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Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Grenzstandschalter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Kapazitive Sensoren werden seit langem zur Füllstandsmessung, als Grenzstandschalter und auch zur Medienbestimmung eingesetzt. Ihre wesentlichen Vorteile bestehen darin, dass sie keine mechanisch bewegten Teile aufweisen und durch eine aus elektrisch isolierendem Material bestehende Gehäusewand „hindurch“ messen können und so Dichtungsprobleme vermeiden.
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Viele dieser Geräte arbeiten mit einem einen kapazitiven Spannungsteiler oder einer Kapazitätsmessbrücke, die mit hochfrequentem Wechselstrom gespeist werden und bei denen der Spanungsabfall über einer von dem zu messenden Medium beeinflussbaren Impedanz gemessen wird.
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Von der Anmelderin hergestellte Füllstandssensoren für wasserbasierte Medien werden unter der Bezeichnung LMT100 angeboten. Kapazitive Füllstandssensoren und für Öle und Fette werden unter der Bezeichnung LMT110 vertrieben.
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Die
US 2013 / 0 068 015 A1 zeigt eine Anordnung zur Messung des Ölstandes und auch der Ölqualität mit drei eingetauchten Elektrodenpaaren, deren Widerstände und Kapazitäten mit zwei unterschiedlichen Frequenzen gemessen werden. Der durch die jeweilige Messelektrode fließende Wechselstrom wird als Spannung über einem außerhalb des Mediums befindlichen RC-Glied (
Rfix ,
Cfix ) gemessen. Die Impedanz der jeweiligen Messelektrode wird einer ersten niederfrequenten AC oder DC-Spannung und anschließend mit einer zweiten, hochfrequenten AC-Spannung gemessen. Beide Größen werden aus Strom und Spannung berechnet. Es sind jeweils zwei Messungen für zwei Elektroden, d. h. mindestens vier Messungen erforderlich, die unbedingt nacheinander erfolgen müssen. Außerdem werden drei dem Medium bzw. der umgebenden Atmosphäre ausgesetzte Elektroden und drei hochfrequenztaugliche Umschalter benötigt. Nur das RC-Glied (
Rfix ,
Cfix ) besteht aus elektronischen Bauelementen. Als Nachteil wird der Aufwand für die drei dem Medium bzw. der umgebenden Atmosphäre ausgesetzten Messelektrodenpaare angesehen.
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Die
US 2013 / 0 166 175 A1 zeigt eine Anordnung mit drei Elektroden zur Messung des Füllstandes, der Ethanoldichte und der Temperatur in einem Kraftstoffgemisch. Die drei Elektroden werden gleichzeitig mit einer Wechselspannung zwischen 10 Hz und 3 MHz beaufschlagt, und die Spannung über jeder Elektrode an einem ohmschen Widerstand (Spanungsteiler) gemessen. Die Signale werden gleichzeitig verstärkt und weiterverarbeitetet, wobei eine der Elektroden (
18) einen Thermistor aufweist. Ein Rechner enthält Tabellen und/oder Formeln zur Berechnung der Ausgabegrößen aus den Messwerten. Als nachteilig wird die Füllstandsmessung mit lediglich einer Frequenz an nur einer Elektrode angesehen.
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Die
DE 16 09 015 A zeigt eine Pumpensteuerung für eine Abwasseranlage mit einem Netzwerk aus veränderlichen Impedanzen, die Teil eines Reihenschwingkreises sind, deren Stromaufnahme sich bei Erreichen der jeweiligen Resonanzfrequenz minimiert, so dass der Strom durch ein parallel geschaltetes Steuerrelais fließt, welches eine Pumpe in Betrieb setzt. Eine numerische Auswertung oder Anzeige der Messwerte erfolgt nicht.
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Die
DE 10 2012 201 226 A1 zeigt eine für kapazitive Füllstands- und Grenzstandsensoren geeignete Admittanzmeßschaltung mit einer räumlich abgesetzten Sonde, die eine Mess- und eine Referenzimpedanz ausweist. Beide werden mit hochfrequentem Wechselstrom gespeist. Die über den beiden Impedanzen anliegenden Wechselspannungen werden in der Sonde gleichgerichtet und als Gleichspannungssignale einer Steuereinheit zugeführt.
