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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kapazitiven Messung eines
Füllstands oder eines Pegels eines Mediums mit einem langgestreckten
Sensor zum Erzeugen eines elektrischen Feldes.
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Vorrichtungen
zur kapazitiven Messung eines Füllstandes sind bekannt
und weisen zwei langgestreckte Elektroden auf, zwischen denen ein
elektrisches Feld erzeugt wird. Eine erste Elektrode ist als Tauchelektrode
beispielsweise stabförmig ausgebildet und erstreckt sich
in einen Behälter hinein. Eine zweite, von der ersten Elektrode
beabstandete Elektrode kann beispielsweise durch eine elektrisch
leitfähige Behälterwand gebildet sein. Je nach
dem Füllstand und somit der Eintauchtiefe der ersten Elektrode
in ein zu messendes Medium verändert sich die Kapazität
zwischen den beiden Elektroden. Mittels Auswertung dieser Kapazität
kann ein Füllstand im Behälter erfasst werden.
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Bei
aggressiven, explosionsgefährdeten oder stark korrosiven
Medien kann die kapazitive Messung eines Füllstands problematisch
oder gar ausgeschlossen sein. Das Eintauchen der Elektroden in das
zu messendes Medium bedingt in jedem Fall eine gegenüber
dem zu messenden Medium beständige Ausführung
der Elektroden.
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Aus
der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2008 005 783.5 ,
deren Inhalt durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung eingeschlossen
ist, ist ein kapazitiver Sensor bekannt, der gegen Umwelteinflüsse
unempfindlich und in besonderer Weise für den Einsatz mit
der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
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Mit
der Erfindung soll eine einfache und funktionssichere Vorrichtung
zur Messung eines Füllstands oder eines Pegels eines Mediums
geschaffen werden.
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Erfindungsgemäß ist
hierzu eine Vorrichtung zur kapazitiven Messung eines Füllstands
oder eines Pegels eines Mediums mit einem langgestreckten Sensor
zum Erzeugen eines elektrischen Feldes vorgesehen, bei der der Sensor
wenigstens zwei langgestreckte Elektroden aufweist, die zur Anordnung außerhalb
des Mediums vorgesehen und zur Erzeugung eines elektrischen Feldes
geeignet sind, das wenigstens abschnittsweise das Medium durchquert.
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Erfindungsgemäß werden
zwei langgestreckte Elektroden somit außerhalb des Mediums vorgesehen
und beispielsweise auf die Außenseite eines Behälters
aufgebracht. Das zu messende Medium steht damit nicht in Kontakt
mit den Sensorelektroden, so dass der Füllstand auch bei
aggressiven Medien problemlos erfasst werden kann. Eine Trennwand
zwischen den Elektroden und dem zu erfassenden Medium darf selbstverständlich
nicht elektrisch leitfähig sein, so dass das von den beiden
Elektroden erzeugte elektrische Feld ausgehend von der ersten Elektrode
zunächst die Trennwand durchdringen, das Medium durchqueren,
die Trennwand erneut durchdringen und zur zweiten Elektrode gelangen kann.
Kunststoffbehälter sind hierfür gut geeignet. Soll
beispielsweise ein Pegel in einem sehr großen Flüssigkeitstank
oder beispielsweise auch an einem See erfasst werden, so können
die zwei langgestreckten Elektroden auch an der Innenseite eines nicht
elektrisch leitfähigen Hüllrohres angeordnet werden,
das dann in die zu erfassende Flüssigkeit getaucht wird.
Alternativ ist auch die Anordnung der beiden langgestreckten Elektroden
parallel zum Flüssigkeitsspiegel und im Abstand hierzu
möglich. Sinkt der Flüssigkeitsspiegel, ändert
sich der Abstand zwischen Flüssigkeitsspiegel und Elektroden,
so dass sich auch das elektrische Feld verändert und die
Veränderung des Flüssigkeitsspiegels erfasst werden kann.
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In
Weiterbildung der Erfindung sind die wenigstens zwei Elektroden
in ein extrudiertes Kunststoffprofil integriert.
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Auf
diese Weise kann ein kostengünstiges und auch in beliebigen
Längen verfügbares Sensorelement geschaffen werden.
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In
Weiterbildung der Erfindung sind die wenigstens zwei Elektroden,
eine Auswerteeinheit, eine Steuereinheit und/oder eine Anzeigeeinheit
in ein Sensorgehäuse integriert.
