DE4228737C2

DE4228737C2 - Vorrichtung zur Feststellung der Dielektrizitätskonstanten von Kraftsstoff

Info

Publication number: DE4228737C2
Application number: DE4228737A
Authority: DE
Inventors: Hiroyoshi Suzuki; Akira Okada; Takahiro Moronaga
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1991-08-28
Filing date: 1992-08-28
Publication date: 1994-11-10
Anticipated expiration: 2012-08-29
Also published as: US5592098A; KR960010689B1; US5543722A; DE4228737A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Ermittlung der Dielektrizitätskonstanten von Kraftstoff, der einer Verbrennungskammer zugeführt wird, um die Eigenschaften des Kraftstoffs zu ermitteln, und insbesondere eine Vorrichtung zur Messung des Alkoholgehaltes eines mit Alkohol vermischten Kraftstoffs zur Verwendung in Kraftfahrzeugmotoren.

In steigendem Maße wird zur Verwendung in Kraftfahrzeugen Kraftstoff eingeführt, der durch Mischung von Alkohol mit Benzin hergestellt wird, um nicht nur den Ölverbrauch zu verringern, sondern auch die Atmosphärenverschmutzung in Folge von Kraftfahrzeug-Auspuffgasen. Allerdings hat die direkte Verwendung eines derartigen, mit Alkohol vermischten Kraftstoffs für einen Motor, der so ausgelegt ist, daß er zum Luft/Kraftstoffverhältnis von Benzin paßt, das Fahren erschwert, da das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis von Alkohol niedriger ist als das von Benzin, so daß also das erstgenannte Luft/Kraftstoffverhältnis magerer gemacht wird. Daher wurde es üblich, den Alkoholgehalt von Kraftstoff mit zugemischtem Alkohol festzustellen, um das Luft/Kraftstoffverhältnis, den Zündzeitpunkt und dergleichen entsprechend dem ermittelten Wert einzustellen.

Zur Ermittlung des Alkoholprozentsatzes wurden bereits Systeme vorgeschlagen, bei welchen die Änderung der elektrischen Kapazität zur Ermittlung der Dielektrizitätskonstanten eines mit Alkohol vermischten Kraftstoffs verwendet wird.

Bei einem in der japanischen Patentveröffentlichung (Kokai) Sho-62-25248 beschriebenen System ist ein Gefäß aus einem Material mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten von einer ersten Spule und einer zweiten Spule umschlossen. An die erste Spule ist ein Oszillator angeschlossen, wodurch unter Berücksichtigung der Streukapazität der ersten Spule eine LC-Resonanzschaltung gebildet wird. Die zweite Spule ist induktiv und kapazitiv (über die Streukapazität zwischen der ersten und zweiten Spule) an die erste Spule gekoppelt und dient als Detektorspule, an deren Enden ein Spannungsmeßgerät angeschlossen ist. Abhängig von der Dielektrizitätskonstanten einer in dem Gefäß befindlichen Substanz ändert sich die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung, und auch die Streukapazität zwischen der ersten und der zweiten Spule. Die Dielektrizitätskonstante der Substanz wird auf der Grundlage der von dem Spannungsmeßgerät erfaßten Spannung bestimmt, durch Vergleich mit einer Bezugs-Dielektrizitätskonstanten einer bekannten Substanz.

In der japanischen Patentveröffentlichung (Kokoku) Sho-63-31734 ist ein System beschrieben, bei welchem eine Flüssigkeit, deren Dielektrizitätskonstante festgestellt werden soll, durch ein Rohr fließt. Das Rohr ist von einer Anregungs-Ringelektrode umschlossen, die an einen Oszillator angeschlossen ist, sowie von einer Detektorspule umschlossen, die an einen Wechselspannungsverstärker angeschlossen ist. An die Anregungs-Ringelektrode wird ein Hochfrequenzsignal angelegt, und eine Änderung der Dielektrizitätskonstanten der Flüssigkeit wird auf der Grundlage eine Änderung der Induktionsspannung der Detektorspule erfaßt.

Unter Bezug auf die Fig. 1 bis 3 wird, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, ein der Anmelderin bekanntes System beschrieben.

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines derartigen konventionellen Meßsensors für die Dielektrizitätskonstante eines Kraftstoffs, wobei die Bezugsziffer 1 ein Isolierrohr bezeichnet, welches aus Keramik, einem ölwiderstandsfähigen Kunststoffmaterial oder dergleichen besteht, und innen mit einem Kraftstoffkanal 4 versehen ist, 16 eine Anregungselektrode, die in ringartiger Form auf einen Teil des Außenumfangs des Isolierrohrs 1 gewickelt ist, und 3 eine in einer einzigen Schicht gewickelte Spule, die ebenfalls auf das Isolierrohr 1 in einem vorbestimmten Abstand von der Anregungselektrode 16 aufgewickelt ist, wobei diese Teile eine Sensoreinheit A bilden. Weiterhin bezeichnet das Bezugszeichen B eine Meßschaltung, die mit der Sensoreinheit A verbunden ist, und in welcher die folgende Anordnung vorliegt: Der Ausgang einer Sägezahnsignal-Schwingungsschaltung 31 ist mit einer spannungsgesteuerten Oszillatorschaltung 22 verbunden, der Ausgang der spannungsgesteuerten Oszillatorschaltung 22 ist an die Anregungselektrode 16 angeschlossen; ein Ende der einschichtig gewickelten Spule 3 ist geerdet, wobei sich dieses Ende an der der Anregungselektrode 16 entgegengesetzten Seite befindet; ein Signal an der anderen Endseite der einschichtig gewickelten Spule 3 ist über eine Vollweg-Gleichrichterschaltung 23 an einen Spitzenwertdetektor 24 angeschlossen; der Ausgang des Spitzenwertdetektors 24 ist an den Eingang einer Sample/Hold-Schaltung 25 angeschlossen, welcher das Ausgangssignal der Sägezahnsignal-Oszillatorschaltung 21 zugeführt wird, und das Ausgangssignal der Sample/Hold-Schal tung 25 wird nach außen über ein Tiefpaßfilter 26 ausgegeben. Fig. 2A ist ein Schnittbild der Sensoreinheit A. Fig. 2B ist ein Äquivalenzschaltbild der Sensoreinheit. Fig. 3 ist ein Graph mit einer Darstellung der Ausgangscharakteristik der Sensoreinheit.

Nachstehend wird der Betriebsablauf des voranstehend angegebenen, konventionellen Sensors beschrieben. Die Frequenz des Signals, welches von der spannungsgesteuerten Oszillatorschaltung 22 an die Anregungselektrode 16 angelegt wird, wird so gesteuert, daß sie durch das Ausgangssignal der Sägezahnsignal-Oszillatorschaltung 21 gewobbelt wird. Wenn sich die Dielektrizitätskonstante ε des Kraftstoffs von dem momentan gewünschten Wert unterscheidet, zeigt die induzierte Spannung in der einschichtig gewickelten Spule 3 einen Maximalwert mit einer unterschiedlichen Frequenz. Dies erfolgt deswegen, da eine elektrostatische Kapazität Cf entsprechend der Dielektrizitätskonstanten ε des Kraftstoffs innerhalb des Kraftstoffkanals 4 zwischen der Anregungselektrode 16 und der einschichtig gewickelten Spule 3 zusammen mit der Selbstinduktivität L der einschichtig gewickelten Spule 3 eine LC-Resonanz hervorruft, wodurch die induzierte Spannung der einschichtig gewickelten Spule 3 durch die Resonanzfrequenz maximalisiert wird.

Wie in Fig. 2B gezeigt ist, wird die Serien- Resonanzfrequenz f_o der Äquivalenzschaltung der Sensoreinheit annähernd durch folgenden Ausdruck ausgedrückt

wobei L die Selbstinduktivität der einschichtig gewickelten Spule 3 ist; Cf die Kapazität innerhalb des Kraftstoffkanals 4 zwischen der Anregungselektrode 16 und der einschichtig gewickelten Spule 3 ist, und die Kapazität der Dielektrizitätskonstanten ε entspricht; Cs die Kapazität der Rohrwand des Isolierrohrs 1 ist; Cp die Kapazität in Axialrichtung des Isolierrohrs 1 zwischen der Elektrode 16 und der Spule 3 ist; Cpa die externe erdfreie Kapazität zwischen der Elektrode 16 und der Spule 3 ist; und Cpc die erdfreie Kapazität ist, die parallel zur Spule 3 auftritt.

