CN111457989A - 检测容器中泡沫边界的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

检测容器中泡沫边界的方法和装置，包括容器；探针；提供在探针中产生充放电过程的输入信号的输入信号发生器；在充放电期间从探针分接至少一个输出信号的电容性操作的测量装置，所述装置包括具有两个比较器的电路模块，这两个比较器被形成为根据至少一个输出信号提供第一比较器输出信号和第二比较器输出信号，两个比较器被并联地开关，在评估过程的范围内第一比较器输出信号和所述第二比较器输出信号被相关以确定：B1.浸入的探针的第一输出信号在初始范围内是否比露出表面的探针的第二输出信号上升得更快，B2.浸入的探针的第一输出信号在初始范围之后的范围中是否比露出表面的探针的第二输出信号上升得更慢，如果B1.和B2.都满足则输出泡沫边界的检测。

Description

检测容器中泡沫边界的方法和装置
本发明是申请号为201610714865.3、申请日为2016年6月2日、名称为“一种用于检测泡沫边界的方法和相应地装备的装置”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种用于检测在容器中的泡沫边界的方法。本发明还涉及相应地装备的装置。
背景技术
存在需要精确的移液操作以获得令人满意的分析精确度的许多实验室系统和医学以及制药器具。出于这一目的，精确地限定在试管、滴定盘和其他液体容器中的填充水平面是必要的。还存在与泡沫-液体相边界和气体-泡沫相边界的检测有关的应用。在下文中，术语相边界将被使用以表示在气体和液体介质之间的过渡(气液相边界)、气体-泡沫相边界以及在不同液体介质之间的过渡(泡沫-液体相边界)。
这样的相边界的确定尤其与关于测量或者测试序列的自动化相关。所谓确定填充水平面通常是通过液面的检测来发生，即确定空气和液体之间的相边界的位置。这个过程也称为“液面检测”(LLD)。
从现有技术已知用于确定填充水平面的各种方法，它们基于不同的物理原理，例如检测由液体的表面反射的光或者当移液管与液体接触时测量移液管的电特性。因为气体和液体具有明显不同的介电常数，所以也能通过电容变化确定气-液相边界。
液面检测例如被用于移液设备。在这种情况下，在用移液管吸液期间移液针应尽可能少地浸入要被移液的液体中，以保持样品液体的污染尽可能低。在吸液期间，移液针因此通常只浸入液面下几个毫米。然而，需要保证移液针被浸入到足够远的程度，以便没有空气可能被吸入。在吸液过程中，移液针接着会沿着降低的液面而持续移动，以便保持浸入到相对于液面同样深的程度。在吸液之后，可以基于被移入的体积和液体容器的截面积计算气-液相边界的水平面应该所处的位置。在移液尖端露出表面期间，可以将露出表面信号与计算得到的气-液相边界的位置相比较，以因此验证移液过程。
因此一方面，能够将移液尖端定位在液体表面稍微下方是合乎需要的。另一方面，从一个液体容器到另一个液体容器的填充水平面可能变化巨大，这是移液尖端必须能够在大区域中精确地定位的原因。使液体表面的正确和明确的检测成为可能因此是格外重要的。
采用已知方法识别液体表面的可靠性在许多情况下是不令人满意的，尤其是在易于形成泡沫的液体的情况下。
因此重要的是能够区分可容器内推进的探针(例如移液管的形式)的泡沫和/或液体接触。
也可以考虑仅关注泡沫边界的检测的应用。
发明内容
因此，目标是提供一种用于检测泡沫边界的方法，其可以可靠地操作并且提供高精度。
本发明的另一目标是提供一种用于检测探针从泡沫到液体的过渡的方法。
本发明的另一目标是提供相应的装置。
以上所标识的本发明的技术目标是通过一种其特征在权利要求1中公开的方法来达成的。
具体而言，一种方法关于通过电容性地操作的测量装置(包括可以移动的探针)检测在一装置的容器内的泡沫边界，其中测量装置处理至少一个输出信号。该方法包括在执行探针在容器中的向上或者向下移动期间执行的下列步骤；
a)通过预定在测量电容(也称为总电容)上产生充电过程的输入信号来执行充电过程，其中所述测量电容由探针、空气、泡沫和液体形成；
b)在第一比较器上和第二比较器上提供在充电过程中在测量电容中产生的充电信号，其中第一比较器被设计成在充电信号达到第一基准电压的情况下提供第一输出信号，并且其中第二比较器被设计成在充电信号达到比第一基准电压大的第二基准电压的情况下提供第二输出信号，；
c)使测量电容放电；
d)重复步骤a)到c)；
其中第一输出信号和第二输出信号在评估过程范围内彼此相关。
检测装置的容器中的气-液边界和气体-泡沫边界是特别被关注的，这包括处理测量电容的充电信号并且识别出接触的是液体还是泡沫的基本上电容性地操作的测量装置。
通过对测量电容的周期性充电和放电(即通过重复步骤a)到c))，第一比较器输出第一PWM信号(也称为比较器输出信号)，且第二比较器输出第二PWM信号(也称为比较器输出信号)。PWM代表脉宽调制。
