DE102012020925A1

DE102012020925A1 - Kapazitiver Sensor

Info

Publication number: DE102012020925A1
Application number: DE201210020925
Authority: DE
Inventors: Frank Winkens; Jürgen Glock; Andreas Kammerer
Original assignee: Balluff GmbH
Current assignee: Balluff GmbH
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2014-04-30

Abstract

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor (10) zur Messung von Füllständen elektrisch leitfähiger und nicht leitfähiger Medien (18, 24, 30, 53), mit zueinander benachbart angeordneten Messelektroden (12, 14), die Teil einer Mess-Impedanz (20) sind, deren Wert vom Füllstand abhängt, und mit einem Oszillator (40), der einen Mess-LC-Schwingkreis (44) enthält, dessen Mess-Schwingung (45) von der Mess-Impedanz (20) abhängt. Der erfindungsgemäße kapazitive Sensor (10) zeichnet sich dadurch aus, dass der Oszillator (40) als symmetrischer Gegentakt-Oszillator realisiert ist, dass die an der ersten Messelektrode (12) auftretende erste Spannung (54) um 180 Grad gegenüber der an der zweiten Messelektrode (14) auftretenden zweiten Spannung (56) phasenverschoben ist und dass die Summe der an der ersten Messelektrode (12) auftretenden ersten Spannung (54) und an der zweiten Messelektrode (14) auftretenden zweiten Spannung (56) bezogen auf das Erdpotenzial (58) gleich null ist.

Description

Die Erfindung geht aus von einem kapazitiven Sensor zur berührungslosen oder berührenden Messung von Füllständen elektrisch leitfähiger und nicht leitfähiger Medien nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
Stand der Technik
Kapazitive Sensoren können zur Messung von Füllständen flüssiger Medien oder von Feststoffen eingesetzt werden. Bei einem kapazitiven Sensor zur Messung von Füllständen wird eine Mess-Impedanz herausgebildet, deren ohmsche Komponente, insbesondere jedoch deren kapazitive Komponente ein Maß für den Füllstand widerspiegelt. Die ohmsche Komponente tritt bei elektrisch leitfähigen Medien auf.
In einer einfachen Ausgestaltung ist eine Messelektrode vorgesehen, die elektrisch isoliert an der Außenwand eines Behälters oder in einer Tauchsonde positioniert ist. Die andere Elektrode des zwischen den beiden Messelektroden herausgebildeten Mess-Kondensators kann durch die Schaltungsmasse der Auswerteschaltung gebildet werden, wenn der Behälter auf einem elektrisch leitenden Boden steht, der mit der Schaltungsmasse verbunden ist. Bei anderen Ausgestaltungen von kapazitiven Sensoren sind zwei Messelektroden vorgesehen, die benachbart zueinander angeordnet sind.
Anhand der Bewertung der Mess-Impedanz des Mess-Kondensators, insbesondere der Bewertung der kapazitiven Komponente, kann ein Maß für den Füllstand des Mediums im Behälter erhalten werden. Vorzugsweise wird ein Schaltsignal gewonnen, welches signalisiert, dass ein bestimmter Füllstand über- beziehungsweise unterschritten ist.
Bei den Medien können zwei Mediengruppen unterschieden werden. Die erste Mediengruppe weist keine elektrische Leitfähigkeit auf. Es handelt sich um Isolatoren wie beispielsweise Öle, Kunststoffe, Granulate, Pellets und andere Schüttgüter. Die zweite Mediengruppe betrifft elektrisch leitfähige, flüssige Medien wie beispielsweise Wasser, Säuren, Laugen, Blut, Chlorverbindungen und andere elektrisch leitfähige Gemische beziehungsweise Chemikalien.
In der Offenlegungsschrift DE 10 2009 017 011 A1 ist ein kapazitiver Sensor beschrieben, der eine Messung der Füllhöhe eines Mediums in einem Behälter ermöglicht. Der kapazitive Sensor umfasst eine erste Messelektrode, wobei die zweite Messelektrode die elektrische Schaltungsmasse ist, die dem Erdpotenzial entsprechen kann. Die beiden Elektroden bilden einen Mess-Kondensator mit dem Medium als Dielektrikum. Die Kapazität des Mess-Kondensators hängt von der Füllhöhe des Mediums ab. Die Kapazität des Mess-Kondensators wird anhand eines Vergleichs mit der Kapazität eines Referenz-Kondensators gemessen. Beide Kondensatoren sind über jeweils einen Widerstand mit einer Spannungsquelle verbunden. Zur Durchführung der Messung werden beide Kondensatoren in zeitlicher Folge kurzgeschlossen und somit entladen. Der Spannungsanstieg an den beiden Kondensatoren nach dem Öffnen jeweils der Schalter hängt von den Lade-Widerständen und den Kapazitäten ab. Anhand einer Bewertung der Anstiegszeit oder anhand einer Bewertung des zeitlichen Mittelwerts der an den Kondensatoren liegenden Spannungen könnte die Füllhöhe bestimmt werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel werden die zeitlichen Mittelwerte der Spannungen in einem Komparator miteinander verglichen. Am Ausgang des Komparators steht ein Schaltsignal zur Verfügung, welches signalisiert, dass die Füllhöhe ein bestimmtes Maß überschritten hat oder darunter liegt. In einem Ausführungsbeispiel ist die erste Messelektrode mit einer Abschirmung umgeben, um die elektromagnetischen Umgebungseinflüsse zu eliminieren. Bei der Abschirmung handelt es sich um eine aktive Abschirmung, bei welcher das Potenzial der Abschirmung auf dem Potenzial der Mess-Messelektrode gehalten wird. Der bekannte kapazitive Sensor ist insbesondere geeignet zur Messung der Füllhöhe von elektrisch nicht leitenden Medien.
Aus der Offenlegungsschrift DE 199 49 985 A1 geht ein kapazitiver Sensor hervor, der im Rahmen eines Oszillationsverfahrens betrieben wird. Die Betriebsfrequenz liegt in einem Bereich von 5–10 MHz. Zur Kompensation der Behälterwandkapazität sowie zur Kompensation eines Anhaftungsrests des elektrisch leitfähigen Mediums im Bereich der Elektroden ist eine weitere Elektrode vorgesehen. Die vergleichsweise hohe Betriebsfrequenz bis 10 MHz stellt entsprechend hohe Anforderungen an die elektrische Abschirmung des kapazitiven Sensors zur Erfüllung der EMV-Vorschriften. Die Schaltungsanordnung zum Betreiben des beschriebenen Mess-Kondensators erfordert einen absoluten Bezug zum Erdpotenzial. Hierdurch hängt die Funktion des vorbekannten kapazitiven Sensors von der Ausgestaltung des Behälters ab, in welchem das Medium gelagert ist, dessen Füllhöhe gemessen werden soll.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2005 057 558 A1 offenbart einen kapazitiven Sensor zur Messung des Füllstands eines Mediums, der zwei benachbart zueinander angeordnete Messelektroden aufweist. Vorgesehen ist ein Impulsgenerator, der die erste Messelektrode über einen niederohmigen Widerstand mit Impulsen einer ersten Polarität und die zweite Messelektrode über einen niederohmigen Widerstand mit Impulsen der entgegengesetzten Polarität ansteuert. Die Impulse weisen eine hohe Anstiegs- bzw. Abfallgeschwindigkeit auf.
