DE102005009093A1

DE102005009093A1 - Abstimmverfahren bei Vorrichtungen zur füllrichtigen kapazitiven Füllmessung mithilfe von Meßkondensatoranordnungen

Info

Publication number: DE102005009093A1
Application number: DE200510009093
Authority: DE
Inventors: Benjamin Hoffmeier
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-02-22
Filing date: 2005-02-22
Publication date: 2006-09-07

Abstract

Bei kapazitiven Füllstandssystemen für Flüssigkeiten in metallischen und nicht metallischen Behältern nutzt man die elektrischen Eigenschaften der zu messenden Flüssigkeit aus, um mithilfe geeigneter Messanordnung den Füllstand zu bestimmen oder die Flüssigkeiten voneinander zu unterscheiden. Die elektrischen Eigenschaften sowie die physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeiten ändern sich aber stark in homogene und nicht homogene Flüssigkeiten mit schwankenden Temperaturen und schwankender Zusammensetzung. So ändert sich die Dielektrizitätskonstante, das Volumen, die Dichte, die Masse und der Leitwert bei Veränderungen der Zusammensetzung oder bei Veränderung der Temperatur einer Flüssigkeit oder eines Flüssigkeitsgemisches. Um diese variablen Faktoren in einer Messeinrichtung weitgehend zu eliminieren, wird bei einer Erfindung der bestimmungsgemäßen Art die Vorrichtung mit den folgenden Elementen nachstehend beschrieben.

