DE3905745C2 - - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Füllstandssensor zur Erfassung ei­ nes Flüssigkeitspegels nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei ei­ nem bekannten Füllstandssensor wird in einer Primär- und Sekundär­ wicklung ein als Schwimmer ausgebildeter Eisenkern bewegt. Der Sen­ sor arbeitet nach dem Transformatorprinzip, wobei die Primärwicklung an eine Stromquelle angeschlossen ist und der in der Sekundärwick­ lung induzierte, dem Flüssigkeitsstand proportionale Strom gemessen wird. Der Sensor baut relativ aufwendig und ist störanfällig. Die gemessenen Werte sind ferner, insbesondere im Restmengenbereich des Tanks, nicht genau genug.

In der DE-AS 11 47 874 wird eine Vorrichtung zur elektrischen Anzei­ ge von Flüssigkeitsständen beschrieben, bei der ein sich in einem Flüssigkeitsstandrohr bewegender ferromagnetischer Schwimmer den Stromfluß in Spulen verändert. Die Spulen sind auf dem Rohr aufge­ schoben, wobei deren Anzahl den Grobstufen der Standanzeige ent­ spricht. Zur Feinanzeige wird die Spannungsdifferenz zu einer nicht beeinflußten Vergleichsinduktivität bestimmt. Mit Hilfe eines Dreh­ wählers wird immer nur eine Spule abgetastet, so daß immer nur ein bestimmter Bereich erfaßt wird.

Auch beim aus der US-PS 29 36 623 bekannten Füllstandsanzeiger wird mit Hilfe eines ferromagnetischen Elements aufgrund des induktiven Prinzips in stromdurchflossenen Spulen ein Meßsignal erzeugt. Die Füllstandshöhe wird von einem Schwimmer erfaßt und über einen kom­ plizierten Mechanismus auf die Elemente übertragen. Die Spulen sind um zwei parallel angeordnete Rohre befestigt, in die die Elemente ragen. Der Füllstandsanzeiger arbeitet nach dem Transformatorprinzip und ermöglicht nur eine grobe Erfassung des Flüssigkeitspegels.

Beim Füllstandssensor nach der DE-PS 8 61 157 sind mehrere Magnetspu­ len an einem Rohr angeordnet. Das Flüssigkeitsniveau wird von einem Schwimmer über eine Stange auf ein ferromagnetisches Zylinderstück übertragen. Durch diese vertikale Verschiebung des ferromagnetischen Elements wird die Selbstinduktion und damit der Strom in den Erre­ gerspulen verändert. Zwischen dem Magnetspulen befindet sich aber jeweils ein Zwischenraum, so daß keine hinreichend feine Messung möglich ist. Bei Verwendung einer einzigen über die gesamte Länge des Rohrs reichende Spule ist mit Hilfe einer sich ändernden Win­ dungsdichte zwar eine Meßwerterfassung mit unterschiedlicher Genau­ igkeit möglich, aber die Meßwerte sind nur relativ grob erfaßbar.

Auch beim Füllstandssensor nach der DD-PS 1 42 386 wird mit Hilfe des Transformatorprinzips die Flüssigkeitshöhe erfaßt. Die Sekundärspule stellt ein eigenes Spulensystem dar, wobei jeweils mehrere Sekun­ därwicklungen mit abgestufter Wicklungslänge und unterschiedlichen Wicklungsdurchmesser angeordnet sind. Der Aufbau des Sensors ist re­ lativ kompliziert und insbesondere im Endbereich mit dem mehrfach übereinander geschalteten Sekundärspulen ist eine nur relativ un­ genaue Meßsignalerfassung möglich.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Füllstandssensor mit den kennzeichnenden Merk­ malen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Meß­ werte temperaturunabhängig sind. Die Meßwerte für die Füllstandshöhe sind von der Temperatur der zu bestimmenden Flüssigkeit unabhängig. Durch eine Erweiterung des Meßbereichs im Restmengenbereich des Tanks kann die noch verbleibende Flüssigkeitsmenge sehr genau be­ stimmt werden. Durch eine b/4-Überlappung der Spulen wird die Ge­ nauigkeit der Meßwerte erhöht. Jeder Meßwert ist eindeutig einem Wert der Füllstandshöhe zuordbar. Bei einer entsprechend hohen An­ zahl der in Reihe verschalteten Teilspulen und einer geringen Spu­ lenbreite b kann die Genauigkeit noch verbessert werden. Die Spulen selbst können in kostengünstiger und in der Fertigung von anderen Produkten bereits erprobten Verfahren hergestellt werden. Die auf einer Kaptonfolie aufgebrachten Spulen erlauben eine flexible Ge­ staltung des Füllstandssensors und somit eine einfache Anpassung an die Form des Tanks.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale möglich.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Meßprinzips,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Trägerfolie mit aufgebrachten Spulen,