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Als Messprinzip wird eine Resonanzmessung eingesetzt, bei der mit einer zusätzlichen Induktivität die Messimpedanz in einen Schwingkreis integriert wird. Mit Hilfe eines durchstimmbaren Hochfrequenzgenerators (Suchlauf) und einer Messschaltung werden die Resonanzfrequenz und die Impedanz bei der Resonanzfrequenz bestimmt. Aus diesen beiden Werten lässt sich dann die gesuchte Medienimpedanz bestimmen oder auch ein binäres Schaltsignal erzeugen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird darin gesehen, die Messung einfacher, schneller und auch kostengünstiger zu gestalten. Insbesondere sollen eine Schaltung und ein Auswerteverfahren angegeben werden, die ohne Durchstimmung eines Hochfrequenzgenerators auskommen.
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Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beinhalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, einen kapazitiven Messwertaufnehmer (Sonde) über ein aus mindestens drei Teilimpedanzen X1 bis X3 bestehendes Netzwerk, das nachfolgend als Messimpedanz bezeichnet wird, mit einer hochfrequenten Wechselspannung zu beaufschlagen, und die gesuchte Medienimpedanz anhand der in den Knotenpunkten des Netzwerks gemessenen Amplituden zu bestimmen.
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Zu diesem Zweck werden die zu den sinnvollerweise zu erwartenden Medienimpedanzen, beispielsweise 100 bis 900 Ω und 1 bis 9 Picofarad, gehörenden Amplitudensignale für all jene Knotenpunkte ermittelt, die vom Sensor gemessen werden können. Das kann rechnerisch beispielsweise mit einer Knotenpotentialanalyse, durch eine Simulation des Netzwerks mit einem Computerprogramm oder auch messtechnisch durch Messung und Abgleich während der Fertigung geschehen.
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Diese Signale werden im Gerät abgelegt. Das kann als Datentabelle, Parametrische Funktion oder als Freiformfläche (NURBS) erfolgen. So muss nur noch bei einer Frequenz gemessen werden, die vorteilhaft in einem bestimmten für den jeweiligen Anwendungsfall günstigen Frequenzbereich gelegt wird, was aber den permanenten Suchlauf (sweep) überflüssig macht.
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Die Auswertung im Gerät kann durch vergleichsweise einfache Rechenoperationen von einem ohnehin vorhandenen Mikrokontroller aus den Amplitudensignalen und den hinterlegten Datentabellen ausgeführt werden. Dazu werden für jede Messung die zu den jeweiligen Amplitudenwerten gehörigen Impedanzen auf die oben genannte Weise ermittelt, z.B. in der betreffenden Datentabelle abgelesen. Die sich aus den gemessenen Amplituden ergebenden Impedanzen bilden eine Schnittmenge, welche die Medienimpedanz repräsentiert.
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Zur Erhöhung der Genauigkeit können die Impedanzen der Schnittmenge gemittelt werden.
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Die erfindungsgemäße Anordnung eignet sich in gewissen Grenzen auch zur Unterscheidung verschiedener Medien.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die elektronische Schaltung einfach ausgeführt werden kann, was Kosten spart und die Montage erleichtert.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel mit 5 nicht nur ohmschen Teilimpedanzen,
- 2 zeigt eine Anordnung mit 2 ohmschen Teilimpedanzen und einer Induktivität,
- 3 zeigt eine Anordnung mit 3 ohmschen Teilimpedanzen und einer Kapazität.
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Die 1 zeigt das erste Ausführungsbeispiel. Ein von einer Auswerteeinheit 5 gesteuerter Hochfrequenzgenerator 1 erzeugt eine hochfrequente Wechselspannung (Sendespannung). Diese wird einer Sondenkapazität 2 über ein aus fünf nicht nur ohmschen Teilimpedanzen X1 bis X5 bestehendes Netzwerk zugeführt. Das Netzwerk ist als Messimpedanz 3 bezeichnet.
