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Die
Erfindung betrifft einen Füllstandschalter zur
Erfassung des Füllstandes
eines Mediums in einem Behälter,
mit einem Sensorelement zur Kontaktierung des Mediums, mit einem
Sender zur Beaufschlagung des Sensorelements mit einem elektromagnetischen
Sendesignal und mit einer Auswerteeinheit zur Erfassung eines Empfangssignals
von dem Sensorelement, wobei das Sensorelement eine Leitung zur
Führung
des Sendesignals umfaßt.
Darüber hinaus
betrifft die Erfindung auch ein Sensorelement für einen solchen Füllstandschalter.
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Füllstandschalter
sind seit mehreren Jahrzehnten in der industriellen Prozeßmeßtechnik
bekannt und dienen der Erkennung des Füllstandes eines Mediums in
einem Behälter,
wobei das Medium bei Erreichen eines bestimmten Füllstandes
oder eines bestimmten Füllstandbereiches
auf das Sensorelement einwirkt. Aufgrund der Beeinflussung des Sensorelements
durch das Medium verändert
sich – je
nach Ausführungsform
des Füllstandschalters – eine bestimmte
Meßgröße des Sensorelements
und bei Überschreitung
einer bestimmten Schwelle des Meßwerts gilt dann ein bestimmter
Füllstand
als erfaßt.
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Wenn
im folgenden von Füllstandsschaltern die
Rede ist, dann ist damit nicht einschränkend gemeint, daß der Füllstandschalter
tatsächlich
einen Schaltvorgang auslöst,
vielmehr ist damit allgemeiner gemeint, daß ein bestimmter Füllstand
durch Vergleich eines Meßwertes
mit einem – vorgebbaren – Schwellwert
erkennbar ist und/oder der Füllstandschalter
allein schon durch seine Konstruktion nur dazu geeignet ist, einen
im wesentlichen punktuellen Füllstand
zu erkennen.
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Die
bei Füllstandschaltern
zum Einsatz kommenden Meßprinzipien
beruhen teils auf der Auswertung von mechanischen oder elektrischen
Schwingungen oder einfach auf der Auswertung der Veränderung
eines Leitwertes (konduktive Füllstandschalter).
Gemeinsam ist allen betrachteten Füllstandschaltern, daß das Medium,
dessen Füllstand
zu erfassen ist, mit dem Sensorelement in Kontakt gerät bzw. geraten
muß.
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Füllstandschalter,
die auf der Auswertung einer mechanischen Schwingung beruhen, werden gerne
eingesetzt, da das Meßprinzip
für viele
Medien geeignet ist und sich recht robust gegenüber der Schwankung bestimmter
Medieneigenschaften verhält,
wie z. B. gegenüber
der Dichte und der Viskosität
eines Mediums. Bei diesen Füllstandschaltern wird
die Schwingung einer Schwinggabel ausgewertet, die durch Aktuatoren
zu einer Resonanzschwingung angeregt wird, die durch ein die Schwinggabel umgebendes
Medium gedämpft
und auch in ihrer Frequenz geändert
wird.
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Nachteilig
bei derartigen Füllstandschaltern ist
jedoch das notwendige Hineinragen des Sensorelements in das zu erfassende
Medium, die Abhängigkeit
der Messung von der Einbaulage des Füllstandschalters sowie eine
unter Umständen
problematische Reinigung des als Schwinggabel ausgestalteten Sensorelements,
da bei Besprühen
des Behälterinnenraums
stets Gefahr einer ”Schattenbildung” gegeben
ist, also die Gefahr besteht, daß sich das Sensorelement teilweise
selbst verdeckt und die eingesetzte Reinigungsflüssigkeit so nicht alle Bereiche des
Sensorelements erreichen kann.
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Auch
andere Grenzwertschalter, wie z. B. konduktive Grenzwertschalter
ragen vergleichsweise weit in das zu erfassende Medium hinein, selbst wenn
das als eine Elektrode oder mehrere Elektroden ausgestaltete Sensorelement
nur stummelförmig ausgebildet
ist. Die von dem Sensorelement umfaßte Leitung kontaktiert die
Elektroden, wobei das Sendesignal meist aus einer einfachen Wechselspannung besteht,
die – je
nach Leitfähigkeit
des zu erfassenden Mediums – unterschiedliche
große
Meßströme hervorruft.
