DE102016112266A1

DE102016112266A1 - Anordnung zum Charakterisieren des Füllstandes eines elektrisch leitfähigen Materials in einem Behälter

Info

Publication number: DE102016112266A1
Application number: DE102016112266.1A
Authority: DE
Inventors: Till Zürner; Matthias Ratajczak; Thomas Wondrak; Sven Eckert
Original assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2016-07-05
Filing date: 2016-07-05
Publication date: 2018-01-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Charakterisieren des Füllstandes eines elektrisch leitfähigen Materials in einem Behälter, aufweisend ein seitlich des Behälter-Innenraumes angeordnetes Sensorelement mit einer Erregerspule und zwei gradiometrisch verschalteten Empfängerspulen, wobei die Anordnung zum Beaufschlagen der Erregerspule mit einem Wechselstrom, zum Erfassen der an den gradiometrisch verschalteten Empfängerspulen resultierenden Ausgangsspannung, zum Ermitteln des Anteils der Ausgangsspannung ohne Phasenverschiebung zu dem Wechselstrom und/oder des Anteils der Ausgangsspannung mit einer Phasenverschiebung von 90° zu dem Wechselstrom, und zum Charakterisieren des Füllstandes basierend darauf ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Charakterisieren des in einem Behälter vorliegenden Füllstandes eines elektrisch leitfähigen Materials, z. B. einer Metallschmelze. Die Anordnung kann z. B. zum Erfassen des Füllstandes und/oder zum Erfassen der Topologie der freien Oberfläche des elektrisch leitfähigen Materials verwendet werden.
In vielen Bereichen ist die Kenntnis des Füllstandes von elektrisch leitfähigen Materialien, insbesondere elektrisch leitfähigen Fluiden, in einem Behälter relevant. So ist z. B. in der Metallurgie und in der Kristallzüchtung der Füllstand von Metallschmelzen in Behältern ein wichtiger Prozessparameter. In vielen Einsatzbereichen ist die Auswahl der zur Verfügung stehenden Methoden zur Füllstandserfassung aufgrund der Einsatzbedingungen eingeschränkt. So kann z. B. bei der Erfassung des Füllstandes von heißen Metallschmelzen der Einsatz invasiver Messmethoden aufgrund der hohen Temperaturen problematisch sein. Als ein anderes Beispiel kann bei der Erfassung des Füllstandes von undurchsichtigen und/oder glühenden Schmelzen der Einsatz optischer Messmethoden (z. B. mittels eines Lasers und einer Kamera) problematisch sein. Der Füllstand elektrisch leitfähiger Fluide kann auch mittels elektromagnetischer Messmethoden erfasst werden, diesbezüglich sind z. B. in DE 600 33 270 T2 eine Vorrichtung und eine Apparatur zur Messung des Pegels von flüssigem Metall beschrieben. Derartige elektromagnetische Messmethoden können z. B. darauf basieren, dass ein magnetisches Feld als Anregungsfeld an das leitfähige Fluid (z. B. eine Schmelze) angelegt wird, darin Wirbelströme induziert werden und von den Wirbelströmen ein neues Magnetfeld induziert wird. Die Überlagerung des Anregungsmagnetfeldes und des induzierten Magnetfeldes kann gemessen werden, woraus sich die Eigenschaften des leitfähigen Fluids ermitteln lassen.
Durch die Erfindung wird eine unkomplizierte, robuste und störunanfällige Anordnung zum verlässlichen Charakterisieren des in einem Behälter vorliegenden Füllstandes eines elektrisch leitfähigen Materials mit einer kontaktlosen Messung bereitgestellt.
Durch die Erfindung wird eine Anordnung zum Charakterisieren des Füllstandes bzw. des Füllstatus eines elektrisch leitfähigen Materials in einem Behälter bereitgestellt. Die Anordnung kann z. B. zum Erfassen des Füllstandes des elektrisch leitfähigen Materials ausgebildet sein. Die Anordnung wird im Folgenden auch als Füllstand-Messanordnung oder kurz Messanordnung bezeichnet. Das elektrisch leitfähige Material kann z. B. ein elektrisch leitfähiges Fluid sein, insbesondere eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit (z. B. eine Metallschmelze). Das leitfähige Material, dessen Füllstand zu charakterisieren ist, wird im Folgenden auch als Füllmaterial bezeichnet.
Die Messanordnung weist mindestens ein Sensorelement mit drei Spulen mit einer gemeinsamen Spulen-Zentralachse auf. Es kann vorgesehen sein, dass die Messanordnung mehrere derartige (und im Folgenden näher erläuterte) Sensorelemente aufweist, wobei jedes der Sensorelemente drei Spulen mit einer gemeinsamen Spulen-Zentralachse aufweist, und wobei jedes der Sensorelemente auf dieselbe Art und Weise ausgebildet, angeordnet und in die Messanordnung eingebunden sein kann, wie nachfolgend exemplarisch am Beispiel eines einzelnen Sensorelements erläutert ist.
Das mindestens eine Sensorelement weist drei Spulen auf. Eine der drei Spulen fungiert als Erregerspule, die beiden anderen der drei Spulen fungieren als Empfängerspulen. Die beiden Empfängerspulen werden auch als erste und als zweite Empfängerspule bezeichnet. Die beiden Empfängerspulen sind identisch zueinander ausgebildet (d. h. weisen z. B. dieselben Abmessungen und Windungszahlen auf und bestehen aus demselben Material bzw. Draht) und symmetrisch beidseitig der Erregerspule angeordnet. Die drei Spulen sind entlang der Spulen-Zentralachse nacheinander in der Reihenfolge erste Empfängerspule – Erregerspule – zweite Empfängerspule angeordnet, wobei auf jeder Seite der Erregerspule eine der beiden (identisch ausgebildeten) Empfängerspulen derart angeordnet ist, dass die beiden Empfängerspulen symmetrisch beidseitig der Erregerspule angeordnet sind. Das Sensorelement fungiert als Messkopf der Messanordnung.
Die Erregerspule und die beiden Empfängerspulen weisen eine gemeinsame Spulen-Zentralachse auf, d. h. diese drei Spulen sind um eine gemeinsame Spulen-Zentralachse herum gewickelt. Die Spulen-Zentralachse ist eine geradlinige Achse, die durch den Innenraum der Erregerspule und der beiden Empfängerspulen hindurch verläuft. Die Spulen-Zentralachse verläuft zentral durch den Innenraum jeder der drei Spulen, d. h. verläuft durch die Mittelpunkte der Innenquerschnittsflächen der Spulen. Die Spulen-Zentralachse wird auch als Spulenachse bezeichnet, wobei die Spulen rotationssymmetrisch bezüglich der Spulenachse sein können, jedoch nicht rotationssymmetrisch bezüglich der Spulenachse sein müssen. Die Erregerspule und die beiden Empfängerspulen sind somit koaxial bezüglich der Spulen-Zentralachse bzw. Spulenachse angeordnet, d. h. weisen dieselbe Spulen-Zentralachse auf.
Die Anordnung weist eine Vorrichtung auf, die zum Beaufschlagen der Erregerspule mit einem elektrischen Wechselstrom ausgebildet ist (auch als Wechselstromquelle bezeichnet). Beim Betreiben der Messanordnung wird die Erregerspule von der Wechselstromquelle mit dem Wechselstrom beaufschlagt, wodurch von der Erregerspule ein Magnetfeld in Form eines magnetischen Wechselfeldes erzeugt wird. Das aufgrund des anliegenden Wechselstromes von der Erregerspule erzeugte Magnetfeld wird auch als Primär-Magnetfeld oder Erregerfeld bezeichnet. Der Wechselstrom, mit dem die Erregerspule von der Wechselstromquelle beaufschlagt wird, wird auch als Erreger-Wechselstrom bezeichnet.
Die Frequenz des Erreger-Wechselstroms kann abhängig von der elektrischen Leitfähigkeit des zu charakterisierenden Füllmaterials gewählt sein. Es kann z. B. vorgesehen sein, dass die Frequenz des Erreger-Wechselstroms kleiner als 100 Hz ist (z. B. zur Erfassung des Füllstandes metallischer Schmelzen oder anderer Materialien mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit). Die Frequenz des Erreger-Wechselstroms (und somit die Frequenz des dadurch hervorgerufenen Erregerfeldes) kann z. B. so gering gewählt werden, dass das Erregerfeld das Füllmaterial in transversaler bzw. horizontaler Richtung durchdringt. Als ein anderes Beispiel kann die Frequenz des Erreger-Wechselstroms so hoch gewählt werden, dass die Skintiefe kleiner ist als die transversale bzw. horizontale Abmessung des Behälters (in diesem Fall sind die Wirbelströme auf den Bereich unmittelbar vor dem Sensorelement begrenzt, wodurch z. B. eine bessere Ortsauflösung und eine bessere Lokalisation von Unregelmäßigkeiten der Oberfläche ermöglicht sein können).
Die Messanordnung ist zum Charakterisieren des in einem Behälter vorliegenden Füllstandes eines elektrisch leitfähigen Materials vorgesehen. Von dem Behälter wird ein Behälter-Innenraum definiert bzw. gebildet, der zum Aufnehmen des elektrisch leitfähigen Materials vorgesehen ist, sodass die Messanordnung zum Charakterisieren des in dem Behälter-Innenraum vorliegenden Füllstandes des Füllmaterials dient. Das Sensorelement ist seitlich des Behälter-Innenraums angeordnet. Demgemäß kann das Sensorelement z. B. entlang der horizontalen Richtung in einem Abstand zu dem Behälter-Innenraum angeordnet sein und entlang der vertikalen Richtung auf Höhe des Behälter-Innenraums angeordnet sein. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Sensorelement nicht oberhalb des Behälters und/oder des Behälter-Innenraums angeordnet ist.
Das von der Erregerspule erzeugte Erregerfeld durchdringt (zumindest teilweise) den Behälter-Innenraum und das darin aufgenommene elektrisch leitfähige Material. Das zeitlich veränderliche Erregerfeld induziert in dem elektrisch leitfähigen Material Wirbelströme, die wiederum ein weiteres Magnetfeld erzeugen. Das von den Wirbelströmen verursachte Magnetfeld wird auch als induziertes Magnetfeld oder Sekundär-Magnetfeld bezeichnet.
Die beiden Empfängerspulen werden sowohl von dem Primär-Magnetfeld als auch von dem Sekundär-Magnetfeld durchflutet (bzw. von dem Gesamt-Magnetfeld, das aus der Überlagerung dieser beiden Felder resultiert), wodurch in den beiden Empfängerspulen elektrische Spannungen induziert werden.