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Die an vier Messpunkten anliegenden Wechselspannungen werden von einem Gleichrichter 4 gleichgerichtet, geglättet und anschließend von der Auswerteeinheit 5, hier einem Mikrocontroller, in digitale Signale umgewandelt. Die Sendespannung wird am ersten Messpunkt über X1 und X2 abgegriffen. Diese Messung dient zur Normierung der übrigen Messwerte. Sie kann bei einem stabilen Hochfrequenzgenerator 1 entfallen.
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Die Impedanz des zu überwachenden Mediums ist durch die RC-Kombination 6 dargestellt.
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Die aus Rx und Cx bestehende Medienimpedanz 6 kann anhand von im Mikrocontroller 5 abgelegter Datentabellen bestimmt werden, wie in der Beschreibung zur 3 erläutert wird.
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Die 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit zwei ohmschen Teilimpedanzen X1 und X2, sowie einer Induktivität X3 in der Messimpedanz 3. Die Teilimpedanz X1 dient zur Messung der Sendespannung, zur Kontrolle und/oder Normierung, sowie zur Strommessung.
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Die einzige nicht ohmsche Teilimpedanz X3 ist für die Messung unerlässlich, denn in einer rein ohmschen Messimpedanz 3 würde die für die Messung notwendige Phasenverschiebung fehlen. Diese wird hier von der Induktivität X3 erzeugt, die in Abhängigkeit von der Frequenz auch Resonanzeigenschaften aufweisen kann. Die Auswertung wird noch genauer erläutert.
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Die 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer Kapazität X4 in der Messimpedanz 3 zur Erzeugung der oben genannten frequenzabhängigen Phasenverschiebung des Signals.
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Die Auswertung erfolgt anhand der beiden nachfolgend gezeigten in der Auswerteeinheit 5 abgelegten Tabellen. Sie wurden messtechnisch oder durch Simulationsrechnung bestimmt.
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Die Tabelle 1 zeigt die normierten Messspannungen am Kondensator
C2 in Abhängigkeit von der zu erwartenden Medienimpedanzen Rx und Cx. Diese liegen hier zwischen 1 und 8 pF, bzw. zwischen 100 und 800 Ω. Bei einem normierten Messwert von 0,66 +/- 0,01 kommen zunächst alle in diesem Bereich liegenden eingeklammerten Tabellenwerte in Frage. Erst die Bildung der Schnittmenge mit den zulässigen Werten aus der Tabelle und ggf. weiterer Datentabellen führen zu der gesuchten Medienimpedanz
6 mit ihrem ohmschen Anteil Rx und dem kapazitiven Anteil Cx. Medien mit induktiven Eigenschaften sind weitgehend unbekannt und deshalb hier auch nicht berücksichtigt. Sie wären aber erfindungsgemäß ebenso messbar.
Tabelle 1: Datentabelle für den ersten Messpunkt für 1pf <Cx<8pf und 100Ω < Rx< 800Ω
| | Cx [pF] | |
| Rx [Ω] | 1,0 | 2,0 | 3,0 | 4,0 | [(5,0)] | [(6,0)] | 7,0 | 8,0 |
| 100 | 0,648 | 0,618 | 0,593 | 0,572 | 0,555 | 0,54 | 0,528 | 0,518 |
| 200 | 0,649 | 0,624 | 0,606 | 0,594 | 0,587 | 0,584 | 0,584 | 0,585 |
| 300 | (0,651) | 0,63 | 0,62 | 0,617 | 0,618 | 0,622 | 0,627 | 0,633 |
| 400 | (0,652) | 0,637 | 0,633 | 0,636 | 0,642 | 0,648 | (0,655) | (0,661) |
| [(500)] | (0,654) | 0,644 | 0,645 | (0,651) | [(0,658)] | [(0,665)] | 0,671 | 0,676 |
| 600 | (0,656) | 0,65 | (0,655) | (0,662) | (0,669) | 0,675 | 0,68 | 0,684 |
| 700 | (0,658) | (0,656) | (0,662) | 0,67 | 0,676 | 0,682 | 0,686 | 0,689 |
| 800 | (0,66) | (0,66) | (0,668) | 0,675 | 0,681 | 0,686 | 0,689 | 0,692 |
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Da die Tabelle 1 allein noch kein brauchbares Messergebnis liefert, ist mindestens eine weitere Messung am Kondensator C3 erforderlich.
