DE102015223868B4

DE102015223868B4 - Anordnung und Verfahren zur kapazitiven Füllstandsbestimmung

Info

Publication number: DE102015223868B4
Application number: DE102015223868.7A
Authority: DE
Inventors: Markus Tahedl
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2015-12-01
Filing date: 2015-12-01
Publication date: 2024-02-22
Anticipated expiration: 2035-12-02
Also published as: DE102015223868A1

Abstract

Anordnung zur kapazitiven Bestimmung des Füllstandes in einem Tank (4) mit mehr als zwei kapazitiven Grenzstandschaltern (1), die jeweils eine Schnittstelle (2) zur seriellen, bidirektionalen Punkt-zu-Punkt-Kommunikation aufweisen, über die sie mit einer Zentraleinheit (7) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzstandschalter (1) übereinander an der Außenwand des Tanks (4) angeordnet sind, deren Prozesswerte über die Schnittstelle (2) ausgelesen werden, und daraus ein digitaler Füllstandsmesswert erzeugt wird, wobei die Grenzstandschalter 1 jeweils nur eine Sensorelektrode und einen binären Schaltausgang aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung und ein Messverfahren zur kapazitiven Bestimmung eines Füllstandes elektrisch nicht leitender Schüttgüter oder Flüssigkeiten mit mindestens zwei kapazitiven Messwertaufnehmern (Sensoren).
Kapazitive Füllstandsmessgeräte sind als binäre Grenzstandschalter, aber auch als digitale Messwertaufnehmer mit einer Anzahl von übereinander angeordneten Messfeldern bekannt. Diese Geräte können sowohl binäre als auch analoge Prozesswerte ausgeben. Sie werden auch von der Anmelderin hergestellt und als Baureihe LK vertrieben.
Neben eintauchenden Messgeräten, die natürlich eine höhere Messgenauigkeit bieten, sind auch Geräte bekannt, die durch eine nicht leitende Behälterwand hindurch messen können. Grenzstandschalter dieser Art werden auch von der Anmelderin hergestellt und in verschiedenen Bauformen auf den Markt gebracht. Für eine Füllstandsdetektion durch eine nichtleitende Behälterwand eignen sich insbesondere die Bauformen KQ5 und KQ6, die neben dem binären Schaltausgang auch eine IO-Link-Schnittstelle aufweisen, welche eine serielle, bidirektionale Punkt-zu-Punkt-Kommunikation ermöglicht. Bei einer derartigen Messanordnung ist ein Abgleich vor Ort, d. h. im montierten Zustand zwingend erforderlich, weil die Behälterwand eine erhebliche Vorbedämpfung darstellt und somit ein Offset-Signal erzeugt, das die voreingestellte Schaltschwelle unter Umständen übersteigen kann. Außerdem ist der Signalhub zwischen „Medium detektiert“ und „Leer“ vom Medium selbst und insbesondere von dessen Permittivität abhängig.
Besonders problematisch wird es, wenn nicht nur Grenzstände, sondern ein Füllstand gemessen werden soll, insbesondere dann, wenn das Medium oder das Schüttgut einen stark schwankende Wasseranteil aufweist, und / oder Reinigungsflüssigkeiten eingefüllt worden sind.
Die AT 515 762 A1 zeigt eine Abgabevorrichtung zur Abgabe von Flüssigkeiten mit einer Kapazitätsmesseinrichtung mit mehreren übereinander liegenden Messelektrodenpaaren. Jedem Messelektrodenpaar ist eine separate Kapazitätsmesseinrichtung zugeordnet, deren Kapazitätswerte einer zentralen Recheneinheit zur Bestimmung des Füllstandes übermittelt werden, wo ggf. auch eine Interpolation der Messwerte erfolgt.
Als nachteilig werden die durch die Paarbildung vergleichsweise hohe Elektrodenzahl die zentrale Recheneinheit, sowie das Fehlen eines binären Schaltsignals angesehen, weil das die Flexibilität bei der Anwendung merklich einschränkt.
Die EP 0 076 288 B1 zeigt eine Anordnung zur Füllstandsmessung, wobei eine Kette von kapazitiven Füllstandssensoren, die aus einer Stromquelle mit Impulsströmen gespeist, und deren kapazitätsbedingte Verzögerungszeiten im Multiplexverfahren ausgewertet werden. Als Nachteil wird auch hier die wegen der Kapazitätsbestimmung in einer Zentraleinheit fehlende Flexibilität, sowie das störanfällige und zeitaufwändige Multiplex-Messverfahren angesehen.
Die DE 10 2004 038 253 A1 und auch die US 2012 0 065 904 A1 zeigen Anordnungen zur Füllstandsmessung mit einer Anzahl von übereinander liegende Elektroden, zyklisch von einer zentralen Auswerteinheit abgefragt werden. Auch hier wird die fehlende Flexibilität und das Multiplex-Messverfahren als nachteilig angesehen.
Die DE 10 2011 089 941 A1 zeigt eine Anordnung zur kapazitiven Füllstandsmessung mit kapazitiven Sensoren, die mindestens eine Messelektrode aufweisen und über eine Zweileiter-Verbindung mit einer der Auswerteeinheit verbunden sind. Das Messsignal wird als Strom-, Spannungs- oder Widerstandswert ausgegeben Ein binärer Schaltausgang fehlt.
DE 10 2011 002 038 B3 offenbart eine Anordnung zur Bestimmung des mittleren Füllstandes mit mehreren, an unterschiedlichen Stellen angeordneten Füllstandssensoren, die über eine Ring-oder Busstruktur miteinander verbunden sind, wobei die Kommunikation in bevorzugter Weise über eine Abwandlung der oben genannten IO-Link-Schnittstelle erfolgt.
