Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feststellen eines vorbestimmten Füllstandes eines Messmediums in einem Behälter. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Detektieren eines Füllstandes eines Messmediums in einem Behälter. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Sensorelement und die Verwendung des Sensorelements in den erfindungsgemäßen Verfahren.

Zur Bestimmung des Füllstands eines Messmediums in einem Behälter sind sogenannte Füllstandsmessgeräte bekannt. Eine Detektion des Füllstands wird häufig mit Schwimmerschaltern durchgeführt, wie im Stand der Technik beschrieben. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass mechanisch bewegte Teile verwendet werden. Diese weisen mitunter eine hohe Fehleranfälligkeit auf, insbesondere bei Flüssigkeiten, welche Partikeln oder Schlamm umfassen, was gegebenenfalls zu einem Ausfall des Sensors, bzw. einer Notwendigkeit der Reinigung des Sensors führt.

Im Stand der Technik sind weitere Arten zur Füllstandsmessung bekannt, beispielsweise eine Messung des Füllstands mittels vibronischen Schwinggabeln. Auch ist es bekannt, den Füllstand kontaktlos zu bestimmen, beispielsweise mittels Ultraschall- oder Radarverfahren, oder mittels kapazitiven und/oder optischen Messungen.

Der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Verfahren vorzustellen, welches die zuverlässige Detektion, bzw. die Bestimmung eines Füllstands eines Messmediums in einem Behälter ohne die Verwendung beweglicher Teile ermöglicht.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß der Ansprüche 1 oder 2, und durch ein Sensorelement gemäß Anspruch 8 gelöst.

Hinsichtlich des Verfahrens ist eine erste Heizstruktur oder ein mit der ersten Heizstruktur verbundenes Kontaktierungselement an einem Behälter auf Höhe des festzustellenden Füllstands angebracht, wobei ein Maß für einen Wärmeübertrag von der ersten Heizstruktur auf die Umgebung der ersten Heizstruktur ermittelt wird, wobei das ermittelte Maß mit zumindest einem Referenzwert verglichen wird und wobei das Erreichen des Füllstands dadurch indiziert wird, dass im Falle, dass das Messmedium die erste Heizstruktur, bzw. das Kontaktierungselement, kontaktiert, das Maß für den Wärmeübertrag den zumindest einen Referenzwert überschreitet oder unterschreitet.

Hinsichtlich eines alternativen Verfahrens ist eine erste Heizstruktur am Behälter angebracht, wobei ein Maß für einen Wärmeübertrag von der ersten Heizstruktur auf die Umgebung der ersten Heizstruktur zum Bestimmen des aktuellen Füllstands ermittelt wird, wobei das ermittelte Maß aus dem Grad der Benetzung durch das Messmedium der Kontaktfläche der ersten Heizstruktur mit dem Messmedium resultiert.

Beide Verfahrensvarianten bieten den Vorteil, dass der Füllstand des Messmediums in einem Behälter zuverlässig detektiert, bzw. bestimmt werden kann. Hierfür wird eine Wärmeleitungsmethode verwendet. Physikalisch wird der unterschiedliche Wärmeübergang, bzw. der Wärmeabtransport durch unterschiedliche Messmedien genutzt. Besonders zeigt sich dieser Unterschied bei einem gasförmigen Messmedium im Vergleich zu einem flüssigen Messmedium.

Der entscheidende Vorteil gegenüber mechanischen und kapazitiven Systemen ist hierbei der Verzicht auf mechanisch bewegte Teile.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung von einem der erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass die erste Heizstruktur durch Einbringen einer elektrischen Leistung auf eine vorbestimmte Temperatur gebracht wird, wobei die hierfür benötigte elektrische Leistung als Maß des Wärmeübertrags erfasst wird.

Gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung von einem der erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass die erste Heizstruktur mit einer elektrischen Leistung definierter Menge mit einem definierten Zeitverlauf beaufschlagt und simultan die Temperatur der ersten Heizstruktur erfasst wird, wobei die Temperatur der ersten Heizstruktur als Maß des Wärmeübertrags unmittelbar nach dem Beenden des Beaufschlagens der elektrischen Leistung ermittelt wird, wobei die Steigung des Temperaturanstiegs als Maß des Wärmeübertrags ermittelt wird, oder wobei nach dem Beenden des Beaufschlagens der elektrischen Leistung eine Abklingkurve der Temperatur der ersten Heizstruktur als Maß des Wärmeübertrags ermittelt wird.

Gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung von einem der erfindungsgemäßen Verfahren ist eine temperaturfühlende Struktur vorgesehen, welche temperaturfühlende Struktur eine Umgebungstemperatur erfasst, wobei die erste Heizstruktur derart mit einer elektrischen Leistung beaufschlagt wird, dass die erste Heizstruktur auf eine Temperatur gebracht wird, welche um einen vordefinierten Betrag größer als die von der temperaturfühlenden Struktur erfasste Umgebungstemperatur ist, und wobei die dazu benötigte elektrische Leistung als Maß des Wärmeübertrags ermittelt wird. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 1 sieht vor, dass zumindest eine weitere Heizstruktur zum Feststellen von zumindest einem weiteren Füllstand auf Höhe des jeweils weiteren Füllstands an dem Behälter angebracht ist, wobei die weitere Heizstruktur derart mit einer elektrischen Leistung beaufschlagt wird, dass die weitere Heizstruktur auf eine Temperatur gebracht wird, welche um einen vordefinierten Betrag größer als die von der temperaturfühlenden Struktur erfasste Umgebungstemperatur ist, und wobei die dazu benötigte elektrische Leistung als ein Maß des Wärmeübertrags mit einem weiteren Referenzwert verglichen wird, und wobei das Erreichen des weiteren Füllstands dadurch indiziert wird, dass im Falle, dass das Messmedium die weitere Heizstruktur kontaktiert, die elektrische Leistung den weiteren Referenzwert überschreitet oder unterschreitet.

In einer bevorzugten Ausgestaltung von einem der erfindungsgemäßen Verfahren wird die erste Heizstruktur alternierend in einem ersten und in einem zweiten Betriebsmodus betrieben, wobei die erste Heizstruktur in dem ersten Betriebsmodus eine Umgebungstemperatur erfasst und wobei die erste Heizstruktur in dem zweiten Betriebsmodus mit der definierten elektrischen Leistung beaufschlagt wird oder auf die vorbestimmte Temperatur gebracht wird.

Hinsichtlich des Sensorelements ist ein Sensorelement zur Messung der Temperatur eines Messmediums und/oder zur Erwärmung des Messmediums vorgesehen, umfassend ein Substrat, eine auf dem Substrat aufgebrachte erste Heizstruktur, welche aus einem Material mit einem definierten Temperaturkoeffizienten besteht, eine auf der ersten Heizstruktur aufgebrachte Passivierungsschicht, wobei die erste Heizstruktur eine Widerstandsstruktur aufweist, welche zur Erfassung der Temperatur des Messmediums und/oder zur Erwärmung des Messmediums durch Anlegen einer elektrischen Spannung ausgestaltet ist, und ein Trägerelement, wobei das Substrat wärmeleitend mit dem Trägerelement verbunden ist.

