die die Anordnung eines Stützfeldmagneten in Relation zu einem Sensorelement und das durch den Stützfeldmagneten in dem Sensorelement erzeugte Stützfeld zeigt,
33 eine geschnittene Seitenansicht eines Schwimmers mit zwei hohlzylinderförmigen Magneten, die achsparallel magnetisiert sind,
34 eine Draufschicht auf einen Schwimmer mit zwei Stabmagneten, die radial magnetisiert sind und
35 eine Draufschicht auf einen Schwimmer mit drei Stabmagneten, die radial magnetisiert sind.
Die in den 1 bis 5 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung zum Messen des Pegels P einer Flüssigkeit in einem (nicht näher dargestellten) Behälter weist einen Schwimmer 1 mit einem ringförmig/hohlzylinderförmig ausgebildeten Permanentmagneten 2 auf. Ferner weist die Vorrichtung eine aus 15 entlang eines Messwegs beabstandet von einander angeordneten, magnetfeldempfindlichen Sensorelementen 3 gebildete Sensorzeile 4 auf. Die Längsachse des hohlzylinderförmigen Magneten 2 ist parallel zum Messweg ausgerichtet und der Magnet 2 achsparallel zur Längsachse magnetisiert. Ferner weist die Vorrichtung eine Auswerteeinheit 6 auf.
In der 1 ist der Schwimmer 1 an einem Messort entlang des Messwegs dargestellt. An diesem Messort nimmt der Schwimmer 1 eine Relativposition relativ zur Sensorzeile 4 ein. Ändert sich der Pegel der Flüssigkeit, so bewegt sich der auf der Flüssigkeit aufschwimmende Schwimmer 1 entlang der Sensorzeile 4 und nimmt einen anderen Messort entlang des Messwegs und somit eine andere Relativposition relativ zur Sensorzeile 4 ein.
An dem in 1 dargestellten Messort erstreckt sich das von dem Schwimmer 1 erzeugte Magnetfeld an dem Ort des Sensorelements 5 im Wesentlichen parallel zum Messweg. Wird der Schwimmer 1 an einen anderen Messort bewegt, so erstreckt sich das von dem Schwimmer 1 erzeugte Magnetfeld an einem anderen Ort der Sensorzeile im Wesentlichen parallel zum Messweg.
Zu erkennen ist in 1, dass die Sensorelemente 4 nicht äquidistant entlang des Messwegs angeordnet sind. Dadurch werden Bereiche entlang des Messwegs gebildet, in denen der Pegel mit höherer Auflösung ermittelt werden kann (bei höherer Anzahl von Sensorelementen pro Abschnitt des Messwegs), und Bereiche, in denen der Pegel mit geringerer Auflösung ermittelt wird.
4 zeigt, dass die eingesetzten Sensorelemente 4 unipolare Sensorelemente sind. Das von ihnen ausgegebene Ausgangsignal ist von der Nord-Süd-Ausrichtung des Magneten unabhängig. Derartige Sensorelemente können in der erfindungsgemäßen Messvorrichtung auch ohne Einsatz eines Stützfeldes eingesetzt werden. Unipolare Sensorelemente sind beispielsweise AMR-Sensoren ohne den Einfluß eines separaten Stützfeldes mit definierter Feldrichtung, wie beispielsweise in DE 103 42 260 A1 beschrieben.
Die Ausführungsform gemäß 1 bietet den Vorteil, dass die Kennlinie (4) nicht flippt, so dass kein Stützfeld notwendig ist. Die Kennlinienform begünstigt insbesondere die präzise Bestimmung von Schwimmerpositionen durch die steilen Signalflanken. Durch eine Temperaturkompensation, die die Signalstärke bei etwa der Mitte des Ausgangsspannungsbereichs temperaturunabhängig hält, kann die Temperaturabhängigkeit der Ausgangsspannungen minimiert werden, wodurch auch eine besser Ausnutzung des Konvertierungsbereichs bei der Digitalisierung der Sensorsignale möglich wird. Wird als Sensortyp eine einfache Wheatstonebrücke mit orthogonal zueinander angeordneten Widerstandsstreifen verwendet, kann ein hoher Sensorwiderstand bei geringem Sensorflächenbedarf erreicht werden.
