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Diese
Erfindung betrifft die Vermessung von Füllständen, insbesondere das kapazitive
Erkennen des Überschreitens
eines Grenzfüllstandes.
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Die
kapazitive Messung von Füllständen wird
nach dem Stand der Technik vielfach angewendet. Meistens wird der
Effekt genutzt, dass ein elektrisches Feld eines Kondensators das
zu messende Medium in mehr oder weniger großem Ausmaß durchsetzt. Dabei werden
vor allem Anordnungen verwendet, bei denen sich der Kondensator
hauptsächlich
in vertikaler Richtung erstreckt und teilweise in das zu messende
Medium eingetaucht ist, sodass sich der Anteil seines elektrischen
Feldes, das das zu messende Medium durchsetzt, mit dem Füllstand verändert. Dadurch ändert sich
die Kapazität
Messkondensators, die gemessen und als Maß für den Füllstand interpretiert wird.
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Bei
der Messung des Füllstandes
von klebrigen, anhaftenden und/oder zähen Medien besteht bei der
Messung nach dem Stand der Technik das Problem, dass bei fallendem
Füllstand
Reste des Mediums an dem Sensor haften bleiben, und weiterhin einen
Einfluss auf die Kapazität
des Messkondensators ausüben.
Dadurch wird der Füllstand
als zu hoch interpretiert.
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Bei
vielen Anwendungen ist es ausreichend, festzustellen, ob der Füllstand
ein bestimmtes Niveau (Grenzfüllstand) über- oder
unterschreitet. Bei der Verwendung der herkömmlichen Sensortypen wird wie
oben erklärt
bei klebrigen, anhaftenden und/oder zähen Medien ein solcher Schaltpunkt
verfälscht.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen kapazitiven Sensortyp
zu schaffen, mit dessen Hilfe auch bei schwierigen Medien sicher ein
Grenzfüllstand
erkannt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit einem Sensor zur Erkennung eines Grenzfüllstandes gelöst, der
so ausgeführt
ist, dass sich sein elektrisches Messfeld beziehungsweise die Oberfläche wenigstens
einer Messelektrode im Wesentlichen in Richtung der Grenzfläche des
zu messenden Mediums zu dem Medium, das sich darüber befindet, erstreckt, und
sich vergleichsweise weniger stark in senkrechte Richtung dazu erstreckt.
Dies hat zur Folge, dass der Messbereich klein wird, aber auch,
dass sich die Kapazität
des Messkondensators bei Änderungen
des Füllstandes
in dem Messkondensator über
eine kurze Strecke stark ändert,
während
bei Änderungen
des Füllstandes
außerhalb
des Messkondensators keine Änderung
der Messkapazität auftritt.
Durch die anhaftenden Reste des zu messenden Mediums an den Messelektroden
ergibt sich eine Messungenauigkeit. Diese fällt um so geringer aus, je geringer
die vertikale Abmessung des Sensors ausfällt.
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Im
einfachsten Fall besteht der Sensor aus einem Plattenkondensator.
Dies ist vorteilhaft, da metallische Platten kostengünstig herzustellen
sind und im Vergleich zu ihrem Volumen beziehungsweise Preis eine
große
Messkapazität
bieten.
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Um
bei sinkendem Füllstand
das Ablaufen von anhaftendem zu messendem Medium nicht zu behindern,
ist es in einer Ausführung
der Erfindung vorteilhaft, die Elektroden ohne scharfe Kanten auszuführen. Scharfe
Kanten können
durch Kapillarwirkung das Ablaufen des Mediums behindern. Eine einfache,
kostengünstige
Bauform für
die Elektroden kann daher die eines Drahtes oder Stabes sein. Es sind
jedoch auch ovale Formen, Platten mit abgerundeten Ecken oder weitere
Formen ohne scharfe Kanten denkbar.
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Dennoch
kann es vorteilhaft sein, an der Oberkante einer oder beider Elektroden
des Sensors eine scharfe Kante vorzusehen, um ein Nachströmen von
Medium von der Oberseite des Sensors zu erschweren. Weiter ist es
vorteilhaft, die nach oben zeigende Oberfläche einer Elektrode derart
schräg
zu gestalten, dass das darauf verbleibende Medium nicht in die Messkapazität abläuft, sondern
an die Außenseite
des Sensors.
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Wenn
an der Unterkante einer oder beider Elektroden des Sensors einer
Verrundung vorgesehen ist, ist es vorteilhaft, wenn das darüber ablaufende
Medium durch eine Schräge
nach unten beim weiteren Ablaufen schneller von der Gegenelektrode entfernt
wird. Dadurch wird seine Wirkung auf die Messkapazität weiter
verringert.
