DE102017128420A1

DE102017128420A1 - Verfahren zur Prozessüberwachung

Info

Publication number: DE102017128420A1
Application number: DE102017128420.6A
Authority: DE
Inventors: Armin Wernet; Kaj Uppenkamp; Raphael Kuhnen
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2019-06-06
Also published as: WO2019105657A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Vorrichtung zur kapazitiven Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums, umfassend folgende Verfahrensschritte:
- Beaufschlagen einer Sondenelektrode mit einem elektrischen Anregesignal in Form eines Dreiecksignals,
- Empfangen eines elektrischen Empfangssignals von der Sondenelektrode,
- Ermitteln einer Messkapazität und/oder eines Medien-/Ansatz-Widerstands der Sondenelektrode zumindest anhand des Empfangssignals, und
- Bestimmen eines Zustandsindikators anhand der Messkapazität und/oder des Medien-Ansatz-Widerstands.
Ebenso betrifft die vorliegende Erfindung eine zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Vorrichtung zur kapazitiven Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße zumindest eines Mediums in einem Behältnis. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um einen Füllstand des Mediums in dem Behälter, um die elektrische Leitfähigkeit des Mediums oder auch um die Permittivität des Mediums. Im Falle einer Füllstandsmessung kann es sich sowohl um eine kontinuierliche Füllstandsbestimmung als auch um das Erkennen eines vorgebbaren Grenzstands handeln. Bei dem Behältnis handelt es sich wiederum beispielsweise um einen Behälter oder um eine Rohrleitung.
Auf dem kapazitiven Messprinzip beruhende Feldgeräte sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt und werden von der Anmelderin in vielen unterschiedlichen Ausgestaltungen hergestellt und beispielsweise unter den Bezeichnungen Liquicap, Solicap oder Liquipoint vertrieben. Kapazitive Füllstandsmessgeräte weisen in der Regel eine im Wesentlichen zylindrische Sensoreinheit mit zumindest einer Sensorelektrode auf, welche zumindest teilweise in einen Behälter einbringbar ist. Einerseits sind, insbesondere zur kontinuierlichen Füllstandsmessung, vertikal in den Behälter hineinreichende stabförmige Sensoreinheiten weitverbreitet. Zur Erkennung eines Grenzstandes sind jedoch auch in die Seitenwandung eines jeweiligen Behälters einbringbare Sensoreinheiten bekannt geworden.
Während des Messbetriebs wird die Sensoreinheit mit einem Anregesignal, in der Regel in Form eines Wechselstromsignals, beaufschlagt. Aus dem von der Sensoreinheit empfangenen Antwortsignal kann anschließend der Füllstand bestimmt werden. Dieser ist abhängig von der Kapazität des von der Sensorelektrode und der Wandung des Behälters, oder des von der Sensorelektrode und einer zweiten Elektrode gebildeten Kondensators. Je nach Leitfähigkeit des Mediums bildet entweder das Medium selbst oder eine Isolierung der Sensorelektrode das Dielektrikum dieses Kondensators.
Zur Auswertung des von der Sensoreinheit empfangenen Antwortsignals in Bezug auf den Füllstand kann entweder die sogenannte Scheinstrommessung oder auch die Admittanzmessung durchgeführt werden. Bei einer Scheinstrommessung wird der Betrag des durch die Sensoreinheit fließenden Scheinstroms gemessen. Da der Scheinstrom jedoch an sich einen Wirk- und einem Blindanteil aufweist, wird im Falle einer Admittanzmessung neben dem Scheinstrom der Phasenwinkel zwischen dem Scheinstrom und der an der Sensoreinheit anliegenden Spannung gemessen. Die zusätzliche Bestimmung des Phasenwinkels erlaubt es darüber hinaus, Aussagen über eine mögliche Ansatzbildung zu treffen, wie beispielsweise aus der DE102004008125A1 bekannt geworden ist.
Zur Wahl der Frequenz des Anregesignals sind verschiedene Faktoren zu berücksichtigen. Zum einen gilt, dass die Frequenz der angelegten Wechselspannung auf Grund von Resonanzeffekten umso geringer zu wählen ist, je länger die Sensoreinheit ausgestaltet ist. Auf der anderen Seite verringert sich jedoch grundsätzlich für alle Sensoreinheiten der Einfluss einer Ansatzbildung, insbesondere Ansatz aus einem leitfähigen Medium, mit zunehmender Frequenz. Hinzu kommen unter anderem noch Einflüsse der elektrischen Leitfähigkeit des jeweiligen Mediums.
Ein wohlbekanntes Problem im Zusammenhang mit kapazitiven Feldgeräten ist die Bildung von Ansatz im Bereich der Sensoreinheit, welcher die jeweiligen Messergebnisse deutlich verfälschen kann. Zur Vermeidung von Ansatz kann einerseits eine möglichst hohe Frequenz für das Anregesignal gewählt werden, da grundsätzlich der verfälschende Einfluss eines Ansatzes mit zunehmender Frequenz des Anregesignals abnimmt. Eine Elektronik eines entsprechenden Feldgeräts für hohe Frequenzen passend auszulegen, ist jedoch einerseits mit einem erhöhten Grad an Komplexität verbunden. Darüber hinaus ist der zusätzliche Kostenfaktor für die jeweils benötigten Komponenten nicht vernachlässigbar.
