DE102013112025A1

DE102013112025A1 - Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung des Füllstands eines Mediums in einem Behälter

Info

Publication number: DE102013112025A1
Application number: DE201310112025
Authority: DE
Inventors: Thomas Blödt; Peter Klöfer
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2015-04-30
Also published as: US20160265959A1; WO2015062765A1; EP3063511A1; CN105705913B; CN105705913A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung des Füllstands (h, H) oder eines vorgegebenen Grenzstands eines Mediums (3) in einem Behälter (2), – mit einem selbsterregten System, bestehend aus – einer Schwingungserzeugungseinheit zur Erzeugung elektromagnetischer Wellen innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbandes, – zumindest einem Sensor (1) mit einer Elektrode (4), der unter einem vorgegebenen Winkel zur Längsachse des Behälters (2) angeordnet ist, wobei die Elektrode (4) mit den elektromagnetischen Wellen beaufschlagt wird, wobei der zumindest eine Sensor (1) bezüglich des Mediums (3) derart angeordnet ist, dass sich die Phasenlage der an der Grenzfläche des Mediums (3) reflektierten elektromagnetischen Wellen unter dem Einfluss des Mediums (3) ändert, und – einem Rückkopplungskreis, der die elektromagnetischen Wellen auf den zumindest einen Sensor (1) rückkoppelt, wodurch die Frequenz des selbsterregten Systems bestimmt wird, mit einem Frequenzdetektor, der die Frequenz der elektromagnetischen Wellen erfasst, und mit einer Auswerteeinheit (28, 29), die anhand der erfassten Frequenz die vom jeweiligen Füllstand (h) abhänige relative Dielektrizitätszahl (DKmess) und/oder die Permeabilität des Mediums (3) ermittelt und die anhand der ermittelten relativen Dielektrizitätszahl (DKmess) oder der Permeabilität des Mediums (3) den Füllstand (h) oder das Erreichen des vorgegebenen Grenzstands des Mediums (3) in dem Behälter (2) bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung des Füllstands oder eines vorgegebenen Grenzstands eines Mediums in einem Behälter.
Von der Anmelderin wird eine Vielzahl von Füllstandsmessgeräten für die industrielle Automatisierungstechnik angeboten und vertrieben.
Zur Bestimmung des Füllstands eines Mediums in einem Behälter werden unterschiedliche Messprinzipien eingesetzt. Beispielsweise bestimmen Radar-Messgeräte den Füllstand eines Füllguts in einem Behälter über die Laufzeit von Ultraschallsignalen oder Mikrowellensignalen. Bei diesen sog. Laufzeitverfahren wird die physikalische Gesetzmäßigkeit ausgenutzt, dass die Laufstrecke gleich dem Produkt aus Laufzeit und Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen ist. Im Falle der Füllstandsmessung entspricht die Laufstrecke dem doppelten Abstand zwischen Antenne und Oberfläche des Füllguts. Der Füllstand selbst lässt sich dann aus der Differenz zwischen dem bekannten Abstand der Antenne von dem Boden des Behälters und dem durch die Messung bestimmten Abstand der Oberfläche des Füllguts von der Antenne bestimmen.
Der Nachteil von Radar-Füllstandsmessgeräten zeigt sich, wenn diese in kleinen Behältern, insbesondere kleiner als 1m eingesetzt werden. Die Ortsauflösung, also die Messgenauigkeit, ist dann relativ gering und die Blockdistanz groß. Unter Blockdistanz wird hierbei die Mindestentfernung von der Antenne verstanden, ab der – unter Berücksichtigung der Abstrahlcharakteristik der Antenne – eine zuverlässige Messung überhaupt erst möglich ist. Der Einfluss der Blockdistanz lässt sich durch eine geeignete Signalaufbereitung teilweise kompensieren, z.B. indem eine reproduzierbar geführte Wellenausbreitung verwendet wird. Entsprechende Füllstandsmessgeräte sind unter der Bezeichnung TDR(Time Domain Reflectometry)-Geräte bekannte geworden.
Lasermessgeräte lassen sich auch bei einer geringen Messdistanz einsetzen, jedoch ist ihre Realisierung kostenintensiv.
Weiterhin werden zur kontinuierlichen Füllstandsmessung kapazitive Messsonden oder hydrostatische Drucksonden eingesetzt. An kapazitiven Messsonden können Ablagerungen die Messgenauigkeit herabsetzen. Hydrostatische Drucksonden werden relativ stark durch Druckveränderungen beeinflusst, die insbesondere beim Befüllen kleiner Behälter auftreten. Weiterhin existieren indirekte Verfahren zur Bestimmung eines Füllstands. Zu nennen ist in diesem Zusammenhang beispielsweise ein Tropfenzähler, welcher an einem Infusionsbeutel angebracht wird.