Die Resonanzfrequenz f_o nimmt ab entsprechend der Zunahme der Kapazität Cf, also der Dielektrizitätskonstanten ε, wie dies aus Gleichung (1) hervorgeht. Die induzierte Spannung der Spule 3 wird in ein Gleichspannungssignal in der Vollweg-Gleichrichterschaltung 23 umgewandelt, und dessen Maximalwert wird durch den Spitzenwertdetektor 24 festgestellt. Weiterhin wird ein Spitzenwert- Ermittlungsimpuls der Sample/Hold-Schaltung 25 zugeführt, und der Wobbelausgang der Sägezahnsignal- Oszillatorschaltung 21 wird zur Abtastung angehalten. Daher wird die Haltespannung zu diesem Zeitpunkt äquivalent zur Resonanzfrequenz f_o, und die Ausgangsspannung wird über das Tiefpaßfilter 26 nach außen als Vout ausgegeben.

Allerdings treten unvermeidlicherweise die folgenden Probleme auf, wenn die Elektrode 16 koaxial auf der Randoberfläche der Spule bei dem voranstehend angegebenen konventionellen Sensor angebracht ist. Unter der Annahme, das L = 20 µH ist; der Außendurchmesser ⌀ des Isolierrohrs 1 = 10 mm beträgt; die Wandstärke t des Isolierrohrs 1 = 1 mm ist; und die Entfernung d zwischen der Randoberfläche der Spule 3 und der der Elektrode 16 2 mm beträgt, so treten große Parallelkapazitäten Cp, Cpa in bezug auf die Kapazität Cf auf, die sich entsprechend der Dielektrizitätskonstanten ε ändern, wenn der Kraftstoff eine Mischung aus Benzin mit ε = 2 und Methanol mit ε = 3 ist, und da ihre Resonanzfrequenzen f_o beide gleich etwa 8 MHz werden, verbleibt dazwischen nur ein Unterschied von etwa 5%, wie in Fig. 3 gezeigt ist.

Da d die Entfernung zwischen den Randoberflächen ist, treten darüber hinaus einige Probleme auf, einschließlich der Schwierigkeit, eine präzise Anbringung sicherzustellen, der weitgehenden Variation der Resonanzfrequenz f_o abhängig vom Oberflächenzustand, der sich mit der Verschmutzung in dem Isolierrohr 1 ändert, der externen Feuchtigkeit und dergleichen, und diese Probleme verschlechtern die Reproduzierbarkeit des Ausgangssignals. Wenn darüber hinaus die Entfernung d vergrößert wird, um die präzise Anbringung sicherzustellen nimmt auch die Kapazität Cf ab, obwohl die Kapazitäten Cp, Cpa verringert werden, und die Dielektrizitätskonstante von f_o, weit von einer Abnahme entfernt, neigt zu einer Verringerung, während die Resonanzfrequenz f_o nur im Durchschnitt zunimmt. Mit anderen Worten ist es nicht möglich, ein hohes Änderungsverhältnis des Ausgangssignals in bezug auf die Änderung der Dielektrizitätskonstanten ε bei dem konventionellen Sensor sicherzustellen, und eine starke Sensor-Sensor-Ausgangssignal-Änderung führt dazu, daß das Sensorausgangssignal leicht durch äußere Bedingungen beeinflußt wird. Das Problem besteht darin, daß die Genauigkeit des Sensors gering ist.

Ein weiteres Problem entsteht daraus, daß in Folge der Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten des Kraftstoffs die Resonanzfrequenz zur Änderung neigt, abhängig von der gemessenen Temperatur, obwohl der Kraftstoff dieselbe Konzentration aufweist.

Eine Temperaturkompensation könnte dadurch ausgeführt werden, daß ein Thermistor innerhalb eines Kraftstoffkanals vorgesehen ist, und der Thermistor mit einer Temperaturkompensations-Schaltung verbunden ist. Allerdings erhöht eine derartige Anordnung nicht nur die Größe der Vorrichtung, sondern macht sie auch teuer, da eine neue Schaltung zusätzlich installiert wird.

Die vorliegende Erfindung wurde zur Lösung der voranstehend angegebenen Probleme entwickelt, und daher besteht die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe in der Bereitstellung einer Vorrichtung zur exakten Ermittlung der Dielektrizitätskonstanten von Kraftstoff, und eine derartige Vorrichtung soll nicht nur zu einer Erhöhung der Änderung des Ausgangssignals in bezug auf die Änderung der Dielektrizitätskonstanten ε führen, sondern auch dazu führen, daß Änderungen des Ausgangssignals und externe Bedingungen weniger den Ermittlungsvorgang beeinflussen.

Eine Vorrichtung zur Ermittlung der Dielektrizitätskonstanten von Kraftstoff gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine rohrförmige oder ebene, einschichtig gewickelte Spule auf, die eine dünne Isolierwand mit hoher Dielektrizitätskonstante aufweist, welche in engem Kontakt mit der Umfangsfläche oder der ebenen Fläche auf der Seite steht, die in Berührung mit dem Kraftstoff steht, eine Metallelektrode zur Ausbildung eines Kraftstoffkanals entgegengesetzt zur Spule und mit der Spule, und eine Einrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstanten des Kraftstoffs aus der elektrostatischen Kapazität zwischen der Spule und der Elektrode.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird Kraftstoff dazu veranlaßt, durch den Kraftstoffkanal zu fließen, der zwischen der einschichtig gewickelten Spule und der Metallelektrode ausgebildet ist, wodurch die Dielektrizitätskonstante des Kraftstoffs aus der elektrostatischen Kapazität zwischen der Spule und der Elektrode ermittelt wird.

Die Vorrichtung zur Ermittlung der Dielektrizitätskonstanten von Kraftstoff gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Dielektrizitätskonstante von Kraftstoff dadurch mit hoher Genauigkeit ermitteln, daß die Temperatureigenschaften der Dielektrizitätskonstanten des Kraftstoffs entsprechend der Temperaturcharakteristik der Dielektrizitätskonstanten des isolierenden, dünnen Wandabschnitts kompensiert werden.

Vorzugsweise ist bei der Vorrichtung zur Ermittlung der Dielektrizitätskonstanten von Kraftstoff gemäß der vorliegenden Erfindung ein Temperaturkompensations- Kondensator in einer Position vorgesehen, an welcher die Temperatureigenschaften des Kraftstoffs ermittelbar sind. Der Temperaturkompensations-Kondensator ist parallel zur einschichtig gewickelten Spule geschaltet, um die Temperatureigenschaften der Resonanzänderung in Folge der Temperatureigenschaften der Dielektrizitätskonstanten des Brennstoffs mit Hilfe des Temperaturkompensations- Kondensators auszuschalten. Hierdurch wird zu jedem Zeitpunkt die Dielektrizitätskonstante von Kraftstoff mit hoher Genauigkeit gemessen, unabhängig von der Temperaturänderung in der Vorrichtung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile hervorgehen. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines konventionellen Sensors,

Fig. 2A und 2B ein Blockschaltbild einer Äquivalenzschaltung in einer Sensoreinheit des konventionellen Sensors sowie ein Äquivalenzschaltbild in dieser;

Fig. 3 einen Graphen, der die Ausgangseigenschaften des konventionellen Sensors und des Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 4A und 4B eine Perspektivansicht einer Sensoreinheit in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bzw. eine Schnittansicht der Sensoreinheit;

Fig. 5A und 5B ein Blockschaltbild einer Äquivalenzschaltung der Sensoreinheit bzw. ein Äquivalenzschaltbild in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 eine Schnittansicht einer Sensoreinheit in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7A und 7B ein Blockschaltbild einer Äquivalenzschaltung der Sensoreinheit bzw. ein Äquivalenzschaltbild bei der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 eine Schnittansicht einer Sensoreinheit gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 9A und 9B eine Perspektivansicht bzw. eine Schnittansicht einer Sensoreinheit bei einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 10A und 10B Perspektivansichten von Spulen in der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 11A und 11B ein Blockschaltbild einer Äquivalenzschaltung der Sensoreinheit bzw. ein Äquivalenzschaltbild bei der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 12A und 12B ein Blockschaltbild einer Äquivalenzschaltung der Sensoreinheit bzw. ein Äquivalenzschaltbild, wobei die Verbindung einer Meßschaltung in der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geändert ist;