Alternativ ist es bekannt geworden, eine Zusatzelektrode, insbesondere eine sogenannte Guardelektrode, wie beispielsweise in der DE3212434C2 beschrieben, zu verwenden. Die Guardelektrode ist dabei koaxial um die jeweilige Sensorelektrode angeordnet und von dieser durch eine Isolierung elektrisch getrennt. Sie liegt ferner auf dem gleichen Potential wie die Sensorelektrode. Der Zugewinn an Messgenauigkeit durch eine zusätzliche Guardelektrode hängt jedoch einerseits von der Dicke einer Ansatzschicht, sowie von der Leitfähigkeit des Ansatzes ab. Insbesondere bei leitfähigen Ansätzen dominieren für niedrigere Frequenzen des Anregesignals resistive Komponenten des Ansatzes die anhand des Empfangssignals ermittelte hochohmige Messimpedanz, anhand derer üblicherweise die jeweilige Prozessgröße bestimmt wird. Außerdem wird die Wirkung der Guardelektrode durch die vergleichsweise hohe Impedanz einer Isolationskapazität der jeweiligen Messsonde beschränkt. Es kann also durch die Guardelektrode im Prinzip keine konstante Messgenauigkeit unabhängig vom jeweiligen Medium und dessen Tendenz zur Bildung von Ansatz erreicht werden, sofern auf hohe Frequenzen für das Anregesignal verzichtet werden soll.
Eine weitere Möglichkeit, die kapazitive Bestimmung einer Prozessgröße möglichst unabhängig vom jeweiligen Medium, und insbesondere unabhängig von der jeweiligen Ansatzverträglichkeit durchführen zu können, ist aus der bisher unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 102017115516.3 bekannt geworden. Aus dem von der Sondenelektrode erhaltenen Empfangssignal wird eine Messkapazität oder eine Messkapazität und ein Ansatz-/Medienwiderstand ermittelt und die jeweilige Prozessgröße zumindest anhand des Wertes für die Messkapazität bestimmt. Auf die genannte Anmeldung wird im Kontext der vorliegenden Erfindung vollumfänglich Bezug genommen.
Eine weitere Problematik betrifft die Abhängigkeiten unterschiedlicher Prozessgrößen voneinander. Beispielsweise ist der Füllstand des Mediums abhängig von den elektrischen Eigenschaften des jeweiligen Mediums. Um eine unabhängige Prozessgrößenbestimmung mit einem einzigen Messgerät zu ermöglichen, sind aus den Dokumenten DE102011004807A1 , DE102013102055A1 oder DE102014107927A1 sogenannte Multisensoren bekannt geworden, bei welchen mittels eines einzigen Messgeräts sowohl eine kapazitive als auch eine konduktive Bestimmung einer Messgröße möglich ist. Mittels eines derartigen Multisensors können neben dem Füllstand verschiedene medienspezifische Eigenschaften, wie die elektrische Leitfähigkeit des Mediums, oder auch um eine dielektrische Eigenschaft des Mediums, wie beispielsweise dessen Dielektrizitätskonstante, bestimmt werden, wie in der DE102013104781A1 beschrieben.
Es wäre wünschenswert, wenn auch für eine rein kapazitive Messung ein erweiterter Anwendungsbereich des jeweiligen Messgeräts abgedeckt werden könnte.
Deshalb liegt der vorliegenden Erfindung, ausgehend von dem genannten Stand der Technik, Aufgabe zugrunde, den Einsatzbereich einer kapazitiven Messsonde zu erweitern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1, sowie durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 13.
Bezüglich des Verfahren wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Vorrichtung zur kapazitiven Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße zumindest eines Mediums in einem Behältnis, umfassend folgende Verfahrensschritte:

- Beaufschlagen einer Sondenelektrode mit einem elektrischen Anregesignal in Form eines Dreiecksignals,
- Empfangen eines elektrischen Empfangssignals von der Sondenelektrode,
- Ermitteln einer Messkapazität und/oder eines Medien-/Ansatz-Widerstands der Sondenelektrode zumindest anhand des Empfangssignals, und
- Bestimmen eines Zustandsindikators anhand der Messkapazität und/oder des Medien-Ansatz-Widerstands.

Anhand des jeweils gewählten Zustandsindikators kann ein in dem jeweiligen Behältnis ablaufender Prozess überwacht werden. Der Prozess kann auf ein einziges Medium gerichtet sein, beispielsweise eine Befüllung oder Entleerung des jeweiligen Behältnisses, oder auf mehrere Medien, beispielsweise eine Durchmischung zumindest zweier Medien.
