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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven Füllstandsgrenzschalters gemäß dem Anspruch 1.
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Füllstandsgrenzschalter werden in vielen Bereichen der Prozessmesstechnik eingesetzt um die Füllhöhe eines Mediums in Behältern (Tanks) grenzstandsmäßig zu erfassen.
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Grenzstandsschalter werden typischerweise außen am Behälter in der Höhe des zu überwachenden Grenzstandes angebracht. Übersteigt die Füllhöhe im Behälter den Grenzstand, so gibt der Füllstandsgrenzschalter ein Schaltsignal aus, das z. B. an eine Steuerung SPS weitergeleitet wird und z. B. die das Abschalten einer Pumpe auslöst.
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Beispielsweise gibt es Füllstandsgrenzschalter, die nach dem Schwingabelprinzip arbeiten. Hierfür ist eine Öffnung in der Behälterwand notwendig, was vom Anwender insbesondere aus Dichtungsgründen und Kostengründen meist nicht erwünscht ist.
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Es gibt auch Grenzstandsschalter, die durch die Behälterwand „hindurchsehen“ und die deshalb keine Öffnung in der Behälterwand benötigen. Hierzu zählen z. B. radiometrische Füllstandsgrenzschalter, die relativ teuer sind, die hohe Sicherheitsanforderungen haben und die nur für relativ große Behälter geeignet sind. Als weitere Grenzstandsschalter die durch eine Behälterwand hindurchsehen können sind kapazitive Füllstandsgrenzschalter zu nennen.
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Mit kapazitiven Füllstandsgrenzschalter können unter anderem auch leitfähige wässrige Lösungen detektiert werden.
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Problematisch bei dem bei kapazitiven Füllstandsgrenzschaltern verwendeten Meßprinzip sind immer leitfähige Anhaftungen auf der Innenseite des Tanks, die unter Umständen zu fehlerhaften Schaltsignalen führen.
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Aus der
DE 10 2005 057 558 ist ein kapazitiver Sensor zur berührungslosen Detektion des Füllstandes in einem nichtmetallischen Behälter bekannt. Dieser Sensor benötigt zwei relativ große Messelektroden, die in einem entsprechenden Abstand zueinander angebracht werden müssen, um eine entsprechende Tiefensensitivität zu erhalten. Das eingesetzte Pulsverfahren ist außerdem sehr empfindlich gegenüber HF-Störeinflüssen.
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Aus der
DE 10 2005 010 351 ist ein Sensor zur Abfrage von Füllstanden bekannt, der auf einem weiteren Meßprinzip nämlich dem Wirbestromprinzip basiert.
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Leitfähige Anhaftungen werden aufgrund des Meßprinzips erkannt, jedoch ist hierfür eine Mindestleitfähigkeit des Mediums von 50–500 mS/cm erforderlich.
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Aus der
DE 10 2010 001 605 ist ein weiterer kapazitiver Grenzstandschalter bekannt, der für Medien mit einer Leitfähigkeit bis ca. 16 mS/cm geeignet ist.
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In dieser Druckschrift ist ein Ersatzschaltbild für das Messverfahren angegeben. Das Ersatzschaltbild zeigt eine Serienschaltung von drei Impedanzen-Wandanteil, Mediumsanteil, Wandanteil- wobei der Mediumsanteil durch einen Parallelschaltung eines Widerstands und eines Kondensators symbolisiert ist und die beiden Wandanteile jeweils durch einen Kondensator.
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In dieser Druckschrift wie auch in vielen weiteren Druckschriften finden sich Angaben zum Frequenzbereich für die Impedanzmessungen. Um den Einfluß des Wandkapazität zu minimieren wird immer eine Arbeitsfrequenz empfohlen, die im Bereich der der charakteristische Frequenz f = 1/(2πRC) der Mediumsipedanz liegt, wobei R der Mediumswiderstand und C die Mediumskapazität ist. In diesem Frequenzbereich wird die Mediumsimpedanz entscheidend.
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Bei Mediumswiderständen im einstelligen Kilo-Ohm Bereich und typischen Mediumskapazitäten liegt die charakteristische Frequenz bei ca. 70–300 MHz. Für Medien mit einer erheblich größeren Leitfähigkeit wären bei diesem Verfahren Frequenzen im Giga-Hertzbereich erforderlich.