In solchen Fällen,
in denen das Medium nicht mit einem dauerhaft wirkenden elektrischen Wechselfeld
beaufschlagt werden darf, verbietet sich der Einsatz solcher konduktiver
Grenzwertschalter; darüber
hinaus existieren hier – wie
zuvor bei den Schwinggabel-Füllstandschaltern
beschrieben – auch
wieder Probleme hinsichtlich der Reinigung, was insbesondere bei
Lebensmittel- und Hygieneanwendungen relevant ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, die aufgezeigten Nachteile bei
bekannten Füllstandschaltern – zumindest
teilweise – zu
vermeiden, insbesondere einen Füllstandschalter
anzugeben, dem ein robustes Meßprinzip
zugrunde liegt und der eine zuverlässige Reinigung gestattet und
im wesentlichen von der Einbauposition unabhängige Meßergebnisse erzielt.
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Die
aufgezeigte Aufgabe ist erfindungsgemäß zunächst und im wesentlichen bei
dem in Rede stehenden Füllstandsschalter
dadurch gelöst,
daß die
Leitung des Sensorelements als Verzögerungsleitung ausgestaltet
ist, das Sensorelement ein in Einbauposition des Füllstandschalters
dem Medium zugewandtes Fenster aufweist und wenigstens einen Teil
der Leitung über
das Fenster von dem Medium elektrisch beeinflußbar ist.
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Eine
Verzögerungsleitung
ist hier grundsätzlich
eine elektrische Leitung, über
die ein elektromagnetisches Signal – das Sendesignal – geführt werden
kann, wie es beispielsweise aus der Zeitbereichs-Reflektometrie,
auch als Time-Domain
Reflectometry (TDR) bezeichnet, bekannt ist. Der erfindungsgemäße Füllstandschalter
basiert damit grundsätzlich
auf dem Prinzip der Laufzeitmessung, d. h. es wird die Tatsache
der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit von elektromagnetischen
Signalen durch die Leitung ausgenutzt, wobei das Zeitintervall gemessen
wird, das das Sendesignal – eine
ausgesendete elektromagnetische Welle – benötigt, um von dem Sender oder
der Einspeisequelle in die Leitung bis zu einer Beeinflussungsstelle
der Verzögerungsleitung
und zurück
zur Auswerteeinheit zu gelangen. Der hier genutzte physikalische
Effekt besteht darin, daß eine
elektromagnetische Welle überall
dort in einem Ausbreitungsmedium – hier in der Leitung – teilweise
reflektiert und teilweise transmittiert wird, wo die Materialeigenschaften,
also beispielsweise die Permitivität oder die Permeabilität eine Unstetigkeitsstelle
aufweisen oder wo der Induktivitätsbelag
oder der Kapazitätsbelag
der Anordnung – beispielsweise
durch eine geometrische Unstetigkeit – eine Unstetigkeitsstelle
aufweist.
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Bei
einem Füllstandschalter
besteht die Aufgabe natürlich
nicht darin, über
eine exakte Messung der Laufzeit den von dem hin- und zurücklaufenden Sendesignal
durchlaufenen Weg exakt zu bestimmen, vielmehr besteht das Interesse
hauptsächlich darin, über eine
an einem Impedanzsprung hervorgerufene Reflexion des Sendesignals
zu erkennen, ob das Sensorelement von dem Medium erreicht worden
ist oder nicht.