Ein Differenzverstärker mit hoher Gleichtaktunterdrückung erfasst den an einem der beiden niederohmigen Widerständen auftretenden Spannungsabfall, der durch den füllstandsabhängigen Impulsstrom auftritt. Der Spannungsabfall wird nach einer Spitzenwertdetektion und einer anschließenden Signalglättung einem Komparator zugeführt, welcher ein Schaltsignal bereitstellt, welches das Über- oder Unterschreiten eines vorgegebenen Füllstands des Mediums signalisiert.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2009 002 674 A1 beschreibt einen kapazitiven Sensor zur Messung des Füllstands eines Mediums, bei welchem eine erste Messelektrode vorgesehen ist, die mit einer elektrischen Schaltungsmasse als zweite Messelektrode den Mess-Kondensator bildet. Der Mess-Kondensator ist Teil eines Serien-Schwingkreises, dessen Schwingfrequenz von der Impedanz des Mediums abhängt. Anhand einer Bewertung der Frequenz der Mess-Schwingung kann daher das Medium bestimmt werden. Die Leitfähigkeit des Mediums hat einen Einfluss auf die Güte des den Mess-Kondensator enthaltenden Schwingkreises, sodass der Füllstand des Mediums anhand einer Bewertung der Amplitude und der Frequenz des Schwingungssignals ermittelt werden kann. Durch die Einbeziehung der elektrischen Schaltungsmasse kann die vorbekannte Vorgehensweise nur in Tauchsonden mit geerdetem Metallgehäuse verwendet werden, wobei die Messelektrode immer nahe der Metallgehäusefläche angeordnet sein muss.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Sensor anzugeben, der mit einfachen schaltungstechnischen Mitteln eine genaue Messung des Füllstands von elektrisch nicht leitfähigen und elektrisch leitfähigen Medien ermöglicht, unabhängig von einem verbleibenden Anhaftungsrest des Mediums im Bereich der Messelektroden bei einem absinkenden Füllstand und unabhängig von der Geometrie und den Erdungsverhältnissen am Behälter.
Die Aufgabe wird durch die im unabhängigen Anspruch angegebenen Merkmale gelöst.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem kapazitiven Sensor zur Messung von Füllständen elektrisch leitfähiger und nicht leitfähiger Medien, mit zueinander benachbart angeordneten Messelektroden, die Teil einer Mess-Impedanz sind, deren Wert vom Füllstand abhängt. Weiterhin geht die Erfindung davon aus, dass der kapazitive Sensor einen Oszillator mit einem Mess-LC-Schwingkreis enthält, dessen Mess-Schwingung von der Mess-Impedanz abhängt.
Der erfindungsgemäße kapazitive Sensor zeichnet sich dadurch aus, dass der Oszillator als symmetrischer Gegentakt-Oszillator realisiert ist, dass die an der ersten Messelektrode auftretende erste Spannung um 180 Grad gegenüber der an der zweiten Messelektrode auftretenden zweiten Spannung phasenverschoben ist und dass die Summe der an der ersten Messelektrode auftretenden ersten Spannung und an der zweiten Messelektrode auftretenden zweiten Spannung bezogen auf das Erdpotenzial gleich null ist.
Ein sich ändernder Füllstand des Mediums verändert die Mess-Impedanz, die sich insbesondere auf die Frequenz und in Abhängigkeit von der Beschaffenheit des Mediums zusätzlich auf die Amplitude der Mess-Schwingung auswirkt. Der erfindungsgemäße kapazitive Sensor bewertet den Einfluss des Füllstands auf die Mess-Schwingung.
Der erfindungsgemäße kapazitive Sensor mit der erfindungsgemäßen speziellen Ausgestaltung des Oszillators ermöglicht nicht nur eine präzise Erfassung des Füllstands von elektrisch nicht leitfähigen Medien, sondern insbesondere auch eine präzise Erfassung des Füllstands von elektrisch leitfähigen Medien, wobei ein Anhaftungsrest des elektrisch leitfähigen Mediums im Bereich der beiden Messelektroden das Messergebnis nicht verfälscht.
Die korrekte Erfassung des Füllstands auch von elektrisch leitfähigen Medien, wobei insbesondere auch ein elektrisch leitfähiger Anhaftungsrest des Mediums im Bereich der Elektroden auftreten kann, beruht insbesondere auf der Symmetrie gegenüber dem Erdpotenzial durch exakt gegenphasige Spannungen an den beiden Messelektroden. Hierdurch ist das Potenzial der elektrischen Feldlinien in der geometrischen Mitte zwischen den beiden Elektroden mit dem Erdpotenzial identisch. Dadurch ist eine Füllstandsmessung unabhängig von den örtlichen Erdungsverhältnissen möglich.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors sind jeweils Gegenstände der abhängigen Ansprüche und ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Kurzbeschreibung der Figuren
1a zeigt eine Elektrodeneinheit eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors, welcher den Füllstand eines elektrisch nicht leitfähigen Mediums erfasst,
1b zeigt die Funktionsweise des in 1a gezeigten kapazitiven Sensors,
1c zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild der in 1a gezeigten Elektrodeneinheit,
2a zeigt eine Elektrodeneinheit eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors, welcher den Füllstand eines elektrisch leitfähigen Mediums erfasst,
2b zeigt die Funktionsweise des in 2a gezeigten kapazitiven Sensors,
2c zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild der in 2a gezeigten Elektrodeneinheit,
3a zeigt eine Elektrodeneinheit eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors, welcher den Füllstand eines elektrisch leitfähigen Mediums erfasst, bei welchem im Bereich der Elektroden ein Anhaftungsrest des Mediums vorhanden ist,
3b zeigt die Funktionsweise des in 3a gezeigten kapazitiven Sensors,
3c zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild der in 3a gezeigten Elektrodeneinheit,
4 zeigt die Elektrodeneinheit und einen Oszillator eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors,
5 zeigt ein detailliertes Schaltbild eines Oszillators eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors,
6 zeigt Resonanzkurven einer in einem Oszillator eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors auftretenden Mess-Schwingung,
7 zeigt ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors,
8 zeigt ein Bandpassfilter eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors,
9 zeigt Resonanzkurven eines des in 8 gezeigten Bandpassfilters,
10 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel des in 8 gezeigten Bandpassfilters,
11 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors,
12 zeigt Signalverläufe in Abhängigkeit von der Zeit, welche in dem in 11 gezeigten Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors auftreten,
13 zeigt ein Blockschaltbild einer ersten alternativen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors,
14 zeigt ein Blockschaltbild einer zweiten alternativen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors,
15 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors,
16 zeigt ein Blockschaltbild einer anderen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors,
17 zeigt einen Signalverlauf in Abhängigkeit von der Zeit, welcher in dem in 16 gezeigten Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors auftritt,
18 zeigt eine an einer Behälterwand angeordnete Elektrodeneinheit eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors und
19 zeigt eine als Tauchsonde ausgestaltete Elektrodeneinheit eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1a zeigt eine Elektrodeneinheit 5, die Teil eines kapazitiven Sensors 10 ist, welche eine erste und zweite Messelektrode 12, 14 enthält, die benachbart zueinander angeordnet sind. Die beiden Messelektroden 12, 14 sind auf einer Fläche 16 positioniert, die elektrisch nicht leitend ist. Die Fläche 16 entspricht beispielsweise der elektrisch nicht leitenden Wand eines Behälters, in welchem ein erstes Medium 18 gelagert ist, welches ein Isolator sein soll oder ist eine Wand eines Gehäuses, in welches der kapazitive Sensor 10 eingebaut ist.
1b zeigt die Funktionsweise des kapazitiven Sensors 10.
Diejenigen in 1b gezeigten Teile, die mit den in 1a gezeigten Teilen übereinstimmen, sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Diese Vereinbarung gilt auch für die folgenden Figuren.