Die in dem in 1 eingezeichneten Diagramm wiedergegebenen Punkte repräsentieren die Ausgangssignale (Messwerte A) der einzelnen Sensorelemente 3, die an den Signalausgängen der einzelnen Sensorelemente in der in 1 gezeigten Betriebssituation, also wenn sich der Schwimmer 1 in der in 1 gezeigten Position befindet, abgegriffen werden können. Die in dem in 1 eingezeichneten Diagramm wiedergegebene Kurve gibt (vergleichbar 5) den Verlauf der Ausgangssignale wieder, wie er sich unter Berücksichtigung des Verlaufs der Feldstärke der in Zeilenrichtung weisenden Magnetfeldkomponente des von dem Magneten des Schwimmers erzeugten Magnetfelds (3) und der Sensorkennlinie des jeweiligen Sensorelements der Sensorzeile (4) ergeben müsste. Dieser Kurvenverlauf kann in der Auswerteeinheit 6 in einem nicht flüchtigen Speicher hinterlegt werden, bzw. im Wege der Temperaturkompensation aus einem in dem nicht flüchtigen Speicher hinterlegten Kurvenverlauf generiert werden. Zu Ermittlung der Lage des Schwimmers wird der in dem Diagramm dargestellte Kurvenverlauf rechnerisch so lange entlang in y-Richtung des Diagramms verschoben, bis er die in 1 dargestellte best-fit Position einnimmt, bei der bei jedem Messwert A der Fehler (= der Unterschied zum Kurvenverlauf) minimal ist. Aus der so ermittelten best-fit Lage des über die Messwerte A gelegten Kurve lässt sich die Position des Schwimmers bestimmen.
Die in 6 bis 10 gezeigte, zweite Ausführungsform zeigt den Einsatz eines hohlzylinderförmigen Magneten 12, dessen Längsachse parallel zum Messweg ausgerichtet ist, wobei der Magnet 12 radial zur Längsachse magnetisiert. Die Sensorelemente 13 der Sensorzeile 14 sind vom gleichen Sensortyp, wie die Sensorelemente 3 der ersten Ausführungsform. Gleiche Bauteile der zweiten Bauform sind im Vergleich zur ersten Bauform (1 bis 5) mit gleichen, aber um den Wert 10 erhöhten Bezugszeichen dargestellt. Diese Ausführungsform bietet gegenüber der Verwendung von axial magnetisierten Schwimmermagneten den Vorteil, daß durch die radiale Magnetisierung die maximale Anzahl der möglichen Sensorpositionen für eine gegebene Ausgangsspannung eines Sensorelements von 6 auf 4 (Anzahl der Flanken des in 10 dargestellten Kurvenverlaufs im Vergleich zu dem in 5 dargestellten Kurvenverlauf) reduziert ist und somit eine geringere Sensordichte für eine sichere Positionsbestimmung ausreicht.
Die in 11 bis 15 gezeigte, dritte Ausführungsform zeigt den Einsatz eines hohlzylinderförmigen Magneten 22, dessen Längsachse parallel zum Messweg ausgerichtet ist, wobei der Magnet 22 axial zur Längsachse magnetisiert ist. Die Sensorelemente 23 der Sensorzeile 24 sind magnetoresistive Sensorelemente mit Barberpolstrukturen, wobei aber auch Wheatstonebrücken mit zueinander orthogonalen, relativ zur Zeilenlängsrichtung aber um im Mittel 45° geneigten Widerstandsstreifen zum Einsatz kommen können. Gleiche Bauteile der dritten Bauform sind im Vergleich zur ersten Bauform (1 bis 5) mit gleichen, aber um den Wert 20 erhöhten Bezugszeichen dargestellt.
