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Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem zur Erfassung eines Pegelstandes eines Mediums in einem Behältnis und ein entsprechendes Verfahren hierfür.
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Verfahren zum Erkennen eines Pegelstands eines Mediums basieren beispielsweise auf der Auswertung des elektrischen Leitwerts oder auf der Messung und Auswertung einer elektrischen Kapazität oder auf der Auswertung der Frequenzlage, beispielsweise von Maxima oder Minima von Impedanzspektren.
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Die Druckschrift
EP 2 519 807 B1 betrifft eine Einrichtung zum Erkennen eines Pegelstands von Medien, vorzugsweise in einem Tank. Die Einrichtung umfasst einen im Wesentlichen vertikal, vollständig in den Tank hineinragenden, von diesem elektrisch isoliert anbringbaren länglichen elektrischen Leiter. Weiter ist ein elektrisch zeitlich variabler Generator mit einer Innenimpedanz zum Anschließen an einen Speisepunkt des elektrischen Leiters vorgesehen, um an diesen eine zeitlich variable Spannung anzulegen. Der Speisepunkt ist hierbei an einem, vorzugsweise tankseitigen, Ende des elektrischen Leiters angeordnet. Eine Auswerte- und/oder Steuereinheit dient zum Auswerten einer elektrischen Größe des elektrischen Leiters. Das Verfahren basiert auf einer Messung der Fußpunktimpedanz des elektrischen Leiters, welches sich in Luft der Lambda/4-Resonanz bedient. Es wird ein Eintauchen des Sensors erkannt und daraus eine kontinuierliche Füllstandmessung abgeleitet. Der elektrische Leiter ist zwar isoliert zum Tank angebracht aber selbst metallisch blank. Der Einbau im Tank erfolgt vertikal von oben. Zur Auswertung werden die Frequenzlagen von Minima untersucht.
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Nachteilig bei diesem bekannten Verfahren ist die Abhängigkeit von Eigenschaften des Mediums, dessen Pegelstand gemessen werden soll. Insbesondere ist die relative Dielektrizität bzw. der spezifische elektrische Leitwert bei der Auswertung zu berücksichtigen. Bekannte Messeinrichtungen sind anfällig gegen störende Einflüsse wie Schaumbildung und Anhaftungen. Daher ist in der Regel eine Empfindlichkeitseinstellung im Sinne einer Anpassung an das zu detektierende Medium notwendig. Dies ist bei den bekannten Einrichtungen häufig schwierig oder gar unmöglich, wenn verschiedene Medien in derselben Applikation nacheinander zum Einsatz kommen.
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Andere Verfahren für die Erfassung eines Pegelstandes eines Mediums bedienen sich der Frequenzspektroskopie der Impedanz gebildet aus einer Elektrodenkapazität und diskreten Induktivität. Damit können Anhaftungen bei pastösen oder klebrigen Medien und Schaum in begrenztem Masse ausgeblendet werden, beispielsweise durch Wahl einer hohen Frequenz, bei welcher der resistive Anteil durch die Leitfähigkeit des Mediums im Vergleich zur kapazitiven Komponente in den Hintergrund rückt. Da die Resonanzfrequenz und die Güte bei der Resonanzfrequenz bestimmt werden, ist ein sehr großer Frequenzbereich nötig, um sowohl Öle, als auch wässrige Flüssigkeiten zu erfassen. Bei vielen Problemstellungen muss eine bestimmte Empfindlichkeitseinstellung des Schaltfensters vorgenommen werden. Dies bedeutet einen hohen Aufwand bei einer Inbetriebnahme und ist kritisch bei wechselnden Medieneigenschaften.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Konzept zum Erfassen eines Mediums, wie oben beschrieben, aufzuzeigen, welches ohne eine Anpassung an das Medium bzw. die Medieneigenschaften sicher funktioniert.
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Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, eine sichere Medienerkennung zu gewährleisten, bei der es zu keinen Fehlmeldungen bei Anhaftung eines Mediums, beispielsweise eines viskosen Mediums bzw. bei Schaum, kommt.
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Die Erfindung basiert auf der Idee, einen Laufzeiteffekt einer elektrischen Feldverteilung entlang eines elektrisch isolierten Leiters zur Mediendetektion auszunutzen. Als Messeffekt wird die komplexwertige Fußpunktimpedanz des elektrischen Leiters gemessen.
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Das Kriterium der Resonanzfrequenz und der Güte hat sich bei antennenähnlichen elektrischen Leitern nicht bewährt. Ein wässriger, leitender Belag kann eine ähnliche Resonanzverschiebung hervorrufen, wie eine Füllung mit Öl. Es konnte jedoch beobachtet werden, dass der Realanteil der Fußpunktimpedanz ansteigt, wenn das Medium den Tank ausfüllt. Die Arbeitsfrequenz befindet sich dabei im näheren Bereich der Resonanzfrequenz des elektrischen Leiters in Luft. Ist auf dem elektrischen Leiter ein elektrisch leitender Belag vorhanden, so ändert sich zwar die Resonanzfrequenz, aber der Realanteil der Fußpunktimpedanz bleibt nahezu unverändert klein.