感兴趣的是这两个输出信号的脉宽，尤其是露出表面的探针与浸入的探针之间的输出信号的脉宽的变化。第一输出信号的变化可以按以下方式乘以预定因子：，在介质的纯电容行为的情况下，该乘积对应于第二输出信号的变化。这是在探针浸入导电性良好的液体期间的情况。然而，如果泡沫位于液体上，由于泡沫具有相对高的阻抗，在合适地选择放电时间的情况下液体电容不能被完全放电。这会导致如下结果：在随后的充电过程期间，返回电流在该随后的充电过程期间流入基本电容。返回电流流动尤其在充电曲线的开始处有影响。与第二输出信号的脉宽变化相比，乘以预定因子的第一输出信号的脉宽变化因此可减少。与露出表面的探针的脉宽相比，脉宽变化因此甚至变成负的。通过提供合适地选择的放电时间和基本电容，因此有可能区分探针是浸入液体还是泡沫中。
本发明的装置被形成为基本上电容性地操作的装置，其特征被在独立装置权利要求中公开。
本发明的装置包括：
-容器；
-可以移入该容器和/或移出该容器的探针；
-可连接到探针以提供输入信号的输入信号发生器，其在从探针、空气、泡沫和液体所形成的测量电容上产生充电信号；
-可连接到探针以分接充电信号来作为探针上的输出信号的测量装置。
所述装置的特征在于
-测量电容可以通过充电信号周期性地充电和放电；
-充电信号与通过对测量电容的周期性地充电和放电产生的充电/放电曲线；
-其包括具有两个比较器的电路模块，这两个比较器被形成以根据该输出信号(即充电信号)提供第一输出信号和第二输出信号并且使它们彼此相关。
进一步细节在相应的从属权利要求中公开。
有益效果
本发明的最重要的优点是在探针(例如移液管或者针的形式)的进入(feed)运动期间能以高度可靠且精确的方式检测泡沫边界。因此能确保相应地装备的装置例如提供正确数据，和/或可以执行自动化的过程，而不会发生如下可能性：由于错误检测而导致发生不可预见的事件或者执行对该情形而言不适当的动作。
本发明的进一步优点是可能区分泡沫或者液体接触，其中泡沫边界的检测和液体边界的检测这两者是根据兼容度量衡学和电路系统的测量方法来发生的。
附图说明
现在参考示例性实施例的示意图更详细地解释根据本发明的方法，这些附图不限制本发明的范围。
图1示出根据本发明的检测方法的示意图，其示出了在三个不同进入运动深度a)，b)以及c)用作探针的移液管；
图2A示出根据本发明的基本上电容性地操作的装置的第一实施例的示意性电路图，；
图2B示出充电曲线的示意性电压-时间图，其中使用根据图2A的装置的输入信号发生器，在这种情况下它预先确定周期性矩形输入信号(注意：如果要用恒定电流对总电容充电，则图2B的充电曲线将具有线性进展)；
图3示出本发明的另一实施例的示意性等效电路；
图4显示示意性电压-时间图，其中示出了在探针未浸入液体时的曲线进展(在此用虚线示为曲线进展K1)和探针浸入液体时的曲线进展(在此用实线示为曲线进展K2)；
图5示出在探针未浸入泡沫时的示意性电压-时间图(在此用虚线示为曲线进展K3)和探针浸入泡沫时的示意性电压-时间图(在此用实线示为曲线进展K4)(注意：在探针未浸入的情况下，与图3中电阻RF的连接将中断)；
图6示出本发明的装置的另一实施例的示意性电路图；
图7示出本发明的装置的又一实施例的示意性电路图，其中所述装置基于图6的原理；
图8示出本发明的装置的又一实施例的示意性电路图，其中所述装置基于图6和7的原理。
具体实施方式
下文描述了本发明的有利实施例，其中所述实施例是作为示例提供的。它们包括总体发明的不同形式，而且还包括本发明的各组装件和单独部件。各实施例的所描述的组装件和单独部件能大体上被彼此组合，或者各单独实施例的各组装件和单独部件可以被其他实施例的组装件和单独部件替换。在这种情况下形成的组合可造成本领域技术人员所熟知的微小调整，并且将因此不详细描述，例如，以使各组装件和各单独部件能够相互作用或者相互接合。
术语相边界被用于具有不同介电常数的两种或更多种介质之间的边界。气体-泡沫相边界2.1、泡沫-液体相边界1.1(例如在图1中所示)以及气体-液体相边界尤其被关注。
术语模块在此被用以描述用硬件、软件的形式来实现或者作为硬件和软件的组合来实现的功能群。
术语“标识符”在此被用于所作出的码、码字、信号、存储器条目或者被用于所设置的标志。
以多种方式参考结合本发明的设备。它们优选涉及实验室器具和其他系统、设备、装置、处理中心等等，它们装备有用于确定相边界的装置。根据本发明的装置100是这样的实验室设备的元件或者组件。实验室设备能包括本发明的若干相同的装置100或者若干不同的装置100。
根据本发明的方法优选地在所有实施例中形成，用于检测探针3(例如用作探针的移液管或针)与(液体)容器5中的介质的接触并且用于区分发生了与液体1还是泡沫2的接触。在下文参考使用移液管，其中其他(移液)尖端、针、小管等等也适合用作探针3，并且可以用在本发明的所有实施例中。
在下文参考进入运动B的执行。这样的进入运动B能描述探针3在容器5中的向下或者向上移动。
出于检测的目的，优选地使用移液管3，它可以在泡沫边界2.1的方向上和/或在液体边界1.1的方向上进入容器5。