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Eine
Reflexion einer über
eine Leitung geführten
elektromagnetischen Welle ist praktisch mit jeder elektrischen Leitung
möglich,
auch ohne daß diese
speziell als Verzögerungsleitung
ausgestaltet ist. Bei dem erfindungsgemäßen Füllstandschalter ist die Leitung
als Verzögerungsleitung
ausgestaltet, um die zu messenden Zeitintervalle in einen handhabbaren,
also in einen meßtechnisch
verwertbaren Bereich zu überführen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Leitung zumindest
teilweise in einer flächigen
Konfiguration angeordnet, die ganz bevorzugt eine flächig dichte
Konfiguration ist, so daß die Verzögerungsleitung
insgesamt von ihrer geometrischen Ausdehnung her recht konzentriert
ist. Besonders vorteilhaft ist es zudem, wenn die Leitung insgesamt
aus einer Hinleitung und einer Rückleitung
besteht, wobei das eine Ende der Hinleitung und das eine Ende der
Rückleitung
mit dem Sender- und/oder der Auswerteeinheit verbunden bzw. verbindbar
sind. Derartige Leitungen haben einen – je nach Auslegung – vergleichsweise
großen
Induktivitäts- und/oder
Kapazitätsbelag,
so daß die
Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle auf einer
solchen Leitung vergleichsweise klein ist, denn die Ausbreitungsgeschwindigkeit
einer elektromagnetischen Welle auf einer Leitung entspricht dem Kehrwert
der Wurzel aus der Induktivität
pro Längeneinheit
und der Kapazität
pro Längeneinheit
dieser Leitung. In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn
das andere Ende der Hinleitung und das andere Ende der Rückleitung über Verbindungsmittel elektrisch
miteinander verbunden oder verbindbar sind. Durch geeignete Dimensionierung
dieses Verbindungsmittels läßt sich
beispielsweise erreichen, daß im
unbeeinflußten
Zustand der Leitung keine Reflexionen des Sensorsignals auftreten.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
flächige
Konfiguration der Leitung nach Art einer Spirale oder nach Art eines Mäanders oder
beispielsweise auch unter Verwendung von verbundenen Kreissegmenten
ausgestaltet. Diese Strukturen haben den Vorteil, daß eine verhältnismäßig lange
Leitung auf einer vergleichsweise kleinen Fläche realisiert werden kann,
wobei darauf zu achten ist, daß der
Verlauf so realisiert ist, daß sich
an Biegungen der Leitung keine unbeabsichtigten Reflexionen des
Sendesignals ergeben. Eine Spiralstruktur hat darüberhinaus
den Vorteil, das das er mittelte Meßsignal nur in sehr geringem
Umfang von der Einbaulage des Füllstandschalters
bzw. des Sensorelements abhängt.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Leitung
des Sensorelements auf oder in wenigstens einer Trägerschicht, insbesondere
einer planaren Trägerschicht,
realisiert, wobei es sich bei der Trägerschicht insbesondere um
eine Keramikschicht handelt, bevorzugt um eine Niedertemperatur-
oder eine Hochtemperatur-Einbrand-Keramik. Die Verwendung dieser
Leiterplattentechnologien bringt den Vorteil mit sich, daß beliebige
Leiterstrukturen mit geringem Aufwand gefertigt werden können, wobei
die entstehende Schichtkeramik hohen Festigkeitsanforderungen genügt.
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Die
vorgenannten Leiterplattentechnologien bieten insbesondere hinsichtlich
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung einen Vorteil, bei
der das Fenster durch eine dünne
dielektrische Schicht im elektrisch beeinflußbaren Bereich der Leitung
gebildet ist, insbesondere kann es sich dabei um eine Keramikschicht
handeln. Eine solche Schicht kann – beispielsweise durch eine
keramische Folie – extrem
dünn gefertigt
werden bei gleichzeitiger Realisierung eines hohen Schutzes gegen
Korrosion. In diesem Zusammenhang hat es sich auch als vorteilhaft
herausgestellt, eine Glasschicht zu verwenden.
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Durch
die erfindungsgemäße Realisierung eines
Fensters im Bereich der Verzögerungsleitung ist
es insbesondere möglich,
den Beeinflussungsbereich der Leitung durch das Medium stark einzuschränken, womit
die Laufzeitschwankung der zu erwartenden Reflexionssignale sehr
gering wird. Der Rahmen des Fensters kann insbesondere durch einen
weiteren mediumseitigen Auftrag auf die Oberfläche des Sensorelements realisiert
werden, insbesondere durch eine weitere Keramikschicht oder durch
mehrere weitere Keramikschichten.
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In
einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der
Rahmen des Fensters funktional dadurch gebildet, daß die im
Bereich des Fensters verlaufenden Teile der Leitung auf oder in
einer oberen Trägerschicht
vorgesehen sind und die jenseits des Fensters verlaufenden Teile
der Leitung auf oder in einer tieferen Trägerschicht vorgesehen sind. Diese
Ausgestaltung hat den Vorteil, daß mediumseitig eine ebene Abschlußfläche des
Sensorelements rea lisierbar ist bei gleichzeitig präziser Definition
des Fensters, durch das das Medium die Leitung beeinflussen kann.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß die
Leitung oder die Umgebung im Einflußbereich der Leitung wenigstens
eine elektrische Soll-Unstetigkeitsstelle aufweist. Diese Soll-Unstetigkeitsstelle
bildet einen Impedanzsprung und ruft eine gewollte Teilreflexion des
Sendesignals an immer gleicher Stelle hervor. Diese Soll-Reflexion an der
Soll-Unstetigkeitsstelle kann beispielsweise zu einer Funktionsprüfung des Füllstandschalters
bzw. des Sensorelements herangezogen werden, ist nämlich ein
Beleg dafür,
daß das Sendesignal – jedenfalls
bis zur Soll-Unstetigkeitsstelle – auf die Leitung und zurück gerät.