Die Sondenelektrode eines kapazitiven Füllstandsmessgeräts wird erfindungsgemäß durch die Messkapazität und den Medien-/Ansatzwiderstand beschrieben. Bei einer üblichen Scheinstrommessung oder Admittanzmessung wird die jeweilige Prozessgröße anhand des Empfangssignals, welches die Form eines Wechselstroms aufweist, ermittelt. Erfindungsgemäß wird die jeweilige Prozessgröße dagegen anhand der Messkapazität und/oder anhand des Medien-/Ansatz-Widerstands ermittelt. Durch dieses Vorgehen ergeben sich mehrere Vorteile: Beispielsweise ist ein Einfluss von im Bereich der Sondenelektrode vorhandenem Ansatz auf die Messkapazität vernachlässigbar. Somit können Einflüsse durch das Vorhandensein eines Ansatzes eliminiert bzw. minimiert werden. Dies führt insbesondere zu einer deutlich verbesserten Messgenauigkeit unabhängig vom jeweiligen Medium.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei auf alle Arten von Messsonden, welche sich für das kapazitive Messverfahren eignen, angewendet werden. Die Messsonde kann sowohl über eine einzige Sondenelektrode verfügen, wobei eine Wandung des Behälters eine zweite Elektrode darstellt, oder auch über zumindest zwei Elektroden. Im letzteren Falle kann es sich bei einer der weiteren Elektroden beispielsweise um eine Guardelektrode handeln.
Die Messkapazität spiegelt die Kapazität zwischen der Sondenelektrode und einer weiteren Elektrode oder der Wandung des Behälters wieder. Diese Messkapazität ist also im Prinzip die von der jeweiligen Prozessgröße abhängige Größe. Der Medien-/Ansatz-Widerstand umfasst wiederum ohmsche Beiträge des Mediums und ggf. Beiträge eines Ansatzes, sofern vorhanden. Im Falle, dass die Sondenelektrode nicht mit Medium bedeckt ist, ist die Sondenelektrode entweder von Luft umgeben, wenn kein Ansatz vorhanden ist. Ansonsten umgibt die Sondenelektrode eine aus Medienresten gebildete Ansatzschicht gefolgt von Luft und der Medien-/Ansatz-Widerstands setzt sich aus diesen zwei Komponenten zusammen. Im Falle, dass die Sondenelektrode dagegen im Wesentlichen vollständig vom jeweiligen Medium bedeckt ist, spielt ein Beitrag durch den Ansatz üblicherweise keine Rolle, da die Messsonde ohnehin mit dem Medium bedeckt ist.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet, dass die Messkapazität und/oder der Ansatz-/Medienwiderstand anhand einer Ersatzschaltung der Sondenelektrode umfassend zumindest eine Parallelschaltung der Messkapazität und des Medien-/Ansatz-Widerstands ermittelt wird. Anhand des Ersatzschaltbildes können dann beispielsweise Bestimmungsgleichungen für die Messkapazität und/oder den Ansatz-Medienwiderstand ermittelt werden. Bevorzugt hängt eine Bestimmungsgleichung zur Bestimmung der Messkapazität nicht vom Ansatz-/Medienwiderstand ab und umgekehrt.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass anhand des Medien-/Ansatz-Widerstands eine Leitfähigkeit des Mediums ermittelt wird.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass anhand der Messkapazität eine Permittivität, bzw. eine Dielektrizitätskonstante, des Mediums ermittelt wird.
Noch eine besonders bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet wiederum, einen Bedeckungsgrad, bzw. eine Bedeckung, zumindest der Sondenelektrode zu ermitteln. Der Bedeckungsgrad ist dabei definiert als das Verhältnis eines von der Sondenelektrode abgreifbaren Stroms und eines an einer Guardelektrode des jeweiligen Messgeräts abgreifbaren Stroms.
Anhand der Leitfähigkeit des Mediums, der Permittivität des Mediums, oder der Bedeckung der Sondenelektrode, oder anhand eines zeitlichen Verlaufs zumindest einer der genannten Größen kann vorteilhaft eine Aussage über einen jeweils ablaufenden Prozess gemacht werden, bzw. der jeweilige Prozess, welcher in dem Behälter stattfindet, überwacht werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht so über die Ermittlung eines Wertes einer relevanten Prozessgröße hinaus eine umfassende Prozessüberwachung.
Es versteht sich von selbst, dass auch weitere Prozessparameter, wie beispielsweise die Temperatur oder der Druck des Mediums in dem Behälter, ermittelt und zur Überwachung des Prozesses herangezogen, können.
Indem erfindungsgemäß ein Anregesignal in Form eines Dreiecksignals gewählt wird, setzt sich vorteilhaft das Empfangssignal aus zwei Teilsignalen zusammen: einem dreieckförmigen Anteil, dessen Steigung proportional zum Kehrwert des ohmschen Ansatz-/Medien-Widerstands ist, und einem rechteckförmigen Anteil, welcher proportional zur Messkapazität ist. Bevorzugt handelt es sich bei dem Anregesignal um eine elektrische Spannung und bei dem Empfangssignal um einen elektrischen Strom.
Es ist entsprechend von Vorteil, wenn der Medien-/Ansatz-Widerstand anhand einer Steigung des Empfangssignals in einem vorgebbaren Zeitintervall zu ermitteln.
Es ist ebenso von Vorteil, wenn die Messkapazität anhand des Empfangssignals zu einem Zeitpunkt eines Nulldurchgangs Anregesignals ermittelt wird.
