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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Erfassen und/oder Bestimmen der Beschaffenheit eines Mediums
mit einem kapazitiven Mediensensor, der einen Kondensator umfasst,
in dessen Spalt das Medium eingeführt wird, sowie eine Schaltungsanordnung
zur Durchführung
dieses Verfahrens.
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Mediensensoren werden auf dem Gebiet
der Kraftfahrzeugtechnik, beispielsweise zur Kraftstofferkennung,
zur Ermittlung einer Medienqualtität insbesondere der Ölqualität und zur
Erkennung und Erfassung des Auftretens von Wasser, benutzt.
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Aus der WO 94/06002 A1 ist bereits
ein kapazitiver Sensor bekannt, der mit einer niederfrequenten Taktrate
aufgeladen wird.
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Aus der
DE 100 60 419 C2 ist weiterhin
ein Mediensensor, insbesondere ein Wassersensor bekannt, der in
Form eines elektrischen Widerstandes ausgebildet ist, dessen Ohmscher
Widerstand von dem zu erfassenden Medium abhängt. Ein derartiger Medien-
oder Wassersensor kann Medien über
die verschiedenen Leitfähigkeiten
unterscheiden und dient insbesondere zum Schutz des Einspritzsystems
eines Kraftfahrzeuges vor dem Eindringen von Wasser.
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Derartige Sensoren sind jedoch nur
in der Lage, verschiedene Medien zu unterscheiden, eine Aussage über Art
oder Qualität
eines Mediums können
sie jedoch kaum liefern.
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Es sind auch kapazitive Mediensensoren
bekannt, die beispielsweise zur Bestimmung der Ölqualität oder der Kraftstoffart dienen
und die die Elektrizitätskonstante
eines Mediums erfassen. Sie erlauben damit eine genauere Klassifizierung.
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Kapazitive Mediensensoren arbeiten
jedoch mit hohen Frequenzen und oft mit Brückenschaltungen, die bezüglich der
elektromagnetischen Verträglichkeit
sehr störanfällig sind
und zudem als Sender wirken können.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende
Aufgabe besteht demgegenüber
darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine Schaltungsanordnung
zur Durchführung
dieses Verfahrens anzugeben, mit denen mittels des selben Sensors
sowohl das Auftreten eines bestimmten Mediums als auch die Bestimmung
der Beschaffenheit, insbesondere der Art und/oder Qualität eines
Mediums möglich
ist.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch
ein Verfahren, das im Patentanspruch 1 angegeben ist, und durch
eine Schaltungsanordnung gelöst,
die im Patentanspruch 2 angegeben ist.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
und der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
ist es zum einen möglich,
die Beschaffenheit eines bestimmten Mediums, beispielsweise eines
verwendeten Kraftstoffes zu bestimmen und zu kennen, um die künftigen
Abgasvorschriften einhalten zu können, was
insbesondere für
mit Dieselkraftstoff oder Biodieselkraftstoff betriebene Fahrzeuge
gilt, und kann darüber
hinaus das Einspritzsy stem vor einer Korrosion geschützt werden,
da eine Warnung bewirkt werden kann, wenn im Kraftstofffilter ein
bestimmter Wasserstand erreicht ist. Beide Funktionen sind bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren
und der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
mit ein und demselben Sensor erfüllbar.
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Im Folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnungen
ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher
beschrieben. Es zeigen
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1 in
einer Schnittansicht einen kapazitiven Mediensensor,
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2 in
einem Blockschaltbild den Aufbau eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
und
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3 in
einem Zeitdiagramm die in der Schaltungsanordnung von 2 auftretenden Signale.
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In 1 ist
ein Mediensensor dargestellt, der zur kombinierten Erkennung eines
Kraftstoffart sowie des Wasserstandes auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugtechnik
verwandt wird. Der in 1 dargestellte Mediensensor
umfasst einen Kondensator, vorzugsweise aus koaxialen Hohlkörperelektroden,
insbesondere einen Zylinderkondensator aus einer Messelektrode 5 und
einer Abschirmelektrode 4, dessen Kapazität unter
anderem durch die Oberflächen
der Messelektrode 5 und den Spalt zwischen den Elektroden 4 und 5 bestimmt
ist. Beide Elektroden 4 und 5 sind über Anschlussdrähte 4a und 5a mit
einer Auswerteschaltung 2 verbunden, die im Einzelnen in 2 dargestellt ist.