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Bei Flüssigkeiten mit mittleren Leitfähigkeiten z. B. NaCl mit 14 mS/cm kann zwischen voll und Anhaftungen aufgrund des ohmschen Widerstandes leicht unterschieden werden.
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Auch ist eine Unterscheidung zwischen den Zuständen voll und leer aufgrund des unterschiedlichen ohmschen Widerstands möglich.
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Bei hohen Leitfähigkeiten bis 800 mS/cm besteht jedoch die Problematik, dass zwischen den Zuständen voll und leer nicht mehr anhand des ohmschen Anteils der Gesamtimpedanz unterschieden werden kann.
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Hier wären aufgrund der sehr hohen charakteristsischen Frequenz extrem hohe Messfrequenzen erforderlich.
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Auch erlaubt der Stand der Technik keine Angabe zu dem genauen Wert des Gleichstromwiderstands der Anhaftung und damit über die Schichtdicke der Anhaftung.
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Neben der bereits erwähnten Problematik der leitfähigen Anhaftungen ist für eine sichere kapazitive Füllstandsdetektion notwendig, das Wandmaterial (nichtleitend) und die Wandstärke des Tanks zu berücksichtigen. In der Regel sind diese Größen nicht bekannt.
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Es ist auch ein kapazitive Füllstandsgrenzschalter (KI5082 der Fa. ifm electronic) bekannt, der eine Messelektrode mit einem Durchmesser von weniger als 30 mm aufweist.
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Weiterhin sind auch kapazitive Füllstandsgrenzschalter bekannt, die im Behälter, also mediumsberührend, eingesetzt werden. Diese erfordern eine definierte Einbauumgebung, die durch einen Einbaustutzen, einen sogenannten Prozessanschluss gewährleistet wird. Behälter mit einem Prozessanschluss sind teuer und bei bestehenden Behältern gar nicht oder nur sehr aufwendig realisierbar. Außerdem arbeiten diese Grenzschalter bei einer relativ hohen Frequenz.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven Füllstandsgrenzschalters anzugeben, das nur eine relativ kleine Elektrode erfordert, das nicht fehlanfällig auf leitfähige Anhaftungen ist, das auch für flüssige Medien mit einer hohen Leitfähigkeit einsetzbar ist, das auch für relativ dicke Behälterwände geeignet ist und das gegenüber HF-Störeinflüssen unempfindlich ist und das keine definierte Einbaubedingungen erfordert.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch das im Patentanspruch 1 angegebenen Verfahren.
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Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, in einem entsprechend niedrigen Frequenzbereich zu messen in dem die Impedanzen geradlinig verlaufen. Hierfür wird die Messfrequenz erheblich kleiner als die charakteristische Frequenz gewählt.
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In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung müssen zwei Bedingungen erfüllt sein: Zum einen muss der Realwertabstand zu einer Referenzgeraden entsprechend kleiner als ein erster vorgegebener Grenzwert sein und zum anderen muss der Betrag der Impedanz bei der Messfrequenz kleiner als ein zweiter vorgegebener Grenzwert sein.
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Die zwei Bedingung garantieren, dass eine leitfähige Anhaftung nicht als Zustand „Behälter voll“ erkannt wird und damit ein fehlerhaftes Schaltsignal generiert wird.
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In einer Weiterentwicklung der Erfindung wird der Realwertabstand dadurch bestimmt, dass die komplexe Impedanz bei mindestens zwei Frequenzen in einem Frequenzbereich gemessen wird, bei dem der Phasenwinkel wenig oder gar nicht variiert. Damit ergibt sich in der Impedanzebene (Realteil vs. Imaginärteil) eine geradlinige Frequenzabhängigkeit und der Geradenschnittpunkt mit der reellen Achse kann bestimmt werden. Dieser Schnittpunkt hängt von der Dicke und Leitfähigkeit der Anhaftung ab. Der Schnittpunkt entspricht im Wesentlichen dem Realwertabstand, solange die Referenzgerade durch den Ursprung geht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, werden der erste und der zweite Grenzwert, die als Schaltpunkte fungieren, bei einem Vollabgleich, bei dem der Behälter mit dem Medium gefüllt ist und/oder einem Leerabgleich, bei dem der Behälter leer ist, oder bei einem Behälter mit einer typischen Anhaftung gewonnen.
