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TECHNISCHES
GEBIET
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Diese Erfindung bezieht sich allgemein
auf einen Flüssigkeitspegelsensor
und konkreter auf einen kapazitiven Flüssigkeitspegelsensor zur Verwendung
bei Kraftfahrzeugen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Flüssigkeitspegelsensoren finden überall in Kraftfahrzeugen
Anwendung an Stellen wie z.B. dem Motorölreservoir, dem Fluidreservoir
für die
Scheibenwaschanlage und dem Kühler,
um nur einige Stellen zu nennen. Herkömmliche Flüssigkeitspegelsensoren zur
Verwendung in Kraftfahrzeugen basieren auf optischen, Ultraschall-,
potentiometrischen und Schwimmersystemen. All diese Geräte führen die gleichen
Funktionen Messen des Flüssigkeitspegels und
Weiterleiten dieser Information an den Fahrer des Kraftfahrzeuges
oder an einen entsprechenden Controller an Bord des Fahrzeugs aus;
jedes dieser Geräte
führt jedoch
diese gegebenen Funktionen auf verschiedene Weise aus. Unter diesen
Typen von Flüssigkeitspegelsensoren
ist der potentiometrische der einfachste; er ist aber Verschleiß ausgesetzt,
der seine Genauigkeit im Laufe der Zeit verringert. Das Gerät vom Schwimmertyp
verschleißt
ebenfalls im Verlauf der Zeit, was es für die gleichen Probleme anfällig macht,
die mit dem Gerät
vom potentiometrischen Typ verbunden sind. Die anderen beiden Typen
von Flüssigkeitspegelsensoren
sind zuverlässig, erfordern
aber eine teure und komplizierte Signalaufbereitungs- und Verstärkungsanlage.
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Es ist wünschenswert, einen Flüssigkeitspegelsensor
zu haben, der den Flüssigkeitspegel
an allen kritischen Fluidbereichen einschließlich, nicht aber darauf beschränkt, der
oben aufgelisteten Bereiche genau und zuverlässig misst und diese Information
an den Fahrer des Fahrzeugs weiterleitet, während er gleichzeitig günstig ist.
Demgemäß besteht
ein Bedarf an einem zuverlässigen,
jedoch kostengünstigen
Flüssigkeitspegelsensor.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Ein Flüssigkeitspegelsensor wird gemäß der vorliegenden
Erfindung geschaffen. Der Flüssigkeitspegelsensor
umfasst ein isoliertes Substrat, ein Paar beabstandete, elektrisch
leitende Elektroden, die vom isolierten Substrat getragen werden,
und eine Schicht porösen
Materials, die über
dem Paar beabstandete, elektrisch leitende Elektroden liegt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird nach einer Durchsicht
der folgenden Beschreibung verstanden, die zusammen mit den Zeichnungen
betrachtet wird, in denen:
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1 eine
Anwendung eines Flüssigkeitspegelsensors
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung schematisch veranschaulicht;
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2 und 3 in einer Drauf- bzw. Querschnittansicht
einen Flüssigkeitspegelsensor
gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung veranschaulichen;
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4 die
experimentellen Ergebnisse graphisch veranschaulicht, die unter
Verwendung einer Ausführungsform
des Flüssigkeitspegelsensors
erhalten wurden;
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5 und 6 schematisch in einer Draufsicht zusätzliche
kapazitive Flüssigkeitspegelsensoren
gemäß weiterer
Ausführungsformen
der Erfindung veranschaulichen; und
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7 in
Draufsicht einen kapazitiven Flüssigkeitspegelsensor
gemäß noch einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung schematisch veranschaulicht.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Ein kapazitiver Flüssigkeitspegelsensor
gemäß einer
Ausführungsform
dieser Erfindung nutzt Messungen der Kapazität eines eingetauchten Sensors,
um eine Flüssigkeitshöhe anzugeben.