Description

Die Messvorrichtung für das Erfassen von Füllmedien, wie Kraftstoffe, Öle, flüssige Chemikalien, wässrige Lösungen oder Aditiven ist aus der DE 198 00 054 A1 und der DB 38 43 339 weitgehend bekannt. Die Messvorrichtungen zur Füllstandsmessung nach dem Stand der Technik arbeitet kapazitiv und umfasst eine Messsonde, eine Referenzsonde, eine oder mehrere Oszillatorschaltungen und eine Auswerteeinrichtung. Das Messen basiert auf der Kapazitätsänderung in der Messsonde, vornehmlich eine rohrähnliche Konstruktion oder der Aufbau nach G 93 15 389 , die dann auftritt, wenn die Messsonden in die Flüssigkeiten eintauchen.
Der Nachteil der genannten Messvorrichtungen ist zum Einen dass die Füllstandsänderung über eine Frequenzänderung dargestellt wird, also das Messen mit dynamischen Signalen und Frequenzen erfolgt, die durch gleichfrequente oder gleichphasige Störgrößen aus der Umwelt störanfällig und damit ungenau sein können, und zum Anderen ihre schon beschriebene Abhängigkeit von der Reinheit und den elektrischen Eigenschaften der zu messenden Flüssigkeiten. Deshalb wurde unter Anderem in der DE 29 45 965 eine Kompensationsschaltung vorgeschlagen. Des weiteren arbeiten die Verfahren ( DE 198 00 A1 ) größtenteils mit Rohrkonstruktionen, die Gewichtsnachteile, vornehmlich bei Erschütterungen, aufweisen, und immer als gerade Sonden ausgeführt werden müssen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Abstimmung, Eichung und Kalibrierung einer Vorrichtung zur füllrichtigen kapazitiven Füllstandsmessung mithilfe von Messkondensatoranordungen, bestehend aus zwei oder mehreren zueinander flächig angeordneten starren oder flexiblen Platten bei Flüssigkeiten in metallischen und nicht metallischen Behältern, die dahingehend angeordnet sind, dass auf der Länge der Messanordnung bis zu drei Messflächen angeordnet sind, die jeweils eine Messkapazität, eine Referenzkapazität und eine Voll-Kapazität darstellen, welche durch entsprechende elektronische Beschaltung des Systems zur füllrichtigen Abstimmung und zur Unterscheidung von verschiedenen Füllmedien genutzt wird.
Die Messvorrichtung der erfindungsgemäßen Art (1) arbeitet mit einer Messsonde (2) oder mehreren kaskadisch verschalteten Messsonden (6) bestehend aus zwei oder mehreren zueinander flächig angeordneten starren oder flexiblen Platten (100), die aus einem einseitig oder beidseitig mit leitender Folie (120) beschichteten Isolator bestehen. Diese Platten (100) könne gerade ausgeführt oder der Tankkontur oder Tankform angepasst gebogen ausgeführt sein (4), und sind somit flexibel auf jede Tankform (111) adaptierbar. Sie können aus starren oder flexiblen Materialien bestehen. Denkbar ist auch die Anpassung oder die Intergration (5) an irgendwie gebogene Tankwände (112) aus metallischen oder nicht metallischen Materialien. Die Sonden können als flexible Teile in die Tankwand eingelassen oder eingearbeitet sein. Der Isolator ist vorzugsweise ein glasfaserverstärkter Epoxydharz-Kunststoff oder ein flourierter Kunststoff. Auf diesen Platten (100) sind gemäß (2) die Messkondensatoren (101, 102, 103) angeordnet, die auf der zueinander gewandten Seiten der Platten (100) liegen. Der Kondensator für die Referenzmessung (101) ist am unteren Endes der Messonde (2) installiert. Darüber befindet sich der Kondensator für den Füllstand (102), und am oberen Ende befindet sich der Voll-Kondensator (103). Die Kondensatoren (101, 102, 103) sind galvanisch und elektrisch auf den Platten (100) voneinander getrennt. Das gesamte Material ist mit Füllmedium resistenten Isolationslack (121) überzogen. Die Kontaktierung der einzelnen Kondensatorflächen erfolgt durch isolierte Leiterbahnzüge (104) am Rand der Platten (100). Die Leiterbahnzüge enden am oberen Ende in einem durchkontaktierten Lötpunkt (105) an dem die weitere Verbindung zur Schaltung erfolgt. Je nach Anforderung können die einzelnen Seiten der Plattenteile der Kondensatoren (101 bis 103) auf den aus zwei oder mehreren zueinander flächig angeordneten Platten auf der am oberen Ende quer angeordneten Steuer- und Auswerteplatine (106) in (3) so verschaltet werden, dass sich die optimale störresistenteste und höchstkapazitive Anordnung ergibt. Man ist damit in der Lage, externe Abschirmungen durch metallische Abschirmrohre zu sparen. Die Platine (106) befindet sich vorzugsweise im Befestigungskopf des Füllstandssensors der erfindungsgemäßen Art. Auf ihr ist sind die Eingangsschaltungen (107), die Kontrolleinheit (108), vornehmlich ein Mikrocmputer, und die Ausgangseinheit (109) untergebracht. Die Eingangsschaltungen (107) arbeiten statisch nach dem „No-Frequence"-Prinzip. Sie werden durch die Kontrolleinheit (108) aktiviert (getriggert), wenn die Kontrolleinheit (108) das Signal benötigt, und laden die einzeln zu jeder Eingangsschaltung (107) zugeordneten Kondensatoren (101 bis 103) auf. Anschließend entlädt sich die in den Kondensatoren (101 bis 103) gespeicherte Energie relativ langsam. Die jeweilige Entladezeit ist abhängig von der jeweiligen Größe der Kapazität der Kondensatoren (101 bis 103), die jeweilige Größe der Kapazität ist abhängig von der Höhe des Füllstandes und der Veränderung der Dielektrizitätskonstanten des Füllmediums.