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Um das Verfahren weiter zu verbessern kann zusätzlich der Betrag, Phasenwinkel oder Imaginäranteil der Fußpunktimpedanz hinzugezogen werden. Für diese Messung kann ein handelsüblicher I-Q-Demodulator verwendet werden.
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Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst durch ein Sensorsystem zur Erfassung eines Pegelstandes eines Mediums in einem Behältnis mit wenigstens einem Sensorelement, einer Oszillatorschaltung, einer Messschaltung und einer Auswerteschaltung. Das Sensorelement weist einen Fußbereich und einen Endbereich auf. Ferner umfasst das Sensorelement einen elektrischen Leiter, der in einer radialen Richtung von einem elektrisch isolierenden Material umhüllt ist. Die Außenseite des elektrisch isolierenden Materials, d. h. die dem elektrischen Leiter abgewandte Seite und dem Medium zugewandten Seite, bildet einen Medienkontaktbereich. Ein radialer Abstand zwischen dem elektrischen Leiter und dem Medienkontaktbereich weist in dem Fußbereich ein größeres Maß als in dem Endbereich auf.
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Die Oszillatorschaltung dient zur Anregung des elektrischen Leiters mit einer Frequenz im Bereich einer vierfachen Wellenlänge der Länge des elektrischen Leiters. Mit der Messschaltung ist eine Fußpunktimpedanz des elektrischen Leiters erfassbar. Die Auswerteschaltung zur Erfassung des Pegelstandes des Mediums basiert auf einem Vergleich der Fußpunktimpedanz des elektrischen Leiters mit zumindest einem vorgegebenen Schwellwert.
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Die Geometrie des Sensorelements ist mit diesen erfindungsgemäßen Merkmalen vorteilhaft ausgestaltet. Der elektrische Leiter kann hierbei komplett mit dem elektrisch isolierenden Material in radialer Richtung umhüllt sein. Alternativ hierzu kann der elektrische Leiter und das umhüllende elektrisch isolierende Material von dem elektrischen Leiter beabstandet sein, sodass beispielsweise ein Lufteinschluss zwischen dem elektrischen Leiter und dem elektrisch isolierenden Material vorgesehen ist. Der Endbereich des Sensorelements ist ebenfalls von dem elektrisch isolierenden Material umgeben. Auch hier kann der elektrische Leiter von dem elektrisch isolierenden Material direkt umschlossen oder alternativ von diesem beabstandet sein, beispielsweise mit einem Lufteinschluss zwischen elektrischem Leiter und elektrisch isolierenden Material.
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Die erfindungsgemäße geometrische Ausgestaltung des Sensorelements hält die Wirkung von Anhaftungen zwischen dem elektrischen Leiter und der als Masse zu betrachtenden Umgebung klein, indem eine längere Wegstrecke für das elektromagnetische Feld erzeugt wird. Zudem ist das elektrische Feld im Fußbereich ohnehin schwächer, als in dem Endbereich des Sensorelements. Gleichermaßen wird die Wirkung des elektrischen Leiters im Endbereich empfindlich gehalten, indem die Wandstärke des den elektrischen Leiter umhüllenden elektrisch isolierenden Materials dort möglichst gering gewählt wird. Somit ist die Wirkung von Anhaftungen auf die Impedanzmessung relativ klein, im Gegensatz zur Situation eines von dem Medium vollbedeckten Sensorelements, welches der Zustand ist, der sicher detektiert werden soll.
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Ferner wird erfindungsgemäß die komplexe Impedanz (Fußpunktimpedanz), vorzugsweise der Realanteil, und zwar bei einer Frequenz oder in einem kleinen Frequenzbereich, beispielsweise zwischen 2.4 GHz und 2.5 GHz bestimmt.
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Das erfindungsgemäße Sensorsystem ist besonders robust gegenüber Anhaftungen oder Belägen eines Mediums aus vorhergehenden Messungen. Die Messung des Füllstands kann mit einem derartigen Sensorsystem besonders genau durchgeführt werden, insbesondere Anhaftungen von stark leitfähigen Medien im Bereich des Fußbereichs führen zu keinem Kurzschluss bzw. quasi Kurzschluss des elektrischen Leiters, so dass es zu keiner Fehlinterpretation kommt. Mit Fehlinterpretation ist hierbei gemeint, dass fälschlich ein Füllstand detektiert wird, wo realerweise nur eine Anhaftung vorliegt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Sensorsystems ist das elektrisch isolierende Material ein Kunststoff, insbesondere PEEK (Polyetheretherketon).
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Diese Ausführung bietet den technischen Vorteil, dass das Sensorelement mit dem aus Kunststoff ummantelten elektrischen Leiter besonders leicht zu fertigen ist und robust ausgeführt ist, so dass es auch in besonderen Medienumgebungen, beispielsweise Medien, die besondere Gesundheits- bzw. Hygieneanforderungen haben, eingesetzt werden kann.
