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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur kapazitiven
Füllstandsmessung bei
Flüssigkeiten
in metallischen und nicht metallischen Behältern mit Markierungsunterstützungen
im Leerbereich und Vollbereich des Behälters zum Zwecke der exakten
Füllhöhenbestimmung
und Kalibrierung (auch Eigenkalibrierung) nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 bis 4. Die Markierungsunterstützungen befinden sich auf dem
Füllhöhensensor.
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Bei
einer derartigen aus etlichen Patenten bekannten Vorrichtung zur
kapazitiven Füllstandsmessung
in metallischen und nicht metallischen Behältern, ergibt sich das Problem
der genauen Füllhöhenbestimmung
bei Alterung des Sensors, äußeren elektrischen
Störeinflüssen, wechselnden
Temperaturen oder wechselnden Füllmedien,
da die Füllmedien,
entsprechend ihrer Chemischen Zusammensetzung, ihrer Temperatur
und ihres Wassergehaltes bei gleicher Füllhöhe unterschiedliche dielektrische
Eigenschaften annehmen können,
die dann zu Messfehlern und Fehlinterpretationen führen. Die
Messfehler dieser Systeme sind noch relativ hoch, sodass man Systeme
mit interner Sensorreferenz, und damit erhöhtem elektronischen und mechanischen
Messaufwand benutzen müsste,
wollte man ein vom Füllmedium
unabhängiges
Füllstandsmesssystem
aufbauen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur kapazitiven Füllstandsmessung
für wässrige und
nicht wässrige Flüssigkeiten
in metallischen und nicht metallischen Behältern der eingangs genannten
Art zu schaffen, die die Vorzüge
der schnellen Positionserkennung an mindestens zwei relevanten Punkten
auf der Füllhöhe ermöglicht,
und somit selbst kalibrierend aufgebaut werden kann.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind bei einer Vorrichtung zur kapazitiven Füllstandsmessung
der genannten Art die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale vorgesehen.
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Durch
die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist
eine einfache Sensorbauweise und eine leichte Installation des Sensors
erreicht, die eine weitgehend störungsfreie
und genaue Messung des Füllstandes zulassen.
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Gemäß Ausführungsform
sind in vorteilhafter Weise die Merkmale nach Anspruch 2 und/oder
3 vorgesehen, die in einfacher Weise zum Einen das Ansteuern der
Sensorflächen,
und zum Anderen das Verfahren zur Ermittlung der Höhenteilung
beschreibt. Die Verschaltung der einzelnen, auf dem Sensor befindlichen
Flächen
ergibt beschreibt das Verfahren gemäß des Anspruchs 4.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung der bestimmungsgemäßen Art sind folgender Beschreibung
zu entnehmen, in der die Erfindung anhand der in den Zeichnungen
und der erläuterten
Ausführungen
näher beschrieben
und dargestellt ist.
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Es
zeigen:
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1 Darstellung
der Messflächen
(2, 3 und 4) auf dem Füllstandssensormaterial
(1), ausgeführt als
Platinensensor aus einem Isolierstoff und leitenden Flächen mit
Anschlusspins (5).
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2 Darstellung
des Füllstandssensor
von unten gesehen. Der Platinensensor (1) befindet sich in
einem leitenden Schutzrohr (5) aus Metall oder leitendem
Kunststoff.
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3 Prinzipdarstellung
der Einbaulage des Sensors in einem Behälter der bestimmungsgemäßen Art,
im Schnitt (A, B) und den relevanten Füllhöhen (10, 11, 12).
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4 Kapazitätsdiagramm
der einzelnen kapazitiven Sensoren des Füllstandssensors über der
Füllhöhe mit den
füllrichtig
relevanten Referenzpunkten (13, 14, 15).
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5 Prinzipschaltbild
des Sensors mit den Kondensatoren (2, 3, 4)
und der Auswerteeinheit (25).
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Der
Kapazitive Füllstandssensor
der bestimmungsgemäßen Art
ist so ausgeführt,
dass er gem. 2 auf einem Masserohr (6)
mit Flansch (7) aus Metall oder leitendem Kunststoff und
einer Innenplatine (1), gemäß 1, aus Isoliermaterial
mit leitenden Flächen
besteht. Die leitenden Flächen
sind durch Lack oder Isolationsabdeckung elektrisch zum Füllmedium
und somit zum Masserohr isoliert.