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Auf
diese Weise kann beispielsweise das Sensorgehäuse einfach
außen auf einen Behälter aufgeklebt werden und
an einer Anzeigeeinheit des Sensorgehäuses kann dann der
Füllstand abgelesen werden. Die wenigstens zwei Elektroden,
die Auswerteeinheit, eine Steuereinheit und/oder eine Anzeigeeinheit
können beispielsweise auch in die Wandung eines Behälters
integriert werden, beispielsweise beim Herstellen eines Kunststoffbehälters
mit eingespritzt werden. Beispielsweise können Waschwasserbehälter
oder Bremsflüssigkeitsbehälter bei Kraftfahrzeugen
in ihrer Wandung mit den Sensorelektroden sowie zusätzlich
einer Auswerteeinheit versehen werden. Es sind dadurch keine separa ten
Sensoren mehr erforderlich und die Sensorelektroden sind gut gegen
Umwelteinflüsse geschützt.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist eine Treiber-/Auswerteeinheit vorgesehen,
die Mittel zum Anlegen eines elektrischen Potentials an eine erste
der beiden Elektroden und Mittel zum Messen einer Kapazität
zwischen einer zweiten der beiden Elektroden und einem weiteren,
auf einem Bezugspotential liegenden Element aufweist.
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Erfindungsgemäß wird
somit nicht die Kapazität zwischen den zwei Elektroden
des Sensors, sondern eine Kapazität gegen ein Bezugspotential, beispielsweise
Masse, erfasst. Das Bezugspotential kann dabei beispielsweise eine
dritte, zusätzlich anzubringende Elektrode oder ein sonstiges,
elektrisch leitfähiges Element sein. Die Verwendung von
zwei, im Wesentlichen auf demselben elektrischen Potential liegenden
Elektroden, bietet erhebliche Vorteile bei einer Kapazitätsmessung,
da Störeinflüsse durch unbeabsichtigte Benetzung
der Behälterinnenwand oder auch des Sensors selbst wesentlich
reduziert werden können. Eine erste Elektrode wird mit
einem Sensorsignal beaufschlagt und durch die kapazitive Wirkung
zwischen der ersten und der zweite Elektrode wird die zweite Elektrode
im Wesentlichen auf demselben elektrischen Potential mitgeführt.
Sowohl die erste als auch die zweite Elektrode senden damit ein
Sensorsignal aus, das zur Bestimmung der Kapazität gegen
Masse und damit eines Füllstandes verwendet werden kann.
Bei niederohmiger Anbindung der ersten Elektrode an die Treiber-/Auswerteeinheit und
bei hochohmiger Anbindung der zweiten Elektrode an die Treiber-/Auswerteeinheit
lassen sich Störeinflüsse durch Benetzung oder
sonstige Anwesenheit elektrisch leitfähiger Materialien
wesentlich reduzieren. Vorteilhafterweise werden die wenigstens zwei
Elektroden mit einem Wechselstromsignal beaufschlagt.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen
und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Einzelmerkmale der unterschiedlichen
in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen können
dabei in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden, ohne den
Rahmen der vorliegenden Erfindung zu überschreiten. In
den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur kapazitiven Messung eines Füllstands,
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2 eine
abschnittsweise Schnittansicht der Vorrichtung der 1,
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3 eine
abschnittsweise Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung,
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4 eine
dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
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5 eine
Darstellung eines Sensorgehäuses der Vorrichtung der 4,
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6 eine
Darstellung eines Sensorgehäuses gemäß einer
vierten Ausführungsform der Erfindung,
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7 eine
abschnittsweise Schnittansicht einer fünften Ausführungsform
der Erfindung,
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8 eine
Darstellung einer sechsten Ausführungsform der Erfindung,
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9 ein
Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Erfassung von kapazitiven Änderungen,
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10 ein
Blockschaltbild gemäß 9, wobei
die Summationswiderstände durch Impedanzwandler ersetzt
sind,
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11 eine
abschnittsweise Schnittansicht einer siebten Ausführungsform
der Erfindung und
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12 eine
abschnittsweise Schnittansicht einer achten Ausführungsform
der Erfindung.
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In
der Darstellung der 1 ist eine Vorrichtung 10 zur
Erfassung eines Füllstandes in einem Behälter 12 dargestellt.
Neben dem Behälter 12 weist die Vorrichtung einen
Sensor 14 auf, der in Form einer langgestreckten Leiste
ausgebildet ist. In dem Sensor 14 sind zwei langgestreckte,
elektrisch voneinander isolierte und selbst elektrisch leitfähige Elektroden
angeordnet, die nach Anlegen entsprechender Potentiale zwischen
sich ein elektrisches Feld erzeugen können. Der Sensor 14 ist
auf die Außenwand des Behälters 12 aufgebracht,
beispielsweise aufgeklebt. Der Sensor 14 steht elektrisch
mit einer Treiber-/Auswerteeinheit 16 in Verbindung, in der
eine Änderung des elektrischen Feldes und somit eine Änderung
der Kapazität zwischen den beiden Elektroden und Masse
erfasst und ausgewertet wird. Als Masseelektrode kann dabei eine
zusätzliche, dritte Elektrode 13 dienen oder sonstige
elektrisch leitfähigen Elemente in der Umgebung des Behälters 12. Ein
entsprechender Messwert wird von der Treiber-/Auswerteeinheit 16 an
eine Steuereinheit 18 weitergegeben, mittels der der Messwert
dann in eine Füllstandsangabe umgesetzt und auf einer Anzeigeeinheit 20 angezeigt
wird. Eine Anschlussleitung 22 dient zur elektrischen Versorgung
der Treiber-/Auswerteeinheit 16, der Steuereinheit 18 sowie
des Sensors 14. Die beiden Elektroden im Sensor 14 befinden
sich bei einer Messung der Kapazität gegen die dritte Elektrode 13 ohne
kapazitiven Einfluss eines Mediums im Behälter im Wesentlichen
auf demselben elektrischen Potential und eine der Elektroden im Sensor 14 wird
mit einem Wechselstromsignal beaufschlagt.