Die beiden Empfängerspulen sind gegensinnig miteinander verschaltet bzw. gegensinnig in Reihe geschaltet. Demgemäß sind die erste und die zweite Empfängerspule unter Ausbildung einer Empfängerspulen-Reihenschaltung derart seriell miteinander verbunden, dass die von dem Erregerfeld in der ersten Empfängerspule induzierte elektrische Spannung entgegengesetzt zu der von dem Erregerfeld in der zweiten Empfängerspule induzierten Spannung gerichtet ist. Demgemäß sind auch die elektrischen Spannungen, die von dem Sekundär-Magnetfeld und somit auch von dem Gesamt-Magnetfeld in den beiden Empfängerspulen induziert werden, entgegengesetzt zueinander gerichtet. In der Empfängerspulen-Reihenschaltung schwächen die in den beiden Empfängerspulen induzierten Spannungen einander somit ab. Mit anderen Worten gesagt sind die beiden Empfängerspulen gradiometrisch miteinander verschaltet, wobei diese Reihenschaltung der beiden Empfängerspulen auch als (gradiometrische) Empfängerspulen-Reihenschaltung oder als (gradiometrische) Empfängerspulen-Anordnung bezeichnet wird. An der Empfängerspulen-Reihenschaltung resultiert somit eine Ausgangsspannung, die der Überlagerung bzw. Differenz der in den beiden Empfängerspulen induzierten Spannungen entspricht, diese Ausgangsspannung wird auch als Empfänger-Ausgangsspannung bezeichnet.
Da die beiden identisch ausgebildeten Empfängerspulen in gradiometrischer Verschaltung symmetrisch bezüglich der Erregerspule angeordnet sind, heben sich die von dem Primär-Magnetfeld in den beiden Empfängerspulen induzierten Spannungen gegenseitig auf. Die an der gradiometrischen Empfängerspulen-Reihenschaltung resultierende Empfänger-Ausgangsspannung geht somit allein auf das Sekundär-Magnetfeld zurück, das von den Wirbelströmen in dem Füllmaterial hervorgerufen wird. Da dieses Sekundär-Magnetfeld abhängig vom Füllstand des elektrisch leitfähigen Materials ist und mit dem Füllstand variiert, kann basierend auf der Empfänger-Ausgangsspannung der Füllstand charakterisiert werden.
Die Messanordnung ist zum Erfassen des Erreger-Wechselstroms und der Empfänger-Ausgangsspannung ausgebildet. Die Messanordnung ist zum Erfassen des Erreger-Wechselstroms als Erregerstrom-Signal ausgebildet, wobei das Erregerstrom-Signal den zeitlichen Verlauf des Erreger-Wechselstroms kennzeichnet. Die Messanordnung ist zudem zum Erfassen der Empfänger-Ausgangsspannung als Ausgangsspannungs-Signal ausgebildet, wobei das Ausgangsspannungs-Signal den zeitlichen Verlauf der Empfänger-Ausgangsspannung kennzeichnet.
Die Messanordnung ist zum Ermitteln des Anteils der Empfänger-Ausgangsspannung ohne Phasenverschiebung zu dem Erreger-Wechselstrom und/oder des Anteils der Empfänger-Ausgangsspannung mit einer Phasenverschiebung von 90° (90 Grad bzw. π/2) zu dem Erreger-Wechselstrom als Messgröße ausgebildet. Die Messanordnung ist also zum Ermitteln des Anteils des Ausgangsspannungs-Signals, der keine Phasenverschiebung zu dem Erregerstrom-Signal aufweist, und/oder zum Ermitteln des Anteils des Ausgangsspannungs-Signals, der eine Phasenverschiebung von 90° zu dem Erregerstrom-Signal aufweist, ausgebildet, wobei das Ergebnis dieser Ermittlung als Messgröße fungiert. Im Falle, dass nur einer der beiden Anteile ermittelt wird, ist diese Messgröße durch den ermittelten Anteil gegeben und somit eindimensional. Im Falle, dass beide Anteile ermittelt werden, ist diese Messgröße durch die beiden ermittelten Anteile gegeben und somit zweidimensional. Der Anteil der Empfänger-Ausgangsspannung bzw. des Ausgangsspannungs-Signals, der in Phase mit dem Erregerstrom ist (d. h. demgegenüber keine Phasenverschiebung aufweist), wird im Folgenden auch als erster Anteil, Inphase-Anteil oder Realteil bezeichnet. Der Anteil der Empfänger-Ausgangsspannung bzw. des Ausgangsspannungs-Signals, der aus Phase mit dem Erregerstrom ist (d. h. demgegenüber eine Phasenverschiebung von 90° aufweist), wird im Folgenden auch als zweiter Anteil, Ausphase-Anteil oder Imaginärteil bezeichnet.
Die Messanordnung kann z. B. zum Zerlegen der Empfänger-Ausgangsspannung in einen ersten Anteil ohne Phasenverschiebung zu dem Erreger-Wechselstrom und einen zweiten Anteil mit einer Phasenverschiebung von 90° (90 Grad bzw. π/2) zu dem Erreger-Wechselstrom ausgebildet sein. Mit anderen Worten gesagt kann die Messanordnung zum Zerlegen des Ausgangsspannungs-Signals in einen ersten Anteil und einen zweiten Anteil derart ausgebildet sein, dass der erste Anteil keine Phasenverschiebung bezüglich des Erregerstrom-Signals aufweist und der zweite Anteil eine Phasenverschiebung von 90° (90 Grad bzw. π/2) bezüglich des Erregerstrom-Signals aufweist. Der erste Anteil der Empfänger-Ausgangsspannung bzw. des Ausgangsspannungs-Signals, der in Phase mit dem Erregerstrom ist, wird auch als Inphase-Anteil oder Realteil des Ausgangsspannungs-Signals bezeichnet. Der zweite Anteil der Empfänger-Ausgangsspannung bzw. des Ausgangsspannungs-Signals, der aus Phase mit dem Erregerstrom ist, wird auch als Ausphase-Anteil oder Imaginärteil des Ausgangsspannungs-Signals bezeichnet.
Die Messanordnung ist zum Charakterisieren des Füllstandes basierend auf der ermittelten Messgröße (d. h. basierend auf dem ersten und/oder dem zweiten Anteil des Ausgangsspannungs-Signals) ausgebildet, z. B. zum Erfassen des Füllstandes basierend auf der ermittelten Messgröße. Die Messanordnung fungiert somit als nichtinvasiver induktiver Füllstandssensor für elektrisch leitfähige Materialien, insbesondere für elektrisch leitfähige Fluide.
Der zeitabhängige Erreger-Wechselstrom i(t) kann durch i(t) = |I|cos(2πft) (1) beschrieben werden, wobei i den Strom, t die Zeit, |I| die betragsmäßige Amplitude des Stromes und f die Frequenz des Stromes bezeichnen.
Die zeitabhängige Empfänger-Ausgangsspannung u(t) kann durch u(t) = |U_M|sin(2πft + φ) (2) beschrieben werden, wobei u die Spannung, |U_M| die betragsmäßige Amplitude der Spannung und φ eine Phasenverschiebung darstellen.
Den Inphase-Anteil U_M,R der Ausgangsspannung kann man erhalten, indem man das Ausgangspannungs-Signal u(t) mit dem Erregerstrom-Signal i(t) multipliziert: U_M,R = (|U_M|sin(2πft + φ))·(2cos(2πft)) = |U_M|sinφ, (3) wobei die Amplitude |I| des Stromes auf den Wert 2 normiert wurde.
Den Ausphase-Anteil U_M,I der Ausgangsspannung kann man erhalten, indem man das Ausgangspannungs-Signal u(t) mit dem um 90° phasenverschobenen Erregerstrom-Signal i(t) multipliziert: U_M,I = (|U_M|sin(2πft + φ))·(2cos(2πft – 90°)) = |U_M|cosφ. (4)
Aus den beiden Größen U_M,R und U_M,I können die Amplitude |U_M| des Ausgangsspannungs-Signals als
und die Phase φ als
ermittelt werden.
Es hat sich herausgestellt, dass der Inphase-Anteil U_M,R (auch als erster Anteil oder Realteil bezeichnet), der Ausphase-Anteil U_M,I (auch als zweiter Anteil oder Imaginärteil bezeichnet), die Amplitude |U_M| und die Phase φ jeweils bezüglich des Füllstandes einer Sigmoidfunktion folgen und zur Detektion des Füllstandes verwendet werden können. Jede dieser vier Größen weist in Abhängigkeit vom Füllstand unterschiedliche Werte auf, wobei die Auftragung dieser Werte über dem Füllstand eine Sigmoidkurve bildet (also dem Graphen einer Sigmoidfunktion entspricht), sodass die Abhängigkeit jeder dieser vier Größen vom Füllstand mittels einer Sigmoidfunktion repräsentierbar bzw. approximierbar ist.
Die Messanordnung ist zum Ermitteln des Inphase-Anteils und/oder des Ausphase-Anteils (z. B. zum Zerlegen der Empfänger-Ausgangsspannung in den Inphase-Anteil und den Ausphase-Anteil) und zum Charakterisieren des Füllstandes basierend auf dem Inphase-Anteil und/oder dem Ausphase-Anteil ausgebildet. Da die Abhängigkeit des Inphase-Anteils und des Ausphase-Anteils vom Füllstand mittels einer Sigmoidfunktion repräsentierbar ist, wobei Sigmoidfunktionen umkehrbar eindeutig sind, ist mittels der Erfindung eine eindeutige Erfassung des Füllstandes ermöglicht. Insbesondere kann ohne weitere Informationen zwischen einem leeren und einem vollen Behälter unterschieden werden. Des Weiteren kann z. B. ohne weitere Informationen ermittelt werden, ob sich der Füllstand oberhalb oder unterhalb des Sensorelements befindet.
Die Sigmoidfunktion kann von unterschiedlichen Parametern abhängen, z. B. von der elektrischen Leitfähigkeit des Füllmaterials, von den mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Sensorelements (Sensortopologie), von der Position des Sensors, von dem Erregerstrom (z. B. von dessen Amplitude und Frequenz), und/oder von dem Behälter (z. B. von dessen Geometrie und Material, z. B. von der elektrischen Leitfähigkeit des Behältermaterials). Die Sigmoidfunktion kann z. B. mittels einer Kalibrierung, d. h. mittels gezielten Anfahrens einzelner Füllstände und nachfolgende Messung, ermittelt werden. Die Sigmoidfunktion kann alternativ mittels Simulation oder analytischer Berechnung ermittelt werden. Das Ergebnis dieser Ermittlungen kann als Referenz-Charakteristik hinterlegt werden, sodass bei nachfolgenden Messungen das Charakterisieren des Füllstandes mittels Vergleichs des erfassten Messsignals mit einer derartigen Referenz-Charakteristik erfolgen kann.