图1示出本发明的检测方法的基本原理的示意图，其中移液管3被示为沿进入运动方向B在三个不同进入运动深度上，即a)在穿透泡沫边界2.1之前；b)在穿透泡沫边界2.1之后；以及c)在穿透液体边界1.1之后。在移液管3在泡沫边界2.1的方向上和/或液体边界1.1的方向上的进入运动B期间，在移液管3上施加周期性输入信号sin(t)。一旦移液管3的尖端例如接触泡沫2的表面2.1，泡沫2就与容器5中的液体1一起形成探针3的一部分(从而形成测量电极)，或者从移液管3、空气、泡沫2和液体1获得测量电容(也称为总电容)。
图1还示出了第一示例性等效电路图的基本元件，其中所示的等效电路包括输入信号发生器E和测量装置M。前面提到的输入信号sin(t)是由输入信号发生器E提供并且在移液管3上产生相应的充电信号，同时从探针3分接的输出信号sout(t)被测量装置M处理。
下文参考各具体实施例详细描述这些方面。
图2A示出输入信号发生器E和电容性地操作的测量装置M的第一示例性实施例的示意性电路图，其可以结合本发明来被使用。移液管3用作探针并且与泡沫/液体表面一起形成电容器，其中空气形成所述电容器的板之间的电介质。移液管3的尖端用作具有两块电容器板的测量电容器的第一部分，且液体表面1.1或者泡沫表面2.1(视情况而定)形成第二部分，其中空气电介质介于其间。当移液管3的位置被改变(通过移动B)时，电容器板的板间距也改变。因此，移液管3在图2A中由两个平行的电容器板来用符号表示，并且相应电容在此被指定为串联电容CM。液体1的电容(可选地与容器5中的泡沫2相组合)被指定为电容Cliq，并且在图2A中也由两个平行的电容器板用符号表示，在此它们位于容器5下方。
获得了基本电容CB(在图2A中由两个平行的电容器板来用符号表示)，其通常包括线路电容、探针电容以及布置在输入信号发生器E中和在评估电路A中的各电路部件的电容。基本电容CB在此例如由大约100pF的电缆电容、大约50pF的电路电容和大约2pF的针电容组成。总电容CT(未示出)包括基本电容CB和串联电容CM这两者，并且还包括液体1和/或泡沫2的电容影响(称为电容Cliq)。
当移液管3的尖端接触液体表面1.1时，总电容CT突然出现能检测到的变化。在接触泡沫表面2.1时情况也是这样。
装置100和/或输入信号发生器E包括用于生成周期性矩形输入信号sin(t)的矩形电压发生器RG(也称为矩形脉冲发生器)。代替矩形电压，也能使用另一信号(诸如周期性三角形输入信号sin(t))或者也通过恒定电流等充电和放电等。
矩形电压发生器RG可以在功能上被认为是生成输入信号sin(t)的输入信号发生器E的一部分它。所述输入信号sin(t)通过在探针3(在移液管3上)上的充电电阻RL生成相应的充电信号，探针3在所有实施例中用作测量电极。具体而言，在前面提到的总电容CT上的充电过程期间获得所述充电信号。
应当理解，其他一般已知类型的电压发生器或者电流发生器也能用于根据本发明的方法，如图6、7和8中所示。
生成经典的矩形信号作为输入信号sin(t)不是绝对必要的。也能可替代地例如生成接近矩形信号的信号。其他方波信号也能用在所有实施例中代替矩形脉冲。所有这些信号和信号形式在此被概括地指定为周期性输入信号sin(t)。
图2A通过参考示例性电路图示出了在充电过程期间，可以由矩形脉冲发生器RG经由(充电)电阻RL对总电容CT周期性地充电和放电。
当通过输入信号发生器E将输入信号sin(t)分别地施加于探针3或者总电容CT时，探针3的输出信号sout(t)被评估电路A处理/评估，如下所述。特别感兴趣的是分别在探针3或者总电容CT上的充电信号的充电曲线的曲线形状的变化。为此，在所有实施例中，评估电路A能够通过电路系统连接到探针3。
在所有实施例中，评估电路A或者测量装置M可分别包括用于放大输出信号sout(t)的放大器V。在图6、7和8的所有实施例中，放大器V可以用在低通滤波器TP1之后的区域中，因为比较器VG1处理可以明显比被比较器VG2所处理的信号小的信号。相应放大器V作为示例在图8中示出。
图2B示出使用图2A的输入信号发生器E的测量装置M的充电曲线(充电信号)的示意性电压-时间图。根据图2B的曲线涉及电容器的典型充电曲线。充电行为或者所述充电曲线的时间进展分别与总电容CT和电阻的乘积成正比。
充电和放电过程根据本发明以高周期率重复。在所有实施例中，优选地形成输入信号发生器E以提供大于10kHz的周期率的矩形输入信号sin(t)。相应的矩形信号可优选地具有100kHz和更高的频率。
在液面检测的范围内对输出信号sout(t)的评估(其在此被称为进一步的评估过程P2)包括直到达到第一电压U1的第一充电时间t1的测量/确定，和直到达到第二电压U2的第二充电时间t2的测量/确定，如图2B所示。
由于根据本发明施加矩形信号sin(t)的事实，总电容CT的放电过程发生在充电过程(如图2B中举例所示)之后。如果仅有液体1位于容器5中，则总电容CT在重新充电过程开始之前完全放电。这一重新的充电过程再次从零开始。
为启用这些过程的描述，图3示出简化等效电路。电压源U被示出在左侧，它例如在晶体管Tr或者任何其他放电开关的周期性致动期间生成并且施加周期性矩形信号。在该简化等效电路中，液体1由对地电容Cliq来用符号表示。在这一简化等效电路中，泡沫2被表示为串联电阻RF，它与液体电容Cliq和前面提到的串联电容CM串联地布置。如果容器5中不存在泡沫2，则适用RF＝0。通过用作放电开关的晶体管Tr来产生总电容CT的放电。场效应晶体管可以例如被用作晶体管Tr。