Bei einem nicht vorhandenen ersten Medium 18 laufen die zwischen der ersten und zweiten Messelektrode 12, 14 auftretenden Feldlinien durch die Luft, welche die Dielektrizitätszahl 1 aufweist. Die Mess-Impedanz 20, welche im vorliegenden Fall nur eine kapazitive Komponente aufweist, ist durch einen ersten Mess-Kondensator 22 dargestellt. Die Kapazität des ersten Mess-Kondensators 22 weist einen geringen Wert von wenigen pF auf. Wenn das erste, elektrisch nicht leitende Medium 18, beispielsweise Motoröl mit einer Dielektrizitätskonstante von ungefähr 2, die erste und zweite Messelektrode 12, 14 überdeckt, weist die Mess-Impedanz 20 den größten Wert auf. Im angegebenen Beispiel, bei welchem nur eine kapazitive Komponente auftritt, verdoppelt sich die Kapazität des ersten Mess-Kondensators 22 bei einer vollständigen Überdeckung der beiden Messelektroden 12, 14 durch das erste Medium 18 gegenüber der zuvor vorhandenen Luft.
1c zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild der Mess-Impedanz 20, die bei dem ersten, elektrisch nicht leitenden Medium 18, nur eine kapazitive Komponente aufweist, die durch den ersten Mess-Kondensator 22 dargestellt wird.
In 2a ist der Fall gezeigt, bei dem ein zweites Medium 24 elektrisch leitfähig sein soll. In Abhängigkeit vom Füllstand wird die vorher vorhandene Luft durch einen elektrischen Leiter ersetzt.
2b zeigt die Funktionsweise des kapazitiven Sensors 10 in diesem Fall. Die Mess-Impedanz 20 entspricht einem zweiten Mess-Kondensator 26, der in Serie zu einem dritten Mess-Kondensator 28 geschaltet ist. Der zweite Mess-Kondensator 26 tritt zwischen der ersten Messelektrode 12 und dem zweiten Medium 24 auf. Der dritte Mess-Kondensator 28 tritt zwischen der zweiten Messelektrode 14 und dem zweiten Medium 24 auf. Aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit des zweiten Mediums 24 sind der zweite und dritte Mess-Kondensator 26, 28 miteinander elektrisch leitend verbunden. Der zweite und dritte Mess-Kondensator 26, 28 sind in Serie geschaltet. Wenn die erste und zweite Messelektrode 14, 16 bei hohem Füllstand vom zweiten Medium 24 überdeckt sind, weisen der zweite und dritte Mess-Kondensator 26, 28 jeweils eine höhere Kapazität auf als bei dem ersten, elektrisch nicht leitenden Medium 18.
2c zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild der Mess-Impedanz 20, die bei dem zweiten, elektrisch leitenden Medium 24 durch den zweiten und dritten Mess-Kondensator 26, 28 wiedergegeben werden kann, die in Serie geschaltet sind.
3a zeigt den Fall, bei dem das zweite, elektrisch leitfähige Medium 24 soweit abgesunken ist, dass die erste und zweite Messelektrode 12, 14 nicht mehr überdeckt sind, wobei jedoch noch ein Anhaftungsrest 30 des zweiten Mediums 24 verblieben ist, der die erste und zweite Messelektrode 12, 14 überdeckt. Aufgrund des erheblich geringeren Querschnitts gegenüber einem normalen Füllstand des zweiten, elektrisch leitfähigen Mediums 24 steigt jedoch der elektrische Widerstand des Anhaftungsrests 30 an.
3b zeigt die Funktionsweise des kapazitiven Sensors 10 bei einem vorhandenen Anhaftungsrest 30 des zweiten, elektrisch leitfähigen Mediums 24. In diesem Fall sind der erste und der zweite Mess-Kondensator 26, 28 über den Anhaftungsrest-Widerstand 32 miteinander verbunden, wobei der Anhaftungsrest-Widerstand 32 vom Querschnitt des Anhaftungsrests 30 abhängt.
3c zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild der Mess-Impedanz 20, die bei dem zweiten, elektrisch leitfähigen Medium 24, von welchem jedoch nur noch ein Anhaftungsrest 30 die erste und die zweite Messelektrode 12, 14 überdeckt, eine Serienschaltung aus dem zweiten und dritten Mess-Kondensator 26, 28 und dem Anhaftungsrest-Widerstand 32 ist.
Insbesondere aus den 3a–3c ist ersichtlich, dass die Messung von Füllständen von elektrisch leitfähigen Medien 24, bei denen insbesondere bei einem niedrigen Füllstand dennoch ein Anhaftungsrest 30 im Bereich der ersten und zweiten Messelektrode 12, 14 auftreten kann, schwieriger ist als die Messung von Füllständen von ersten, elektrisch nicht leitfähigen Medien 18, mit oder ohne Anhaftungsrest 30.
Probleme bereitet insbesondere der Anhaftungsrest 30, der als Anhaftungsfilm oder als Schaum auftreten kann. Der Anhaftungsrest 30 kann dazu führen, dass der kapazitive Sensor 10 fälschlicherweise einen zu hohen Füllstand signalisiert. Das Problem steigt mit sinkendem elektrischen Anhaftungsrest-Widerstand 32 des elektrisch leitfähigen Anhaftungsrests 30, entsprechend des Querschnitts des Anhaftungsfilms oder beispielsweise der Feinporigkeit von Schäumen.
Die Messung des richtigen Füllstands erfordert daher die Unterscheidung von vergleichsweise kleinen Anhaftungsrest-Widerständen 32 des Anhaftungsrests 30, die beispielsweise im Bereich bis 20 Ohm liegen, bei gleichzeitig geringen Kapazitäten des zweiten und dritten Mess-Kondensators 26, 28, wobei die Kapazität jeweils im pF-Bereich, beispielsweise bei 1–2 pF liegen kann.
Die Elektrodeneinheit 5 ist eine frequenzbestimmende Komponente eines in 4 gezeigten Oszillators 40, der neben der Oszillatorschaltung 42 einen Mess-LC-Schwingkreis 44 enthält, in welchem eine Mess-Schwingung 45 auftritt. Der Mess-LC-Schwingkreis 44 ist als Parallel-Schwingkreis mit einem Mess-Schwingkreis-Kondensator 46 und einer Mess-Schwingkreis-Spule 48 realisiert. Die erste Messelektrode 12 des kapazitiven Sensors 10 ist an einem ersten Anschluss 50 des Mess-LC-Schwingkreises 44 und die zweite Messelektrode 14 an einem zweiten Anschluss 52 des Mess-LC-Schwingkreises 44 angeschlossen. Die Mess-Impedanz 20 der Elektrodeneinheit 5 liegt daher parallel zum Mess-LC-Schwingkreis 44.
Die Elektrodeneinheit 5 erfasst den Füllstand des Mediums 53, wobei das Medium 53 dem elektrisch nicht leitenden ersten Medium 18 oder dem elektrisch leitfähigen zweiten Medium 24 entsprechen kann. Bei beiden unterschiedlichen Medien 18, 24 kann der Anhaftungsrest 30 auftreten, der jedoch insbesondere bei dem zweiten, elektrisch leitfähigen Medium 24 eine besondere Auswirkung auf die Mess-Impedanz 20 aufgrund des Anhaftungsrest-Widerstands 32 hat.
Der Oszillator 40 ist ein frei schwingender, symmetrisch aufgebauter Oszillator 40, wobei die Oszillatorschaltung 42 eine Gegentakt-Oszillatorschaltung ist. Aufgrund dieser erfindungsgemäßen speziellen Realisierung des Oszillators 40 tritt am ersten Anschluss 50 eine erste Spannung 54 und am zweiten Anschluss 52 eine zweite Spannung 56 auf, die eine Phasendifferenz von exakt 180° zueinander aufweisen. Wesentlich ist weiterhin, dass durch die spezielle Realisierung des Oszillators 40 die Summe der ersten Spannung 54 am ersten Anschluss 50 und der zweiten Spannung 56 am zweiten Anschluss 52 des Mess-LC-Schwingkreises 44 gegenüber dem Erdpotenzial 58 gleich null ist.