Die Messanordnung ermöglicht bei unkompliziertem Aufbau eine zuverlässige Charakterisierung des Füllstandes mit einer hohen Messgenauigkeit. Die Verwendung einer gradiometrischen Empfängerspulen-Anordnung, die symmetrisch zu der Erregerspule aufgebaut ist, unterdrückt das Erregersignal vollständig, sodass bloß das füllstandsinduzierte Signal gemessen wird. Das Messsignal ist zudem umkehrbar eindeutig, sodass z. B. auch bei geschlossenem Behälter bzw. ohne zusätzliche Informationen zwischen einem vollen und einem leeren Behälter oder zwischen einem Füllstand oberhalb des Sensorelements und einem Füllstand unterhalb des Sensorelements unterschieden werden kann. Indem das Sensorelement seitlich des Behälters angeordnet ist, ist zum Ausrüsten einer bestehenden Anlage mit der Messanordnung kein Umbau der Anlage selbst erforderlich. Die Positionierung des Sensors seitlich (und nicht notwendigerweise oberhalb) des Behälter-Innenraums bzw. des Behälters ermöglicht den Betrieb des Sensorelements ohne integrierte Kühlung. Durch das gradiometrische und symmetrische Design des Sensorelements wird der Einfluss elektrischer Störquellen (z. B. elektrischer Heizer) auf das Messergebnis effektiv unterdrückt, sodass die Messanordnung störunanfällig ist. Die Messanordnung weist keine bewegten Teile auf, insbesondere kann das Sensorelement ortsfest bzw. feststehend angeordnet sein, wodurch die Messanordnung robust ausgebildet ist und die Ausfallwahrscheinlichkeit gering gehalten werden kann.
Das Sensorelement ist an einer Position seitlich des Behälter-Innenraums angeordnet. Das Sensorelement mit seinen drei Spulen ist seitlich des Behälter-Innenraums (z. B. seitlich des Behälters) angeordnet, sodass alle drei Spulen an derselben Seite des Behälters bzw. an derselben Umfangsposition des Behälters angeordnet sind, wobei keine der Spulen um den Behälter herum verlaufend angeordnet ist und der Behälter nicht im Innenraum der Spulen angeordnet ist. Dadurch kann die seitliche Zugänglichkeit des Behälters gewährleistet und das Sensorelement kompakt gehalten werden. Insbesondere kann das Sensorelement derart ausgebildet sein, dass der Innenquerschnitt jeder der drei Spulen kleiner ist als der Querschnitt des Behälters. Das Sensorelement kann z. B. derart angeordnet sein, dass die gemeinsame Spulen-Zentralachse nicht vertikal verläuft, wodurch z. B. eine effektive Durchflutung des Behälter-Innenraums mit dem Erregerfeld ermöglicht ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Sensorelement außerhalb des Behälters seitlich des Behälters angeordnet (und somit auch seitlich des Behälter-Innenraums). Demgemäß kann das Sensorelement z. B. entlang der horizontalen Richtung in einem Abstand zu dem Behälter angeordnet sein und entlang der vertikalen Richtung auf Höhe des Behälters und des Behälter-Innenraums angeordnet sein. Es kann z. B. vorgesehen sein, dass das Sensorelement an einer Seitenwand bzw. seitlichen Begrenzungswand des Behälters außerhalb des Behälters angeordnet ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform ist das Sensorelement in einer seitlichen Behälterwand (d. h. einer Seitenwand bzw. seitlichen Begrenzungswand des Behälters) angeordnet und somit in diese Wand integriert. Das Sensorelement muss somit nicht außen an einer Behälterwand platziert sein, sondern kann – beispielsweise beim kontinuierlichen Stranggießen, beim Schmelzen von Glas oder bei der Kristallzüchtung – in die Behälterwand eingelassen sein.
Das Sensorelement ist seitlich des Behälter-Innenraums angeordnet, wobei das Sensorelement insbesondere derart angeordnet sein kann, dass eine der beiden Empfängerspulen näher an dem Behälter-Innenraum angeordnet ist als die andere der beiden Empfängerspulen. Bei außerhalb des Behälters angeordnetem Sensorelement kann das Sensorelement z. B. derart angeordnet sein, dass eine der beiden Empfängerspulen näher an dem Behälter angeordnet ist als die andere der beiden Empfängerspulen. Demgemäß weist das Sensorelement eine dem Behälter-Innenraum zugewandte Empfängerspule und eine dem Behälter-Innenraum abgewandte Empfängerspule auf.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Sensorelement mit senkrecht zu einer seitlichen Behälterwand verlaufender Spulen-Zentralachse an oder in der Behälterwand angeordnet. Demgemäß kann das Sensorelement an oder in einer seitlichen Behälterwand derart angeordnet sein, dass die gemeinsame Spulen-Zentralachse mit einer Normale der Behälterwand bzw. der Außenfläche dieser Behälterwand zusammenfällt. Das Sensorelement kann somit derart an oder in einer seitlichen Behälterwand angeordnet sein, dass die Spulen-Zentralachse senkrecht auf der Behälterwand bzw. deren Außenfläche auftrifft, sodass die gemeinsame Spulen-Zentralachse an der Position des Sensorelements senkrecht zu dieser Behälterwand bzw. zu deren Außenfläche verläuft.
Indem somit auch die Spulen-Zentralachse der Erregerspule senkrecht zu der Behälterwand ist, ist eine effektive Durchflutung des Behälter-Innenraums mit dem Erregerfeld ermöglicht, da das Erregerfeld im Wesentlichen entlang der Spulen-Zentralachse verläuft. Indem die Spulen-Zentralachse senkrecht zu der Behälterwand ist, besteht zudem ein großer Unterschied im Abstand der beiden Empfängerspulen vom Behälter-Innenraum und somit auch ein großer Unterschied in der magnetischen Durchflutung der beiden Empfängerspulen mit dem Sekundär-Magnetfeld, wodurch ein starkes Ausgangsspannungs-Signal ermöglicht ist. Die Feldlinien des Sekundär-Magnetfeldes weiten sich mit zunehmendem Abstand von dem Behälter-Innenraum auf, sodass die näher an dem Füllmaterial angeordnete Empfängerspule stärker von dem Feld durchflutet wird als die weiter von dem Füllmaterial entfernte Empfängerspule.
Die Messanordnung ist zum Charakterisieren des Füllstandes, z. B. zum Ermitteln des Füllstandes, des leitfähigen Füllmaterials in dem Behälter basierend auf dem Inphase-Anteil und/oder dem Ausphase-Anteil des Ausgangsspannungs-Signals ausgebildet. Zu diesem Zweck kann die Messanordnung z. B. eine Auswertevorrichtung aufweisen, die zum Ermitteln des Inphase-Anteils und/oder des Ausphase-Anteils ausgebildet ist und zum Ermitteln des Füllstandes bzw. Füllstatus basierend darauf.
Die Auswertevorrichtung kann z. B. zum Erfassen des Erreger-Wechselstroms mit der Wechselstromquelle und zum Erfassen der Empfänger-Ausgansspannung mit der Empfängerspulen-Reihenschaltung verbunden sein, sodass zum Ermitteln des Inphase-Anteils und/oder des Ausphase-Anteils (z. B. zur Zerlegung der Empfänger-Ausgangsspannung in den Inphase-Anteil und den Ausphase-Anteil) das Erregerstrom-Signal als Bezugssignal zur Verfügung steht. Die Auswertevorrichtung kann ferner zum Ermitteln einer oder mehrerer der Größen Inphase-Anteil U_M,R, Ausphase-Anteil U_M,I, Amplitude |U_M| und Phase φ des Ausgangsspannungs-Signals als Messgröße ausgebildet sein und zum Charakterisieren des Füllstandes basierend auf der erfassten Messgröße (bzw. basierend auf deren Wert). Das Charakterisieren kann z. B. mittels Vergleichs der erfassten Messgröße (bzw. deren Wert) mit einer oder mehreren als Referenz hinterlegten Referenz-Charakteristiken erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Messanordnung (z. B. als Bestandteil der Auswertevorrichtung) eine Strommessvorrichtung zum Erfassen des Erreger-Wechselstromes und einen Demodulator auf. Der Demodulator ist mit der Strommessvorrichtung und der Empfängerspulen-Reihenschaltung verbunden, sodass von dem Demodulator sowohl der Erreger-Wechselstrom als auch die Empfänger-Ausgangsspannung erfassbar sind. Der Demodulator ist zum Ermitteln der Messgröße, d. h. insbesondere zum Ermitteln des ersten Anteils und/oder des zweiten Anteils der Empfänger-Ausgangsspannung, ausgebildet. Der Demodulator ist insbesondere zum Ermitteln der Messgröße mittels Demodulation des Ausgangspannungs-Signals ausgebildet, wobei von dem Demodulator das Erregerstrom-Signal als Bezugssignal verwendet wird. Der Demodulator kann z. B. zum Zerlegen der Empfänger-Ausgangsspannung in den ersten Anteil und den zweiten Anteil ausgebildet sein.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Demodulator einen Analog-Digital-Wandler und eine Rechenvorrichtung (z. B. in Form eines Computers) auf. Der Analog-Digital-Wandler ist mit der Strommessvorrichtung verbunden und zum Digitalisieren des Erreger-Wechselstromes unter Erzeugung eines digitalisierten Erregerstrom-Signals ausgebildet. Der Analog-Digital-Wandler ist zudem mit der Empfängerspulen-Reihenschaltung verbunden und zum Digitalisieren der Empfänger-Ausgangsspannung unter Erzeugung eines digitalisierten Ausgangsspannungs-Signals ausgebildet. Von dem Analog-Digital-Wandler werden somit das Erregerstrom-Signal und das Ausgangsspannungs-Signal digitalisiert, d. h. in zeitdiskrete und messwertdiskrete Signale umgewandelt. Die Rechenvorrichtung ist zum Berechnen der Messgröße, d. h. insbesondere zum Berechnen des Inphase-Anteils und/oder des Ausphase-Anteils, basierend auf dem digitalisierten Erregerstrom-Signal und dem digitalisierten Ausgangsspannungs-Signal ausgebildet.