Durch die wärmeleitfähige Verbindung des Substrats mit dem Trägerelement, welche beispielsweise einen Wärmeleitkleber oder durch ein Aufbringen des Substrats auf dem Trägerelement mittels Silbersinterns oder Vakuumlötens erzielt wird, wird eine Lunkerbildung vermieden, wodurch der Wärmeübergang von der ersten Heizstruktur ins Messmedium, bzw. vice versa verbessert wird. Dadurch wird ein Sensorelement erzielt, welches als Grenzschalter verwendet werden kann und welches nicht mehr, bzw. mit einem geringeren Aufwand gegenüber den bekannten Sensoren, justiert werden muss.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass das Sensorelement zumindest eine weitere Heizstruktur aufweist, welche beabstandet von der ersten Heizstruktur auf dem Substrat aufgebracht ist. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass das Sensorelement eine temperaturfühlende Struktur aufweist, welche temperaturfühlende Struktur beabstandet von der ersten Heizstruktur, bzw. von der zumindest einen weiteren Heizstruktur, auf dem Substrat aufgebracht ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass das Sensorelement ein Kontaktierungselement aufweist, wobei das Kontaktierungselement wärmeleitend mit der ersten Heizstruktur verbunden ist.

Des Weiteren wird die Aufgabe durch eine Verwendung eines oder mehrerer erfindungsgemäßer Sensorelemente in einem diskreten Grenzschalter gelöst, wobei der Grenzschalter eine Elektronikschaltung umfasst, welche zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet ist.

Des Weiteren wird die Aufgabe durch eine Verwendung eines oder mehrerer erfindungsgemäßer Sensorelemente in einem kontinuierlichen Grenzschalter, wobei der Grenzschalter eine Elektronikschaltung umfasst, welche zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet ist.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1: ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements;

Fig. 2: ein erstes Ausführungsbeispiel von erfindungsgemäßen Sensorelementen in diskreten Grenzschaltern in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren;

Fig. 3: einen schematischen Schaltplan für einen diskreten Grenzschalter;

Fig. 4: ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines diskreten Grenzschalters;

Fig. 5: ein zweites Ausführungsbeispiel von erfindungsgemäßen Sensorelementen in diskreten Grenzschaltern in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren;

Fig. 6: einen schematischen Schaltplan für einen diskreten Grenzschalter; Fig. 7: ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines diskreten Grenzschalters;

Fig. 8: ein Ausführungsbeispiel von erfindungsgemäßen Sensorelementen in diskreten Grenzschaltern mit mehreren messbaren Füllniveaus in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren; und

Fig. 9: ein Ausführungsbeispiel, in welchem ein erfindungsgemäßen Sensorelement als kontinuierlicher Grenzschalter verwendet wird.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements 100. Auf ein Substrat 110, welches insbesondere aus einem keramischen Material besteht, ist eine funktionale Schicht aufgetragen. Die funktionale Schicht ist derart strukturiert, so dass diese als Heizstruktur 120 verwendbar ist, im Folgenden als erste Heizstruktur 120 bezeichnet. Die funktionale Schicht besteht aus einem Material mit einem definierten Temperaturkoeffizienten, beispielsweise Platin. Die funktionale Schicht ist mittels eines Dünnschichtverfahrens, beispielsweise mittels Sputterns oder Aufdampfens, auf das Substrat aufgebracht und mittels eines Standarddünnschichtprozesses strukturiert, beispielsweise mittels eines Fotolitografieverfahrens. Alternativ ist die funktionale Schicht mittels eines Dickschichtverfahrens aufgebracht und strukturiert, insbesondere mittels eines Siebdruckverfahrens. Insbesondere handelt es sich bei der resultierenden ersten Heizstruktur um einen Pt50.

Zum mechanischen und chemischen Schutz der ersten Heizstruktur 120 ist eine Passivierungsschicht 130 aufgetragen, welche die erste Heizstruktur 120 vollständig bedeckt. Diese besteht beispielsweise aus Glas, welches mittels eines Dickschichtverfahrens aufgebracht ist. Alternativ kann die Passivierungsschicht 130 aus einem keramischen Material, insbesondere Al ₂ 0 ₃ , bestehen, welche mittels eines Dünnschicht- oder Dickschichtverfahrens aufgetragen ist.