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Eine Ausführung mit PEEK bietet den technischen Vorteil, dass PEEK ein hochtemperaturbeständiger thermoplastischer Kunststoff ist, dessen Schmelztemperatur etwa 335°C beträgt. PEEK ist gegenüber fast allen organischen und anorganischen Chemikalien, hoch energetischen elektromagnetischen Wellen, wie Gamma-, Röntgenstrahlung und bis etwa 280 °C auch gegen Hydrolyse beständig. Ferner bietet die Ausführung mit PEEK bei der erforderlichen Geometrie eine hohe Festigkeit.
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In einer beispielhaften Ausführungsform des Sensorsystems ist das elektrisch isolierende Material, welches den elektrischen Leiter umgibt, kegelförmig, stumpfkegelförmig oder aus mehreren zylindrischen Abstufungen ausgebildet. Dies bietet den technischen Vorteil, dass solche Ausführungen der elektrisch isolierenden Umhüllung leicht zu fertigen sind, beispielsweise mittels Spritzguss.
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In einer weiteren Ausführungsform des Sensorsystems weist die Messschaltung einen I-Q-Demodulator zur Bestimmung eines reellen Anteils und eines imaginären Anteils der Fußpunktimpedanz des elektrischen Leiters auf. Dies bietet den technischen Vorteil, dass solche Modulatoren einfach ausgeführt sind und als Standardelemente für eine Funkkommunikation allseits verfügbar sind.
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In einer weiteren Ausführungsform des Sensorsystems umfasst die Auswerteschaltung eine Tabelle (Look-Up-Table) mit vorgegebenen Werten von Fußpunktimpedanzen für ein oder mehrere Medien, und die Auswerteschaltung ist ausgebildet, basierend auf einem Schwellwertvergleich der Fußpunktimpedanz des elektrischen Leiters mit den jeweiligen Fußpunktimpedanzen der Tabelle ein Medium zu detektieren. Dies bietet den technischen Vorteil, dass aus der gemessenen Fußpunktimpedanz nicht aufwändig eine Medieneigenschaft bestimmt werden muss, sondern dass ein einfacher Vergleich mit zuvor bestimmten Messwerten von Fußpunktimpedanzen verschiedenartiger Medien ausreichend ist, um eine genaue und sichere Detektion des Mediums durchzuführen.
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In einer weiteren Ausführungsform des Sensorsystems umfasst die Tabelle jeweils Realanteil und Imaginäranteil der Fußpunktimpedanzen, und die Auswerteschaltung ist ausgebildet, den Schwellwertvergleich bezogen auf den Realanteil und den Imaginäranteil der Fußpunktimpedanz des elektrischen Leiters auszuführen. Dies bietet den technischen Vorteil, dass der Realanteil sich besonders als Unterscheidungsmaß für die Detektion der Anwesenheit bzw. Abwesenheit eines Mediums eignet, wie durch Experimente festgestellt wurde.
In einer weiteren Ausführungsform des Sensorsystems umfasst die Tabelle zwei Bereiche mit Fußpunktimpedanzen verschiedener Medienarten, wobei ein erster Bereich Fußpunktimpedanzen bei Abwesenheit des entsprechenden Mediums umfasst und wobei ein zweiter Bereich Fußpunktimpedanzen bei Anwesenheit des entsprechenden Mediums umfasst, wobei die beiden Bereiche durch eine Schwelle getrennt sind, insbesondere einer Schwelle mit konstantem Realanteil der Fußpunktimpedanz.
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Dies bietet den technischen Vorteil, dass die Anwesenheit oder Abwesenheit des Mediums durch einen einfachen Vergleich der gemessenen Fußpunktimpedanz mit der Schwelle sicher detektiert werden kann. Bei einer Schwelle mit konstantem Realanteil ist nur ein einziger Vergleich nötig. Dieser kann beispielsweise mit einem Komparator effizient ausgeführt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform des Sensorsystems ist die Auswerteschaltung ausgebildet, basierend auf der Fußpunktimpedanz des elektrischen Leiters eine Art des Mediums zu detektieren, insbesondere Wasser, Mineralöl, Ketchup, Joghurt oder andere Medien. Dies bietet den technischen Vorteil, dass die Art des Mediums mit einem Tabellenvergleich anhand der Real- und Imaginär-Anteile der Fußpunktimpedanz zuverlässig bestimmt werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform des Sensorsystems weist das Sensorelement eine Einbauseite im Fußbereich des Sensorelements auf, welche für einen Einbau des Sensorelements vorgesehen ist. Dies bietet den technischen Vorteil, dass an der Einbauseite eine größere Distanz zum Medium bzw. eine dickere Wandstärke vorliegt, so dass die Wirkung von Anhaftungen zwischen dem Sensorelement bzw. dem elektrischen Leiter und der als Masse zu betrachtenden Umgebung klein gehalten wird.