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Die
elektrische Soll-Unstetigkeitsstelle kann beispielsweise im Bereich
außerhalb
des Fensters vorgesehen werden, was eine gewisse zeitliche Beabstandung
des Soll-Reflexionssignals von einem durch eine Beeinflussung der
Leitung im Bereich des Fensters hervorgerufenen Reflexion des Sendesignals
gewährleistet.
Alternativ oder zusätzlich
kann die Soll-Unstetigkeitsstelle im Bereich innerhalb des Fensters
vorgesehen sein, hier insbesondere im Bereich des anderen Endes
der Hinleitung und des anderen Endes der Rückleitung. Durch eine solche elektrische
Soll-Unstetigkeitsstelle wird sichergestellt, daß die Funktionsfähigkeit
der gesamten Leitung feststellbar ist, wenn ein reflektiertes Sendesignal
zeitverzögert
wieder an dem eingangsseitigen Ende der Leitung auftritt.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind bzw.
ist auf der dem Medium abgewandten Seite des Sensorelements der
Sender und/oder die Auswerteeinheit angeordnet. Dies ist besonders
leicht zu realisieren, wenn die Trägerschicht eine Keramikschicht
ist, die in der LTCC- oder der HTCC-Technologie gefertigt ist (LTCC = Low Temperature
Cofired Ceramics; HTCC = High Temperature Cofired Ceramics). Hier
bietet es sich insbesondere an, den Sender und/oder die Auswerteeinheit
auf der dem Medium abgewandten Seite der Trägerschicht anzuordnen bzw.
auf oder in der dem Medium abgewandten äußersten Keramikschicht des Sensorelements.
Hier können
dann nicht nur elektronische Bauelemente in Leitertechnologie gefertigt wer den,
sondern auch beliebige Bauelemente, beispielsweise in SMD-Technologie,
aufgebracht und bestückt
werden.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die dem Medium abgewandte
Seite des Sensorelements von einem Gehäuse zumindest teilweise umgeben,
insbesondere von einem metallischen Gehäuse, was hinsichtlich der elektromagnetischen Abschirmung
aber auch hinsichtlich der Robustheit vorteilhaft ist.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung des Füllstandschalters ist auf oder
in der dem Medium zugewandten Außenseite des Sensorelements
eine Elektrodenstruktur zur Leitfähigkeitsmessung vorgesehen,
was die Einsetzbarkeit des Füllstandschalters insgesamt
erhöht.
Aufgrund der Leitfähigkeitsmessung
ist es möglich,
eine redundante Information über
den Beeinflussungszustand des Füllstandschalters
bzw. des Sensorelements des Füllstandschalters zu
erhalten. Ferner eignet sich die Elektrodenstruktur zur Leitfähigkeitsmessung
auch dazu, Anhaftungen an dem Sensorelement zu identifizieren. Für die Leitfähigkeitsmessung
hat es sich vorteilhaft herausgestellt, wenn die Elektrodenstruktur
insbesondere direkt von dem Medium kontaktierbar ist.