Das Erdpotenzial 58 ist identisch mit der Schaltungsmasse 60. Der wesentliche Vorteil des kapazitiven Sensors 10 mit dem erfindungsgemäß ausgestalteten Oszillator 40 liegt darin, dass die Füllhöhe des Mediums 53 unabhängig von der kapazitiven Kopplung des Mediums 53 mit dem Erdpotenzial 58 erfasst werden kann, auf welchem sich der nicht näher gezeigte Behälter mit dem Medium 53 befindet.
Generell kann eine Kenngröße wie beispielsweise die Frequenz oder die Amplitude der Mess-Schwingung 45 bewertet werden, um ein Maß für den Füllstand des Mediums 53 zu erhalten.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird im Speziellen eine Kenngröße wie beispielsweise die Amplitude oder insbesondere die Frequenz des Ausgangssignals 62 des Oszillators 40 bewertet, um ein Maß für den Füllstand des Mediums 53 zu erhalten.
Das Ausgangssignal 62 ändert sich insbesondere, wenn sich der Füllstand des Mediums 53 gleichermaßen im Bereich der ersten und zweiten Messelektrode 12, 14 ändert. Wenn der Füllstand des Mediums 53 bereits unterhalb der Messelektroden 12 und 14 liegt, ändert sich das Ausgangssignal 62 weniger. Der Füllstand wird daher vorzugsweise dahin gehend bewertet, ob der Füllstand des Mediums 53 einen vorgegebenen Pegel überschritten beziehungsweise unterschritten hat. Der vorgegebene Pegel liegt hierbei vorzugsweise in dem Bereich der beiden Messelektroden 12 und 14.
Die Mess-Schwingkreis-Spule 48 soll eine möglichst hohe Güte aufweisen. Die hohe Güte der Mess-Schwingkreis-Spule 48 wird dadurch erzielt, dass die resistive Komponente der Spule minimiert wird. Weiterhin soll der Mess-Schwingkreis-Kondensator 46 eine vergleichsweise kleine Kapazität aufweisen, die in der Größenordnung der erwarteten kapazitiven Komponente der Mess-Impedanz 20, beispielsweise in einem Bereich von 1 pF–10 pF liegt. Das L/C-Verhältnis des Mess-LC-Schwingkreises 44 sollte so groß wie möglich sein.
Der erfindungsgemäße kapazitive Sensor 10 in Verbindung mit dem speziellen Oszillator 40 ermöglicht insbesondere eine korrekte Erfassung des Füllstands des Mediums 53 auch bei einem vorhandenen Anhaftungsrest 30 insbesondere eines zweiten, elektrisch leitfähigen Mediums 24.
5 zeigt eine konkrete Ausgestaltung der Oszillatorschaltung 42 des Oszillators 40. Sowohl die Mess-Schwingkreis-Spule 48 als auch der Mess-Schwingkreis-Kondensator 46 sind jeweils auf zwei identische getrennte Komponenten aufgeteilt. Die Mess-Schwingkreis-Spule 48 ist in eine erste und zweite Teil-Mess-Schwingkreis-Spule 48a, 48b aufgeteilt. Die erste Teil-Mess-Schwingkreis-Spule 48a liegt zwischen einem Stromversorgungsanschluss 70 der Oszillatorschaltung 42 und der ersten Messelektrode 12, während die zweite Teil-Mess-Schwingkreis-Spule 48b zwischen dem Stromversorgungsanschluss 70 und der zweiten Messelektrode 14 liegt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann der Mess-Schwingkreis-Kondensator 46 in zwei identische Teil-Kondensatoren aufgeteilt sein. Darüber hinaus können gemäß einer anderen Ausgestaltung, welche in 5 dargestellt ist, die Teil-Mess-Schwingkreis-Kondensatoren in einen ersten und zweiten kapazitiven Spannungsteiler mit den ersten Spannungsteiler-Kondensatoren 46aa, 46ab und den zweiten Spannungsteiler-Kondensatoren 46ba, 46bb aufgeteilt sein. Der Mittenabgriff 72 der ersten Spannungsteiler-Kondensatoren 46aa, 46ab ist am Basis-Anschluss eines ersten Transistors 74 angeschlossen. Am Mittenabgriff 72 kann ein erstes Ausgangssignal 62a abgenommen werden, welches ein Maß für die erste Spannung 54 am ersten Anschluss 50 des Mess-LC-Schwingkreises 44 ist. Am Mittenabgriff 76 der zweiten Spannungsteiler-Kondensatoren 46ba, 46bb ist der Basis-Anschluss eines zweiten Transistors 78 angeschlossen. Am Mittenabgriff 76 kann ein zweites Ausgangssignal 62b abgenommen werden, welches ein Maß für die zweite Spannung 56 am zweiten Anschluss 52 des Mess-LC-Schwingkreises 44 ist. Die Ausgangssignale 62a, 62b weisen daher ebenfalls eine Phasenverschiebung von genau 180° zueinander auf und die Summe der Spannungen der Ausgangssignale 62a, 62b ist gleich null bezogen auf das Erdpotenzial 58.
Die Kollektor-Anschlüsse der Transistoren 74, 78 sind an der ersten Mess-Messelektrode 12 beziehungsweise an der zweiten Messelektrode 14 angeschlossen. Die Emitter-Anschlüsse der Transistoren 74, 78 sind jeweils über Gegenkopplungs-Widerstände 80, 82 an das Erdpotenzial 58 beziehungsweise Schaltungsmasse 60 gelegt. Die Basis-Anschlüsse der Transistoren 74, 78 sind jeweils über Basis-Steuerwiderstände 84, 86 mit einem Oszillator-Steueranschluss 88 verbunden. Mittels einer Steuerspannung am Steueranschluss 88 kann der Arbeitspunkt des Oszillators 40 bestimmt oder der Oszillator 40 ein- und ausgeschaltet werden.
6 zeigt Resonanzkurven des Mess-LC-Schwingkreises 44, wobei erste Resonanzkurven 90a, 90b bei einem elektrisch nicht leitenden ersten Medium 18 und zweite Resonanzkurven 92a, 92b bei einem elektrisch leitfähigen zweiten Medium 24 auftreten. Die Resonanzkurven 90a, 90b, 92a, 92b entsprechen der Spannung des Ausgangssignals 62 des Oszillators 40 in Abhängigkeit von der Frequenz F der Mess-Schwingung 45. Bei abnehmenden Füllständen, entsprechend einer Abnahme jeweils der kapazitiven Komponente der Mess-Impedanz 20, verschieben sich die Resonanzkurven 90a, 92a von niedrigeren Frequenzen F zu jeweils höheren Frequenzen 90b, 92b.
Bei einem zweiten, elektrisch leitenden Medium 24 verändert sich nicht nur die kapazitive Komponente der Mess-Impedanz 20, sondern auch die ohmsche Komponente der Mess-Impedanz 20 aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit des zweiten Mediums 24. Insbesondere verringert die ohmsche Komponente der Mess-Impedanz 20 die Güte des Mess-LC-Schwingkreises 44, sodass sich neben einer Verschiebung der Resonanzkurve 92a, 92b aufgrund der ohmschen Komponente auch insbesondere die Amplitude der Resonanzkurve 92a, 92b verändert. Die Veränderung der Amplitude macht sich insbesondere bemerkbar, wenn der Anhaftungsrest-Widerstand 32 bei einem abnehmenden Füllstand des zweiten Mediums 24 vorliegt, dessen Anhaftungsrest-Widerstand 32 vom Querschnitt des Anhaftungsrests 30 abhängt.
Eine erste, in 7 gezeigte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors 10 sieht die Bereitstellung eines Schaltsignals 110 vor, welches das Überschreiten beziehungsweise Unterschreiten des vorgegebenen Füllstands des Mediums 53 signalisiert. Bewertet wird bei diesem Ausführungsbeispiel das Ausgangssignal 62 des Oszillators 40.