Die am Sensor gemessene Kapazität
wird von einer Steuereinheit interpretiert, die Informationen bezüglich des Flüssigkeitspegels
an eine für
den Fahrer des Kraftfahrzeugs sichtbare Anzeigeeinheit oder an einen entsprechenden
Controller an Bord des Fahrzeuges weiterleitet. Kapazitive Flüssigkeitspegelsensoren gemäß der Erfindung
werden auch in anderen Anwendungen als Kraftfahrzeuge genutzt. Obgleich
die verschiedenen Ausführungsformen
der Erfindung hierin in Anwendungen für Kraftfahrzeuge beschrieben werden,
dient eine solche Beschreibung nur der Zweckmäßigkeit und soll nicht den
Umfang oder die Anwendung der Erfindung beschränken.
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1 – 3 veranschaulichen schematisch
einen kapazitiven Flüssigkeitspegelsensor 14 und
seine Anwendung gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung. Der Flüssigkeitspegelsensor
enthält
zwei parallel Elektrodenstreifen 18 aus einem elektrisch leitenden
Material, die entlang ihren jeweiligen Längen auf einer Oberfläche 19 eines
elektrisch isolierten Substrats 16 getragen werden. Die
leitenden Streifen können
z.B. Kupfer oder Gold sein, obgleich jedes beliebige elektrisch
leitende Material verwendet werden kann. Das Substrat kann z.B.
ein herkömmliches
Leiterplattenmaterial, Glasfaser, Polykarbonat oder dergleichen
sein. Eine aus einem porösen
Material wie im folgenden definiert bestehende Beschichtung 32 bedeckt
beide Elektrodenstreifen 18 sowie den freigelegten Teil
der Oberfläche 19.
Porosität
ist definiert als das Verhältnis
des Volumens der Zwischenräume
eines Materials zum Volumen seiner Masse (oder das Hohlraumvolumen
geteilt durch das Körpervolumen).
Der Ausdruck "porös" wird im folgenden
verwendet, um ein Material mit miteinander verbundenen Poren und
einer Porosität
von mehr als etwa 1,0 Kubikzentimeter pro Gramm zu beschreiben.
Der Ausdruck "poröses Material" wird im folgenden
verwendet, um jedes Material mit einer solchen Porosität und mit
einem Widerstand, wie er zwischen den Elektrodenstreifen gemessen
wird, von mehr als etwa 0,15 Ohm-Zentimeter zu beschreiben. Das
poröse
Material kann ein Isolator oder ein Halbleiter wie z.B. ein keramisches
Material wie beispielsweise Aluminiumoxid, Manganoxid oder dergleichen sein,
obgleich ein anderes poröses
Material verwendet werden kann. PremairTM,
das von Engelhard Corp. aus Iserlin NJ, erhältlich ist und von dem man glaubt,
dass es eine Manganoxidverbin dung enthält, hat sich in dieser Anwendung
als wirksam erwiesen. Das poröse
Material kann z.B. durch Plasmasprühen, Flammsprühen, Tauchbeschichtung
oder einen ähnlichen
Prozess aufgebracht werden. Die Beschichtung ist in der Querschnittansicht
von 3 deutlich veranschaulicht.
Ein zum Anbringen einer elektrischen Zuleitung 22 geeigneter
Kontakt 20 ist an einem Ende jedes der Elektrodenstreifen
vorgesehen. Die elektrischen Zuleitungen sorgen für eine Verbindung
des Sensors 14 mit einer Steuereinheit 24. Die
Steuereinheit kann z.B. ein Berechnungsgerät wie z.B. ein Mikrocontroller,
ein Teil des Motorsteuerungsmoduls oder dergleichen sein. Die Steuereinheit
dient dazu, die Kapazität
zwischen den beiden leitenden Elektrodenstreifen zu messen, und
berechnet aus dieser gemessenen Kapazität den tatsächlichen Flüssigkeitspegel. Die Steuereinheit
leitet eine Information in Form eines dem Flüssigkeitspegel entsprechenden
Signals weiter an eine Anzeigeeinheit 26 in der Fahrerkabine
des Kraftfahrzeuges oder an einen entsprechenden Controller an Bord des
Fahrzeugs. Je nach dem spezifischen Widerstand des porösen Materials
kann es vorteilhaft sein, einen (nicht veranschaulichten) festen
Kondensator mit dem kapazitiven Flüssigkeitspegelsensor in Reihe
anzuordnen, um einen Gleichstrom zu sperren, der ansonsten über den
Sensor fließen
könnte.