Nachteilig ist, dass medienberührende komplexe Füllstandssensoren zum Einsatz kommen, und für die Kommunikation keine Standardschnittstelle sondern eine Abwandlung davon zur Anwendung kommt. Außerdem sollen kostengünstige, außen an der Behälterwand montierte Grenzstandschalter eingesetzt werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine preiswerte Anordnung zur Füllstandsmessung mit an der äußeren Behälterwand montierten Grenzstandschaltern anzugeben, die von der Behälterwand und vom Medium unabhängig ist, und mit wenig Arbeitsaufwand in Betrieb genommen werden kann. Außerdem soll sie weniger empfindlich gegenüber Anhaftungen sein. Darüber hinaus sollen selbständig funktionsfähige Grenzstandschalter mit einem binären Schaltausgang verwendbar sein, die nach Bedarf zusammengestellt werden können.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Merkmalen der Patentansprüche 1 und 2 gelöst.
Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, eine Anzahl von Grenzstandschaltern übereinander an der Außenwand des Behälters zu montieren, und deren Prozesswerte über eine serielle, bidirektionale Kommunikationsschnittstelle, vorzugsweise einen IO-Link, an eine Zentraleinheit, z. B eine Steuerung oder einen PC mit angeschlossenem IO-Link-Master zu übermitteln, die den Füllstand anhand von Gradienten der Prozesswerte ermittelt. Die Zentraleinheit kann dabei als eigenständiges Gerät ausgebildet sein oder deren Funktion von einer SPS oder einem PC übernommen werden.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht zum einen darin, dass die von der Behälterwand hervorgerufenen Offsetwerte durch die Gradientenauswertung entfallen, da sich die Behälterwand auf alle Sensoren gleichermaßen auswirkt. Zum anderen ist durch Interpolation eine kontinuierliche Angabe des Füllstandes möglich.
Erfindungsgemäß kommen preiswerte Grenzstandschalter mit nur einer Sensorelektrode und einem binären Schaltausgang zum Einsatz, deren Prozesswerte über die eigentlich zur Diagnose und zur Parametrierung vorgesehene bidirektionale IO-Link-Schnittstelle zu einer Zentraleinheit übermittelt werden. Durch Interpolation und Differenzbildung wird ein binärer Füllstandsmesswert (Füllstand) erzeugt, wobei sowohl der Einfluss der Behälterwand als auch Anhaftungen kaum eine Rolle spielen, weil sie durch die Gradientenauswertung oder eine Differenzbildung eliminiert werden.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Die 1 zeigt die Messanordnung schematisch.
Die 2 zeigt die Sensoranordnung und ein Beispiel für die Prozesswerte.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Messanordnung mit sechs als Sensoren wirkenden Grenzstandschaltern 1, die übereinander an der Außenwand des Tanks 4 angeordnet sind. Eine geringere Anzahl von Sensoren ist selbstverständlich möglich, wobei jedoch mindestens zwei Sensoren für die Gradientenbildung benötigt werden. Sinnvoll erscheint die Auswertung allerdings erst ab drei Sensoren.
Die Prozesswerte der Grenzstandschalter 1 gelangen über die IO-Link-Schnittstelle 2 und den IO-link- Master 3 zu einer Zentraleinheit 7 (PC), wo sie zunächst eingelesen werden. Bei der Verarbeitung wird vorzugsweise eine Interpolation der Prozesswerte, beispielsweise eine Spline-Interpolation, durchgeführt, wobei auch die geometrische Anordnung der Grenzstandschalter 1, d.h. deren gegenseitiger Abstand und die Geometrie ihrer Messelektroden berücksichtigt wird. Der Maximalwert der Ableitung gibt die größte Prozesswertänderung und somit den tatsächlichen Füllstand an.
In einer anderen und einfacheren Ausgestaltung können die Prozesswerte normiert und punktweise voneinander abgezogen werden. Die Differenzen werden miteinander verglichen, und so benachbarte, hier als Sensoren wirkende Grenzstandschalter 1 mit dem größten Differenzwert ermittelt. Nach einer abschließenden Interpolation anhand der benachbarten Prozesswerte, wird ein Füllstandsmesswert (Füllstand) bestimmt, und als binäres Ausgangssignal zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt.
Die 2 zeigt ein Detail der oben beschriebenen Anordnung mit deren Prozesswerten als Beispiel. Wie man sieht, tritt an der Grenzfläche ein besonders deutlicher Gradient auf.
Auf der rechten Seite wurde der Füllstand als Funktion der Prozesswerte aufgetragen.
Die Darstellung wurde so gewählt, dass die Grenzfläche des Mediums und damit auch der zu bestimmende Füllstand X auf der Sensorfläche eines Grenzstandschalters 1 liegt.
In diesem Fall wird dessen Sensorfläche als Messintervall gewählt, und die beiden benachbarten Grenzstandschalter 1 werden zur Interpolation verwendet. Die Anhaftungen 6 spielen praktisch keine Rolle, da ihre Differenzen deutlich kleiner sind als die an der Mediengrenze. Eine Kalibrierung ist in dem gezeigten Fall nicht erforderlich.
Es sei noch erwähnt, dass unterschiedliche Grenzstandschalter 1, auch von verschiedenen Herstellen in wählbaren Abständen angeordnet, und weitere nachgerüstet werden können.
Bezugszeichen