在充电和放电期间，获得根据图2B的曲线进展，其中所述曲线进展周期性地重复，如图4中所示。如果探针3没有位于液体1中，则图4中的曲线进展K1表示充电-放电曲线的进展。放电时间被标示为tE。如果探针3浸入位于容器5中的液体1中，则将液体电容Cliq加到基本电容CB。从计算的观点来看，在这种情况下这两个电容的值必须相加如下：CT＝Cliq+CB。因此，该充电-放电曲线的进展因而改变，如在图4中通过曲线进展K2示意性地示出的。探针5浸入液体1可以通过对两曲线进展K1和K2之差进行合适的评估(例如通过两个比较器)而检测到。例如通过生成和比较脉宽调制信号来对这两曲线进展K1和K2进行评估，其中在探针3没有浸入时的脉宽调制信号具有与在探针3被浸入时的脉宽调制信号不同的脉宽。脉宽是更大还是更小的问题取决于串联连接的比较器的极性。
如果泡沫2位于容器5中，则对充电曲线的检查提供了一个信号，如图5中以举例的方式所示。图5中的曲线进展K3表示在探针3没有位于泡沫2中的情况下(其在此被指定为露出表面状态)中的充电曲线的进展。如果探针3浸在位于容器5中的泡沫2中(其在此也被指定为浸入状态)中(曲线K4)，则由泡沫电阻RF、串联电容CM(在接触之后可以不考虑CM，其因此对应于短路)和液体电容Cliq构成的串联电路被加到基本电容CB。如果放电时间tE是以足够短的方式来选择的，则在放电之后由于相对高阻值的泡沫电阻RF，特定残余电荷会留在液体1中，而基本电容CB被电路完全放电。在下一次充电的开始时，电流因而从液体的Cliq中的电荷流回电路的基本电容CB。这个电流被加到RL的充电电流。只在基本电容CB的充电电压达到与液体电容的电压相同的电压电平时(即，仅在UC＝Uliq时)，电流才将再次流入液体1(在图5中的时间点Tx)。
这种效果被本发明利用，因为在所有实施例中，评估电路A优选地包括两个比较器VG1和VG2。与露出表面的探针3的信号K3相比，比较器VG1(其开关阈值在U1)更早地开关，而VG2(其开关阈值在U2)更晚地开关。因此，感兴趣的是时间变化量Δt1和Δt2。这些时间变化Δt1和Δt2的比较允许作出与探针3接触的介质是否仅包括液体1或者是否接触了泡沫2有关的陈述。
在这个过程中，感兴趣的是第一比较器输出信号PWM1和第二比较器输出信号PWM2的脉宽尤其当接触介质时这些比较器的输出信号PWM1和PWM2的脉宽的变化Δt1和Δt2。第一比较器输出信号PWM1的变化Δt1可以按以下方式乘以预定因子k：在介质的纯电容行为的情况下，该乘积与第二比较器输出信号PWM2的变化Δt2相对应。这是探针3接触一定程度上导电良好的液体1的情况。如果泡沫2位于液体1上，由于泡沫2的相对高的阻抗，液体电容Cliq在合适选择的放电时间tE(参阅图4)的情况下不能完全放电。这导致如下结果：在随后充电过程期间，在该随后充电过程开始时反向电流流回到基本电容CB。反向电流的流动会产生影响，尤其是在充电曲线开始处。与第二比较器输出信号PWM2的脉宽变化相比，乘以预定因子k的第一比较器输出信号PWM1的脉宽变化因而减小。脉宽变化甚至能变成负的。由于合适选择的放电时间tE和基本电容CB，因此可能区分探针3是被浸入液体1还是泡沫2中。
图5示出两条示例性曲线的放大视图。图5中的曲线进展K3表示在探针3没有位于泡沫2中(露出表面状态)的情况下的充电曲线的进展。如果探针3被浸入到泡沫2中，则在前的充电过程在总电容CT的残余电荷对下一充电过程期间的行为会产生影响。相应的曲线K4的进展因此稍微不同于曲线K3的进展。简而言之，曲线K4初始具有比曲线K3更高的梯度。在区域X中形成两条曲线K3和K4之间的交叉(参阅图5)。
从图5中可以推导出以下两个条件B1和B2。
条件B1：浸入泡沫中的移液针的输出信号sout(图5中的曲线K4)在初始区域中(小于Tx的时间窗口)比尚未浸入的移液针的输出信号sout(图5中的曲线K3)上升得更快。
条件B2：浸入泡沫中(图5中的曲线K4)的移液针的输出信号sout在初始区域之后的区域中(大于Tx的时间窗口)比尚未浸入的移液针的输出信号sout(图5中的曲线K3)上升得更慢。
两条曲线K3和K4的相关进展可以被解释如下。在充电周期的开始处，液体电容Cliq仍然有来自于时间上在前的充电周期的残余电荷。一方面这是由泡沫的相对高的电阻RF引起的，而另一方面这是由以下事实引起的：放电时间被有意地选择成很短，以防止完全放电。这是液体电容Cliq被首先放电，直到电压UC和Uliq到达相同的电压电平(即，如下适用：UC＝Uliq)的原因。电流然后朝着正向流动。如图5中所示，这导致在时间点Tx处两条曲线K3和K4具有交叉点X。
本发明因而基于当起泡沫时不有意地使液体电容Cliq完全放电的方法。换言之，按以下方式选择装置100的电路配置和有影响的参数(例如，放电时间)：在新充电周期开始之前的放电期间，残余电荷总是保持在液体电容Cliq中。在液体1中的残余电荷因而被有意地使用，以获得浸入到泡沫2中的探针3的信号进展，其可以被电路A可靠地评估。液体电容Cliq的残余电荷是电阻RF和放电时间tE的函数。
