DE102017128166A1

DE102017128166A1 - Anordnung zur Abfrage eines kritischen Füllstandes oder eines Grenzstandes in einem Tank

Info

Publication number: DE102017128166A1
Application number: DE102017128166.5A
Authority: DE
Inventors: Rolf Fensterle
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2016-11-30
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2018-05-30
Also published as: DE102016223759B3

Abstract

Anordnung zur Abfrage eines Grenzstandes in einem Tank 4 mit einem kapazitiven Grenzstandschalter 2 in einem langgestreckten Gehäuse mit drei Messelektroden 1, die in den beiden Endbereichen und im Mittenbereich des langgestreckten Gehäuses vorgesehen sind, wobei die Messelektroden 1 über einen Multiplexer MUX mit einer Auswerteeinheit µC verbunden sind, ein Funk-Kommunikationsmodul 3 und eine Batterie 8 vorhanden ist, das langgestreckte Gehäuse des kapazitiven Grenzstandschalters 2 senkrecht an der Außenwand des Tanks 4 anzubringen ist, wobei die Grenzstandschalter 2 über ein Mobiltelefon 7 aus einem Ruhezustand aktivierbar ist, wobei nach Aktivierung der Auswerteeinheit µC der Bedeckungszustand der Messelektroden 1 über den Multiplexer MUX zeitlich nacheinander abgefragt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Abfrage eines kritischen Füllstandes oder eines Grenzstandes von elektrisch nicht leitenden Schüttgütern oder Flüssigkeiten in einem Tank gemäß Patentanspruch 1.
Kapazitive Füllstandsmessgeräte sind als binäre Grenzstandschalter, aber auch als digitale Messwertaufnehmer mit einer Anzahl von übereinander angeordneten Messfeldern bekannt. Diese Geräte können sowohl binäre als auch analoge Prozesswerte ausgeben. Sie werden auch von der Anmelderin hergestellt und als Baureihe LK vertrieben.
Neben eintauchenden Messgeräten, die natürlich eine höhere Messgenauigkeit bieten, sind auch Geräte bekannt, die durch eine nicht leitende Behälterwand hindurch messen können. Grenzstandschalter dieser Art werden auch von der Anmelderin hergestellt und in verschiedenen Bauformen auf den Markt gebracht. Für eine Füllstandsdetektion durch eine nichtleitende Behälterwand eignen sich insbesondere die Bauformen KQ5 und KQ6, die neben dem binären Schaltausgang auch eine IO-Link-Schnittstelle aufweisen, welche eine serielle, bidirektionale Punkt-zu-Punkt-Kommunikation ermöglicht. Bei einer derartigen Messanordnung ist ein Abgleich vor Ort, d. h. im montierten Zustand zwingend erforderlich, weil die Behälterwand eine erhebliche Vorbedämpfung darstellt und somit ein Offset-Signal erzeugt, das die voreingestellte Schaltschwelle unter Umständen übersteigen kann. Außerdem ist der Signalhub zwischen „Medium detektiert“ und „Leer“ vom Medium selbst, insbesondere von dessen Permittivität abhängig.
Besonders problematisch wird es, wenn nicht nur Grenzstände, sondern auch Füllstände gemessen werden soll, insbesondere dann, wenn das Medium oder das Schüttgut einen stark schwankende Wasseranteil aufweist, und / oder Reinigungsflüssigkeiten eingefüllt worden sind.
DE 199 01 814 A1 beschreibt einen Niveauschalter zur Bestimmung des Füllstandes in einem geschlossenen Behälter, wobei mindestens ein Transponder-Niveauschalter an der Innenseite und ein gemeinsamer Signalempfänger an der Außenseite angeordnet ist.
Als nachteilig wird der direkte Medienkontakt der Transponder-Niveauschalter und die Kommunikation durch die Behälterwand hindurch angesehen.
Die US 2010 / 0 215 511 A1 beschreibt ein Sensorsystem zur Steuerung einer Pumpe mit von einer zentralen Batterie versorgten Sensormodulen (LSM), die mit einem Befehlsmodul (BCM) 22 über Sendeempfänger (Transceiver) verbunden sind.