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild und

Fig. 4 eine Draufsicht auf gedruckte Kupferspulen.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Fig. 1 ist das Meßprinzip eines Füllstandssensors 10 dar­ gestellt. In einem Tank 11 ist in einem Rohr 12 ein Schwimmer 13 aus ferromagnetischem oder nicht ferromagnetischem aber elektrisch lei­ tendem Material angeordnet. Das Rohr 12 kann aus jedem anderen als dem genannten Material bestehen. Der Schwimmer 13 kann sowohl voll­ ständig aus dem jeweiligen Material bestehen, als auch ist eine Be­ schichtung des Schwimmers 13 mit diesem Material möglich. Eine Spule 15 ist in einzelne, in Reihe verschaltete Teilspulen 16 aufgeteilt und entlang des Rohrs 12 angeordnet. Jede Teilspule 16 weist einen Mittelabgriff 17 auf, der mit einem Schalter 18 verbunden ist. Die Reihenfolge der Schaltstellungen des Schalters 18 und somit der Ab­ griff der jeweiligen Teilspule 16 wird von einem Mikrocomputer 19 gesteuert.

Die Teilspulen 16 werden von einem hochfrequenten Wechselstrom se­ quentiell gespeist und abgegriffen. Dabei bilden sich an der jeweils durchflossenen Teilspule magnetische Wechselfelder aus. Der Schwim­ mer 13 schwimmt auf der Oberfläche der Flüssigkeit und markiert so die Füllstandshöhe. Die Wechselfelder bewirken auf der metallischen Oberfläche des Schwimmers 13 Wirbelströme. Je größer dabei die vom Magnetfeld durchsetzte Oberfläche des Schwimmers 13 ist, desto mehr Wirbelströme werden erzeugt. Ferner ist die Größe der erzeugten Wir­ belströme abhängig vom Material des Schwimmers bzw. vom Material der Beschichtung des Schwimmers 13. Durch die erzeugten Wirbelströme wird der Spulen-Wechselstromwiderstand der Teilspulen 16 im Bereich des Schwimmers 13 verringert, was eine Verkleinerung der an den Teilspulen 16 anliegenden Spannung bewirkt. Werden mit Hilfe des Schalters 18 und des Mikrocomputers 19 die einzelnen Teilspulen 16 abgetastet, so kann man über das Meßsignal auf die Füllstandshöhe rückschließen.

In der besonders vorteilhaften, in Fig. 2 dargestellten Ausgestal­ tungsform werden auf einem Träger 20 auf der Vorderseite und auf der Rückseite jeweils Teilspulen mit der Spulenbreite b angeordnet. Da­ bei überlappt eine erste Spule 21 zu 3/4 b mit der auf der anderen Seite des Trägers 20 befestigten Spule 22. Diese Spule 22 wiederum überlappt mit b/4 mit der Spule 23 auf der Seite des Trägers 20, auf der auch die Spule 21 befestigt ist. Die Teilspulen 21, 23 etc. der einen Seite sind somit um b/4 zu den auf der anderen Seite angeord­ neten Teilspulen 22, 24 etc. versetzt. Als Träger 20 kann hierbei eine im Handel erhältliche Kaptonfolie verwendet werden. Auf der Oberseite und auf der Unterseite sind die Spulen 21 bis 24 noch von einer zweiten Kaptonfolie 26 oder von einem Schutzlack abgedeckt, um so die Spulen 21 bis 24 vor einem direkten Kontakt mit der Flüssig­ keit bzw. vor Umwelteinflüssen zu schützen. Die Anzahl der Spulen zu beiden Seiten des Trägers 20 ist jeweils abhängig von der Füll­ standshöhe, die mit dem Füllstandssensor 10 bestimmt werden soll. Je kleiner dabei die Spulenbreite b ist, desto feiner und genauer kann die Füllstandshöhe gemessen werden. Ferner können die Spulen 21 bis 24 auch als Zylinderspulen bzw. andere übliche Spulenformen ausge­ bildet sein.