因此，放电时间是在装置100的所有实施例中优选地设置或者可以按其他方式预先确定的潜在参数之一。
根据本发明，放电时间的选择取决于液体1的导电性，这意味着在本发明的优选实施例中，放电时间的设置或定义是通过考虑到液体1的导电性来执行的。此外，在所有实施例中，优选地使用两个比较器(参见图7中的VG1和VG2)来使得能够以可靠和可重复的方式检测泡沫2的存在。
可以通过使用两个比较器来确定负时间延迟Δt1发生在交叉点X的左侧(即在初始区域t<Tx中)且正时间延迟Δt2发生在交叉点X右侧(即在区域t>Tx中)。这两个时间延迟Δt1和Δt2示意性地在图5示出。例如，时间延迟Δt2在电压U2处确定，且时间延迟Δt1在电压U1处确定，这意味着比较器VG2具有电压U2处的比较阈值，而比较器VG1具有电压U1处的比较阈值(还参见图7和图8)。
因此能从图5中推导出，Δt1<0和Δt2>0必须成立才能假定检测到泡沫。此外，以下附加关系可任选地适用于所有实施例：Δt1<Δt2。
泡沫检测或者输出信号sout(或者比较器输出信号PWM1，PWM2)的评估在此也分别被指定为(泡沫)评估过程P1。
图4和5示出正时间延迟Δt2总是发生在浸入到液体1期间以及还发生在浸入到泡沫期间(简而言之，因为曲线K1在图4中位于曲线K2上方且曲线K3在图5中位于曲线K4上方)，这可以由比较器VG2确定。正时间延迟Δt2也能在探针3浸入液体1期间在另一比较器VG1中测量，在所有其他实施例中，该另一比较器被用于在(泡沫)评估过程P1范围内的泡沫检测的目的。因此下列关系适用于这两个比较器VG1和VG2：Δt2>0且Δt1>0。
另一方面，在探针3浸入泡沫2期间，下列关系适用于这两个比较器VG1和VG2：Δt1<0且Δt2>0。
评估电路A优选地用于本发明的所有实施例中，它被形成以：
-定性评估输出信号sout(t)的曲线进展从sout1(t)到sout2(t)或反之(曲线K4和K3)的突然变化(注意：两个直接相继的周期不能提供足够的测量安全性)(定性评估)，和/或
-定量评估输出信号sout(t)的曲线进展从sout1(t)到sout2(t)或反之(曲线K4和K3)的突然变化(定量评估)。
电路的复杂度很高，尤其是在定量评估的情况下，因为非常小的信号变化要被考虑，其需要被检测并且评估。定量评估由于以下事实而恶化：存在许多有影响的量，这些量导致需要测量并逐检测情况地相比较的量的不同变化。
在所有实施例中，评估可以发生在装置100的评估电路A中。结果，评估电路A输出标识符KI或者它提供可以被另一电路或者计算机检索的标识符KI。标识符KI指示检测到空气和液体1之间或者空气和泡沫2之间的相边界。可以在可选的评估过程P1的范围内区分液体1和泡沫2。相应的评估过程P1能例如输出标识符Kf，其中Kf＝1指示泡沫2的存在，而Kf＝0指示不存在泡沫2。
评估电路A优选地被用在本发明的所有实施例中，其包括至少两个比较器VG1和VG2，它们被并联地开关并且允许定性评估，如上所述。这表示这些比较器VG1和VG2(可被并联地开关)允许时间上彼此分开的两个输出信号sout1(t)和sout2(t)的相关。作为直到达到特定电压的时间测量的替换方案，在所有实施例中，评估电路A可以按它对随时间的电流进展进行评估的方式来被配置。
图6示出本发明的另一实施例的示意性电路图。在这一实施例的情况下，装置100包括测量装置/电路M，其中评估电路A和输入信号发生器E被组合。
测量装置/电路M包括共用信号通道7，其用于为探针3馈送信号并从探针3分接信号。所有实施例可包括共用信号通道7。
在所有实施例中，优选地使用屏蔽电缆作为信号通道7。在这种情况下，第一电路模块8用于对探针3和该布置的其它电容进行周期性的充电和放电。通过例如周期性矩形信号序列来执行探针3的充电和放电，如上所述。在这种情况下，所述矩形信号序列由开关元件Tr生成并且经由信号通道7施加到探针3(如图3中所示)。开关元件Tr和(充电)电阻RL可以是电路模块8的一部分。在所示实施例中，开关元件Tr由触发信号str(t)供电，其是通过例如信号通道9被施加到电路模块8的。在图6中，示例性触发信号str(t)被示出在信号通道9附近。所述信号产生开关元件Tr的打开和闭合。只要开关元件Tr在此闭合，就存在到地的短路，并且电容发生部分(在泡沫检测的情况下)或者完全(在液体检测的情况下)放电，如上所述。一旦开关元件Tr再次打开，新充电过程就开始。这一过程以处于≥10kHz范围内且优选地在≥100kHz范围内的非常高的周期率重复。所述周期性重复的充电和放电过程生成输出信号sout(t)的曲线进展，如图6中在信号通道7上方所示。
在所有实施例中，测量装置/电路M优选地包括评估电路A，评估电路A装备有被并联地开关的两个比较器VG1、VG2。在图6的实施例中，这两个比较器位于第二电路模块10中。第二电路模块10中的这两个比较器VG1，VG2的连线按两个输出信号sout1(t)和sout2(t)的相对比较成为可能的方式来设计。作为两个输出信号sout1(t)和sout2(t)的相关或比较的结果，确定下列关系是否适用：Δt1<0(称为B1.的第一条件)以及Δt2>0(称为B2.的第二条件)。