Ein kostengünstiges System zur Füllstandsmessung besteht aus einer Vielzahl von zusammengeschalteten Grenzschaltern, die jeweils einen definierten Höhenbereich des Behälters abdecken. Ist eine feste Anzahl von Grenzschaltern über die Höhe des Behälters verteilt, so ist die Messungenauigkeit umso größer, je größer der Behälter ist. Bei Verwendung von 11 Grenzschaltern kann das System in Stufen von 10% auflösen. Hinzu kommt, dass mehrere Grenzstand-Messstellen je nach Messverfahren kostspielig sind; auch können sie sich prinzipbedingt gegenseitig beeinflussen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstands oder des Grenzstands eines Mediums in einem Behälter vorzuschlagen, die auch für den Einsatz in kleinen Behältern geeignet ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung des Füllstands oder eines vorgegebenen Grenzstands eines Mediums in einem Behälter mit einem selbsterregten System, bestehend aus

– einer Schwingungserzeugungseinheit zur Erzeugung elektromagnetischer Wellen innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbandes,
– zumindest einem Sensor mit einer Elektrode, der unter einem vorgegebenen Winkel zur Längsachse des Behälters angeordnet ist, wobei die Elektrode mit den elektromagnetischen Wellen beaufschlagt wird, wobei der zumindest eine Sensor bezüglich des Mediums derart angeordnet ist, dass sich die Phasenlage der an der Grenzfläche des Mediums reflektierten elektromagnetischen Wellen unter dem Einfluss des Mediums ändert, und
– einem Rückkopplungskreis, der die elektromagnetischen Wellen auf den zumindest einen Sensor rückkoppelt, wodurch die Frequenz des selbsterregten Systems bestimmt wird, mit einem Frequenzdetektor, der die Frequenz der elektromagnetischen Wellen erfasst, und mit einer Auswerteeinheit, die anhand der erfassten Frequenz die relative Dielektrizitätszahl (DK_mess) oder die Permeabilität des Mediums ermittelt und die anhand der ermittelten relativen Dielektrizitätszahl (DK_mess) und/oder die Permeabilität des Mediums den Füllstand oder das Erreichen des vorgegebenen Grenzstands des Mediums in dem Behälter bestimmt.

Der Brechungsindex – auch Brechungszahl genannt – entspricht dem Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit von elektromagnetischen Wellen im Vakuum zur Ausbreitungsgeschwindigkeit im Medium. Der komplexe Brechungsindex ist mit der Permittivität und der Permeabilität verknüpft. Hierbei ist die Permittivität ein Maß für die Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder und die Permeabilität ein Maß für die Durchlässigkeit eines Materials für magnetische Felder. Permittivität und dielektrische Leitfähigkeit sind synonyme Begriffe. Die relative Permittivität, die auch als Permittivitätszahl bzw. als Dielektrizitätszahl bezeichnet wird, beschreibt die Permittivität eines Mediums zu der Permittivität des Vakuums. Magnetische Stoffe werden über die Permeabilität als diamagnetische, paramagnetische oder ferromagnetische Stoffe klassifiziert.
Obwohl im folgenden nahezu ausschließlich auf die Messung der relativen Dielektrizitätszahl Bezug genommen wird, lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung analog nutzen, um bei entsprechenden Medien über eine Permeabilitätsmessung den Füllstand zu detektieren.
Bevorzugt besteht der Sensor aus einer Elektrode, die auf einem Isolationsmaterial angeordnet ist; Elektrode und Isolationsmaterial bilden eine Messzelle.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung sieht vor, dass der Sensor oder die Messzelle an der Innenwand des Behälters, an der Außenwand des Behälters oder in dem Medium angeordnet ist. Ebenso kann der Sensor bzw. die Messzelle integraler Bestandteil der Behälterwandung sein. Da die Mikrowellen z.B. einen Kunststoffbeutel durchdringen, kann der Sensor bzw. die Messzelle an die Außenwand eines Kunststoffbehälters geklebt werden. Es versteht sich von selbst, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgestaltet ist, dass sie sich entweder über die gesamte Füllhöhe des Behälters erstreckt, oder dass sie kürzer ist und nur einen Teilbereich des maximalen Füllstands abdeckt, z.B. 0%–50% oder 60%...100%. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch als Grenzschalter eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch als Mikrowellen-Resonator bezeichnet werden. In Abhängigkeit von den an der Grenzfläche zu dem Medium herrschenden Gegebenheiten ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Lage, Aussagen bezüglich der elektrischen oder magnetischen Eigenschaften bzw. der sich ändernden elektrischen oder magnetischen Eigenschaften des Mediums zu machen.
Das selbsterregte System schwingt im eingeschwungenen Zustand auf einer definierten Schwingfrequenz, die im Mikrowellenbereich angesiedelt ist. Die sich einstellende Schwingfrequenz des selbsterregten Systems, sprich des Mikrowellen-Resonators, hängt von dem Brechungsindex an der Grenzfläche zu dem Medium ab, wobei der Mikrowellen-Resonator bezüglich der Grenzfläche so angeordnet sein muss, dass die Schwingfrequenz durch die Eigenschaften des Mediums beeinflusst wird. Somit muss der Mikrowellen-Resonator in der nahen Umgebung zu dem Medium oder in dem Medium angeordnet sein. Hierbei gilt natürlich, dass die Dicke der Wandung größer sein kann, wenn das Medium eine hohe Dielektrizitätszahl aufweist. Gemessen wird im Zusammenhang mit der Erfindung die Schwingfrequenz bzw. die Frequenzänderung infolge des Einflusses des Mediums. Hierzu wird als Frequenzdetektor bevorzugt ein Frequenzzähler eingesetzt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass das Frequenzband, in dem das selbsterregte System schwingfähig ist, außerhalb der Eigenfrequenz des Sensors liegt. Die Eigenfrequenz des Sensors ist durch die geometrischen Abmessungen des Sensors bzw. die Laufzeit der reflektierten elektromagnetischen Wellen innerhalb des Sensors bestimmt. Als Folge hiervon weist das selbsterregte System eine geringe Güte auf; dies ist für das selbsterregte System sehr vorteilhaft ist. Darüber hinaus wird durch die von der Eigenfrequenz abweichende Frequenz verhindert, dass der Sensor als Antenne wirkt und grosse Energieanteile aufnimmt oder abstrahlt. Somit werden Störungen vermindert. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden bevorzugt folgende Betriebs- bzw. Schwingfrequenzen eingesetzt: 2,4 GHz, 433 MHz, 866 MHz oder 5.8 GHz. Ganz allgemein kann zumindest jede Frequenz im Frequenzbereich zwischen 300 MHz und mindestens 30 GHz eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann bevorzugt – aber nicht ausschließlich – für die Bestimmung des Füllstands in kleinen Behältern verwendet werden. Unter kleinen Behältern werden insbesondere Behälter mit einer Längenausdehnung kleiner oder deutlich kleiner als 1m verstanden. Das Bestimmen eines kleinen Füllstands ist in vielen Anwendungsbereichen von großer Bedeutung. Wichtige Anwendungsgebiete sind die Medizintechnik und die Pharmaindustrie. In der Pharmaindustrie zeigt sich in zunehmendem Maß der Trend, dass die Herstellung von Medikamenten über biotechnologische Verfahren in kleinen Chargen erfolgt. Da sich die erfindungsgemäße Lösung sehr kostengünstig herstellen lässt, ist sie auch in Einweg-Behältnissen, insbesondere in Einweg-Beuteln, wie Infusionsbeuteln, Abstoffbeuteln oder Prozessbehältern bevorzugt einsetzbar. Durch Entsorgen des Behältnisses noch einmaligen Gebrauch lässt sich das Sterilisieren zur weiteren Benutzung einsparen. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. die Messzelle oder der Sensor – wie bereits erwähnt – auch problemlos von außen an das Behältnis adaptiert, z.B. geklebt werden kann, ist auch ein wiederholter Einsatz an unterschiedlichen Behältnissen nicht ausgeschlossen. Auch ist ein Recyceln einfach möglich.