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Wieder auf 1 bezugnehmend ist der Flüssigkeitspegelsensor 14 im
Betrieb teilweise in eine in einem Reservoir 28 enthaltene
Flüssigkeit 29 eingetaucht,
so dass das isolierte Substrat und die elektrisch leitenden Streifen
zur Oberfläche
der Flüssigkeit
senkrecht sind. Die Flüssigkeit 29,
deren Höhe
gemessen werden soll, ist gekennzeichnet durch eine Dielektrizitätskonstante
K1 im Gegensatz zu der Dielektrizitätskonstante K2 eines Gases 30 oberhalb
der Oberfläche
der Flüssigkeit.
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Die Steuereinheit 24 misst
die Kapazität
zwischen den beiden Elektrodenstreifen und kann aus dieser Messung
die Höhe
der Flüssigkeit 29 berechnen.
Die gesamte Kapazität
(Ctotal) des Flüssigkeitspegelsensors 14,
gemessen zwischen den beiden Elektrodenstreifen gemäß der Erfindung,
ist die Summe der Kapazität
(Cwet) des Bruchteils des Flüssigkeitspegelsensors,
der in der Flüssigkeit 29 eingetaucht
ist, plus die Kapazität
(Cdry) des Rests des Flüssigkeitspegelsensors,
der dem Gas 30 ausgesetzt ist. Cwet und Cdry sind wiederum
der Länge der
Streifen 18, die entweder in der Flüssigkeit 29 eingetaucht
ist bzw. die oberhalb der Oberfläche
der Flüssigkeit
liegt, und den Dielektrizitätskonstanten K1
bzw. K2 proportional. Die Steuereinheit 24 wird kalibriert,
um mit den beiden verschiedenen Fluiden (wobei sich Fluid hier auf
entweder Flüssigkeit
oder Gas bezieht) mit bekannten Dielektrizitätskonstanten K1 und K2 speziell
zu arbeiten, so dass die Steuereinheit 24 aus jeder gemessenen
Kapazität
den tatsächlichen
Flüssigkeitspegel
berechnen kann. Nachdem der Flüssigkeitspegel
basierend auf der gemessenen Ctotal berechnet ist, leitet die Steuereinheit 24 ein
dem berechneten Flüssigkeitspegel
entsprechendes Signal an die Anzeigeeinheit 26 oder an
den fahrzeugeigenen Controller weiter. Wenn sich der Pegel der Flüssigkeit 29 ändert, überwacht
folglich die Steuereinheit 24 die Kapazität des Flüssigkeitspegelsensors 14 und
berechnet die Höhe
der Flüssigkeit, wobei
ein der Information über
die Flüssigkeitshöhe entsprechendes
Signal an die Anzeigeeinheit 26 weitergeleitet wird.
