DE10309769B4

DE10309769B4 - Anordnung zur Bestimmung von Zustandsgrößen für Flüssigkeiten in einem geschlossenen nichtmetallischen Behälter

Info

Publication number: DE10309769B4
Application number: DE10309769.4A
Authority: DE
Inventors: Dr. Kiesewetter Olaf; Anatlij Ewert; Frank Neuburger; Reinhard Sender
Original assignee: UST Umweltsensortechnik GmbH
Current assignee: UST Umweltsensortechnik GmbH
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2003-03-06
Publication date: 2017-10-05
Anticipated expiration: 2023-03-07
Also published as: DE10309769A1

Abstract

Anordnung zur Bestimmung von Zustandsgrößen von Flüssigkeiten mit einem geschlossenen nichtmetallischen Behälter (1), der eine Behälterwand aus einem elektrisch isolierenden Material aufweist, mit einem kapazitiven Sensor und einer elektronischen Auswerteeinheit, wobei eine Elektrode (3.1) außerhalb der elektrisch isolierenden Behälterwand vom Behälter beabstandet angeordnet ist, die mit der im Behälter (1) befindlichen Flüssigkeit (2) und einer weiteren am oder im Behälter angeordneten Elektrode (3.2) einen Kondensator bildet und der Behälter (1) zusätzlich eine in die Flüssigkeit (2) ragende Elektrodenanordnung (4.1, 4.2) aufweist, wobei die in die Flüssigkeit (2) ragende Elektrodenanordnung (4) eine Elektrodenanordnung (4.1, 4.2), ausgestaltet zur Ermittlung einer Leitfähigkeit der Flüssigkeit, und ein als Korrekturkapazität dienendes weiteres Elektrodenpaar (4.3, 4.4) enthält, deren Elektroden in einer aus dem Material der Behälterwand bestehenden Einrichtung angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung von Zustandsgrößen für Flüssigkeiten in einem geschlossenen nichtmetallischen Behälter, bei dem Zustandsgrößen mit einem kapazitiven Sensor erfasst werden und die Signale einer Auswerteeinheit zugeführt werden.
Die Erfindung ist geeignet, um in Behältern sowohl die Menge einer Flüssigkeit als auch deren Eigenschaften zu erkennen.
Im Stand der Technik ist eine Vielzahl von Verfahren und Anordnungen bekannt, die mit mechanischen, chemische oder elektrischen Mitteln den Füllstand bzw. die -menge eines Behälters ermitteln.
Dabei treten besondere Schwierigkeiten auf, wenn unterschiedliche Stoffe detektiert werden sollen. Beispielsweise sind bei mechanischen Vorrichtungen die Eintauchtiefen der Schwimmer unterschiedlich.
Zur Vermeidung dieser Problematik werden in verschiedenen bekannten Einrichtungen kapazitive Brücken verwendet, um Füllstände zu detektieren. Nachteilig ist dabei jedoch, dass zwar bestimmte Grenzwerte ermittelt werden können, aber keine geeigneten proportionalen Signale abgegeben werden.
In DE 42 17 305 C2 ist ein Niveauschalter beschrieben, in dem ein Operationsverstärker und eine Sonde einen Oszillator bilden, so dass seine Frequenz von den physikalischen Verhältnissen um die Sonde abhängig ist, wobei die Operationsverstärker positiv und negativ durch einen ersten beziehungsweise einen zweiten Widerstand angeschlossen ist, dessen andere Klemme an Masse angeschlossen ist, und die Sonde mit einer als eine Elektrode ausgestalteten Platte und mit einer mit Masse verbundenen Gegenelektrode versehen ist. Dabei dient die Frequenz des Oszillatorsignals als Maß für Füllstand unabhängig von der Beschaffenheit der Flüssigkeit.
Ferner ist aus DE 199 49 985 C2 ein kapazitiver Sensor zur Detektion des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter mit nichtmetallischer Behälterwand bekannt, bei dem eine erste Elektrode gegenüber der Masse mit einer ersten Kapazität behaftet ist, wobei die Elektroden so angeordnet sind, dass durch das Signal zwischen der Elektrode und Masse entstehende elektrische Feld im wesentlichen durch den Behälter und das Medium verläuft, so dass die Größe der ersten Kapazität einerseits mit zunehmendem Füllstand des Mediums in dem Behälter anwächst und andererseits durch die kapazitiven Eigenschafen des Behälters beeinflusst wird, eine zweite und eine dritte Elektrode angeordnet sind, wobei sich die zweite Elektrode und die dritte Elektrode in einem Abstand zueinander befinden und so positioniert sind, dass zwischen ihnen eine zweite Kapazität besteht, deren Größe wesentlich durch die kapazitiven Eigenschaften des Behälters und nur unwesentlich durch den Füllstand des Mediums im Behälter beeinflusst und ferner einen Kondensator enthält, der eine dritte Kapazität aufweist, deren Größe im wesentlichen weder durch die kapazitiven Eigenschaften des Behälters noch durch den Füllstand des Mediums im Behälter beeinflusst ist, wobei die Kapazität des Kondensators so gewählt ist, dass der Verstärker aufgrund der kapazitiven Rückkopplung mir dann oszilliert, wenn der Füllstand des Mediums im Behälter und damit die erste Kapazität jeweils unterhalb einer bestimmten Schwelle liegen, wobei die zweite Kapazität dem den Eingang des Verstärkers belastenden kapazitiven Einfluss des Behälters entgegenwirkt, so dass der kapazitive Einfluss des Behälters reduziert ist.