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Weiter
kann es vorteilhaft sein, eine oder beide der Elektroden derart
zu gestalten, dass bei sinkendem Füllstand zu Beginn des Überstreichens
des Sensors durch sinkenden Füllstand
eine größere Kapazitätsänderung
stattfindet, und im weiteren Verlauf eine geringere Kapazitätsänderung.
Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Abstand der Elektroden
im oberen Bereich des Sensors verringert ausgeführt wird. Dies hat den Vorteil,
dass das Ablaufen von anhaftenden Resten des Mediums, das am obersten
Teil zuerst einsetzt, früher
zu einer Verringerung der Kapazität führt, und die Reaktion des Sensors
dadurch weniger verzögert
ausfällt.
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Eine
besonders einfache und kostengünstige
Bauweise des Sensors ergibt sich, wenn man Behälterwand als eine der Kondensatorplatten
nutzt. Falls die Behälterwand
nichtleitend ist, kann auf diese eine leitfähiges Schicht, eine leitfähige Platte,
ein leitfähiges
Gewebe oder dergleichen aufgebracht werden, was dann die Messelektrode
bildet. In diesem Fall kann die aufgebrachte Elektrode auch außen an der
Behälterwand
angebracht werden, was Vorteile bei der Kontaktierung bieten kann,
die dann außerhalb
des Behälters
liegt. Die Behälterwand
bildet in diesem Fall einen festen Teil des Dielektrikums.
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Durch
Kapillarkräfte
können
Tropfen des zu messenden Mediums zwischen den Elektroden des Sensors
hängenbleiben.
Vorzugsweise wird den Elektroden ein so großer Abstand gegeben, dass dies
nicht möglich
ist.
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Durch
seine Zähigkeit
verbleibt das Medium bei sinkenden Füllstand länger im Sensor, als der Füllstand
um den Sensor herum absinkt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn
der Abstand der Elektroden gering ist, da dadurch der hydraulische
Widerstand für
das Abfließen
erhöht
wird. Vorzugsweise wird deshalb der Abstand der Elektroden so groß gewählt, dass
die Zeit, bis das Medium die beiden Elektroden nicht mehr verbindet,
nicht wesentlich länger
dauert, als die Zeit, in der das Medium um den Sensor herum über die
Höhe des
Sensors absinkt, z. B. maximal doppelt so lange. Dieser zulässige Verzögerungsfaktor
hängt vor
allem mit der Höhe
des Sensors zusammen, da die Verzögerungszeit einen Füllstandsversatz
von etwa der Höhe
des Füllstand
multipliziert mit dem dem Verzögerungsfaktor
bewirkt. Durch einen höheren
Anbringungsort des Sensors im Behälter kann diese Verzögerungszeit
in manchen Fällen kompensiert
werden, insbesondere wenn die Bedingungen, das heißt, vor
allem das Medium und die Temperatur, konstante Größen sind.
Der zulässige Faktor
kann also auch von der möglichen
Anbringungshöhe
des Sensors im Behälter
abhängen.
Deshalb kann für
den Faktor kein fester, allgemeiner Wert angegeben werden, sondern
muss je nach Anwendungsfall festgelegt werden.
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In
manchen Fällen
muss der Sensor im Behälter
derart angeordnet werden, dass die Rückseite von einer oder beiden
Elektroden einen oder mehrere Kondensatoren zu anderen Teilen des
Behälters
oder seiner Einbauten bilden. Falls dies störend ist, z. B. weil auf Einbauten
in dem Behälter
Störpotenziale anliegen,
die die Messung stören
können,
oder sich ein Kondensator ungeeignet nach Masse ausbildet, dessen
Dielektrikum nicht geeignet vom Füllstand abhängt, können die Messelektroden an
den Stellen, an denen sich die störenden Kondensatoren ausbilden,
mit einem getriebenen Schutzschirm umgeben werden. Dieser Schutzschirm
wird auf das Potenzial der entsprechenden Messelektrode getrieben,
wodurch die Kapazität
zwischen dem Schutzschirm und der Messfläche nicht mehr geladen und
somit unwirksam wird.
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Insbesondere
bei schwierigen Bedingungen im Behälter, wie zum Beispiel hoher
Druck, hohe Temperaturen oder sehr tiefe Temperaturen, kann es vorteilhaft
sein, die Kapazitätsmesselektronik
von dem Sensor und dem Behälter
entfernt anzuordnen. Zum Schutz vor Störungen sollte das Messpotenzial auf
der Leitung von einem Schirm umgeben sein. Wenn dieser Schirm zur
Ableitung von Störungen
z. B. mit Masse verbunden wird, bildet sich ein parasitärer Kondensator
zur Messkapazität.