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In einer beispielhaften Ausführungsform des Sensorsystems ist zwischen dem elektrischen Leiter und der Umhüllung des elektrischen Leiters aus dem elektrisch isolierenden Material ein Hohlraum oder ein Raum aus einem zweiten elektrisch isolierenden Material ausgebildet. In einer beispielhaften Ausführungsform des Sensorsystems weist der elektrische Leiter eine Länge von etwa 25 Millimeter auf, was eine kompakte Bauweise ermöglicht. Dies bietet den technischen Vorteil, dass der elektrische Leiter im Frequenzbereich von etwa 2,4 bis 2,5 GHz als Lambda-Viertel-Antenne wirkt. In diesem Frequenzbereich ist eine große Verfügbarkeit der elektrischen Komponenten gegeben.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß einem zweiten Aspekt durch ein Verfahren zur Erfassung eines Pegelstandes eines Mediums, mit folgenden Schritten:
- - Anregung des elektrischen Leiters mit einer Frequenz im Bereich einer vierfachen Wellenlänge der Länge des elektrischen Leiters
- - Bestimmen einer Fußpunktimpedanz des elektrischen Leiters eines Sensorelements, wobei der elektrische Leiter in einer radialen Richtung von einem elektrisch isolierenden Material umhüllt ist, dessen Außenseite einen Medienkontaktbereich bildet,
wobei das Sensorelement einen Fußbereich und einen Endbereich aufweist, und wobei ein radialer Abstand zwischen dem elektrischen Leiter und dem Medienkontaktbereich in dem Fußbereich ein größeres Maß als in dem Endbereich aufweist;
- - Erfassung des Pegelstandes des Mediums durch einen Vergleich der Fußpunktimpedanz des elektrischen Leiters mit zumindest einem vorgegebenen Schwellwert.
gelöst.
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Ein solches Verfahren ist besonders robust gegenüber Anhaftungen oder Belägen des Mediums. Die Messung des Pegelstandes (Füllstand) eines Mediums kann mit einem derartigen Verfahren besonders genau durchgeführt werden, insbesondere Anhaftungen von stark leitfähigen Medien im Bereich des Fußpunktes führen zu keinem Kurzschluss bzw. quasi Kurzschluss des elektrischen Leiters, so dass es zu keiner Fehlinterpretation kommt, d. h. fälschlich ein Pegelstand detektiert wird, wo realerweise nur eine Anhaftung vorliegt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Sensorsystems - gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 eine schematische Schnittdarstellung eines Sensorelements mit Anhaftung eines Mediums gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3a eine schematische Schnittdarstellung eines Sensorelements gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3b eine schematische Schnittdarstellung eines Sensorelements gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3c eine schematische Schnittdarstellung eines Sensorelements gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3d eine schematische Schnittdarstellung eines Sensorelements gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 4 ein Diagramm einer Tabelle mit Fußpunktimpedanzen verschiedener Medien gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 5 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Detektion eines Mediums gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen als Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Es versteht sich, dass auch andere Ausführungsformen genutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einem beschränkenden Sinne zu verstehen. Ferner versteht es sich, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist.
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Die Aspekte und Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen sich im Allgemeinen auf gleiche Elemente beziehen. In der folgenden Beschreibung werden zu Erläuterungszwecken zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein eingehendes Verständnis von einem oder mehreren Aspekten der Erfindung zu vermitteln.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensorsystems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Das Sensorsystem 100 dient zur Erfassung eines Pegelstandes eines Mediums 116 in einem Behältnis. Das Behältnis ist in der Ausführung der 1 ein Tank 119. Alternativ kann das Behältnis aber auch eine Rohrleitung (nicht dargestellt) sein, in dem ein Füllstand (Pegelstand) eines flüssigen Mediums bestimmt wird. Denkbar ist aber auch die Erkennung des Fühlstandes eines flüssigen Mediums in einer Flasche, beispielsweise innerhalb einer Abfüllanlage.
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Das Sensorsystem 100 der 1 umfasst ein Sensorelement 110, eine Oszillatorschaltung 120, eine Messschaltung 122 und eine Auswerteschaltung 124.
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Das Sensorelement 110 ragt dabei zur Messung eines Pegelstands des Mediums 116 von oben in den Tank 119 hinein. Alternativ hierzu kann das Sensorelement 110 auch seitlich oder von unten in den Tank 119 hineinragen.
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Das Sensorelement 110 weist in seiner geometrischen Form einen Fußbereich 113 und ein Endbereich 115 auf. Ferner umfasst das Sensorelement 110 einen elektrischen Leiter 111, der in radialer Richtung von einem elektrisch isolierenden Material 112 umhüllt ist.
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Der elektrische Leiter 111 kann ein Stück einer Metallleitung sein, beispielsweise ein Drahtstück.
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Der elektrische Leiter 111 wirkt bei Speisung mit hochfrequenten Signalen, beispielsweise im Bereich von 2,4 bis 2,5 GHz als Antenne, insbesondere als Monopolantenne. Diese Antenne wird (im Gegensatz zur Dipolantenne) unsymmetrisch gespeist. Ergänzt wird sie zumeist durch ein sogenanntes Gegengewicht, das durch den Behälter bzw. Tank 119 oder die Rohrleitung, worin das Sensorelement 110 montiert ist, gebildet sein kann. Dieses Gegengewicht geht vom zentralen Speisepunkt (Fußpunkt) des elektrischen Leiters 111 radial aus.
