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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen und Regeln des Füllstandes
von leitenden oder nichtleitenden flüssigen Medien oder
Schüttgütern.
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Eine
Vielzahl von Patentanmeldungen betrifft die kapazitive Füllstandsmessung
mit Sensoren, bei denen sich der Anteil der wirksamen Oberfläche
einer Messelektrode ändert, vor dem sich Füllgut
befindet. Die daraus resultierende Kapazitätsänderung wird
als Maß für den Füllstand verwendet.
Diese Anordnung hat den Nachteil, dass bei Änderungen des Füllstandes
nach unten an der Oberfläche der Messfläche Rückstände
des Füllgutes zurückbleiben können, die
die Kapazität beeinflussen und zu einem falschen gemessenen
Füllstand führen. Dies ist bei zähen
Füllgütern besonders kritisch. Bei hohen Temperaturen
oder bei Temperaturen in der Nähe des Schmelzpunktes des
Füllgutes können Medien auch ihren Aggregatszustand
verändern, z. B. erstarren oder verkoken, und dadurch dauerhaft
den gemessenen Füllstand verfälschen.
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Aus
der Anmeldung
DE 1 548 968 ist
bekannt, einer Oberfläche eines elektrisch leitfähigen Füllgutes
zur Füllstandsmessung eine Elektrode gegenüberzustellen
und die Kapazität der Anordnung zur Messung des Füllstandes
heranzuziehen. Diese Anordnung löst das Problem von anhaftenden
Resten dadurch, dass die Messelektrode nicht mit dem Füllgut
in Berührung kommt. Nachteilig ist jedoch, dass parasitäre
Kapazitäten um die Messelektrode herum und auch entlang
der Leitung zu einer Kapazitätsmesseinrichtung eine nicht
unerhebliche Größe haben. Weil diese parasitären
Kapazitäten sich zu der Messkapazität hinzuaddieren,
gehen deren Schwankungen in das Messergebnis mit ein, wodurch die
Genauigkeit der Messung verschlechtert wird. Außerdem muss
die Kapazitätsmesseinrichtung die Summe aus der Messkapazität
und den parasitären Kapazitäten messen, sodass
die Auflösung insgesamt geringer wird. Dies führt
auch zu einer schlechteren Auflösung des gemessenen Füllstandes.
Aus diesem Sachverhalt ergibt sich der Nachteil für die
Anwendung, dass sowohl die Messfläche als auch die Messleitung
zur Kapazitätsmesseinrichtung sehr sorgfältig
in Bezug auf die Oberflächen anderer Bauteile eingebaut
beziehungsweise verlegt werden müssen. Dies engt die Gestaltungsfreiheit
bezüglich der Anordnung der Sensors sehr stark ein, was
wiederum die Konstruktion eines einfach und universell einsetzbaren
Sensors unmöglich macht.
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Nach
dem Stand der Technik sind Anordnungen zur kapazitiven Füllstandsmessung
bekannt, die zur Formung des elektrischen Messfeldes beziehungsweise
zum Ausblenden bestimmter Anteile der Sensoroberfläche
aus der Messung dienen. Dazu wird ein getriebener Schutzschirm verwendet,
siehe z. B.
DE 690
01 151 T2 oder
DE
199 49 985 A1 . Eine Ausgestaltung dieser Technik ist für
eine Anordnung nach der vorliegenden Erfindung jedoch nicht bekannt.
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Gegenstand
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, die auch unter
Extrembedingungen den Füllstand eines Füllgutes
mit guter Genauigkeit messen kann, und die durch Anhaftungen durch
Schwankungen des Füllstandes und chemische oder physikalische
Veränderung dieser Anhaftungen nicht beeinflusst wird.
Außerdem soll die Vorrichtung möglichst universell
einsetzbar sein.
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Erfindungsgemäß werden
die Nachteile, die mit dem Stand der Technik verbunden sind, wie
in den Ansprüchen angegeben gelöst. Zur Vermeidung von
Einflüssen von Anhaftungen des Füllgutes am Sensor
wird die für die Messung wirksame Fläche der Messelektrode
wie in
DE 15 48 968 parallel
zur Oberfläche des Füllgutes angeordnet, sodass
diese das Füllgut bei der Verwendung nicht berührt.
Die Messelektrode wird folglich derart angeordnet, dass der Füllstand
bei der Verwendung unterhalb der für die Messung wirksamen
Fläche bleibt. Die parasitären Kapazitäten,
deren Größe nicht durch den Füllstand beeinflusst
wird, können im Wesentlichen unterdrückt werden,
indem die Messelektrode an den Stellen, die nicht für die
Messung wirksam sind, von einer Schutzschirmelektrode umgeben wird.
