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用于測量液位的液位傳感器和用于確定液體液位的方法
【專利摘要】用于測量容器內(nèi)的液體液位的、尤其用于測量車輛油箱中的燃料液位的液位傳感器具有多個沿測量行程彼此重疊布置的電容傳感器，所述電容傳感器的電介質(zhì)常數(shù)隨著液位的改變而變化，在所述液位傳感器中，應(yīng)在盡可能簡單的結(jié)構(gòu)下實現(xiàn)盡可能準確的測量。這通過下述方式實現(xiàn)：所述電容傳感器沿測量行程的高度大小不同，其中一組沿測量行程的高度相對較大的電容傳感器用于估測液位，并且第二組沿測量行程的高度相對較小的電容傳感器用于參考測量。
【專利說明】用于測量液位的液位傳感器和用于確定液體液位的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于測量容器內(nèi)的液體、特別是車輛油箱內(nèi)的燃料的液位的液位傳感器，所述液位傳感器具有多個沿著測量行程彼此重疊布置的電容傳感器，所述電容傳感器的電介質(zhì)和進而電介質(zhì)常數(shù)隨著液位的改變而變化。

【背景技術(shù)】
[0002]在本發(fā)明中所述類型的液位傳感器特別是應(yīng)用在例如機動車和摩托車、公共汽車或其它車輛的燃料箱內(nèi)。目前液位傳感器典型地具有一帶杠桿機構(gòu)和電位計的浮子。由于對新燃料、例如帶生物乙醇成分的燃料或質(zhì)量較差、含硫量高的燃料提出了新要求，所以必須改良在目前所用的液位傳感器中使用的價格低廉的材料或者為其施加涂層。具有附加能量載體、例如乙醇或其它酒精的燃料的不同構(gòu)成同樣要求適當控制發(fā)動機工作點，因此更清楚地了解燃料構(gòu)成非常有利。
[0003]因此已提出了，借助于電容傳感器測量液位。EP I 204 848 BI公開了這種類型的液位傳感器。其中沿著豎直的測量行程布置多個電容傳感器，其一方面由相對較短的單電極構(gòu)成，另一方面與較長的電極對置。由于液位增高，電極之間的介質(zhì)或電介質(zhì)以及進而各個電容傳感器或電容器的電介質(zhì)常數(shù)因此也發(fā)生變化。然后可以從中推導(dǎo)出各個電容傳感器中的哪一個已經(jīng)或仍由液體、特別是燃料包圍。US 7 258 005 B2公開了另一種電容液位傳感器。在此在印刷電路板之上安裝多數(shù)常用的結(jié)構(gòu)，其中所述電容傳感器由兩個被構(gòu)成為不同幾何形狀的電極構(gòu)成，在相應(yīng)相同的形狀下，所述電極基本上相對彼此錯開地布置。
[0004]專利US 6, 502, 460 BUUS 6, 497, 144 BI 和 US 6, 498, 566 BI 公開了另一種液位傳感器，其發(fā)明人是同一人。在這些文獻描述中，液位傳感器具有液位管和接收管，其一起構(gòu)成一電容器。所述電容器的阻抗因此也取決于管的幾何形狀和管之間介質(zhì)的物理特性。因此通過這種電容傳感器的測量可以算出液位。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種開頭所述類型的方法以及液位傳感器，所述液位傳感器在簡單的結(jié)構(gòu)下實現(xiàn)了盡可能準確的液位測量。
[0006]所述目的可以通過具有權(quán)利要求1的特征的液位傳感器來實現(xiàn)。關(guān)于方法，所述目的可以通過具有權(quán)利要求13的特征的方法來實現(xiàn)。在從屬權(quán)利要求中描述了本發(fā)明的有利的設(shè)計方案。