Vorteilhaft können auf diese Weise die Messkapazität und der Medien-/Ansatz-Widerstand auf besonders einfache Art und Weise und insbesondere unabhängig voneinander bestimmt werden.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass ein Füllstand des Mediums in dem Behältnis bestimmt und/oder überwacht wird. Beispielsweise kann ermittelt werden, ob ein vorgebbarer Füllstand des Mediums in dem Behälter erreicht ist. Die Zustandsüberwachung wird in diesem Falle beispielsweise dann ausgeführt, wenn der vorgebbare Füllstand erreicht ist. Bei dem vorgebbaren Füllstand handelt es sich beispielsweise um einen Füllstand, welcher einer vorgebbaren Bedeckung der Sondenelektrode durch das Medium, vorzugsweise einer vollständigen Bedeckung der Sondenelektrode durch das Medium, entspricht. Alternativ kann ebenfalls ermittelt werden, ob die Sondenelektrode zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig durch einen dünnen Film des zumindest einen Mediums bedeckt ist. Es wird also beispielsweise ermittelt, ob ein Rückstand des Mediums im Bereich der Sondenelektrode vorhanden ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung lassen sich verschiedenste Zustandsindikatoren zur Prozessüberwachung definieren. Der jeweilige Zustandsindikator hängt dabei entscheidend vom jeweiligen Prozess, insbesondere vom jeweiligen Medium ab. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit sind im Folgenden einige mögliche, bevorzugte Zustandsindikatoren genannt. Bezüglich der Überwachung eines Prozesses sei ferner auf die bisher unveröffentlichte deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen verwiesen, auf welche im Rahmen der vorliegenden Erfindung ebenfalls vollständig Bezug genommen wird. Auch wenn sich die dort beschriebene Lehre an vielen Stellen auf einen Multisensor, wie er in der Beschreibungseinleitung bereits erwähnt wurde, bezieht, lassen sich die dort beschriebenen Ausführungen mutatis mutandis auch auf eine erfindungsgemäße rein kapazitive arbeitende Vorrichtung übertragen.
Bei dem Zustandsindikator handelt es sich erfindungsgemäß bevorzugt um eine Aussage über einen Ansatz in zumindest in einem Teilbereich der Sondenelektrode.
Weiterhin kann es sich bei dem Zustandsindikator um eine Aussage über einen Prozess handelt, in welchem die Vorrichtung eingesetzt wird. Bei dem Prozess wiederum handelt es sich bevorzugt um die Durchmischung von zumindest zwei Medien, die Einhaltung einer Rezeptur, oder einen Reinigungsprozess.
Im Falle einer Durchmischung zumindest zweier Medien handelt es sich insbesondere um einen Mischvorgang zumindest eines ersten und eines zweiten Mediums. Hierbei kann beispielsweise überwacht werden, ob die zumindest zwei Medien im Wesentlichen homogen gemischt sind, oder ob ein vorgebbaren Mengenverhältnisses zumindest des ersten und des zweiten Mediums in dem Behältnis eingehalten wird.
Im Falle, dass die Einhaltung einer Rezeptur überwacht wird, kann insbesondere eine Aussage darüber getroffen werden, ob alle Medien korrekt und in der richtigen Menge und/oder zum richtigen Zeitpunkt zugefügt wurden.
Im Falle eines in dem Behältnis stattfindenden Reinigungsprozesses wiederum ist es von Vorteil, wenn anhand einer Änderung der elektrischen Leitfähigkeit, der Permittivität und/oder der Bedeckung erkannt wird, wie weit der Reinigungsprozess fortgeschritten ist, oder ob nach Abschluss des Reinigungsprozesses Rückstände des zumindest einen Mediums in dem Behältnis verblieben sind.
Eine derartige Zustandsüberwachung wird bevorzugt für eine bestimmte Anwendung spezifiziert und die jeweiligen Zustandsindikatoren gezielt auf den jeweiligen Prozess angepasst. Es können insbesondere gewollte und ungewollte Medienwechsel, oder Veränderungen des sich jeweils in dem Behältnis befindlichen Mediums festgestellt werden.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Vorrichtung zur kapazitiven Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße zumindest eines Mediums in einem Behältnis umfassend

- eine Sensoreinheit mit zumindest einer Sondenelektrode, und
- eine Elektronikeinheit, welche Elektronikeinheit dazu ausgestaltet ist, zumindest ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen.

In einer Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst die Sensoreinheit zumindest zwei Elektroden. Beispielweise kann es sich um eine Vorrichtung mit zwei Sondenelektroden, oder mit einer Sondenelektrode und einer Masseelektrode handeln.
Eine weitere Ausgestaltung beinhaltet, dass es sich bei einer der Elektroden um eine Guardelektrode handelt.
Es sei darauf verwiesen, dass die in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Ausgestaltungen sich mutatis mutandis auch auf die erfindungsgemäße Vorrichtung anwenden lassen und umgekehrt.