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Bei
einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung
ist auf oder in dem Sensorelement eine Antennenstruktur realisiert,
mit der elektromagnetische Wellen im wesentlichen in Richtung auf
das Medium abstrahlbar und elektromagnetischen Welle aus Richtung
des Mediums empfangbar sind, wobei die Antennenstruktur insbesondere als
Flachantenne mit gerichteter Strahlungscharakteristik ausgestaltet
ist, insbesondere als Panelantenne. Diese zusätzliche Antennenstruktur erlaubt
mit einfachen Mitteln zusätzliche
Informationen über
den Füllstand
in dem Behälter
zu erlangen und zwar sogar von einem Füllstand der unabhängig von
der Kontaktierung des Sensorelements durch das Medium ist. Durch
die Antennenstruktur kann auch ein Füllstand des Mediums ermittelt
werden, bei dem das Medium von dem Füllstandschalter noch über eine erhebliche
Distanz beabstandet ist, es können
also über
die durch die Leitung erzielbaren Informationen – Medium am Sensorelement vorhanden,
kein Medium am Sensorelement vorhanden – weitere Informationen erhalten
werden, die einerseits die Funktionalität des Füllstandsschalters über die
ursprüngliche Funktion
hinweg erweitern, die andererseits aber auch als redundante Informationen
genutzt werden können
und damit die Ausfallsicherheit und Funktionsüberprüfbarkeit des Füllstandschalters
erheblich erhöhen.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Antennenstruktur
mit der Leitung verbunden oder aber jedenfalls mit der Leitung verbindbar,
insbesondere über
schaltbaren Verbindungsmittel. In diesem Fall kann die Antennenstruktur über die
Leitung gespeist werden und kann das Empfangssignal der Antennenstruktur
auch wieder über
die Leitung zu der Auswerteeinheit geführt werden. Dadurch können zusätzliche
Kontaktierungen durch die Trägerschicht
eingespart werden, was besonders vorteilhaft ist, da diese Durchführungen hochfrequenztauglich
sein müssen
und daher besonders aufwendig und kostenintensiv herzustellen sind. Die
Antennenstruktur kann genau wie die Leitung auch auf der Trägerschicht
realisiert sein und von einer weiteren Schicht überzogen sein, wobei diese weitere
Schicht eine reine Schutzfunktion hat und elektrisch nicht wirksam
sein sollte, so daß die
Abstrahlung elektromagnetischer Wellen von der Antennenstruktur
nicht behindert wird. Vor allem Panelantennen lassen sich so leicht
realisieren, wobei Planar-Dipolantennen einfach dadurch herstellbar
sind, daß eine
geschlossene Reflexions-Leiterschicht, darüber – über eine dielektrische Schicht
beabstandet – mehrere
Dipol-Elemente und darüber – über eine weitere
dielektrische Schicht beabstandet – eine leitende Maske zur Formung
der elektromagnetischen Wellen angeordnet ist.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Füllstandschalter
sind der Sender und die Auswerteeinheit insbesondere so ausgestaltet,
daß die
Leitung mit einem elektromagnetischen Signal beaufschlagbar ist und/oder
die Antennenstruktur mit einem elektromagnetischen Signal beaufschlagbar
ist, die Laufzeit eines an einer Unstetigkeitsstelle der Leitung
reflektierten elektromagnetischen Signals bestimmt werden kann und/oder
die Laufzeit eines über
die Antennenstruktur abgegebenen, an dem Medium reflektierten und
von der Antennenstruktur wieder erfaßten elektromagnetischen Signals
bestimmt werden kann. Dabei wird aus der bestimmten Laufzeit das
Vorhandensein und gegebenenfalls die Beabstandung eines Mediums
ermittelt.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Sensorelement für einen Füllstandschalter der zuvor beschriebenen
Art, das der Detektion eines Mediums dient und eine Leitung zur
Führung
eines Sendesignals aufweist, wobei dieses Sensorelement mit einem
oder mit mehreren der zuvor beschriebenen Merkmale ausgestattet
ist.
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Im
einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Sende-
und Empfangsvorrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu
wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten
Patentansprüche, andererseits
auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung
mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
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1 ein
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Füllstandschalters
in Einbauposition in einem Behälter,
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2 die
mediumseitige Draufsicht auf den Füllstandschalter gemäß 1,
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3 die
mediumseitige Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Sensorelement mit meanderförmiger Leitung,
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4a, 4b die
mediumseitige Draufsicht und eine Schnittansicht eines weiteren
erfindungsgemäßen Sensorelements
mit spiralförmiger Leitung
und Fenster,
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5 den
Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Sensorelements
mit einer Leitung in zwei Trägerschichten,
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6 die
Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Sensorelement
mit einer Leitung mit elektrischer Soll-Unstetigkeitsstelle,
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7a, 7b das
Sensorelement gemäß 5 mit
zusätzlicher
Elektrodenstruktur zur Leitfähigkeitsmessung
und
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8a, 8b das
erfindungsgemäße Sensorelement
gemäß 4a, 4b mit
zusätzlicher Antennenstruktur.