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Die folgenden, nicht beschränkenden
Beispiele veranschaulichen Ergebnisse von Flüssigkeitspegelmessungen, die
aus der Verwendung eines kapazitiven Flüssigkeitspegelsensors gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung erhalten wurden. In diesen besonderen beispiel haften
Ausführungsformen
der Erfindung war das Substrat 16 aus einem Streifen einer
PC-Platine FR4 hergestellt. Zwei parallele Elektrodenstreifen 18 aus
Kupfer waren auf dem Substrat gemustert. Die Streifen waren dann
zehn Zentimeter lang und 0,3 Millimeter breit. Die beiden Streifen
waren durch eine konstante Lücke
von 0,5 Millimeter getrennt. Eine aus einem porösen Material bestehende Beschichtung 32,
die die Streifen und die freigelegten Abschnitte der Oberfläche 19 bedeckte, war
eine katalytische Niedertemperaturbeschichtung, die im Handel als
PremAirTM bekannt ist. Die Beschichtung
war 25 Mikrometer dick. Elektrische Zuleitungen waren an die Kontakte 20 gebondet,
und der Sensor war über
diese Zuleitungen mit einem Kapazitätsmessgerät B/K Precision Model 875b
verbunden. Der zwischen den beiden Elektroden gemessene Widerstand
betrug ungefähr
30 kOhm. Der Sensor war so positioniert, dass die Streifen in einem
Fluidbehälter
vertikal orientiert waren. Die Höhe
der Flüssigkeit
wurde variiert, und die Kapazität
des Sensors wurde gemessen. In einem ersten Beispiel war der Behälter mit
reinem Wasser gefüllt,
und in einem zweiten Beispiel war der Container mit einem Lösungsmittel
für Scheibenwischer
gefüllt,
dessen Zusammensetzung in erster Linie Methanol und Wasser war.
In beiden Beispielen war das Gas oberhalb der Flüssigkeit Luft bei Umgebungsbedingungen.
Die erhaltenen Ergebnisse sind graphisch in 4 veranschaulicht, in der eine in Nanofarad
(nF) gemessene Kapazität
auf einer vertikalen Achse 42 aufgetragen und die Höhe der Flüssigkeit,
gemessen in Zentimeter (cm), auf einer horizontalen Achse 44 aufgetragen wurde.
Eine untere Linie 46 in 4 entspricht
Daten, die erhalten wurden, wenn die Flüssigkeit im Reservoir 28 Wasser
war, und eine obere Linie 48 in 4 entspricht Daten, die erhalten wurden,
wenn die Flüssigkeit
im Reservoir 28 das Lösungsmittel
für Scheibenwischer
war. In beiden Fällen
wurde eine nahezu lineare Abhängigkeit
zwischen der Flüssigkeitshöhe und der
Kapazität
erhalten. Eine große
und leicht messbare Änderung
in der Kapazität
wurde beobachtet. Diese große
gemessene Kapazität
vermeidet den Bedarf an einer teuren Verstärkungs- oder Signalaufbereitungsanlage, um
ein nützliches
Signal zu erhalten.
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Die Steuereinheit kann in bekannter
Weise programmiert werden, um eine Kapazität zu messen und aus der gemessenen
Kapazität
eine Flüssigkeitspegelhöhe zu berechnen
und zu extrahieren, wenn ein kapazitiver Flüssigkeitspegelsensor gemäß der Erfindung
genutzt wird. Mit einer linearen Abhängigkeit zwischen dem Flüssigkeitspegel
und der gemessenen Kapazität
ist es besonders einfach, die Steuereinheit zu programmieren.
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5 und 6 veranschaulichen schematisch in
einer Draufsicht zwei zusätzliche
kapazitive Flüssigkeitspegelsensoren 50 bzw. 70 gemäß weiteren Ausführungsformen
der Erfindung. Die kapazitiven Flüssigkeitspegelsensoren 50 und 70 sind
in ähnlicher
Weise zu dem oben beschriebenen kapazitiven Flüssigkeitspegelsensor 14 aufgebaut.
Jeder Sensor weist ein isoliertes Substrat 16 mit einer
Oberfläche 19 auf.