[0007]用于測量容器內(nèi)的液體液位的、特別是用于測量車輛油箱內(nèi)的燃料液位的液位傳感器具有多個沿測量行程、特別是豎直的測量行程彼此重疊布置的電容傳感器，所述電容傳感器的電介質(zhì)常數(shù)隨著液位的改變而變化，根據(jù)本發(fā)明的本質(zhì)，該液位傳感器的特征在于:所述電容傳感器沿測量行程的高度大小不同；一組沿測量行程的高度相對較大的電容傳感器用于估測液位；以及第二組沿測量行程的高度相對較小的電容傳感器用于參考測量。兩組傳感器的相對高度是指這兩組彼此間的比較。高度較大的一組用于真正的液位測量。高度比用于液位測量的電容傳感器小的第二組電容傳感器用于參考測量。借助于該第二組電容傳感器可以在特定的高度位置中進行局部參考測量以通過電介質(zhì)常數(shù)L來識別介質(zhì)。因此當使用多個電容傳感器進行參考測量時，也可以識別出介質(zhì)和/或膜層。如果第二組電容傳感器只由一個傳感器構(gòu)成，則只能借助于電介質(zhì)常數(shù)通常地識別燃料。在所述第二組電容傳感器中，沿測量行程的絕對高度優(yōu)選相對較小，優(yōu)選小于2mm、特別優(yōu)選地小于1mm，從而在液位上升的情況下，這個區(qū)域盡可能快速地被電介質(zhì)完全填滿，并且還可以通過電介質(zhì)常數(shù)推測出燃料或其質(zhì)量或成分。
[0008]在本發(fā)明的一種優(yōu)選設(shè)計方案中，在沿測量行程的至少兩個位置處設(shè)置了高度相對較小的電容傳感器。它們優(yōu)選被布置為彼此相隔一定的間距，從而能夠沿測量行程以特定間距說明可能的不同的燃料或燃料內(nèi)部的膜層。
[0009]在一種優(yōu)選的實施方案中，用于測量液位的電容傳感器由橫向于測量行程布置的測量電極和場電極構(gòu)成，其中每個場電極都分配有多個測量電極。在此優(yōu)選是指由一組二至八個測量電極，優(yōu)選為三至六個測量電極，并且在一種特別優(yōu)選的設(shè)計方案中為一組四個測量電極，所述測量電極分別配屬于一個場電極。在測量行程的方向上，所述測量電極的高度大于用于參考測量的電容傳感器的電極的間距。因此用于參考測量的電容傳感器的設(shè)計方案目標是局部準確的測量。
[0010]在本發(fā)明的一種特別優(yōu)選的設(shè)計方案中，第二組沿測量行程的高度相對較小的電容傳感器既用于參考測量又用于液位測量。由此每個電容傳感器都有雙重用途，且整個結(jié)構(gòu)簡化。特別是，電容傳感器的彼此重疊布置的測量電極優(yōu)選用于液位測量也用于參考測量。因此在一種特別優(yōu)選的設(shè)計方案中，所述液位傳感器僅僅一方面由多個重疊布置的、在豎直方向上延伸的場電極，另一方面由多個分配給每個場電極的、橫向于測量行程延伸的測量電極構(gòu)成。橫向于測量行程延伸的測量電極則一方面與在豎直方向上延伸的場電極組合用于液位測量(Levelmessung),且同時在相互確定電容的情況下還用于參考測量。通過這一方式可以使用特別簡單的結(jié)構(gòu)，且同時一方面持續(xù)測量液位，另一方面持續(xù)測量質(zhì)量。
[0011]因此，場電極的高度相當于至少兩個豎直地延伸的測量電極的寬度加上這兩個場電極之間的間距。優(yōu)選地，場電極延伸過三個、特別是四個，并且在所述示出的實施例中為五個水平對準的測量電極加上彼此之間的間距。優(yōu)選地，場電極的下端部在高度上與所屬最下面的測量電極的下端部或底面齊平。場電極的上端部優(yōu)選和所屬最上面的測量電極的表面齊平或位于同一高度。
[0012]在一種優(yōu)選的實施方式中，在用于參考測量的兩個電容傳感器之間設(shè)置至少一個用于確定液位的電容傳感器。優(yōu)選地，在兩個用于參考測量的電容傳感器之間布置至少三個、特別是四個并且在另一種優(yōu)選的實施方式中布置五個或更多傳感器來測量液位。用于參考測量的電容傳感器優(yōu)選具有豎直的引線(Zuleitung)。在液位上升時，用于參考測量的電容由于引線之間存在的電容的影響而改變其值。因此優(yōu)選設(shè)置一估測電路，其不僅考慮所述電容傳感器的電容本身，還考慮到引線的電容。