Der Vorteil dieser Schaltungsart ist, dass nur die jeweils benötigte Eingangsschaltung (107) aktiv geschaltet wird, die restlichen Eingangsschaltungen (107) sind tot gelegt. Es treten seitens der Eingangsschaltungen (107) keine permanenten Frequenzen oder Schwingungen auf, die sich gegenseitig beeinflussen können oder von außen gestört werden können. Es tritt nur ein minimaler Energie-, bzw. Stromverbrauch auf, der im Wesentlichen nur durch die Auswerteeinheit (108) und die Ausgabeeinheit (109) bestimmt wird.
Die den einzelnen Kondensatoren zugeordnete Hauptfunktion sind:
Kondensator (101) ist der Referenzkondensator und liegt meistens komplett im Füllmedium. Er erfasst durch Kapazitätsänderung die Änderung oder Veränderung des Füllmediums, beispielsweise durch Kondenswasser, Vermischung verschiedener Füllmedien (Biodiesel und Diesel) oder Temperaturschwankungen. Die Eingangsschaltung (107) des Kondensator (101) liefert mithilfe des Entladezeitpuls des Kondensators (101) der Auswerteeinheit (108) ein Signal, welches diese bewertet und zur Füllmedienbeurteilung oder zur Korrektur des Füllstandes auswertet.
Der Kondensator (102) ist zur Messung der relativen Füllhöhe vorhanden. Die Kapazität des Kondensators (102) ändert sich mit der Füllhöhe des Füllmediums, mit dessen Beschaffenheit und mit dessen Änderung der Temperatur. Die Eingangsschaltung (107) des Kondensator (102) liefert mithilfe des Entladezeitpuls des Kondensators (102) der Auswerteeinheit (108) ein Signal, welches diese bewertet und zur Beurteilung der relativen Füllhöhe benutzt. Die Auswerteeinheit (108) verknüpft nun mathematisch die Entladezeiten der Kondensatoren (101 und 102), welche sie über die jeweiligen Eingangsschaltungen (107) erhalten hat und stellt der Ausgabeeinheit (109) ein statisches Signal zur Verfügung, welches der tatsächlichen Füllhöhe des Füllmediums entspricht. Die Ausgangseinheit passt dieses Signal den jeweils geforderten Ausgangsgrößen (Strom, Spannung, Widerstand, CAN-Bus-Signal, RS 232-Schnittstelle) an.
Der Kondensator (103) ist ein zweiter Referenzkondensator oder „Voll-Kondensator", welcher eine definierte Füllhöhe durch sein Ausgangssignal aus der Eingangsschaltung (107) beschreibt. Mithilfe dieses Signals ist die Auswerteeinheit (108) in der Lage, eine definierte Füllhöhe zu erkennen, sich selbst zu kalibrieren, sich abzugleichen und Alterungsprozesse oder Ungenauigkeiten durch Verschmutzung über einen längeren Gebrauchszeitraum auszugleichen.
Befindet sich auf dem System noch ein Temperaturfühler (119) als NTC, so ist die Auswerteeinheit in der Lage, direkt die Temperaturen zu bewerten und mathematisch mit den Informationen des Referenzkondensators (101) und des Füllhöhenkondensators (102) zu verknüpfen, um ein echtes Füllhöhenergebnis zu generieren.
Die der Auswerteeinheit (108) zugeordneten Hauptfunktionen sind:
Ansteuern (triggern) der jeweilig benötigten Eingangsschaltungen (107) bei gleichzeitigem Aktivieren eines internen Timers.
Empfang und Beobachtung des Entlade - Impuls und zeitliche Auswertung des selben mithilfe des aktivierten Timers.
Nach der Erfassung der Entladezeiten werden die Werte mathematisch verknüpft.
Der aus der mathematischen Verknüpfung der Entladezeiten entstandene Ausgangswert wird ggf. mit einem Temperaturwert des NTCs (119) oder mit Füll- und Volumentabellen oder Stützwerttabellen, die im Speicher der Auswerteeinheit (108) abgelegt sind, und die die bei nichtlinearen Tankvolumen tankcharakteristischen Stützwerte abbilden, verknüpft.
Das Ergebnis wird in einen statischen elektrischen Wert (Ausgangsspannung) umgewandelt und an die Ausgabeeinheit (109) gegeben, wo dieser der Applikation entsprechende Ausgangswert gewandelt und ausgegeben wird (Strom, Spannung, Widerstand, CAN – Bus, RS 232).
Die Vorteile dieses Systems sind:
Die hohe Flexibilität durch die Anpassung durch Software.
Die leichte Anpassbarkeit an die verschiedensten Volumenformen der metallischen und nicht metallischen Behälter durch abgelegte Stützwerttabellen.
Die leichte Anpassbarkeit an verschiedene Füllmedien oder Gemische.
Eine Normierung der Sensormaße (Breite, Anzahl der zueinander flächig angeordneten Platten eines Sensors).
Die Möglichkeiten der Eigenkalibrierung.
Kaskadierung der Messsensoren mit einer einzigen Eingangs- und Auswerteeinheit.
Figurenliste:
1 Elektrisches Prinzipschaltbild der Messvorrichtung
2 Messsondenanordnung
3 Anordnung der Auswerte- und Steuerplatine zur Meßsonde
4 Meßsonde der Tankkontour angepasst
5 Meßsonde an oder in Tankwand integriert
6 Kaskadieren der Meßsonden

