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Technisches Gebiet:
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Die Erfindung betrifft transformatorische Sensoren zur anhaftungsneutralen Abfrage von Füllständen sowie zur Leitwertanalyse von leitfähigen Flüssigkeiten durch nichtmetallische Behälterwände, mit einer Sensorspule, welche mit einer ihrer Flachseiten flächig-parallel zu einer nichtleitenden bzw. nichtmetallischen Aussenwandung eines Behälters angeordnet ist, sowie ein Verfahren hierzu.
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Stand der Technik:
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Die automatische Abfrage von Füllständen flüssiger oder granulat- bzw. pulverartiger Medien durch Sensoren gewinnt im Zeitalter der Automatisierung eine stark zunehmende Bedeutung. Für die sensorische Erfassung der Medien existieren verschiedene physikalische Verfahren und entsprechende Arten von Sensoren.
- 1. Als oberstes Kriterium unterscheidet man das Medium berührende und nicht berührende Verfahren. Bei den berührenden Verfahren taucht der Sensor in das Medium ein. Bei den nicht berührenden Verfahren wird das Medium vom Sensor auf Distanz oder im Großteil der Anwendungsfälle durch eine nichtmetallische Wandung aus Glas oder Kunststoff hindurch auf sein Vorhandensein abgefragt. Bei den berührenden Sensoren sind verschiedene physikalische Verfahren bekannt und Stand der Technik:
1.1 Mechanische Verfahren: Diese Verfahren basieren oft auf einem leicht gelagerten Schwimmer welcher von dem Medium angehoben wird und bei Erreichen einer gewissen Höhe z. B. einen Kontakt auslöst. Solche Schwimmer steuern über einen Hebelarm manchmal auch ein Potentiometer, so dass die Füllstandshöhe analog erfasst werden kann. Diese Verfahren sind völlig unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen weisen jedoch einen immensen Verschleiß und mechanischen Aufwand auf. Zudem ergeben sich Probleme mit zähflüssigen, klebrigen Medien und in chemisch aggressiver Umgebung.
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Zu nennen ist auch das Schwinggabelprinzip. Hierbei wird über Piezoelemente eine Schwinggabel zum Schwingen angeregt. Taucht diese Gabel in ein Medium, führt das zu einer Dämpfung und somit Änderung der Schwingfrequenz. Probleme ergeben sich hier in chemisch aggressiver Umgebung und insbesondere bei ungeeigneten Viskositäten.
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Das Druckgeberverfahren wertet den Druck des Mediums aus, der meist auf eine Membran einwirkt. Die mechanische Spannung und Bewegungsstrecke der Membran wird dann kapazitiv – zwei Kondensatorplatten, die sich annähern und somit dessen Kapazität verkleinern – oder über Piezoelemente, einem ausgelösten Kontakt, etc. ausgewertet. Der Druckgeber wird meist in der Behälterwand, besonders auch im Behälterboden installiert. Wird ein gewisser, voreingestellter Druckwert überschritten, gibt der Druckgeber ein Signal ab. Nachteil: Es wird ein gewisser Druck benötigt, je kleiner die Flüssigkeitsmenge, desto schwieriger die Abfrage. Zudem besteht u. U. mechanischer Verschleiß.
- 1.2 Konduktive Verfahren: Hierbei messen i. d. R. zwei Elektroden den Widerstand bzw. Leitwert des Mediums, in welches sie eintauchen und stellen so dessen Anwesenheit und ggf. Eintauchtiefe – der Widerstand sinkt mit der Eintauchtiefe – und somit den Füllstand fest. Dies funktioniert nur bei entsprechend leitfähigen Medien. Ein großer Nachteil besteht aber in der Berührung selbst, d. h. Probleme mit Verschleiß und Verschmutzung der Elektroden sowie hygienische Nachteile.
- 1.3 Optische Verfahren: Hierbei wird ein im Sensor erzeugter Lichtstrahl in einem prismaförmigen Kopf total reflektiert und von einem, im gleichen Sensor befindlichen Empfänger aufgenommen. Berührt das Medium den Kopf, geht der Lichtstrahl ins Medium über, – Brechung – und der Empfänger erhält ein schwächeres Signal. Ein großer Nachteil besteht hier u. a. in einer möglichen Anhaftung von Resten des Mediums bzw. einer Verschmutzung des Kopfes, welche die Totalreflektion verhindert. Dies führt zu einer ”Vollmeldung” obwohl das Medium den Sensor nicht mehr berührt.