Mittels eines Schweißdrahts 170, bzw. eines Bonddrahts, der mit der ersten Heizstruktur 120 verbunden ist, ist die erste Heizstruktur 120 elektrisch kontaktierbar. Insbesondere kann eine zum Aufheizen der ersten Heizstruktur geeignete elektrische Leistung über den Schweißdraht in die erste Heizstruktur geleitet werden, bzw. zur Bestimmung der Temperatur der Widerstand der ersten Heizstruktur 120 gemessen werden. Hierfür ist eine Regel-/Auswerteeinheit vorgesehen, welche mit der ersten Heizstruktur 120 mittels des Schweißdrahts 170 elektrisch verbunden ist.

Die der ersten Heizstruktur 120 abgewandte Oberfläche des Substrats 110 ist auf einem Trägerelement 140 aufgebracht. Bei dem Trägerelement 140 handelt es sich um ein keramisches oder metallisches Bauteil, insbesondere ein Röhrchen oder ein Plättchen, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Alternativ handelt es sich bei dem Trägerelement 140 um die Innenoder Außenwand eines Behälters 200, in welchem das Sensorelement 100 zur Füllstandsbestimmung verwendet wird. Das Substrat 110 wird mittels beispielsweise eines Vakuumlötverfahrens auf dem Trägerelement 140 aufgebracht - alternativ mittels eines anderen Verfahrens, welches eine wärmeleitende Verbindung erzeugt. Das Verwenden des Vakuumverfahrens, oder ähnlicher Verfahren, resultiert in einer lunkerfreien Verbindung des Substrats 110 mit dem Trägerelement 140, wodurch der Wärmeübergang zwischen der ersten Heizstruktur und dem Trägerelement 140, bzw. dem das Trägerelement 140 kontaktierenden Messmedium, gegenüber bekannten Herstellungsverfahren verbessert ist. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Sensorelement 100, wie später beschrieben, an der Außenwand eines Behälters 200 angebracht ist.

Fig. 2, in Verbindung mit Fig. 3 und Fig. 4, zeigt ein erstes Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensorelements 100. Das Sensorelement 100 wird an einer Innenseite eines Behälters 200 angebracht. Entweder wird das Trägerelement 140 des Sensorelements 100 mit der Innenseite des Behälters 200 verbunden - hierbei muss jedoch eine gute thermische Kontaktierung sichergestellt werden. Alternativ wird, wie unter Fig. 1 beschrieben, das Substrat 110 des Sensorelements 100 direkt mit der Innenseite des Behälters 200 verbunden.

Bei dem Behälter 200 handelt es sich beispielsweise um einen Tank. Der Behälter ist mit einem Messmedium 210, beispielsweise ein fluides Messmedium oder ein Schüttgut gefüllt. Aus Sicherheitsgründen ist vorgesehen, dass nur so viel Messmedium 210 in dem Behälter 200 vorhanden sein darf, dass ein maximaler Füllstand 220 nicht überschritten wird. Das Sensorelement 100 soll in diesem Fall als diskreter Grenzschalter wirken. Das bedeutet, dass das Sensorelement 100 bestimmen soll, ob der maximale Füllstand 220 erreicht ist oder nicht.

Zu diesem Zweck wird das Sensorelement 100 auf einer vorbestimmten Höhe 220 eines Füllstands, in diesem Fall der maximale erlaubte Füllstand, an der Innenseite des Behälters 200 angebracht. Der Begriff „Füllstand“ kann auch durch die Synonyme „Füllhöhe“ oder „Füllniveau“ ersetzt werden. Es kann auch vorgesehen sein, das Sensorelement auf einer geringeren Höhe als der maximal erlaubte Füllstand anzubringen, beispielsweise auf 90 % des maximal erlaubten Füllstand. Dies erlaubt es, rechtzeitig Korrekturmaßnahmen einzuleiten und ein Überlaufen des Behälters 200 auch dann abzuwenden, wenn der aktuelle Füllstand schnell ansteigt.