Vorgesehen ist ein Bandpassfilter 100, welchem das Ausgangssignal 62 des Oszillators 40 als Eingangssignal zur Verfügung gestellt ist. Die Resonanzfrequenz des Bandpassfilters 100 ist auf die Beschaffenheit des Mediums 53 abgestimmt. Die Spannung 130 am Bandpassfilter 100 wird einem Demodulator 102 zur Verfügung gestellt, der beispielsweise als Gleichrichter mit einer nachgeschalteten Glättungsanordnung realisiert sein kann.
Rein prinzipiell kann das Demodulator-Ausgangssignal 104 für eine kontinuierliche Messung des Füllstands des Mediums 53 insbesondere im Bereich der ersten und zweiten Messelektrode 12, 14 herangezogen werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Demodulator-Ausgangssignal 104 einem ersten Komparator 106 zur Verfügung gestellt, der das Demodulator-Ausgangssignal 104 mit einer ersten Referenzspannung 108 vergleicht und in Abhängigkeit vom Vergleich das Schaltsignal 110 bereitstellt, welches signalisiert, dass der Füllstand des Mediums 53 den vorgegebenen Pegel überschritten beziehungsweise unterschritten hat.
8 zeigt ein Realisierungsbeispiel des Bandpassfilters 100, welches als Parallel-Schwingkreis mit einer Bandpassfilter-Spule 112 und einem Bandpassfilter-Kondensator 114 ausgestaltet ist. Das Bandpassfilter 100 kann am Erdpotenzial 58, entsprechend der Schaltungsmasse 60 angeschlossen sein. Der im Bandpassfilter-Kondensator 114 eingetragenen Pfeil symbolisiert, dass die Kapazität des Bandpassfilter-Kondensators 114 verändert werden kann, wodurch die Resonanzfrequenz des Bandpassfilters 100 an die Beschaffenheit des Mediums 53 angepasst werden kann.
In 9 sind zwei Resonanzkurven 120, 122 des Bandpassfilters 100 gezeigt, wobei die erste Resonanzkurve 120 vorgegeben wird, wenn der Füllstand des ersten, elektrisch nicht leitenden Mediums 18 und die zweite Resonanzkurve 122 vorgegeben wird, wenn der Füllstand des zweiten, elektrisch leitenden Mediums 24 erfasst werden soll. Die Resonanzfrequenz 124, 126 entspricht einem Füllstand, bei welchem die beiden Messelektroden 12, 14 vollständig vom Medium 53 überdeckt sind.
Aufgrund der Abnahme der kapazitiven Komponente der Mess-Impedanz 20 bei einem sinkenden Füllstand verschieben sich die Resonanzkurven 90a, 90b, 92a, 92b des Mess-LC-Schwingkreises 44. Bei einem sinkenden Füllstand verringert sich in einem Frequenzbereich 128 die Spannung 130 am Bandpassfilter 100, weil die Frequenz F der Mess-Schwingung 45 sich zu höheren Frequenzen F ändert und somit die Frequenz F der Mess-Schwingung 45 gewissermaßen über die hervorgehobene Abfallflanke der Resonanzkurven 120, 122 des Bandpassfilters 100 in Richtung höhere Frequenzen F verschoben wird. Die erste Referenzspannung 108, mit welcher das Demodulator-Ausgangssignal 104 nach der Signalverarbeitung im Demodulator 102 verglichen wird, wird vorzugsweise auf einen Wert festgelegt, der wenigstens näherungsweise der strichliniert eingetragenen 50%-Schwelle 129 im Frequenzbereich 128 entspricht. Dadurch wird ein Absinken des Füllstands unter einen vorgegebenen Pegel mit hoher Sicherheit erkannt.
Wenn das Medium 53 das elektrisch nicht leitende Medium 18 ist, bleibt die Amplitude der Resonanzkurven 90a, 90b bei sinkendem Füllstand im Wesentlichen konstant. Handelt es sich bei dem Medium 53 dagegen um das zweite, elektrisch leitfähige Medium 24, bei welchem insbesondere der Anhaftungsrest-Widerstand 32 des Anhaftungsrests 30 vorliegt, tritt aufgrund der Dämpfung des Mess-LC-Schwingkreises 44 neben der Verschiebung der Resonanzfrequenz 126 der Resonanzkurve 92b zusätzlich eine Änderung der Amplitude der Resonanzkurve 92b auf. Die Erhöhung des Anhaftungsrest-Widerstands 32 bei sinkendem Füllstand führt zu einer Abnahme der Amplitude der Resonanzkurve 92b. Die erste Referenzspannung 108 wird daher bei sinkendem Füllstand eines zweiten, elektrisch leitenden Mediums 24 nicht nur aufgrund der Verschiebung der Resonanzkurve 92b in Bezug auf die Resonanzkurve 122 des Bandpassfilters 100, sondern auch durch die Verringerung der Amplitude der Resonanzkurve 92b mit Sicherheit durchschritten, sodass ein eindeutiges Schaltsignal 110 am Ausgang des ersten Komparators 106 auftritt.
10 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Bandpassfilters 100, bei dem zur Veränderung der Kapazität des Bandpassfilter-Kondensators 114 anstelle des Bandpassfilter-Kondensators 114 eine Bandpassfilter-Kapazitätsdiode 140 eingesetzt ist, deren Kapazität durch eine Steuerspannung 142 vorgegeben wird. Ein Gleichspannungs-Sperrkondensator 144, welcher in Serie mit der Bandpassfilter-Kapazitätsdiode 140 geschaltet ist, dient zur Abtrennung der Steuerspannung 142 vom Erdpotential 58 und zur Anpassung der Filterkurve an den Steuerspannungsbereich.
Mit der Steuerspannung 142 wird die Kapazität der Bandpassfilter-Kapazitätsdiode 140 auf einen Wert festgelegt, bei welchem sich die in 9 gezeigte erste oder zweite Resonanzkurve 120, 122 des Bandpassfilters 100 ergibt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Parallel-Schwingkreis des Bandpassfilters 100 eine hohe Güte auf. Dadurch wird eine in Bezug auf die Frequenz F schmale Resonanzkurve 120, 122 des Bandpassfilters 100 erzielt. Durch den steilen Abfall der Spannung 130 am Bandpassfilter 110 bei einer hohen Güte im Frequenzbereich 128 ergibt sich eine steile Selektionsflanke, sodass kleine Änderungen der Frequenz F der Mess-Schwingung 45 einen großen Hub der Spannung 130 am Bandpassfilter 100 ergibt. Durch Verwendung baugleicher Spulen als Mess-Schwingkreis-Spule 48 und als Bandpassfilter-Spule 112, beispielsweise SMD-Spulen, wird durch Gleichlauf eine geringe Temperaturdrift der gesamten Anordnung erreicht.
11 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung, bei welcher die Resonanzkurve 120, 122 des Bandpassfilters 100 periodisch in einem hinreichend großen Frequenzbereich verändert wird, beispielsweise in einem Bereich, welcher die in 6 gezeigten Resonanzkurven 90a, 90b, 92a, 92b einschließt. Ein Microcontroller 150 steuert eine gesteuerte Spannungsquelle 152 derart an, dass die gesteuerte Spannungsquelle 152 beispielsweise eine sägezahnförmige Steuerspannung 142 bereitstellt. Das Demodulator-Ausgangssignal 104 wird einem Analog-/Digital-Wandler 154 zur Verfügung gestellt, der das digitalisierte Demodulator-Ausgangssignal 156 dem Microcontroller 150 zur Verfügung stellt.