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Bei einem hier auf 2 normierten Messwert von 1,1 +/-0,08 kommen zunächst auch hier die zu diesen Werten gehörenden eingeklammerten Tabellenwerte in Frage.
Tabelle 2: Datentabelle für den zweiten Messpunkt für 1pf<Cx<8pf und 100Ω< Rx<800Ω
| | Cx [pF] | |
| Rx [Ω] | 1,0 | 2,0 | 3,0 | 4,0 | ([5,0]) | ([6,0]) | 7,0 | 8,0 |
| 100 | 0,406 | 0,771 | [1,099] | 1,394 | 1,662 | 1,905 | 2,126 | 2,328 |
| 200 | 0,405 | 0,76 | [1,068] | 1,334 | 1,562 | 1,758 | 1,928 | 2,074 |
| 300 | 0,402 | 0,741 | 1,017 | 1,238 | 1,413 | 1,554 | 1,667 | 1,759 |
| 400 | 0,397 | 0,715 | 0,953 | [1,128] | 1,256 | 1,351 | 1,423 | 1,479 |
| ([500]) | 0,392 | 0,685 | 0,885 | 1,019 | ([1,11]) | ([1,175]) | 1,222 | 1,256 |
| 600 | 0,386 | 0,652 | 0,817 | 0,92 | 0,985 | [1,029] | [1,06] | [1,083] |
| 700 | 0,378 | 0,619 | 0,754 | 0,832 | 0,88 | 0,91 | 0,932 | 0,947 |
| 800 | 0,37 | 0,585 | 0,696 | 0,756 | 0,791 | 0,813 | 0,828 | 0,839 |
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Die Auswertung der Tabelle 2 liefert allein auch kein brauchbares Messergebnis. Aber die Schnittmenge aus beiden Datentabellen führt überraschenderweise zu einem fast eindeutigen Messergebnis. Wie man anhand der doppelt eingeklammerten Tabellenwerte und der dazu gehörenden ebenfalls doppelt eingeklammerten Spalten- und Zeilenbeschriftung entnehmen kann, beträgt der ohmsche Medienwiderstand Rx etwa 500 Ω und die Medienkapazität liegt zwischen 5 und 6 pF. Die Medienimpedanz 6 erhält man aus Z = Rx - j/(2π*f*Cx). (1)
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Dieses Messergebnis kann durch weitere Messpunkte und Auswertung der zugehörigen Datentabellen noch stärker eingegrenzt werden.
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Anhand der gemessenen Medienimpedanz kann durch Vergleich mit einer Schaltschwelle ohne weiteres ein binäres Schaltsignal erzeugt werden.
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In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung wird die Sendespannung und die über mindestens zwei Teilimpedanzen Xn anliegende Wechselspannung gleichgerichtet, digitalisiert und von der Steuereinheit 5 weiter verarbeitet.
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In einer zweiten Ausgestaltung wird die Sendespannung konstant gehalten und nur die über mindestens zwei Teilimpedanzen Xn anliegende Wechselspannung gleichgerichtet, digitalisiert und von der Steuereinheit 5 weiter verarbeitet.
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Natürlich kommt auch eine analoge Weiterverarbeitung mit einem Signalprozessor in Frage.
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Die Messgenauigkeit kann durch weitere Messpunkte und deren Auswertung verbessert werden.
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Die Messungen können nacheinander oder parallel mit mehreren Messimpedanzen erfolgen.
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Zur Fehlervermeidung erfolgt die Ermittlung der Amplituden vorteilhaft durch zwei aufeinander folgende Messungen, sowohl mit eingeschaltetem als auch mit ausgeschaltetem Hochfrequenzgenerator 1. Die Auswertung erfolgt dann nach Differenzbildung der beiden jeweils zusammengehörenden Messwerte auf die oben beschriebene Weise.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Hochfrequenzgenerator
- 2.
- Sondenkapazität
- 3.
- Messimpedanz
- 4.
- Gleichrichter
- 5.
- Steuereinheit
- 6.
- Medienimpedanz, Rx und Cx
- Xn
- Teilimpedanzen, n = 1 ... 5 ....