Bei der in 11 bis 15 gezeigten dritten Ausführungsform weist die Sensorzeile ein orthogonal zur Zeilenlängsrichtung orientiertes Stützfeld auf, das die Kennlinie stabilisiert, wie beispielsweise in DE 10 2010 025 170 B4 beschrieben. Die von der Nord-Süd-Ausrichtung des von dem Schwimmer 21 erzeugten Magnetfelds abhängige Kennlinienform (14) verringert die Mehrdeutigkeiten bei der Bestimmung der Geberposition und ermöglicht eine Verringerung der Sensordichte entlang der Sensorzeile.
Die in 16 bis 20 gezeigte, vierte Ausführungsform zeigt den Einsatz eines hohlzylinderförmigen Magneten 32, dessen Längsachse parallel zum Messweg ausgerichtet ist, wobei der Magnet 32 radial zur Längsachse magnetisiert ist. Die Sensorelemente 33 der Sensorzeile 34 sind Sensorelemente des Typs Barberpolsensor, wobei aber auch Wheatstonebrücken mit zueinander orthogonalen, relativ zur Zeilenlängsrichtung um im Mittel 45° geneigten Widerstandsstreifen zum Einsatz kommen können, wie die Sensorelemente 23 der dritten Ausführungsform. Gleiche Bauteile der dritten Bauform sind im Vergleich zur ersten Bauform (1 bis 5) mit gleichen, aber um den Wert 30 erhöhten Bezugszeichen dargestellt. 16 zeigt, dass ein Temperatursensor 37 als Teil der erfindungsgemäßen Messvorrichtung vorgesehen sein kann.
Bei der in 16 bis 20 gezeigten vierten Ausführungsform weist die Sensorzeile ein orthogonal zur Zeilenlängsrichtung orientiertes Stützfeld auf, das die Kennlinie stabilisiert, wie beispielsweise in DE 10 2010 025 170 B4 beschrieben. Die von der Nord-Süd-Ausrichtung des von dem Schwimmer 31 erzeugten Magnetfelds abhängige Kennlinienform (19) verringert die Mehrdeutigkeiten bei der Bestimmung der Geberposition und ermöglicht eine Verringerung der Sensordichte entlang der Sensorzeile.
Die in 21 bis 25 gezeigte, fünfte Ausführungsform zeigt den Einsatz eines hohlzylinderförmigen Magneten 42, dessen Längsachse parallel zum Messweg ausgerichtet ist, wobei der Magnet 42 axial zur Längsachse magnetisiert ist. Die Sensorelemente 43 der Sensorzeile 44 sind Sensorelemente des Typs Drehwinkelsensor, z. B. AMR-Sensoren mit zwei um 45° gedrehten Wheatstonebrücken, wie beispielsweise in DE10308030B4 beschrieben. Gleiche Bauteile der fünften Bauform sind im Vergleich zur ersten Bauform (1 bis 5) mit gleichen, aber um den Wert 40 erhöhten Bezugszeichen dargestellt.
Die als Sensorelemente 43 der Sensorzeile 44 verwendeten magnetoresistive Drehwinkelsensoren erzeugen ein sin- und ein cos-artiges feldwinkelabhängiges Sensorsignal (Brückensignale). Eine Auswertung beider Brückensignale erlaubt unabhängig von der Lage des Gebers eine Ermittlung der temperaturabhängigen Sensorsignalamplitude, deren Kenntnis einen Rückschluss auf die aktuell herrschende Betriebstemperatur erlaubt. Eine Auswertung beider Brückensignale erlaubt die von der temperaturabhängigen Sensoramplitude unabhängige Bestimmung eines Feldwinkels am Sensorort und damit eine weitgehend temperaturunabhängige Pegelmessung. Werden für Stützmagnet und Gebermagnet Materialien mit dem gleichen Temperaturkoeffizienten der reversiblen Magnetisierung verwendet, so verändern sich die Feldwinkel an den Sensorelementen und damit die bei der Auswertung der Sensorsignale erhaltenen Pegelhöhen bei Temperaturänderung praktisch nicht.