12 zeigt zwei in der Anordnung gemäß 11 auftretende Signalverläufe in Abhängigkeit von der Zeit t. Im unteren Teilbild von 12 ist die Steuerspannung 142 gezeigt, die gemäß der erwähnten vorteilhaften Ausgestaltung sägezahnförmig sein soll. Das Demodulator-Ausgangssignal 104 ist im oberen Teilbild von 12 gezeigt. Der zeitliche Verlauf des Demodulator-Ausgangssignals 104 in Abhängigkeit vom zeitlichen Verlauf der sägezahnförmigen Steuerspannung 142 tritt bei einem ganz bestimmten Füllstand des Mediums 53 auf. Das Maximum des Demodulator-Ausgangssignals 104 liegt dann vor, wenn die Resonanzfrequenz des Bandpassfilters 100 mit der dem aktuell vorliegenden Füllstand entsprechenden Frequenz des Oszillatorsignals 62 übereinstimmt. Die zeitliche Lage des Maximums von 104 ist ein direktes Maß für die Frequenz des Ausgangssignals 62 des Oszillators 40. Die Höhe des Maximums ist ein Maß für seine Dämpfung und somit für den resistiven Anteil, entsprechend dem Anhaftungsrest-Widerstand 32, der Mess-Impedanz 20 und somit ein Maß für die Unterscheidung zwischen Anhaftungsresten und echtem Füllstand.
Der erfindungsgemäße kapazitive Sensor 10 signalisiert den korrekten Füllstand, wenn das Maximum des Demodulator-Ausgangssignals 104 innerhalb eines vorgebbaren Zeitfensters 160 eine vierte Referenzspannung 162 über-, aber eine fünfte Referenzspannung 164 unterschreitet, somit also den Bereich eines vorgebbaren programmierbaren Wertefensters 166, einem Zeit- und Amplitudenwertefenster, durchschreitet. Der Microcontroller 150 stellt das Schaltsignal 110 bereit, wenn das digitalisierte Demodulator-Ausgangsignal 156 das Wertefenster 166 durchläuft.
Das Wertefenster 166, bei welchem das Schaltsignal 110 auftreten soll, wird vorzugsweise eingelernt. Hierzu ist ein Tastschalter 158 vorgesehen, der bei einem vorgegebenen Pegel des Füllstands betätigt wird. Mit dem Betätigen des Tastschalters 158 wird im Microcontroller 150 der Schaltpunkt gespeichert, bei welchem das Schaltsignal 110 auftreten soll.
Bei den im Folgenden beschriebenen alternativen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors 10 wird unmittelbar die Ausgangsspannung 62 des Oszillators 40 durch Bewertung der Frequenz F der Mess-Schwingung 45 zur Erfassung des Füllstands herangezogen.
13 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Frequenz eines ersten spannungsgesteuerten Oszillators 170 der Frequenz F der Mess-Schwingung 45 mittels einer PLL-Schaltung (Phase-Locked-Loop) nachgeführt wird. Hierzu wird das Ausgangssignal 62 des Oszillators 40 einem ersten Phasenkomparator 172 zur Verfügung gestellt, der die Phase des Ausgangssignals 62 des Oszillators 40 mit der Phase des vom ersten spannungsgesteuerten Oszillator 170 bereitgestellten ersten Oszillatorsignals 174 vergleicht und in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis ein erstes Phasensignal 176 bereitstellt. Das erste Phasensignal 176 wird zur Frequenzsteuerung des ersten spannungsgesteuerten Oszillators 170 herangezogen. Weiterhin wird das erste Phasensignal 176 als Ausgangsignal herangezogen, welches im Komparator 106 mit einer zweiten Referenzspannung 178 verglichen wird. In Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis stellt der Komparator 106 wieder das Schaltsignal 110 bereit.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Frequenz des Ausgangssignals 174 des ersten spannungsgesteuerten Oszillators 170 der Frequenz F der Mess-Schwingung 45 nachgeführt. Die für die Nachführung erforderliche Spannung zur Einstellung der Frequenz des ersten spannungsgesteuerten Oszillators 170, die dem ersten Phasensignal 176 entspricht, ist ein Maß für die Frequenz F der Mess-Schwingung 45 und damit ein Maß für den Füllstand des Mediums 53.
14 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Frequenz eines zweiten spannungsgesteuerten Oszillators 180 konstant gehalten wird, jedoch die Frequenz F der Mess-Schwingung 45 mittels einer PLL-Schaltung nachgeführt wird. Hierzu wird das Ausgangssignal 62 des Oszillators 40 einem zweiten Phasenkomparator 182 zur Verfügung gestellt, der die Phase des Ausgangssignals 62 des Oszillators 40 mit der Phase des vom zweiten spannungsgesteuerten Oszillator 180 bereitgestellten zweiten Oszillatorsignals 184 vergleicht und in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis ein zweites Phasensignal 186 bereitstellt. Das zweite Phasensignal 186 wird zur Frequenzsteuerung des Mess-LC-Schwingkreises 44 herangezogen.
Zur einfachen Veränderung der Frequenz F des Mess-LC-Schwingkreises 44 beziehungsweise der Mess-Schwingung 45 ist der Mess-Schwingkreis-Kondensator 46 des Mess-LC-Schwingkreises 44 durch eine Schwingkreis-Kapazitätsdiode 188 ersetzt, deren Steuerspannung dem zweiten Phasensignal 186 entspricht. Gegebenenfalls ist die Schwingkreis-Kapazitätsdiode 188 wieder mit einem Gleichspannungs-Trennkondensator 190 in Serie geschaltet. Weiterhin wird das zweite Phasensignal 186 als Ausgangsignal herangezogen, welches im Komparator 106 mit einer dritten Referenzspannung 192 verglichen wird. In Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis stellt der Komparator 106 wieder das Schaltsignal 110 bereit. Das zweite Phasensignal 188 ist aufgrund der Nachführung der Frequenz F des Mess-LC-Schwingkreises 44 beziehungsweise der Mess-Schwingung 45 auf die fest vorgegebene Frequenz des zweiten spannungsgesteuerten Oszillators 180 ein Maß für den Füllstand des Mediums 53.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ändert sich die Frequenz F der Mess-Schwingung 45 bei einem sich ändernden Füllstand aufgrund der Nachführung der Frequenz F nicht. Dennoch wird der physikalische Effekt ausgenutzt, dass sich die Frequenz F der Mess-Schwingung 45 bei einem sich ändernden Füllstand eigentlich ändern würde.
Die Frequenz F der Mess-Schwingung 45 beziehungsweise der Frequenz F des Mess-LC-Schwingkreises 44 liegt beispielsweise in einem Bereich von 40 bis 70 MHz. Ein erstes, elektrisch nicht leitendes Medium 18, beispielsweise Motoröl, senkt bei einem Anstieg des Füllstands die Frequenz F der Mess-Schwingung 45 um beispielsweise 2 MHz ab. Ein zweites, elektrisch leitfähiges Medium 24, beispielsweise eine Säure, senkt bei einem Anstieg des Füllstands die Frequenz F der Mess-Schwingung 45 um beispielsweise 10 MHz ab. Bei dem Ausführungsbeispiel, bei welchem die Frequenz F der Mess-Schwingung 45 konstant gehalten wird, kommt die Änderung des Füllstands in einem sich ändernden zweiten Phasensignal 186 zum Ausdruck.
15 zeigt ein Blockschaltbild einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors 10. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Frequenz F des Mess-LC-Schwingkreises 44 beziehungsweise das Ausgangssignal 62 des Oszillators 40 mittels eines Mikroprozessors 194, der auch dem Microcontroller 150 entsprechen kann, direkt ausgewertet. Wenn der vorgegebene Füllstand überschritten wird, stellt der Mikroprozessor 194 das Schaltsignal 110 bereit. Vorgesehen ist eine Einlerntaste 196, bei deren Betätigung einem bestimmten vorgegebenen Füllstand eine bestimmte Frequenz F oder ein bestimmter Frequenzbereich um die Frequenz F zugeordnet wird. Falls erforderlich, kann ein Frequenzteiler 198 vorgesehen werden, der die Frequenz F auf einen Frequenzbereich herunterteilt, der vom Mikroprozessor 194 verarbeitet werden kann.