Die Verlagerung der Signalverarbeitung vom analogen in den digitalen Bereich erlaubt eine einfache Skalierung bzw. Erweiterung des Systems durch Hinzufügen eines oder mehrerer Sensorelemente der beschriebenen Art. Zudem ist mittels der Digitalisierung eine Messanordnung mit einer hohen Sensitivität und mit einem großen Messbereich ermöglicht. Mit Hilfe digitaler Signalverarbeitung und einem zusätzlichen, fest im ruhenden Bezugssystem verankerten Abstandssensor, dessen Signal gleichfalls digitalisiert wird, ist es z. B. beim kontinuierlichen Stranggießen möglich, das überlagerte Signal aus der Kokillenbewegung vom Füllstandssignal zu trennen. Bei einem bewegten Behälter, z. B. wenn der Behälter beim kontinuierlichen Stranggießen eine oszillierende Kokille ist, kann die Messanordnung derart ausgebildet sein, dass von ihr die Position des sich bewegenden Behälters fortwährend gemessen wird und das entstehende Positionssignal digitalisiert wird, sodass der Signalanteil der Sensorelemente, der aus der Behälterbewegung resultiert, vom Messsignal entfernt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Rechenvorrichtung basierend auf dem digitalisierten Erregerstrom-Signal und dem digitalisierten Ausgangsspannungs-Signal zum Ermitteln bzw. Berechnen der Messgröße – d. h. insbesondere zum Berechnen des ersten Anteils (d. h. des Inphase-Anteils) und/oder des zweiten Anteils (d. h. des Ausphase-Anteils) – mittels Quadratur-Demodulation ausgebildet.
Die Erregerspule und die beiden Empfängerspulen können unterschiedliche Formen bzw. Geometrien aufweisen (wobei jedoch die beiden Empfängerspulen stets identisch ausgebildet sind), und können z. B. als Spulen mit einem kreisförmigen oder rechteckigen Innenquerschnitt ausgebildet sein. Es kann z. B. vorgesehen sein, dass die Erregerspule und/oder die Empfängerspulen als Spulen mit einem kreisförmigen Innenquerschnitt ausgebildet sind. Als ein anderes Beispiel kann vorgesehen sein, dass die Erregerspule und/oder die Empfängerspulen als Spulen mit einem rechteckigen Innenquerschnitt ausgebildet sind (wobei die Ecken der Rechteckform abgerundet sein können und z. B. viertelkreisförmig ausgebildet sein können).
Gemäß einer Ausführungsform sind die Erregerspule und die beiden Empfängerspulen jeweils als Spule mit rechteckigem Innenquerschnitt mit unterschiedlich langen Seiten ausgebildet, wobei die Spulen derart angeordnet sind, dass die längeren Rechteckseiten aller drei Spulen parallel zueinander sind (und somit auch die kürzeren Rechteckseiten aller drei Spulen parallel zueinander sind). Gemäß dieser Ausführung kann das Sensorelement z. B. derart angeordnet sein, dass die längeren Rechteckseiten der Spulen vertikal verlaufen, wodurch eine Verteilung des Erregerfeldes über einen größeren vertikalen Bereich und dadurch eine größere vertikale Ausdehnung des abdeckbaren Füllstand-Messbereichs ermöglicht ist. Als ein anderes Beispiel kann gemäß dieser Ausführung das Sensorelement derart angeordnet sein, dass die längeren Rechteckseiten der Spulen horizontal verlaufen, wodurch eine stärkere Mittelung des Füllstandes bzw. Oberflächenprofils entlang der Horizontalen erfolgt.
Jede der drei Spulen weist in einem Schnitt senkrecht zu der Spulen-Zentralachse einen Innenquerschnitt und einen Außenquerschnitt auf, wobei der Innenquerschnitt durch den Rand des Spulen-Innenraums der jeweiligen Spule definiert ist und der Außenquerschnitt durch den äußeren Rand bzw. die äußere Mantelfläche der jeweiligen Spule definiert ist. Es kann vorgesehen sein, dass die Erregerspule denselben Innenquerschnitt und/oder denselben Außenquerschnitt aufweist wie die beiden Empfängerspulen.
Gemäß einer Ausführungsform ist jedoch vorgesehen, dass die Erregerspule einen anderen Innenquerschnitt und/oder einen anderen Außenquerschnitt aufweist als die beiden Empfängerspulen. Dadurch können die Geometrie des Sensorelementes und die Feldtopologie des Erregerfeldes an die jeweiligen Messbedingungen angepasst werden. Zudem ist dadurch eine kompakte und störungsarme Führung der Anschlussleitungen zum elektrischen Kontaktieren der Spulen ermöglicht. Es kann z. B. vorgesehen sein, dass die Erregerspule einen kleineren Innenquerschnitt und einen größeren Außenquerschnitt aufweist als die beiden Empfängerspulen.
Das Sensorelement kann zwei Anschlussleitungen zum elektrischen Kontaktieren der Erregerspule aufweisen (auch als Erregerspulen-Anschlussleitungen bezeichnet). Die Anschlussleitungen können z. B. als Anschlussdrähte ausgebildet sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Anschlussleitungen integral mit dem Draht der Erregerspule (d. h. dem Draht, der die Windungen der Erregerspule bildet) ausgebildet sind, wobei z. B. die beiden Endabschnitte des Drahtes der Erregerspule als Erregerspulen-Anschlussleitungen fungieren.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Sensorelement eine erste und eine zweite Erregerspulen-Anschlussleitung zum elektrischen Kontaktieren der Erregerspule auf, wobei die erste Erregerspulen-Anschlussleitung durch den Innenquerschnitt einer der beiden Empfängerspulen hindurch verlaufend angeordnet ist, und wobei die zweite Erregerspulen-Anschlussleitung außerhalb des Außenquerschnitts derselben Empfängerspule verlaufend angeordnet ist. Es kann z. B. vorgesehen sein, dass die erste Erregerspulen-Anschlussleitung durch den Innenquerschnitt der ersten Empfängerspule hindurch verlaufend angeordnet ist, und dass die zweite Erregerspulen-Anschlussleitung außerhalb des Außenquerschnitts der ersten Empfängerspule verlaufend angeordnet ist. Gemäß dieser Ausführungsform kann zudem vorgesehen sein, dass die Erregerspule einen kleineren Innenquerschnitt und einen größeren Außenquerschnitt aufweist als die beiden Empfängerspulen, wodurch eine besonders vorteilhafte Führung der Erregerspulen-Anschlussleitungen ermöglicht ist. Alternativ oder zusätzlich dazu kann gemäß dieser Ausführungsform vorgesehen sein, dass die erste und die zweite Erregerspulen-Anschlussleitung zumindest in dem Erstreckungsbereich dieser Empfängerspule (d. h. in dem Bereich, in dem sich diese Empfängerspule entlang der Spulen-Zentralachse erstreckt) parallel zu der Spulen-Zentralachse verlaufend angeordnet sind, wobei die erste und die zweite Erregerspulen-Anschlussleitung bevorzugt den gleichen Abstand zur Empfängerspule haben. Durch diese Ausführungsform ist ein unkompliziert herstellbares, kompaktes Sensorelement mit einer hohen Messgenauigkeit ermöglicht. Insbesondere ist mittels einer derartigen Führung der Erregerspulen-Anschlussleitungen eine Anordnung ermöglicht, bei der sich die Magnetfelder, die durch die in den Erregerspulen-Anschlussleitungen fließenden Ströme induziert werden, weitestgehend gegenseitig aufheben, sodass eine Verfälschung der Empfänger-Ausgangsspannung durch diese Magnetfelder minimiert werden kann.
Es kann z. B. vorgesehen sein, dass das Sensorelement an einem seiner beiden Längsenden (d. h. an einem seiner beiden axialen Endabschnitte bezüglich der Spulen-Zentralachse) einen Anschlussabschnitt zum elektrischen Kontaktieren des Sensorelementes aufweist, wobei die beiden Erregerspulen-Anschlussleitungen wie vorstehend beschrieben von der Erregerspule zu dem Anschlussabschnitt geführt sein können. Demgemäß ist eine der beiden Empfängerspulen zwischen dem Anschlussabschnitt und der Erregerspule angeordnet. Die zwischen dem Anschlussabschnitt und der Erregerspule angeordnete Empfängerspule wird auch als anschlussseitige Empfängerspule bezeichnet, die andere Empfängerspule (d. h. die weiter von dem Anschlussabschnitt entfernte der beiden Empfängerspulen) wird auch als anschlussferne Empfängerspule bezeichnet. Es kann also insbesondere vorgesehen sein, dass die erste Erregerspulen-Anschlussleitung von der Erregerspule aus durch den Innenquerschnitt der anschlussseitigen Empfängerspule hindurch zu dem Anschlussabschnitt verlaufend angeordnet ist, und dass die zweite Erregerspulen-Anschlussleitung außerhalb des Außenquerschnitts der anschlussseitigen Empfängerspule zu dem Anschlussabschnitt verlaufend angeordnet ist. Es kann z. B. vorgesehen sein, dass die erste Empfängerspule als anschlussseitige Empfängerspule fungiert und die zweite Empfängerspule als anschlussferne Empfängerspule fungiert.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann vorgesehen sein, dass die anschlussferne Empfängerspule zwei Empfängerspulen-Anschlussleitungen zum elektrischen Kontaktieren derselben aufweist, wobei diese beiden Empfängerspulen-Anschlussleitungen durch den Innenquerschnitt der Erregerspule und durch den Innenquerschnitt der anschlussseitigen Empfängerspule hindurch zu dem Anschlussabschnitt verlaufend angeordnet sind. Dadurch ist eine abgeschirmte und kompakte Führung dieser Anschlussleitungen ermöglicht sowie eine kompakte Ausgestaltung der elektrischen Kontaktierung des Sensorelementes unterstützt.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann vorgesehen sein, dass die anschlussseitige Empfängerspule zwei Empfängerspulen-Anschlussleitungen zum elektrischen Kontaktieren derselben aufweist, wobei diese beiden Empfängerspulen-Anschlussleitungen ebenfalls zu dem Anschlussabschnitt geführt sind.
Der Anschlussabschnitt ist zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements vorgesehen, z. B. zum Zuführen des Erreger-Wechselstromes und zum Abgreifen der Empfänger-Ausgangsspannung. Auch die serielle Verschaltung der beiden Empfängerspulen kann an dem Anschlussabschnitt realisiert sein. Der Anschlussabschnitt kann z. B. als Anschlusselement ausgebildet sein.