- 1.4 Thermische Verfahren. Hierbei taucht ein Temperaturmesskopf in das Medium. Dieses Verfahren setzt im nicht eingetauchten Zustand leider immer eine deutliche Temperaturdifferenz zwischen Medium und Messfühler voraus. Außerdem arbeitet das Verfahren entsprechend träge.
- 1.5 Kapazitive Verfahren: Hierbei besteht ein elektrisches Wechselfeld zwischen einer elektrisch isolierten, aktiven Messelektrode und Erde bzw. Massepotential tragenden Teilen des Sensors selbst. Diese Konstellation entspricht einem aufgeweitetem Plattenkondensator mit Luft als Dielektrikum, wenn kein Medium vorliegt. Sobald ein nicht leitfähiges Medium in dieses E-Feld eintaucht, wird durch dessen immer größere Dielektrizitätskonstante εr als Luft die Kapazität des Plattenkondensators vergrößert. Bei Überschreitung eines voreingestellten Kapazitätswertes wird ein Schaltsignal generiert. Bei leitfähigen Medien spielt meist deren εr keine Rolle, das Medium selbst wirkt wie die zweite mit Erde verbundene Kondensatorplatte.
- 1.6 Verfahren zur Leitwertmessung:
Zur Leitwertbestimmung – Kehrwert des ohmschen Widerstandes eines Mediums – sind nur berührende Verfahren bekannt:
1.6.1 Leitwertmessung mit Elektroden:
Hierbei werden zwei Elektroden definierter Größe und definierten Abstandes, Zellenkonstante und rückwärtiger Isolierung als Tauchsonde aufgebaut in das Medium eingetaucht. Mit Hilfe eines Wechselstroms oder einer Wechselspannung – Vermeidung von Elektrolyse – wird der Widerstand bzw. Leitwert des Mediums zwischen den Elektroden gemessen. Nachteil: Verschmutzung und Verschleiß der Elektroden.
1.6.2 Leitwertmessung ohne Elektroden:
Hier wird mit zwei Induktionsspulen gearbeitet, die im Medium eingetaucht sind. Die eine Spule wird mit einer Wechselspannung beaufschlagt. Diese erzeugt in einem leitfähigen Medium einen kreisförmigen Wechselstrom parallel zu den Spulenwindungen. Die Höhe dieses Stromes hängt direkt proportional von der Leitfähigkeit ab und induziert in der zweiten Empfängerspule eine entsprechend proportionale Wechselspannung.
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Das Medium wirkt quasi wie eine Koppelwindung mit Serienwiderstand – Leitwert –, welche die beiden Spulen induktiv koppelt. Bei diesem Verfahren entfällt ein Elektrodenverschleiß, jedoch ist der Messbereich zu sehr kleinen Leitwerten hin eingeschränkt. Außerdem werden zwei getrennte und isolierte Spulen benötigt.
- 2. Nicht berührende Verfahren: Diese Verfahren sind vorteilhaft, weil hierbei keine Probleme mit der Hygiene – Lebensmittelindustrie, Medizintechnik – oder einer chemisch aggressiven Atmosphäre bestehen. Ferner ist es meist einfacher, einen Sensor an der Behälteraußenwand zu montieren statt im Behälterinneren.
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Stand der Technik bei den nicht berührenden Verfahren:
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- 2.1 Ultraschall: Der Sensor wird mit Koppelgel an der Behälteraußenseite befestigt. Der abgestrahlte Ultraschall wird an der Innenwandung reflektiert, sofern dort Luft als Übergangsmedium vorliegt. Liegt an der Innenseite ein z. B. flüssiges Medium vor, wird die Reflexion gemindert, weil ein Teil der Schallwellen ins Medium übergeht. Dieses Verfahren hat den großen Vorteil, dass es auch durch metallische Behälterwände arbeitet. Als Nachteil besteht ein hoher technischer und kostenintensiver Aufwand im Sensor selbst. Ferner versagt dieses Verfahren bei bestimmten Viskositäten und bei entsprechenden Anhaftungen des Mediums an der Behälterinnenseite. Diese Anhaftungen werden dann genauso detektiert wie eine Vollbedeckung durch das Medium. Ferner bestehen Probleme mit Austrocknung oder unvollständiger Aufbringung des Koppelgels.
- 2.2 Optische Verfahren: Beim Lichtschrankenprinzip sind ein optischer Sender und ein optischer Empfänger getrennt an jeweils gegenüber liegen Behälteraußenseiten montiert. Sobald ein nicht transparentes Medium die Höhe der Anordnung erreicht, wird der optische Strahl unterbrochen und der Füllstand detektiert.