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Der
Behälter 12 muss wenigstens im Bereich des Sensors
aus elektrisch nicht leitfähigen Material ausgebildet sein,
so dass ein von den Elektroden im Sensor 14 erzeugtes elektrisches
Feld ausgehend von der ersten oder zweiten Elektrode die Behälterwand
durchdringen, dann wenigstens abschnittsweise das zu erfassende
Medium durchqueren und dann erneut die Behälterwand durchdringen
kann, um von den beiden Elektroden zur dritten Elektrode 13 zu
gelangen.
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In
der Darstellung der 2 ist schematisch der prinzipielle
Aufbau des Sensors 14 dargestellt. In einem elektrisch
nicht leitfähigen Kunststoffmaterial sind eine erste Elektrode 24 und
eine zweite Elektrode 26 eingebettet. Der Sensor 14 kann
beispielsweise durch Extrusion hergestellt werden und die beiden Elektroden 24, 26 sind
als Koextrudate aus elektrisch leitfähigem Kunststoff hergestellt.
Die erste Elektrode 24 ist niederohmig an die Treiber-/Auswerteeinheit 16 angebunden,
wohingegen die zweite Elektrode 26 hochohmig an die Treiber-/Auswerteeinheit 16 angebunden
ist. Die erste Elektrode 24 wird mit einem Wechselstromsignal
gespeist und aufgrund der Kapazität zwischen den beiden
Elektroden 24, 26 folgt die zweite Elektrode 26 dem
Signalverlauf an der ersten Elektrode 24. Die zweite Elektrode 26 wird
somit das Wechselstromsignal in Richtung der Wand des Behälters 12 und
somit auch in dessen Innenraum abstrahlen. Die elektrischen Feldlinien
verlaufen dabei von der ersten Elektrode 24 als auch der
zweiten Elektrode 26 zu Masse, beispielsweise zu der in 1 dargestellten
Masseelektrode 13. Eine Veränderung der Kapazität
zwischen der zweiten Elektrode 26 und der Masseelektrode 13 wird
mittels der Treiber-/Auswerteeinheit erfasst. Da die zweite Elektrode 26 kapazitiv
an die erste Elektrode 24 angekoppelt ist, können
Störeinflüsse durch Feuchtigkeit auf dem Sensorgehäuse 14 oder
auch durch eine Benetzung der Wand des Behälters 12 im
Innenraum vermieden werden. Solche Schichten aus elektrisch leitfähiger Flüssigkeit,
beispielsweise Wasser, werden nämlich in ähnlicher
Weise wie die zweite Elektrode 24 auf dem elektrischen
Potential der beiden Elektroden 24, 26 gehalten
und führen damit nicht zu einer wesentlichen Veränderung
des von der zweiten Elektrode 26 ausgehenden Feldlinienbildes.
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Auf
der der Behälterwand abgewandten Rückseite der
Elektroden 24, 26 kann ein Abschirmelement vorgesehen
sein. Da die Elektrode 24 aber niederohmig an einen Signaltreiber
in einer Steuereinheit angeschlossen ist, ist ein eventueller Masseeinfluss
an der Elektrode 24 unkritisch und ein Abschirmelement
ist nicht unbedingt erforderlich. Tatsächlich kann eine
Masseelektrode hinter der Elektrode 24, siehe 12,
die erfindungsgemäße Vorrichtung sogar verbessern.
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Elektrische
Feldlinien werden sich ausgehend von den Elektroden 24, 26 in
den Innenraum des Behälters 12 hinein erstrecken
und je nach Füllstand somit auch das Medium durchqueren.
Sinkt nun der Füllstand, so ändert sich der Verlauf
der elektrischen Feldlinien, da sich das Medium zwischen der Elektrode 26 und
der Masseelektrode 13 und somit eine Kapazität
zwischen diesen Elektroden 13, 26 ändert,
die Kapazität zwischen den Elektroden 24, 26 im
Sensor aber dahingegen gleich bleibt. Diese Änderung der
Kapazität bzw. des Verhältnisses der Kapazitäten
kann mittels der Treiber-/Auswerteeinheit 16 erfasst werden.
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Die
Darstellung der 3 zeigt eine weitere Ausführungsform
der Erfindung, wobei abschnittsweise eine Behälterwand 28 dargestellt
ist, in die ein Sensor 30 mit zwei Sensorelektroden 32, 34 integriert
ist. Die Darstellung der 3 zeigt eine Schnittansicht
durch die Wand des Behälters 28 parallel zu einem
Flüssigkeitsspiegel in diesen Behälter.