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Zwischen den Elektroden 4 und 5 ist
ein Spülloch 4b vorgesehen,
durch das ein Medium in den Elektrodenspalt eintreten kann, so dass
es über seine
Dielektrizitätskonstante ε gleichfalls
die Kapazität
des Kondensators bestimmt. Die oben beschriebenen Bauteile sind
in einem Gehäuse 1 untergebracht.
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Durch die Lage der Messelektrode 5 und
des Spülloches 4b ist
die Position bestimmt, an der bei der Bestimmung des Wasserstandes
eine Warnung erfolgt. Dazu wird der Sensor stehend mit nach oben gerichteten
Elektroden 4 und 5 in einem Raum montiert, der
von Kraftstoff durchströmt
wird und in dem sich andererseits Wasser ansammeln kann. Das ist beispielsweise
im Sumpf eines Kraftstofffilters der Fall.
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Die Auswerteschaltung 2,
die auf einer Leiterplatte angeordnet sein kann, hat einen Aufbau,
wie er beispielsweise in 2 dargestellt
ist.
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Um den Sensor zur Unterscheidung
beispielsweise von fossilem Dieselkraftstoff DK, Biodieselkraftstoff
wie beispielsweise Rapsölmethylester RME
aber auch anderen Carbonsäurealkylestern
wie Sojaölmethylester,
Palmölmethylester
und ähnlichen Kraftstoffe
sowie Wasser verwenden zu können,
wird auf die verschiedenen dielektrischen Eigenschaften dieser Medien
zurückgegriffen.
Die relative Dielektrizitätskonstante ε für Biodiesel
liegt bei ca. 4, bei mineralischem Diesel bei ca. 2 und bei Wasser
bei ca. 80.
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Bei konstanter Geometrie eines mit
einer Messflüssigkeit
gefüllten
Kondensators ändert
sich seine Kapazität
in gleichem Verhältnis
wie die Dielektrizitätskonstante ε der Flüssigkeit,
so dass sich aus einer Kapazitätsmessung
auf die Dielektrizitätskonstante ε der Flüssigkeit
und damit auf die Art der Flüssigkeit
schließen
lässt.
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Auf Grund der oben beschriebenen
Bauform des Mediensensors sowie der zur guten Durchströmung des
Sensors auch bei hoher Viskosität
eines Mediums, wie z. B. bei tiefen Temperaturen des Kraftstoffs,
erforderlichen Flüssigkeitsmindestquerschnitte
ergibt sich eine Kapazität
des Kondensators des Sensors von CS = ε·2 pF.
Die nachgeschaltete Messschaltung muss daher in der Lage sein, Kapazitäten von
4 bis 9 pF linear zu messen. Diese Linearität ist erforderlich, damit auch
Gemische von RME und DK erfasst werden können. Eine Kapazität von über 160 pF,
wie beispielsweise bei Wasser, muss die Schaltungsanordnung ebenfalls
sicher verarbeiten können und
durch einen außerhalb des
linearen Bereichs liegenden Ausgangssignalwert anzeigen können.
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Der Kondensator des oben beschriebenen Sensors
ist in Form eines Zylinderkondensators ausgeführt, dessen Abschirmelektrode 4 an
Massepotenzial liegt. Die Messelektrode 5 hat maximal Versorgungsspannung.
Da die Messung kapazitiv erfolgt, sind isolierende Oberflächenbeschichtungen auf
den Elektroden 4, 5 möglich. Ein elektrisch leitender
Kontakt zwischen den Elektroden 4, 5 und dem Medium
kann auf diese Weise vermieden werden, wenn das erforderlich ist.