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Die Messfrequenz liegt typischerweise im Bereich von 100 kHz–3 MHz. Damit ist das Verfahren einfach durchführbar und HF-Einflüsse spielen eine untergeordnete Rolle. Bei Frequnzen kleiner 100 kHz ist jedoch insbesondere im Realteil der Impedanz ein erhöhtes Rauschen zu erwarten Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 Blockdiagramm einer Schaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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2 Verlauf der Impedanz für drei unterschiedliche Anhaftungsschichtdicken als Funktion der Frequenz mit einem Geradenfit in einem Frequenzbereich in dem die Impedanz eine Gerade darstellt.
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In 3 Wert des reellen Wertes des Geradenfitschnittpunktes bei einer Wandstärke von 1 mm (best case)
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In 4 Wert des reellen Wertes des Geradenfitschnittpunktes bei einer Wandstärke von 10 mm (worst case)
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5 Ersatzschaltbild der Messanordnung gemäß 1
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6 schematisches Nyquist Diagramm zum Ersatzschaltbild gemäß 5
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7 schematische Darstellung der Unterscheidbarkeit Anhaftung und voll bei unterschiedlichen Leitfähigkeiten des Mediums und unterschiedlichen Wandstärken des Behälters.
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In 1 ist ein Blockdiagramm einer Schaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Ein Mikrocontroller µC steuert die Messung. Eine Sinussignalquelle (100 kHz–1 MHz) generiert ein Spannungssignal von typischerweise zwischen 1.8–5. Volt, das auf eine Messelektrode gegeben wird. Der entsprechende Elektrodenstrom, der über Erde fließt, wird ermittelt und in einem I/U-Wandler in eine Messspannung umgewandelt. In einem Mischer wird die 0° und die 90° Komponente des Messsignals ermittelt und über einen Tiefpass, der die doppelte Sendefrequenz unterdrückt und einem Buffer für die Ansteuerung des ADC Eingangs, dem Mikrocontroller µC zugeführt.
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Im Mikrocontroller µC findet die Auswertung und Bewertung des Messergebnisses statt. Über ein Schaltsignal wird eine Endstufe angesteuert. Die Endstufe dient zur Übertragung des Schaltsignals an eine externe Einheit, z. B. eine Steuerung (SPS).
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In 2 ist die komplexe Impedanz mit x-Achse Realteil Re(Z) und y-Achse Im(Z) als Funktion der Frequenz für unterschiedliche Stärken d = 0.1, 0.2 und 0.3 mm der Anhaftungsschicht dargestellt.
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Zusätzlich sind die Impedanzwerte Z(f) für einen vollen Behälter „Voll“ und einen leeren Behälter „Leer“ dargestellt. Die Werte stammen aus einer Simulationsrechnung, wobei die Leitfähigkeit des wässrigen Mediums bei 800 mS/cm lag und der Durchmesser der Elektrode 24 mm betrug.
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Je nach Stärke der Anhaftungsschicht ändert sich der Phasenwinkel der komplexen Impedanz in einem bestimmten Frequenzbereich nur unmerklich, so dass man in diesem Bereich einen geraden Kurvenverlauf sieht.
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Bei einer Schichtdicke d = 0.1 mm erstreckt sich der Frequenzbereich für den linearen Verlauf von 100 kHz bis 228 kHz, bei einer Schichtdicke von 0.3 mm von 100 kHz bis 785 kHz.
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Der Realwertabstand R0 (Gleichstromwiderstand) zwischen den jeweiligen Geraden g1, g2 bzw. g3 und der Referenzgeraden gV ist ein Maß für die Schichtdicke der Anhaftung.
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Bei einer Frequenz von 151 kHz sind die jeweiligen Messpunkte B, C, D, E eingezeichnet. Der Realwertabstand R0 entspricht der Strecke BC, BD bzw. BE.
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Die beiden Geraden gL und gV unterscheiden sich nur wenig, so dass man auch den Realwertabstand R0 zu der Geraden gL bilden könnte, hier müsste man dann den entsprechenden Punkt A´ (dem Referenzwert) auf der Geraden gV durch Interpolation ermitteln.