Als nachteilig wird der Verdrahtungsaufwand für die zentarale Stromversorgung angesehen.
Die DE 198 39 000 A1 offenbart ein Verfahren und eine Anordnung zur Überwachung und Messung und von Füllständen mit einer batteriebetriebenen Anordnung, die eine Mehrzahl von unabhängigen Sensoren aufweist, welche auf bzw. an der Tankwand befestigt sind. Das elektronische Messsignal wird zur einem Füllstandssignal verarbeitet und über per Funk an eine Auswerte- und Anzeigeeinheit übertragen.
Als nachteilig wird angesehen, dass die Sensoren mechanisch und elektrisch miteinander verbunden sind, so dass deren Einsatz bei unterschiedlichen, insbesondere sehr großen Tanks aufwändig ist, weil die Sensoren an die Tankgröße angepasst werden müssen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine flexiblere, insbesondere für unterschiedlich große Tanks geeignete Anordnung zur Grenzstandmessung anzugeben, die eine Montage an der äußeren Behälterwand erlaubt, und mit wenig Arbeitsaufwand in Betrieb genommen werden kann. Außerdem soll sie weniger empfindlich gegenüber Medienanhaftungen sein
Die Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.
Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, mindestens einen batteriebetriebenen Grenzstandschalter in der zu überwachende kritische Füllhöhe (Grenzstand) an der Außenwand des Tanks oder sonstigen Behälters zu montieren, und dessen Prozesswerte drahtlos über ein Funk- Kommunikationsmodul, z. B. Bluetooth, abzufragen, wobei der kapazitive Grenzstandschalter in einem langgestreckten Gehäuse untergebracht ist, und mindestens drei Messelektroden aufweist, die in den beiden Endbereichen und im Mittenbereich seines langgestreckten Gehäuses vorgesehen sind, wobei die Messelektroden über eine Multiplexer MUX mit einer Auswerteeinheit µC verbunden sind.
Der Grenzstandschalter soll über ein Mobiltelefon aus einem Ruhezustand aktivierbar sein, wobei nach seiner Aktivierung die Bedeckung seiner Messelektroden zeitversetzt über eine Multiplexeransteuerung MUX mittels eines Grenzstandsauswerteverfahrens bestimmt wird, und die Messwerte (Prozesswerte) über das drahtlose Kommunikationsmodul übertragen werden.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht zum einen darin, dass die von der Behälterwand hervorgerufenen Offsetwerte durch die Gradientenauswertung entfallen, da sich die Behälterwand auf alle drei Sensoren (Elektroden) gleichermaßen auswirkt. Zum anderen ist durch Interpolation in gewissen Grenzen auch eine kontinuierliche Angabe des Füllstandes möglich.
Durch Hinzufügen weiterer baugleicher Grenzstandschalter entsteht ein Baukastensystem, bei dem erfindungsgemäß Grenzstandschalter mit drei Messelektroden und einem binären Schaltausgang zum Einsatz kommen, wobei die Messwerte der kapazitiven Grenzstandschalter über die drahtlosen Kommunikationsmodule zu einem als Master fungierenden Grenzstandschalter übertragen werden, der den kritischen Füllstand (Grenzstand) entweder selbst bestimmt, oder die dazu benötigten Messwerte über eine weitere drahtlose Schnittstelle zunächst zu dem o. g. Mobiltelefon und weiter in eine Cloud-Datei überträgt (hochlädt).
Durch Interpolation und Differenzbildung kann daraus ein binärer Füllstandsmesswert (Grenzstand) erzeugt werden, wobei sowohl der Einfluss der Behälterwand als auch Anhaftungen kaum eine Rolle spielen, weil sie durch die Gradientenauswertung oder eine Differenzbildung eliminiert werden.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.