Weitere Anwendungen finden sich in der Chemie-Verfahrenstechnik und in der Lebensmittelindustrie. Aus der DE 10 2012 104 075 A1 vom 09.05.2012 ist ein Sensor bekannt geworden, der so empfindlich ist, dass er im Zusammenhang mit der Erfindung eingesetzt werden kann. Der entsprechende Offenbarungsgehalt der DE 10 2012 104 075 A1 (nicht vorveröffentlicht) ist dem Offenbarungsgehalt der vorliegenden Erfindung zuzurechnen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung schlägt vor, dass die Auswerteeinheit den Füllstand absolut oder relativ zur maximalen Höhe des Füllstands des Behälters nach folgenden Formeln berechnet: h = [DK_mess – DK_ATM]/[DK_M – DK_ATM] bzw. H = [DK_mess – 1]/[DK_M – 1]·100%
Hierbei charakterisiert DK_mess die mit dem Sensor gemessene relative Dielektrizitätszahl, DK_ATM die relative Dielektrizitätszahl der Gasphase im Bereich oberhalb der Oberfläche des Mediums, DK_M die relative Dielektrizitätszahl des Mediums, h die ermittelte Höhe des Füllstands und H die maximale Höhe des Füllstands in dem Behälter.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die relative Dielektrizitätszahl des Mediums vorgegeben ist. Dies ist in vielen Anwendungen problemlos möglich, da die Zusammensetzung des Mediums bestens bekannt und konstant ist. Alternativ ist es möglich, einen ersten Referenzsensor vorzusehen. Dieser ist bevorzugt analog ausgestaltet wie der erfindungsgemäße Sensor zur Füllstandsmessung. Der erste Referenzsensor ist zumindest temporär so angeordnet, dass er über die gesamte Längenausdehnung der Elektrode mit dem im Behälter befindlichen Medium wechselwirkt. Der Frequenzdetektor, der der Elektrode des Sensors zugeordnet ist (diese Lösung bietet sich aus Kostengründen an), oder auch ein separater Frequenzdetektor misst die Frequenz des ersten Referenzsensors. Die Auswerteeinheit bestimmt anhand der von dem Sensor gemessenen relativen Dielektrizitätszahl und der vorgegebenen oder von dem ersten Referenzsensor ermittelten relativen Dielektrizitätszahl des Mediums den Füllstand oder den vorgegebenen Grenzstand des Mediums in dem Behälter. In diesem Zusammenhang sei noch einmal erwähnt, dass die erfindungsgemäße Lösung auch auf magnetische Eigenschaft des Mediums reagiert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass die relative Dielektrizitätszahl des sich in der Gasphase befindlichen Mediums vorgegeben ist. Da es sich in vielen Fällen um Luft handelt, ist die Vorgabe einfach. Alternativ ist ein zweiter Referenzsensor vorgesehen, der hinsichtlich seines Aufbaus und seiner Funktion bevorzugt dem Sensor oder dem ersten Referenzsensor entspricht. Der zweite Referenzsensor ist im Wesentlichen senkrecht zu der Elektrode des Sensors orientiert und in einem Bereich des Behälters angeordnet, in dem die Beeinflussung der auf die Elektrode des zweiten Referenzsensors eingekoppelten elektromagnetischen Wellen durch das sich in der Gasphase befindliche Medium zumindest zeitweise konstant ist. Auf jeden Fall muss der zweite Referenzsensor so angeordnet sein, dass der Einfluss des Mediums auf die Messwerte des zweiten Referenzsensors ausgeschlossen ist. Die Auswerteeinheit bestimmt bzw. überwacht anhand der vorgegebenen oder ermittelten relativen Dielektrizitätszahlen den Füllstand oder den vorgegebenen Grenzstand des Mediums in dem Behälter.
Eine bevorzugte Lösung zielt darauf ab, eine in einem Behälter auftretende Trennschicht zu detektieren und ihre Dicke zu bestimmen. In diesem Fall befinden sich in dem Behälter neben dem Medium, dessen Füllstand überwacht werden soll, und dem Medium in der Gasphase ein weiteres Medium, das in der Trennschicht angeordnet ist. Typische Beispiele sind eine ölhaltige Substanz oberhalb einer Wasseroberfläche, oder eine Ablagerung am Boden des Behälters. In diesem Zusammenhang ist ein dritter Referenzsensor vorgesehen, der gleichfalls wieder auf demselben Messprinzip beruht wie die zuvor beschriebenen Sensoren. Allerdings ist die Längenausdehnung des dritten Referenzsensors von der Längenausdehnung des Sensors verschieden. Der dritte Referenzsensor ist im Wesentlichen parallel zu dem Sensor ausgerichtet. Die Längenausdehnung des dritten Referenzsensors ist so bemessen, dass der obere Endbereich stets oberhalb der maximalen Höhe der Trennschicht liegt. Der dem Boden des Behälters zugewandte Endbereich des Sensors und der dem Boden des Behälters zugewandte Endbereich des dritten Referenzsensors befinden sich zumindest näherungsweise auf der gleichen Höhe. Die Auswerteeinheit ermittelt anhand der relativen Dielektrizitätszahlen neben dem Füllstand des Mediums in dem Behälter auch die Dicke der Trennschicht.