Beim Reflexionsprinzip wirkt das Medium selbst als Reflektor. Nachteil: Bei diesen Verfahren muss die Behälterwand transparent sein und das Medium bestimmte optische Eigenschaften erfüllen, was selten der Fall ist.
- 2.3 Kapazitive Verfahren: Diese Verfahren sind nach dem Stand der Technik führend bei der berührungslosen Medienabfrage. Der Sensor besitzt im Inneren eine aktive, flächige Messelektrode, welche durch die Behälterwand auf das Medium kapazitiv aufkoppelt. Es gilt hier das Prinzip des klassischen Plattenkondensators – die Platten stehen sich gegenüber – und des aufgeweiteten Plattenkondensators – die Platten stehen sich nicht gegenüber, sondern eher in einer Ebene nebeneinander. Die aktive Messelektrode ist hierbei die eine Platte, während alle Teile die ”wechselspannungsmäßig” gesehen ruhendes Potential aufweisen, wie z. B. die Masse, –, +, Erde, etc., die andere Kondensatorplatte darstellen. Der Sensor erzeugt ein Wechsel-E-Feld zwischen aktiver Elektrode und Erde oder Masse. Liegt kein Medium vor, durchlaufen die E-Feldlinien großteils eine Strecke aus Luft mit der Dielektrizitätskonstante εr = 1 und kleineren Teils durch die Behälterwand εr > 1.
2.3.1 Gelangt ein nicht leitendes Medium, wie Pulver, Granulat, Öl, in den Bereich des E-Feldes, also quasi zwischen die Platten, so wird die Luftstrecke durch das größere εr > 1 des Mediums überbrückt. Das Gesamt-εr und somit die Kapazität des Plattenkondensators wird hierdurch vergrößert. Bei Überschreiten eines gewissen, voreingestellten Kapazitätswertes löst der Sensor dann das Schaltsignal aus. Als zweite Kondensatorplatte wirkt hierbei z. B. ein Sensorgehäuse aus Metall, ein im Sensor um die aktive Fläche angeordneter Ring auf Massepotential oder Ruhepotential führende Teile im Sensor selbst. Diese Anwendung läuft i. d. R. problemlos.
2.3.2 Gelangt ein leitfähiges Medium auf die Höhe der aktiven Elektrode, so wirkt dieses selbst als zweite Kondensatorplatte bzw. Gegenelektrode. In einem hinreichend großem Behälter bildet das Medium große Flächenkapazitäten zur Erde aus – Erdbezug – und verbindet diese auf Grund seiner Leitfähigkeit elektrisch leitend mit jedem Punkt im Medium bzw. in sich selbst. Somit bildet sich ein klassischer Plattenkondensator mit der aktiven Elektrode auf der Außenseite der Behälterwand und dem Medium selbst auf der Innenseite sowie dem εr des Behälterwandmaterials zwischen diesen Platten. Bei hinreichender Leitfähigkeit wandelt sich an der Schnittstelle zum Medium das E-Feld somit in ein Strömungsfeld, d. h. der kapazitive Blindstrom fließt durch das Medium gegen Erde. Durch die Konstellation des klassischen Plattenkondensators, die sich einstellt, wenn ein leitfähiges Medium in den Bereich des E-Feldes gelangt, ergeben sich relativ große Kapazitätsänderungen, die nach Stand der Technik leicht ausgewertet werden können.
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Große Schwierigkeiten ergeben sich aber, wenn das leitfähige Medium an der Behälterinnenseite anhaftet, schäumt oder einen Film bildet. Diese Anhaftung ist auch elektrisch leitend, zudem weiter mit dem abgesunkenen Medium verbunden bzw. geerdet und hält somit den klassischen Plattenkondensator aufrecht, obwohl sich das kompakte Medium nicht mehr im Bereich der aktiven Elektrode befindet! Gebräuchliche kapazitive Sensoren können dann nicht mehr zwischen Voll- und Leerzustand unterscheiden, woran viele Anwendungen scheitern. Häufig tritt auch der Fall auf, dass durch ständige Benetzung die Innenwand verschleißt bzw. die Oberfläche rauer wird und auch ein Medium mit genügend Oberflächenspannung dann dort mit der Zeit haften bleibt und einen Film bildet. Die Sensorik zeigt dann Spätausfälle, obwohl ursprünglich die Funktion gegeben war. Die Problematik steigt mit der Leitfähigkeit und der Anhaftungsdicke.