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Führt man
bei dem Aufbau eines kapazitiven Füllstandssensors der bestimmungsgemäßen Art den
inneren Pol so aus, dass er prinzipiell aus einer Platine (1)
mit elektrisch getrennten Flächen
(2 und 3, 4) aus elektrisch leitendem
Material besteht, so ist man in der Lage, in Abhängigkeit von der gemessenen
Kapazität
zwischen Außenrohr
(6) und Innenflächen
(2, 3, 4) zum Einen die Füllhöhe (11)
durch die sich ändernde
Kapazität
zwischen Außenrohr
und der Füllhöhenfläche (2)
der Innenplatine (1) zu bestimmen, und zum Anderen füllhöhenrelevante
Punkte auf der Höhe
des Füllstandssensors
durch die zusammen geschalteten Referenzflächen (3, 4)
exakt zu bestimmen, nämlich
einen „Leerpunkt" und einen „Vollpunkt". Ändert sich
die elektrische Kapazität
C bei der Füllhöhenerfassung
durch die Fläche
(2) durchgängig
linear zur Füllhöhe, so verhält sich
die Kapazität
der Referenzflächen
(3, 4) nicht durchgängig linear, vor allem nicht,
da die Referenzflächen
(3, 4) elektrisch mit einander verbunden sind.
Die Kapazitäts-Füllkurve
(4) zeigt für
die Referenzflächen (3, 4)
im Bereich von leer und voll ein Sprungverhalten (13, 14, 15)
in der Steigung, sprich eine Änderung in
der Kapazitätszunahme.
Dieses Verhalten ist unabhängig
von den dielektrischen Eigenschaften des Füllmediums und wird genutzt,
um bei den Kapazitätssprüngen den
Punkt „Behälter voll" definitiv bestimmen
zu können,
genauso, wie den Punkt „Behälter leer". Mithilfe dieser
beiden definitiv bekannten markanten Punkte, die sich in zwei elektrischen
Kapazitätssprüngen (13, 14)
ausdrücken,
das heißt, dass
sich die Steigung der Kapazizätskurve
verändert,
kann die Auswerteeinheit (25) des Füllstandssensors den Füllstandsbereich
durch Differenzbildung errechnen. Das heißt bei Punkt (13)
mit der Füllhöhe (10)
wird die elektrische Kapazität
von der Messfläche
(2) und die elektrische Kapazität der Verschaltung der Referenzflächen (3, 4)
gemessen und gespeichert. Das Gleiche geschieht bei der Füllhöhe (12)
am Punkt (14) des Diagramms (4). Bildet man
die Differenz aus den beiden gemessenen Kapazitäten der Messfläche (2),
nämlich
der Leerkapazität
und der Vollkapazität,
so ergibt sich daraus der Wertebereich zwischen leerem und vollem
Behälter, egal,
welches Medium eingefüllt
wurde, also unabhängig
von den elektrischen Eigenschaften des Füllmediums. Cmess
(voll) – Cmess
(leer) = Wertebereich Cmess
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Kennt
die Auswerteeinheit (25) die Länge des Füllstandssensors, so kann sie
diese ins Verhältnis
zum Wartebereich setzen, und damit die Teilung der Kapazität über die
Füllhöhe (11)
vornehmen. Wartebereich Cmess/Länge = Teilung
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Die
unterschiedlichen Steigungen der Referenzkapazitätskurven (22 und 23)
bei verschiedenen Füllmedien,
zum Beispiel Diesel (22) und Biodiesel (23), kann
die Auswerteeinheit (25) aufgrund der gespeicherten Werte
der Sensorflächen
(3, 4) nutzen, um das Füllmedium zu bestimmen und entsprechende
Anzeigekorrekturen vorzunehmen. Entsprechende Wertetabellen sind
in der Auswerteeinheit abgelegt. Als Referenz können beispielsweise die Kapazitätswerte
(16, 17) bei den Füllhöhen (13, 14, 15)
für Sommerdiesel
eingegeben werden, an denen die Auswerteeinheit die Änderungen
bei unterschiedlichen Füllmedien
vergleicht und unterscheidet. Aufgrund der Änderung der Steigung der Referenzkapazitätskurve
(22 zu 23) ist die Auswerteeinheit (25)
in der Lage, die Änderung
der Steigung der Messkapazitätskurve
(20 zu 21) zu berechnen. So lässt sich zum Beispiel der Wasser-
oder Schwebstoffgehalt eines Treibmittels oder Öls bestimmen.