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Die Beträge der Impedanzen ZB(151kHz), ZC(151kHz), ZD(151kHz) und ZE(151kHz) sind alle kleiner als der Betrag der Impedanz ZA(151 kHz) (dem Leerwert), d.h. |Z(151kHz)| < ZA(151 kHz) = SPZ(151 kHz). Diese Bedingung ist notwendig aber nicht hinreichend. Durch ein weiteres Kriterium R0 < SPR0 können die Fälle von Anhaftungen ausgeschlossen werden. Hier wird nur ein Messwert benötigt. Das Verfahren ist deshalb entsprechend schnell.
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Alternativ kann man den Realwertabstand R0 auch über einen Geradenfit und Bestimmung des Schnittpunkts R0(d) der Gerade mit der x-Achse bestimmen. Für den Geradenfit werden die Impedanzwerte bei mindestens zwei Frequenzen benötigt. Mit mehr Werten kann die Unsicherheit bei dem Geradenfit verringert werden.
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Mit wachsender Schichtdicke wird R0 kleiner. Um Anhaftungen ausschließen zu können wird der Grenzwert SPR0 relativ klein gewählt. Dieses Kriterium reicht aber noch nicht aus, da mit diesem Kriterium alleine noch nicht zwischen Behälter voll bzw. Behälter leer unterschieden werden kann.
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Deshalb wird ein zweites Kriterium herangezogen, um noch zwischen diesen beiden Fällen unterscheiden zu können. Der Betrag der Impedanz muss kleiner sein als ein Grenzwert SPZ(f1). Ein Schaltsignal wird vom Mikrocontroller nur generiert, wenn die beiden folgenden Bedingungen erfüllt sind R0 < SPR0 und |Z(f1)| < SPZ(f1)
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In 3 ist der Schnittpunkt mit der reellen Achse R0 als Funktion der Anhaftungsschichtdicke d R0_1mm (d) bei einer Wandstärke der Behälterwand von 1mm aufgetragen. Die Leitfähigkeit beträgt 800 mS/cm. Der Hub ist bei einer kleineren Leitfähigkeit höher.
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In 4 ist der Schnittpunkt mit der reellen Achse R0 als Funktion der Anhaftungsschichtdicke d R0_10mm (d) bei einer Wandstärke der Tankwand von 10 mm aufgetragen. Die Leitfähigkeit beträgt 800 mS/cm. Der Hub ist bei einer kleineren Leitfähigkeit höher.
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Bei einer Wandstärke von 10 mm ist der Signalhub ∆R0 zwischen Behälter voll (100 mm) und einer 0.1 mm Anhaftungsschicht erheblich geringer.
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In einer Weiterentwicklung der Erfindung, können die Grenzwerte SPZ(f1) und SPR0 bei einem Einlernschritt (Teach-Vorgang) eingelernt werden. Der Anwender wählt am Bedienmenü des Füllstandsgrenzschalters den Punkt Teach aus und sorgt für die entsprechenden Bedingungen. Behälter voll bzw. Behälter leer oder Behälter mit Anhaftung. Die entsprechenden Messgrößen werden erfasst und die Grenzwerte aus diesen ermittelt. Für die Bestimmung des Grenzwerts SPR0 werden mindestens zwei Messfrequenzen f1 und f2 benötigt, um über eine Ausgleichsgerade, den benötigten Punkt mit dem geleichen Imaginärteil bestimmen zu können. Die Erfindung erlaubt die Verwendung von relativ kleinen Elektroden (< 30 mm Durchmesser). Die sichere Detektion des leitfähigen Mediums ist auch bei der Gefahr von Anhaftungen möglich.
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Zur Messung des Impedanzwerts Z(f), der zur Ermittlung des Realwertabstandes R0 bzw. zur Ermittlung des Betrages |Z(f)| erforderlich ist, werden relativ niedrige Frequenzen eingesetzt 100 kHz-1 MHZ. HF-Störeinflüsse (> 5 MHz) sind deshalb unbedenklich und aufwendige Abschirmmaßnahmen auch nicht erforderlich.
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Die Messung kann ohne genaue Kenntnis der elektrischen Eigenschaften des Mediums und der Behälterwand ausgeführt werden.