Die Spulen 21 bis 24 sind jeweils mäanderförmig auf dem Träger 20 angeordnet, wobei in der Fig. 2 der jeweilige Verlauf der Strom­ richtung der einzelnen Bereiche der Spulen 21 bis 24 eingezeichnet ist. In Fig. 3 ist ein Prinzipschaltbild für eine erfindungsge­ mäße Verschaltung der Spulen 21 bis 24 dargestellt, wobei zur Ver­ einfachung die Anzahl der Spulen auf vier begrenzt ist. Das Meß­ prinzip bleibt auch bei einer größeren Anzahl von Spulen gleich. Je höher dabei die Anzahl der Spulen über die gesamte Füllstandshöhe ist und je kleiner die Spulenbreite bzw. der Abstand zwischen den Spulen ist, desto feiner ist die jeweilige Messung der Füllstands­ höhe. Bei einer gröberen Rasterung können die Werte für die Füll­ standshöhe rechnerisch interpoliert werden.

In der Fig. 3 ist eine Spannungsquelle 30 mit einem Schalter 31 verbunden, der entsprechend der Anzahl der Spulen 21 bis 24 Schaltstellungen 1 bis 4 aufweist. Von der Schaltstellung 1 des Schalters 31 führt eine elektrische Signalleitung 32 zum Eingang der Spule 21 und von der Schaltstellung 2 eine elektrische Signalleitung 33 zum Eingang der Spule 22. Die Spulen 21 und 22 sind jeweils die ersten bzw. die letzten Spulen der Meßstrecke auf der Ober- bzw. Un­ terseite des Trägers 20. Die Schaltstellung 3 und alle folgenden des Schalters 31 sind mit je einem Mittelabgriff einer der nachfolgenden Spulen 23, 24 etc. verbunden. Ein zweiter Schalter 35, der gleich viele Schaltstellungen wie der erste Schalter 31 hat, dient zum Signalabgriff der jeweiligen Spulen 21 bis 24. Von der Schaltstel­ lung 1 des Signalschalters 35 führt eine elektrische Leitung 36 zum Mittelabgriff der Spule 21. Die Schaltstellung 2 ist mit Hilfe einer elektrischen Leitung 37 mit dem Mittelabgriff der Spule 22 verbun­ den. Die Schaltstellung 3 ist über eine elektrische Leitung 38 mit dem Ausgang der Spule 23 und die Schaltstellung 4 über eine elek­ trische Leitung 39 mit dem Ausgang der Spule 24 verknüpft. Die Schaltstellung 1 eines Masseschalters 41 ist mit Hilfe einer elek­ trischen Leitung 42 mit dem Ausgang der Spule 21 und die Schaltstel­ lung 2 mit Hilfe einer elektrischen Leitung 43 mit dem Ausgang der Spule 22 verknüpft. Die Schaltstellung 3 ist über eine elektrische Leitung 44 mit dem Mittelabgriff der Spule 21 verbunden, wozu die Leitung 44 in die Leitung 36 mündet. Von der Schaltstellung 4 des Schalters 41 führt eine elektrische Leitung 45 zur Leitung 37, so daß der Mittelabgriff der Spule 22 mit der Schaltstellung 4 des Schalters 41 verbunden ist. Die Schaltstellungen 3 oder 4 oder bei einer größeren Spulenanzahl die nachfolgenden Schaltstellungen sind jeweils mit dem Mittelabgriff der Spule 23 oder 24 oder den nachfol­ genden Spulen verbunden. Ferner ist in der Fig. 3 ein Schalter 50 zur Steuerung von Feldeffekttransistoren dargestellt, der nicht wirksame Schaltstellungen 1 und 2 aufweist. In den Schaltstellungen 3 und 4 ist der Schalter 50 über die elektrischen Leitungen 51 bzw. 52 mit dem Gate-Eingang je eines Feldeffekttransistors 55 bzw. 56 verbunden. Der Source-Anschluß des Feldeffekttransistors 55 ist über die Leitung 57 mit der Leitung 38 verbunden, die von der Schaltstel­ lung 3 des Signalschalters 35 zum Ausgang der Spule 23 führt. Vom Drain-Anschluß des Feldeffekttransistors 55 führt eine Leitung 58 zur Leitung 32 und somit zum Eingang der Spule 21. Der Source-An­ schluß des Feldeffekttransistors 56, dessen Gate-Eingang über die Leitung 52 mit der Schaltstellung 4 verbunden ist, ist mit Hilfe einer elektrischen Leitung 60 mit der Signalleitung 33 verknüpft. Der Drain-Anschluß ist über eine elektrische