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Eine
weitere Ausführungsform der Erfindung ist in 4 dargestellt.
Ein Tauchrohr 36, das an seiner Unterseite verschlossen
ist, erstreckt sich hierbei abschnittsweise in ein Medium, dessen
Flüssigkeitsspiegel mit 38 bezeichnet ist. Auf
der Innenseite des Tauchrohres 36 und somit nicht mit dem
Medium in Berührung stehend ist ein Sensor 40 angeordnet,
der in gleicher Weise wie der Sensor 14 der 1 aufgebaut
ist. Sinkt der Flüssigkeitsspiegel 38, so verändert
sich die Kapazität zwischen dem Sensor 40 und Masse,
so dass eine Änderung des Flüssigkeitsspiegels 38 erfasst
werden kann. Die Ausführungsform der 4 eignet
sich beispielsweise zur Erfassung eines Flüssigkeitsspiegels
in großen Tanks oder auch in Seen und Flüssen.
Für die Füllstandserfassung in Behältern
aus Metall wird der Sensor 40 im Abstand zur Behälterwand
beispielsweise in dessen Mitte, angeordnet und die Behälterwand
wird auf Masse oder ein Bezugspotential gelegt. Feldlinien bilden
sich dann vom Sensor 40 zur Behälterwand aus und
ein Füllstand kann erfasst werden.
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Die
Darstellung der 5 zeigt erneut den Sensor 40 der 4,
wobei an und für sich nicht sichtbare Bestandteile des
Sensors 40 gestrichelt dargestellt sind. Wie bereits ausgeführt
wurde, sind im Inneren des Sensors wenigstens zwei voneinander beabstandete
langgestreckte Elektroden 42 angeordnet. Darüber
hinaus ist in das Gehäuse des Sensors 40 aber
auch noch eine Treiber-/Auswerteeinheit 44 integriert.
Der Sensor 40 kann damit in besonders einfacher Weise auf
die Innenseite des Tauchrohres 36 geklebt werden und an
einem Anschlusskabel 46 kann dann ein Messwert für
die Kapazität zwischen den beiden Elektroden 42 oder
zwischen den beiden Elektroden und Masse abgegriffen werden.
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Die
Darstellung der 6 zeigt einen Sensor 48 gemäß einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung. In dem Sensorgehäuse 50 des
Sensors 48 sind dabei wenigstens zwei langgestreckte Elektroden 52,
eine Trei ber-/Auswerteeinheit 54, eine Steuereinheit 56 sowie
eine Anzeigeeinheit 58 integriert. Über ein Anschlusskabel 60 wird
der Sensor 48 mit elektrischer Energie versorgt. Der Sensor 48 stellt damit
eine in sich abgeschlossene Vorrichtung zur Erfassung des Füllstandes
dar, abgesehen davon, dass gegebenenfalls eine Kapazität
zwischen den beiden Elektroden 52 und einer nicht dargestellten Masseelektrode
erfasst wird. Der Sensor 48 kann beispielsweise auf die
Außenseite eines elektrisch nicht leitfähigen
Behälters aufgeklebt werden oder in die Wand eines Kunststoffbehälters
eingespritzt werden. Nach Versorgung mit elektrischer Energie kann dann
auf der Anzeigeeinheit 58 der Füllstand abgelesen
werden.
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Die
Darstellung der 7 zeigt eine abschnittsweise
Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Ein Behälter 62 ist auf seiner Außenwand
mit zwei Sensorelementen 64, 66 versehen. Das
Sensorelement 64 weist zwei Elektroden 67 bzw. 68 auf
und das Sensorelement 66 weist eine Elektrode 70 auf.
Um ein elektrisches Feld zu erzeugen, wird an die Elektrode 67 ein
erstes elektrisches Potential angelegt. Die zweite Elektrode 68 des
Sensorelements 64 ist kapazitiv an die erste Elektrode 67 angekoppelt
und liegt damit im Wesentlichen auf demselben elektrischen Potential.
Die Elektrode 70 des Sensorelements 66 wird auf
einem unterschiedlichem elektrischen Bezugspotential gehalten, beispielsweise
auf Massepotential. Der Behälter 62 ist aus elektrisch
nicht leitfähigen Material, so dass sich Feldlinien zwischen
den Elektroden 67, 68, 70 auch in das
Innere des Behälters hinein erstrecken können,
so dass eine Erfassung des Füllstandes innerhalb des Behälters 62 über
eine Kapazitätsmessung zwischen den Elektroden 67, 68, 70 möglich
ist.
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Eine
weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt schematisch
die 8. Ein Behälter 72 ist auf seiner
Außenseite mit einem Sensorelement 74 und einer
kombinierten Schnittstellen-/Auswerteeinheit 76 versehen.