Das erfindungsgemäße Messprinzip zum Feststellen, ob der vorbestimmte Füllstand 220 erreicht ist, besteht aus einem Quantisieren des Wärmeübertrags der ersten Heizstruktur 120 des Sensorelements 100 in die Umgebung der ersten Heizstruktur. Im Falle, dass der vorbestimmte Füllstand 220 nicht erreicht ist, umgibt insbesondere Luft die erste Heizstruktur 120. In dem Falle, dass der vorbestimmte Füllstand 220 erreicht ist, umgibt das Messmedium 210 die erste Heizstruktur 120, wodurch sich der Wärmeübertrag ändert.

Zum Feststellen eines aktuellen Maßes eines Wärmeübertrags wird die erste Heizstruktur 120 durch die Regel-/Auswerteeinheit mit einer elektrischen Leistung definierter Menge mit einem definierten Zeitverlauf beaufschlagt. Simultan wird die aktuelle Temperatur der ersten Heizstruktur 120 erfasst. Eine schematische elektrische Schaltung hierfür ist in Fig. 3 gezeigt. Von der Regel- /Auswerteeinheit pC wird eine elektrische Leistung in Form einer elektrischen Spannung Vcc in eine Serienschaltung von der ersten Heizstruktur 120 und einem Messwiderstand R1 eingebracht. Gleichzeitig wird die Spannung VR1 über dem Messwiderstand gemessen. Da der Messwiderstand einen vorgegebenen Widerstandswert aufweist, welcher unabhängig von der Temperatur der ersten Heizstruktur 120 ist, kann ist der Spannungsabfall über dem Messwiderstand abhängig von dem Widerstand der ersten Heizstruktur, über welchen die aktuelle Temperatur der ersten Heizstruktur bestimmt werden kann.

Insbesondere ist es vorgesehen, dass die erste Heizstruktur 120 alternierend in einem ersten und in einem zweiten Betriebsmodus betrieben wird. Dies ist in Fig. 4 gezeigt:

Zu Beginn wird die erste Heizstruktur 120 in dem zweiten Betriebsmodus betrieben. Hierbei wird die erste Heizstruktur für eine festgelegte Zeit mit einer vorbestimmten elektrischen Leistung beaufschlagt. Gleichzeitig wird die aktuelle Temperatur der ersten Heizstruktur 120 erfasst. Die Leistung wird hierfür gepulst in die erste Heizstruktur 120 eingebracht. Bei Einbringen der Leistung in die erste Heizstruktur 120 wird der Messwiderstand überbrückt, so dass ausschließlich die erste Heizstruktur 120 mit der elektrischen Leistung beaufschlagt wird. Anschließend wird die Überbrückung für eine kurze Zeit, in welcher keine elektrische Leistung eingebracht wird, abgeschaltet und die Spannung VR1 über dem Messwiderstand R1 bestimmt. Anschließend wird daraus die Temperatur der Heizstruktur bestimmt. Dieses gepulste Einbringen wird beispielsweise mit einer Pulsfrequenz von kleiner 10 Hz, insbesondere 1 Hz, durchgeführt.

In dem nachfolgenden zweiten Betriebsmodus wird der ersten Heizstruktur 120 keine elektrische Leistung zugeführt, aber die aktuelle Temperatur der ersten Heizstruktur 120 erfasst.