Um dies zu umgehen, wird auf den Schirm, das heißt auf die Mantelelektrode
eines Koaxialkabels oder eines Triaxialkabels, vorteilhaft ein Potenzial
gelegt, das auf das Potenzial der Seele der Leitung getrieben wird. Dadurch
wird die parasitäre
Kapazität
nicht mehr geladen und somit unwirksam.
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Für die Auswertung
der gemessenen Kapazität
und zur Erkennung, ob der Füllstand
einen bestimmten Punkt über-
beziehungsweise unterschritten hat, wird der Kapazitätsmesswert
vorzugsweise mit einem Grenzwert verglichen. Um das so erzeugte Schaltsignal
nach außen
verfügbar
zu machen, kann ein Ausgangssignal mit zwei Zuständen definiert werden, dessen
Zustand sich in den jeweils anderen Zustand ändert, wenn der Grenzwert überbeziehungsweise
unterschritten wird.
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Der
Grenzwert muss zwischen dem Wert eines leeren Sensors und dem Wert
eines vollständig gefüllten Sensors
liegen. Er entspricht dann einem bestimmten Grenzfüllstand
des Sensors. Wenn in den Behälter
Medien mit verschiedener Dielektrizitätskonstante eingefüllt werden,
so verschiebt sich dieser Grenzfüllstand
des Sensors. Ist der Grenzfüllstand
sehr niedrig gewählt,
und handelt es sich um ein zähes
Medium mit höherer
Dielektrizitätskonstante
als bei der Festlegung des Grenzfüllstandes, und es ist zu befürchten ist,
dass der Sensor nicht weitestgehend leerläuft, so ist es möglich, dass
die Kapazität
nicht unter die entsprechende Grenzkapazität sinkt. Dies hat ein Versagen
des Sensors zur Folge. Ebenso kann ein Versagen auftreten, wenn
der Grenzfüllstand
hoch gewählt
ist, und ein Medium mit geringerer Dielektrizitätskonstante als bei der Festlegung
des Grenzfüllstand
eingefüllt
wird. In diesem Fall ist es möglich,
dass die entsprechende Grenzkapazität auch bei vollständiger Füllung des
Sensors nicht erreicht wird.
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Diese
Schwierigkeiten können
dadurch gelöst
werden, dass nach dem Einfüllen
eines Dielektrikums mit neuer Dielektrizitätskonstante der Grenzwert neu
festgelegt wird. Dazu kann der Grenzwert manuell neu eingestellt
oder bei vollständig
gefülltem Sensor
ein Signal in einen Mikrocontroller oder eine DSP oder in eine andere
Logik einer Auswerteelektronik des Sensorsignals eingegeben werden.
Dadurch ist im Mikrocontroller die maximal mögliche Kapazität bekannt.
Vorzugsweise wird danach von dem Mikrocontroller der Grenzwert als
Bruchteil der maximal möglichen
Kapazität
festgelegt. Vorzugsweise liegt dieser Wert etwas unterhalb des maximalen Wertes,
sodass er auch erreicht wird, wenn der Sensor nicht vollständig leerläuft. Außerdem ist
die Verzögerung
in diesem Fall geringer.
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Alternativ
kann der Grenzwert festgelegt werden, indem von der Kapazität ausgegangen
wird, die sich ergibt, wenn der Sensor vollständig mit dem Medium oberhalb
des zu messenden Mediums gefüllt
ist, z. B. mit Luft. Diese Kapazität ist die minimal mögliche Kapazität. In der
Praxis kommen für
Flüssigkeiten
ohne Gaseinschlüsse
keine Dielektrizitätskonstanten
unter 2 vor. Der Grenzwert kann als Produkt der minimalen Kapazität mit einem
Faktor festgelegt werden. Wenn der Faktor kleiner als 2 gewählt wird, übersteigt
die Kapazität
für alle
Medien diesen Grenzwert, wenn der Sensor vollständig gefüllt ist. Das Erreichen des
Schaltzustand des für „Füllstand oberhalb
des Grenzfüllstandes" ist damit gewährleistet.
Das Erreichen des Schaltzustand es für „Füllstand unterhalb des Grenzfüllstandes" ist jedoch nur dann
gewährleistet,
wenn der Kondensator bei Medien mit hoher Dielektrizitätskonstante
ausreichend gut leerläuft.