Fig. 13 eine Schnittansicht einer Sensoreinheit bei einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 14 eine Schnittansicht einer Sensoreinheit bei einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 15 ein Äquivalenzschaltbild ein der Sensoreinheit der Meßvorrichtung für die Dielektrizitätskonstante bei einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 16 ein Äquivalenzschaltbild der modifizierten Sensoreinheit von Fig. 5;

Fig. 17 einen Graphen, der die Temperatureigenschaften der Dielektrizitätskonstanten verschiedener Formmaterialien zeigt;

Fig. 18 einen Graphen, der ein Temperaturkompensations- Verfahren mit den Formgebungsmaterialien erläutert, die in der gezeigten Ausführungsform variabel sind;

Fig. 19 einen Graphen, der ein Temperaturkompensations- Verfahren mit den Formgebungsmaterialien erläutert, die in der dargestellten Ausführungsform fest sind;

Fig. 20 einen Graphen, der einen Vergleich der Resonanzfrequenz nach dem Stand der Technik und bei der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei eine Temperaturkompensation vorgenommen wird;

Fig. 21 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstanten von Kraftstoff gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 22 eine Äquivalenzschaltung der Sensoreinheit bei der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 23 einen Graphen, der verschiedene elektrostatische Kapazitäten in bezug auf Temperaturen zeigt;

Fig. 24 einen Graphen, der verschiedene elektrostatische Kapazitäten in bezug auf Temperaturen zeigt;

Fig. 25 einen Graphen, der die Parallelresonanz- Frequenzeigenschaften in bezug auf die Temperatur im Stand der Technik bzw. bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und

Fig. 26 eine Perspektivansicht einer Spule einer weiteren Meßvorrichtung für die Dielektrizitätskonstante gemäß der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsform 1

Unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen werden nachstehend Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Fig. 4A ist eine Perspektivansicht eines Meßsensors für die Dielektrizitätskonstante gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und Fig. 4B ist eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A von Fig. 4A. Die Fig. 5A und 5B sind Diagramme zur Erläuterung einer Äquivalenzschaltung des Sensors. Fig. 3 ist ein Graph, der Ausgangseigenschaften zeigt.

In den Fig. 4A und 4B bezeichnet die Bezugsziffer 2 ein zylindrisches Behältergehäuse, welches aus isolierendem Kunststoffmaterial hergestellt ist, wobei das zylindrische Gehäuse einen dünnen Wandabschnitt 2a im Zentrum aufweist. Ein eine relativ hohe Elektrizitätskonstante aufweisendes, ölbeständiges Epoxyharz, PPS-Harz oder dergleichen wird vorzugsweise als das Kunststoffmaterial eingesetzt, um das Änderungsverhältnis des Ausgangssignals und die Widerstandseigenschaften gegen Kraftstoff zu verbessern. Allerdings wird PPS-Harz besonders bevorzugt, da es für das Spritzgießen eingesetzt werden kann. Die Bezugsziffer 3 bezeichnet eine zylindrische, einschichtige Spule, die auf dem Außenumfang des dünnen Wandabschnitts 2a des Gehäuses 2 aufgewickelt ist; 4 einen in dem Gehäuse 2 ausgebildeten Kraftstoffkanal, 5 ein Paar Kraftstofföffnungen, die an den beiden Enden des Kraftstoffkanals 4 vorgesehen sind, und 6 eine säulenartige Elektrode, die koaxial mit und entgegengesetzt zu der inneren Umfangsoberfläche der Spule 3 angeordnet ist. Die säulenförmige Elektrode kann aus Edelstahl oder Titan hergestellt sein, oder sonst aus Kupfer, Messing, Eisen oder dergleichen, mit Nickel beschichtet, um die Widerstandsfähigkeit gegenüber Kraftstoff zu vergrößern.

Angesichts der Verbesserung des Änderungsverhältnisses des Ausgangssignals des Sensors in diesem Fall ist es vorteilhaft, den Durchmesser der säulenförmigen Elektrode 6 kleiner als den Innendurchmesser des dünnen Wandabschnitts 2a zu wählen, auf welchen die Spule 3 aufgewickelt ist. Ein O-Ring 8 ist auf ein Ende der säulenförmigen Elektrode 6 auf solche Weise aufgepaßt, daß sie sich in Ausrichtung zum Innendurchmesser des Gehäuses 2 befindet, wogegen ihr anderes Ende in einer Ausnehmung 2e eingepaßt ist, die in dem Gehäuse 2 vorgesehen ist. Auf diese Weise wird eine Abdichtung des Kraftstoffs erreicht. Ein Metallbeschlag 7 ist an dem Gehäuse 2 durch eine Nahtdichtung befestigt, um ein Ende der säulenförmigen Elektrode 6 an das Gehäuse 2 anzudrücken. Die Bezugsziffer 9 bezeichnet ein Paar Spulen, die durch Einführen an das Gehäuse 2 angepaßt sind, wobei die jeweiligen Enden der Spulen 3 hieran angelötet sind; die Bezugsziffer 10 bezeichnet eine Elektrodenklemme, die auf solche Weise geformt ist, daß ein Teil der säulenförmigen Elektrode 6 nach außen durch das Zentralloch des Metallbeschlages 7 hervorsteht; und die Bezugsziffer 11 bezeichnet eine Verstärkungsstrebe, die auf dem Außenumfang des dünnen Wandabschnitts 2a vorgesehen ist, um die Festigkeit des Gehäuses 2 zu verstärken.

Nachstehend wird der Betriebsablauf des Sensors beschrieben. Eine Meßschaltung B des Sensors ist ähnlich der in Fig. 1 dargestellten Schaltung, wobei der Ausgang einer spannungsgesteuerten Oszillatorschaltung 22 mit der Elektrodenklemme 10 der säulenförmigen Elektrode 6 verbunden ist, und eine Spulenklemme 9 der Spule 3 geerdet ist, wogegen die andere Spulenklemme 9 mit einer Vollweg- Gleichrichterschaltung 23 verbunden ist. Anders als beim Stand der Technik kann jede der Spulenklemmen 9 geerdet sein.

Die Fig. 5A und 5B erläutern eine Äquivalenzschaltung des auf diese Weise angeschlossenen Sensors, wobei Cf eine elektrostatische Kapazität zu dem Zeitpunkt repräsentiert, an welchem Kraftstoff durch den Kraftstoffkanal 4 zwischen dem Außenumfang der säulenförmigen Elektrode 6 und dem Innenumfang des dünnwandigen Abschnitts 2a fließt, mit einer Dielektrizitätskonstanten ε, Cs eine elektrostatische Kapazität in der Dickenrichtung des dünnen Wandabschnitts 2a bezeichnet, Cpc eine erdfreie Kapazität bezeichnet, die wie beim Stand der Technik parallel zur Spule 3 auftritt, und Cf das bezeichnet, was wie bisher eine Serien-Resonanzschaltung mit der Selbstinduktivität L der Spule 3 bildet, wobei die Resonanzfrequenz fm gegeben ist durch

Die Resonanzfrequenz fm nimmt mit zunehmender Dielektrizitätskonstante ε des Kraftstoffes ab.

Daher wird der Spannungsausgang Vout dazu veranlaßt, daß der an ihm anliegende Wert der Resonanzfrequenz fm des Sensors entspricht, also der Dielektrizitätskonstanten ε des Kraftstoffs, über folgende Schritte: Die spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung 22 wird dazu veranlaßt, die Frequenz zu ändern, die an die säulenförmige Elektrode 6 angelegt werden soll, was die Vollweg-Gleichrichterschaltung 23 dazu veranlaßt, die in der Spule 3 induzierte Spannung gleichzurichten, wodurch ein Spitzenwertdetektor 24 dazu veranlaßt wird, den Maximalwert des Ausgangswerts festzustellen, eine Sample/Hold-Schaltung 25 dazu veranlaßt wird, das Steuereingangssignal der spannungsgesteuerten Oszillatorschaltung 22 zu halten, und veranlaßt, daß der dort gehaltene Wert über ein Tiefpaßfilter 26 ausgegeben wird. Auf diese Weise wird das Änderungsverhältnis der Resonanzfrequenz fm in bezug auf die Variation der Dielektrizitätskonstanten ε höher, da keine parallelen Kapazitäten Cp, Cpa zu Cf beitragen, wie in Gleichung (2) gezeigt ist, oder aus der Äquivalenzschaltung gemäß Fig. 5A, 5B hervorgeht. Weiterhin läßt sich die Genauigkeit der geometrischen Kapazität von Cf, Cs erhöhen, und die Änderung des Ausgangssignals des Sensors kann dadurch verringert werden, daß die Präzision der Abmessungen des Gehäuses 2 und der säulenförmigen Elektrode 6 erhöht wird.