Leitung 61 mit der Leitung 39 und somit auch mit dem Ausgang der Spule 24 verbunden. Alle vier Schalter 31, 35, 41, 50 werden mit Hilfe eines nicht näher dargestellten, handelsüblichen Mikrocomputers 63 gesteuert, so daß sich alle Schalter jeweils in der gleichen Schaltstellung befinden. Sind alle Schalter in Schaltstellung 1, so wird nur die Spule 21 ab­ gegriffen und sind alle Schalter in der Schaltstellung 2 nur die Spule 22. Da der Gate-Anschluß der Feldeffekttransistoren 55, 56 nicht mit Spannung versorgt ist, ist der Durchgang vom jeweiligen Source zum jeweiligen Drain gesperrt. In der Schaltstellung 3 wird das Gate des Feldeffekttransistors 55 über die Leitung 51 mit Span­ nung versorgt, so daß der Durchgang vom Source zum Drain leitend ist. Dadurch ist die Signalleitung 38 sowohl mit dem Ausgang der Spule 23 als auch über die jetzt leitende Verbindung des Feldeffekt­ transistors 55 mit dem Eingang der Spule 21 verbunden. Da der Mit­ telabgriff der Spule 21 über die Leitung 36 und 44 mit der Schalt­ stellung 3 des Masseschalters 41 und der Mittelabgriff der Spule 23 mit der Schaltstellung 3 des Schalters 31 verbunden ist, wird somit eine Spulenstrecke von einer halben Spule 21 und einer halben Spule 23 abgegriffen. Wichtig ist dabei, daß der Abstand zwischen den Spu­ len möglichst gering ist. In der Schaltstellung 4 gelten die Aus­ führungen für die Schaltstellung 3 in analoger Weise für die Spulen 22 und 24. Dabei ist die abgetastete Füllstandshöhe um b/4 zur vor­ herigen Messung versetzt. Die Schaltstellung 4 des Schalters 31 ist dabei mit dem Mittelabgriff der Spule 24 und der Mittelabgriff der Spule 22 mit der Schaltstellung 4 des Masseschalters 41 verbunden. Da der Gate-Anschluß des Feldeffekttransistors 56 über die Leitung 52 mit Spannung versorgt wird, ist der Mittelabgriff der Spule 22 über die leitende Verbindung des Feldeffekttransistors 56 mit der Leitung 39, die mit dem Ausgang der Spule 24 verknüpft ist, mit der Schaltstellung 4 des Schalters 35 verbunden. Sind mehr als vier Spu­ len vorhanden, so sind alle weiteren Spulen analog der obigen Aus­ führungen zu den Spulen 21, 23 bzw. 22, 24 miteinander verknüpft.

Zur Auswertung werden die verschiedenen Schalter 31, 35, 41, 50 vom Mikrocomputer 63 in die jeweiligen Schaltstellungen geschaltet, so daß alle Schalter 31, 35, 41, 50 jeweils dieselbe Schaltstellung aufweisen. Die einzelnen Spulen 21, 22, 23, 24 werden somit sequen­ tiell gespeist und abgetastet. Steht der Schwimmer 13 z. B. mittig zur Spule 22, so weist nur diese Spule 22 einen Nullwert auf. Die um b/4 versetzten Spulen dagegen zeigen positive sowie negative Meß­ werte bei dieser Stellung des Schwimmers 13. Da jede Spule nur einen Nulldurchgang hat, ist eine grobe Rasterung der Füllstandshöhe bzw. der Stellung des Schwimmers 13 gegeben. Diese Rasterung ist von den geometrischen Gegebenheiten der Spulen, insbesondere der Spulen­ breite b und des Spulenabstands abhängig. Da die vorherige Spule 21 und die nachfolgende Spule 23 um jeweils b/4 zur Spule 22 bzw. 24 versetzt sind, erhält man für die Zwischenstellungen des Schwimmers 13, d.h. für die Stellung zwischen dem Nulldurchgang der vorherigen und der nachfolgenden Spule eindeutig definierte Signalwerte zweier benachbarter Spulen über und unter dem Nulldurchgang der Spule 22. Z. B. durch lineare Interpolation kann dann der Nullpunkt exakt be­ rechnet werden. Selbstverständlich ist es auch bei entsprechender Umgestaltung der Schaltung nach Fig. 3 möglich, Feldeffekttransi­ storen zu verwenden, die bei am Gate anliegender Spannung den Durch­ gang von Source zu Drain sperren.