1 zeigt schematisch einen Tank mit zwei Grenzstandschalter und einem Mobiltelefon,
2 zeigt die Anordnung der Sensoren gemäß 1 und ein Beispiel für die Prozesswerte,
3 zeigt die obige Anordnung in isometrischer Darstellung nebst Mobiltelefon und Cloud.

Die 1 zeigt zwei übereinander an der Außenwand eines mit einem Medium 5 gefüllten Tank 4 angeordnete erfindungsgemäße Grenzstandschalter 2 mit drei Messelektroden 1. Eine geringere Anzahl von Messelektroden wäre auch möglich, wobei jedoch mindestens zwei Messwerte (Sensoren) für eine Gradientenbildung benötigt werden. Für die gewählte Art der Auswertung sind jedoch drei als Sensoren wirkende Messelektroden zweckmäßig. Die bei sinkendem Füllstand an der Tankwand verbleibenden Anhaftungen sind hier mit 6 bezeichnet.
Eine mit µC bezeichnete Auswerteinheit beaufschlagt die jeweiligen Messelektroden 1 und ein weiteres RC-Glied mit einem hochfrequenten Signal, und bewertet die kapazitätsbedingte Verzögerungszeit der beiden Tiefpässe. Die Darstellung ist grob vereinfacht und beschränkt sich auf die zum Verständnis absolut notwendigen Baugruppen.
Lediglich die mit MUX bezeichneten, als Umschalter wirkenden Multiplexer sind dargestellt, wobei die Erfindung jedoch nicht auf das angedeutete Messverfahren beschränkt werden soll, sondern übliche Messverfahren zur kapazitiven Füllstandsmessung umfassen kann.
Die Prozesswerte der zu den jeweiligen Messelektroden 1 gehörenden Grenzstandschalter 2 gelangen über ein Bluetooth-Kommunikationsmodul 3 (Bluetooth-Schnittstelle), zum Beispiel einem Bluetooth-Modul RN4020-V/RM120 der Fa. Microchip zu einem benachbarten, auch mit 2 bezeichneten Grenzstandschalter 2, insbesondere zu dem oberen, der hier eine Masterfunktion übernimmt, wobei darauf hingewiesen wird, dass alle Grenzstandschalter 2 baugleich sind, so dass jeder diese Funktion übernehmen kann.
Dieser Master ist über eine drahtlose bidirektionale Kommunikationsschnittstelle mit einem Mobiltelefon 7 verbunden, womit die Daten angezeigt, weitergeleitet oder als Messwerte in eine Cloud-Datei übertragen werden können, ohne die Erfindung darauf zu beschränken.
Die Anordnung kann nach einer Inbetriebnahme (Start) auch ohne das Mobiltelefon 7 weiter betrieben werden. Insbesondere kann ein weiterer Grenzstandschalter 2 die Prozesswerte sämtlicher oder einer Gruppe von Grenzstandschaltern auswerten, ein digitales oder binäres Füllstandssignal erzeugen und über einen binären Schaltausgang 9 ausgeben.
Um die Batterie 8 zu schonen, kann einer der Grenzstandschalter 2 optional mit einer hier nicht dargestellten Stromversorgung verbunden sein.
Bei der Verarbeitung wird vorzugsweise eine Interpolation der Prozesswerte, zum Beispiel eine Spline-Interpolation, durchgeführt, wobei die Geometrie und die Anordnung der Messelektroden 1 zu berücksichtigen ist. Der maximale Gradient gibt den Ort der größten Prozesswertänderung und somit den tatsächlichen Füllstand an.
In einer anderen und einfacheren Ausgestaltung können die Prozesswerte normiert und punktweise voneinander abgezogen werden. Die Differenzen werden miteinander verglichen, und so benachbarte, Messelektroden 1 mit dem größten Differenzwert ermittelt.
Nach einer abschließenden Interpolation anhand der benachbarten Prozesswerte wird ein Füllstandsmesswert (Niveau) bestimmt, und als analoges, digitales oder binäres Signal zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt, vom Mobiltelefon 7 angezeigt oder in die Cloud geladen.
Die 2 zeigt ein Detail der oben beschriebenen Anordnung mit deren Prozesswerten als Beispiel. Wie man sieht, tritt an der Grenzfläche ein besonders deutlicher Gradient auf.
Auf der rechten Seite wurde der Füllstand als Funktion der Prozesswerte aufgetragen.
Die Darstellung wurde so gewählt, dass die Grenzfläche des Mediums und damit auch der zu bestimmende Füllstand X auf einer der Messelektrode 1 eines Grenzstandschalters 2 liegt. In diesem Fall wird dessen Sensorfläche als Messintervall gewählt, und nur die benachbarte Messelektrode 1 zur Interpolation verwendet.
Die Anhaftungen 6 spielen hier praktisch keine Rolle, da ihre Differenzen deutlich kleiner sind als die an der Mediengrenze. Eine Kalibrierung ist in diesem Fall nicht erforderlich.
Es sei nochmals erwähnt, dass die Grenzstandschalter 2 in einer vorteilhaften Ausgestaltung alle baugleich sind, um beispielsweise die Lagerhaltung zu vereinfachen.
Die 3 zeigt einen auf einer Palette befindlichen Tank mit zwei erfindungsgemäßen Grenzstandschaltern 2 in einem langgestreckten, stabförmigen Gehäuse, so dass deren hier nicht sichtbare Messelektroden 1 in Bezug auf das Medium übereinander angeordnet sind.
Die Grenzstandschalter 2 sind in einem langgestreckten Gehäuse mit einer typischen Grundfläche von 20 cm x 1 cm untergebracht. Sie besitzen mindestens drei Messelektroden 1, die in den beiden äußeren Endbereichen und im Mittenbereich des Gehäuses angeordnet sind. Diese sind über einen Multiplexer MUX mit einer Auswerteeinheit µC verbunden.
Die Grenzstandschalter 2 weisen ein Funk-Kommunikationsmodul 3, eine Batterie 8, sowie optional einen binären Schaltausgang 9 auf, über den ein binäres Schaltsignal ausgegeben werden kann, was über eine drahtgebundene Schnittstelle erfolgt, wobei diese Schnittstelle auch die Stromversorgung des Grenzstandschalters 2 übernehmen kann.
Damit die Messelektroden 1 bezüglich des Medium übereinander liegen, ist das langgestreckt Gehäuse senkrecht an der Außenwand des Tanks angzubringen. Hierzu kann eine Hilfsvorrichtung in Form einer Libelle oder etwas gleichwirkendes vorgesehen sein.
Die Grenzstandschalter 2 sind über ein Mobiltelefon 7 aus einem Ruhezustand aktivierbar, wobei nach Aktivierung der zugehörigen Auswerteeinheit µC der Bedeckungsgrad der Messelektroden 1 über den Multiplexer MUX zeitlich nacheinander abgefragt wird, woraus . dann ein Füllstand oder Grenzstand bestimmt wird.
Die Erfindung kann bereits mit einem einzigen Grenzstandschalter 2 verwirklicht werden, wobei jedoch mindestens ein zweiter für den oberen bzw. untern Grenzstand von Vorteil ist.
Die Bedeckungsgrade der Messelektroden, also deren Mess- oder Prozesswerte werden über das jeweilige Funk-Kommunikationsmodul 3 übertragen, wobei mindestens einer der Grenzstandschalter 2 die Messwerte sämtlicher Grenzstandschalter 2 auswertet, daraus ein binäres oder digitales Füllstandssignal erzeugt und über das Funk-Kommunikationsmodul 3 an ein Mobiltelefon 7 überträgt.
Bezugszeichenliste