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Der Film hat eine geringere Leitfähigkeit bzw. größeren ohmschen Widerstand als das kompakte Medium weil die Elektronen ein kleineres Volumen zum Durchfluss haben – die Stromdichte erhöht sich –. Um grundsätzlich den größeren Widerstand der Anhaftung vom kleineren Widerstand des Kompaktmediums berührungslos und kapazitiv unterscheiden zu können, muss der Blindwiderstand des o. g. Plattenkondensators verringert werden was nur durch eine höhere E-Feldfrequenz möglich ist. Ferner helfen Kompensationsverfahren um einen weiteren grundsätzlichen Nachteil, nämlich den ε
r-Einfluß der Behälterwand, zu minimieren. Durch die
DE 199 49985 wurde hinsichtlich dieser Problematik ein Quantensprung erreicht. Viele Anwendung sind hierdurch möglich geworden. Die Problematik ist in diesen Patentschriften noch genauer erläutert und mit Figuren belegt.
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Durch die
DE 25 26 860 A1 ist eine Anordnung zur Feststellung des Pegels von Flüssigkeiten bekannt geworden, welche eine von der Flüssigkeit räumlich getrennt angeordnete Reaktanz aufweist, insbesondere Induktivität, sowie eine die Flüssigkeit in enge Nachbarschaft zur Induktivität bringende Leitung und eine an die Induktivität angekoppelte Detektor-Verstärkerschaltung, die als Funktion eines Löschens von Schwingungen in der Induktivität ein Signal liefert, wobei das Löschen der Schwingungen auftritt, wenn sich die Flüssigkeit in enger Nachbarschaft zur Induktivität befindet. Die Induktivität kann durch mehrere Einzel-Drahtspulen gebildet sein. Die die Flüssigkeit in enge Nachbarschaft zur Induktivität bringende Leitung ist als Spulenformkörper ausgebildet und in einen die Flüssigkeit enthaltenden Behälter eingetaucht, wobei auf die Außenseite des Spulenformkörpers eine Drahtspule gewickelt ist, wobei der Flüssigkeitspegel an der Außenseite des Spulenformkörpers ansteigt.
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Durch die
WO 02/079770 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung chemischer Reaktionen in Flüssigkeiten, insbesondere eine Zink-Sulfid-Reaktion, oder Partikeln oder von Füllständen bekannt geworden. Dabei wird die Permittivität und/oder die Permeabilität mittels einer Spule mit ortogonalem magnetischem Feld gemessen, wobei als Spule vorzugsweise eine Flachspule Verwendung findet. Es werden die kapazitiven Eigenschaften des Mediums ausgenützt, welche auf die Spule kapazitiv einwirken und die Resonanzfrequenz des Schwingkreises verschieben.
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Durch die
DE 25 30 414 A1 ist eine Vorrichtung zur Wahrnehmung und Anzeige des Pegelstandes einer elektrisch leitenden Flüssigkeit, wie Elektrolyt, innerhalb eines Behältnisses bekannt geworden, bei welcher eine Spule zur Erzeugung eines wechselnden Magnetfeldes zur Anwendung gelangt, welches sich innerhalb der Oberfläche der in dem Behälter befindlichen Flüssigkeit ausbreitet und ein elektrisches Feld in der Flüssigkeit induziert. Es sind Hilfsmittel zur Feststellung des Energieverlustes vorgesehen, der sich aus dem in der Flüssigkeit fließenden Strom ergibt, wobei sich der Strom proportional mit dem Magnetfeld in der Flüssigkeit verändert und damit die Anzeige der Höhe des Flüssigkeitsspiegels ermöglicht. Die Spule kann an der Außenseite der Wandung des Behälters in Stellung gebracht sein wie sie auch in die Flüssigkeit eintauchen kann. Die Spule ist Teil eines Schwingkreises in Form eines Oszillators, der ungedämpft nur dann schwingt, wenn die Widerstandskomponente der Spule in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsstand unter einen vorgegebenen Pegelwert fällt.
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Durch die
DE 860 663 B ist ein Verfahren zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit einer Flüssigkeit bekannt geworden, bei welchem die Hochfrequenzverluste einer Spule, in deren magnetischem Feld sich die zu untersuchende Materie befindet, durch Vergleich mit denen ohne Vorhandensein dieser Flüssigkeit gemessen werden, wobei zur Erzeugung und Messung der Hochfrequenz die Methode des Schwingaudions dienen kann.
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Technische Aufgabe:
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen transformatorischen Sensor zur berührungslosen, anhaftungsneutralen Abfrage von Füllständen sowie berührungslosen Leitwertanalyse von hoch leitfähigen Flüssigkeiten durch nichtmetallische Behälterwände und ein Verfahren hierzu zu schaffen, mit welchem der Füllstand auch bei Medien ermittelt werden kann, wenn dasselbe an der Behälterinnenseite anhaftet, auch bei hoher Anhaftungsdicke, oder schäumt oder einen Film bildet.