100: Meßsonde, bestehend aus zwei oder mehreren zueinander
: flächig angeordneten starren oder flexiblen Platten
101: Referenzkondensator unten
102: Meßkondensator
103: Referenzkondensator oder Voll-Kondensator oben
104: Leiterbahnverbindungen
105: Durchkontaktierte Lötaugen
106: Steuer- und Auswerteplatine
107: Eingangsschaltung
108: Auswerteeinheit, Mikrocomputer
109: Ausgangsstufe
110: Eingangs- und Auswerteplatine
111: Kontourentank
112: Kontourentank mit wand – intergrierter Meßsonde
119: Temperaturfühler NTC
120: Folienbeschichtung aus el. Leitendem Material
121: Füllmedien resistenter Abdecklack

Claims

Messvorrichtung nach Anspruch 1, bestehend aus einer oder mehrerer kaskadisch verschalteten Messsonden (2) aus zwei oder mehreren zueinander flächig angeordneten starren oder flexiblen Platten (100), die dahingehend angeordnet sind, dass auf der Länge der Messanordnung bis zu drei Messflächen als Kondensatoren (101, 102, 103) angeordnet sind, die jeweils eine Messkapazität, eine Referenzkapazität und eine Voll-Kapazität darstellen, welche durch entsprechende elektronische Beschaltung (106) des Systems zur füllrichtigen Abstimmung bei Mischmedien über den geforderten Temperaturbereich und zur Unterscheidung von verschiedenen Füllmedien genutzt wird.
Steuer- und Auswerteplatine (106) nach Anspruch 2, bestehend aus der Anzahl der Kondensatoren entsprechenden Eingangsschaltungen (107) mit Monostabiler Kippstufe, einer Auswerteeinheit (108), bestehend aus einem Mikrocomputer mit äußerer Beschaltung und einer Ausgangsstufe (109) der beschriebenen Art.
Verfahren nach den voran gegebenen Ansprüchen, dass dadurch gekennzeichnet ist, dass das Messen der Kapazitäten durch ein statisches Messverfahren der erfindungsgemäßen Art erfolgt, wobei nur die nach Triggerung der jeweiligen Eingangsschaltung (107) durch die Auswerteeinheit (108) angestoßene Entladezeit des ausgesuchten Kondensators (101 bis 103) ein Maß für das Messergebnis des gewünschten Kondensators darstellt.
Sensoranordnung nach dem Anspruch 3 der erfindungsgemäßen Art nach 4 als der BehälterkonturangepassteMesssonde, oder nach 5 als auf der Tankwand angebrachtes oder in dieTankwand eingelassenes, integriertes Element.
Verfahren zum Messen von Füllhöhen in metallischen und nicht metallischen Behältern nach der vorangegangenen Ansprüchen mit einer Messvorrichtung (1) der erfindungsgemäßen Artmit den konstruktiven Merkmalen gemäß 4 und 5 aus zwei oder mehreren zueinander flächig angeordneten starren oder flexiblen Platten aus den Materialien„Flourierte Kunststoffe" und/oder „glasfaserverstärkte Epoxydharzplatinen" in starrer oder flexibler Form.