In den ersten drei in Fig. 3 gezeigten Zyklen befindet sich der Füllstand des Messmediums 210 unterhalb des vorbestimmten Füllstands 220, so dass Luft die erste Heizstruktur 120 umgibt. Nach den drei Zyklen erreicht das Messmedium 210 den vorbestimmten Füllstand 220, so dass das Messmedium 210 die erste Heizstruktur 120 umgibt. Dadurch ändert sich die Größe des Wärmeübergangs von der Heizstruktur 120 zu deren Umgebung. Konkret werden in diesem Ausführungsbeispiel drei verschiedene Maße für den Wärmeübergang in die Umgebung erfasst: Die Anstiegskurve der Temperatur der ersten Heizstruktur 120 bei Beaufschlagung mit elektrischer Energie, die maximal erzielte Temperatur der ersten Heizstruktur 120 unmittelbar bei Beenden des Beaufschlagens der ersten Heizstruktur 120 und somit der Temperaturunterschied unmittelbar vor dem Beginn des Heizens, und die Abkühlkurve der ersten Heizstruktur 120 im zweiten Betriebsmodus. Alle diese Maße werden mit Referenzwerten verglichen, beispielsweise mit dem jeweiligen Maß des Wärmeübergangs bei Luft als die erste Heizstruktur 120 umgebendes Messmedium. Weicht das jeweilige Maß von dem Referenzwert ab, bzw. um einen vorbestimmten Faktor von dem Referenzwert ab, so dient dies als Indikator für das Erreichen des vorbestimmten Füllstands 220. Im vorliegenden Fall liegt die maximal erzielbare Temperatur der ersten Heizstruktur 120 bei Erreichen des vorbestimmten Füllstands unterhalb der Werte für Luft als die erste Heizstruktur 120 umgebendes Medium, da ein größerer Anteil der Wärmemenge von dem Messmedium 210 aufgenommen wird. Auch der Anstieg der Temperatur und die Abklingkurve unterscheiden sich von denjenigen, bei denen Luft die erste Heizstruktur 120 umgibt.

In Fig. 2 ist eine alternative Anbringung eines Sensorelements 100‘ an dem Behälter gezeigt. Das Sensorelement 100‘ selbst ist außerhalb des Behälters 200 angebracht, oder befindet sich über dem vorbestimmten Füllstand an der Innenseite des Behälters 200. Die erste Heizstruktur 120‘ ist in diesem Fall in thermischen Kontakt mit einem Kontaktierungselement 160‘, welches aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit besteht, beispielsweise Kupfer. Das Kontaktierungselement 160‘ wird derart angeordnet, dass sich eine Kontaktfläche des Kontaktierungselements 160‘ auf Höhe des vorbestimmten Füllstands 220 befindet und mit dem Messmedium 210 kontaktierbar ist. Die erste Heizstruktur 120‘ ist dadurch indirekt über das Kontaktierungselement 160‘ mit dem Messmedium wärmeleitend kontaktierbar. Ein solcher Aufbau ist kompatibel mit aggressiven Messmedien, gegen die die Passivierungsschicht 130 keinen Schutz bieten kann. Die Ansteuerung und Auswertung erfolgt analog zu dem obig beschriebenen ersten Beispiel, bei dem die erste Heizstruktur 120 direkt mit dem Messmedium 210 in Kontakt stehen würde. Alternativ kann das Sensorelement 100 in diesem Ausführungsbeispiel, sowie auch in allen nachfolgend aufgeführten Ausführungsbeispielen, an der Außenseite des Behälters 200 angebracht werden und das Maß des Wärmeübertrags durch die Behälterwand hindurch gemessen werden. In diesem Fall ist jedoch die Sensitivität verringert, bzw. die Ansprechzeit erhöht.

Fig. 5, in Verbindung mit Fig. 6 und Fig. 7, zeigt ein zweites Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensorelements 100, 100‘. Der Übersicht halber sind das Trägerelement und das Substrat nicht mit Bezugszeichen versehen. Das Sensorelement 100, 100‘ wird analog zu dem obig beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel innerhalb des Behälters 200, mit oder ohne einem Trägerelement, oder außerhalb des Behälters angeordnet, in letzterem Fall umfassend ein Kontaktierungselement 160‘.