Fig. 3 ist ein Graph, der die Ausgangscharakteristik dieses Sensors und die eines konventionellen Sensors im Vergleich zeigt, wobei letztere ähnliche Abmessungen wie der erfindungsgemäße Sensor aufweist, wobei L = 30 µH ist, der Außendurchmesser ⌀ des dünnen Wandabschnitts 2a des Gehäuses 2 = 10 mm ist, die Dicke t des dünnen Wandabschnitts 2a = 1 mm beträgt, und die Breite d des Kraftstoffkanals 4 zwischen dem Innenumfang des dünnen Wandabschnitts 2a und dem Außenumfang der säulenförmigen Elektrode 6 = 2 mm beträgt. Die Variation der Resonanzfrequenz fm im Falle eines Kraftstoffs aus einer Mischung von Benzin mit ε = 2 und Methanol mit ε = 33 beträgt mehr als 20%, und dies bestätigt die Tatsache, daß der Variationsbereich erheblich weiter als vorher verbessert wurde.

Ausführungsform 2

Fig. 6 ist eine Schnittansicht eines Sensors in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei der Sensor einen Spulenkörper 12 aufweist, eine Spulenform 13, in welcher eine Spule 3 einstückig gehalten ist, so daß ein gewickelter Spulenabschnitt einen dünnen Wandabschnitt 13a ausbildet und eine zylindrische Gehäuseelektrode 14, die gleichzeitig als ein Gehäuse nutzbar ist. Die Spulenform 13 wird dadurch hergestellt, daß die einschichtige Spule 3 auf den Außenumfang des zylindrischen oder axialen Spulenkörpers 3 aufgewickelt wird, dann beide Enden der Spulen 3 an ein Paar zugehöriger Spulenklemmen 9 gelötet werden, die an dem Spulenkörper 12 befestigt sind, durch Einspritzformen, und nachfolgendes Abdecken der voranstehenden Kombination durch Kunststoff mittels Einspritzformen. PPS-Harz und dergleichen sind zur Verbindung als Formgebungsmaterialien geeignet.

Da der Spulenkörper 12 so ausgelegt ist, daß er nicht in Berührung mit Kraftstoff gelangt, ist es nicht erforderlich, für ihn ein Kunststoffmaterial zu verwenden, welches kraftstoffbeständig ist; allerdings ist die Verwendung eines derartigen Kunststoffmaterials bevorzugt, da eine Wärmeverformung vermieden wird, wenn der Spulenkörper 12 und die Spulenform 13 aus demselben Material hergestellt werden. Die Spulenform 13 ausschließlich des dünnen Wandabschnitts 13a wird auf solche Weise geformt, daß zwar die Durchmesser ihrer beiden Enden im wesentlichen den Innendurchmessern der zylindrischen Gehäuseelektrode 14 entsprechen, und ein Paar O-Ringe 8 an diesen Enden zur Abdichtung gegenüber Kraftstoff angebracht sind, jedoch beide Enden der zylindrischen Gehäuseelektrode 14 abgebogen sind, um eine Nahtabdichtung der jeweiligen Endenform zu erzielen.

Der Kraftstoffkanal 4 ist zwischen dem Innenumfang der zylindrischen Gehäuseelektrode 14 und dem Außenumfang der Spulenform 13 vorgesehen, und dort sind die beiden Brennstofföffnungen 5 angeordnet, die jeweils durch Löten mit einem Endabschnitt verbunden sind und zur Verteilung des Kraftstoffs verwendet werden. Anders als bei dem zylindrischen Behältergehäuse 2 von Fig. 1 ist es nicht erforderlich, daß nur der dünne Wandabschnitt 13a dem Kraftstoffdruck bei der Ausführungsform 2 standhält. Dies führt dazu, daß der dünne Wandabschnitt 13a dünner ausgebildet werden kann, und daß die Kapazität Cs des dünnen Wandabschnitts 13a, die in Reihe mit der Kapazität Cf geschaltet ist, vergrößert werden kann. Auf diese Weise kann die Variation der Dielektrizitätskonstanten des Kraftstoffs in bezug auf die Variation der Resonanzfrequenz weiter vergrößert werden.

Die Fig. 7A, 7B zeigen eine Äquivalenzschaltung der Sensoreinheit, bei welcher die zylindrische Gehäuseelektrode 14 und eine der Spulenklemmen 9 geerdet sind, wobei das Ausgangssignal der spannungsgesteuerten Oszillatorschaltung 22 in der Meßschaltung B über einen Widerstand R an die andere Spulenklemme 9 angelegt wird, und wobei die Spannung an dem Verbindungspunkt zwischen der Spule 3 dem Widerstand R der Vollweg- Gleichrichterschaltung 23 zugeführt wird. In diesem Fall bildet die Sensoreinheit eine parallele Resonanzschaltung, deren Resonanzfrequenz fn gegeben ist durch

und die Resonanzfrequenz fn ebenfalls mit ansteigender Dielektrizitätskonstante ε des Kraftstoffs abnimmt.

Die Impedanz einer LC-Resonanzschaltung nimmt bei der Resonanzfrequenz fn einen Maximalwert an, und die Spannung an dem Verbindungspunkt zwischen der Spule 3 und dem Widerstand R wird ebenfalls maximal. Daher wird der Spannungsausgang Vout dazu veranlaßt, daß er im Wert der Resonanzfrequenz entspricht, also der Dielektrizitätskonstanten ε des Kraftstoffs, und zwar durch folgende Schritte: die spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung 22 wird dazu veranlaßt, die über den Widerstand R an die Spule 3 angelegte Frequenz zu variieren, die Vollweg-Gleichrichterschaltung wird dazu veranlaßt, die Spannung an dem Verbindungspunkt zwischen der Spule 3 und dem Widerstand R gleichzurichten, um so den Maximalwert des Ausgangssignals in dem Spitzenwertdetektor 24 zu ermitteln, die Sample/Hold- Schaltung 25 wird dazu veranlaßt, das dann vorliegende Steuereingangssignal der spannungsgesteuerten Oszillatorschaltung 22 zu halten, und das, was in der Schaltung 25 gehalten wurde, wird dann über das Tiefpaßfilter 26 ausgegeben.

In Gleichung (3) kann die Parallelkapazität Cpc der Spule 3 kleiner gemacht werden als die Kapazität Cf, und da die Spule 3 in Form eines Formkörpers vorliegt, wird sie beispielsweise durch äußere Feuchtigkeit überhaupt nicht beeinflußt. Da die Spule 3 durch die geerdete, zylindrische Gehäuseelektrode 14 abgedeckt ist, führt die Verwendung eines magnetischen Materials wie beispielsweise Eisen, wobei die Kraftstoffbeständigkeit dadurch sichergestellt wird, daß die Innenoberfläche der zylindrischen Gehäuseelektrode mit Nickel plattiert wird, nicht dazu, daß die Spule 3 durch das externe Magnetfeld beeinflußt wird. Bei der Ausführungsform 2 ist es nicht nur möglich, einen weiten Bereich von Resonanzfrequenzänderungen relativ zur Variation der Dielektrizitätskonstanten ε des Kraftstoffs zur Verfügung zu stellen, sondern auch möglich, daß das Sensorausgangssignal vollständig von äußeren Einflüssen unbeeinflußt bleibt.