在所有实施例中，测量装置/电路M优选地包括控制模块11，如图6中所示。所述控制模块11可以按如下方式来配置：如果所描述的关系存在，即如果第一条件B1和第2条件B2都满足，则它输出标识符Kf(Kf是允许区分泡沫2和液体1的标识符)。可以在输出端6(在图2A中也是如此)上提供所述标识符Kf。也能在输出端6或者任何其他输出端上提供前面提到的标识符KI。
优选地由电路模块10向控制模块11提供一个或多个信号，如图6中用信号通道12所示。
在所有实施例中，控制模块11优选地装备有处理器μP(参见图7)以处理预定义过程并允许作出决定以及触发反应，例如输出用于区分液体1和泡沫2的标识符Kf和/或用于检测空气-液体或者空气-泡沫边界的标识符KI。
在所有实施例中，控制模块11可以按如下方式形成：其如图6中所示通过信号通道9和触发信号str(t)来控制充电和放电过程。放电过程的持续时间优选地能受控制模块11的影响，以在电容Cliq中保持残余电荷，这是可靠的泡沫检测所需的。
图7示出本发明的装置100的另一实施例的示意性电路图，其中所述装置100基于图6的原理。
电路模块8包括被用作开关元件的晶体管Tr。在这种情况下，所述晶体管Tr由控制模块11所提供的触发信号str(t)来开关。电路模块8还可包括(充电)电阻RL，如示意性地指示的(也可能使用恒流源而不是RL)。在所示示例中，信号通道7连通直至电路模块10，以并联地向两个比较器VG1和VG2供电。这意味着两个比较器VG1和VG2被并联地开关。第一比较器VG1将输出信号sout(t)与电压U1(也如图5所示)相比较，而第2比较器VG2将输出信号sout(t)与电压U2相比较，其中U1<U2。每个比较器可以与低通滤波器和/或另外的电路块(例如放大器V)外出串联。在输出侧(在图7中在比较器VG1、VG2的右侧)提供脉宽调制信号(PWM1和PWM2)。这两个比较器输出信号PWM1、PWM2由控制模块11处理，以检查是否满足条件B1.＝Δt1<0和B2.＝Δt2>0。如果满足这些条件B1.和B2.，则控制模块11输出例如标识符Kf＝1以从而指示检测到泡沫2。
下面介绍进一步的细节，其可以在每个实施例中被考虑。优选地，单独的充电曲线不与时间上的下一个充电曲线直接相比较。充电曲线的变化以及因此相应的脉宽变化相对小。因此，使用常规处理器μP(其可以是电路11的一部分)只有付出非常大的努力才能测量出。此外，在某些情况下，信噪比可能是不利的。
因此在所有实施例中，优选地执行对若干充电曲线的平均，如下所述。基于图6和7的相应电路示例在图8中示出。参考图6和7作出的解释可以类似地适用于此。两个PWM信号PWM1和PWM2中的每一者各自经由一个低通滤波器TP1、TP2转换成模拟信号a1(t)、a2(t)。这些低通滤波器TP1、TP2位于比较器VG1和VG2之后的区域中，如图8中所示。周期频率也被低通滤波器TP1、TP2完全滤出信号。放大器可任选地例如布置在低通滤波器TP1之后，如图8中由虚线限定的电路符号所示的，或者在带通滤波器BP1之后。在探针3浸入或者露出表面时，如此产生的模拟信号a1(t)、a2(t)也只在非常低的电压范围内改变其值，使得只有用高分辨率模数转换器才可能直接评估这些变化。
根据本发明，电压变化被优选地评估/处理并且偏移被掩盖，因为它大得多(由总电容CT确定)并且直接串联连接的放大器甚至在低放大倍数下也会过调制。在所有实施例中，模拟信号a1(t)、a2(t)的直流电压分量可经由相应串联连接的带通滤波器BP1、BP2通过串联连接的电容来解耦，并且有用信号可以同时被放大。比较器VG1的信号优选地以固定因子(因子k)放大更多，以使得在纯液体接触的情况下，在这两个带通滤波器BP1、BP2(参阅图8)的输出端产生两个同样大且被同等极化的信号
另一方面，与泡沫2接触时，到BP1的输出信号a1(t)(其用于泡沫识别)大部分被反向极化。
当探针3向下移动时，总电容CT只非常缓慢地改变。因此，在两个带通滤波器BP1、BP2上几乎没有产生输出信号，除非探针3移动得非常快。一旦探针3进入介质，会发生电容的高度快速的变化，这现在能清楚地通过两个带通滤波器BP1、BP2来被检测到。带通滤波器BP2的输出信号被有利地评估以确定探针3是否已经进入介质或者已经从介质浮出，其中带通滤波器BP2处理源自比较器VG2的信号PWM2，比较器VG2工作在更高的基准电压U2。由于确定所述输出信号是否达到特定最小值(阈值)，所以需要对带通滤波器BP2的输出信号进行评估。
在所有实施例中，优选地，取决于液体1的导电性来选择所述最小值(阈值)。在评估期间所需要的比较能例如通过另一比较器(未示出)进行或者它例如由处理器μP执行。如果使用了这样的另一比较器，则它例如可位于带通滤波器BP2的输出侧。如果处理器μP执行该比较，则该一个或多个可以经由信号通道12传送到处理器μP。