Wie in der Fig. 4 dargestellt, können die Spulen als gedruckte Kup­ fer-Spulen mit einer Leiterbreite von ca. 150 µm ausgeführt wer­ den. Ferner ist es auch möglich die Spulen nach dem sogenannten LIGA-Verfahren herzustellen. Das LIGA-Verfahren nutzt als wesentli­ che Strukturierungsmethoden die Lithografie, die Galvanoformung und die Abformtechnik, so daß die Bezeichnung dieses Verfahrens sich aus den Anfangsbuchstaben der verwendeten Methoden zusammensetzt. Das Verfahren eignet sich besonders für die Herstellung von Mikrostruk­ turen mit extremer Strukturhöhe bei sehr kleinen Strukturbreiten, wie es bei den hier verwendeten Spulen erforderlich ist. Im Fertigungsprozeß werden zunächst durch Röntgentiefenlithografie mit Synchrotronstrahlung Mikrostrukturen aus einem chemisch leicht ver­ änderbaren Kunststoff (Resiststruktur) erzeugt. Hieraus werden dann durch Galvanoumformung zu den Resiststrukturen komplementäre Mikro­ strukturen aus Metall hergestellt, d.h. diese Resiststrukturen wer­ den galvanisch mit einem Metall aufgefüllt und stellen die Spulen­ struktur dar.

Um eine besonders genaue Erfassung der Füllstandshöhe im sogenannten Restmengenbereich zu ermöglichen, sind die Spulen in diesem Bereich kleiner und enger realisiert als die im übrigen Bereich. Dadurch kann auch der erforderliche elektronische Aufwand minimisiert werden.

Claims (8)

1. Füllstandssensor (10) zur Erfassung eines Flüssigkeitsstands in einem Tank (11) mit Hilfe eines Schwimmers (13) und mindestens einer aus mehreren Teilspulen (16) bestehenden, stromdurchflossenen Spule (15), die zur Erzeugung eines elektrischen Meßsignals in Wirkver­ bindung mit dem Schwimmer (13) steht, wobei die Teilspulen (21 bis 24) sequentiell gespeist und abgetastet werden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Teilspulen (16) von einem hochfrequenten Wechsel­ strom durchflossen werden, daß jeweils eine Teilspule (21) mit der nachfolgenden Teilspule (22) abwechselnd um 3/4 Spulenbreite und 1/4 Spulenbreite überlappt, so daß sich ein Versatz der Teilspu­ len (21 bis 24) um 1/4 Spulenbreite ergibt und daß jede Teilspu­ le (21 bis 24) einen Mittelabgriff aufweist.

2. Füllstandssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang der einen Teilspule (21, 22) über einen Feldeffekttransistor (55, 56) mit dem Ausgang der übernächsten Spule (23, 24) verbunden ist, so daß ein um b/4 versetzter, sequentieller Abgriff der Teil­ spulen (21 bis 24) möglich ist.

3. Füllstandssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Teilspulen (21 bis 24) mäanderförmig ausgebildet sind.

4. Füllstandssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Teilspulen (21 bis 24) als Zylinderspulen ausgebildet sind.

5. Füllstandssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Teilspulen (21 bis 24) im Restmengenbereich des Tanks (11) eine kleinere Spulenbreite als im übrigen Be­ reich des Tanks (11) aufweisen.

6. Füllstandssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Teilspulen (21 bis 24) jeweils wechselnd auf der Ober- und auf der Unterseite eines Trägers (20) aufgedruckt sind.

7. Füllstandssensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (20) eine Kaptonfolie ist.

8. Füllstandssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Teilspulen (21 bis 24) nach dem LIGA-Verfahren hergestellt sind.