Die Auswertung erfolgt mittels der Auswerteeinheit bevorzugt nach folgenden Formeln: h = [[L + L/G – 2(1 + DK_mess + DK₃)]/[L/G – DK_mess – DK₃ – 1] – DK₃]/[DK_M – 1]·100% t = [L + L/G – 2(1 + DK_mess + DK₃)]/[L/G – DK_mess – DK₃ – 1]·100%
Hierbei charakterisiert:

DK_mess: die mit dem Sensor gemessene relative Dielektrizitätszahl,
DK₃: die mit dem dritten Referenzsensor gemessene relative Dielektrizitätszahl,
L:: die Längenausdehnung des dritten Referenzsensors,
G:: die Längenausdehnung des Sensors,
t:: die Dicke der Trennschicht.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen alle Sensoren eine definierte Längenausdehnung auf. Für den Fall, dass die maximale Füllhöhe des Mediums in dem Behälter ein Vielfaches der Längenausdehnung der Elektrode bzw. des Sensors beträgt, werden mehrere Sensoren in Reihe zueinander über die Füllhöhe verteilt an oder in dem Behälter angeordnet. Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn die Sensoren mit gleicher Längenausdehnung als Bandware bzw. als Meterware vorliegen. Bevorzugt sind dann zwischen den einzelnen Sensoren Sollbruchstellen vorgesehen, so dass die die Anzahl der Sensoren durch geeignete Abtrennung auf die zu messende oder zu überwachende maximale Füllhöhe des Mediums in dem Behälter abstimmbar ist.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
1: eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messanordnung zur Füllstandsmessung in einem Behälter,
2: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messanordnung zur Füllstandsmessung in einem Behälter,
3: eine schematische Darstellung einer dritten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messanordnung zur Füllstandsmessung in einem Behälter,
4: eine schematische Darstellung einer vierten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messanordnung zur Füllstandsmessung in einem Behälter,
5a: die in 4 gezeigte Messanordnung mit Sensorelektronik und Auswerteelektronik in einer ersten Ausgestaltung,
5b: die in 4 gezeigte Messanordnung mit Sensorelektronik und Auswerteelektronik in einer zweiten Ausgestaltung,
6a–6d: unterschiedlichen Ausgestaltungen einer bevorzugt verwendeten erfindungsgemäßen Messanordnung,
7a–7c: unterschiedliche Varianten der erfindungsgemäßen Messanordnung,
8a, 8b: weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
9: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Lösung, die zur Steuerung einer Pumpe verwendet wird und
Anhand der in 1 gezeigten schematischen Darstellung einer ersten auf das wesentliche reduzierten Anordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Füllstandsmessung in einem Behälter 2 wird das Messprinzip der erfindungsgemäßen Lösung näher erläutert. Der Behälter 2 ist teilweise mit einem Medium 3 gefüllt. Der Sensor 1 ist von außen an dem Behälter 2 angebracht und im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Behälters 2 platziert. Der Füllstand h des Mediums 3 in dem Behälter 2 kann als absolutes Maß angegeben werden oder als Prozentzahl in Bezug auf die maximale Füllhöhe H, die in dem Behälter 2 möglich ist.
Erfindungsgemäß wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass ein an einem Behälter positionierter Mikrowellenresonator 1 mit einer einfachen länglichen Elektrode 4 den linearen Mittelwert der relativen Dielektrizitätszahl der angrenzenden Medien (3, 14) in Form einer Frequenz ausgibt. Der erfindungsgemäße Sensor 1 bildet den Mittelwert der angrenzenden Medien in der Form, dass beispielsweise ein zu 25% an den Sensor 1 angrenzendes Medium 3 mit einer relativen Dielektrizitätszahl DK_M von 4 und ein zu 75% an den Sensor 1 angrenzendes Medium 14 mit einer relativen Dielektrizitätszahl DK_ATM von 1 (Luft) eine gemessene Dielektrizitätszahl DK_mess von DK_mess = 0.25·4 + 0.75·1 = 1.75 ergibt, bzw. es ergibt sich die der relativen Dielektrizitätszahl DK_mess von 1.75 zuzuordnende Frequenz. Die in 1 gezeigte Anordnung kann verwendet werden, wenn die Dielektrizitätszahl DK_M des Mediums 3 und die Dielektrizitätszahl DK_ATM der Gasphase 14 bekannt sind. In vielen Anwendungen in der Lebensmittel-, Pharma- und Chemie-Industrie darf dies angenommen werden.
Ändert sich das Medium 3 in seiner Zusammensetzung während eines Überwachungsprozesses oder ist die Zusammensetzung des Mediums 3 per se nicht bekannt, so bietet sich die in 2 gezeigte Lösung an. Neben dem Sensor 1, dem eigentlichen Füllstandsensor, ist ein Referenzsensor 6 vorgesehen, der so an/in dem Behälter 2 angeordnet ist, dass er zumindest temporär über seine gesamte Längenausdehnung mit dem in dem Behälter 2 befindlichen Medium 3 wechselwirkt. Da die Frequenz des schwingfähigen Systems in Wechselwirkung mit dem Medium 3 sich auf eine Frequenz einstellt, die eine eindeutige Zuordnung zur der Dielektrizitätszahl DK_M des Mediums 3 erlaubt, lässt sich über den Referenzsensor 6 die Dielektrizitätszahl DK_M des Mediums 3 bestimmen.