Eine solche parasitäre Kapazität kann sich zum
Beispiel von der Messelektrode zur Behälterwand ausbilden.
Die Schutzschirmelektrode wird durch elektronische Mittel auf dasselbe
Potenzial wie die Messelektrode getrieben. Einrichtungen hierfür
sind nach dem Stand der Technik bekannt, z. B. Operationsverstärker
oder Differentialtransformatoren. Der Schutzschirm kann mit einem
Masseschirm umgeben sein, der bewirkt, dass die Kapazität
zwischen dem Schutzschirm und dem Massepotenzial im Wesentlichen
konstant bleibt und der Schutzschirm von äußeren
Störungen abgeschirmt wird.
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Eine
weitere Verbesserung kann erreicht werden, indem auch die Verbindungsleitung
zwischen der Messelektrode und der Kapazitätsmesseinrichtung
mit einem Schutzschirm umgeben wird. Die Leitung besteht daher vorzugsweise
aus einem Koaxialkabel, noch mehr wird bevorzugt, es als ein Triaxialkabel
auszuführen. Dabei wird das Messsignal auf die Seele und
das Schutzschirmpotenzial auf den ersten Mantel gelegt. Im Falle
eines Triaxialkabels wird auf den zweiten Mantel Massepotenzial
gelegt, um zu verhindern, dass das Schutzschirmpotenzial beeinflusst
wird. Dies hat zur Folge, dass die Kapazität zwischen der
Seele und dem ersten Mantel weitgehend unwirksam wird, da sie durch
die im Wesentlichen gleichen Potenziale im Wesentlichen nicht geladen
wird. Dadurch kann ein flexibles Kabel mit einer Länge
von einigen Metern verwendet werden, ohne dass dadurch die Messung
verschlechtert wird. Dadurch ist es nicht erforderlich, direkt am
Sensor oder in dessen Nähe elektronische Bauteile einzusetzen,
deren Funktion durch extreme Bedingungen gefährdet werden
kann, sondern die Kapazitätsmesseinrichtung kann in ausreichendem
Abstand unter geeigneten Umgebungsbedingungen angeordnet werden,
zum Beispiel bei ausreichend geringer Temperatur in einem Abstand
zu einem Ofen. Wenn hohe oder sehr tiefe Temperaturen, hohe Drücke
oder Vakuum oder andere extreme Bedingungen im Behälter vorliegen,
kann ein Teil der Zuleitung aus einem leitfähigen Draht
oder einer leitfähigen Faser als Seele und der erste Mantel
aus einem leitfähigen Rohr, mehreren Drähten oder
Fasern oder einem Netz, das die Seele umgibt, bestehen. Die Isolation
kann beispielsweise mit Keramik, Glas, Quarzglas oder Luft oder
Kombinationen davon realisert sein. Dies vermeidet die Schwierigkeiten,
die Kunststoffisolationen bei extremen Bedingungen mit sich bringen.
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Vorzugsweise
wird der Schutzschirm um die Messelektrode mit dem selben Potenzial
wie der Schirm der Verbindungsleitung versorgt, indem die Verbindungsleitung
an den Schutzschirm um die Messelektrode angeschlossen wird.
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Eine
weitere Verbesserung kann dadurch erreicht werden, dass die für
die Messung wirksame Oberfläche der Messelektrode seitlich
mit einer Oberfläche auf Schutzschirmpotenzial umgeben wird,
sodass der Randbereich des elektrischen Messfeldes von dem Schutzschirmpotenzial
erzeugt wird. Dies führt dazu, dass sich auf der Messfläche ein
homogeneres Feld ausbildet, das eine genauere Definition der Position
der Messstelle und eine bessere Linearität der Messung
ermöglicht.
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Wenn
der Füllstand eines elektrisch nichtleitenden Füllgutes
bestimmt werden soll, kann die Oberfläche des Füllgutes
nicht als zweite Messelektrode dienen. Erfindungsgemäß kann
dies dadurch gelöst werden, dass unterhalb der Oberfläche
des Füllgutes eine Gegenelektrode angeordnet wird, die der
Messelektrode im Wesentlichen parallel gegenübersteht.
Dadurch bildet sich ein Kondensator aus, dessen Dielektrikum teilweise
aus dem Füllgut und teilweise aus dem sich darüber
befindlichen Gas oder Vakuum besteht. Die Kapazität des
Kondensators hängt vom Füllstand des Füllgutes
ab.