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Der Grundaufbau der Schaltungsanordnung zum
Betreiben des in 1 dargestellten
Mediensensors, der in 2 dargestellt
ist, umfasst einen monostabilen Multivibrator 7 mit einem
Sensorelektrodeneingang ES, der mit der
Messelektrode 5 des in 1 dargestellten
Mediensensors verbunden ist. Der monostabile Multivibrator 7 wird
von einem Grundtaktgenerator 6 getaktet, der mit einer
Niederfrequenzentaktung von beispielsweise 1 kHz arbeitet. Das Ausgangssignal
des Grundtaktgenerators 6 liegt am Eingang ET des
monostabilen Multivibrators 7. Der Ausgang A des monostabilen
Multivibrators 7 ist mit einem Tiefpassfilter 8 verbunden,
das ein Ausgangssignal USIGNAL liefert.
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Die Abschirmelektrode 4 des
Mediensensors liegt an Masse. Wie es weiter in 2 dargestellt ist, liegt die Messelektrode 5 des
Mediensensors über
einen Vorwiderstand RV 9 an einer
Versorgungsspannung UV.
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Die in 2 dargestellte
Schaltungsanordnung arbeitet in der folgenden Weise:
Im Ruhezustand
liegt der Eingang ES auf 0 V und somit Massepotenzial,
so dass die Messelektrode 5 über den Eingang ES niederohmig
auf Massepotenzial liegt. Beide Elektroden 4, 5 sind
in diesem Zustand spannungsfrei.
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Zu Beginn jedes Grundtaktes, der
vom Generator 6 kommt, wird der Eingang ES auf
hochohmig geschaltet, und wird damit ein Ladevorgang des Kondensators
CS des Mediensensors über den Vorwiderstand RV begonnen, der an die Versorgungsspannung
UV angeschlossen ist. Gleichzeitig kommt
der Ausgang A des monostabilen Multivibrators 7 auf das Versorgungsspannungspotenzial.
Der Ladevorgang des Kondensators CS endet,
wenn die Spannung an der Messelektrode 5 und damit am Signaleingang
ES beispielsweise einen Wert von 63,2 %
der Versorgungsspannung UV erreicht. Diese
Spannung wird im Folgenden als Schwellenspannung bezeichnet. Gleichzeitig
mit dem Ende des Ladevorgangs geht der Ausgang A wieder auf Massepotenzial
zurück und
wird die Messelektrode 5 über den Eingang ES wieder
niederohmig auf Massepotenzial gelegt. Dadurch wird der Kondensator
CS entladen.
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Die sich durch diesen Arbeitsvorgang
ergebende Länge
tS des Impulses am Ausgang A des Multivibrators
steht in dem folgenden linearen Zusammenhang zur Sensorkapazität: tS = RV·CS. Zwischen der Sensorkapazität und der
Impulsdauer besteht daher ein linearer Zusammenhang.
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Dieser lineare Zusammenhang ist auch
bei anderen Schwellenspannungen als 0, 632·UV gegeben,
wobei in diesem Fall der Proportionalitätsfaktor nicht mehr gleich
1 ist.
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3 zeigt
in einem Zeitdiagramm den zeitlichen Verlauf der Signalspannungen
an den Anschlüssen
ES und A. Bei einem Grundtakt von ca. 1 kHz
beträgt
der in 3 dargestellte
Zeitausschnitt, d. h. die normierte Zeit von 0 bis 5, folglich ca.
1,25 ms.
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Das Ausgangssignal am Ausgang A des
Multivibrators 7 liegt am Tiefpassfilter 8, das
durch Tiefpassfilterung aus dem gepulsten Ausgangssignal des Multivibrators 7 eine
linear mit der Kapazität
CS des Kondensators des Mediensensors veränderliche Signalspannung
USIGNAL bildet, die dann nur noch in den
gewünschten
Spannungsbereich durch Verstärkung
oder Offset-Korrektur
umzuwandeln ist.
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Dieses Ausgangssignal hat einen analogen Bereich
für den
Anteil von Biodiesel, der beispielsweise von 0 bis 100 % bei 0,4
bis 4,5 V liegt und zudem einen Signalbereich, der als Wasserwarnung
zu interpretieren ist.