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Offenbarung der Erfindung sowie deren Vorteile:
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Die Lösung der Aufgabe besteht in den Merkmalen des Anspruchs 1; weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in dem Unteranspruch 2 gekennzeichnet. Die Aufgabe wird auch durch die Merkmale des Anspruchs 3 gelöst.
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Der Gegenstand der Erfindung besitzt den grundlegenden Vorteil, dass mit demselben der Füllstand auch bei Medien ermittelt werden kann, welche an der Behälterinnenseite anhaften, auch bei hoher Anhaftungsdicke, oder schäumen oder einen Film bilden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung, in der zeigen:
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1 eine prinzipielle patentgemäße Anordnung eines transformatorischen Sensors, mit einer Schwingkreisspule als Bestandteil des LC-Schwingkreises und auf der Resonanzfrequenz schwingenden HF-Oszillators
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2 ein Ersatzschaltbild für das patentgemäße transformatorische Prinzip
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3 einen Oszillator im Regelkreis
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Wege zur Ausführung der Erfindung:
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Im Folgenden wird die Erfindung, ein neues physikalisches Verfahren zur berührungslosen Füllstandsmessung und Leitwertanalyse erläutert.
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Gemäß der 1 wird eine Schwingkreisspule 1 mit ca. 1–5 Windungen und einem hinreichendem Durchmesser, ab 2 cm, flächig parallel zu einer nicht metallischen Behälterwand 2 außen angeordnet. Die Schwingkreisspule ist Bestandteil eines LC-Schwingkreises und eines auf der Resonanzfrequenz schwingenden HF-Oszillators 3. An der Innenseite der Behälterwand befindet sich ein hinreichend leitendes, ab 10 mS/cm, flüssiges Medium 4. Die Wechselspannung an der Schwingkreisspule 1 erzeugt ein magnetisches Wechselfeld bzw. einen magnetischen Wechselfluss 5 welcher in das Medium 4 großteils horizontal eindringt. Dieser Fluss erzeugt in dem Medium 4 einen kreisförmigen Wechselstrom 6, was vergleichbar mit einem Wirbelstrom ist wie er von Metallen her bekannt ist, dessen Höhe direkt von der Leitfähigkeit von 4 abhängt und welcher seine höchste Konzentration direkt gegenüber und entlang des Spulendrahtes erreicht. Das Medium 4 wirkt im Ersatzschaltbild der 2 wie eine Sekundärspule mit genau einer Windung 7 die induktiv wie bei einem Transformator – deshalb transformatorisches Verfahren – an die Primärspule 1 angekoppelt ist und einem an 7 angeschlossenem Widerstand 8 als Verbraucher, welcher dem Leitwert bzw. Widerstand von 4 entspricht. Der Widerstand 8 ist in der Realität als Ergebnis von Reihenschaltungen und Parallelschaltungen unendlich vieler kleiner Einzelwiderstände entsprechend der Stromdichtenverteilung im Medium zu betrachten. Der Kreisstrom 6 durchfließt quasi den ohmschen Widerstand des Mediums und erzeugt durch Spannungsabfall somit eine Wirkleistung an 8. Diese Wirkleistung wird über die transformatorische Ankopplung dem Schwingkreis entzogen. Hierdurch erfährt dieser eine Verschlechterung seiner Güte, Dämpfung, wodurch sich die Schwingamplitude stark vermindert und die Frequenz leicht erhöht. Der Wert der Schwingamplitude ist direkt stark abhängig von der Leitfähigkeit des Mediums 4 und wird ausgewertet. Somit kann Leitwert und Anwesenheit des Mediums 4 im Feld von 1 berührungslos und auf Distanz mit einem Oszillator mit Regelkreis gemäß 3 leicht abgefragt werden.
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Vorteile gegenüber Stand der Technik:
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Wie unter 2.3.2 erläutert haben kapazitive Verfahren selbst nach Stand der Technik einen Grenzwert der Medienparameter Leitwert und Anhaftungsdicke an der Behälterinnenwand, ab dem sie nicht mehr zuverlässig funktionieren. Ebenso sind diese und andere Medien auch mit anderen physikalischen Verfahren nach Stand der Technik berührungslos nicht zuverlässig erfassbar. Ein grundsätzliches Problem sind hierbei immer wieder Anhaftungen welche bei bestimmten Viskositäten auch mehrere mm dick werden können.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind nach Labortests der Anmelderin gerade solche Medien mit hoher Leichtigkeit und Sicherheit zu erfassen, an denen kapazitive Verfahren völlig scheitern.