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Ein Dipol hat, bedingt durch seinen symmetrischen Aufbau, senkrecht zu seiner Mitte eine Potentialebene mit Nullpotential. Diese Potentialebene kann man durch eine ausgedehnte leitfähige Ebene (beispielsweise den Behälter oder Tank 119) ersetzen, ohne die Funktion der Antenne wesentlich zu ändern. Dabei fließt der Strom, der eigentlich in die fehlende Dipolhälfte fließen würde, in die leitfähige Ebene. Verschiedene Konstruktionsparameter erlauben es, die Eigenschaften der Antenne zu beeinflussen.
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Der elektrische Leiter kann in das elektrisch isolierende Material 112 vollständig eingebettet sein oder mit einem Abstand zu dem elektrisch isolierenden Material 112 von diesem umgeben sein.
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In der in der 1 dargestellten Ausführungsform ist der elektrische Leiter 111 mit einem Abstand zu dem elektrisch isolierenden Material 112 ausgeführt. Der elektrische Leiter 111 ist in dieser Ausführung gerade ausgebildet. Alternativ kann der elektrische Leiter 111 aber auch eine oder mehrere Biegungen aufweisen.
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Die Umhüllung des elektrischen Leiters 111 aus dem elektrisch isolierendem Material 112 ist rotationssymmetrisch ausgeführt. Alternativ kann die Umhüllung so ausgebildet sein, dass sich ein möglichst geringer Strömungswiderstand bei Montage des Sensorelements 110 in einem Tank, einem Behälter oder einer Leitung einstellt.
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In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist der elektrische Leiter 111 von oben in den Tank 119 geführt. Durch die erfindungsgemäße Bauform des elektrischen Leiters 111 kann dieser aber auch in einer medienführenden Rohrleitung montiert werden und in diese hineinragen, um ein Medium 116 in der Rohrleitung zu detektieren.
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In der Ausführungsform des Sensorelements 110 der 1 ist das elektrisch isolierende Material 112 ein Kunststoff, beispielsweise PEEK (Polyetheretherketon). Alternativ können auch andere elektrische Isolatoren eingesetzt werden, wie beispielsweise Glas, Keramik, Gummi, Thermoplaste, Duroplaste, etc.
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Die Außenseite des elektrisch isolierenden Materials 112 bildet einen Medienkontaktbereich 114, d. h. einen Bereich der in Kontakt mit dem Medium 116 steht, dessen Füllstand im Tank 119 bestimmt werden soll. Der Medienkontaktbereich 114 stellt die Seite bzw. die Fläche dar, welche sich vom Fußbereich 113 oben in der Zeichnung bis zur Spitze bzw. abgeflachten Spitze unten in der Zeichnung stetig verjüngt und mit dem Medium 116 in Kontakt tritt.
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Ein radialer Abstand 117 zwischen dem elektrischen Leiter 111 und dem Medienkontaktbereich 114 weist in dem Fußbereich 113 ein größeres Maß auf als in dem Endbereich 115. Mit radialem Abstand ist ein Abstand in eine Richtung senkrecht zu der Richtung in der sich der elektrische Leiter 111 erstreckt gemeint.
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Das Sensorelement 110 kann im Fußbereich 113 in einen Behälter, Tank oder auch in eine Rohrleitung eingebaut werden. Das Sensorelement 110 weist hierzu eine Einbauseite im Fußbereich 113 auf, welche für einen Einbau des Sensorelements 110 vorgesehen ist. Der Einbau kann von oben, von der Seite oder auch von unten erfolgen.
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Weiter ist eine Oszillatorschaltung 120 zur Anregung des elektrischen Leiters 111 mit einer Frequenz im Bereich einer vierfachen Wellenlänge der Länge des elektrischen Leiters 111 vorgesehen.
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Bezüglich dieser Frequenz wurde beobachtet, dass sich die Fußpunktimpedanz 118 beim Eintauchen des Sensorelements 110 in das Medium 116 sprunghaft verändert. Durch Messung der Fußpunktimpedanz 118 lässt sich ermitteln ob das Sensorelement 110 in das Medium 116 eintaucht oder ob das Sensorelement 110 mit einer Anhaftung des Mediums 116 bedeckt ist und um welches Medium 116 es sich handelt.
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Dieser Aufbau ermöglicht es nicht nur das Eintauchen des elektrischen Leiters 111 in das Medium 116, sondern auch Anhaftungen des Mediums am Sensorelement 110 zuverlässig und fehlertolerant, insbesondere unabhängig vom Medium, zu ermitteln.