Die im MHz-Bereich liegenden Frequenzen F der Mess-Schwingung 45 können zu einer unerwünschten Abstrahlung von Hochfrequenz-Störsignalen führen. Eine erhebliche Verminderung der unerwünschten Abstrahlung von Hochfrequenz-Störsignalen wird durch einen getakteten Betrieb zumindest des Oszillators 40 erreicht.
Hierzu ist gemäß 16 ein Taktgenerator 200 vorgesehen, der mit einem Taktsignal 202 den Oszillator 40 über den Oszillator-Steuereingang 88 im zeitlichen Wechsel in Betrieb nimmt oder vollständig abschaltet. Zur Speicherung des Demodulator-Ausgangssignals 104 ist eine Abtast-Halte-Anordnung 204 vorgesehen, welche während der Impulsdauern des Taktsignals 202 das Demodulator-Ausgangssignal 104 einspeichert und während der Impulspausen des Taktsignals 202 das gespeicherte Demodulator-Ausgangssignal 206 dem Komparator 106 zur Verfügung stellt, der das gespeicherte Demodulator-Ausgangssignal 206 mit der ersten Referenzspannung 104 vergleicht und in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis das Schaltsignal 110 bereitstellt. Die Abtast-Halte-Anordnung 204 enthält beispielsweise einen elektronischen Schalter 208, der vom Taktsignal 202 angesteuert wird, sowie einen Speicherkondensator 210.
Das Taktsignal 202 ist in 17 näher gezeigt. Die Impulsdauern 212 liegen beispielsweise im Mikrosekunden-Bereich, vorzugsweise im Bereich von 10–100 μs, während die Impulspausen 214 beispielsweise im Sekunden-Bereich, vorzugsweise im Bereich von 0,1–1,0 s liegen.
Der erfindungsgemäße kapazitive Sensor 10 kann sowohl in Tauchsonden als auch außen zur berührungslosen Abfrage an Behälterwänden eingesetzt werden.
18 zeigt eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors 10 zum Einsatz an einer Behälterwand 220 eines Behälters 222. Die erste und zweite Messelektrode 12, 14 können direkt an der Behälterwand 220 positioniert werden.
Zur vereinfachten Handhabung des kapazitiven Sensors 10 ist vorzugsweise die Elektrodeneinheit 5 vorgesehen, welche die Fläche 16 beispielsweise mit den beiden, benachbarten zueinander angeordneten Messelektroden 12, 14 enthält, wobei die Messelektroden 12, 14 jeweils eine Steckverbindung 224 aufweisen. Die Elektrodeneinheit 5 kann sehr kostengünstig hergestellt werden und eignet sich dadurch als Einwegteil zur festen Verbindung, beispielsweise durch Klebung auf der Behälterwand 220.
Die Steckverbindungen 224 sind mit einem Modul 226 kontaktierbar, das zumindest den Mess-LC-Schwingkreis 44, vorzugsweise zusätzlich den Oszillator 40 oder noch weitergehende elektronische Baugruppen enthält. Dadurch entfällt eine Beeinflussung des Mess-LC-Schwingkreises 44 durch parasitäre Kapazitäten, die bei einer längeren Verbindungsleitung im Meter-Bereich zwischen dem Modul 226 und der weiteren signalverarbeitenden Anordnung auftreten könnten.
19 zeigt eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors zum Einsatz in einer Tauchsonde 230. Die Fläche 16, welche elektrisch nicht leitend sein darf, kann unmittelbar als Gehäuse der Tauchsonde 230 ausgestaltet sein.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die erste und zweite Messelektrode 12, 14 diametral gegenüberliegend, gegebenenfalls auf einem Elektrodenträger 236 in der Tauchsonde 230 positioniert. Gleichermaßen ist es möglich, die beiden benachbarten zueinander angeordneten Messelektroden 12, 14 unsymmetrisch anzuordnen. Vorzugsweise sind in der Tauchsonde 230 auf einer Platine 232 der Elektrodenträger 235 und wieder zumindest ein Teil der Elektronik des erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors 10 untergebracht. Eine angepasste Form des Elektrodenträgers 235 sorgt für ein enges Anliegen der Elektroden 12 und 14 an der Innenwand des Gehäuses der Tauschsonde 230.
Die erste und zweite Messelektrode 12, 14 können beispielsweise als 1 cm² große rechteckförmige Stanzteile aus vorzugsweise selbstklebender Kupferfolie hergestellt sein. Die dünne Kupferfolie passt sich problemlos an die vorgegebenen Krümmungen der Fläche 16 beziehungsweise der Behälterwand 220 beziehungsweise der Tauchsonden-Rundung an.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009017011 A1 [0006]
DE 19949985 A1 [0007]
DE 102005057558 A1 [0008]
DE 102009002674 A1 [0010]

Claims

Kapazitiver Sensor zur Messung von Füllständen elektrisch leitfähiger und nicht leitfähiger Medien (18, 24, 30, 53), mit zueinander benachbart angeordneten Messelektroden (12, 14), die Teil einer Mess-Impedanz (20) sind, deren Wert vom Füllstand abhängt, mit einem Oszillator (40), der einen Mess-LC-Schwingkreis (44) enthält, dessen Mess-Schwingung (45) von der Mess-Impedanz (20) abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator (40) als symmetrischer Gegentakt-Oszillator realisiert ist, dass die an der ersten Messelektrode (12) auftretende erste Spannung (54) um 180 Grad gegenüber der an der zweiten Messelektrode (14) auftretenden zweiten Spannung (56) phasenverschoben ist und dass die Summe der an der ersten Messelektrode (12) auftretenden ersten Spannung (54) und die an der zweiten Messelektrode (14) auftretenden zweiten Spannung (56) bezogen auf das Erdpotenzial (58) gleich null ist.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mess-LC-Schwingkreis (44) als Parallel-LC-Schwingkreis mit einem Mess-Schwingkreis-Kondensator (46) und einer Mess-Schwingkreis-Spule (48) realisiert ist und dass die erste Messelektrode (12) an einem ersten Anschluss (50) des Mess-LC-Schwingkreises (44) und die zweite Messelektrode (14) am zweiten Anschluss (52) des Mess-LC-Schwingkreises (44) angeschlossen ist, sodass sich die kapazitive Komponente der Mess-Impedanz (20) der Messelektroden (12, 14) und die Kapazität des Mess-Schwingkreis-Kondensators (46) addieren.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des Mess-Schwingkreis-Kondensators (46) auf einen Wert festgelegt ist, der im Bereich von 0,5–10 pF liegt.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Mess-Schwingkreis-Spule (48) des Mess-LC-Schwingkreises (44) aufgeteilt ist in zwei symmetrische Teil-Mess-Schwingkreis-Spulen (48a, 48b), wobei der Mittenabgriff der beiden Teil-Mess-Schwingkreis-Spulen (48a, 48b) an einen Stromversorgungsanschluss (70) der Oszillatorschaltung (42) angeschlossen ist, dass die Oszillatorschaltung (42) zwei im Gegentaktbetrieb betriebene Transistoren (74, 78) enthält, dass der Kollektor-Anschluss des ersten Transistors (74) mit der zweiten Messelektrode (14) und der Kollektor-Anschluss des zweiten Transistors (78) mit der ersten Messelektrode (12) verbunden ist und dass der Mess-Schwingkreis-Kondensator (46) auf zwei kapazitive Spannungsteiler (46aa, 46ab, 46ba, 46bb) aufgeteilt ist, welche die Mess-Schwingung (45) auf die Basis-Anschlüsse der beiden Transistoren (74, 78) koppeln.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bandpassfilter (100) mit einstellbarer Durchlassfrequenz zur Filterung der Mess-Schwingung (45) vorgesehen ist.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bandpassfilter (100) als LC-Schwingkreis mit einem Bandpassfilter-Schwingkreis-Kondensator (114) und einer Bandpassfilter-Schwingkreis-Spule (112) ausgestaltet ist und dass der Bandpassfilter-Schwingkreis-Kondensator (114) als Bandpassfilter-Kapazitätsdiode (140) realisiert ist, sodass die Resonanzfrequenz des Bandpassfilters (100) mit einer Steuerspannung (142) variiert werden kann.