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Die 1 und 2 zeigen
einen vollständigen
erfindungsgemäßen Füllstandschalter 1 zur
Erfassung des Füllstandes
eines – nicht
dargestellten – Mediums
in einem Behälter 2 mit
einem Sensorelement 3 zur Kontaktierung des Mediums, mit
einem Sender 4 zur Beaufschlagung des Sensorelements 3 mit
einem elektromagnetischen Sendesignal und mit einer Auswerteeinheit 5 zur
Erfassung eines Empfangssignals von dem Sensorelement 3,
wobei das Sensorelement 3 eine Leitung 6 zur Führung des Sendesignals
umfaßt.
In den anderen 3 bis 8 ist jeweils
ein erfindungsgemäßes Sensorelement 3 dargestellt,
wie es zur erfindungsgemäßen Realisierung
eines Füllstandschalters
benötigt
wird.
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Alle
dargstellten Füllstandschalter 1 bzw. Sensorelemente 3 zeichnen
sich dadurch aus, daß die
Leitung 6 des Sensorelements 3 als Verzögerungsleitung
ausgestaltet ist, das Sensorelement 3 ein in Einbauposition
des Füllstandschalters 1 dem Medium
zugewandtes Fenster 7 aufweist und wenigstens ein Teil
der Leitung 6 über
das Fenster von dem Medium elektrisch beeinflußbar ist.
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Im
Unterschied zu Füllstandmeßgeräten, die eine
Verzögerungsleitung
verwenden und nach dem Prinzip der Zeitbereichs-Reflektometrie arbeiten, kommt
es bei den dargestellten Füllstandschaltern 1 bzw.
Sensorelementen 3 für
Füllstandschalter 1 nicht darauf
an, daß die
Leitung 6 in die Meßrichtung
erstreckt ist, vielmehr ist beabsichtigt, die Leitung 6 auf einen
kleinen Bereich zu beschränken,
so daß ein definierter
Erfassungspunkt des Medium-Füllstandes möglich ist.
Die Verwendung einer Verzögerungsleitung
ist im wesentlichen darin begründet,
daß die
Erfassung von verzögerten
reflektierten Anteilen des Sendesignals einfacher möglich ist
als von unverzögert
ausgebreiteten Signalen, vor allem da der Abstand zwischen dem Sender 4 und
der Leitung 6 im Bereich des Fensters 7 extrem
kurz ist und die Erfassung von Signallaufzeiten von unverzögerten Signalen über diese
Distanz nur mit erheblichem meßtechnischen
Aufwand zu realisieren wäre.
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In
allen dargestellten Ausführungsbeispielen ist
die Leitung 6 in einer flächig dichten Konfiguration angeordnet,
wobei die Leitung 6 in allen dargestellten Ausführungsbeispielen – insbesondere
in 2 hervorgehoben – aus einer Hinleitung 6a und
einer Rückleitung 6b besteht,
wobei das eine Ende 8a der Hinleitung 6a und das
eine Ende 9a der Rückleitung 6b mit
dem Sender 4 verbunden ist, was im einzelnen jedoch nicht
dargestellt ist. Das andere Ende 8b der Hinleitung 6a und
das andere Ende 9b der Rückleitung 6b sind
jeweils über
ein Verbindungsmittel elektrisch miteinander verbunden, indem nämlich die
Leitung 6 in diesem Umkehrpunkt kontinuierlich ausgeführt ist.
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In
den 1, 2 und 3 bis 8 ist die Leitung 6 nach Art einer
Spirale ausgestaltet, wohingegen die Leitung 6 in 3 meanderförmig ausgestaltet
ist. In beiden Fällen
kann aufgrund der eng aneinanderliegenden Schlaufen der Leitung 6 auf
kleiner Fläche
eine erhebliche Länge
der Leitung 6 und damit eine erhebliche Verlängerung
der Signallaufzeit realisiert werden.
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In
den in den 1 bis 8 dargestellten
Ausführungsbeispielen
ist die Leitung 6 auf einer Trägerschicht 10 realisiert,
wobei diese aus einer Keramikschicht besteht, die in Niedertemperatur-Einbrand-Keramik-Technologie
hergestellt worden ist (LTCC). Vorteil dieser Technologie ist, daß auch bei verhältnismäßig großer Gesamtdicke
des Sensorelements 3 und gegebenenfalls des Fensters 7 dennoch sehr
dünne Schichten
zwischen der eigentlichen Leitung 6 des Sensorelements 3 und
dem Inneren des Behälters 2 hergestellt
werden können.