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Solche Medien sind beispielsweise:
- – Ketchup ca. 50 mS/cm (Millisiemens pro Zentimeter), dicke Anhaftung Anwendung in der Lebensmittelindustrie
- – Senf ca. 40 mS/cm, dicke Anhaftung
- – Mayonnaise ca. 12 mS/cm; dicke Anhaftung
- – hochleitfähige Chlorverbindungen > 100 ms/cm Wasser und Abwasserwirtschaft, schon Filme im μm-Bereich bringen hier kapazitiv Ausfälle
- – Geschirrspülmittelkonzentrat ca. 60 mS/cm, dicke Filmbildung
- – konzentrierte hochleitfähige Lauge ca. 40 mS/cm, schäumend
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Das Verfahren ist im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik in der Lage bei hochleitfähigen Medien – je leitfähiger, desto besser – im Bereich ab ca. 10 mS/cm aufwärts auch Anhaftungen bis zu mehreren mm Dicke vom Kompaktmedium, also dem echten Vollzustand zu unterscheiden. Dies liegt daran, dass das magnetische Feld tief in das Medium eindringt, während das E-Feld bei kapazitiver Sensorik an der Schnittstelle zu einem hochleitfähigen Medium endet. Durch das tiefe Eindringen des magnetischen Flusses liefern auch tiefer gelegene Schichten des Mediums einen Beitrag zum Kreisstrom im Medium. Es sind mathematisch und strömungsfeldtechnisch betrachtet, quasi unendliche viele Kreisströme parallel geschaltet und addieren sich zu einem Gesamtstrom oder einer Gesamtwirklast, die der Schwingkreis über die transformatorische Ankopplung an das Medium sieht. Die Kreisströme nehmen in ihrer Dichte mit der Entfernung zur Spule ab. Trotzdem erzeugt auch eine dickere Anhaftung in Summe deutlich weniger Kreisstrom bzw. einen höheren Wirkwiderstand als das Kompaktmedium.
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Ferner spielt die Dielektrizitätszahl εr des zwischen Sensor und Medium liegenden Wandungsmaterials keine Rolle, weil sie das Magnetfeld nicht beeinflusst. Bei kapazitiven Sensoren wirkt dieses als Störgröße und muss durch Abgleich oder Kompensationsmaßnahmen minimiert werden. Ähnliches gilt für Ultraschall, wo Material und Dicke einen hohen Einfluss ausüben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren spielt in Grenzen auch die Wandstärke keine große Rolle, weil das Magnetfeld weit reicht. Hierdurch ist auch eine exakte Position der Spule zum Medium bzw. Behälter unkritischer. Bei kapazitiver Sensorik ist die Koppelproblematik Luftspaltbildung in manchen Fällen kritisch, bei Ultraschall jedoch extrem.
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Ein weiterer Nachteil tritt bei kapazitiver Sensorik im Fall kleiner Flüssigkeitsmengen bzw. kleiner Gefäße auf. Das Feld strebt von der aktiven Elektrode gegen Erde, welche bei kleinen Gefäßen wegen der geringen Außenflächen fehlt. Die Anordnung wird dann empfindlich gegen Berührung, also Erdung von außen und arbeitet unsicher. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht dieser Einfluss nicht.
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Zur Leitwertmessung bzw. Medienanalyse schlechthin sind nur berührende Verfahren bekannt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auf Distanz und berührungslos möglich eine Aussage über den Leitwert des Mediums zu bekommen. Auf diese Weise lassen sich bereits eine Vielzahl von Medien trennen oder ein Medium welches z. B. durch ein Rohr strömt auf Veränderungen von außen überwachen. Eine berührungslose Medienidentifikation ist somit möglich woraus sich eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten ergeben könnte. Da das Magnetfeld auch in die Tiefe eindringt und somit auch leitfähige Medien durch weniger leitfähige Medien hindurch erkennen kann wären vielleicht medizinische Analysen bis zu einer bestimmten Gewebetiefe möglich.