Die Formel zur Bestimmung des Füllstands h des Mediums 3 in dem Behälter 2 lautet wie folgt: h·DK_M + (1 – h)·DK_ATM = DK_mess (1) Somit ergibt sich: h = [DK_mess – DK_ATM]/[DK_M – DK_ATM] (2)
Im einfachen Fall, dass das Gas im Gasraum 14 Luft ist, ist die Dielektrizitätskonstante DK_ATM = 1. Die Gleichung lässt sich dann wie folgt umschreiben: h = [DK_mess – DK_ATM]/[DK_M – DK_ATM] (3) bzw. normiert auf den maximalen Füllstand H in dem Behälter 2 H = [DK_mess – 1]/[DK_M – 1]·100% (4)
3 zeigt eine bevorzugte Messanordnung, wenn die Dielektrizitätszahl DK_ATM des Mediums in der Gasphase 14 schwankt oder unbekannt ist. Neben dem Sensor 1 und dem ersten Referenzsensor 6 ist dann ein zweiter Referenzsensor 7 vorgesehen, der so angeordnet ist, dass er zumindest zeitweise nur mit der Gasphase 14 wechselwirkt. Anhand der sich einstellenden Frequenz lässt sich auch hier die Dielektrizitätszahl DK_ATM der Gasphase 14 eindeutig bestimmen. Der Füllstand h bzw. H lässt sich über eine der zuvor genannten Formeln berechnen.
Eine Messanordnung, die insbesondere zur Füllstandsmessung bei Vorhandensein einer Trennschicht 9 geeignet ist, ist in 4 dargestellt. Der dritte Referenzsensor 8 ist bevorzugt analog zu dem Sensor 1 oder dem ersten Referenzsensor 6 oder dem zweiten Referenzsensor 7 ausgebildet. Die Längenausdehnung L des aktiven Teils des dritten Referenzsensors 8 unterscheidet sich von der Längenausdehnung G des aktiven Teils des Sensors 1. Insbesondere ist die Längenausdehnung L des dritten Referenzsensors 8 so bemessen, dass der obere Endbereich 24 stets oberhalb der maximalen Höhe der Trennschicht 9 in dem Behälter 2 liegt. Der dritte Referenzsensor 8 ist im Wesentlichen parallel zu dem Sensor 1 ausgerichtet – im gezeigten Fall sind beide parallel zur Längsachse des Behälters 2. Der dem Boden 25 des Behälters 3 zugewandte Endbereich 27 des Sensors 1 und der dem Boden 25 des Behälters 3 zugewandte Endbereich 26 des dritten Referenzsensors 8 liegen zumindest näherungsweise auf der gleichen Höhe. Die in 4 nicht gesondert dargestellte Sensor- und Auswerteelektronik ermittelt anhand der gemessenen und/oder vorgegebenen relativen Dielektrizitätszahlen DK_M, DK_ATM, DK_mess die Dicke t der Trennschicht 9. In den nachfolgenden Formeln kennzeichnet DK_T die Dielektrizitätszahl des Mediums in der Trennschicht 9 und DK₃ die von dem dritten Referenzsensor 8 gemessene Dielektrizitätszahl. h·DK_M + (1 – h – t)·DK_ATM + t·DK_T = DK_mess (5) sowie h·DK_M + (L – h – t)·DK_ATM + t·DK_T = DK₃ (6)
Der Füllstand (H) lässt sich nachfolgend nach folgender Formel berechnen: H = [[L + L/G – 2(1 + DK_mess + DK₃)]/[L/G – DK_mess – DK₃ – 1] – DK₃]/[DK_M – 1]·100% (7) mit ε_h = ε₀·DK_M
Für die Dicke t bzw. T der Trennschicht 9 folgt: T = [L + L/G – 2(1 + DK_mess + DK₃)]/[L/G – DK_mess – DK₃ – 1]·100% (8) mit ε_T = ε₀·(1 + DK_mess + DK₃ – L/G)
Im beschriebenen Fall liegt die Trennschicht 9 oberhalb des ersten Referenzsensors 6 und unterhalb des oberen Endbereichs 24 des dritten Referenzsensors 8. Liegen die unteren Endbereiche 25, 26 des Sensors 1 und des dritten Referenzsensors 8 nicht auf einer Höhe, so muss die Dielektrizitätszahl DK_ATM der Gasphase 14 mitberücksichtigt werden. Hierzu kann – wie bereits zuvor beschrieben – ein zweiter Referenzsensor 7 eingesetzt werden. Aus der DE 10 2012 104 075 A1 vom 09.05.2012 ist ein Sensor bekannt geworden, der so empfindlich ist, dass er zur Bestimmung der Dielektrizitätszahl der Trennschicht 9 (hier eine indirekte Messung der Schaumdicke und -dichte) eingesetzt werden kann. Der entsprechende Inhalt der DE 10 2012 104 075 A1 (nicht vorveröffentlicht) ist dem Offenbarungsgehalt der vorliegenden Erfindung zuzurechnen.
Im Prinzip ist es im Zusammenhang mit der Erfindung selbstverständlich möglich, alle bekannten Dielektrizitätszahlen des Mediums un der Gasphase ggf. auch der Trennschicht, nicht zu messen, sondern der Auswerteelektronik vorzugeben. Da die Dielektrizitätszahl DK_M eines Mediums 3, insbesondere bei Wasser aber auch bei anderen gängigen Medien, temperaturabhängig ist, sollte zur Verbesserung der Messgenauigkeit zumindest ein Temperatursensor (nicht dargestellt) vorgesehen sein. Hierdurch lässt sich der Temperatureffekt rechnerisch kompensieren.