Bei der in 21 bis 25 gezeigten fünften Ausführungsform weist die Sensorzeile ein zur Zeilenrichtung orthogonales Stützfeld auf, das die Kennlinie stabilisiert. Die von der Nord-Süd-Ausrichtung des von dem Schwimmer 41 erzeugten Magnetfelds abhängige Kennlinienform (24) verringert die Mehrdeutigkeiten bei der Bestimmung der Geberposition und ermöglicht eine Verringerung der Sensordichte entlang der Sensorzeile.
In 21 sind in dem jeweils einen eingezeichneten Diagramm die Ausgangssignale (Messwerte A) der einen Wheatstonebrücke und in dem jeweils anderen Diagramm die Ausgangssignale (Messwerte A) der jeweils anderen, um 45° gedrehten Wheatstonebrücke gezeigt. Ebenso zeigen in der 24 und 25 die jeweils oberen Diagramme die für die eine Wheatstonebrücke relevante Sensorkennlinie, bzw. den Verlauf des Ausgangssignals, während die jeweils unteren Diagramme die für die jeweils andere, um 45° gedrehten Wheatstonebrücke relevante Sensorkennlinie, bzw. den Verlauf des Ausgangssignals zeigen.
26a zeigt, dass der Betrag der Summe der Quadrate der Ausgangssignale der beiden Brückensignale zwischen einem unteren Wert (geschlossener Kreis mit kleinerem Durchmesser) und einem oberen Wert (geschlossener Kreis mit größerem Durchmesser) liegt und von der Temperatur abhängt. Dabei gilt die Beziehung:
bei der T die Temperatur wieder gibt, VMR1 das Ausgangssignal des einen Brückensignals und VMR2 das Ausgangssignal des zweiten Brückensignals und TK den materialabhängigen Temperaturkoeffizienten des magneto resistiven Effekts bezeichnet. r(T0) beschreibt die Signalamplitude bei einer Bezugstemperatur T0. 26b zeigt, dass eine lineare Beziehung zwischen der Summe der Quadrate der Ausgangssignale der beiden Brückensignale und der Temperatur besteht, so dass sich aus der Wurzel der Summe der Quadrate der Ausgangssignale der beiden Brückensignale die Temperatur ermitteln lässt.
Die in 27 bis 31 gezeigte, sechste Ausführungsform zeigt den Einsatz eines hohlzylinderförmigen Magneten 52, dessen Längsachse parallel zum Messweg ausgerichtet ist, wobei der Magnet 52 radial zur Längsachse magnetisiert. Die Sensorelemente 53 der Sensorzeile 54 sind Sensorelemente des Typs Drehwinkelsensor, wie beispielsweise in DE10308030B4 beschrieben. Gleiche Bauteile der sechsten Bauform sind im Vergleich zur ersten Bauform (1 bis 5) mit gleichen, aber um den Wert 50 erhöhten Bezugszeichen dargestellt.
Bei der in 27 bis 31 gezeigten sechsten Ausführungsform weist die Sensorzeile ein Stützfeld auf, das die Kennlinie stabilisiert, wie beispielsweise in DE 103 08 030 B4 beschrieben. Die von der Nord-Süd-Ausrichtung des von dem Schwimmer 51 erzeugten Magnetfelds abhängige Kennlinienform (30) verringert die Mehrdeutigkeiten bei der Bestimmung der Geberposition und ermöglicht eine Verringerung der Sensordichte entlang der Sensorzeile.
In 27 sind in dem jeweils einen eingezeichneten Diagramm die Ausgangssignale (Messwerte A) der einen Wheatstonebrücke und in dem jeweils anderen Diagramm die Ausgangssignale (Messwerte A) der jeweils anderen, um 45° gedrehten Wheatstonebrücke gezeigt. Ebenso zeigen in der 30 und 31 die jeweils oberen Diagramme die für die eine Wheatstonebrücke relevante Sensorkennlinie, bzw. den Verlauf des Ausgangssignals, während die jeweils unteren Diagramme die für die jeweils andere, um 45° gedrehten Wheatstonebrücke relevante Sensorkennlinie, bzw. den Verlauf des Ausgangssignals zeigen.