Die Erfindung wird nun anhand der nachfolgenden Figuren 1 bis 5 genauer beschrieben. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines kapazitiven Füllstandsmessgeräts gemäß Stand der Technik,
2 ein exemplarisches elektrisches Ersatzschaltbild zur Beschreibung der Sondenelektrode anhand der Messkapazität und anhand des Medien-/Ansatz-Widerstands,
3 eine schematische Darstellung des Anregesignals und des aus zwei Teilsignalen zusammengesetzten Empfangssignal zur Illustrierung der Bestimmung der Messkapazität und des Medien-/Ansatz-Widerstands,
4: eine schematische Darstellung zur Überwachung der Durchmischung zweier Medium mittels einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
5: eine schematische Darstellung zur Überwachung eines Reinigungsprozesses in einem Behälter mittels einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In 1 ist eine schematische Zeichnung eines typischen auf dem kapazitiven Messprinzip beruhenden Feldgeräts 1 gemäß Stand der Technik gezeigt. Das Beispiel zeigt eine Sensoreinheit 2 mit zwei zylinderförmig ausgestalteten Elektroden 5, 6, welche von der über einen Prozessanschluss 3a von der Oberseite ausgehend in einen teilweise mit Medium 4 gefüllten Behälter 3 hineinragt. Es versteht sich jedoch von selbst, dass zahlreiche Ausgestaltungen für ein kapazitives Messgerät mit unterschiedlicher Anzahl von Elektroden bekannt sind, welche allesamt unter die vorliegende Erfindung fallen. Neben solchen Messgeräten, bei welchen die Sensoreinheit 2, wie in 1 dargestellt, von oben in den Behälter hineinragen, ist die vorliegende Erfindung auch auf frontbündige Sensoreinheiten, welche im Wesentlichen mit der Bewandung des Behälters 3 abschließen oder solche Sensoreinheiten 3, welche über eine Seitenwandung des Behälters 3 in diesen eingebracht werden, anwendbar.
Die Sensoreinheit 2 selbst setzt sich im vorliegenden Beispiel aus einer Sondenelektrode 5 und einer die Sensorelektrode 5 koaxial umgebenden und von dieser isolierten Guardelektrode 6 zusammen. Beide Elektroden 5,6 sind elektrisch mit einer Elektronikeinheit 7 verbunden, welche zur Signalerfassung, -auswertung und/oder -speisung verantwortlich ist. Insbesondere bestimmt und/oder überwacht die Elektronikeinheit 7 anhand des von der Sensoreinheit 2 empfangenen Antwortsignals den Füllstand des Mediums 4 im Behälter 3. Eine zusätzliche Guardelektrode 6 ist für die Zwecke der vorliegenden Erfindung jeweils keineswegs notwendig.
Zur Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße wird zumindest die Sondenelektrode 5 mit einem Anregesignal A beaufschlagt und die Prozessgröße wird anhand des von der Sondenelektrode 5 empfangenen Empfangssignals E ermittelt, welches üblicherweise die Form eines Wechselstroms hat. Die Guardelektrode 6 wird dabei bevorzugt, wie beispielsweise in der DE 32 12 434 C2 beschrieben, auf dem gleichen Potential wie die Sensorelektrode 5 betrieben.
Nun ist es so, dass unabhängig von der Verwendung einer Guardelektrode 6 verschiedene Komponenten zum Empfangssignal E beitragen und nicht nur die Komponente des durch die Sondenelektrode 5 und eine Wandung des Behälters 3 oder eine zweite Elektrode gebildeten Kondensators, welcher u.a. vom Füllstand des Mediums 4 im Behälter 3 abhängt. Vielmehr spielen auch ohmsche Widerstände und zahlreiche weitere Einflüsse eine Rolle. So trägt beispielsweise auch ein sich zumindest im Bereich der Sondenelektrode 5 bildender Ansatz zum Empfangssignal E bei, was zu einer Verringerung der Messgenauigkeit führen kann. Im schlimmsten Falle kann beispielsweise ein Füllstand des Mediums 4 im Behälter 3 nicht mehr zuverlässig bestimmt und/oder überwacht werden.
Erfindungsgemäß wird nun nicht das Empfangssignals E, selbst weiterverarbeitet, sondern die Messkapazität Cmess und/oder der Medien-/Ansatz-Widerstand R_M,A zur Ermittlung eines Zustandsindikators weiterverarbeitet. In einem elektrischen Ersatzschaltbild kann die Sondenelektrode 5 beispielweise durch eine Parallelschaltung aus der Messkapazität Cmess und dem Medien-/Ansatz-Widerstand R_M,A dargestellt werden, wie in 2 gezeigt. Es sei darauf verwiesen, dass es sich bei dem gezeigten Ersatzschaltbild lediglich um ein mögliches Beispiel handelt. Viele weitere Möglichkeiten sind denkbar und fallen ebenfalls unter die vorliegende Erfindung.
Die Messkapazität Cmess ist ein Maß für die Kapazität zwischen der Sondenelektrode 5 und einer weiteren Elektrode oder der Wandung des Behälters 3. Ohm'schen Einflüsse des Mediums 4 bzw. eine möglicherweise vorhandenen Ansatzschicht im Bereich der Sondenelektrode 5 tragen dagegen zum Medien-/Ansatz-Widerstand R_M,A bei. Im Falle, dass die Sondenelektrode 5 nicht mit Medium 4 bedeckt ist, ist die Sondenelektrode 5 entweder von Luft umgeben, wenn kein Ansatz vorhanden ist. Ansonsten umgibt die Sondenelektrode 5 eine aus Medienresten gebildete Ansatzschicht gefolgt von Luft und der Medien-/Ansatz-Widerstand R_M,A setzt sich aus diesen zwei Komponenten zusammen. Im Falle, dass die Sondenelektrode 5 dagegen im Wesentlichen vollständig vom jeweiligen Medium 4 bedeckt ist, spielt ein Beitrag durch den Ansatz üblicherweise keine Rolle, da die Sondenelektrode 5 ohnehin mit dem Medium 4 bedeckt ist. Vorteilhaft ist der wechselseitige Einfluss der Kapazität zwischen der Sondenelektrode 5 und einer weiteren Elektrode oder der Wandung des Behälters 3 und der ohm'schen Einflüsse des Mediums 4 bzw. einer möglicherweise vorhandenen Ansatzschicht im Bereich der Sondenelektrode 5 gering, sodass die Messkapazität Cmess und der Medien-/Ansatz-Widerstand R_M,A ohne Weiteres getrennt voneinander betrachtet werden können.