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Vorzugsweise
hat Gegenelektrode Abmessungen, die mit den Abmessungen der Wirkoberfläche
der Messelektrode (2) und, wenn vorhanden, außerdem
mit den Abmessungen der seitlich dazu angeordneten Oberfläche
des Schutzschirms (3) nach Anspruch 4 in jede Richtung
in diese(n) Oberfläche(n) gleich sind oder diese übersteigen.
Dadurch kann sich ein im Wesentlichen homogenes Messfeld ausbilden,
was zur Linearisierung der Messung beiträgt.
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Vorzugsweise
werden die Gegenelektrode so angeordnet, dass sie bei der Messung
immer von Füllgut bedeckt ist. Dadurch wird verhindert,
dass Füllgutreste auf der Wirkfläche der Gegenelektrode zurückbleiben
oder sich Ablagerungen auf der Wirkfläche bilden. Vorzugsweise
wird die Gegenelektrode aus einem wenigstens an der Wirkfläche
leitfähigen Material hergestellt, das gegen das Füllgut
beständig ist. Für viele Anwendungen sind hochlegierter,
rostfreier Edelstahl, Titan, Tantal, Grafit oder Keramik mit metallisierter
Oberfläche geeignet. Alternativ kann die leitfähige
Wirkfläche auch mit einer beständigen Schutzschicht überzogen
werden, z. B. Email, Keramik, Teflon oder dergleichen. Die Schutzschicht
kann auch leitfähig sein und wird dadurch zur Wirkfläche.
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Die
gemessene Kapazität zwischen Messelektrode und Gegenelektrode
ist zum Füllstand nicht proportional. Zur Bereitstellung
eines Messsignals, das dem Füllstand proportional ist,
kann das Messergebnis der Kapazitätsmesseinrichtung, das
zum Beispiel aus einer Spannung, einer Frequenz, einem Tastverhältnis
oder dergleichen bestehen kann, nach dem Stand der Technik digitalisiert
werden, z. B. mit einem Analog-Digital-Wandler oder einem Zähler. Das
digitalisierte Messergebnis kann in eine Recheneinheit eingegeben
werden, z. B. in einen Mikrocontroller oder einen DSP, in der eine
Linearisierung vorgenommen wird. Dies kann z. B. mit einer Eichtabelle oder
einer entsprechend parametrisierten analytischen Funktion durchgeführt
werden. Die Eichtabelle oder die Parameter können mit Hilfe
einer Kalibrierung gewonnen werden. Die Kalibrierkurven sind für elektrisch
leitfähige und für elektrische nicht leitende Füllgüter
grundlegend verschieden. Bei einem elektrisch leitfähigen
Füllgut entspricht die Messung einer kapazitiven Abstandmessung
mit einer bewegten Elektrode (der Oberfläche des Füllgutes).
Bei einem elektrisch nichtleitenden Füllgut liegt ein anderer
Zusammenhang zwischen Kapazität und Füllstand
vor, da sich hier der Anteil des Füllgutes im Kondensator ändert,
während der Abstand der Elektroden konstant bleibt.
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Eine
weitere Verbesserung kann erreicht werden, indem in die Gegenelektrode
eine zweite Kapazitätsmessstelle integriert wird, deren
elektrisches Feld zumindest zu einem festen Anteil durch das Füllgut
verläuft. Die Anordnung ist so ausgestaltet, dass die anderen
Anteile der Kapazität im Wesentlichen unveränderlich
sind. Mit dieser Anordnung und mit einer Kalibrierung kann ein Maß für
die Dielektrizitätskonstante des Füllgutes gewonnen
werden. Dieses kann bei der Auswertung der Messsignale verwendet werden,
um eventuelle Schwankungen der Dielektrizitätskonstante
des Füllgutes zu kompensieren.
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Um
die Messelektrode vor Berührung durch das Füllgut
zu schützen, und um den Füllstand des Füllgutes
auf einen konstanten Wert zu regeln, kann das Messergebnis in eine
Füllstandsregeleinrichtung eingespeist werden. Deren Stellsignal
kann dazu verwendet werden, den Zufluss oder Abfluss aus dem Füllgutbehälter
oder beide zu steuern. In der Füllstandsregeleinrichtung
ist vorzugsweise eine Regelung implementiert, die durch ihre Charakteristik
dafür sorgt, dass das Füllgut die Messelektrode
nicht berührt und der Füllstand einschließlich
einer Regelabweichung auf einen im Wesentlichen konstanten Wert
unterhalb der Wirkoberfläche der Messelektrode geregelt
wird. Vorzugsweise wird die Regelung durch geeignete Software in
die Recheneinheit integriert.