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Beim Eintauchen des Sensorelements 110 in das Medium 116 kann eine starke Veränderung der Fußpunktimpedanz 118 des elektrischen Leiters 111 beobachtet werden. Die Wirkung von Anhaftungen auf den Realanteil der Fußpunktimpedanz 118 ist dagegen relativ klein. Ein Schwellwertvergleich der Fußpunktimpedanz 118, insbesondere des Realanteils und/oder Imaginäranteils der Fußpunktimpedanz 118 im Bereich der Resonanzfrequenz lässt so eine sichere Bestimmung des Zustandes „nicht eingetaucht“ bzw. „eingetaucht“ zu.
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Die Abhängigkeit der Fußpunktimpedanz 118 vom Eintauchzustand bzw. Anhaftungszustand des Sensorelements 110 ist im Bereich der Resonanzfrequenz besonders ausgeprägt.
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Es konnte beobachtet werden, dass der Realanteil der Fußpunktimpedanz 118 ansteigt, wenn das Medium 116 den Tank 119 ausfüllt. Die Arbeitsfrequenz befindet sich dabei im näheren Bereich der Resonanzfrequenz des elektrischen Leiters 111 in Luft. Ist auf dem Sensorelement 110 ein elektrisch leitender Belag vorhanden, so ändert sich zwar die Resonanzfrequenz, aber der Realanteil der Fußpunktimpedanz 118 bleibt unverändert klein.
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Die Oszillatorschaltung 120 erzeugt ein Spannungssignal mit einer Frequenz f in einem Frequenzbereich von beispielsweise 2,4 GHz bis 2,5 GHz. Ferner kann ein Anpass-Netzwerk (Matching-Netzwerk) zum Anpassen des von der Oszillatorschaltung 120 erzeugten Signals an die Impedanz des elektrischen Leiters 111 vorgesehen sein, bevor es auf den elektrischen Leiter 111 gegeben und von diesem abgestrahlt wird. Durch das Anpass-Netzwerk können somit Reflexionen reduziert bzw. vermieden werden, welche durch eine nicht genau auf den elektrischen Leiter 111 abgestimmte Impedanz der Oszillatorschaltung 120 entstehen können.
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Ferner ist in dem Sensorsystem 100 der 1 eine Messschaltung 122 vorgesehen. Die Messschaltung 122 ist ausgebildet, die Fußpunktimpedanz 118 des elektrischen Leiters 111 zu erfassen.
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Die Messschaltung 122 ist folgendermaßen aufgebaut: an dem Sensorelement 110 werden an der Fußpunktimpedanz 118 des elektrischen Leiters 111 Impedanzwerte gemessen. Hierfür umfasst die Messschaltung 122 eine elektrische Schaltung zur Messung der Fußpunktimpedanz 118. Die Werte der Fußpunktimpedanz 118 des elektrischen Leiters 111 werden einer Auswerteschaltung 124 zur Verfügung gestellt. Hierzu ist die Messschaltung 122 mit der Auswerteschaltung 124 verbunden.
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Die Messschaltung 122 des in der 1 gezeigten Sensorsystems 100 weist einen I-Q-Demodulator zur Bestimmung eines reellen und eines imaginären Anteils der Fußpunktimpedanz 118 des elektrischen Leiters 111 auf.
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Die Auswerteschaltung 124 dient zur Erfassung des Pegelstandes des Mediums 116 basierend auf einem Vergleich der Fußpunktimpedanz 118 des elektrischen Leiters 111 mit zumindest einem vorgegebenen Schwellwert. Die Auswerteschaltung 124 ist also ausgebildet, basierend auf einem Schwellwertvergleich der Fußpunktimpedanz 118 des elektrischen Leiters 111 mit den jeweiligen Fußpunktimpedanzen einer Tabelle 500, die in eine Speichereinheit hinterlegt ist, ein Medium 116 zu detektieren.
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Basierend auf der Fußpunktimpedanz 118 des elektrischen Leiters 111 kann die Auswerteschaltung 124 somit eine Art des Mediums 116 detektieren, beispielsweise Wasser, Mineralöl, Ketchup, wie in 5 illustriert, aber auch andere Medien, wie beispielsweise Joghurt, etc.. In der Tabelle 500 entsprechen die Werte der X-Achse dem Realanteil der Fußpunktimpedanz 118 und die Werte der Y-Achse dem Imaginäranteil der Fußpunktimpedanz 118. Die Tabelle kann ferner zwei Bereiche 510, 520 mit Fußpunktimpedanzen verschiedener Medienarten umfassen, wobei ein erster Bereich 510 Fußpunktimpedanzen bei Abwesenheit des entsprechenden Mediums umfasst und wobei ein zweiter Bereich 520 Fußpunktimpedanzen bei Anwesenheit des entsprechenden Mediums umfasst, und wobei die beiden Bereiche 510, 520 durch eine Schwelle 511 getrennt sind, insbesondere einer Schwelle 511 mit konstantem Realanteil der Fußpunktimpedanz.