In den Figuren 5a und 5b ist die in 4 gezeigte Messanordnung mit Frequenzdetektor 11, Sensorelektronik 12 und Auswerteelektronik bzw. Auswerteeinheit 28 in zwei unterschiedlichen Ausgestaltungen gezeigt. In 5a ist jedem Sensor bzw. jedem Referenzsensor 1, 6, 8 jeweils eine Sensorelektronik 12 zugeordnet. In 5a liegen somit drei schwingfähige Systeme vor. Diese bstehen aus dem ersten schwingfähigen System 1, 12, dem zweiten schwingfähigen System 6, 12 und dem dritten schiwngfähigen System 7, 12. Diese Lösung ist durchaus möglich, da die Bauteilkosten für die benötigten Elektroniken relativ gering sind. Zwecks Energieeinsparung werden die einzelnen Sensoren 1 bzw. Referenzsensoren 6, 7, 8 alternierend von der Auswerteelektronik 28 angesteuert.
Bei der in 5b gezeigte Ausgestaltung sind mehrere Sensoren 1, 6, 8 über einen Umschalter 10 mit nur einer Sensorelektronik 12 und einem Frequenzdetektor 11 verbunden. Das Umschalten des Umschalters 10 wird von der Auswerteelektronik / Auswerteeinheit 28 gesteuert. Bei dieser Ausgestaltung liegt nur ein schwingfähiges System vor. In Abhängigkeit von der Stellung des Umschalters 10 besteht das schwingfähige System aus einer der drei nachfolgenden Konfigurationen: dem Sensor 1, dem Umschalter 10 und der Sensorelektronik 12, oder dem ersten Referenzsensor 6, dem Umschalter 10 und der Sensorelektronik 12, oder dem dritten Referenzsensor 8, dem Umschalter 10 und der Sensorelektronik 12.
In den Figuren 6a–6d sind unterschiedliche Ausgestaltungen einer bevorzugt verwendeten erfindungsgemäßen Messanordnung zu sehen, die als Klebeanordungen 16 bzw. als Aufkleber ausgestaltet sind. Jeder Aufkleber 16 ist mit mindestens zwei Sensoren 1, 6 und mindestens einem Steckverbinder 15 versehen. Die Messanordnungen lassen sich sehr kompakt ausgestalten. Wird eine entsprechend hohe Betriebsfrequenz gewählt, können die gezeigten Sensoren auch in MEMS Technologie ausgeführt werden.
Die gezeigten Klebeanordnungen 16 lassen sich darüber hinaus problemlos in z.B. einem Einweg-Plastikbeutel (Medizintechnik) oder in einen Mini-Biolaborbehälter integrieren. Die Messung kann auch hier durch die nichtleitende und unmagnetische Wandung hindurch erfolgen.
In den Figuren 7a–7c sind weitere unterschiedliche Varianten der erfindungsgemäßen Messanordnung zu sehen. Jeder der in 7a gezeigten Sensoren 1 weist eine definierte Längenausdehnung G auf. Für den Fall, dass die maximale Füllhöhe H des Mediums 3 in dem Behälter 2 ein Vielfaches der Längenausdehnung G der Elektrode 4 bzw. des Sensors 1 beträgt, sind mehrere Sensoren 1 in Reihe über die maximale Füllhöhe H verteilt an oder in dem Behälter 2 angeordnet.
Als besonders vorteilhaft wird es in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Lösung angesehen, wenn die Sensoren als Meterware 19 vorliegen, und es möglich ist, durch geeignetes Kürzen den Sensor 1, 8 auf die gewünschte oder benötigte maximale Füllhöhe H des Behälters 2 anzupassen. Hierzu muss jedoch eine Kalibrierung des Sensors 1, 8 erfolgen. Um eine korrekte Messung durchzuführen, muss der Auswerteeinheit 28, 29 die jeweilige Länge des Sensors 1, 6, 7, 8 bekannt sein, und/oder es muss zwecks Abgleich zum Zeitpunkt der Messung zumindest der aktuelle Füllstand bekannt sein. Um eine höhere Messgenauigkeit sicherzustellen, sollte der Sensor 1, 8 auf zwei Messpunkte, z.B. die Messpunkte „minimaler Füllstand“ und „maximaler Füllstand“ kalibriert werden. Weiterhin kann eine Einlernphase vorgesehen werden, in welcher die äußeren Bandgrenzen eines Sensors ermittelt werden. Der Füllstand wird dann gleichmäßig oder nach Behälterform von 0% bis 100% im gemessenen Bereich verteilt. Während dieser Einlernphase ist es notwendig, zumindest einmal den minimal und den maximal zu messenden Füllstand anzufahren. Verwiesen wird in deisem Zusammenhang auf die bereits zitierte nicht vorveröffentliche Deutsche Patentanmeldung der Anmelderin.
Durch einen Zwei-Punkt-Abgleich kann zudem auf den ersten Referenzsensor 6 zur Messung der Dielektrizitätszahl DK_M des Mediums 3 verzichtet werden (sh. 1). Wie bereits zuvor gesagt, ist es alternativ möglich, dass das Bedienpersonal die Dielektrizitätszahl DK_M des verwendeten Mediums 3 der Auswerteeinheit 28 vorgibt. Dies erfordert jedoch, dass die Dielektrizitätszahl DK_M des Mediums 3 im Rahmen der erwünschten Messgenauigkeit während der Messung konstant ist.
In der Praxis wird die Länge eines vorgegebenen Sensors 1 kaum mit der Längenausdehnung eines Behälters 2 oder einer Anordnung, an der der Füllstand bestimmt oder überwacht werden soll, übereinstimmen. Bei einem größeren Behälter 2 kann es ausreichend sein, den Füllstand h nur in einem gewissen Grenzbereich zu messen. Ein entsprechendes Anwendungsbeispiel ist in 9 visualisiert. Es handelt sich bei der gezeigten Anordnung um eine Torschaltung zur Festlegung des oberen Ausschaltpunkts 21 und des unteren Einschaltpunkts 22 einer Pumpe 20.