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Vergleich mit induktiven Näherungsschaltern:
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Die erfindungsgemäße Anordnung erinnert an induktive Näherungsschalter. Auch diese besitzen in der klassischen Ausführung einen Schwingkreis mit Oszillator. Induktive Näherungsschalter sind jedoch bestimmungsgemäß nur für die Erkennung von Metallen gedacht. Die Aufkopplung des magnetischen Feldes verursacht im Metall einen sehr hohen Wirbelstrom der den Oszillator bedämpft und ihm Energie entzieht. Der entscheidende Unterschied zur erfindungsgemäßen Anordnung besteht in der Tatsache das induktive Sensoren nur auf sehr hohe Wirbelstöme d. h. kleinste Widerstände bzw. höchste Leitfähigkeiten im Bereich > 10 S/cm – um den Faktor 1000 höher als bei der erfindungsgemäßen Anordnung – wie sie durch Metalle gegeben sind reagieren. Flüssigkeiten selbst mit den höchst vorkommenden Leitwerten können diese daher überhaupt nicht erkennen. Ihre Primär-Spulen besitzen eine höhere Windungszahl, womit das transformatorische Windungsverhältnis, sowie die Arbeitsfrequenz völlig anders ausgelegt ist als bei der erfindungsgemäßen Anordnung. Eine einzige Sekundärwindung, wie sie jeder Kreisstrom darstellt, muss daher bei einem induktiven Sensor einen vielfach höheren Stromfluss aufweisen um auf der Primärwicklung einen entsprechenden Lastunterschied bzw. Energieentzug zu erhalten. Die erfindungsgemäße Anordnung arbeitet mit einer geringen Primärwindungszahl, wodurch sehr kleine Wirbelströme, d. h. größere Widerstände bzw. viel kleinere Leitwerte oder Lasten wie sie durch Flüssigkeiten gegeben sind, einen deutlichen Ausschlag liefern.
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Die Neuartigkeit der erfindungsgemäßen Anordnung besteht somit auch in der Ausnutzung eines solchen Prinzips für die Abfrage von Flüssigkeiten auf Distanz. Bisher ist die magnetische, transformatorische bzw. induktive Abfrage von Flüssigkeiten nicht bekannt.
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In der praktischen Ausführungsform eines Oszillators in einem Regelkreis gemäß der 3 ist eine aktive Sensorspule 1 mit 1 bis max. 5 Windungen, aus Draht flach gewickelt oder in geprinteter Ausführung und hinreichendem Durchmesser >1cm, Bestandteil eines LC-Schwingkreises und eines auf dessen Resonanzfrequenz freischwingendem HF-Oszillators 3. Die Spule 1 ist flach und parallel und nah zu einer nichtmetallischen Behälteraußenwand 2 angeordnet. In dem zugehörigem Behälter befindet sich ein flüssiges, hinreichend leitfähiges ab ca. 10 mS/cm Medium 4. Die HF-Spannung an der Spule erzeugt einen magnetischen Fluss 5, der etwa senkrecht in das Medium 4 eindringt und auf Grund dessen Leitfähigkeit dort einen Kreiswechselstrom 6, ähnlich wie in einer Koppelspule mit 1 Windung und angeschlossenem Verbraucher, hervorruft gemäß der 2. Die Leistung des Oszillators 3 bzw. die Spannungsamplitude 10 an der Schwingkreisspule 1 lässt sich über eine Steuergleichspannung 9 von 0 V bis Versorgungsspannung an einem Steuereingang stufenlos regeln. Die HF-Spannung am Schwingkreis 10 wird durch einen Spitzenwertgleichrichter 11 gleichgerichtet und die, zur HF-Amplitude proportionale Gleichspannung 12 sowie eine Sollwertgleichspannung 13 einem Regelkreis 14 zugeführt. Der Regelkreis 14 hält die Schwingkreisspannung 10 durch Sollwert-13 Istwert 12-Vergleich und resultierender Steuerung 9 der Oszillatorleistung konstant.
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Befindet sich das Medium 4 nicht im magnetischen Feld von 1 so ist die Steuerspannung 9 am kleinsten. Bedeckt das Medium 4 die Spule 1 vollständig so wird dem Schwingkreis Energie entzogen wodurch die HF-Spannung 10 ohne Regelkreis zurückgehen würde. Der Rückgang von 10 bzw. 12 ist etwa proportional zum Leitwert. Die Reduzierung von 10 wird jedoch durch den Regelkreis über die Steuerspannung 9 ansteigend ausgeglichen. Somit ist die Steuerspannung 9 ein direktes Maß einerseits für das Vorhandensein des Mediums sowie für dessen Leitwert. Die Spannung 9 kann somit z. B. für eine Medienanalyse direkt analog ausgewertet werden oder aus ihr durch Vergleich mit einer vorgebbaren Schwellenspannung 15 in einen Spannungskomparator 16 ein Schaltsignal generiert werden sobald der Füllstand von 4 in das Feld des erfindungsgemäßen Sensors gelangt. Ein Vorteil dieser vorzugsweisen Ausführungsform besteht darin, dass der Pegel des Oszillators immer auf sehr geringem Niveau gehalten werden kann und somit Störaussendungen im HF-Bereich gering bleiben. Ferner erreicht man eine hohe Dynamik d. h. der messbare Leitwertbereich ist sehr hoch.