1: Als Sensor wirkender kapazitiver Grenzstandschalter
2: Schnittstelle zur seriellen, bidirektionalen Punkt-zu-Punkt-Kommunikation, IO-link
3: Master, IO-Link-Master
4: Tank
5: Medium
6: Anhaftung
7: Zentraleinheit (PC)

Claims

Anordnung zur kapazitiven Bestimmung des Füllstandes in einem Tank (4) mit mehr als zwei kapazitiven Grenzstandschaltern (1), die jeweils eine Schnittstelle (2) zur seriellen, bidirektionalen Punkt-zu-Punkt-Kommunikation aufweisen, über die sie mit einer Zentraleinheit (7) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzstandschalter (1) übereinander an der Außenwand des Tanks (4) angeordnet sind, deren Prozesswerte über die Schnittstelle (2) ausgelesen werden, und daraus ein digitaler Füllstandsmesswert erzeugt wird, wobei die Grenzstandschalter 1 jeweils nur eine Sensorelektrode und einen binären Schaltausgang aufweisen.
Verfahren zur kapazitiven Bestimmung des Füllstandes mit einer Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Prozesswerte der Grenzstandschalter (1) über die zur seriellen, bidirektionalen Punkt-zu-Punkt-Kommunikation geeigneten Schnittstelle (2) ausgelesen werden, der Füllstand durch Interpolation und Gradientenbildung aus deren Prozesswerten ermittelt wird, wobei der Maximalwert der Ableitung die Stelle der größten Prozesswertänderung und damit den tatsächlichen Füllstand angibt, wobei der gegenseitige Abstand der Grenzstandschalter 1 und die Geometrie ihrer Sensorelektroden berücksichtigt werden.