Wie vorstehend erläutert, kann das Sensorelement eine dem Behälter-Innenraum (bzw. dem Behälter) zugewandte Empfängerspule und eine dem Behälter-Innenraum (bzw. dem Behälter) abgewandte Empfängerspule aufweisen. Der Anschlussabschnitt ist bevorzugt an demjenigen Längsende des Sensorelements ausgebildet, das dem Behälter-Innenraum (bzw. dem Behälter) abgewandt ist bzw. weiter davon entfernt ist. Dadurch kann der Anschlussabschnitt z. B. vor von dem Behälter ausgehenden thermischen Einflüssen geschützt sein. Das Sensorelement ist also bevorzugt derart angeordnet, dass der Anschlussabschnitt des Sensorelements von dem Behälter-Innenraum (bzw. dem Behälter) abgewandt ist, sodass die anschlussseitige Empfängerspule durch die dem Behälter-Innenraum (bzw. dem Behälter) abgewandte Empfängerspule gegeben ist und die anschlussferne Empfängerspule durch die dem Behälter-Innenraum (bzw. dem Behälter) zugewandte Empfängerspule gegeben ist.
Die Erregerspule und die beiden Empfängerspulen können aus unbeschichtetem oder beschichtetem Draht bestehen (z. B. aus Drahtwicklungen) bzw. derartigen Draht aufweisen, wobei der Draht z. B. mit einer elektrisch isolierenden Isolierschicht beschichtet sein kann. Der Draht ist elektrisch leitfähig und kann z. B. ein Metalldraht sein, z. B. Cu-Ni-Draht.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Erregerspule einen Draht mit einem ersten Querschnitt auf und die Empfängerspulen weisen einen Draht mit einem zweiten Querschnitt auf, wobei der erste Querschnitt größer ist als der zweite Querschnitt. Demgemäß bestehen die Windungen der Empfängerspulen aus einem Draht mit einem kleineren Querschnitt als die Windungen der Erregerspule.
Es kann z. B. vorgesehen sein, dass die Erregerspule einen Draht mit einem kreisförmigen Querschnitt mit einem ersten Durchmesser aufweist und die Empfängerspulen einen Draht mit einem kreisförmigen Querschnitt mit einem zweiten Durchmesser aufweisen (oder daraus bestehen), wobei der erste Durchmesser größer ist als der zweite Durchmesser. Es kann z. B. vorgesehen sein, dass der erste Durchmesser (des Drahtes der Erregerspule) mindestens zehnmal so groß ist wie der zweite Durchmesser (des Drahtes der Empfängerspulen). Es kann z. B. vorgesehen sein, dass der Draht der Erregerspule einen Durchmesser von mindestens 1 mm aufweist und der Durchmesser des Drahtes der Erregerspule mindestens zehnmal so groß ist wie der Durchmesser des Drahtes der Empfängerspulen. Es kann z. B. vorgesehen sein, dass der Durchmesser des Drahtes der Erregerspule 1 mm beträgt, und dass der Durchmesser des Drahtes der Empfängerspulen 50 μm beträgt.
Indem die Erregerspule aus einem dickeren Draht besteht als die Empfängerspulen, kann die Erregerspule niederohmig ausgebildet sein, sodass bereits bei geringen Spannungen hohe Stromflüsse und somit ein starkes Erregerfeld ermöglicht sind. Indem die Empfängerspulen aus einem dünneren Draht bestehen, können die Empfängerspulen bei kompakten Abmessungen eine hohe Anzahl an Windungen aufweisen, sodass darin eine hohe Empfänger-Ausgangsspannung induziert werden kann und somit ein starkes Messsignal zur Verfügung gestellt werden kann.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann vorgesehen sein, dass jede der beiden Empfängerspulen mehr Windungen aufweist als die Erregerspule. Es kann z. B. vorgesehen sein, dass jede der Empfängerspulen mindestens zehnmal so viele Windungen aufweist wie die Erregerspule. Es kann z. B. vorgesehen sein, dass die Erregerspule mindestens 50 Windungen aufweist und jede der Empfängerspulen mindestens zehnmal so viele Windungen aufweist wie die Erregerspule. Es kann z. B. vorgesehen sein, dass die Erregerspule 67 Windungen aufweist und jede der Empfängerspulen 2100 Windungen aufweist. In jedem Fall ist die erste Empfängerspule identisch zu der zweiten Empfängerspule ausgebildet, wobei die erste Empfängerspule insbesondere aus dem gleichen Draht besteht und die gleiche Anzahl von Windungen aufweist wie die zweite Empfängerspule.
Indem die Empfängerspulen eine größere Anzahl von Windungen aufweisen als die Erregerspule, kann das Sensorelement aufgrund der geringen Windungsanzahl der Erregerspule kompakt gehalten und zugleich aufgrund der hohen Windungsanzahl der Empfängerspulen mit einer hohen Messempfindlichkeit ausgebildet werden.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann vorgesehen sein, dass jede der beiden Empfängerspulen entlang der Spulen-Zentralachse eine geringere Ausdehnung aufweist als die Erregerspule. Demgemäß ist die Ausdehnung der Erregerspule entlang der Spulen-Zentralachse größer als die Ausdehnung der Empfängerspulen entlang der Spulen-Zentralachse. Durch diese Ausgestaltung ist aufgrund der geringeren Ausdehnung der Empfängerspulen (insbesondere bei senkrecht zu der Behälterwand verlaufender Spulen-Zentralachse) eine Anordnung des Sensorelementes in einem geringen Abstand zu dem Behälter bzw. dem Behälter-Innenraum ermöglicht, wobei zudem aufgrund der größeren Ausdehnung der Erregerspule eine gute Ableitung der durch den Erregerstrom resultierenden Wärme ermöglicht ist.
Es kann vorgesehen sein, dass der Draht der Erregerspule und/oder der Draht der Empfängerspulen mit einer elektrisch isolierenden Isolierschicht versehen ist, wobei der derart beschichtete Draht zu der jeweiligen Spule gewunden ist. Gemäß einer Ausführungsform weisen die Erregerspule und/oder die beiden Empfängerspulen einen Draht auf, der mit einer (elektrisch isolierenden) Keramik beschichtet ist. Demgemäß ist der Draht mit der Keramik beschichtet und der derart beschichtete Draht unter Ausbildung der jeweiligen Spule gewunden bzw. gewickelt. Mittels der keramischen Beschichtung ist eine dünnschichtige, temperaturbeständige elektrische Isolierung ermöglicht. Die Spulendrähte können z. B. Cu-Ni-Drähte mit einer Keramikbeschichtung sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Sensorelement einen Spulenträger auf, wobei die Erregerspule und die beiden Empfängerspulen auf dem Spulenträger angeordnet sind, d. h. auf den Spulenträger gewickelt sind. Der Spulenträger wird auch als Grundkörper bezeichnet. Der Spulenträger kann einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein, ist jedoch bevorzugt einteilig ausgebildet. Somit können die Erregerspule und die beiden Empfängerspulen z. B. koaxial auf einem gemeinsamen Grundkörper angeordnet sein. Der Grundkörper kann z. B. zylindrisch sein. Es kann z. B. vorgesehen sein, dass das Sensorelement einen zylindrischen Grundkörper aufweist, auf dem axial mittig die Erregerspule platziert ist, die symmetrisch von den zwei gegensinnig in Serie geschalteten Empfängerspulen auf demselben Grundkörper umgeben ist. Es kann z. B. vorgesehen sein, dass der Querschnitt des Grundkörpers (und somit auch der Spulen) nicht kreisförmig ist, sondern z. B. beliebig, wodurch der aufzulösende Messbereich horizontal und vertikal unabhängig voneinander gewählt werden kann. Durch die Ausgestaltung des Sensorelements mit drei Spulen auf einem gemeinsamen Spulenkörper kann der Einfluss thermischer Einflüsse bzw. Veränderungen auf das Sensorelement und das Messergebnis effektiv unterdrückt werden, z. B. indem eine Veränderung der Positionierung der einzelnen Sensorbestandteile relativ zueinander verhindert wird.
Der Spulenträger kann (z. B. zur Anwendung im Hochtemperaturbereich) aus einer Keramik bestehen, z. B. aus der Keramik MACOR, wodurch z. B. zusammen mit keramikbeschichteten Cu-Ni-Spulendrähten eine Temperaturbeständigkeit von mindestens 600°C erreicht werden kann. Ganz allgemein kann vorgesehen sein, dass das Sensorelement aus temperaturbeständigen Materialien derart gefertigt ist, dass es auch erhöhten Temperaturen im Einsatzbereich ohne Kühlung standhält.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Spulenträger (z. B. zur Anwendung im Niedertemperaturbereich) aus einem Kunststoff besteht, z. B. aus Polyetheretherketon (PEEK).
Vorstehend wurde die Messanordnung mit Bezug auf ein einzelnes Sensorelement beschrieben. Wie bereits erläutert, kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Messanordnung mehrere derartige Sensorelemente aufweist. Jedes der Sensorelemente kann wie vorstehend mit Bezug auf das einzelne Sensorelement beschrieben ausgebildet, angeordnet und in die Messanordnung eingebunden sein. Demgemäß kann z. B. die Ausgestaltung jedes der Sensorelemente – z. B. die Ausgestaltung der drei Spulen jedes der Sensorelemente sowie deren Verschaltung und Anordnung relativ zueinander – wie vorstehend mit Bezug auf das einzelne Sensorelement beschrieben sein. Des Weiteren kann z. B. die Anordnung jedes der Sensorelemente relativ zu dem Behälter wie vorstehend mit Bezug auf das einzelne Sensorelement beschrieben sein.
Die Messanordnung kann zudem analog zu dem vorstehend mit Bezug auf ein einzelnes Sensorelement Erläuterten zum Beaufschlagen der Erregerspule jedes der Sensorelemente mit einem Erreger-Wechselstrom, zum Erfassen der Ausgangsspannung der gradiometrischen Empfängerspulen-Reihenschaltung jedes der Sensorelemente, zum Ermitteln des Inphase-Anteils und/oder des Ausphase-Anteils des Ausgangsspannungs-Signals jedes der Sensorelemente als Messgröße (z. B. zum Zerlegen des erfassten Ausgangsspannungs-Signals jedes der Sensorelemente in einen ersten Anteil in Phase zum Erregerstrom und einen zweiten Anteil aus Phase zum Erregerstrom), und zum Charakterisieren des Füllstatus basierend auf der erfassten Messgröße (d. h. basierend auf dem ersten und/oder dem zweiten Anteil der Ausgangsspannung) jedes der Sensorelemente ausgebildet sein.