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In
allen Abbildungen ist das Fenster durch eine dünne dielektrische Schicht 11 im
elektrisch beeinflußbaren
Bereich der Leitung 6 gebildet, vorliegend nämlich durch
eine Keramikschicht. Im Fall der Ausführungsbeispiele gemäß den 1 bis 3 und 6 erstreckt
sich das Fenster 7 einfach über den Bereich, über den
sich Leitung 6 ausdehnt. Im Falle der in den 4 und 8 dargestellten
Ausführungsbeispielen
wird der Rahmen des Fensters 7 durch einen weiteren mediumseitigen
Auftrag 12, vorliegend nämlich durch Keramikschichten,
gebildet. Durch die Beabstandung des Mediums durch den Auftrag 12 von
der Leitung 6 ist das Sensorelement 3 in diesem
Bereich unempfindlich gegenüber kontaktierendem
Medium; der sensitive Bereich des Sensorelements 3 wird
einzig durch das Fenster 7 definiert.
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In
den Ausführungsbeispielen 5 und 7 wird das
Fenster dadurch gebildet, daß im
Bereich des Fensters 7 verlaufende Teile der Leitung 6 auf
oder in einer oberen Trägerschicht 10 vorgesehen
sind und jenseits des Fensters 7 verlaufende Teile der
Leitung 6 auf oder in einer tieferen Trägerschicht 13 vorgesehen
sind. Durch die Anordnung der Leitungen 6 in mehreren – vorliegend
zwei – Ebenen
läßt sich
die Beabstandung von Teilen der Leitung 6 von dem Medium
in gleicher Weise realisieren. Die in den 1, 2, 5 und 7 dargestellten Ausführungsbeispiele haben darüber hinaus
den Vorteil, daß die
mediumseitige Oberfläche
des Sensorelements 3 glatt ist und daher besonders einfach
zu reinigen ist bzw. bei einer geeigneten Beschichtung überhaupt
keine Angriffsfläche
für Mediumanhaftungen
bietet.
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Das
in 6 dargestellte Sensorelement 3 weist
eine Leitung 6 mit einer elektrischen Soll-Unstetigkeitsstelle 14 auf.
Bei dieser Soll-Unstetigkeitsstelle 14 wird ein Impedanzsprung
in der Leitung 6 durch eine geometrische Unregelmäßigkeit
im Leitungsverlauf erzielt. Diese elektrische Soll-Unstetigkeitsstelle 14 sorgt
dafür,
daß ein
Teil des Sendesignals reflektiert wird. Dieses reflektierte Sendesignal kann
beispielsweise zu einer eigenständigen
Fehlerdiagnose bzw. Funktionsüberwachung
des Füllstandschalters 1 dienen.
Bei dem Sensor 3 gemäß 6 ist
die Soll-Unstetigkeitsstelle 14 am Ende der Leitung 6 vorgesehen,
was den Vorteil hat, daß die
gesamte Länge
der Leitung 6 funktionsüberwacht
werden kann.
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Andere – hier nicht
dargestellte – Ausführungsbeispiele
weisen derartige Soll-Unstetigkeitsstellen
im Bereich außerhalb
des Fensters auf, wodurch zwar nicht die gesamte Leitungslänge überwachbar
ist, aber beispielsweise Reflexionen der Soll-Unstetigkeitsstelle
unterschieden werden können
von Reflexionen des Sendesignals, die durch Medium im beeinflußbaren der
Leitung verursacht worden sind.
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Bei
dem Füllstandschalter 1 gemäß 1 sind
der Sender 4 und die Auswerteeinheit 5 auf der dem
Medium abgewandten Seite des Sensorelements 3 angeordnet,
nämlich
auf der dem Medium abgewandten äußersten
Keramikschicht 15. Dies hat den Vorteil, daß kein separates
Trägermedium
für die elektronische
Beschaltung des Sensorelements 3 vorgesehen werden muß. Bei dem
Ausführungsbeispiel
gemäß 1 sind
der Sender 4 und die Auswerteeinheit 5 als separate
Bauteile dargestellt, dies ist jedoch nicht zwingend. Vielmehr sind
ohne weiteres andere Ausführungsbeispiele
denkbar, bei denen der Sender und die Auswerteeinheit als ein einziges integriertes
elektronisches Bauteil ausgeführt
sind oder bei denen der Sender und/oder die Auswerteeinheit aus
mehreren diskreten Bauelementen bestehen bzw. besteht.