Ausführungsform 3

Fig. 8 ist eine Schnittansicht einer Sensoreinheit in einer dritten Ausführungsform. Die Bezugsziffer 15 bezeichnet ein Beschichtungsteil. Ein Paar Spulenklemmen 9 ist durch Einspritzausformen in einen Spulenkörper 2 über O-Ringe 81 zur Abdichtung gegenüber Kraftstoff eingepaßt. Eine Spule 3 wird auf den Außenumfang des Spulenkörpers 12 gewickelt, und wird dadurch beschichtet, daß sie mit dem Beschichtungsteil 15 eingetaucht wird, nachdem beide Enden der Spule an die Spulenklemme 9 gelötet wurden. Zuletzt wird der Spulenkörper 12 zusammen mit einem O-Ring 8 in eine zylindrische Gehäuseelektrode 14 eingeführt, und dann wird der Endabschnitt der zylindrischen Gehäuseelektrode 14 abgebogen und durch Nahtdichtung abgedichtet. Für das Beschichtungsteil wird ein ölbeständiges Epoxyharz oder PPS-Harz verwendet. Bei dieser Anordnung kann der dünne Wandabschnitt dünner ausgebildet werden, da er durch das Beschichtungsteil 15 gebildet wird, und da eine größere Kapazität Cs erhalten werden kann, kann die Variation der Resonanzfrequenz größer gemacht werden. Gleichzeitig kann der Sensor kostengünstiger hergestellt werden, da der Herstellungsvorgang vereinfacht ist.

Zwar wurden bei der dargestellten Ausführungsform die Spule 3 und eine säulenförmige Elektrode 6 oder die zylindrische Gehäuseelektrode 14 koaxial eingesetzt, jedoch müssen sie nicht unbedingt koaxial sein, solange nur der Außenumfang der Spule 3 und der Innenumfang der Elektrode 14 oder der Innenumfang der Spule 3 und der Außenumfang der Elektrode 6 mit gegenüberliegenden Oberflächen angeordnet sind, und können daher im wesentlichen achsparallel ausgerichtet sein. Weiterhin läßt sich der Sensor bei dieser Ausführungsform auch zur Messung der Dieelektrizitätskonstanten jeglicher Flüssigkeit einsetzen, obwohl auf einen Fall Bezug genommen wurde, in welchem die Dielektrizitätskonstante von Kraftstoff gemessen wird.

Ausführungsform 4

Fig. 9A ist eine Perspektivansicht einer Sensoreinheit in einer vierten Ausführungsform, und Fig. 9B ist eine Schnittansicht entlang der Linie B-B von Fig. 9A. Die Fig. 10A, 10B sind Perspektivansichten von Spulenabschnitten. Die Bezugsziffer 17 bezeichnet ein scheibenartiges Behälterteil, welches aus einem Kunststoff-Isoliermaterial hergestellt ist. In bezug auf das Kunststoffmaterial werden ein ölbeständiges Epoxyharz, ein PPS-Harz und dergleichen mit relativ hoher Dielektrizitätskonstante vorgezogen, angesichts der angestrebten Verbesserung des Änderungsverhältnisses des Ausgangssignals und der Widerstandsfähigkeit gegenüber Kraftstoff. Darüber hinaus weist PPS-Harz den Vorteil auf, daß es für das Einspritzformen geeignet ist. Die Bezugsziffer 18 bezeichnet eine Spulenbasis, wobei eine ebene, in eine einzige Schicht gewickelte Spule 19 durch Musterverdrahtung auf deren Oberfläche hergestellt wird; und die Bezugsziffer 27 bezeichnet ein Paar von Spulenklemmen, die durch die Spulenbasis 18 geführt und mit den jeweiligen Enden der Spule 19 verbunden sind. Die Spulenbasis 18, die Spule 19 und die Spulenklemmen 27 bilden einen Spulenabschnitt.

Wie in Fig. 10A gezeigt ist, wird der Spulenabschnitt dadurch hergestellt, daß eine spiralförmige Spule auf einer kreisförmigen, plattenartigen Kunststoff-laminierten Basis 18 aus beispielsweise Epoxyharz angeordnet wird, und die Spulenklemmen 17 durch Durchgangslöcher, die in Leitungsverbindungsabschnitte an beiden Enden gebohrt sind, jeweils angelötet werden. Eine keramische Basis kann als die Spulenbasis 18 verwendet werden. Wie in Fig. 10B gezeigt ist, kann darüber hinaus eine spiralförmige Spule 19 quadratisch auf der quadratischen Spulenbasis 18 gebildet werden. Der Spulenabschnitt wird durch Einspritzformen in dem Boden des scheibenartigen Behälterteils 17 gebildet, wobei ein dünner Wandabschnitt 17a von der inneren Bodenoberfläche freigelassen wird.

Die Bezugsziffer 28 bezeichnet eine Metallgehäuse- Elektrode in Form eines zylindrischen Behälters, der in einer vorbestimmten Entfernung von der inneren Bodenoberfläche des scheibenartigen Behälterteils 17 angeordnet ist, wo die ebene, einschichtig gewickelte Spule 19 vorgesehen ist, und auch gegenüberliegend dem ebenen Abschnitt des Bodens angeordnet ist, wobei ein Kraftstoffkanal 4 zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen vorgesehen ist. Angesichts der angestrebten Verbesserung des Änderungsverhältnisses des Ausgangssignals des Sensors ist es vorteilhaft, die Dicke der Elektrode 28 mehr als fünfmal so groß zu wählen wie die des dünnen Wandabschnitts 17a.

Ein Paar Nippel 29 zur Zuführung von Kraftstoff zum Kraftstoffkanal 4 und zum Ableiten von Kraftstoff aus diesem sind durch Schweißen, Löten oder dergleichen an der Bodenoberfläche der Metallgehäuse-Elektrode 28 auf solche Weise angebracht, daß sie mit dem Kraftstoffkanal 4 in Verbindung stehen. Die Metallgehäuse-Elektrode 28 kann aus Edelstahl, Titan oder dergleichen hergestellt werden; ansonsten kann sie aus Eisen bestehen, und die Innenwand wird mit Nickel plattiert, nachdem die Nippel 29 eingepaßt sind, um ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber Kraftstoff sicherzustellen. Bei dem scheibenartigen Behälterteil 17 ist der O-Ring 8 auf seinem Außenumfang angeordnet, um sicherzustellen, daß eine Abdichtung gegenüber Kraftstoff erfolgt, durch Einführen des O-Rings in den zylindrischen Abschnitt der Metallgehäuse-Elektrode 28, wobei beide Enden des zylindrischen Abschnitts abgebogen und durch Nahtdichtung verfestigt werden. Die Bezugsziffer 10 bezeichnet eine Elektrodenklemme, die dadurch gebildet wird, daß ein Teil des Endabschnitts nicht gebogen wird.

Nachstehend wird der Betriebsablauf des Sensors bei der vierten Ausführungsform beschrieben. Die Meßschaltung B des Sensors ist ähnlich der in Fig. 1 gezeigten Meßschaltung, wobei der Ausgang einer spannungsgesteuerten Oszillatorschaltung 22 an die Elektrodenklemme 10 der Metallgehäuse-Elektrode 28 angeschlossen ist, und eine Spulenklemme 27 geerdet ist, wogegen die andere Spulenklemme 27 an eine Vollweg-Gleichrichterschaltung 23 angeschlossen ist. In diesem Fall kann jede der beiden Spulenklemmen 27 geerdet sein. Die Fig. 11A und 11B zeigen eine Äquivalenzschaltung der auf diese Weise ausgebildeten Sensoreinheit, wobei Cf die elektrostatische Kapazität zwischen der Bodenoberfläche der Metallgehäuse-Elektrode 28 und der Wandoberfläche des dünnen Wandabschnitts 17a zu dem Zeitpunkt angibt, in welchem Kraftstoff mit einer Dielektrizitätskonstanten ε durch den Kraftstoffkanal 4 fließt, Cs repräsentiert eine elektrostatische Kapazität in der Dickenrichtung des dünnen Wandabschnitts 17a, und Cpc repräsentiert eine erdfreie Kapazität, die parallel zur einschichtig gewickelten Spule 19 existiert. Cf trägt zur Ausbildung eines Serien-Resonanzkreises mit der Selbstinduktivität L der Spule 19 bei, und die Resonanzfrequenz fm, die durch Gleichung (2) voranstehend angegeben ist, nimmt ab, wenn die Dielektrizitätskonstante ε des Kraftstoffs zunimmt. Daher wird der Spannungsausgang Vout dazu veranlaßt, daß sein Wert der Resonanzfrequenz fm der Sensoreinheit entspricht, also der Dielektrizitätskonstanten ε des Kraftstoffs, und dies erfolgt durch folgende Schritte: die spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung 22 wird dazu veranlaßt, die an die Metallgehäuse-Elektrode 28 angelegte Frequenz zu variieren, die Vollweg-Gleichrichterschaltung 23 wird dazu veranlaßt, die induzierte Spannung in der Spule 19 gleichzurichten, so daß der Maximalwert der Ausgangsspannung in dem Spitzenwertdetektor 24 festgestellt werden kann, dann wird die Sample/Hold- Schaltung 25 dazu veranlaßt, die momentane Steuereingangsspannung der spannungsgesteuerten Oszillatorschaltung 22 zu halten, und dazu veranlaßt, ihren Inhalt über ein Tiefpaßfilter 26 auszugeben.