Zur Bestimmung der Messkapazität Cmess und/oder des Medien-/Ansatzwiderstands R_M,A sind ebenfalls viele verschiedene Möglichkeiten denkbar, welche allesamt unter die vorliegende Erfindung fallen. Erfindungsgemäß wird die Sensoreinheit 3, bzw. die Sondenelektrode 5 mit einem Anregesignal A₁ in Form eines Dreiecksignals beaufschlagt, und ein Empfangssignal E₁ empfangen. Das Empfangssignal E₁ setzt sich dann vorteilhaft aus zwei Teilsignalen zusammen: einem dreieckförmigen Anteil E_1R , dessen Steigung proportional zum Kehrwert des ohmschen Ansatz-/Medien-Widerstands R_M,A ist, und einem rechteckförmigen Anteil E_1C , welcher proportional zur Messkapazität Cmess ist.
Gemäß des in 2 gezeigten Ersatzschaltbildes ist bei einem Anregesignal A₁ in Form einer Spannung A₁=U(t) das Empfangssignal E₁ ein Stromsignal E₁=I(t). Das durch den Ansatz-/Medien-Widerstand R_M,A fließende Teilsignal gegeben durch E_1R=I(t)=U(t)/ R_M,A , und das durch die Messkapazität Cmess fließende Teilsignal durch E_1C=S*dU(t)/dt. Diese Zusammenhänge sind anhand von 3 illustriert.
3 zeigt das dreieckförmige Anregesignal A₁ , das erste Teilsignal E_1R sowie die Summe des ersten E_1R und zweiten Teilsignals E_1C des Empfangssignals E₁ , jeweils als Funktion der Zeit t. Bei dem zweiten, durch die Messkapazität Cmess fließenden Teilsignal E_1C handelt es sich um ein Rechtecksignal, welches proportional zur Messkapazität Cmess ist. Somit kann, beispielsweise im Nulldurchgang des Anregesignals A₁ die Messkapazität Cmess unabhängig vom Ansatz-/Medien-Widerstand R_M,A bestimmt werden. Letzterer lässt sich beispielsweise aus der Steigung des überlagerten dreieckförmigen Anteils E_1R ermitteln.
Aus der Messkapazität Cmess und dem Ansatz-/Medien-Widerstand R_M,A lassen sich wiederum beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit σ des Mediums 4 sowie die Permittivität ε des Mediums 4 ermitteln und zur Durchführung einer Zustandsüberwachung eines Prozesses in dem jeweiligen Behältnis verwenden.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zuerst ermittelt, ob die Messsonde 2 zumindest teilweise mit dem Medium 4 in Kontakt ist. Beispielsweise kann überprüft werden, ob die Messsonde 2 im Wesentlichen vollständig vom Medium 4 bedeckt ist. Dies ist beispielsweise von Vorteil, wenn eine Durchmischung von zumindest zwei unterschiedlichen Medien 4 überwacht wird. Alternativ ist es ebenfalls möglich, zu überprüfen, ob die Messsonde 2 zumindest teilweise von einem dünnen Film aus dem Medium 4 bedeckt ist. Vorzugsweise ist in diesem Falle die Messsonde zumindest zu etwa 50% von dem Medium 4 bedeckt.
Zur Zustandsüberwachung bzw. Prozessüberwachung kann dann beispielsweise der zeitliche Verlauf zumindest der elektrischen Leitfähigkeit σ, oder die Permittivität ε des zumindest einen Mediums 4 aufgezeichnet werden. Außerdem kann der Bedeckungsgrad der Sondenelektrode 5 herangezogen werden. Bezüglich der Ermittlung der elektrischen Leitfähigkeit σ oder der Dielektrizitätskonstanten ε eines Mediums 4 sei auf die DE102014107927A1 verwiesen. Der Bedeckungsgrad B ist wiederum definiert als das Verhältnis eines von der Sensorelektrode 5 abgreifbaren Sensorstroms und eines an der Guardelektrode 6 abgreifbaren Guardstroms.