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Das Verfahren ist für einen breiten Leitfähigkeitsbereich von 0,5mS/cm (Leitungswasser) bis 800 mS/cm geeignet.
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Das Verfahren kann auch eingesetzt werden um einen Alarm zu erzeugen, wenn die Anhaftungsschichtdicke einen Grenzwert übersteigt.
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5 zeigt ein idealisiertes Ersatzschaltbild der Messanordnung gemäß 1
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Die Wandeigenschaft wird durch ein CPE Element (constant phase element) QW repräsentiert, das Medium durch eine Parallelschaltung eines CPE Elements QM und einem Widerstand R0. Je nach Wandmaterial ist der Verlustwinkel des CPE-Elements größer oder kleiner. Wässrige Medien zeigen häufig keine größeren Verluste und stellen deshalb eine reine Kapazität dar. Im vorstehenden/nachstehenden Text werden die Bezeichnungen CM und QM quasi synonym verwendet. Gleiches gilt für QW und CW. Die Impedanz berechnet sich in bekannter Weise Z = 1/(Q(iωα) mit α = 1 für eine reine Kapazität.
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6 zeigt ein schematisches Nyquist Diagramm zum Ersatzschaltbild gemäß 5 alle bisherigen Messverfahren zur Bestimmung eines Füllstands in einem Behälter arbeiten im Frequenzbereich nahe des Maximums des Halbkreises, d.h. bei der charakteristischen Frequenz des Systems. Bei der vorliegenden Erfindung erfolgt die Füllstandsmessung bei Frequenzen die im linearen Bereich des Nyquist-Diagramms liegen. Durch lineare Extrapolation des niederfrequenten Anteils kann direkt der Gleichstromwiderstand R0 der Anhaftung ermittelt werden. Bei Medien mit einer hohen Leitfähigkeit d.h. R0 ≈ 0 ist das Element QM quasi überbrückt und die Messung wird von QW dominiert. Beim leeren Tank ist R0 quasi ∞ und man misst ein Serienschaltung von QW und QM.
Folgende Werte sollen als Anhaltspunkte dienen:
Wässriges Medium mit Leitfähigkeit 5mS/cm
Werte im Anhaftungsfall (Schichtdicke 0,5mm) CW = 7,9pF, CM = 7,6pF, R0 = 638 Ohm
Werte bei Voll CW = 7,9pF, CM = 55pF, R0 = 28 Ohm
Für hochleitfähige Medien
Elektrodenradius: 12mm
Wanddicke: 2mm
Schichtdicke: 0,1mm
Bei Schwefelsäure mit 800mS/cm: 20 Ohm
Bei KCl mit 212mS/cm: 75 Ohm
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Im Leerzustand ist die Mediumsimpedanz QM wesentlich kleiner als die Wandimpedanz QW und die Mediumsimpedanz QM (Luft) dominiert die gemessene Impedanz.
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Im Vollzustand ist aufgrund der geringen Medienimpedanz ZM der Wandanteil QW in der Gesamtimpedanz dominant, das ermöglicht eine zusätzliche Unterscheidung zwischen voll und leer auch bei sehr hohen Leitfähigkeiten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bietet neben den bereits erwähnten Vorteilen zusammenfassend folgende Vorteile. Sichere Erkennung von Anhaftungen, insbesondere hochleitfähige Medien bis 800 mS/cm können sicher detektiert werden. Auch diese Medien erfordern keine hohen Messfrequenzen, die zu HF-Störungen führen würden. 7 zeigt eine 6 Sigma-Linie für Unterscheidung zwischen Anhaftung und voll. Dabei wurde ein Messrauschen berücksichtig. Bei einem Behälter aus POM und relativ kleinen Wandstaärken 1–2 mm der Behälterwand können Leitfähige Medien bis 10^2.7 mS/cm noch sicher detektiert werden.
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Für den Fall, dass ein voller Behälter als Referenzzustand dient, können auch Anhaftungen mit einer großen Schichtdicke sicher erkannt werden, weil der Schwellwert für die Anhaftungserkennung relativ nahe zu dem Vollwert gelegt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005057558 [0008]
- DE 102005010351 [0009]
- DE 102010001605 [0011]