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In 1 ist
ferner dargestellt, daß die
dem Medium abgewandte Seite des Sensorelements 3 von einem
Gehäuse 16 umgeben
ist, wobei es sich bei dem Gehäuse 16 um
ein metallisches Gehäuse handelt.
Der Zwischenraum zwischen der dem Medium abgewandten Seite des Sensorelements 3 und dem
Gehäuse 16 ist
mit einer aushärtenden
Vergußmasse 17 vergossen,
wobei diese Vergußmasse 17 ein
elektrisch isolierendes Gießhartz
ist. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß der Füllstandschalter 1 bzw.
das Sensorelement 3 extrem druckresistent ist, da sich
das Sensorelement 3 bei der Beaufschlagung mit den durch
das Medium übertragenen
Druckkräften über die
Vergußmasse 17 auf
dem Gehäuse 16 abstützen kann.
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Bei
dem Sensorelement 3 gemäß den 7a, 7b ist
auf der dem Medium zugewandten Außenseite des Sensorelements 3 eine
Elektrodenstruktur 18 zur Leitfähigkeitsmessung vorgesehen,
wobei diese Elektrodenstruktur 18 außerhalb des Fensters 7 vorgesehen
ist und direkt von dem Medium kontaktierbar ist. Die Elektrodenstruktur 18 besteht
aus interdigitierenden, eng benachbarten Leiterbahnen, so daß nur geringe
Spannungen nötig sind,
um ein geeignetes Feststellungssignal für die Leitfähigkeit zu erhalten. In der
Figur ist nicht weiter dargestellt, wie die Elektrodenstruktur 18 weiter
angeschlossen ist, dies ist vorliegend auch nicht von Belang.
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Bei
den Ausführungsbeispielen
gemäß den 8a, 8b ist
auf dem Sensorelement 3 eine Antennenstruktur 19 realisiert,
mit der elektromagnetische Wellen in Richtung auf das Medium abstrahlbar
und elektromagnetische Wellen aus Richtung des Mediums empfangbar
sind, wobei die Antennenstruktur 19 als Panelantenne ausgestaltet
ist mit einer vergleichsweise guten, gerichteten Strahlungscharakteristik.
In 8b ist der auf mehrere Keramikschichten verteilte
Aufbau der Antennenstruktur 19 zu erkennen, wobei über einem
unteren metallischen Reflektor eine Schicht aus mehreren Dipol-Elementen
folgt und auf diese Schicht eine daran angepaßte metallische Maske folgt,
wobei diese drei Schichten jeweils durch eine Keramikschicht voneinander
beabstandet sind. Mit dem Sensorelement gemäß 8a und 8b ist
in gewissen Grenzen eine Messung des Abstands des Sensorelements 3 von dem
Medium möglich.
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Insgesamt
stellen sowohl die Elektrodenstruktur 18 gemäß 7a, 7b als
auch die Antennenstruktur 19 gemäß 8a, 8b Maßnahmen
dar, mit deren Hilfe eine redundante Erfassung des Mediums möglich ist.
Dies erhöht
in ganz erheblichem Maße
die Ausfallsicherheit und die Selbsttestmöglichkeiten der so ausgestatteten
Füllstandschalter
bzw. der so ausgestatteten Sensorelemente 3. Selbstverständlich lassen
sich alle Maßnahmen
auch in einem einzigen Sensorelement 3 kombinieren.
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Insgesamt
sind der Sender 4 und die Auswerteeinheit 5 so
ausgestaltet, daß die
Leitung 6 mit einem elektromagnetischen Signal beaufschlagbar ist
und – im
Fall des Ausführungsbeispiels
gemäß 8a, 8b – die Antennenstruktur 19 mit
einem elektromagnetischen Signal beaufschlagbar ist und die Laufzeit
eines an einer Unstetigkeitsstelle der Leitung 6 reflektierten
elektromagnetischen Signals bestimmt werden kann und/oder die Laufzeit
eines über die
Antennenstruktur 19 abgegebenen, an dem Medium reflektierten
und von der Antennenstruktur 19 wieder erfaßten elektromagnetischen
Signals bestimmt werden kann.