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Kurzzeitige
Schwankungen des Füllstandes, wie etwa Wellen, die schneller
stattfinden, als die Regelung dies ausgleichen kann, können
dazu führen, dass das Füllgut die Wirkoberfläche
der Messelektrode berührt und verschmutzt. Um dies zu verhindern, ist
es vorteilhaft, die Wirkoberfläche der Messelektrode innerhalb
einer Kavität anzuordnen, die einen oder mehrere Zugänge
aufweist, durch die das Füllgut in die Kavität
eindringen kann und hier im Wesentlichen den identischen Füllstand
erreicht, wie in dem Behälter mit dem zu messenden Füllstand.
Der Zugang wird vorzugsweise so ausgeführt, dass das Füllgut
beim Zutritt zu der Kavität Reibung erfährt. Dies
führt zu einem Tiefpassverhalten des Volumens der Kavität
in Verbindung mit der Reibung, sodass durch geeignete Gestaltung
des Zuflusswiderstands zu der Kavität eine Grenzfrequenz
eingestellt werden kann, die geeignet ist, Schwankungen des zu messenden
Füllstandes bzgl. des Füllstandes in der Kavität
zu unterdrücken. Dadurch kann das Berühren der
Wirkoberfläche der Messelektrode verhindert werden.
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Die
folgenden Figuren zeigen Ausführungsbeispiele der Vorrichtung.
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1 zeigt die Anordnung der Elektroden und
des Füllstandes im Behälter, und
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2 zeigt die Anordnung der Elektroden mit
einer Kavität mit reibungsbehaftetem Zufluss.
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In 1 ist die Vorrichtung zur kapazitiven Messung
des Füllstandes (1) eines Füllgutes in
einem Behälter (10) im Querschnitt schematisch
dargestellt. Sie besteht in dieser bevorzugten Ausführung
aus der Messelektrode (2), dem Schutzschirm (3),
einem Masseschirm (4), einem Triaxialkabel (11) mit
einer Seele (5), einem ersten Mantel (6) und einem
zweiten Mantel (7). Das Triaxialkabel ist an seinem anderen
Ende mit einer Kapazitätsmesseinrichtung (nicht gezeigt)
verbunden. In bestimmten Ausführungen kann das Triaxialkabel
in seiner Länge aus mehreren Abschnitten bestehen, die
den jeweiligen Umgebungsbedingungen angepasst sind. Insbesondere
kann das Triaxialkabel ganz oder teilweise aus Drähten
und/oder Rohren bestehen. Auf den äußeren Mantel
(7) kann verzichtet werden, wenn für den ersten
Mantel (6) keine Störeinflüsse zu erwarten sind
und keine Kurzschlüsse zu anderen Potenzialen bestehen.
Ebenso kann ggf. auf den Masseschirm (4) verzichtet werden.
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Für
elektrisch leitfähige Füllgüter dient
deren Oberfläche (1) als zweite Kondensatorplatte.
Für elektrisch nichtleitende Füllgüter
wird dagegen vorzugsweise eine Gegenelektrode (8) eingesetzt,
die in der gezeigten Ausführung mit der Messelektrode (2) einen
Plattenkondensator bildet. An der Gegenelektrode (8) kann
eine zweite Messelektrode (9) angebracht sein, deren Feldlinien
zu der Gegenelektroden zu einem festen Anteil durch das Füllgut
verlaufen. Vorzugsweise ist die zweite Messelektrode (9)
unten oder seitlich an der Gegenelektrode (8) angeordnet.
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2 zeigt schematisch die Vorrichtung in einer
weiteren Ausführung. Die Messelektrode, der Schutzschirm
und der Masseschirm sowie das Anschlusskabel sind identisch mit 1. Die Wirkoberfläche der Messelektrode
und die Schutzelektrode befinden sich jedoch in einer Kavität
(15). Durch die Zugänge (12) kann das
Füllgut in die Kavität (15) eindringen.
Vorzugsweise wird eine Entlüftung der Kavität
vorgesehen (nicht gezeigt), sodass das Füllgut ungehindert
bis zum Füllstand (1) außerhalb der Kavität
(15) aufsteigen kann. Dadurch bildet sich die Oberfläche
(13) des Füllgutes in der Kavität. Bei
nicht leitfähigem Füllgut wird vorzugsweise der
Boden (14) der Kavität (15) als Gegenelektrode
eingesetzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 1548968 [0003, 0006]
- - DE 69001151 T2 [0004]
- - DE 19949985 A1 [0004]