Eine weitere elegante Methode ist in 8b dargestellt. Die Meterware 19 weist fortlaufend Sollbruchstellen 18 auf, die beispielsweise durch Aufdrucke gekennzeichnet sind. Das Bedienpersonal wählt die für die Installation passende Sollbruchstelle 18 zur Kürzung des Sensors 1, 8 aus und teilt diese der Auswerteelektronik 29 mit. In der Auswerteelektronik 29 sind der Frequenzdetektor 11, die Sensorelektronik 12 und die Auswerteeinheit enthalten. Diese Lösung ist komfortabler als die in 8a dargestellte Kürzung mittels eines Schneidwerkzeugs auf die benötigte Länge und die Mitteilung über die jeweile Länge an die Auswerteeinheit 28. Außerdem kann durch die Kürzung in vorgegebenen Teilstücken verhindert werden, dass die Kürzung zu gering ausfällt und der Sensor 1 aufgrund des Nicht-Erreichens der erforderlichen Mindestlänge nicht funktioniert. Eine Kürzung unterhalb der notwendigen Mindestlänge beschädigt den Sensor irreversibel. Der Grund hierfür ist der folgende: Der Frequenzdetektor 11 innerhalb der Auswerteeinheit 29 weist eine untere Detektionsschwelle auf, ab deren Überschreiten Verändeurngen an einem angeschlossenen Sensor 19 detektiert werden. Um eine sichere Messung oberhalb dieser Detektionsschwelle zu gewähleisten, ist eine Mindestlänge des Sensors 19 vorgesehen, durch die sichergestellt wird, dass eine ausreichende Wechselwirkung zwischen den Mikrowellen und den elektrischen oder mangetischen Eigenschaften des anliegenden Mediums bzw. der anliegenden Medien gewährleistet ist. Diese Detektionsschwelle ist abhängig von dem Schaltungsaufwand, der bei der Sensorelektronik 12 und dem Frequenzdetektor 11 betrieben wird.
Die Messanordnung kann auch derart ausgstaltet sein, dass zwei Sensoren 1 unterschiedlicher Längenausdehnung vorgesehen sind, welche von oben in den Behälter 2 ragen oder temporär eingetaucht werden. Hieraus kann die Eintauchtiefe in das Medium 3 berechnet werden und auf den Füllstand h des Mediums 3 in dem Behälter rückgeschlossen werden. Die Dielektrizitätszahl des Mediums 3 kann vorgegeben werden oder durch einen weiteren Sensor erfasst werden.
Bezugszeichenliste

1: Sensor
2: Behälter
3: Medium
4: Elektrode
5: Isolationsmaterial
6: erster Referenzsensor / Sensor zur Bestimmung von DK_M
7: zweiter Referenzsensor / Sensor zur Bestimmung von DK_ATM
8: dritter Referenzsensor / Sensor zur Bestimmung von DK₃
9: Trennschicht
10: Schalter
11: Frequenzdetektor
12: Sensorelektronik
13: Grenzfläche
14: Gasphase
15: Steckverbinder
16: Klebeanordnung
17: kompakter Referenzsensor
18: Soll-Bruchstelle
19: Bandware/Meterware
20: Pumpe
21: obere Ausschaltgrenze
22: untere Einschaltgrenze
23: Messzelle
24: oberer Endbereich
25: Boden des Behälters
26: unterer Endbereich des dritten Referenzsensors
27: unterer Endbereich des Sensors
28: Auswerteelektronik / Auswerteeinheit
29: Frequenzdetektor / Sensor- und Auswerteelektronik / Auswerteeinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012104075 A1 [0018, 0018, 0047, 0047]

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung des Füllstands (h, H) oder eines vorgegebenen Grenzstands eines Mediums (3) in einem Behälter (2), – mit einem selbsterregten System, bestehend aus – einer Schwingungserzeugungseinheit zur Erzeugung elektromagnetischer Wellen innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbandes, – zumindest einem Sensor (1) mit einer Elektrode (4), der unter einem vorgegebenen Winkel zur Längsachse des Behälters (2) angeordnet ist, wobei die Elektrode (4) mit den elektromagnetischen Wellen beaufschlagt wird, wobei der zumindest eine Sensor (1) bezüglich des Mediums (3) derart angeordnet ist, dass sich die Phasenlage der an der Grenzfläche des Mediums (3) reflektierten elektromagnetischen Wellen unter dem Einfluss des Mediums (3) ändert, und – einem Rückkopplungskreis, der die elektromagnetischen Wellen auf den zumindest einen Sensor (1) rückkoppelt, wodurch die Frequenz des selbsterregten Systems bestimmt wird, mit einem Frequenzdetektor, der die Frequenz der elektromagnetischen Wellen erfasst, und mit einer Auswerteeinheit (28, 29), die anhand der erfassten Frequenz die vom jeweiligen Füllstand abhängige relative Dielektrizitätszahl (DK_mess) und/oder die Permeabilität des Mediums (3) ermittelt und die anhand der ermittelten relativen Dielektrizitätszahl (DK_mess) oder der Permeabilität des Mediums (3) den Füllstand (h) oder das Erreichen des vorgegebenen Grenzstands des Mediums (3) in dem Behälter (2) bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Sensor (1) aus einer Elektrode (4) besteht, die auf einem Isolationsmaterial (5) angeordnet ist, und wobei die Elektrode (4) und das Isolationsmaterial (5) eine Messzelle (23) bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Sensor (1) oder die Messzelle (23) an der Innenwand des Behälters (2), an der Außenwand des Behälters (2) oder in dem Medium (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Auswerteeinheit (28, 29) den Füllstand (H, h) absolut oder relativ zur maximalen Höhe des Füllstands des Behälters (2) nach folgenden Formeln berechnet: h = [DK_mess – DK_ATM]/[DK_M – DK_ATM] bzw. H = [DK_mess – 1]/[DK_M – 1]·100% mit DK_mess die mit dem Sensor (1) gemessene relative Dielektrizitätszahl, mit DK_ATM die relative Dielektrizitätszahl der Gasphase (14) im Bereich oberhalb der Oberfläche (13) des Mediums (3) und DK_M die relative Dielektrizitätszahl des Mediums (3).