[0013]所述液位傳感器優(yōu)選具有印刷電路。所述電容傳感器優(yōu)選印制在印刷電路板上。在一種特別優(yōu)選的設(shè)計方案中，被構(gòu)造為板形的液位傳感器在兩側(cè)都設(shè)有印刷電路，其中這些電路可以在側(cè)面上具有不同設(shè)計。
[0014]在本發(fā)明的一種優(yōu)選的設(shè)計方案中，所述電容傳感器特別是在背面上被分區(qū)段。在此特別設(shè)計兩個彼此并排布置的電極。如果通過算法發(fā)現(xiàn)電容器之一完全被介質(zhì)覆蓋，則可以從用于被覆蓋的電容的預(yù)期值通過反向計算由關(guān)于％的校準曲線確定介質(zhì)。通過如下方式識別所述電容器之一是否完全被介質(zhì)覆蓋:位于上方的電容器至少相對于空氣值(Luftwert)已增大了其值。如果兩個或更多的電容被完全覆蓋，則又可以通過比較電容來識別膜層。在另一種優(yōu)選的設(shè)計方案中，所述電容器被構(gòu)造為指狀。利用這種布置可以識別發(fā)生傾斜。在傾斜狀態(tài)中始終僅一部分指狀結(jié)構(gòu)被介質(zhì)覆蓋。
[0015]本發(fā)明的另一方面涉及一種用于借助于上文所述的液位傳感器來確定液位的方法。在此在第一步驟中借助于用于測量液位的電容傳感器確定液位。在第二步驟中確定，哪一組用于參考測量的電容傳感器位于已確定的液位高度之下，即完全被液體覆蓋，然后在第三步驟中通過在第二步驟中確定的、用于參考測量的電容傳感器分別進行參考測量。在本發(fā)明的框架內(nèi)兩次使用所述用于參考測量的電容傳感器，即一次與豎直對準的場電極一起用于測量液面高度，且此后水平對準的測量電極用于參考測量。但這種參考測量只有在相鄰的、兩個均被介質(zhì)淹沒的測量電極之間進行才有意義。應(yīng)該確定介質(zhì)在該區(qū)域中的電介質(zhì)常數(shù)。此后可以由此得出結(jié)論。因此首先應(yīng)該查明，哪些水平對準的測量電極完全被淹沒。只有對這些測量電極來說，參考測量才有意義。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]下面借助于附圖中示出的實施例進一步解釋本發(fā)明。具體地，示意性圖示如下:
[0017]圖1:根據(jù)本發(fā)明的固定的液位傳感器的透視圖；
[0018]圖2:根據(jù)本發(fā)明的液位傳感器的第一設(shè)計；
[0019]圖3:液位傳感器的一種可能的設(shè)計；
[0020]圖4:液位傳感器的另一種設(shè)計；
[0021]圖5:液位傳感器的另一種設(shè)計；和
[0022]圖6:液位傳感器的另一種設(shè)計。

【具體實施方式】
[0023]圖1示出帶有液位傳感器I的油箱的一部分。所述液位傳感器I尤其具有印刷電路板2。該印刷電路板基本上豎直地布置在油箱中。在此該印刷電路板被固定在油箱中輸送模塊3的壁7上。在壁7上安裝有兩個鉤形的支架(BUgel)4，保持元件5被插到所述支架上，該保持元件具有與印刷電路板2匹配的凹部并因此使所述印刷電路板2保持壓在壁7上。
[0024]圖2示出了印刷電路板2，其與電子部件8構(gòu)成所述液位傳感器I的重要的組成部分。所述電子部件8具有一個或多個多路轉(zhuǎn)接器以及其它的估測電路和單元，通過它們可以估測不同電容傳感器的電壓曲線。圖2中，兩組電容傳感器10和11被布置在所述印刷電路板2之上。所述電容傳感器10沿測量行程的高度在此相對較大，而所述電容傳感器11沿測量行程的高度在此相對較小。所述電容傳感器10分別由一個場電極12和四個所屬的測量電極13構(gòu)成。在此重要的是在場電極12和測量電極13之間形成的縫隙，所述縫隙在液體增多時被填滿并且由此改變了電介質(zhì)常數(shù)分別由四個具有電極12和13的電容傳感器組成的每一組10的上方和下方布置有一組電容傳感器11。該組分別包括電容傳感器11，其由兩個電極14和15構(gòu)成，所述電極在所述印刷電路板2的整個寬度上延伸。兩個電極14和15之間沿豎直方向形成的縫隙是確定的。從所測得的電容可以推導(dǎo)出電介質(zhì)常數(shù)并進而推導(dǎo)出存在于兩個并列彼此緊緊相鄰的電極14和15之間的介質(zhì)。特別是在具有其沿測量行程的高度相對較小的電容傳感器的這組11中，一方面可以識別介質(zhì)，另一方面可以通過所使用的組11的大多數(shù)識別出介質(zhì)的膜層。