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Die
Schnittstellen-/Auswerteeinheit 76 sorgt zum einen für
eine Versorgung der Elektroden im Sensorelement 74 mit
unterschiedlichen elektrischen Potential und für eine Messung
der Kapazität zwischen den beiden Elektroden und Masse
sowie der Auswertung dieser Messung. Die Schnittstelle-/Auswerteeinheit 76 stellt
darüber hinaus eine drahtlose Verbindung zu einer Steuereinheit 78 her,
beispielsweise mittels Funk oder Infrarot, und übermittelt
auf diese Weise die ermittelten Messergebnisse. Die Steuereinheit 78 steuert
dann eine Anzeigeeinheit 80 an, um das Messergebnis anzuzeigen.
Die Schnittstellen-/Auswerteeinheit 76 kann entweder mit einem Energiespeicher,
beispielsweise in Form eines Kondensators oder eines Akkumulators,
versehen sein oder auch über eine Zuleitung mit einer Energieversorgung
verbunden sein. Die Ausführungsform der 8 ermöglicht
es in jedem Fall, eine Füllstandserfassung an Behältern
vorzunehmen, die relativ zu einer Anzeigeeinheit beweglich sind.
Dabei kann entweder der Behälter 72 ortsfest sein
und die Steuereinheit 78 mit der Anzeigeeinheit 80 wird
in einem mobilen Gerät getragen, so dass beispielsweise
ein Bediener durch einfaches Vorbeilaufen an mehreren Behältern 72 jeweils
deren Füllstand erfassen kann. Umgekehrt ist es auch möglich,
dass die Behälter 72 beweglich sind, beispielsweise
auf einem beweglichen Teil einer Produktionsanlage, wobei der Füllstand
dieser Behälter an einer stationär angeordneten
Anzeigevorrichtung abgelesen werden kann.
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Beispielhafte
Schaltbilder für die Treiber-Auswerteeinheit 16 sind
in den 9 und 10 dargestellt,
die die Wirkungsweise der Erfindung bzw. der Treiber-Auswerteeinheiten
verdeutlichen sollen. In den Darstellungen der 9 und 10 ist die
Treiber-Auswerteschaltung jeweils mit 5.0 bezeichnet. Eine
erste Elektrode ist mit der Bezugsziffer 1.5 bezeichnet
und eine zweite Elektrode ist mit der Bezugsziffer 1.3 bezeichnet.
Anstelle der in den 9 und 10 dargestellten
Anordnung der beiden Elektroden 1.3 und 1.5 können
diese beispielsweise in einer Anordnung vorgesehen werden, wie sie
in den 2 und 3 der vorliegenden Anmeldung
gezeigt ist. An der Funktionsweise der Erfindung und speziell an
der Funktionsweise der Treiber-/Auswerteeinheit 5.0 ändert
dies nichts. In Bezug auf die 9 und 10 werden
im Zusammenhang mit 10 lediglich die von der Treiber-/Auswerteschaltung 5.0 der 9 verschiedenen
Elemente detailliert erläutert. Im Übrigen sind
Elemente, die mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, identisch oder
zumindest funktionell gleich.
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In
der Treiber-/Auswerteschaltung 5.0 liefert ein Taktgenerator 5.8 ein
erstes Taktsignal 5.13 an einen ersten Amplitudenregler 5.10 und
ein zweites, invertiertes Taktsignal 5.12 an einen zweiten
Amplitudenregler 5.9. Der niederohmige Ausgang des ersten Amplitudenreglers 5.10 ist
an das erste leitfähige Element 1.5 angeschlossen.
Dieses überträgt aufgrund kapazitiver Effekte
das erste Taktsignal 5.13 auf das zweite leitfähige
Element 1.3. Über den hochohmigen Summationswiderstand 5.4 wird
das Signal des zweiten leitfähigen Elementes 1.3 auf
den Eingang des Wechselspannungsverstärkers 5.5 gegeben. Das
zweite, zum ersten Taktsignal 5.13 invertierte Taktsignal 5.12 wird über
den zweiten Amplitudenregler 5.9 auf die Referenzreihenkapazität 5.1 und über
einen zweiten, hochohmigen Summationswiderstand 5.2 auf
den Eingang des Wechselspannungsverstärkers 5.5 gegeben.
Die Referenzreihenkapazität 5.1 sollte in etwa
die gleiche Größe wie die Kapazität der
leitfähigen Elemente 1.5 und 1.3 zueinander aufweisen.
Eine auftretende Kapazität des ersten leitfähigen
Elements 1.3 gegenüber der Umgebung kann durch
den Parallelkondensator 5.3 ausgeglichen werden. Die Summationswiderstände 5.2 und 5.4 sollten
vorzugsweise hochohmig sein und gleiche Werte aufweisen.
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Bei
entsprechender Amplitudenregelung heben sich die zuvor summierten
Taktsignale 5.12 und 5.13 am Eingang des vorzugsweise
als Wechselspannungsverstärker ausgebildeten Verstärkers 5.5 auf.