Schließlich ist in DD 221 549 A1 ein diskontinuierliches kapazitives Grenzschichtmessverfahren mit frequenzabhängig rückgekoppeltem Oszillator beschrieben, mit dem die Registrierung der Grenzschichtmarken zwischen Stoffen mit einer Differenz der relativen Dielelektrizitätskonstanten Δε > 1 möglich ist. Das Verfahren verwendet im Rückkoppelzweig des Oszillatorsystems ein Bandfiltersystem, welches die Schwingfähigkeit des Oszillatorsystems frequenzabhängig gewährleistet bzw. unterbindet und sowohl auf eine Erhörung als auch auf eine Verringerung der relativen Dielektrizitätskonstante des an der Sonde vorliegenden Mediums reagiert.
Nach DE 199 32 146 ist ein Verfahren zur Bestimmung von Zustandsgrößen in geschlossenen Behältern, durch Ermittlung von Druckänderungen bekannt, das insbesondere zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration eingesetzt wird und bei dem der Druck im Behälter bestimmt wird und zusätzlich mit einem elektrochemischen Sensor eine Funktionskontrolle der die Zustandsgrößen beeinflussenden Prozesse durchgeführt wird, wobei der elektrochemische Sensor ein der jeweiligen Zustandsgröße proportionales Signal als Messsignal liefert.
Nachteilig ist bei den bekannten Anordnungen und Verfahren, dass einfache und dennoch genaue Messungen nur für spezielle und begrenzte Anwendungen möglich sind.
In DE 197 13 267 A1 ist eine Anordnung beschrieben, bei der die komplexe Impedanz einer Flüssigkeit mittels einer Sonde gemessen wird, welche in die Flüssigkeit eintaucht und bei der am Umfang zwei gegenüberliegende Elektroden angebracht sind. Die Messung erfolgt dabei in verschiedenen Höhen innerhalb der Flüssigkeit.
Aus DE 692 03 727 T2 ist ein Verfahren zum kontaktlosen Messen einer Dielektrizitätskonstante mit Hilfe eines kapazitiven Sensors bekannt. Der aus zwei Platten bestehende kapazitive Sensor ist an der Innenwand eines Reservoirs angebracht, wobei das Reservoir selbst als Leiter ausgebildet ist.
Ferner sind in DE 35 04 493 A1 , US 5,465,619 , GB 2 345 138 A , DE 1 673 841 B kapazitive Messanordnungen beschrieben, welche an der Außenwand eines Behälters angeordnete Elektroden aufweisen.
In WO 00/025098 A2 ist ein Messwertgeber zur Messung der Permittivität zwischen zwei elektrisch leitenden Körpern beschrieben. Die Anordnung verfügt über eine Messsonde und eine Bezugssonde an denen eine elektrische Gleichspannung geregelter Amplitude angelegt wird, wobei periodisch eine Folge von Sequenzen einer geregelten Frequenz erzeugt wird und daraus die Permittivität ermittelt wird. Die Anordnung ermöglicht die Füllstandsmessung eines Mediums in einem nichtleitenden Behälter.
Aus EP 1 067 368 A1 ist eine Pegelmessvorrichtung zur Messung der Standhöhe eines in einem Behälter befindlichen flüssigen Mediums bekannt, bei der eine stabförmige Sonde im Zusammenwirken mit dem leitfähigen Behälter die Füllhöhe ermittelt. Die Anordnung enthält zusätzlich einen Leitfähigkeitsfühler.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung anzugeben, die es mit einfachen Mitteln gestattet, weitgehend unabhängig von der Art des Mediums, sowohl die Menge einer Flüssigkeit in einem elektrisch nichtleitenden Behälter zu bestimmen als auch Aussagen über Eigenschaften des Mediums zu treffen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Vorrichtung, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale enthält, gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann vorteilhaft an Behältern zur Aufnahme der Scheibenwischerreinigungsflüssigkeit von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden und ermöglicht dabei neben der Überwachung des Füllstandes auch Aussagen zur Beschaffenheit der Reinigungsflüssigkeit. Beispielsweise können Verschmutzungen des Waschwassers erkannt oder die Frostsicherheit der im Behälter vorhandenen Flüssigkeit bestimmt werden.
Sie kann eingesetzt werden, ohne dass die Konstruktion bereits vorhandener Systems geändert werden muss. Dies gilt auch für komplizierte Formen des Behälters.