仅在此时，在该检测的识别之后，另一带通滤波器BP1的输出信号(即以较低的基准电压生成的PWM信号PWM1)才被评估，以将其与带通滤波器BP2的另一输出信号相比较。如果反相，则能清楚地认为涉及泡沫检测。如果同相，但是相当低，则也能被解释为泡沫检测。这可以是例如高度导电的液体1的情况，其中交叉点X位于两个比较器电平U1和U2的下方(参阅图5)。如果这两个输出信号实际上看起来相似，则可认为是纯液体接触。
在所有实施例中，装置100能例如输出标识符KI和/或Kf，或者它可以提供可以被另一电路或者计算机检索的标识符KI和/或Kf。相应标识符的提供在图2A和在图6、7和8中通过具有参考符号KI/Kf的箭头6来用符号表示。取决于配置，装置100也能区分探针3浸入液体1还是泡沫2中。在这种情况下，在所有实施例中，装置100可输出针对液体1的标识符Kf＝0和针对泡沫2的标识符Kf＝1，或者它可以提供相应标识符KI。相应标识符Kf的提供是可选的。
在所有实施例中，这些标识符可以在共用输出端6上提供或者也可在装置100的分开的输出端上提供。
在所有实施例中，装置100还可包含具有处理器的模拟电路和/或数字电路。
在所有实施例中，如果识别出探针3接触泡沫2，则当探针3更进一步地在先前方向上移动时可任选地进行进一步“检查”，以使得能够识别随后的液体边界1.1(在向下移动期间处在泡沫2下方或者在向上移动期间位于泡沫2上方)。
在本发明的所有实施例中，根据附图的所有电路所基于的电路的概念也可反转。在这些附图中，液体容器5接地且信号(被称为输入信号Sin(t))被施加到探针3。在电路的概念的反转中，探针3将接地且信号(被称为输入信号Sin(t))将被施加到液体容器5。在这样的情况下，提供对电路E和A的部分的某些调整可能是必要的。
如上所述，作为替换，不与接地相关的电路也是可能的。这样的替换电路包括测量桥形式的电容分压器。评估矩形输入信号Sin(t)的电流曲线进展的电路或者评估预定电流中的电压曲线的电路也是可能的。进一步地，在总电容CT放电之后并且在相应的接下来的新的充电之前，评估总电容CT中的残余电压是可能的。这样的电路也可用于实现或者实施本发明。
附图标记的列表
Figure BDA0002427031120000161
Figure BDA0002427031120000171
Figure BDA0002427031120000181

Claims (18)

1.一种通过具有能移动的探针(3)的电容性地操作的测量装置(M)来检测在一装置(100)的容器(5)中的泡沫边界(2.1)的方法，其中至少一个一般输出信号(sout(t))被所述电容性地操作的测量装置(M)处理，其中所述方法包括在执行所述探针(3)在所述容器(5)中的向上或者向下移动(B)时执行的如下步骤：
a)通过预先确定输入信号(Sin(t))来执行充电过程，所述输入信号在总电容(CT)上产生充电过程，其中所述总电容由所述探针(3)、空气、泡沫(2)和液体(1)形成，所述总电容在所述容器(5)中；
b)在第一比较器(VG1)和第二比较器(VG2)上提供至少一个第一输出信号(sout1(t))或第二输出信号(sout2(t))，其中所述第一比较器(VG1)被形成为在所述至少一个第一输出信号(sout1(t))或第二输出信号(sout2(t))达到第一基准电压(U1)的情况下提供第一比较器输出信号(PWM1)，并且其中所述第二比较器(VG2)被形成为在所述至少一个第一输出信号(sout1(t))或第二输出信号(sout2(t))达到第二基准电压(U2)的情况下提供第二比较器输出信号(PWM2)；
c)使所述探针(3)放电；
d)重复步骤a)到c)；
其特征在于，所述第二基准电压(U2)比所述第一基准电压(U1)大，并且所述第一比较器输出信号(PWM1)和所述第二比较器输出信号(PWM2)在评估过程(P1)的范围内被彼此相关以确定
B1.浸入的探针(3)的第一输出信号(sout1(t))在初始范围内是否比露出表面的探针(3)的第二输出信号(sout2(t))上升得更快，以及
B2.浸入的探针(3)的第一输出信号(sout1(t))在所述初始范围之后的范围中是否比露出表面的探针(3)的第二输出信号(sout2(t))上升得更慢，以及如果条件B1.和B2.都满足则输出泡沫边界(2.1)的检测(Kf)。
2.如权利要求1所述的方法，其中，放电的放电时间(tE)取决于液体(1)的导电性来被提供或设置。
3.如权利要求1所述的方法，其中，在执行所述探针(3)的向上或者向下移动(B)时，步骤a)到d)被执行多次，直到所述条件B1.和B2.都满足。
4.如权利要求2所述的方法，其中，在执行所述探针(3)的向上或者向下移动(B)时，步骤a)到d)被执行多次，直到所述条件B1.和B2.都满足。
5.如权利要求3所述的方法，其中，以大于10kHz的周期率来执行步骤a)到d)。
6.如权利要求3所述的方法，其中，以大于100kHz的周期率来执行步骤a)到d)。