Da der Verstärker 5.5 am Eingang im Idealfall nach
dem gegenseitigen Auslöschen der Taktsignale lediglich
Rauschen sieht, kann er sehr hoch verstärken bzw. als hochverstärkender
Begrenzerverstärker ausgeführt werden.
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Das
Ausgangssignal 5.14 des Verstärkers 5.5 wird
dem Synchrondemodulator 5.6 zugeführt. Die den
beiden Taktsignalen 5.12 und 5.13 zuordenbaren
Ausgangssignale des Synchrondemodulators 5.6 werden vom
integrierenden Komparator 5.7 auf Amplitudenunterschiede
untersucht. Der Komparator kann als hochverstärkende Vergleicherschaltung ausgeführt
sein. Jede noch so kleine Abweichung der Eingangsspannungen 5.15 und 5.17 führt
zu einer entsprechenden Abweichung des Regelwertes 5.16 vom
momentanen Wert. Die Amplitudenregler 5.9 und 5.10 werden
mittels Invertierstufe 5.11 gegeneinander mit dem Regelwert 5.16 invertiert
angesteuert. Steigt die Ausgangsamplitude eines Amplitudenreglers
an, so fällt sie im anderen entsprechend ab. Somit wird
das Eingangssignal des Wechselspannungsverstärkers 5.5 ständig
auf „0” gehalten, d. h., es sind keinerlei taktsynchrone
Signalanteile enthalten.
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Ändert
sich beispielsweise der Füllstand im Behälter 12 der 1,
verändert sich die Kapazität des zweiten leitfähigen
Elements 1.3 gegenüber der dritten Elektrode 13,
siehe 1. Die zusätzliche Elektrode 13 würde
in den Schaltbildern der 9 und 10 dem
Bezugspotential Masse entsprechen. Diese zusätzliche Kapazität
wirkt zusammen mit der Kapazität zwischen den leitfähigen
Elementen 1.5 und 1.3 ähnlich einem kapazitiven
Spannungsteiler und die Spannung am Element 1.3 nimmt entsprechend
ab. Diese Abnahme führt am Eingang des Verstärkers 5.5 zur
unvollständigen Auslöschung der Taktsignale 5.12 und 5.13.
Nach der Synchrondemodulation im Synchrondemodulator 5.6 und
Auswertung der Abweichung der Unterschiede in den separierten Signalanteilen
der Eingangsspannungen 5.15 und 5.17 führt
dies zu einer Abweichung des Regelwertes 5.16. Dieser Regelwert 5.16 kann
dann für die Anzeige eines Füllstandes herangezogen
werden. Erhöht sich beispielsweise der Füllstand,
verändert sich der Regelwert 5.16 hin zu einem
höheren Regelwert. Die Abweichung im Regelwert 5.16 wird so
lange gegenüber einem vorherigen Wert ansteigen bzw. abfallen,
bis sich wieder am Eingang des Wechselspannungsverstärkers 5.5 das
Taktsignal 5.13 und das invertierte Taktsignal 5.12 vollständig aufheben.
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Im Übrigen
können die in 9 gezeigten Summationswiderstände 5.2 bzw. 5.4 auch
durch Kondensatoren bzw. Reihenschaltungen aus Widerstand und Kondensator
ersetzt werden. Vorteilhaft können die Summationswiderstände 5.2 und 5.4 gemäß 9 auch
durch Impedanzwandler 6.3 bzw. 6.4 mit hochohmigem
Eingang ausgeführt werden, wie dies in 10 dargestellt
ist. Durch die aktive Beschaltung wird das Nutzsignal am zweiten
leitfähigen Element 1.3 nicht belastet.
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Die
schematische Schnittansicht der 11 zeigt
eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung 80 zur kapazitiven Messung eines Füllstandes.
Die Vorrichtung 80 weist einen Sensor 82 mit einer
ersten Elektrode 84 und einer zweiten Elektrode 86 auf,
die in ein Gehäuse 88 aus nicht leitfähigem
Kunststoff eingebettet sind. Das Gehäuse 88 ist
außen auf eine Behälterwand 90 aus elektrisch nicht
leitfähigen Material aufgesetzt. In Verbindung mit der
anhand der 9 oder 10 erläuterten Steuereinheit
wird die erste Elektrode 84 niederohmig an diese Steuereinheit
angebunden und mit einem Signal, beispielsweise einem Wechselstromsignal,
beaufschlagt. Dieses Signal wird von der ersten Elektrode 84 ausgesendet
und führt zur Ausbildung eines elektrischen Feldes, das
sich unter anderem in Richtung auf die Behälterwand 90 sowie
in den Behälter hinein erstreckt. Die zweite Elektrode 86 ist hochohmig
an die Steuereinheit angebunden und empfängt durch den
kapazitiven Einfluss zwischen den Elektroden 84, 86 das
von der ersten Elektrode 84 ausgesendete Signal. Die zweite
Elektrode 86 wird dadurch selbst ein elektrisches Feld
erzeugen, das sich in den Behälter hinein erstreckt. Die
Steuereinheit ist so ausgelegt, dass bei leerem Behälter kein
Messsignal erzeugt wird. Erst wenn sich die Kapazität zwischen
der zweiten Elektrode 86 und einer Bezugselektrode im Verhältnis
zur Kapazität zwischen der ersten Elektrode 84 und
der zweiten Elektrode 86 ändert, wird ein Messsignal
erzeugt.