In diesem Fall kann das Änderungsverhältnis der Resonanzfrequenz fm in bezug auf die Variation der Dielektrizitätskonstanten ε größer gemacht werden, wie durch Gleichung (2) oder in den Fig. 11A und 11B gezeigt ist, da nicht - wie vorher - parallele Kapazitäten Cp, Cpa zu Cf beitragen. Darüber hinaus kann die Präzision der Abmessungen der Entfernung der Oberflächen zwischen der Bodenoberfläche der Metallgehäuse-Elektrode 28 und dem dünnen Wandabschnitt 17a und die Dicke des letzteren dadurch sichergestellt werden, daß die Bearbeitungsgenauigkeit bei jedem Teil erhöht wird. Daher kann die Präzision der geometrischen Kapazität von Cf, Cs erhöht werden, und die Variation des Ausgangssignals des Sensors kann verringert werden. Die Ausgangseigenschaften bei der vierten Ausführungsform neigen ebenfalls dazu, der in Fig. 3 gezeigten Variation zu gleichen, und die Variation der Resonanzfrequenz Fm im Falle von Kraftstoff als Mischung aus Benzin mit ε = 2 und Methanol mit ε = 33 ist erheblich mehr als vorher verbessert.

Die Fig. 12a, 12b zeigen eine Äquivalenzschaltung in der auf diese Weise aufgebauten Sensoreinheit, wobei ihre Verbindung zu einer Meßschaltung geändert ist. In diesem Fall sind die Metallgehäuse-Elektrode 28 und eine der Spulenklemmen 27 geerdet, die andere Spulenklemme 27 ist über einen Widerstand R an die spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung 23 angeschlossen, und die Spulenklemme 27 ist mit der Vollweg-Gleichrichterschaltung 22 verbunden. Die Sensoreinheit bildet eine Parallel- Resonanzschaltung, und die Resonanzfrequenz fn erfüllt Gleichung (3), wodurch die Resonanzfrequenz fn abnimmt, wenn die Dielektrizitätskonstante ε des Kraftstoffs zunimmt.

Wenn die Frequenz gleich der Resonanzfrequenz fn ist, so nimmt die Impedanz der LC-Parallelresonanzschaltung einen Maximalwert an, und die Spannung am Verbindungspunkt zwischen der Spule 19 und dem Widerstand R ist ebenfalls maximal. Daher wird der Spannungsausgang Vout dazu veranlaßt, daß sein Wert der Resonanzfrequenz fn entspricht, also der Dielektrizitätskonstanten ε des Kraftstoffs, über folgende Schritte: die Frequenz des von der spannungsgesteuerten Oszillatorschaltung 22 angelegten Signals über den Widerstand R an die Spule 19 wird variiert, die Vollweg-Gleichrichterschaltung 23 wird dazu veranlaßt, die Spannung an dem genannten Verbindungspunkt gleichzurichten, um so den Maximalwert des Ausgangssignals in dem Spitzenwertdetektor 24 festzustellen, dann wird die Sample/Hold-Schaltung 25 dazu veranlaßt, die momentane Eingangssteuerspannung der spannungsgesteuerten Oszillatorschaltung 22 zu halten, und dazu veranlaßt, ihren Inhalt über das Tiefpaßfilter 26 auszugeben.

In Gleichung (3) kann die Parallelkapazität Cpc kleiner als die Kapazität Cf gemacht werden, da die Spule 19 extrem dünn ist, und da die gegenseitige Stirnfläche zwischen den Spulenwicklungen klein ist. Da die Spule 19 in Form eines Formkörpers vorliegt, bleibt sie beispielsweise von äußeren Feuchtigkeitseinflüssen unbeeinflußt. Da die Spule 19 durch die Metallgehäuse- Elektrode abgedeckt ist, die geerdet ist, kann erreicht werden, daß die Verwendung eines magnetischen Materials wie beispielsweise Eisen, wobei die Widerstandsfähigkeit gegen Kraftstoff dadurch sichergestellt wird, daß die Innenoberfläche der Metallgehäuse-Elektrode 28 mit Nickel plattiert wird, nur dazu führt, daß die Spule 19 durch das externe Magnetfeld wenig beeinflußt wird. Bei der Ausführungsform 4 ist es nicht nur möglich, einen breiten Bereich von Resonanzfrequenz-Änderungen relativ zur Variation der Dielektrizitätskonstanten ε des Kraftstoffs sicherzustellen, sondern auch möglich, den Einfluß der Außenumgebung auf das Sensorausgangssignal zu verringern.

Ausführungsform 5

Fig. 13 ist eine Schnittansicht einer Sensoreinheit gemäß einer fünften Ausführungsform. In einem Spulenabschnitt mit einer Beschichtung 15 ist eine einschichtig gewickelte Spule 19 durch Musterverdrahtung auf einer Spulenbasis 18 ausgebildet, und Spulenklemmen 27 sind mit den jeweiligen Enden der Spule 19 verbunden, und die Spule 19 wird durch Bedrucken oder Eintauchen mit Kunststoffmaterial beschichtet, welches kraftstoffbeständig ist und eine größere Dielektrizitätskonstante aufweist. Der auf diese Weise ausgebildete Spulenabschnitt wird an der Bodenoberfläche eines scheibenartigen Behälterteils 17 angebracht, nachdem die Spulenklemmen 27 in O-Ringe 30 eingeführt wurden, um eine Abdichtung gegenüber Kraftstoff herzustellen. In diesem Fall kann der Spulenabschnitt dadurch befestigt werden, daß die Spulenbasis 18 in eine Ausnehmung in der Bodenoberfläche des spulenartigen Behälterteils 17 eingesteckt wird, mit Hilfe eines kraftstoffbeständigen Klebers, oder durch ein Nahtabdichtungs-Verbindungsverfahren um die Ausnehmung herum, nachdem die Spulenbasis 18 in der Ausnehmung angeordnet wurde, oder durch gleichzeitige Verwendung von Bonden und einer Nahtdichtungsverbindung. Es ist nicht unbedingt erforderlich, die Dielektrizitätskonstante des scheibenartigen Behälterteils 17 zu berücksichtigen. In dieser Ausführungsform kann die Serienkapazität Cs in bezug auf Cf größer ausgebildet werden, da die Beschichtung 15 dünner ausgebildet werden kann als der dünne Wandabschnitt 17a bei der vierten Ausführungsform. Dies führt dazu, daß der Bereich der Resonanzfrequenz- Änderungen in bezug auf die Variation der Dielektrizitätskonstanten des Kraftstoffs weiter verbreitert wird.

Ausführungsform 6

Fig. 14 ist eine Schnittansicht einer Sensoreinheit bei einer sechsten Ausführungsform. Die Bezugsziffer 31 bezeichnet ein zylindrisches Kunststoffbehälter-Gehäuse, in welchem eine metallische Elektrodenplatte 32 durch Einspritzformen auf der Bodenoberfläche ausgebildet ist, an welcher Nippel 29 einstückig angebracht sind. Ein scheibenartiges Behälterteil 17 mit einem durch Einspritzformen ausgebildeten Spulenabschnitt ist mit einem O-Ring 8 versehen und wird dann in den zylindrischen Abschnitt des zylindrischen Kunststoffbehälter-Gehäuses 31 eingeführt. Die Enden des zylindrischen Abschnitts werden durch Nahtdichtungs-Verbindung oder Ultraschall-Bonden befestigt, nachdem das scheibenartige Behälterteil 17 in seine Lage gebracht wurde. Das Kunststoffgehäuse und das scheibenartige Behälterteil 17 können aus demselben Material hergestellt werden.

Zwar wurde die Spule 19 durch Musterverdrahtung auf der Spulenbasis 18 bei den Ausführungsformen 4 bis 6 hergestellt, jedoch erscheint es überflüssig zu erwähnen, daß jegliche, im wesentlichen ebene, mit einer einzigen Schicht gewickelte Spule dem vorgesehenen Zweck dient. Zwar wurde auf einen Fall Bezug genommen, in welchem die Vorrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstanten von Kraftstoff eingesetzt wird, jedoch kann sie auch zur Messung der Dielektrizitätskonstanten von Flüssigkeiten im allgemeinen verwendet werden.