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Um
die Kapazität
zu erhöhen
ist die Sensorplatine (1) als Doppellagenplatine ausgeführt, das heißt, dass
auf der Oberseite und der Unterseite identische und sich deckende
Kondensatorflächen (2, 3, 4)
ausgeführt
sind.
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Möchte man
bis in den unteren Bereich die exakte Füllhöhe messen, so benutzt die Auswerteeinheit
(25) unterhalb der Füllhöhe (10)
die Flächen des
Referenzkondensators (3, 4) als normalen Messkondensator.
Erst oberhalb der Füllhöhe (10)
wird die Fläche
des Referenzkondensators (3, 4) als echte Referenz
und die Fläche
des Messkondensators {2) zur Füllhöhenmessung genutzt . Gleiches
gilt, wenn man bis in den oberen Bereich (12) exakt die
Füllhöhe bestimmen
will. Im Bereich oberhalb der Füllhöhe (12)
benutzt die Auswerteeinheit (25) ebenfalls die Flächen des
Referenzkondensators (3, 4) zum Messen der Füllhöhe, indem
diese zur Fläches
des Messkondensators (2) addiert wird. In (5)
ist dieses durch den Schalter (26) prinzipiell dargestellt.
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Figurenliste:
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1
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Darstellung
der Messflächen
(2, 3 und 4) auf dem Füllstandssensormaterial
(1), ausgeführt
als Platinensensor aus einem Isolierstoff und leitenden Flächen mit
Anschlusspins (5).
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2
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Darstellung
des Füllstandssensor
von unten gesehen. Der Platinensensor (1) befindet sich
in einem leitenden Schutzrohr (5) aus Metall oder leitendem
Kunststoff.
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3
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Prinzipdarstellung
der Einbaulage des Sensors in einem Behälter der bestimmungsgemäßen Art,
im Schnitt (A, B) und den relevanten Füllhöhen (10, 11, 12).
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4
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Kapazitätsdiagramm
der einzelnen kapazitiven Sensoren des Füllstandssensors über der
Füllhöhe mit den
füllrichtig
relevanten Referenzpunkten (13, 14, 15).
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5
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Prinzipschaltbild
des Sensors mit den Kondensatoren (2, 3, 4)
und der Auswerteeinheit (25).
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- 1
- Sensor-Innenplatine
mit der Anordnung der
-
- leitenden
Flächen.
- 2
- Füllstandsmessfläche
- 3
- Untere
Referenzfläche
- 4
- Obere
Referenzfläche
- 5
- Anschlußpins der
leitenden Flächen
- 6
- Außenrohr
des Sensors aus Metall oder lei
-
- tendem
Kunststoff
- 7
- Sensorflansch
für den
Behältereinbau
- 10
- Unterer
Referenzlevel
- 11
- Füllhöhe oder
Füllstandsmeßbereich
- 12
- Oberer
Referenzlevel
- 13
- Unterer
Referenzpunkt
- 14
- Oberer
Referenzpunkt
- 15
- Voll-Punkt
- 16
- Referenzkapazität Leer
- 17
- Referenzkapazität Voll
- 18
- Messkapazität Leer
- 19
- Messkapazität Voll
- 20
- Kapazitätsmesskurve
von Diesel
- 21
- Kapazitätsmesskurve
von Biodiesel
- 22
- Kapazitätsreferenzkurve
von Diesel
- 23
- Kapazitätsreferenzkurve
von Biodiesel
- 24
- Microcomputer
in der Auswerteeinheit
- 25
- Auswerteeinheit
- 26
- Umschalter
in der Auswerteeinheit