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Zu den Patentansprüchen:
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Der transformatorische Sensor zur berührungslosen, anhaftungsneutralen Abfrage von Füllständen sowie zur berührungslosen Leitwertanalyse von leitfähigen Flüssigkeiten durch nichtmetallische Behälterwände ist gemäß 1 gekennzeichnet durch eine aktive Sensorspule 1, welche mit einer ihrer Flachseiten zu einer nichtleitenden bzw. nichtmetallischen Außenwandung 2 eines Behälters nah angeordnet ist, der ein leitfähiges, flüssiges, gel- oder pastöses Medium 4 enthält, wobei die Sensorspule 1 Bestandteil eines LC-Schwingkreises und eines freischwingenden Oszillators 3 ist, welcher eine Schwingung am Schwingkreis aufrecht erhält und die aktive Spule 1 hierdurch einen magnetischen Wechselfluss 5 erzeugt, welcher etwa senkrecht in das Medium 4 eindringt und dort durch die gegebene Leitfähigkeit des Mediums 4 einen schwachen, kreisförmig fließenden Wechsel- oder Wirbelstrom, Kreisstrom, hervorruft und dieser Kreisstrom 6 in Verbindung mit einem Spannungsabfall an dem ohmschen Wirkwiderstand als Kehrwert des Leitwertes des Mediums 4 eine Wirkleistung erzeugt, welche wiederum über die transformatorische Ankopplung der Spule 1 an das Medium 4 dem Schwingkreis entzogen wird und hierdurch der Schwingkreis eine Dämpfung erfährt und als Folge die Amplitude der Hf-Schwingung am Schwingkreis deutlich absinkt und diese Absenkung als direktes Maß sowohl für den Leitwert des Mediums 4 einerseits als auch für die Anwesenheit des Mediums 4 anderseits ausgewertet werden kann.
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Der Sensor gemäß der 3 ist des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass die HF-Spannung 10 am, gegen Masse spannungsführendem Ende des Schwingkreises abgegriffen und durch einen Spitzenwertgleichrichter 11 in eine zur HF-Spannung 10 proportionale Gleichspannung 12 umgeformt wird, wobei der Oszillator 3 über einen Steuereingang 9 verfügt, über welchen seine Ausgangs- bzw. Schwingkreisspannung 10 mit einer Gleichspannung 9 stufenlos gesteuert werden kann und die Gleichspannung 12 einem Regelkreis 14 zugeführt wird, welcher sie als Ist-Wert mit einer vorgegeben festen Sollgleichspannung 13 vergleicht und hieraus eine Regelspannung 9 erzeugt, welche über den Steuereingang 9 die Oszillatorspannung 10 bzw. die Gleichspannung 12 konstant auf dem Wert von der Sollgleichspannung 13 hält und somit den Energieentzug durch das Medium 4 ausgleicht und somit diese Regelspannung 9 als direktes Maß für den Leitwert des Mediums analog ausgewertet werden kann, weil sie mit dem Leitwert des Mediums 4 positiv ansteigt und die Regelspannung 9 aber auch dem positiven Eingang eines Spannungskomparators 16 zugeführt werden kann, welcher sie mit einer einstellbaren Schwellenspannung 15 vergleicht und bei Überschreiten dieser Schwelle 15 ein positives Schaltsignal 17 generiert, welches die Anwesenheit des Mediums im Bereich der Sensorspule 1 bzw. das Erreichen des Füllstandes von 4 signalisiert.
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Der Sensor gemäß dem Anspruch 2 ist des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Sensorspule 1 als Luftspule mit 1 bis max. 5 Windungen aus Draht flach gewickelt ist oder in geprinteter Ausführung vorliegt und in beiden Alternativen einen hinreichend großen Durchmesser, vorzugsweise ab ca. 1 cm bis 10 cm oder mehr, aufweist.
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Gewerbliche Anwendbarkeit:
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Der patentgemäße Gegenstand ist insbesondere in der Füllstandsmesstechnik gewerblich anwendbar, wenn der Füllstand von leitfähigen Medien durch eine nichtleitende Behälterwand hindurch oder direkt berührend ermittelt werden soll, und ist besonders dann gegenüber dem Stand der Technik vorteilhaft, wenn diese Medien zu dicker Filmbildung und Schäumung neigen. Ferner ist der Gegenstand der Erfindung auch gewerblich nutzbar zur berührungslosen Bestimmung von Leitwerten von Medien und somit zu deren Identifikation, Trennung, Analyse oder Überwachung.