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die relative Dielektrizitätszahl (DK_M) des Mediums (3) vorgegeben ist, oder wobei ein erster Referenzsensor (6) vorgesehen ist, der entsprechend dem Sensor (1) ausgestaltet ist, wobei der erste Referenzsensor (6) zumindest temporär so angeordnet ist, dass er über die gesamte Längenausdehnung der Elektrode (4) mit dem Medium (3) wechselwirkt, wobei der Frequenzdetektor die Frequenz des ersten Referenzsensors (6) misst, und wobei die Auswerteeinheit (28, 29) anhand der von dem Sensor (1) gemessenen relativen Dielektrizitätszahl (DKmess) und der vorgegebenen oder von dem ersten Referenzsensor (6) ermittelten relativen Dielektrizitätszahl (DK_M) des Mediums (3) den Füllstand (h, H) oder den vorgegebenen Grenzstand des Mediums (3) in dem Behälter (2) bestimmt.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1–5, wobei die relative Dielektrizitätszahl (DK_ATM) des sich in der Gasphase (14) befindlichen Mediums (3) vorgegeben ist, oder wobei ein zweiter Referenzsensor (7) vorgesehen ist, der entsprechend dem Sensor (1) und/oder dem ersten Referenzsensor (6) ausgestaltet ist, wobei die Elektrode des zweiten Referenzsensors (7) im Wesentlichen senkrecht zu der Elektrode (4) des Sensors (1) orientiert ist und wobei der zweite Referenzsensor (7) in einem Bereich des Behälters (2) angeordnet ist, in dem die Beeinflussung der auf die Elektrode (4) des zweiten Referenzsensors (7) eingekoppelten elektromagnetischen Wellen durch das sich in der Gasphase (14) befindliche Medium (3) zumindest zeitweise konstant ist, und wobei die Auswerteeinheit (28, 29) anhand der vorgegebenen oder ermittelten relativen Dielektrizitätszahlen (DK_mess, DK_M) den Füllstand oder den vorgegebenen Grenzstand des Mediums (3) in dem Behälter (2) bestimmt oder überwacht.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Behälter (2) neben dem Medium (3) in der Gasphase (14) und dem Medium (3), dessen Füllstand (h, H) überwacht oder bestimmt wird, ein zweites in einer Trennschicht (9) angeordnetes Medium (3) vorhanden ist, wobei ein dritter Referenzsensor (8) vorgesehen ist, der entsprechend dem Sensor (1) oder dem ersten Referenzsensor (6) oder dem zweiten Referenzsensor (7) ausgebildet ist, wobei die Längenausdehnung (L) des dritten Referenzsensors (8) sich von der Längenausdehnung (G) des Sensors (1) unterscheidet, wobei die Längenausdehnung (L) des dritten Referenzsensors (8) so bemessen ist, dass der obere Endbereich (24) stets oberhalb der maximalen Höhe der Trennschicht (9) liegt, wobei der dritte Referenzsensor (8) im Wesentlichen parallel zu dem Sensor (1) ausgerichtet ist, wobei der dem Boden (25) des Behälters (3) zugewandte Endbereich (27) des Sensors (1) und der dem Boden (25) des Behälters (3) zugewandte Endbereich (26) des dritten Referenzsensors (8) zumindest näherungsweise auf der gleichen Höhe liegen, und wobei die Auswerteeinheit (28, 29) anhand der ermittelten relativen Dielektrizitätszahlen die Dicke (t) der Trennschicht (9) ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Auswerteeinheit (28, 29) den Füllstand (h) des Mediums (3) in dem Behälter (2) nach folgender Formel berechnet: h = [[L + L/G – 2(1 + DK_mess + DK₃)]/[L/G – DK_mess – DK₃ – 1] – DK₃]/[DK_M – 1]·100% und die Dicke (t) der Trennschicht (9) nach folgender Formel berechnet: t = [L + L/G – 2(1 + DK_mess + DK₃)]/[L/G – DK_mess – DK₃ – 1]·100% mit folgenden Kurzbezeichnungen: DK_mess:die mit dem Sensor (1) gemessene relative Dielektrizitätszahl, DK₃: die mit dem dritten Referenzsensor (8) gemessene relative Dielektrizitätszahl, L: die Längenausdehnung des dritten Referenzsensors (8), G: die Längenausdehnung des Sensors (1).
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (1) eine definierte Längenausdehnung (G) aufweist, und wobei für den Fall, dass die maximale Füllhöhe des Mediums (3) in dem Behälter (2) ein Vielfaches der Längenausdehnung (G) der Elektrode (4) bzw. des Sensors (1) beträgt, mehrere Sensoren (1) in Reihe zueinander über die maximale Füllhöhe verteilt an oder in dem Behälter (2) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–9, wobei eine Vielzahl von Sensoren (1) mit gleicher Längenausdehnung (G) als Bandware (19) vorliegen, wobei zwischen den einzelnen Sensoren (1) Sollbruchstellen (18) vorgesehen sind, so dass die die Anzahl der Sensoren (1) durch geeignete Abtrennung auf die zu messende oder zu überwachende maximale Füllhöhe des Mediums (3) in dem Behälter (2) abstimmbar ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1–10, wobei der Frequenzdetektor und die Auswerteeinheit (28, 29) mehreren Sensoren (1) und/oder Referenzsensoren (6, 7, 8) zugeordnet sind.