Es kann vorgesehen sein, dass die Messanordnung mehrere Sensorelemente, die in einer horizontalen Ebene um den Behälter-Innenraum herum angeordnet sind, und/oder mehrere Sensorelemente, die seitlich des Behälter-Innenraums an unterschiedlichen Vertikalpositionen angeordnet sind, aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Messanordnung mehrere Sensorelemente auf, die in einer horizontalen Ebene um den Behälter-Innenraum herum angeordnet sind. Demgemäß weist die Messanordnung also mehrere Sensorelemente gemäß der vorstehenden Erläuterung auf, die in einer gemeinsamen horizontal verlaufenden Ebene angeordnet sind, wobei die Sensorelemente an unterschiedlichen Positionen bzw. Umfangspositionen seitlich des Behälter-Innenraums um den Behälter-Innenraum herum angeordnet sind. Es kann z. B. vorgesehen sein, dass die Messanordnung mehrere Sensorelemente aufweist, die in einer horizontalen Ebene um den Behälter herum angeordnet sind. Die Ausführung mit mehreren in einer gemeinsamen horizontalen Ebene angeordneten Sensorelementen ermöglicht z. B. eine horizontal ortsaufgelöste Messung. Dadurch kann z. B. ein ungleichmäßiger Füllstatus mit unterschiedlichen Füllständen bzw. Füllpegelständen an unterschiedlichen Position ermittelt werden, wodurch z. B. ein zweidimensionales Füllstandsprofil (bzw. ein zweidimensionales Profil der freien Oberfläche des Füllmaterials) ermittelt werden kann. Mittels der in einer horizontalen Ebene um den Behälter-Innenraum bzw. Behälter herum angeordneten Sensorelemente kann der Füllstand z. B. entlang des gesamten Umfangs des Behälters gemessen werden.
Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Messanordnung (z. B. mittels der Auswertevorrichtung) zum Erfassen der Ausgangsspannungs-Signale mehrerer in einer horizontalten Ebene angeordneter Sensorelemente, zum Ermitteln des Inphase-Anteils und/oder des Ausphase-Anteils des Ausgangsspannungs-Signals jedes der Sensorelemente als Messgröße (z. B. zum Zerlegen des Ausgangsspannungs-Signals jedes der Sensorelemente in einen ersten Anteil in Phase mit dem zugehörigen Erregerstrom und einen zweiten Anteil aus Phase zu dem zugehörigen Erregerstrom), sowie zum Ermitteln eines Füllstandprofils basierend auf der erfassten Messgröße (d. h. basierend auf dem ersten und/oder zweiten Anteil des Ausgangsspannungs-Signals) jedes der Sensorelemente ausgebildet ist.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann vorgesehen sein, dass die Messanordnung mehrere Sensorelemente aufweist, die seitlich des Behälter-Innenraums an unterschiedlichen Vertikalpositionen (d. h. an unterschiedlichen Positionen bezüglich der vertikalen Richtung) angeordnet sind. Demgemäß weist die Messanordnung also mehrere Sensorelemente gemäß der vorstehenden Erläuterung auf, die seitlich des Behälter-Innenraums an unterschiedlichen Vertikalpositionen angeordnet sind. Es kann z. B. vorgesehen sein, dass die Messanordnung mehrere Sensorelemente aufweist, die seitlich des Behälters an unterschiedlichen Vertikalpositionen angeordnet sind. Es kann z. B. vorgesehen sein, dass die Messanordnung mehrere Sensorelemente aufweist, die in einer vertikalen Ebene seitlich des Behälter-Innenraums (z. B. seitlich des Behälters) angeordnet sind, wobei z. B. mehrere Sensorelemente an unterschiedlichen Vertikalpositionen in der vertikalen Ebene angeordnet sein können.
Durch die Ausführung mit an unterschiedlichen Vertikalpositionen angeordneten Sensorelementen kann z. B. eine genaue Erfassung des Füllstandes über einen großen vertikalen Messbereich, z. B. über die gesamte Höhe des Behälters, unterstützt sein. Die Messanordnung kann (z. B. mittels der Auswertevorrichtung) z. B. derart ausgebildet sein, dass von ihr mittels eines Algorithmus anhand der einzelnen Sensorsignale das Sensorelement identifiziert wird, das sich am nächsten an der freien Oberfläche des Füllmaterials befindet, und dieses Sensorelement zur Ermittlung des Füllstandes herangezogen wird.
Es kann vorgesehen sein, dass die Messanordnung mehrere Sensorelemente derart aufweist, dass die Messanordnung mehrere horizontale Messebenen aufweist, wobei in jeder der Messebenen mehrere Sensorelemente um den Behälter-Innenraum (z. B. um den Behälter) herum angeordnet sind, und wobei die Messebenen unterschiedliche Vertikalpositionen aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Messanordnung mehrere Sensorelemente auf (die z. B. wie vorstehend beschrieben angeordnet sein können), wobei die Messanordnung zum Betreiben der mehreren Sensorelemente mittels Zeitmultiplex und/oder Frequenzmultiplex ausgebildet ist. Dadurch kann eine ungewollte gegenseitige Beeinflussung der Sensorelemente vermieden werden.
Beim Betreiben mittels Zeitmultiplex werden die einzelnen Sensorelemente nacheinander derart angesteuert, dass zu jeder Zeit nur ein einziges der Sensorelemente aktiv ist. Demgemäß ist die Messanordnung derart ausgebildet, dass von ihr zu jeder Zeit nur ein einziges der Sensorelemente mit einem Erreger-Wechselstrom beaufschlagt wird und die resultierende Empfänger-Ausgangsspannung erfasst und ausgewertet wird.
Beim Betreiben mittels Frequenzmultiplex werden unterschiedliche Sensorelemente mit Erreger-Wechselströmen mit unterschiedlichen Frequenzen angeregt. Demgemäß ist die Messanordnung derart ausgebildet, dass von ihr jedes der Sensorelemente mit einem Erreger-Wechselstrom mit einer anderen Frequenz beaufschlagt wird.
Bei Ausgestaltung der Messanordnung mit mehreren Sensorelementen kann die Messanordnung derart ausgebildet sein, dass von ihr (im Betrieb) eines der Sensorelemente mit einem Erreger-Wechselstrom beaufschlagt wird und zeitgleich an einem anderen der Sensorelemente die Empfänger-Ausgangsspannung erfasst und ausgewertet wird. Demgemäß kann die Messanordnung (z. B. in Kombination mit dem Betreiben mittels Zeitmultiplex und/oder Frequenzmultiplex) zum Charakterisieren des Füllstandes mittels Kreuzsignalen ausgebildet sein, wodurch sich z. B. zusätzliche Informationen über die Struktur der freien Oberfläche des Füllmaterials ermitteln lassen können. Insbesondere kann die Messanordnung derart ausgebildet sein, dass von ihr aus dem erfassten Ensemble an Messwerten die freie Oberfläche des Füllmaterials ermittelt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, hierbei zeigen schematisch:
1 ein Blockschaltbild einer Füllstand-Messanordnung gemäß einer Ausführungsform,
2 die Abhängigkeit des Inphase-Anteils U_M,R, des Ausphase-Anteils U_M,I, der Amplitude |U_M| und der Phase φ von der Füllhöhe, und
3 eine Schnittdarstellung eines Sensorelements.
1 zeigt eine Messanordnung 1 zum Ermitteln des Füllstandes eines in einem Behälter 3 aufgenommenen elektrisch leitfähigen Materials 5. Das elektrisch leitfähige Material 5 ist vorliegend eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit, als Beispiel eine Metallschmelze.
Die Messanordnung 1 weist ein Sensorelement 7 mit einer Erregerspule 9, zwei Empfängerspulen 11, 13 und einem Spulenträger 15 auf. Alle drei Spulen, d. h. die Erregerspule 7 und die beiden Empfängerspulen 11, 13, weisen eine gemeinsame Spulen-Zentralachse 17 auf. Die beiden Empfängerspulen 11 und 13 sind identisch zueinander ausgebildet und symmetrisch beidseitig der Erregerspule 9 angeordnet. Die beiden Empfängerspulen 11 und 13 sind unter Ausbildung einer gradiometrischen Empfängerspulen-Reihenschaltung 19 gegensinnig in Reihe verschaltet. Der Spulenträger 15 ist einteilig ausgeführt, wobei die Erregerspule 9 und die beiden Empfängerspulen 11, 13 sich koaxial auf dem gemeinsamen Spulenträger 15 befinden bzw. koaxial auf den gemeinsamen Spulenträger 15 gewickelt sind.
Der Behälter 3 weist einen Behälter-Innenraum 21 auf. Das Sensorelement 7 ist seitlich des Behälter-Innenraums 21, vorliegend außerhalb des Behälters 3 seitlich des Behälters 3, angeordnet. Das Sensorelement 7 ist derart angeordnet, dass die gemeinsame Spulen-Zentralachse 17 der drei Spulen 9, 11, 13 senkrecht zu der seitlichen Behälterwand 23 bzw. zu deren Außenfläche verläuft, sodass die Spulen-Zentralachse 17 mit der Flächennormale dieser Außenfläche zusammenfällt bzw. parallel zu derselben verläuft. Die z-Richtung des in den Figuren dargestellten xyz-Koordinatensystems verläuft lotrecht bzw. vertikal. Die seitliche Behälterwand 23 ist eine vertikal verlaufende Behälterwand, deren Innen- und Außenfläche durch parallel zueinander verlaufende, ebene Flächen mit einer parallel zu der y-Achse verlaufenden Flächennormale gebildet sind. Die Spulen-Zentralachse 17 verläuft horizontal und senkrecht zu der Behälterwand 23, wobei vorliegend die Spulen-Zentralachse 17 als Beispiel parallel zu der y-Richtung des in den Figuren dargestellten xyz-Koordinatensystems verläuft.
Die Messanordnung 1 weist eine Wechselstromquelle 25 zum Beaufschlagen der Erregerspule 9 mit einem elektrischen Wechselstrom auf, der auch als Erreger-Wechselstrom bezeichnet wird. Aufgrund des Erreger-Wechselstromes wird von der Erregerspule 9 ein Magnetfeld erzeugt, das auch als Primär-Magnetfeld oder Erregerfeld bezeichnet wird. Das von der Erregerspule 9 erzeugte Erregerfeld durchdringt (zumindest teilweise) den Behälter-Innenraum 21 und das darin aufgenommene Füllmaterial 5. Das zeitlich veränderliche Erregerfeld induziert in dem Füllmaterial 5 Wirbelströme, die wiederum ein weiteres Magnetfeld erzeugen, das auch als induziertes Magnetfeld oder Sekundär-Magnetfeld bezeichnet wird.