Leitende Elektroden sind auf der Oberfläche 19 vorgesehen
und enthalten einen Kontakt 20, an dem (nicht dargestellte)
elektrische Zuleitungen angebracht werden können. Die leitenden Elektroden sind
mit einem porösen
Material beschichtet. Im Gegensatz zum Sensor 14 enthalten
jedoch die kapazitiven Flüssigkeitspegelsensoren 50 und 70 leitende Elektroden 52 bzw. 72,
die nicht parallel sind. Der Abstand zwischen den Elektroden 52 des
kapazitiven Flüssigkeitspegelsensors 50 nimmt
von unten nach oben zu, so dass die oberen Enden der Elektroden 52 weiter
beabstandet sind als die unteren Enden dieser Elektroden. Im Gegensatz dazu
nimmt der Abstand zwischen den Elektroden 72 des kapazitiven Flüssigkeitspegelsensors 70 von
unten nach oben ab, so dass die unteren Enden der Elektroden 72 weiter
beabstandet sind als die oberen Enden dieser Elektroden. Der geänderte Abstand
zwischen den Elektroden ändert
die Empfindlichkeit der Sensoren, wenn sich der Flüssigkeitspegel ändert. Wegen
des veränderten
Abstands zwischen den Elektroden hat der Sensor 50 eine
größere Empfindlichkeit,
wenn das Reservoir, das die gemessene Flüssigkeit enthält, nahezu
leer ist, und der Sensor 70 hat eine größere Empfindlichkeit, wenn
das Reservoir nahezu voll ist.
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7 veranschaulicht
schematisch in einer Draufsicht einen kapazitiven Flüssigkeitspegelsensor 80 gemäß noch einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung. Der Sensor 80 enthält ein Paar leitende Elektroden 82 und 84,
von denen jede kammförmig gestaltet
ist. Die Elektrode 82 enthält mehrere Elektroden-"Zähne" 86, die durch eine Buselektrode 88 elektrisch
miteinander gekoppelt sind. Die Elektrode 84 enthält mehrere
Elektrodenzähne 90,
die durch eine Buselektrode 92 miteinander elektrisch gekoppelt
sind. Die Mehrzahl von Elektrodenzähnen auf den Elektroden 82 und 84 greifen
ineinander. Die Elektroden 82 und 84 sind auf
der Oberfläche 19 eines
Substrats 94 angeordnet und mit einer Schicht aus einem
porösen
Material 96 beschichtet. Ein zum Anbringen einer (nicht
dargestellten) elektrischen Zuleitung geeigneter Kontakt 98 ist
an einem Ende jedes der Elektrodenstreifen vorgesehen. Im Gebrauch ist
der Sensor 80 in die Flüssigkeit
eingetaucht, deren Höhe
gemessen werden soll, wobei die beiden Buselektroden senkrecht zur
Oberfläche
der Flüssigkeit orientiert
sind. Die Empfindlichkeit des Sensors 80 ist durch die
Anzahl, Breite und den Abstand der Elektrodenzähne bestimmt.
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Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung enthält
ein kapazitiver Flüssigkeitspegelsensor
poröse
leitende oder halbleitende Elektroden, die auf einem nicht porösen Substrat
wie z.B. einem Polymersubstrat getragen werden. Die Elektroden können gemäß den oben
beschriebenen Ausführungsformen
parallel oder nicht parallel sein oder ineinandergreifen. Die porösen leitenden
oder halbleitenden Elektroden können
aus Materialien wie z.B. porösem
Mangandioxid, porösem
polykristallinem Silicium oder dergleichen hergestellt sein. In ähnlicher
Weise kann der kapazitive Flüssigkeitspegelsensor
als ein (nicht dargestellter) Parallelplattenkondensator ausgebildet
sein, wobei eine erste leitende Elektrode auf einem isolierenden
Substrat getragen wird, ein nicht poröses Kondensatordielektrikum über der
ersten leitenden Elektrode liegt und eine poröse leitende Elektrode über dem
Kondensatordielektrikum liegt. Die poröse leitende Elektrode kann
wiederum ein beliebiges poröses
leitendes Material wie z.B. poröses
Mangandioxid, poröses
polykristallines Silicium oder dergleichen sein.
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Folglich wurde offensichtlich hier
gemäß der Erfindung
ein kapazitiver Flüssigkeitspegelsensor geschaffen,
der die oben dargelegten Anforderungen erfüllt. Durch das Fehlen einer
komplizierten Signalaufbereitungs- und Verstärkungsanlage wird die Erfindung
kostengünstig
gehalten, während
sie zur gleichen Zeit aufgrund des Fehlens beweglicher Teile zuverlässig ist.