Das in Fig. 5 gezeigte Sensorelement 100, 100‘ umfasst zusätzlich eine temperaturfühlende Struktur 180, 180‘. Diese ist im Wesentlichen identisch zu der ersten Heizstruktur 120, 120‘ aufgebaut und ausgestaltet. Insbesondere ist aber vorgesehen, dass es sich bei der ersten Heizstruktur 120,

120‘ um einen Pt50- Widerstand (Platin- Widerstand mit 50 Ohm) und bei der temperaturfühlenden Struktur um einen Pt1000-Widerstand (Platin Widerstand mit 1000 Ohm) handelt. Die erste Heizstruktur 120, 120‘ und die temperaturfühlende Struktur 180, 180‘ sind beispielsweise auf demselben Substrat aufgebracht. Alternativ können sich die erste Heizstruktur 120, 120‘ und die temperaturfühlende Struktur 180, 180‘ auf zwei unterschiedlichen Substraten befinden.

Die erste Heizstruktur 120, 120‘ und die temperaturfühlende Struktur 180, 180‘ sind mit der Regel- /Auswerteeinheit verbindbar und bilden eine elektronische Schaltung, abgebildet in Fig. 6. Diese besteht im Wesentlichen aus einer Wheatstone-Brücke, welche durch die erste Heizstruktur 120, 120‘, durch eine Serienschaltung der temperaturfühlenden Struktur 180, 180‘ und einem weiteren Widerstand Rx, sowie einem ersten und einem zweiten Messwiderstand R1, R2 gebildet ist. Weiterhin enthält die Schaltung einen Operationsverstärker U1, sowie einen Komparator U2.

Diese Schaltung regelt die Temperatur T _H der ersten Heizstruktur auf einen Wert, welcher um einen vorbestimmten Wert DT höher als die von der temperaturfühlenden Struktur 180, 180‘ ermittelte Temperatur T _s liegt: T _H = Ts + DT.

DT beträgt beispielsweise 10 K.

Die elektrische Schaltung ist derart ausgestaltet, dass die erste Heizstruktur mit einer dezidierten elektrischen Leistung beaufschlagt wird, die zu einer Erwärmung der ersten Heizstruktur 120,

120‘ zu der Temperatur T _H führt. Befindet sich das Messmedium unterhalb der vorbestimmten Höhe 220 des Füllstands, so ist dazu eine erste Menge elektrischer Leistung P _Hi notwendig. Im Falle, dass das Messmedium 210 die vorbestimmte Höhe 220 des Füllstands erreicht, bedeckt das Messmedium 210 die erste Heizstruktur 120 und kühlt diese ab. Die elektronische Schaltung ist zum Erhalt der Temperatur T _H gezwungen, und beaufschlagt die erste Heizstruktur 120 mit einer höheren Menge elektrischer Leistung P _H 2. In der in Fig. 6 gezeigten Schaltung ist die Ausgangsspannung Uo _ut des Operationsverstärkers U1 proportional zu der der ersten Heizstruktur 120, 120‘ zugeführten Menge elektrischer Leistung P _Hi , PH2 und kann daher als Maß für den Wärmeübergang zwischen der ersten Heizstruktur 120 und deren Umgebung herangezogen werden. Dies ist analog dem CTA- („Constant Temperatur Anemometry“)-Messverfahren bei einem thermischen Durchflussmesser. Wie in Fig. 7 abgebildet, nimmt die Höhe der Ausgangsspannung Uout proportional zum Benetzungsgrad der ersten Heizstruktur 120, 120‘ zu. Legt man einen Referenzwert für die Ausgangsspannung fest, so kann das Sensorelement 100 auch in diesem Ausführungsbeispiel als diskreter Grenzschalter verwendet werden, der ein Erreichen der vorbestimmten Höhe des Füllstands 220 dann indiziert, wenn der Referenzwert überschritten worden ist.

Fig. 8 zeigt ein drittes Anwendungsbeispiel eines, bzw. mehrerer erfindungsgemäßer Sensorelemente 100, 100‘, 300, 300‘, 400 und 400‘. Die Sensorelemente sind hier vereinfacht dargestellt - aus Übersichtsgründen ist sind nur die jeweiligen Heizstrukturen, nicht aber deren Substrate abgebildet. Analog des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels werden ein oder mehrere Sensorelemente 100, 100‘, 300, 300‘, 400 und 400‘ an der Innenseite des Behälters 200 angebracht.