Zum Ausgleich von Messabweichungen infolge von Verschmutzungen der Anordnung kann sich das System durch Auswertung der maximalen und minimalen Füllmenge selbst kalibrieren.
Es ist möglich, die Elektroden des Leitfähigkeitssensors so auszubilden, dass bei Anlegen eines Elektrolysestroms diese nicht in Lösung gehen, sondern sich die Oberfläche von auftretenden Verschmutzungen bei Anlagen eines Stromes selbst reinigen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Das Beispiel beschreibt die Anwendung an einem Wischwasserbehälter für ein Kraftfahrzeug. In den zugehörigen. Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung des Behälters mit Leitfähigkeits- und Kapazitätselektroden,
2 eine Anordnung bei der ein Karosserieteil als Elektrode verwendet wird,
3 eine Gestaltungsform für eine in den Behälter ragende Elektrodenanordnung
und die
4 und 5 Möglichkeiten der Elektrodengestaltung am Behälterboden.
Die 1 und 2 zeigen einen Schnitt durch die Anordnung eines Wischwasserbehälters in einem Kraftfahrzeug. Die Messanordnung verwendet ein kapazitives Verfahren, bei dem mit einem Füllstandskondensator die Menge einer Flüssigkeit 2 im Behälter 1 für Wischwasser, der aus einem elektrisch nicht leitenden Material besteht, ermittelt wird. Eine äußere Füllstandselektrode 3.1 dieses Kondensators besteht aus einer Metallfläche, die sich außerhalb der Behälterwand, aber in deren Nähe, befindet. Die Metallfläche kann aus einem aufgeklebten oder aufgesprühten elektrisch leitenden Material bestehen.
Bei der in 1 dargestellten Ausführung ist das Metallteil als zusätzliches Teil am sich am Behälter 1 angebracht.
Bei der in 2 erläuterten Anordnung ist das Metallteil direkt an einem Fahrzeugteil angebracht, vorzugsweise an einem dem Behälter nahe liegenden Karosserieteil 5. Bei geringeren Genauigkeitsforderungen wird die Metallfläche vorteilhaft durch die Fahrzeughaut selbst gebildet. Eventuell durch unterschiedliche Abstände hervorgerufene Messfehler können elektrisch korrigiert werden.
Die zweite Elektrode des Füllstandskondensators bildet die sich im Behälter 1 befindenden Flüssigkeit 2 im Zusammenwirken mit einem Elektrodenanschluss 3.2, der vorzugsweise am Behälterboden angeordnet ist. Aus der sich bei unterschiedlichem Füllstand ändernden Kapazität dieses Kondensators kann ein Signal gewonnen werden, welches die im Behälter 1 vorhandene Flüssigkeitsmenge charakterisiert.
Da die Gesamtkapazität des Systems sowohl von der Füllhöhe im Behälter 1 abhängig ist, als auch von der elektrischen Leitfähigkeit der Flüssigkeit 2 beeinflusst wird, wird die Leitfähigkeit mit einer zweiten Elektrodenanordnung, die von den beiden Leitfähigkeitselektroden 4.1 und 4.2 gebildet wird, bestimmt. Die daraus ermittelten Daten können verwendet werden, um das Messsystem für die Ermittlung des Füllstandes an unterschiedliche Flüssigkeiten anzupassen oder um Eigenschaften der Flüssigkeit zu überwachen. Beispielsweise können Frostschutzeigenschaften oder Verschmutzungen des Wischwassers überwacht werden.
Die in 3 dargestellte Elektrodenanordnung zur Bestimmung der Leitfähigkeit befindet sich auf einem in die Flüssigkeit 2 eintauchenden Fühler 4, bei dem auf der Oberseite eines Keramikkörpers zwei Leitfähigkeitselektroden 4.1 und 4.2 angeordnet sind, welche die Leitfähigkeit der Flüssigkeit messen. Am Keramikkörper befindet sich ferner eine hier nicht dargestellte weitere Elektrodenanordnung, die zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit 2 dient.
An dem Teil des Fühlers 4, der sich außerhalb des Behälters 4 befindet, ist eine weitere Elektrodenanordnung angebracht, bei der ein Elektrodenpaar, nämlich die beiden Dielektrizitätselektroden 4.3 und 4.4 zwischen einem Bauteil, das aus dem Material der Behälterwand besteht, angeordnet ist. Dieses Elektrodenpaar ermittelt eine unabhängig vom Füllstand sowie von den elektrischen Parametern der Flüssigkeit 2 sich ergebende Korrekturkapazität. Damit kann ein Korrektursignal zum Ausgleich der schwankenden elektrischen Parameter der Flüssigkeit 2 gewonnen werden.
In den 4 und 5 sind Möglichkeiten der Elektrodengestaltung am Behälterboden dargestellt. Dabei sind Vertiefungen in den Boden des Behälters 1 eingearbeitet, die zur Aufnahme des Elektrodenanschlusses für die zweite Elektrode des Füllstandskondensators dienen. Durch die in den Figuren dargestellte Ausführungsform, bei der nebeneinander zwei Anschlüsse angeordnet sind, kann dieser Elektrodenanschluss mit den zur Ermittlung des Korrektursignals erforderlichen Dielektrizitätselektroden 4.3 und 4.4 kombiniert werden
Bezugszeichenliste