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Haftet
beispielsweise ein Wasserfilm auf der dem Sensorgehäuse 82 gegenüberliegenden
Seite der Behälterwand 90 an, so hat dieser Wasserfilm keine
Verbindung zu einer Bezugselektrode oder lediglich eine sehr hochohmige
Verbindung. Es wurde festgestellt, dass ein Wasserfilm, der durch
Benetzung entsteht, oder beispielsweise auch ein Ölfilm, bereits
nach ein bis zwei Zentimetern keine nennenswerte Verbindung zu einer
Masseelektrode beispielsweise im Behälterboden mehr ausbildet.
Der anhaftende Wasserfilm empfängt somit ebenfalls das
von der ersten Elektrode 84 ausgesendete Signal und folgt
somit dem Potential der ersten Elektrode 84. Da auch die
erste Elektrode 86 ein elektrisches Feld ausbildet und
somit den Wasserfilm beaufschlagt, ändert sich die Kapazität
zwischen der zweiten Elektrode 86 und der Bezugselektrode
nur unwesentlich, so dass kein Messsignal erzeugt wird.
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Erst
wenn sich innerhalb des Behälters eine größere
Menge an Medium befindet, also ein gewisser Flüssigkeitspegel
im Behälter erreicht ist, werden die von der zweiten Elektrode 86 ausgehenden
Feldlinien wenigstens über einen Teil der Länge
der zweiten Elektrode 86 zur Bezugselektrode hin abgelenkt. Dadurch ändert
sich die Kapazität zwischen der zweiten Elektrode 86 und
der Bezugselektrode deutlich und ein Messsignal wird erzeugt, das
den Füllstand im Behälter repräsentiert.
Erst wenn also die zweite Elektrode 86 Feldlinien zur Bezugselektrode
oder zu einer Masse ausbilden kann, nimmt die Spannung an der zweiten
Elektrode 86 ab und ein Messsignal kann erzeugt werden.
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Die
schematische Schnittansicht der 12 zeigt
eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung 92. Die Vorrichtung 92 weist eine
erste Elektrode 94, eine zweite Elektrode 96 sowie
eine Mas seelektrode 98 auf. Die Elektroden 94, 96, 98 sind
in einem Gehäuse 100 aus elektrisch nicht leitfähigen
Material angeordnet und das Gehäuse 100 ist auf
eine ebenfalls nicht leitfähige Behälterwand 90 aufgesetzt.
Die erste Elektrode 94 ist niederohmig an eine Steuereinheit
eingebunden und wird mit einem Signal zur Erzeugung eines elektrischen Feldes
beaufschlagt. Die zweite Elektrode 96 ist hochohmig an
die Steuereinheit angebunden und eine Spannung an der zweiten Elektrode 96 wird
zur Erzeugung eines Messsignals herangezogen. Die Masseelektrode 98 liegt
auf Masse oder einem Bezugspotential.
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Es
ist der Darstellung der 12 zu
entnehmen, dass die zweite Elektrode 94 allgemein schüsselförmig
ausgebildet ist und an ihrem linken und rechten Rand jeweils einen
ebenen, streifenförmigen Abschnitt aufweist. Die beiden
streifenförmigen Abschnitte sind mittels einer allgemein
U-förmigen Wanne verbunden. Die in der Darstellung der 12 erkennbare
Querschnittsform erstreckt sich über die gesamte Länge
der Elektrode 94. Auf gleicher Höhe mit den beiden
streifenförmigen Abschnitten der ersten Elektrode 94 ist
die zweite Elektrode 96 angeordnet, die streifenförmig
ausgebildet ist und einen rechteckigen Querschnitt hat. Die zweite
Elektrode 96 ist weiterhin mittig innerhalb des U-förmigen
Abschnitts der ersten Elektrode 94 angeordnet. Von der zweiten
Elektrode 96 ausgehende Feldlinien werden sich damit ausschließlich
in Richtung auf die Behälterwand 90 zu erstrecken,
diese durchqueren und dann in den Innenraum des Behälters
eindringen. In umgekehrter Richtung, also zur ersten Elektrode 94 hin,
werden sich ausgehend von der zweiten Elektrode 96 keine
Feldlinien ausbilden, da ja die erste Elektrode 94 im Betrieb
annähernd auf demselben Potential liegt wie die zweite
Elektrode 96. Die zweite Elektrode 96, die als
Sensorfläche oder Erfassungselektrode dient, „sieht” somit
lediglich die Behälterwand 90 sowie den Innenraum
des Behälters.