Folglich ist dieses Vorgehen für
Kombinationen von Sensoren und Medien geeignet, bei denen man davon
ausgehen kann, dass der Sensor in Abhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten
ausreichend leerläuft,
Der Vorteil dieses Vorgehens ist, dass die Grenzkapazität für neue Medien
nicht neu gesetzt werden muss.
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Als
weitere Möglichkeit
zur Lösung
der Problematik wechselnder Dielektrizitätskonstanten kann ein zweiter
Sensor eingesetzt werden, der bei der Verwendung mindestens einmal
vollständig
mit dem zu messenden Medium gefüllt
ist. Das Messergebnis in diesem Zustand kann herangezogen werden,
um einen Wert zu berechnen, der dem Füllstand entspricht, der jedoch
von der Dielektrizitätskonstante unabhängig ist.
Dies ist möglich,
weil die Dielektrizitätskonstante
des Mediums aus der Messung des zweiten Sensors bestimmt und in
einer Kompensationsrechnung eingesetzt werden kann. Diese Rechnung
wird vorzugsweise auf einem Mikrocontroller, einem DSP oder einer
anderen Logik in der Auswerteelektronik durchgeführt. Besonders vorteilhaft
wird der zweite Sensor an einer Stelle angeordnet, an der das zu
messende Medium immer vorhanden ist.
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In
den Figuren im Anhang sind beispielhaft Ausführungen gezeigt, wobei
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1 einen
Sensor nach einer Ausführung der
vorliegenden Erfindung zeigt, und
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2a–f verschiedene
Querschnitte von Sensorelektroden nach der vorliegenden Erfindung zeigen.
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In 1 ist
eine einfache Ausführung
nach der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Behälterwand 1 als erster
Elektrode des Sensors steht eine zweite Elektrode 2 gegenüber. Sie
ist über
nichtleitende Abstandhalter 3 mit der Behälterwand 1 verbunden.
Die Abstandhalter 3 können
auch andere Formen haben, z. B. einen runden Querschnitt, und können in
Bezug auf die Elektrode 2 anders angeordnet sein, z. B.
diese von der Seite halten. Die Elektrode 2 hat einen Querschnitt 4.
Dieser kann an den Enden, anders als hier dargestellt, einen abweichenden Querschnitt
haben, der der Befestigung besonders dienlich ist. Mit 4 ist
jedoch der Querschnitt gemeint, von dem aus sich das elektrische
Messfeld ausbreitet. Wie deutlich zu sehen ist, ist in diesem Beispiel der
Messbereich im Vergleich zu der möglichen Schwankungsbreite des
Füllstandes über die
Behälterwand
relativ klein.
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In
den 2a–e
sind jeweils zwei Beispiele dargestellt, von denen das linke zwei
Elektroden mit einem Querschnitt 4 zeigt, die einander
als Sensor gegenüberstehen.
Dieser Sensor kann an geeigneter Stelle im Behälter angebracht werden. Bei
den rechten Beispielen bildet die Behälterwand 1 eine Elektrode,
wobei die zweite Elektrode 2 ebenfalls den Querschnitt 4 aufweist.
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In 2a ist
der Fall dargestellt, in dem wenigstens eine Elektrode des Sensors
den Querschnitt 4 einer einfachen Platte hat.
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2b zeigt
den Querschnitt der Elektrode 4 für den Fall, in dem der obere
Teil der Elektroden des Sensors einander näher stehen, als der untere
Teil. Die Oberfläche 8,
von der das Messfeld ausgeht, muss nicht eben sein, sondern kann
auch eine gebogene Form haben. Eine ebene Form ist jedoch besonders
leicht herzustellen.
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2c zeigt
die Elektroden mit einem Querschnitt 4 eines Stabes oder Drahtes.
Alternativ kann auch ein Oval als Querschnitt 4 verwendet
werden.
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In 2d weist
der Querschnitt 4 unter der Oberfläche, von der das Messfeld ausgeht,
eine abgerundete Kante 5 auf. Dies ist, wie bereits erwähnt, für das Ablaufen
von verbleibendem Medium von der Oberfläche der Elektrode förderlich.
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In 2e weist
der Querschnitt zusätzlich abgeschrägte obere
Flächen 6 auf.
Dies bewirkt, wie bereits erwähnt,
dass Medium, das auf der oberen Fläche zurückbleibt, nicht auf die Fläche der
Elektrode abfließt,
von der das Messfeld ausgeht.
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2f zeigt
zusätzlich
abgeschrägte
untere Oberflächen 7,
die bewirken, dass ablaufendes Medium schneller an Wirkung auf die
Kapazität
verliert. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Schrägstellung
der Messfläche,
von der das Messfeld ausgeht, geringer ist, als in 2f dargestellt.