32 zeigt eine geschnittene, schematische Ansicht in Blickrichtung der Sensorzeile, die die Anordnung eines Stützfeldmagneten 61 in Relation zu einem Sensorelement 63 zeigt. Das Sensorelement ist auf einer Leiterplatte (einem „Printed Circuit Board”) 64 angeordnet und der Stützfeldmagnet 61 auf der dem Sensorelement 63 gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte 64. In gestrichelten Linien sind Magnetfeldlinien des von dem Stützfeldmagneten 61 erzeugten Stützfelds gezeigt. Der Pfeil 66 zeigt, dass sich das Stützfeld im Bereich des Sensorelements nur in eine Richtung senkrecht zur Sensorzeile und nicht in Höhenrichtung des Sensorelements 63 erstreckt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist jedem Sensorelement der Sensorzeile ein Stützfeldmagnet in der in 32 gezeigten Weise zugeordnet.
33 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines Schwimmers 71 mit zwei hohlzylinderförmigen Magneten 72, die achsparallel magnetisiert sind. Durch die Verwendung von zwei hohlzylinderförmigen Magneten kann die Stärke des Magnetfelds vergrößert werden.
34 zeigt eine Draufschicht auf einen Schwimmer 81 mit zwei Stabmagneten 82, die radial magnetisiert sind. Die Stabmagneten 82 sind um 180° zueinander versetzt angeordnet. Die Stabmagneten 82 sind in einer die Permanentmagneten schneidenden Ebene, die senkrecht zu der Achse steht, radiärsymmetrisch angeordnet.
35 zeigt eine Draufschicht auf einen Schwimmer 91 mit drei Stabmagneten 92, die radial magnetisiert sind. Die Stabmagneten 92 sind um 120° zueinander versetzt angeordnet. Die Stabmagneten 92 sind in einer die Permanentmagneten schneidenden Ebene, die senkrecht zu der Achse steht, radiärsymmetrisch angeordnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10156479 A1 [0004]
DE 19935652 A1 [0004]
DE 19925185 A1 [0004]
US 3982087 [0005]
GB 1395075 [0005]
DE 3241250 A1 [0005]
DE 10342260 A1 [0083]
DE 102010025170 B4 [0088, 0090]
DE 10308030 B4 [0091, 0096, 0097]

Claims

Messvorrichtung zum Messen des Pegels einer Flüssigkeit in einem Behälter mit einer Sensorzeile (4, 14, 24, 34, 44, 54) mit mindestens zwei entlang eines Messwegs beabstandet von einander angeordneten, magnetfeldempfindlichen Sensorelementen (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63), einem ein Magnetfeld erzeugenden Schwimmer (1, 11, 21, 31, 41, 51), der entlang des Messwegs von einem ersten Messort, an dem der Schwimmer (1, 11, 21, 31, 41, 51) eine erste Relativposition relativ zu der Sensorzeile (4, 14, 24, 34, 44, 54) einnimmt, zu zumindest einem zweiten Messort an dem der Schwimmer (1, 11, 21, 31, 41, 51) eine zweite Relativposition relativ zu der Sensorzeile (4, 14, 24, 34, 44, 54) einnimmt, beweglich ist, bei dem sich das von dem Schwimmer (1, 11, 21, 31, 41, 51) erzeugte Magnetfeld an einem ersten Ort entlang der Sensorzeile (4, 14, 24, 34, 44, 54) im Wesentlichen parallel zum Messweg erstreckt, wenn sich der Schwimmer (1, 11, 21, 31, 41, 51) am ersten Messort befindet, und sich das von dem Schwimmer (1, 11, 21, 31, 41, 51) erzeugte Magnetfeld an einem zweiten Ort entlang der Sensorzeile (4, 14, 24, 34, 44, 54) im Wesentlichen parallel zum Messweg erstreckt, wenn sich der Schwimmer (1, 11, 21, 31, 41, 51) am zweiten Messort befindet, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Sensorelement (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63) der Sensorzeile (4, 14, 24, 34, 44, 54) einen magnetoresistiven Effekt nutzt oder ein Hallsensor oder eine Feldplatte oder ein EMR Sensor ist.