Das magnetische Gesamtfeld, das sich aus dem Erregerfeld und dem induzierten Magnetfeld zusammensetzt, durchsetzt die beiden Empfängerspulen 11, 13, wodurch in der Empfängerspulen-Reihenschaltung 19 eine elektrische Spannung induziert wird, die auch als Empfänger-Ausgangsspannung bezeichnet wird. Da die beiden Empfängerspulen 11, 13 identisch ausgebildet, gradiometrisch verschaltet und symmetrisch beidseitig der Erregerspule 9 angeordnet sind, heben sich die durch das Erregerfeld in den Empfängerspulen induzierten Spannungen gegenseitig auf. Die Empfänger-Ausgangsspannung geht somit allein auf die unterschiedliche Durchflutung der beiden Empfängerspulen 11, 13 durch das induzierte Magnetfeld zurück. Der zeitliche Verlauf der Empfänger-Ausgangsspannung definiert ein Ausgangsspannungs-Signal.
Die Messanordnung 1 ist zum Erfassen des Erregerstrom-Signals (das den zeitlichen Verlauf des Erreger-Wechselstroms beschreibt) und des Ausgangsspannungs-Signals, zum Zerlegen des Ausgangsspannungs-Signals in einen ersten Anteil ohne Phasenverschiebung zu dem Erregerstrom-Signal und einen zweiten Anteil mit einer Phasenverschiebung von 90° zu dem Erregerstrom-Signal, und zum Ermitteln des Füllstandes des leitfähigen Füllmaterials basierend darauf ausgebildet.
Zu diesem Zweck weist die Messanordnung 1 eine Strommessvorrichtung 27 und eine Auswertevorrichtung 29 auf, wobei die Strommessvorrichtung 27 auch Bestandteil der Auswertevorrichtung 29 sein kann. Die Strommessvorrichtung 27 ist zwischen die Wechselstromquelle 25 und die Erregerspule 9 geschaltet und zum Erfassen des Erreger-Wechselstromes ausgebildet. Von der Strommessvorrichtung 27 wird ein Erregerstrom-Signal generiert, das den zeitlichen Verlauf des Erreger-Wechselstromes beschreibt.
Die Auswertevorrichtung 29 weist einen Demodulator 31 und eine Ausgabevorrichtung 33 auf. Die Ausgabevorrichtung 33 kann z. B. als Anzeige bzw. Füllstandsanzeige ausgebildet sein. Der Demodulator 31 weist einen Analog-Digital-Wandler 35 und eine Rechenvorrichtung bzw. Recheneinheit 37 (z. B. in Form eines Computers) auf.
Der Demodulator 31 ist mit der Strommessvorrichtung 27 verbunden, indem der Analog-Digital-Wandler 35 mit der Strommessvorrichtung 27 verbunden ist. Der Demodulator 31 ist zudem mit der Empfängerspulen-Reihenschaltung 19 verbunden, indem der Analog-Digital-Wandler 35 mit der Empfängerspulen-Reihenschaltung 19 verbunden ist. Dem Demodulator 31 werden somit sowohl der Erreger-Wechselstrom (bzw. das Erregerstrom-Signal) als auch die Empfänger-Ausgangsspannung (bzw. das Ausgangsspannungs-Signal) zugeführt. Der Demodulator 31 ist zum Zerlegen der Empfänger-Ausgangsspannung in einen ersten Anteil U_M,R ohne Phasenverschiebung zu dem Erreger-Wechselstrom und einen zweiten Anteil U_M,I mit einer Phasenverschiebung von 90° zu dem Erreger-Wechselstrom ausgebildet. Der erste Anteil U_M,R wird auch als Realteil oder Inphase-Anteil bezeichnet. Der zweite Anteil U_M,I wird auch als Imaginärteil oder Ausphase-Anteil bezeichnet. Der Demodulator 31 ist vorliegend als Beispiel zum Ermitteln des Inphase-Anteils und des Ausphase-Anteils mittels Quadratur-Demodulation ausgebildet. Die Messanordnung 1 ist somit mittels des Demodulators 31 zum Ermitteln des Inphase-Anteils U_M,R und des Ausphase-Anteils U_M,I ausgebildet, wobei von diesen beiden Anteilen eine zweidimensionale Messgröße gebildet wird.
Zu diesem Zweck wird von dem Analog-Digital-Wandler 35 das Erregerstrom-Signal erfasst und unter Erzeugung eines digitalisierten Erregerstrom-Signals digitalisiert. Zudem wird von dem Analog-Digital-Wandler 35 das Ausgangsspannungs-Signal erfasst und unter Erzeugung eines digitalisierten Ausgangsspannungs-Signals digitalisiert. Die Rechenvorrichtung 37 ist basierend auf dem digitalisierten Erregerstrom-Signal und dem digitalisierten Ausgangsspannungs-Signal zum Ermitteln bzw. Berechnen des Inphase-Anteils U_M,R und des Ausphase-Anteils U_M,I mittels Quadratur-Demodulation ausgebildet. Basierend auf dem Inphase-Anteil U_M,R und dem Ausphase-Anteil U_M,I ist die Rechenvorrichtung 37 zudem zum Ermitteln bzw. Berechnen der Amplitude |U_M| der Empfänger-Ausgangsspannung gemäß Gleichung (5) und der Phase φ der Empfänger-Ausgangsspannung gemäß Gleichung (6) ausgebildet.
2 zeigt die Abhängigkeit der vier möglichen Messgrößen Inphase-Anteil U_M,R, Ausphase-Anteil U_M,I, Amplitude |U_M| und Phase φ von der Füllhöhe h für eine exemplarische Messanordnung. Wie aus 2 ersichtlich, folgen alle diese vier Messgrößen einer Sigmoidfunktion bzw. sind durch eine Sigmoidfunktion approximierbar, und können somit zum Ermitteln des Füllstandes bzw. der Füllhöhe h verwendet werden. Demgemäß ist die Rechenvorrichtung 37 zum Ermitteln des Füllstandes des Füllmaterials 5 in dem Behälter 3 basierend auf einer oder mehreren der vier Messgrößen Inphase-Anteil U_M,R, Ausphase-Anteil U_M,I, Amplitude |U_M| und Phase φ ausgebildet. Die Messanordnung 1 ist ferner zum Ausgeben des ermittelten Füllstandes via die Ausgabevorrichtung 33 ausgebildet, vorliegend als Beispiel zum Anzeigen des ermittelten Füllstandes auf der Anzeigevorrichtung 33.
3 zeigt eine Schnittdarstellung des Sensorelements 7 in einem parallel zur yz-Ebene und durch die Spulen-Zentralachse 17 verlaufenden Schnitt, wobei die Querschnitte der Spulen 9, 11, 13 als Rechtecke mit sich kreuzenden Diagonalen dargestellt sind.
Die drei Spulen 9, 11, 13 sind auf den gemeinsamen Spulenträger 15 gewickelt, wobei der Innenquerschnitt der Spulen 9, 11, 13 durch den Spulenträger 15 definiert ist. Vorliegend weist jede der Spulen 9, 11, 13 in einem Schnitt senkrecht zu der Spulen-Zentralachse 17 (bzw. in einem Schnitt parallel zu der xz-Ebene) einen rechteckförmigen Innenquerschnitt mit unterschiedlich langen Rechteckseiten auf, wobei die längeren Rechteckseiten aller drei Spulen 9, 11, 13 vertikal verlaufend parallel zur z-Richtung angeordnet sind und die kürzeren Rechteckseiten aller drei Spulen 9, 11, 13 horizontal verlaufend parallel zur x-Richtung angeordnet sind. Die Spulen-Zentralachse 17 verläuft durch die Mittelpunkte der rechteckförmigen Innenquerschnittsflächen der Spulen 9, 11, 13, sodass die Spulen 9, 11, 13 koaxial bezüglich der auch als Spulenachse bezeichneten Spulen-Zentralachse 17 sind. Vorliegend verläuft die (gedachte) Spulen-Zentralachse 17 als Beispiel durch eine zentral in dem Spulenträger 15 ausgebildete Durchgangsöffnung 40.
Der Innenquerschnitt der Erregerspule 9 weist sowohl entlang der z-Richtung als auch entlang der x-Richtung eine kleinere Abmessung bzw. Ausdehnung auf als der Innenquerschnitt der beiden Empfängerspulen 11, 13, sodass die Erregerspule 9 einen kleineren Innenquerschnitt bzw. eine kleinere Innenquerschnittsfläche aufweist als die beiden Empfängerspulen 11, 13. Der Außenquerschnitt der Erregerspule 9 weist sowohl entlang der z-Richtung als auch entlang der x-Richtung eine größere Abmessung bzw. Ausdehnung auf als der Außenquerschnitt der beiden Empfängerspulen 11, 13, sodass die Erregerspule 9 einen größeren Außenquerschnitt bzw. eine größere Außenquerschnittsfläche aufweist als die beiden Empfängerspulen 11, 13.
Zudem weist jede der beiden Empfängerspulen 11, 13 entlang der Spulen-Zentralachse 17 (d. h. entlang der y-Richtung) eine kleinere Ausdehnung auf als die Erregerspule 9.
Die Erregerspule 9 und die Empfängerspulen 11, 13 (bzw. deren Windungen) bestehen jeweils aus einem mit einer Keramik beschichteten Draht, vorliegend als Beispiel aus einem keramikbeschichteten Cu-Ni-Draht. Der Draht der Erregerspule 9 weist einen größeren Querschnitt auf als der Draht der Empfängerspulen 11, 13. Vorliegend weist als Beispiel der Draht der Erregerspule 9 einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 1 mm auf, und der Draht der Empfängerspulen 11, 13 weist einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 50 μm auf.
Indem der Draht der Empfängerspulen 11, 13 einen kleineren Querschnitt aufweist als der Draht der Erregerspule 9, können die Empfängerspulen 11, 13 – trotz ihrer gegenüber der Erregerspule 9 geringeren Abmessungen – mit einer größeren Windungszahl ausgebildet sein als die Erregerspule 9. Vorliegend weist als Beispiel die Erregerspule 67 Windungen auf, wohingegen jede der Empfängerspulen 2100 Windungen aufweist.
Der Spulenträger bzw. Grundkörper 15 besteht aus einer Keramik, vorliegend z. B. Beispiel aus einer MACOR-Keramik, wodurch z. B. zusammen mit den keramikbeschichteten Cu-Ni-Spulendrähten eine Temperaturbeständigkeit des Sensorelements 7 von mindestens 600°C erreicht werden kann.
Das Sensorelement 7 weist an seinem dem Behälter 5 abgewandten Längsende (d. h. an seinem weiter von dem Behälter 5 entfernten Längsende) einen Anschlussabschnitt 39 auf, der als Anschlusselement ausgebildet ist und zum elektrischen Kontaktieren des Sensorelements 7 dient.