[0025]圖3示出了液位傳感器I的印刷電路板2的另一種設(shè)計。作為圖2所示電路的補充，該印刷電路板例如可以與所述電路并排布置或布置在液位傳感器的印刷電路板的背面上。在此場電極12與十六個測量電極13連接在一起，從而在場電極12和測量電極13之間分別形成電容。通過這一設(shè)計基本上實現(xiàn)了重點計算。
[0026]如圖4所示的實施方式同樣優(yōu)選地與圖2所示的設(shè)計組合使用，其中電容器被分為總共16個大小大致相同的區(qū)段15，其中每兩個區(qū)段彼此并排布置并且總共有八個區(qū)段彼此重疊地、即沿豎直方向布置。在各個區(qū)段之間分別測量電容并由此確定出區(qū)段之間的電介質(zhì)或其電介質(zhì)常數(shù)。
[0027]圖5示出另一種設(shè)計方案的印刷電路板2。在此設(shè)置有電極16，其具有中央豎直的導(dǎo)線(Leitung) 17和從其出發(fā)向外延伸的指銷(Finger) 18。在兩個外側(cè)上設(shè)置有豎直的導(dǎo)體19，該導(dǎo)體具有向內(nèi)延伸的指銷20，所述指銷交替地接合在從內(nèi)向外指向的指銷18中或與之嚙合。通過區(qū)分的布置可以識別出傾斜。所述指銷結(jié)構(gòu)在介質(zhì)傾斜時總是僅部分被介質(zhì)覆蓋。這種布置同樣也優(yōu)選與圖2所示的結(jié)構(gòu)組合使用，特別是布置在所述印刷電路板2的背面。
[0028]圖6示出了所述液位傳感器I的另一種特別優(yōu)選的設(shè)計。該液位傳感器與圖1所示的液位傳感器類似地構(gòu)造，但在幾點上有所區(qū)別。所述液位傳感器I在此具有總共六組電容傳感器10，其沿著測量行程的高度相對較大并且基本上由場電極12預(yù)先規(guī)定。通過它們確定液位高度。測量在場電極12’和測量電極13-例如在所示的實施例中為標記為13’的測量電極-之間的電容。然后測量在場電極12’和測量電極13”之間的電容。如果出現(xiàn)不同的電容-其成因是，所述場電極13’還在液體中，而場電極13”在空氣中，從而形成了不同的電介質(zhì)常數(shù)，則由此出現(xiàn)了在兩個測量電極13’和13”之間的液體的當前液位。所述測量電極還同時用于參考測量。通過對測量電極13’和13”之間的電容進行測量，可以確定介質(zhì)的局部質(zhì)量或介質(zhì)的參考。優(yōu)選只借助于一種測量電極13實施這種測量，對這種測量電極來說，由借助于場電極12和測量電極13的平行液位測量已知，相鄰的測量電極13’和13”被完全淹沒。由隨后在相鄰的測量電極13’和13”之間可確定的電介質(zhì)常數(shù)能夠在參考規(guī)定介質(zhì)規(guī)格時來確定液體質(zhì)量的數(shù)據(jù)。還可以通過這一方式確定乙醇含量或離解。通過該電路即使在單面測量結(jié)構(gòu)的情況下也能實現(xiàn)持續(xù)測量液位并持續(xù)測量質(zhì)量。所有場電極優(yōu)選連接在第一多路轉(zhuǎn)接器21上。所述測量電極連接在第二多路轉(zhuǎn)接器22上。在此處所示的實施方式中，測量電極中的若干、也就是每組測量電極13配屬于一個場電極12，唯一的測量電極與同一個多路轉(zhuǎn)接器21連接，該多路轉(zhuǎn)接器上還連接有場電極12。在所示的實施例中，由此可以對測量電極13’和13”之間的電容進行測量。