Messvorrichtung zum Messen des Pegels einer Flüssigkeit in einem Behälter mit einer Sensorzeile (4, 14, 24, 34, 44, 54) mit mindestens zwei entlang eines Messwegs beabstandet von einander angeordneten, magnetfeldempfindlichen Sensorelementen (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63), einem ein Magnetfeld erzeugenden Schwimmer (1, 11, 21, 31, 41, 51), der entlang des Messwegs von einem ersten Messort, an dem der Schwimmer (1, 11, 21, 31, 41, 51) eine erste Relativposition relativ zu der Sensorzeile (4, 14, 24, 34, 44, 54) einnimmt, zu zumindest einem zweiten Messort an dem der Schwimmer (1, 11, 21, 31, 41, 51) eine zweite Relativposition relativ zu der Sensorzeile (4, 14, 24, 34, 44, 54) einnimmt, beweglich ist, bei dem sich das von dem Schwimmer (1, 11, 21, 31, 41, 51) erzeugte Magnetfeld an einem ersten Ort entlang der Sensorzeile (4, 14, 24, 34, 44, 54) im Wesentlichen parallel zum Messweg erstreckt, wenn sich der Schwimmer (1, 11, 21, 31, 41, 51) am ersten Messort befindet, und sich das von dem Schwimmer (1, 11, 21, 31, 41, 51) erzeugte Magnetfeld an einem zweiten Ort entlang der Sensorzeile (4, 14, 24, 34, 44, 54) im Wesentlichen parallel zum Messweg erstreckt, wenn sich der Schwimmer (1, 11, 21, 31, 41, 51) am zweiten Messort befindet, insbesondere bevorzugt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63) der Sensorzeile (4, 14, 24, 34, 44, 54) keine beweglichen Komponenten enthalten.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Messweg ein sich linear erstreckender Messweg ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Sensorelement (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63) der Sensorzeile den anisotropen magnetoresistiven Effekt nutzt.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Sensorelement (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63) der Sensorzeile ein feldstärkeabhängiges aber im wesentlichen feldrichtungsunabhängiges Ausgangssignal erzeugen kann
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorzeile eine Stützfeldvorrichtung aufweist, die in den Sensorelementen (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63) ein magnetisches Stützfeld erzeugt.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmer (71, 81, 91) mehr als einen Permanentmagneten aufweist, wobei alle Permanentmagneten des Schwimmers entweder bezüglich einer Achse achsparallel ausgerichtet sind oder alle Permanentmagneten bezüglich einer Achse radial ausgerichtet sind und wobei alle Permanentmagneten in einer die Permanentmagneten schneidenden Ebene, die senkrecht zu der Achse steht, radiärsymmetrisch angeordnet sind.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmer (1, 11, 21, 31, 41, 51, 71, 81, 91) einen hohlzylinderförmigen Magneten (2, 12, 22, 32, 42, 52 72, 82, 92) aufweist, dessen Längsachse parallel zum Messweg weist, bzw. auf dem Messweg liegt, und der Magnet radial oder achsparallel zur Längsachse magnetisiert ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Temperaturmessvorrichtung 36, die die Temperatur der Flüssigkeit in dem Behälter messen kann.
Verfahren zum Messen des Pegels einer Flüssigkeit in einem Behälter mit einer Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung der Position des Schwimmers (1, 11, 21, 31, 41, 51, 71, 81, 91) entlang des Messwegs die Ausgangssignale der Sensorelemente (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63) mit in einem Speicher gespeicherten Werten verglichen werden und das Ergebnis des Vergleichs eine Grundlage für die Bestimmung der Position des Schwimmers (1, 11, 21, 31, 41, 51, 71, 81, 91) ist.
Verwendung des Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder des Verfahrens nach Anspruch 10 zur Messung des Pegels einer Tinte in einem Behälter, zur Messung des Pegels eines Lösungsmittels in einem Behälter oder zur Messung des Pegels einer Harnstoff enthaltenden Flüssigkeit in einem Behälter.