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述第一比较器输出信号(PWM1)和所述第二比较器输出信号(PWM2)是通过使用并联地开关的两个比较器(VG1，VG2)来提供的并且由控制模块(11)来使二者相关。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一比较器输出信号(PWM1)和所述第二比较器输出信号(PWM2)涉及脉宽调制信号，它们由布置在所述比较器(VG1，VG2)的输出端侧上的进一步电路模块来在电路方面相关。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一比较器输出信号(PWM1)被提供给第一低通滤波器(TP1)，并且所述第二比较器输出信号(PWM2)被提供给第二低通滤波器(TP2)，以获得第一模拟信号(a1(t))和第二模拟信号(a2(t))。
10.如权利要求9所述的方法，其中，通过第一带通滤波器(BP1)处理所述第一模拟信号(a1(t))且通过第二带通滤波器(BP2)处理所述第二模拟信号(a2(t))，并且通过电路系统使这些带通滤波器(BP1，BP2)的输出信号相关。
11.如权利要求2至6中任一项所述的方法，其中，在每一放电之后且在相应的下一重新充电过程之前，在所述评估过程(P1)的范围内评估残余电压。
12.一种用于检测容器(5)中的泡沫边界(2.1)的装置(100)，包括
-所述容器(5)，
-能移入所述容器(5)和/或移出所述容器(5)的探针(3)，
-能连接到所述探针(3)以提供输入信号(sin(t))的输入信号发生器(E)，所述输入信号(sin(t))在所述探针(3)中产生充电-放电过程，
-能连接到所述探针(3)以在所述充电-放电过程期间从所述探针(3)分接至少一个一般输出信号(sout(t))、第一输出信号(sout1(t))或第二输出信号(sout2(t))的电容性地操作的测量装置(M)，其中
-所述探针(3)能在所述充电-放电过程期间周期性地充电和放电，
-所述至少一个一般输出信号(sout(t))、第一输出信号(sout1(t))或第二输出信号(sout2(t))对应于充电/放电曲线(K1，K2)的时间进展，所述充电/放电曲线(K1，K2)通过总电容(CT)的周期性充电和放电来产生，其中所述总电容由所述探针(3)、空气、泡沫(2)和液体(1)形成，所述总电容在所述容器(5)中，
-所述装置(100)包括具有两个比较器(VG1，VG2)的电路模块(10，11)，这两个比较器被形成为根据所述至少一个一般输出信号(sout(t))、第一输出信号(sout1(t))或第二输出信号(sout2(t))提供第一比较器输出信号(PWM1)和第二比较器输出信号(PWM2)，其中所述两个比较器(VG1，VG2)被并联地开关，并且其中所述第一比较器(VG1)被形成为在所述至少一个一般输出信号(sout(t))、第一输出信号(sout1(t))或第二输出信号(sout2(t))达到第一基准电压(U1)的情况下提供所述第一比较器输出信号(PWM1)，并且其中所述第二比较器(VG2)被形成为在所述至少一个一般输出信号(sout(t))、第一输出信号(sout1(t))或第二输出信号(sout2(t))达到第二基准电压(U2)的情况下提供所述第二比较器输出信号(PWM2)，
其特征在于，所述第二基准电压(U2)比所述第一基准电压(U1)大，并且所述电路模块(10，11)被适配成在评估过程(P1)的范围内将所述第一比较器输出信号(PWM1)和所述第二比较器输出信号(PWM2)相关以确定
B1.浸入的探针(3)的第一输出信号(sout1(t))在初始范围内是否比露出表面的探针(3)的第二输出信号(sout2(t))上升得更快，以及
B2.浸入的探针(3)的第一输出信号(sout1(t))在所述初始范围之后的范围中是否比露出表面的探针(3)的第二输出信号(sout2(t))上升得更慢，以及如果条件B1.和B2.都满足则输出泡沫边界(2.1)的检测(Kf)。
13.如权利要求12所述的装置(100)，其中，放电的放电时间(tE)能取决于液体(1)的导电性来被提供或设置。
14.如权利要求12或13所述的装置(100)，其中，这两个比较器(VG1，VG2)中的每一比较器被形成来用于各自提供脉宽调制输出信号(PWM1，PWM2)，并且所述脉宽调制输出信号(PWM1，PWM2)能由控制模块(11)来彼此相关。
15.如权利要求12或13所述的装置(100)，其中，这两个比较器(VG1，VG2)中的每一比较器被形成来用于各自提供脉宽调制输出信号(PWM1，PWM2)，并且所述脉宽调制输出信号(PWM1，PWM2)能由另一开关元件(TP1，TP2，BP1，BP2)来彼此相关。
16.如权利要求12或13所述的装置(100)，其中，所述输入信号发生器(E)被形成为以大于10kHz的周期率来提供所述输入信号(sin(t))。
17.如权利要求12或13所述的装置(100)，其中，所述输入信号发生器(E)被形成为以大于100kHz的周期率来提供所述输入信号(sin(t))。
18.如权利要求12或13所述的装置(100)，其中，所述装置包括测量桥形式的电容分压器。
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