Zusammenfassend wird also eine Spannung mit der Frequenz f an den elektrischen Leiter 111 im Fußbereich 113 des Sensorelements 110 angelegt. Die sich einstellende komplexe Fußpunktimpedanz 118 des elektrischen Leiters 111 des Sensorelements 110 wird gemessen. Basierend auf diesem Messwert wird eine Überprüfung der Impedanz für die Frequenz f ausgeführt, um festzustellen, ob der Realanteil der Fußpunktimpedanz 118 des elektrischen Leiters 111 sich im Bereich 510 oder im Bereich 520 befindet. Dazu wird auf die Tabelle 500 zugegriffen. Die Tabelle 500 speichert komplexe Impedanzwerte verschiedener Medien, aufgeschlüsselt in Realanteil und Imaginäranteil, welche aus praxisnahen Messungen bestimmt wurden. Beide Bereiche sind durch eine Schwelle voneinander abgegrenzt. Danach wird in einem weiteren Schritt geprüft, ob sich der komplexe Impedanzwert im Bereich 510 oder im Bereich 520 befindet, und zwar basierend auf einem Vergleich von in der Tabelle 500 vorgespeicherten Impedanzwerten. Befindet sich der Impedanzwert im Bereich 510, so ist das Sensorelement 110 von dem Medium 116 umgeben bzw. in das Medium 116 eingetaucht. Befindet sich der Impedanzwert im Bereich 520, so ist das Sensorelement 110 nicht von dem Medium 116 umgeben oder nur von einem Belag bzw. einer Anhaftung des Mediums 116 umgeben, die aus einer früheren Medienfüllung noch zurückgeblieben ist. Schließlich wird das Ergebnis als Signal ausgegeben.
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In 4 sind beispielhaft die Fußpunktimpedanzen 118 für:
- - Ketchup-Belag 501,
- - Wasser-Belag 502,
- - kein Medium (leer) 503,
- - Ketchup 504,
- - Wasser 505,
- - Mineralöl 506
dargestellt.
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Dabei befinden sich alle Werte, bei denen nur ein Belag gemessen wurde oder kein Medium 116 vorhanden war auf der linken Seite des Diagramms 500, d. h. im ersten Bereich 510, während alle Werte, bei denen ein Medium vorhanden war sich auf der rechten Seite des Diagramms 500, d. h. im zweiten Bereich 520 befinden. Es ist klar zu erkennen, dass beide Bereiche 510, 520 durch eine geradlinige Schwelle 511, d. h. eine Schwelle mit konstantem Realanteil der Impedanz, voneinander getrennt sind.
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Die praktische Messung bestätigt somit die Simulation qualitativ. Es liegen alle Messwerte für vollständiges Eintauchen über einer gemeinsamen Schwelle 511 im Vergleich zu Luft und Belägen der jeweiligen Medien.
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In der in den 1, 2 und 3a gezeigten Ausführungsformen des Sensorelements 110 des Sensorsystems 100 ist zwischen dem elektrischen Leiter 111 und der Umhüllung des elektrischen Leiters 111 aus dem elektrisch isolierenden Material 112 ein Hohlraum oder ein Raum aus einem zweiten elektrisch isolierenden Material 112 ausgebildet.
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2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Sensorelements 110 mit einer Anhaftung des Mediums 116. Das Sensorelement 110 der 2 ist ähnlich zu dem Sensorelement 110 aus 1 aufgebaut. D. h. es umfasst entsprechend dem Sensorelement 110 der 1 einen elektrischen Leiter 111, der von einem elektrisch isolierenden Material 112 umhüllt ist. Der geometrische Aufbau des Sensorelements 110 entspricht dem der Ausführung in der 1.
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In der 2 ist dargestellt, wie das Sensorelement 110 an der Oberfläche des elektrisch isolierenden Materials 112 von einer Anhaftung des Mediums 116 umgeben ist. Aufgrund der sich verjüngenden Form des elektrisch isolierenden Materials 112 ist die Anhaftung des Mediums 116 über der gesamten Oberfläche des elektrisch isolierenden Materials 112 verteilt, wobei sie im Fußbereich 113 etwas größer ist als im Endbereich 115 bzw. an der Spitze des Sensorelements 110.
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Das Sensorelement 110 der 3a entspricht dem Sensorelement der 2, ist jedoch in 3a ohne die Anhaftung des Mediums 116 dargestellt. Zwischen dem elektrischen Leiter 111 und der Umhüllung des elektrischen Leiters 111 ist aus dem elektrisch isolierenden Material 112 ein Hohlraum oder ein Raum aus einem zweiten elektrisch isolierenden Material ausgebildet. Es erfolgt ausgehend vom Fußbereich 113 (oben in 3a) ein Übergang von einem ersten, größeren radialen Abstand 117 des elektrisch isolierenden Materials 112 bis hin zu einem geringeren radialen Abstand 117 in etwa in der Mitte zwischen Fußbereich 113 und Spitze bzw. Endbereich 115 des Sensorelement 110 (unten in 3a). Danach bleibt der Umfang von der Mitte bis zum Endbereich 115 in etwa gleich groß.
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Das Sensorelement 110 der 3a sieht damit in etwa aus wie ein Kegelsegment, das auf ein Zylindersegment gesetzt ist, wobei beide Segmente in etwa gleiche Höhe aufweisen.