1: Messelektrode, Sensor eines kapazitiver Grenzstandschalters
2: Kapazitiver Grenzstandschalter mit einem Bluetooth-Kommunikationsmodul 3
3: Funk-Kommunikationsmodul, jede Art von drahtlosen Kommunikationsmodulen
4: Tank
5: Medium
6: Anhaftung
7: Mobiltelefon mit einem Funk-Kommunikationsmodul 3
8: Batterie
9: Binärer Schaltausgang
10: Datenspeicher (Cloud)

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

DE 19901814 A1 [0005]
DE 19839000 A1 [0009]

Claims

Anordnung zur Abfrage eines Grenzstandes in einem Tank (4) mit einem kapazitiven Grenzstandschalter (2) in einem langgestreckten Gehäuse mit drei Messelektroden (1), die in den beiden Endbereichen und im Mittenbereich des langgestreckten Gehäuses vorgesehen sind, wobei die Messelektroden (1) über einen Multiplexer MUX mit einer Auswerteeinheit µC verbunden sind, ein Funk-Kommunikationsmodul (3) und eine Batterie (8) vorhanden ist, das langgestreckte Gehäuse des kapazitiven Grenzstandschalters (2) senkrecht an der Außenwand des Tanks (4) anzubringen ist, wobei der Grenzstandschalter (2) über ein Mobiltelefon (7) aus einem Ruhezustand aktivierbar ist, wobei nach Aktivierung der Auswerteeinheit µC der Bedeckungsgrad der Messelektroden (1) über den Multiplexer MUX abgefragt wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse des Grenzstandschalters (2) eine Grundfläche von 20 cm x 1 cm aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der ermittelten Bedeckung der einzelnen Messelektroden (1) ein Füll- oder Grenzstand bestimmt wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Grenzstandschalter (2) einen binären Schaltausgang (9) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass über den Schaltausgang (9) eines kapazitiven Grenzstandschalters (2) ein binäres Schaltsignal ausgegeben wird, was über eine drahtgebundene Schnittstelle erfolgt, wobei diese Schnittstelle die Stromversorgung des Grenzstandschalters (2) übernimmt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer kapazitiver Grenzstandschalter (2) vorhanden ist, dessen Messwerte über das zugehörige Funk-Kommunikationsmodul (3) übertragen werden, mindestens einer der Grenzstandschalter (2) die Messwerte sämtlicher Grenzstandschalter (2) auswertet und daraus ein binäres oder digitales Füllstandssignal erzeugt und über das Funk-Kommunikationsmodul (3) an ein Mobiltelefon (7) überträgt.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass alle Grenzstandschalter (2) baugleich sind.