Wie voranstehend erläutert, wird der Kraftstoffkanal zwischen der Spule und der Elektrode gebildet, gemäß der vorliegenden Erfindung, und die elektrostatische Kapazität der gegenüberliegenden Oberflächen zwischen der Spule und der Elektrode wird dazu verwendet, die Dielektrizitätskonstante von Kraftstoff zu ermitteln, welcher durch den Kraftstoffkanal fließt. Da die elektrostatische Kapazität kaum durch die parallele Kapazität beeinflußt wird, wird ein weiter Variationsbereich der elektrostatischen Kapazität gemessen, der kaum durch die Parallelkapazität beeinflußt wird, so daß die Meßgenauigkeit vergrößert wird. Darüber hinaus können Meßvariationen verringert werden, da die Entfernung zwischen der Spule und der Elektrode präzise festgelegt ist.

Ausführungsform 7

Fig. 15 und 16 sind Äquivalenzschaltbilder, welche die Temperaturabhängigkeit der Sensoreinheiten der Ausführungsformen 1 bis 6 zeigen. Fig. 17 ist ein Diagramm der Temperaturcharakteristik der Dielektrizitätskonstanten von Kraftstoff und Kunststoffen des dünnen Wandabschnitts 2a, 13a, 17a und des Beschichtungsteils 15. Die Fig. 18 und 19 stellen Temperaturcharakteristiken dar, um die Temperaturkompensation gemäß der vorliegenden Erfindung zu erläutern. Fig. 20 ist ein Vergleichsdiagramm der Temperaturabhängigkeit der Ausgangseigenschaften gemäß der vorliegenden Erfindung und des Stands der Technik.

In der Äquivalenzschaltung der Fig. 15 und 16 hängt eine elektrostatische Kapazität Cf von der Temperaturcharakteristik der Dielektrizitätskonstanten εf des Kraftstoffs ab, während eine elektrostatische Kapazität Cs von der Temperaturcharakteristik der Dielektrizitätskonstanten εs des Kunststoffs abhängt, der den dünnen Wandabschnitt bildet, der mit Kraftstoff in Berührung steht, oder des Beschichtungsteils. In diesem Fall hängt die Dielektrizitätskonstante εf von der Temperatur Tf des Kraftstoffs ab, während die Dielektrizitätskonstante εs von der Temperatur Tf des Kraftstoffs abhängt, da der dünne Wandabschnitt oder das Beschichtungsteil mit der Wand in Berührung steht. Daher hängen Cf und Cs von der Temperatur Tf des Kraftstoffs ab. Eine erdfreie Kapazität Cpc, die parallel zur Spule existiert, hängt ebenfalls von der Temperatur ab, da die erdfreie Kapazität Cpc durch die Dielektrizitätskonstante des Kunststoffs zwischen der Spule und dem externen Isolator festgelegt ist. Allerdings ist ein durch die Kapazität Cpc hervorgerufener Einfluß auf die Resonanzfrequenz vernachlässigbar. Daher wird eine zusammengesetzte Kapazität C, die von der Temperatur abhängt, durch die nachstehende Gleichung (4) ausgedrückt:

1/C = 1/Cs + 1/Cf = 1/{εs(Tf) · kK} + 1/{εf(Tf) · K} = [1/{εs(Tf) · K} + 1/{εf(Tf)}]/K = α(Tf)/K (4)

wobei kK eine geometrische Kapazität von Cs ist; und K eine geometrische Kapazität von Cf ist. Daher ist k ein Konfigurationskoeffizient, der ein geometrisches Kapazitätsverhältnis repräsentiert, bei welchem die Kapazität Cs durch die Kapazität Cf normiert wird.

Unter der Bedingung, daß der Wert innerhalb [ ] von Gleichung (4) konstant ist, kann die Temperaturkompensation der Vorrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstanten von Kraftstoff in der dargestellten Ausführungsform durchgeführt werden.

Wie aus Fig. 17 deutlich wird, nimmt die Dielektrizitätskonstante ε von Kraftstoff monoton mit einem Anstieg der Temperatur ab, oder die Dielektrizitätskonstante εs des Kunststoffs, welcher den dünnen Wandabschnitt oder das Beschichtungsteil bildet, steigt monoton mit ansteigender Temperatur an, in einem Frequenzbereich von einigen zehn MHz bis zu einhundert und einigen zehn MHz, der ein Betriebsfrequenzband darstellt. Aus diesem Grunde wird im Falle der Reihenverbindung der elektrostatischen Kapazitäten entsprechend ihrer Dielektrizitätskonstanten die Temperaturabhängigkeit ausgeglichen.

Fig. 18 zeigt die Temperaturabhängigkeit des Wertes von α von Gleichung (4) in dem Fall, daß der Konfigurationskoeffizient k der in Fig. 6 gezeigten Sensoreinheit auf einem konstanten Wert gehalten wird, und das Kunststoff-Formmaterial zur Ausbildung des dünnen Wandabschnitts 13a geändert wird. In diesem Fall ist das Formmaterial aus einem kraftstoffbeständigen Material ausgewählt, beispielsweise PPS, Nylon oder Polyamidimid. In Fig. 18 zeigt das Kunststoff-Formmaterial 3 keine Abhängigkeit von α von der Temperatur. Daher wird die Temperaturkompensation erreicht in dem Fall, in welchem der dünne Wandabschnitt 13a aus dem Kunststoff- Formmaterial 3 gebildet wird.

Alternativ hierzu zeigt Fig. 19 die Temperaturabhängigkeit des Wertes von α von Gleichung (4) in dem Fall, daß der Konfigurationskoeffizient k der in Fig. 6 gezeigten Sensoreinheit geändert wird, wogegen das Kunststoff- Formmaterial zur Ausbildung des dünnen Wandabschnitts 13a unverändert bleibt. Wie aus Fig. 19 hervorgeht, wird die Temperaturkompensation ausgeführt, wenn der Sensor so ausgelegt ist, daß k = c ist. Da das Kunststoff- Formmaterial dadurch begrenzt ist, daß es in bezug auf den Kraftstoff beständig sein soll, ist es im praktischen Anwendungsfall vorzuziehen, daß die Temperaturkompensation dadurch durchgeführt wird, daß der Konfigurationskoeffizient k der Sensoreinheit eingestellt wird.

Fig. 20 zeigt die Ausgangscharakteristik der Resonanzfrequenz des Sensors, in welchem das Material Nylon-66 als das Formmaterial verwendet wird, und der Konfigurationskoeffizient k auf einem vorbestimmten Wert festgehalten wird, im Vergleich zu den Ausgangscharakteristiken beim Stand der Technik. Wie aus Fig. 20 deutlich wird, weist im Vergleich zum konventionellen Beispiel das Ausgangssignal gemäß der vorliegenden Erfindung keine Abhängigkeit von der Temperatur auf.

Wie voranstehend beschrieben, werden gemäß der vorliegenden Erfindung die Temperatureigenschaften der Dielektrizitätskonstanten des Kraftstoffs auf der Grundlage der Temperaturcharakteristiken des Kunststoffmaterials kompensiert, welches einen dünnen Wandabschnitt bildet, der mit dem Kraftstoff oder einem Beschichtungsteil in Berührung steht. Dies führt dazu, daß die Dielektrizitätskonstante von Brennstoff zu jedem Zeitpunkt mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann, unabhängig von der Temperatur des Kraftstoffs.

Ausführungsform 8

Fig. 21 ist eine Schnittansicht der Sensoreinheit gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau ist im wesentlichen genauso wie bei dem von Fig. 6. Bei dieser Ausführungsform ist ein Temperaturkompensations-Kondensator 30 in das Innere des Spulenkörpers 12 eingeführt. Zuleitungen 31 von beiden Enden des Temperaturkompensations-Kondensators 30 sind an Spulenklemmen 9 der Spule 3 angelötet, so daß eine Parallelschaltung ausgebildet wird.

Fig. 22 zeigt eine Äquivalenzschaltung des in Fig. 21 gezeigten Sensors. Ebenso wie in Fig. 7 wird eine Parallel-Resonanzschaltung ausgebildet, und die Resonanzfrequenz f wird wie nachstehend angegeben ausgedrückt:

wobei Ct eine Kapazität des Temperaturkompensations- Kondensators 30 bezeichnet.