Eine erste beispielhafte und unter die vorliegende Erfindung fallende Zustandsüberwachung ist in 2 illustriert. Bei dem zu überwachenden Prozess handelt es sich um einen Mischvorgang eines ersten 4a und eines zweiten Mediums 4b im Behälter 3. Die Abbildung zeigt eine grafische Darstellung des Bedeckungsgrades B, der elektrischen Leitfähigkeit σ und der Permittivität ε als Funktion der Zeit t. Mittels eines geeigneten Anzeigeelements [nicht gezeigt] kann eine derartige Darstellung beispielsweise direkt am Messgerät 1 sichtbar gemacht werden. Bei der Anzeigeeinheit kann es sich beispielsweise um einen grafischen Schleppzeiger bzw. Logger handeln. In diesem Falle ist das Messgerät 1 direkt dazu ausgestaltet, zumindest eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Beispielsweise kann die Elektronikeinheit 7 über geeignete Mittel, wie zum Beispiel eine Recheneinheit und/oder eine Speichereinheit, verfügen.
Alternativ kann das Messgerät 1 auch über eine, insbesondere digitale, Kommunikationsschnittstelle [ebenfalls nicht gezeigt], beispielsweise eine I/O Link Schnittstelle, verfügen. Sowohl drahtgebundene als auch drahtlose Schnittstellen sind in diesem Zusammenhang möglich. Es ist beispielsweise denkbar, dass das jeweilige Verfahren in einer externen Einheit [nicht gezeigt], beispielsweise einem Computer durchgeführt sein. Hierzu kann das Verfahren beispielsweise in Form eines Computerprogramms implementiert sein. Alternativ kann das Verfahren auch auf einem computerlesbaren Medium implementiert sein.
Zum Zeitpunkt M0 ist die Sondenelektrode 5 an Luft. Zum Zeitpunkt M1 wird ein Füllvorgang des Behälters 3 mit einem ersten Medium 4a gestartet. Zum Zeitpunkt M2 wird ein vorgebbarer Füllstand des ersten Mediums 4a im Behälter 3 erreicht. Der vorgebbare Füllstand entspricht im vorliegenden Beispiel einer im Wesentlichen vollständigen Bedeckung der Sondenelektrode 5 mit dem ersten Medium 4a. Zum Zeitpunkt M2 wird ein zweites Medium 4b in den Behälter eingefüllt und ein Mischvorgang der beiden Medien 4a und 4b gestartet. Sobald zum Zeitpunkt M3 eine vollständige und im Wesentlichen homogene Durchmischung der beiden Medien 4a und 4b erreicht ist, bleibt der jeweils aufgezeichnete Messwert konstant. Im gezeigten Beispiel in 2 wird zum Zeitpunkt M3 ferner ein Heizvorgang der beiden durchmischten Medien 4a und 4b gestartet und der Behälter 3 vakuumisiert. In diesem Zeitraum zwischen den Zeitpunkten M3 und M4 ändern sich die elektrische Leitfähigkeit σ und die Konsistenz der Medien 4a und 4b im Behälter 3 kontinuierlich. Zum Zeitpunkt M4 wird ein drittes Medium 4c in den Behälter 3 zugegeben und erneut ein Mischvorgang innerhalb des Behälters 3 gestartet. Wieder kann die Homogenität der Durchmischung beispielsweise anhand einer konstant bleibenden elektrischen Leitfähigkeit σ nachgewiesen werden. Dies ist im vorliegenden Beispiel zum Zeitpunkt M5 der Fall.
Eine zweite beispielhafte Zustandsüberwachung ist Gegenstand von 5. Hierbei handelt es sich um einen in dem Behälter 3 ablaufenden Reinigungsprozess. Zur Reinigung des Behälters 3 wird üblicherweise der Behälter 3 zumindest teilweise mit einer geeigneten Reinigungsflüssigkeit gefüllt. Üblicherweise umfasst ein Reinigungsprozess mehrere Zyklen, in denen jeweils eine oder mehrere Reinigungsflüssigkeiten in den Behälter 3 eingebracht werden. Zum Zeitpunkt M1 hat der Reinigungsprozess noch nicht begonnen. Im hier gezeigten Beispiel sinkt die elektrische Leitfähigkeit σ proportional zum Fortschritt der Reinigung. Zum Zeitpunkt M2 wird ein zweiter Zyklus des Reinigungsprozesses gestartet. Sobald zum Zeitpunkt M3 detektiert wird, dass die elektrische Leitfähigkeit für eine vorgebbare Zeitdauer im Wesentlichen konstant ist, kann der Reinigungsprozess beendet werden. Ein Fortschritt des Reinigungsprozesses kann also anhand einer Änderung der elektrischen Leitfähigkeit σ, der Permittivität ε und/oder des Bedeckungsgrades B überwacht werden. Ebenso kann anhand zumindest einer dieser Größen überwacht werden, ob nach Abschluss eines Reinigungszyklus Rückstände des Mediums 4 in dem Behälter 3 verblieben sind. In diesem Falle hat beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit σ des Mediums 4 bzw. der Reinigungsflüssigkeit 4, noch kein Plateau erreicht.
Ein Reinigungsprozess kann dabei sowohl dann zuverlässig überwacht werden, wenn die Sondenelektrode 5 während der einzelnen Zyklen im Wesentlichen vollständig von der Reinigungsflüssigkeit, welche für die Überwachung eines Reinigungsprozesses dem jeweiligen Medium 4 entspricht, bedeckt ist, als auch in dem Fall, dass die Sondenelektrode 5 von einem dünnen Film der Reinigungsflüssigkeit 4 bedeckt ist. Dies entspricht einem dünnen Sprühfilm auf der Sondenelektrode 5.