[0029]也可以考慮其它電路，從而在所有任意的測量電極13之間都可以進行參考測量。這可以或者通過其它至多路轉(zhuǎn)接器21、22上的接線或通過所述多路轉(zhuǎn)接器自身的其它設(shè)計方案實現(xiàn)。
[0030]上述說明以及權(quán)利要求中所提及的全部特征都可以按任意選擇與獨立權(quán)利要求的特征結(jié)合。因此本發(fā)明的公開內(nèi)容不限于已說明或已提出的特征組合，而是所有在本發(fā)明框架下有意義的特征組合都可被視為公開。
【權(quán)利要求】
1.用于測量容器內(nèi)液位的、特別是用于測量車輛油箱中的燃料液位的液位傳感器，所述液位傳感器具有多個沿測量行程彼此重疊布置的電容傳感器，所述電容傳感器的電介質(zhì)常數(shù)隨著液位的改變而變化， 其特征在于， 所述電容傳感器沿所述測量行程的高度大小不同，并且 一組沿著所述測量行程的高度相對較大的電容傳感器(10)用于估測液位，并且 第二組沿著所述測量行程的高度相對較小的電容傳感器(11)用于參考測量。
2.如權(quán)利要求1所述的液位傳感器，其特征在于，在沿所述測量行程的至少兩個位置上設(shè)置了沿著測量行程的高度相對較小的電容傳感器(11)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的液位傳感器，其特征在于，用于測量液位的電容傳感器(10)由橫向于測量行程布置的測量電極(13)和場電極(12)構(gòu)成，其中每個場電極(12)分配了多個測量電極(13)。
4.如上述權(quán)利要求中任一項所述的液位傳感器，其特征在于，第二組沿著所述測量行程的高度相對較小的電容傳感器(11)不僅用于參考測量而且用于液位測量。
5.如權(quán)利要求3或4所述的液位傳感器，其特征在于，所述電容傳感器的彼此重疊布置的測量電極(13)用于液位測量也用于參考測量。
6.如上述權(quán)利要求中任一項所述的液位傳感器,其特征在于，所述液位傳感器僅一方面包括多個重疊布置的在豎直方向上延伸的場電極(12),另一方面還包括多個被分配給每個場電極的、橫向于所述測量行程布置的測量電極(13)。
7.如上述權(quán)利要求中任一項所述的液位傳感器，其特征在于，在兩個用于參考測量的電容傳感器(11)之間布置有至少一個用于確定液位的電容傳感器(10)。
8.如上述權(quán)利要求中任一項所述的液位傳感器，其特征在于，所述液位傳感器(I)包括印刷電路⑵。
9.如權(quán)利要求8所述的液位傳感器，其特征在于，所述液位傳感器具有印刷電路板，所述印刷電路板的兩側(cè)被印刷電路占據(jù)。
10.如上述權(quán)利要求中任一項所述的液位傳感器，其特征在于，所述電容傳感器包括構(gòu)造為指狀(18、19)的電容器。
11.如上述權(quán)利要求中任一項所述的液位傳感器，其特征在于，用于參考測量的電容傳感器(11)包括豎直的引線。
12.如權(quán)利要求11所述的液位傳感器，其特征在于，設(shè)置了估測電路，所述估測電路考慮到引線的電容。
13.一種用于借助于如上述權(quán)利要求中任一項所述的液位傳感器測量液位的方法， 其特征在于， 在第一步驟中，借助于用于測量液位的電容傳感器(10)確定液位，然后在第二步驟中確定，哪一組用于參考測量的電容傳感器(11)位于已確定的液位高度之下，即完全被液體覆蓋，然后在第三步驟中，利用在第二步驟中確定的用于參考測量的電容傳感器(11)分別進行參考測量。
【文檔編號】G01F23/26GK104165669SQ201410272802
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月13日
【發(fā)明者】T·尼曼, V·斯克瓦雷克, T·埃格斯, M·阿梅德 申請人:赫拉胡克公司