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Die
Masseelektrode 98 ist wiederum ebenfalls U-förmig
ausgebildet und mittig zwischen den beiden seitlichen Schenkeln
der Masseelektrode 98 ist die zweite Elektrode 94 angeordnet.
Die beiden streifenförmigen seitlichen Abschnitte der ersten Elektrode 94 sind
mit ihrer Vorderfläche auf gleicher Höhe mit den
Vorderflächen der Schenkel der Masseelektrode 98 angeordnet.
Feldlinien von der ersten Elektrode 94 zur Masseelektrode 98 sind
dadurch festgelegt, da sich die relative Lage von erster Elektrode 94 und
Masseelektrode 98 nicht ändert. Die in der Darstellung
der 12 gezeigte Vorrichtung 92 ist damit
unempfindlich gegenüber eventuellen Masseeinflüssen
und beispielsweise kann das Gehäuse 100 unmittelbar
neben einer elektrisch leitfähigen Wand oder dergleichen
angeordnet werden, ohne dass dies die Funktionsfähigkeit
der Vorrichtung 92 beeinträchtigen würde.
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Aufgrund
der U-artigen Form der ersten Elektrode 94 können
sich, wie erwähnt, Feldlinien von der ersten Elektrode 96 nur
in Richtung auf die Behälterwand 90 und in den
Innenraum des Behälters ausbreiten. Im weiteren Verlauf
werden die von der zweiten Elektrode 96 ausgehenden Feldlinien dann
wieder bogenförmig auf einen der beiden Schenkel der Masseelektrode 98 zulaufen.
Das Vorhandensein eines Flüssigkeitspegels im Behälter verändert
dann den Verlauf dieser von der zweiten Elektrode 96 ausgehenden
Feldlinien und führt zu einem Messsignal, das dann Auskunft über
den Füllstand im Behälter gibt.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zur kapazitiven Messung
eines Füllstandes kann auf zahlreichen Gebieten der Technik
eingesetzt werden. Beispielsweise sind im Bereich industrieller
Anwendungen die Füllstandserfassung von Schüttgut
oder Flüssigkeiten bei der Lagerung, beispielsweise in
Silos, möglich. Darüber hinaus kann in der Produktion oder
in der Prozesstechnik eine Pumpensteuerung sowie eine Niveauregulierung
von Füllständen erfolgen. Weitere Anwendungen
sind in der Anlagentechnik sowie in der Robotik denkbar.
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Zahlreiche
Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich im Automobil- und
Nutzfahrzeugbereich, beispielsweise zur Füllstandserfassung
von Kraftstoff, Wischwasser, Kühlwasser, Bremsflüssigkeit, Hydraulikflüssigkeit
sowie Batterieflüssigkeit.
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Bei
Wohnmobilen und Wohnwagen kann beispielsweise der Füllstand
eines Frischwassertanks und eines Abwassertanks abgefragt werden.
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Im
Schiffsbereich können beispielsweise Füllstände
von Wassertank, Abwassertank und Kraftstofftank erfasst werden.
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Im
Bereich des Bergbaus sowie im Baugewerbe können beispielsweise
Pumpen anhand des mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
erfassten Füllstands gesteuert werden.
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Im
häuslichen Bereich ergeben sich ebenfalls zahlreiche Anwendungen.
So kann bei einer Heizung ein Füllstand von Brennstoff
oder von Warmwasser erfasst werden. Am Beispiel einer Zisterne kann
ein Brauchwasserpegel oder ein Regenwasserpegel erfasst werden.
Im häuslichen Bad kann beispielsweise eine Überwachung
des Füllstands einer Badewanne erfolgen und auch bei Zahnreinigungsgeräten
kann ein Wasserpegel erfasst und überwacht werden.
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Weitere
zahlreiche Anwendungen ergeben sich für den Gartenbereich
und die Landwirtschaft. Beispielsweise können Kraftstoffpegel,
Regenwasserpegel, Futtermittelpegel oder Düngerpegel in
Silos überwacht werden.
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Im
Kraftwerksbereich können beispielsweise bei Blockheizkraftwerken
Füllstände von Tanks überwacht werden.
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In
der Wasserwirtschaft können beispielsweise Pegelstände überwacht
werden und die überwachten Pegelstände können
als Eingangsgröße für eine Niveauregelung
verwendet werden.
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Zahlreiche
weitere Anwendungen ergeben sich im Bereich der Haushaltsgeräte.
So können beispielsweise Füllstände von
Kaffeemaschinen, Waschmaschinen, Geschirrspülern, Wasserkochern, Kühlschränken,
Eismaschinen und Bügeleisen erfasst und gegebenenfalls überwacht
werden.
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Bei
der Erfindung kann ein erfasster Füllstand in einfacher
Weise im Rahmen einer Fernabfrage abgefragt werden kann. Diese Fernabfrage kann
dabei kabelgebunden oder kabellos erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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