Obgleich die Erfindung mit Verweis auf ihre spezifischen Ausführungsformen
beschrieben und veranschaulicht wurde, soll die Erfindung nicht auf
solche veranschaulichende Ausführungsformen beschränkt sein.
Zum Beispiel können
die elektrisch leitenden Streifen und das Substrat aus anderen Materialien
als den oben vorgeschlagenen geschaffen sein. Das die leitenden
Streifen bedeckende poröse Material
kann eine beliebige Zusammensetzung mit geringer Dichte und geringer
Leitfähigkeit
aufweisen. Die Elektrodenstreifen können auch eine verschiedene
Geometrie, Länge
und/oder Breite als diejenigen aufweisen, die in der veranschaulichenden
Ausführungsform
vorgesehen wurden, und müssen
nicht gerade, rechtwinkelige parallele Streifen sein, obgleich die
Verwendung solcher veranschaulichter Streifen eine Extraktion des
Flüssigkeitspegels
aus einer gemessenen Kapazität
besonders einfach macht. Der Fachmann erkennt, dass viele Variationen,
Modifikationen solcher Ausführungsformen möglich sind,
ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen. Demgemäß sollen alle derartigen Variationen und
Modifikationen der Erfindung eingeschlossen sein, sofern sie in
den Umfang der beigefügten
Ansprüche
fallen. Ein kapazitiver Flüssigkeitspegelsensor
schafft ein zuverlässiges
und kostengünstiges Mittel,
um eine Fluidhöhe
zu messen. Die an einem Sensor gemessene Kapazität wird von einer Steuereinheit
interpretiert, die Informationen bezüglich des Flüssigkeitspegels
an eine für
den Fahrer des Kraftfahrzeuges sichtbare Anzeigeeinheit weiterleitet.
In einer Ausführungsform
besteht der Sensor aus zwei parallelen Elektrodenstreifen aus einem
leitenden Material, die entlang ihren jeweiligen Längen von
einem Substrat aus einem isolierten Material getragen werden. Die
Streifen und die freigelegte Seite des Substrats sind mit einem
porösen
Material mit geringer Leitfähigkeit
beschichtet. Die Streifen sind durch ein Paar elektrische Zuleitungen
mit einer Steuereinheit verbunden. Wenn der Sensor in einer Flüssigkeit eingetaucht
ist, misst die Steuereinheit die Kapazität zwischen den beiden Streifen
und berechnet auf der Basis der bekannten Dielektrizitätskonstante
der Flüssigkeit
und des Gases über
ihr die tatsächliche Flüssigkeitshöhe.
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Ein kapazitiver Flüssigkeitspegelsensor schafft
ein zuverlässiges
und kostengünstiges
Mittel, um eine Fluidhöhe
zu messen. Die an einem Sensor gemessene Kapazität wird von einer Steuereinheit interpretiert,
die Informationen bezüglich
des Flüssigkeitspegels
an eine für
den Fahrer des Kraftfahrzeuges sichtbare Anzeigeeinheit weiterleitet.
In einer Ausführungsform
besteht der Sensor aus zwei parallelen Elektrodenstreifen aus einem
leitenden Material, die entlang ihren jeweiligen Längen von
einem Substrat aus einem isolierten Material getragen werden. Die
Streifen und die freigelegte Seite des Substrats sind mit einem
porösen
Material mit geringer Leitfähigkeit
beschichtet. Die Streifen sind durch ein Paar elektrische Zuleitungen
mit einer Steuereinheit verbunden. Wenn der Sensor in einer Flüssigkeit
eingetaucht ist, misst die Steuereinheit die Kapazität zwischen
den beiden Streifen und berechnet auf der Basis der bekannten Dielektrizitätskonstante
der Flüssigkeit
und des Gases über
ihr die tatsächliche Flüssigkeitshöhe.