Das Sensorelement 7 weist zwei Anschlussleitungen 41, 43 zum elektrischen Kontaktieren der Erregerspule 9 auf, die auch als Erregerspulen-Anschlussleitungen 41, 43 bezeichnet werden. Mittels der Erregerspulen-Anschlussleitungen 41, 43 wird die Erregerspule 9 mit dem Erreger-Wechselstrom beaufschlagt. Jede der beiden Erregerspulen-Anschlussleitungen 41, 43 ist durch eine in dem Grundkörper 15 ausgebildete Durchführöffnung 42, 44 hindurch von der Erregerspule 9 zu dem Anschlussabschnitt 39 geführt. Die erste Erregerspulen-Anschlussleitung 41 ist durch den Innenquerschnitt der anschlussseitigen Empfängerspule 11 hindurch verlaufend angeordnet, die zweite Erregerspulen-Anschlussleitung 43 ist außerhalb des Außenquerschnitts der anschlussseitigen Empfängerspule 11 verlaufend angeordnet.
Die beiden Erregerspulen-Anschlussleitungen 41, 43 sind parallel zu der Spulen-Zentralachse 17 verlaufend geführt, wobei die Anschlussleitung 41 durch die anschlussseitige Empfängerspule 11 geführt ist.
Die weiter von dem Anschlussabschnitt 39 entfernte (und somit näher an dem Behälter 5 angeordnete) anschlussferne Empfängerspule 13 weist zwei Anschlussleitungen 45, 47 auf, die von der anschlussfernen Empfängerspule 13 aus durch den Innenquerschnitt der Erregerspule 9 und durch den Innenquerschnitt der anschlussseitigen Empfängerspule 11 hindurch zu dem Anschlussabschnitt 39 geführt sind. Die beiden Anschlussleitungen 45, 47 der anschlussfernen Empfängerspule 13 sind dabei durch eine in dem Spulenträger 15 ausgebildete Durchführöffnung 48 hindurch von der anschlussfernen Empfängerspule 13 zu dem Anschlussabschnitt 39 geführt.
Die näher an dem Anschlussabschnitt 39 angeordnete (und somit weiter von dem Behälter 5 entfernte) anschlussseitige Empfängerspule 11 weist zwei Anschlussleitungen 49, 51 auf, die von der anschlussseitigen Empfängerspule 11 aus zu dem Anschlussabschnitt 39 geführt sind. Jede der beiden Anschlussleitungen 49, 51 ist durch eine in dem Grundkörper 15 ausgebildete Durchführöffnung 50, 52 hindurch von der anschlussseitigen Empfängerspule 11 zu dem Anschlussabschnitt 39 geführt.
An dem Anschlussabschnitt 39 sind die Anschlussleitung 47 der anschlussfernen Empfängerspule 13 und die Anschlussleitung 51 der anschlussseitigen Empfängerspule 11 unter Ausbildung der gradiometrischen Empfängerspulen-Reihenschaltung kontaktierend miteinander verbunden. Zwischen der Anschlussleitung 45 der anschlussfernen Empfängerspule 13 und der Anschlussleitung 49 der anschlussseitigen Empfängerspule 11 wird die Empfänger-Ausgangsspannung abgegriffen.
Es kann zudem vorgesehen sein (nicht dargestellt), dass die Messanordnung 1 mehrere Sensorelemente 7 aufweist. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Messanordnung 1 mehrere horizontale Messebenen aufweist, wobei in jeder der Messebenen mehrere Sensorelemente 7 um den Behälter 3 herum angeordnet sind, und wobei die Messebenen unterschiedliche Vertikalpositionen aufweisen. Die Messanordnung 1 kann zum Betreiben der mehreren Sensorelemente 7 mittels Zeitmultiplex und/oder Frequenzmultiplex ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Messanordnung 1 zum Generieren von Kreuzsignalen derart ausgebildet sein, dass von ihr (im Betrieb) eines der Sensorelemente 7 mit einem Erreger-Wechselstrom beaufschlagt wird und zeitgleich an einem anderen der Sensorelemente 7 die Empfänger-Ausgangsspannung erfasst und ausgewertet wird.
Bezugszeichenliste

1: Füllstand-Messanordnung/Messanordnung
3: Behälter
5: elektrisch leitfähiges Material/Füllmaterial
7: Sensorelement
9: Erregerspule
11: anschlussseitige, behälterabgewandte, erste Empfängerspule
13: anschlussferne, behälterzugewandte, zweite Empfängerspule
15: Spulenträger/Grundkörper
17: Spulen-Zentralachse/Spulenachse
19: Empfängerspulen-Reihenschaltung
21: Behälter-Innenraum
23: seitliche Behälterwand
25: Wechselstromquelle
27: Strommessvorrichtung
29: Auswertevorrichtung
31: Demodulator
33: Ausgabevorrichtung/Anzeigevorrichtung
35: Analog-Digital-Wandler
37: Rechenvorrichtung/Computer
39: Anschlussabschnitt/Anschlusselement
40: Durchgangsöffnung
41, 43: Anschlussleitungen der Erregerspule
42, 44: Durchführöffnungen für Erregerspulen-Anschlussleitungen
45, 47: Anschlussleitungen der behälterzugewandten Empfängerspule
48: Durchführöffnung für Anschlussleitungen der Empfängerspule 13
49, 51: Anschlussleitungen der behälterabgewandten Empfängerspule
50, 52: Durchführöffnungen für Anschlussleitungen der Empfängerspule 11

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 60033270 T2 [0002]

Claims

Anordnung (1) zum Charakterisieren des in einem Behälter (3) vorliegenden Füllstandes eines elektrisch leitfähigen Materials (5), aufweisend: – mindestens ein Sensorelement (7) mit einer Erregerspule (9) und zwei Empfängerspulen (11, 13) mit einer gemeinsamen Spulen-Zentralachse (17), wobei die beiden Empfängerspulen identisch zueinander ausgebildet sind, symmetrisch beidseitig der Erregerspule angeordnet sind, und unter Ausbildung einer Empfängerspulen-Reihenschaltung (19) gegensinnig in Reihe verschaltet sind, wobei der Behälter (3) einen Behälter-Innenraum (21) aufweist und das Sensorelement (7) seitlich des Behälter-Innenraumes (21) angeordnet ist, und – eine Vorrichtung (25) zum Beaufschlagen der Erregerspule (9) mit einem Wechselstrom, sodass von der Erregerspule ein Magnetfeld erzeugt wird, das in Abhängigkeit von dem Füllstand des elektrisch leitfähigen Materials (5) modifiziert wird, wobei das resultierende modifizierte Magnetfeld an der Empfängerspulen-Reihenschaltung (19) eine Ausgangsspannung hervorruft, – wobei die Anordnung zum Erfassen der Ausgangsspannung, zum Ermitteln des Anteils (U_M,R) der Ausgangsspannung ohne Phasenverschiebung zu dem Wechselstrom und/oder des Anteils (U_M,I) der Ausgangsspannung mit einer Phasenverschiebung von 90° zu dem Wechselstrom als Messgröße, und zum Charakterisieren des Füllstandes basierend auf der ermittelten Messgröße ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Sensorelement (7) mit senkrecht zu einer Behälterwand (23) des Behälters (3) verlaufender Spulen-Zentralachse (17) an oder in der Behälterwand (23) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anordnung eine Strommessvorrichtung (27) zum Erfassen des Wechselstromes und einen Demodulator (31) aufweist, wobei der Demodulator (31) mit der Strommessvorrichtung (27) und der Empfängerspulen-Reihenschaltung (19) verbunden ist, sodass von dem Demodulator (31) der Wechselstrom und die Ausgangsspannung erfassbar sind, und wobei der Demodulator (31) zum Ermitteln der Messgröße ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 3, wobei der Demodulator (31) einen Analog-Digital-Wandler (35) und eine Rechenvorrichtung (37) aufweist, wobei der Analog-Digital-Wandler (35) mit der Strommessvorrichtung (27) verbunden ist und zum Digitalisieren des Wechselstromes unter Erzeugung eines digitalisierten Erregerstrom-Signals ausgebildet ist, wobei der Analog-Digital-Wandler (35) mit der Empfängerspulen-Reihenschaltung (19) verbunden ist und zum Digitalisieren der Ausgangsspannung unter Erzeugung eines digitalisierten Ausgangsspannungs-Signals ausgebildet ist, und wobei die Rechenvorrichtung (37) zum Berechnen der Messgröße basierend auf dem digitalisierten Erregerstrom-Signal und dem digitalisierten Ausgangsspannungs-Signal ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 4, wobei die Rechenvorrichtung (37) zum Berechnen der Messgröße mittels Quadratur-Demodulation ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Erregerspule (9) einen anderen Innenquerschnitt und/oder einen anderen Außenquerschnitt aufweist als die beiden Empfängerspulen (11, 13).
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Sensorelement (7) eine erste (41) und eine zweite (43) Anschlussleitung zum elektrischen Kontaktieren der Erregerspule (9) aufweist, wobei die erste Anschlussleitung (41) durch den Innenquerschnitt einer (11) der beiden Empfängerspulen hindurch verlaufend angeordnet ist, und wobei die zweite Anschlussleitung (43) außerhalb des Außenquerschnitts derselben Empfängerspule (11) verlaufend angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Erregerspule (9) einen Draht mit einem ersten Querschnitt aufweist und die Empfängerspulen (11, 13) einen Draht mit einem zweiten Querschnitt aufweisen, wobei der zweite Querschnitt kleiner ist als der erste Querschnitt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei jede der beiden Empfängerspulen (11, 13) mehr Windungen aufweist als die Erregerspule (9).
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei jede der beiden Empfängerspulen (11, 13) entlang der Spulen-Zentralachse (17) eine geringere Ausdehnung aufweist als die Erregerspule (9).
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Erregerspule (9) und/oder die Empfängerspulen (11, 13) einen mit einer Keramik beschichteten Draht aufweisen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Sensorelement (7) einen Spulenträger (15) aufweist, wobei die Erregerspule (9) und die beiden Empfängerspulen (11, 13) auf den Spulenträger (15) gewickelt sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Anordnung mehrere Sensorelemente (7) aufweist, die in einer horizontalen Ebene um den Behälter-Innenraum (21) herum angeordnet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Anordnung mehrere Sensorelemente (7) aufweist, die an unterschiedlichen Vertikalpositionen angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Anordnung zum Betreiben der mehreren Sensorelemente (7) mittels Zeitmultiplex und/oder Frequenzmultiplex ausgebildet ist.