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchlassfrequenz des Bandpassfilters (100) derart abgestimmt ist, dass bei einem Füllstand, bei welchem beide Messelektroden (12, 14) vom Medium (18, 24, 30, 53) überdeckt sind, die Spannung (130) am Bandpassfilter (100) die maximale Amplitude aufweist.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Komparator (106) vorgesehen ist, der die Demodulator-Ausgangsspannung (104) mit einer ersten Referenzspannung (108) vergleicht, und dass dann, wenn die Demodulator-Ausgangsspannung (104) die erste Referenzspannung (108) überschreitet, ein vorgegebener Füllstand des Mediums (18, 24, 30, 53) vorliegt.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Referenzspannung (108) auf die Hälfte der höchsten Amplitude der Demodulator-Ausgangsspannung (104) festgelegt ist.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine PLL-Schaltung vorgesehen ist, die einen ersten spannungsgesteuerten Oszillator (170) und einen ersten Phasenkomparator (172) enthält, dass der erste Phasenkomparator (172) die Frequenz der Mess-Schwingung (45) mit der Frequenz des ersten Oszillatorsignals (174) des ersten spannungsgesteuerten Oszillators (170) vergleicht und in Abhängigkeit vom Vergleich ein erstes Phasensignal (176) bereitstellt, welche die Frequenz des ersten spannungsgesteuerten Oszillators (170) auf die Frequenz der Mess-Schwingung (45) nachführt und dass das erste Phasensignal (176) ein Maß für den Füllstand ist.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mess-Schwingkreis-Kondensator (46) als Schwingkreis-Kapazitätsdiode (188) ausgestaltet ist.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine PLL-Schaltung vorgesehen ist, die einen zweiten spannungsgesteuerten Oszillator (180) und einen zweiten Phasenkomparator (182) enthält, dass der zweite Phasenkomparator (182) die Frequenz (F) der Mess-Schwingung (45) mit der Frequenz des zweiten Oszillatorsignals (184) des zweiten spannungsgesteuerten Oszillators (180) vergleicht und in Abhängigkeit vom Vergleich ein zweites Phasensignal (186) bereitstellt, dass das zweite Phasensignal (186) der Steuerspannung der Schwingkreis-Kapazitätsdiode (188) entspricht, dass das zweite Phasensignal (186) die Kapazität der Schwingkreis-Kapazitätsdiode (188) und damit die Frequenz (F) der Mess-Schwingung (45) auf die Frequenz des zweiten Oszillatorsignals (184) des zweiten spannungsgesteuerten Oszillators (180) nachführt und dass das zweite Phasensignal (186) ein Maß für den Füllstand ist.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem vorgegebenen Füllstand die Steuerspannung der Schwingkreis-Kapazitätsdiode (188) auf einen Wert festgelegt ist, bei welchem die Frequenz (F) der Mess-Schwingung (45) mit der Frequenz des zweiten Oszillatorsignals (184) identisch ist.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Komparator (106) vorgesehen ist, der das erste Phasensignal (176) mit einer zweiten Referenzspannung (178) vergleicht und dass dann, wenn das erste Phasensignal (176) die zweite Referenzspannung (178) überschreitet, ein vorgegebener Füllstand des Mediums (18, 24, 30, 46) vorliegt.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Komparator (106) vorgesehen ist, der das zweite Phasensignal (186) mit einer dritten Referenzspannung (192) vergleicht und dass dann, wenn das zweite Phasensignal (186) die dritte Referenzspannung (192) überschreitet, ein vorgegebener Füllstand des Mediums (18, 24, 30, 53) vorliegt.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine gesteuerte Spannungsquelle (152) vorgesehen ist, welche eine Steuerspannung (142) für die Bandpassfilter-Kapazitätsdiode (140) bereitstellt, dass eine periodische Änderung der Steuerspannung (142) vorgesehen ist, sodass die Resonanzfrequenz des Bandpassfilters (100) periodisch verändert wird, dass eine Bewertung der zeitlichen Lage und Höhe des Maximums des periodisch sich ändernden Demodulator-Ausgangssignals (104) durch einen Vergleich mit einer vierten Referenzspannung (162). und einer fünften Referenzspannung (164) innerhalb eines vorgebbaren Zeitfensters (160) vorgesehen ist, wobei die vierte und fünfte Referenzspannung (162, 164) sowie das Zeitfenster (160) ein Wertefenster (166) bilden, in welchem das Maximum des Demodulator-Ausgangssignals (104) liegt, dass dann, wenn das innerhalb des Zeitfensters (160) liegende Maximum des Demodulator-Ausgangssignals (104) die vierte Referenzspannung (162) überschreitet und die fünfte Referenzspannung (164) nicht überschreitet, ein vorgegebener Füllstand des Mediums (18, 24, 30, 53) vorliegt.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mikroprozessor (194) vorgesehen ist, der die Frequenz (F) der Mess-Schwingung (45) erfasst, dass eine Einlerntaste (196) vorgesehen ist, bei deren Betätigung bei einem bestimmten Füllstand der Mikroprozessor (194) diesen aktuell vorliegenden bestimmten Füllstand der erfassten Frequenz (F) oder einem Frequenzbereich um die Frequenz (F) zuordnet und dass der Mikroprozessor (194) beim Vorliegen des bestimmten Füllstands ein Schaltsignal (110) bereitstellt.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frequenzteiler (198) zur Herunterteilung der Frequenz (F) der Mess-Schwingung (45) vorgesehen ist.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Taktgenerator (200) vorgesehen ist und dass der Oszillator (40) während der Impulsdauer (212) des Taktsignals (202) eingeschaltet und während der Impulspause (214) des Taktsignals (202) abgeschaltet ist und die Messung des Füllstandes während der Impulsdauer (212) erfolgt.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsdauer (212) auf einen Wert festgelegt ist, der im Bereich von 10–100 Mikrosekunden liegt und dass die Impulspause (214) auf einen Wert festgelegt ist, der im Bereich von 0,1–1 Sekunden liegt.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abtast-Halte-Schaltung (204) zur Zwischenspeicherung der Demodulator-Ausgangsspannung (104) zur Überbrückung der Impulspause (214) vorgesehen ist.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrodeneinheit (5) vorgesehen ist, welche die Messelektroden (12, 14) und eine Fläche (16) enthält, dass die Messelektroden (12, 14) als flexible Messelektroden (12, 14) realisiert sind und dass die Fläche (16), auf welcher die flexiblen Messelektroden (12, 14) angeordnet sind, zur Positionierung der Elektrodeneinheit (5) auf unterschiedlich geformten Behälterwänden (220) eines Behälters (222), in welchem das Medium (18, 24, 30, 53) gelagert ist, ebenfalls flexibel ausgestaltet ist.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodeneinheit (5) Steckverbindungen (224) zur Herstellung der Verbindung mit dem Oszillator (40) enthält.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass ein Modul (226) vorgesehen ist, welches zur Kontaktierung mit den Steckverbindungen (224) vorbereitet ist und dass das Modul (226) wenigstens den Oszillator (40) enthält.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrodeneinheit (5) vorgesehen ist, welche zumindest die Messelektroden (12, 14) enthält und dass zumindest die Elektrodeneinheit (5) mit einem umgebenden Schutzgehäuse als Tauchsonde (230) ausgebildet ist.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodeneinheit (5) weiterhin einen Elektrodenträger (236) enthält.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Tauchsonde (230) eine Platine (232) enthält, auf welcher zumindest der Oszillator (40) angeordnet ist.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Platine (232) weiterhin der Elektrodenträger (236) angeordnet ist.