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Die Erfassung von Wasser mittels
der in 2 dargestellten
Schaltungsanordnung kann in 2-facher Weise erfolgen.
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Wasser hat eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante.
Dadurch wird im Fall nicht elektrisch leitender Elektrodenoberflächen des
Sensors der vom monostabilen Multivibrator 7 erzeugte Impuls
länger als
die eingestellte Dauer des Grundtaktes vom Grundtaktgenerator 6,
so dass der Ausgang A dauerhaft auf einem hohen Pegel gehalten wird.
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Bei leitfähigen Elektroden bewirkt die
elektrische Leitfähigkeit
des Wassers einen Kurzschluss der Elektroden. In diesem Fall wird
die Schwellenspannung nie erreicht, so dass der Ausgang A ebenfalls
dauerhaft auf einem hohen Pegel bleibt.
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Die Tatsache, dass der Ausgang A
dauerhaft auf einem hohen Pegel bleibt, kann als Indiz für die Erfassung
von Wasser herangezogen werden.
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Da RME hygroskopisch ist und somit
eine geringe Menge an Wasser ohne Phasentrennung einlagern kann,
führt dieses
Wasser nicht zu einer Veränderung
der Anzeige des Mediensensors.
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Mit dem oben beschriebenen Verfahren
und der oben beschriebenen Anordnung können somit verschiedene Medien,
wie beispielsweise Dieselkraftstoff, Biodieselkraftstoff und Wasser
auf Grund ihrer verschiedenen Dielektrizitätskonstanten unterschieden
werden. Biodieselkraftstoff und Dieselkraftstoff sind darüber hinaus
in beliebigem Verhältnis mischbar,
wobei die Dielektrizitätskonstante
des Gemisches einen linearen Verlauf über das Mischungsverhältnis zeigt.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird eine Schaltungsanordnung vorgeschlagen, die lediglich drei
Bauelemente, nämlich
einen Taktgenerator 6, beispielsweise in Form einer CMOS-IC
für Uhren
mit Quarzoszillator, einen mono stabilen Multivibrator 7 ebenfalls
in Form einer CMOS-IC und ein Tiefpassfilter 8 in Form
einer RC-Kombination umfasst, die die Ausgangsspannung des Kondensators
des Mediensensors verarbeiten, der einen Elektrodenaufbau mit zylindrischer Bauform
hat.
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Auf Grund der niederfrequenten Signale
und der Abschirmung durch die äußere Abschirmelektrode 4 des
Mediensensors, die auf Massepotenzial liegt, zeigt die Anordnung
eine geringe Empfindlichkeit hinsichtlich der elektromagnetischen
Verträglichkeit.
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Der Aufbau der Elektroden und der
nachgeschalteten Mikroelektronischen Komponenten ist einfach.
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Es wird lediglich ein einziges und
zwar analoges Ausgangssignal gebildet, das proportional zum Mischungsverhältnis der
verschiedenen Medien, beispielsweise der verschiedenen Kraftstoffarten
ist.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
und der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
kann in Verbindung mit dem Mediensensor auch eine Wasserwarnung
erzielt werden, wobei für
beide Funktionen der Unterscheidung von Medien und der Warnung nur
ein Eingang an der Auswerteschaltungsanordnung, nämlich am
Multivibrator 7 benötigt
wird.
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Da der Mediensensor ein kapazitiver
Sensor ist, können
die Elektroden isoliert sein, so dass keine elektrochemischen Reaktionen
im Medium, beispielsweise im Kraftstoff ablaufen.
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Grundsätzlich liegt darüber hinaus
ein lineares Verhalten der Signalausgangsspannung in Abhängigkeit
von Dielektrizitätskonstanten
des Mediums zwischen den Sensorelektroden vor. Die Taktfrequenz
und die Ausgangsspannungstransformation der Ausgangsspannung USIGNAL können
jedoch so gewählt
werden, dass dieses lineare Verhalten nur für den Bereich der Reinkraftstoffe
RME und DK zutrifft, während
das Vorhandensein von Wasser zu einem Ausgangssignal mit Maximalpegel
führt.