In einer ersten Variante sind auf dem Trägerelement 110 mehrere Heizstrukturen mit entsprechenden Substraten beabstandet zueinander aufgebracht. Alternativ teilen sich die Heizstrukturen ein gemeinsames Substrat. Das Trägerelement 110 wird nun derart an der Innenseite des Behälters 200 angebracht, dass die Heizstrukturen auf mehreren Höhen 220, 230, 240 von Füllständen liegen. Alternativ teilen sich die Heizstrukturen ein gemeinsames Substrat.

Die Heizstrukturen bilden nun mehrere unabhängige diskrete Grenzschalter. Statt, wie bisher beschrieben, eine dezidierte Höhe eines Füllstands zu detektieren, können nun, gemäß der Anzahl der Heizelemente, mehrere verschiedene Höhen 220, 230, 240 detektiert werden.

Die Ansteuerung und Auswertung mittels der Regel-/Auswerteeinheit kann analog des ersten oder des zweiten Ausführungsbeispiels erfolgen. Ist eine Auswertung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel vorgesehen, so muss eine zusätzliche, nicht in Fig. 8 abgebildete, temperaturfühlende Struktur vorgesehen sein.

In einer zweiten Variante werden mehrere unabhängige Sensorelemente 100‘ 300, 400‘ derart an der Innenseite des Behälters angebracht, dass die jeweiligen Heizstrukturen auf mehreren Höhen 220, 230, 240 von Füllständen liegen. Jedes der Sensorelemente weist ein eigenes Trägerelement auf.

Die Heizstrukturen bilden nun auch hier mehrere unabhängige diskrete Grenzschalter. Die Ansteuerung und Auswertung mittels der Regel-/Auswerteeinheit kann analog des ersten oder des zweiten Ausführungsbeispiels erfolgen. Es kann hierbei eine gemeinsame Regel-/Auswerteeinheit oder eine Regel/Auswerteeinheit pro Sensorelement 100‘ 300, 400 vorgesehen sein. Ist eine Auswertung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel vorgesehen, so muss eine zusätzliche, nicht in Fig. 8 abgebildete, temperaturfühlende Struktur vorgesehen sein.

Für das erste und das zweite Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, das Sensorelement 100, 100‘ als kontinuierlichen Grenzschalter zu verwenden. Dies ist in Fig. 9 gezeigt. In diesem Fall kann es vorgesehen sein, dass die erste Heizstruktur 120 oder das Kontaktelement 160 großflächig ausgestaltet ist und einen Höhenbereich der Innenseite des Behälters abdeckt. Das jeweils ermittelte Maß für den Wärmeübergang wird nun nicht mit einem Referenzwert verglichen, sondern aus der absoluten Größe des Grads der Benetzung der ersten Heizstruktur 120 ermittelt.

Als Beispiel sei auf Fig. 7 verwiesen. Proportional zu dem Grad der Benetzung der ersten Heizstruktur 120 steigt das Ausgangssignal. Je größer die Fläche der ersten Heizstruktur 120, bzw. des Kontaktierungselements 160 ausgestaltet ist, desto flacher verläuft die Kurve. Auf diese Art und Weise kann zuverlässig stufenlos die genaue aktuelle Höhe des Füllstands des Messmediums 210 ermittelt werden.

Bezugszeichenliste

100 Sensorelement

110 Substrat

120 erste Heizstruktur

130 Passivierungsschicht

140 Trägerelement

150 Lötschicht

160 Kontaktierungselement

170 Schweißdraht

180 temperaturfühlende Struktur

200 Behälter

210 Messmedium

220, 230, 240 vorbestimmte Höhen von Füllständen 300, 400 weitere Sensorelemente mq Regel-/Auswerteeinheit