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Die 3b, 3c und 3d zeigen eine schematische Darstellung des Sensorelements 110 im Halbschnitt einer weiteren Ausführung. Das Sensorelement 110 ist in der äußeren Geometrie ähnlich zu dem Sensorelement 110 aus 3a aufgebaut. Im Gegensatz zu dem Sensorelement 110 der 3a ist das Sensorelement 110 der 3b, 3c und 3d jedoch vollständig von dem elektrisch isolierenden Material 112 umgeben. Das elektrisch isolierende Material 112 hüllt den elektrischen Leiter 111 vollständig ein. Der elektrische Leiter 111 ist in das elektrisch isolierende Material 112 vollständig eingebettet. Das Sensorelement 110 ist hier als eine rotationssymmetrische Stabantenne mit PEEK-Ummantelung in Kegelform mit Drahtantenne bzw. elektrischem Leiter 111 in der Mitte ausgeführt.
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In der Ausführung des Sensorelements 111 der 3a existiert ein Hohlraum innerhalb des elektrisch isolierenden Materials 112, so dass der elektrische Leiter 111 im Bereich des Hohlraums freiliegt und nicht direkt mit dem elektrisch isolierenden Material 112 umgeben ist. Trotzdem kommt der elektrische Leiter 111 nicht mit dem Medium 116 in Kontakt, da er durch das elektrisch isolierende Material 112 von dem Medium 116 getrennt ist. Alternativ kann der Hohlraum auch durch ein anderes elektrisch isolierendes Material 112 gebildet sein, z. B. aus einem anderen Kunststoffmaterial. In weiteren Ausführungsformen können weitere Schichten von elektrisch isolierenden Materialien zwischen dem elektrischen Leiter 111 und Medium 116 angeordnet sein.
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3c zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Sensorelements 110 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Das Sensorelement 110 ist ähnlich zu dem Sensorelement 110 aus 3b aufgebaut. Der Bereich aus elektrisch isolierendem Material 112 ist in zwei Teilbereiche aufgeteilt. Ein erster Teilbereich ab dem Fußbereich 113 bis hin zur Mitte ist zylinderförmig mit einem ersten, größeren Durchmesser, ein zweiter Teilbereich von der Mitte bis zur Spitze bzw. zum Kopfbereich (unten in 3c) ist ebenfalls zylinderförmig mit einem zweiten, geringeren Durchmesser als der erste Zylinder im Fußbereich 113.
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In alternativen Ausführungsformen können auch mehrere als zwei Zylinder mit sich verjüngenden Durchmessern aufeinandergesetzt werden, so dass der Zylinder mit dem größten Durchmesser im Fußbereich 113 angeordnet ist, und bis zur Spitze sich die Durchmesser der Zylinder jeweils verringern.
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In der Ausführungsform der 3d ist die Umhüllung aus dem elektrisch isolierenden Material 112 kegelförmig aufgebaut, wobei der Kegelfuß im Fußbereich 113 des Sensorelements 110 angeordnet ist und die Kegelspitze (die etwas abgeflacht ist) im Bereich der Spitze bzw. im Endbereich 115 des Sensorelements 110 liegt.
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Das Sensorsystem 100 kann in einem Füllstandmessgerät eingesetzt werden, beispielsweise einem Füllstandmessgerät beinhaltend einen vom Tank (oder Rohrleitung) isolierten elektrischen Leiter 111, dessen komplexwertige Fußpunktimpedanz 118 gemessen wird, vornehmlich der Realanteil, zur Aussage ob ein Medium 116 vorhanden ist, welches die weitere Umgebung voll ausfüllt, also es sich nicht nur um eine Anhaftung handelt.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 700 zur Erfassung eines Pegelstandes eines Mediums 116.
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Das Verfahren 700 umfasst hierfür die folgenden Schritte:
- Schritt 701: Anregung des elektrischen Leiters 111 mit einer Frequenz im Bereich einer vierfachen Wellenlänge der Länge des elektrischen Leiters 111, wie beispielsweise vorstehend zu der 1 beschrieben.
- Schritt 702: Bestimmen einer Fußpunktimpedanz eines elektrischen Leiters 111 eines Sensorelements 110, wobei der elektrische Leiter 111 in einer radialen Richtung von einem elektrisch isolierenden Material 112 umhüllt ist, dessen Außenseite einen Medienkontaktbereich 114 bildet, wobei das Sensorelement 110 einen Fußbereich 113 und einen Endbereich 115 aufweist, und wobei ein radialer Abstand 117 zwischen dem elektrischen Leiter 111 und dem Medienkontaktbereich 114 in dem Fußbereich 113 ein größeres Maß als in dem Endbereich 114 aufweist, wie beispielsweise in den 1 bis 3 dargestellt ist.
- Schritt 703: Erfassung des Pegelstandes des Mediums 116 durch einen Vergleich der Fußpunktimpedanz des elektrischen Leiters 111 mit zumindest einem vorgegebenen Schwellwert.