In der Gleichung (5) ist eine Reihen-Verbundkapazität dieselbe wie in Gleichung (4), und stellt eine Funktion der Dielektrizitätskonstanten εf des Kraftstoffs, der Dielektrizitätskonstanten εs des den dünnen Wandabschnitt 13a bildenden Kunststoffs, und des Konfigurationskoeffizienten k dar. Wie voranstehend beschrieben, fällt daher die Dielektrizitätskonstante εf des Kraftstoffs monoton ab bei einer Erhöhung der Temperatur, wogegen die Dielektrizitätskonstante εs des Kunststoffs monoton ansteigt. Aus diesem Grunde wird im Falle der Reihenschaltung der elektrostatischen Kapazitäten entsprechend ihrer Dielektrizitätskonstante die Temperaturabhängigkeit ausgeschaltet. Die Temperaturcharakteristik der Dielektrizitätskonstante des Kraftstoffs variiert entsprechend dem Prozentsatz von Methanol in dem Kraftstoff. Allerdings ist der Einfluß auf die Temperaturcharakteristik des Ausgangssignals des Sensors durch den Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstante des Kunststoff-Formmaterials, welches den dünnen Wandabschnitt 13a bildet, größer als der der Variation der Dielektrizitätskonstante entsprechend dem Methanol-Prozentsatz.

Die Fig. 23 und 24 zeigen die Temperaturcharakteristiken in einem Fall, in welchem die Sensoranordnung unverändert bleibt, und das Formmaterial variiert wird. Fig. 23 zeigt einen Fall, in welchem Nylon als Formmaterial verwendet wird, wogegen Fig. 24 einen Fall zeigt, in welchem PPS verwendet wird. Wie voranstehend beschrieben, ist die Auswahl des Formmaterials dadurch begrenzt, daß es kraftstoffbeständig sein soll. Daher ergibt sich in dem Fall, in welchem der Temperaturkompensations-Kondensator 30 dort vorgesehen ist, wo die Kraftstofftemperatur gemessen werden kann, und parallel zur Spule 3 geschaltet ist, die Verbundkapazität C aus Gleichung (5).

C = Ct(Tf) + Cpc + 1/(1/Cs(Tf) + 1/Cf(Tf))

Wenn ein Material und eine Anordnung (geometrische Kapazität) des Sensors festgehalten werden, werden eine Kapazität des Temperaturkompensations-Kondensators 30 und ein Temperaturkoeffizient so festgelegt, daß die Verbundkapazität C nicht von der Kraftstofftemperatur Tf abhängt. In Fig. 25 ist ein kompensiertes Ergebnis der Temperaturcharakteristik der Resonanzfrequenz im Vergleich zu dem im Stand der Technik gezeigt. Wie aus der Figur deutlich wird, wird die Temperaturcharakteristik des Ausgangssignals des Sensors durch die Parallelschaltung des Temperaturkompensations-Kondensators und der Spule 3 kompensiert.

Fig. 26 ist eine Perspektivansicht eines Spulenabschnitts in dem Falle, in welchem der Temperaturkompensations- Kondensator 30 auf der Sensoreinheit vorgesehen ist, wie dies in Fig. 9 gezeigt ist. In diesem Spulenabschnitt ist eine kreisförmige, spiralartige Spule 19 auf einer Oberfläche eines laminierten Substrats 18 angeordnet, welches aus Glasepoxy in Form einer kreisförmigen Platte hergestellt ist, während der Temperaturkompensations- Kondensator 30 in Form eines Chips auf einer anderen Oberfläche des laminierten Substrats angeordnet ist. Leitungsmuster 31 des Kondensators 30 sind mit Anschlußflächen von Zuleitungen der Spule 19 verbunden, so daß der Temperaturkompensations-Kondensator 30 und die Spule 19 miteinander parallel geschaltet sind. Der Spulenabschnitt wird durch Einspritzformen in dem Boden des scheibenartigen Behälterteils 17 hergestellt, wobei ein dünner Wandabschnitt 17a von der inneren Bodenoberfläche freigelassen wird, ebenso wie bei der Ausführungsform von Fig. 9. Bei dieser Ausführungsform ist die Temperaturcharakteristik des Temperaturkompensations- Kondensators 30 abhängig von der Temperatur des Kraftstoffs. Daher wird ebenso wie bei den voranstehend beschriebenen Ausführungsformen eine Temperaturkompensation erzielt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die einschichtig gewickelte Spule und der Temperaturkompensations- Kondensator parallel zueinander geschaltet, um eine Kompensation der Resonanzfrequenz in Folge der Variation der Temperatur des Kraftstoffs zu bewirken, wie voranstehend erläutert wurde. Daher läßt sich erreichen, daß der Alkoholgehalt jederzeit wirksam und exakt gemessen werden kann.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstanten von Kraftstoff, mit:
einer einschichtig gewickelten Spule (3), die mit einer dünnen Isolierschicht (2a) mit hoher Dielektrizitätskonstanten versehen ist, welche mit dem Kraftstoff in Berührung gelangt;
einer Metallelektrode (6), die so angeordnet ist, daß sie in einem vorbestimmten Abstand der einschichtig gewickelten Spule (3) gegenüberliegt, wobei die Metallelektrode (6) einen Kraftstoffkanal (4) mit der einschichtig gewickelten Spule (3) ausbildet; und
einer Einrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstanten des durch den Kraftstoffkanal (4) fließenden Kraftstoffs auf der Grundlage der elektrostatischen Kapazität zwischen der einschichtig gewickelten Spule (3) und der Metallelektrode (6).

2. Vorrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstanten von Kraftstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einschichtig gewickelte Spule (3) im wesentlichen achsparallel zur Metallelektrode (6) angeordnet ist.

3. Vorrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstanten von Kraftstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einschichtig gewickelte Spule (3) koaxial zur Metallelektrode (6) angeordnet ist.

4. Vorrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstanten von Kraftstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einschichtig gewickelte Spule (3) rohrförmig ausgebildet ist, und die Metallelektrode (6) säulenförmig ist.

5. Vorrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstanten von Kraftstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einschichtig gewickelte Spule (3) säulenförmig ausgebildet ist, und daß die Metallelektrode (14) rohrförmig ausgebildet ist.

6. Vorrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstanten von Kraftstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einschichtig gewickelte Spule (19) scheibenförmig ausgebildet ist, und daß die Metallelektrode (32) scheibenförmig ausgebildet ist.

7. Vorrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstanten von Kraftstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßeinrichtung die elektrostatische Kapazität zwischen der einschichtig gewickelten Spule und der Metallelektrode ermittelt, wobei die elektrostatische Kapazität (Cf) der Dielektrizitätskonstanten (εf) des Kraftstoffs entspricht, und
daß die Temperaturcharakteristik der Dielektrizitätskonstanten (εs) der dünnen Isolierschicht (2a, 13a, 17a, 15) die Variation der elektrostatischen Kapazität in Folge der Temperaturcharakteristik der Dielektrizitätskonstanten (εf) des Kraftstoffs kompensiert.

8. Vorrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstanten von Kraftstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung eine Resonanzfrequenz der einschichtig gewickelten Spule ermittelt, welche der Dielektrizitätskonstanten (εf) des Kraftstoffs entspricht, und daß die Vorrichtung weiterhin einen Temperaturkompensations-Kondensator (30) aufweist, der in einer Position angeordnet ist, in welcher eine Variation der Temperatur des Kraftstoffs feststellbar ist, wobei der Temperaturkompensations-Kondensator (30) parallel zur einschichtig gewickelten Spule (3) geschaltet ist, wodurch die Temperaturcharakteristik der Resonanzfrequenz durch den Temperaturkompensations- Kondensator (30) verschoben wird.

9. Vorrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstanten von Kraftstoff nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung die elektrostatische Kapazität zwischen der einschichtig gewickelten Spule und der Metallelektrode ermittelt, wobei die elektrostatische Kapazität der Dielektrizitätskonstanten des Kraftstoffs entspricht, und die Temperaturcharakteristik der Dielektrizitätskonstanten der dünnen Isolierschicht die Variation der elektrostatischen Kapazität in Folge der Temperaturcharakteristik der Dielektrizitätskonstanten des Kraftstoffs kompensiert.