Mit der vorliegenden Erfindung lassen sich also qualitative Informationen über verschiedene Prozesse in der Automatisierungstechnik erhalten. Es sei darauf verwiesen, dass die vorliegende Erfindung keineswegs auf die genannten möglichen Zustandsüberwachungen beschränkt ist. Vielmehr lässt sich die vorliegende Erfindung individuell auf eine Vielzahl verschiedener Prozesse anpassen. Ebenfalls sei darauf verwiesen, dass für eine bestimmte Zustandsüberwachung neben einer graphischen Auswertung, wie in den Figuren 4 und 5 gezeigt, auch Referenzwerte oder Referenzkurven aufgenommen und hinterlegt werden können. Diese Referenzwerte oder Referenzkurven entsprechen dann einem korrekt ablaufenden Prozess. In vorgebbaren Zeitintervallen, oder während der Durchführung des jeweils zu überwachenden Prozesses können dann entsprechend gemessene Werte oder Kurven, beispielsweise für die elektrischen Leitfähigkeit σ, die Permittivität ε und/oder den Bedeckungsgrad B aufgezeichnet und mit den Referenzwerten oder Referenzkurven verglichen werden. Wenn eine Abweichung zwischen den jeweils gemessenen Werten oder Kurven und den jeweils zugehörigen Referenzwerten oder Referenzkurven einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet, kann dann beispielsweise auf einen Fehler in dem jeweiligen Prozess rückgeschlossen und ggf. eine Meldung generiert und ausgegeben werden.
Bezugszeichenliste

1: Messgerät
2: Messsonde
3: Behälter
3a: Öffnung im Behälter
4: Medium
4a-4c: erstes, zweites, drittes Medium
5: Sondenelektrode
6: Guardelektrode
7: Elektronikeinheit
A₁: Anregesignal
E₁: Empfangssignal
C_mess: Messkapazität
R_M,A: Medien-/Ansatzwiderstand
σ: elektrische Leitfähigkeit
ε: Dielektrizitätskonstante
B: Bedeckungsgrad
M0-M5: Zeitpunkte während des jeweils zu überwachenden Prozesses

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004008125 A1 [0004]
DE 3212434 C2 [0007, 0043]
DE 102017115516 [0008]
DE 102011004807 A1 [0009]
DE 102013102055 A1 [0009]
DE 102014107927 A1 [0009, 0052]
DE 102013104781 A1 [0009]

Claims

Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Vorrichtung (1) zur kapazitiven Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße zumindest eines Mediums (4) in einem Behältnis (3), umfassend folgende Verfahrensschritte: - Beaufschlagen einer Sondenelektrode (5) mit einem elektrischen Anregesignal (A₁) in Form eines Dreiecksignals, - Empfangen eines elektrischen Empfangssignals (E₁) von der Sondenelektrode (5), - Ermitteln einer Messkapazität (Cmess) und/oder eines Medien-/Ansatz-Widerstands (R_M,A) der Sondenelektrode (5) zumindest anhand des Empfangssignals (E₁), und - Bestimmen eines Zustandsindikators anhand der Messkapazität (Cmess) und/oder des Medien-Ansatz-Widerstands (R_M,A).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Messkapazität (Cmess) und/oder der Ansatz-/Medienwiderstand (R_M,A) anhand einer Ersatzschaltung der Sondenelektrode (5) umfassend zumindest eine Parallelschaltung der Messkapazität (Cmess) und des Medien-/Ansatz-Widerstands (R_M,A) ermittelt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei anhand des Medien-/Ansatz-Widerstands (R_M,A) eine Leitfähigkeit (σ) des Mediums (4) ermittelt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei anhand der Messkapazität (Cmess) eine Permittivität (ε) des Mediums (4) ermittelt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Bedeckungsgrad (B) zumindest der Sondenelektrode (5) ermittelt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Medien-/Ansatz-Widerstand (R_M,A) anhand einer Steigung des Empfangssignals (E₁) in einem vorgebbaren Zeitintervall ermittelt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Messkapazität (Cmess) anhand des Empfangssignals (E₁) zu einem Zeitpunkt eines Nulldurchgangs Anregesignals (A₁) ermittelt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Füllstand des Mediums (4) in dem Behältnis (3) bestimmt und/oder überwacht wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei dem Zustandsindikator um eine Aussage über einen Ansatz in zumindest in einem Teilbereich der Sondenelektrode (5) handelt.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei dem Zustandsindikator um eine Aussage über einen Prozess handelt, in welchem die Vorrichtung (1) eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei es sich bei dem Prozess um die Durchmischung von zumindest zwei Medien (4a,4b), die Einhaltung einer Rezeptur, oder einen Reinigungsprozess handelt.
Vorrichtung (1) zur kapazitiven Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße zumindest eines Mediums (4) in einem Behältnis (3) umfassend - eine Sensoreinheit (2) mit zumindest einer Sondenelektrode (5), und - eine Elektronikeinheit (7), welche Elektronikeinheit (7) dazu ausgestaltet ist, zumindest ein Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Sensoreinheit (2) zumindest zwei Elektroden (5,6) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei es sich bei einer der Elektroden um eine Guardelektrode (6) handelt.