1: Behälter
2: Flüssigkeit
3: Füllstandelektrode 3.1 äußere Füllstandelektrode 3.1 Füllstandselektrodenanschluss
4: Fühlerbauteil 4.1 erste Leitfähikeitselektrode 4.2 zweite Leitfähigkeitselektrode 4.3 erste Dielektrizitätselektrode 4.4 zweite Dielektrizitätselektrode
5: Karosserieteil

Claims

Anordnung zur Bestimmung von Zustandsgrößen von Flüssigkeiten mit einem geschlossenen nichtmetallischen Behälter (1), der eine Behälterwand aus einem elektrisch isolierenden Material aufweist, mit einem kapazitiven Sensor und einer elektronischen Auswerteeinheit, wobei eine Elektrode (3.1) außerhalb der elektrisch isolierenden Behälterwand vom Behälter beabstandet angeordnet ist, die mit der im Behälter (1) befindlichen Flüssigkeit (2) und einer weiteren am oder im Behälter angeordneten Elektrode (3.2) einen Kondensator bildet und der Behälter (1) zusätzlich eine in die Flüssigkeit (2) ragende Elektrodenanordnung (4.1, 4.2) aufweist, wobei die in die Flüssigkeit (2) ragende Elektrodenanordnung (4) eine Elektrodenanordnung (4.1, 4.2), ausgestaltet zur Ermittlung einer Leitfähigkeit der Flüssigkeit, und ein als Korrekturkapazität dienendes weiteres Elektrodenpaar (4.3, 4.4) enthält, deren Elektroden in einer aus dem Material der Behälterwand bestehenden Einrichtung angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (1) zur Aufnahme der Scheibenwischerreinigungsflüssigkeit eines Kraftfahrzeuges dient und die außerhalb der Behälterwand angeordnete Elektrode (3.1) von einem nahe des Behälters (1) sich befindendem Karosserieteil (5) oder einer elektrisch leitenden Folie oder einem aufgesprühten elektrisch leitenden Material besteht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektrodenmaterial Platin, Gold oder Palladium verwendet wird.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Flüssigkeit ragende Elektrodenanordnung (4.1, 4.2) auf einem Träger aus Al₂O₃-Keramik oder aus Glas angeordnet ist.