DE102019124373A1

DE102019124373A1 - Verfahren zur Erkennung von Anhaftungen an einer Innenwand eines Tanks mit einem kapazitiven Füllstandssensor

Info

Publication number: DE102019124373A1
Application number: DE102019124373.4A
Authority: DE
Inventors: Daniel Versen; Alexander Kahlig
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2019-09-11
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2021-03-11

Abstract

Bei einem Verfahren zur Erkennung von Anhaftungen an einer Innenwand eines Tanks mit einem kapazitiven Füllstandssensor der mehrere Messlektroden aufweist, wird zuerst ein Leerteach ausgeführt und wenn ein Füllstand sicher erkannt werden kann, werden die gemessenen Kapazitätswerte der nicht bedeckten Messelektroden mit den „geteachten“ Leerwerten verglichen und wenn die Unterschiede definierte Schwellwerte übersteigen, wird eine Alarmmeldung ausgegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Anhaftungen an einer Innenwand eines Tanks mit einem kapazitiven Füllstandssensor.
Kapazitive Füllstandsmessgeräte (Füllstandssensoren) sind als binäre Grenzstandschalter, aber auch als digitale Messwertaufnehmer mit einer Anzahl von übereinander angeordneten Messfeldern (Messelektroden) 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 und insbesondere von dessen Permitivität abhängig.
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 der Tankwand befestigt sind.
Aus der DE10205445 ist ein kapazitiver Füllstandssensor zur Messung des Füllstands in einem Behälter bekannt, der mehrere Messelektroden aufweist, die übereinander angeordnet sind und die über einen Multiplexer mit einer Versorgungs- und Auswerteschaltung verbunden sind.
Problematisch bei der Messung des Füllstands sind immer Anhaftungen die das Messsignal beeinflussen können.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur Erkennung von Anhaftungen an einer Innenwand eines Tanks mit einem kapazitiven Füllstandssensor anzugeben, das zuverlässig Anhaftungen erkennt und das kostengünstig umsetzbar ist.
Gelöst wird diese Aufgabe mit dem in Anspruch 1 angegebenen Verfahren. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:

1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines kapazitiven Füllstandssensors
2 Tank mit Füllstandssensor
3 Blockdiagramm einer Auswerteschaltung des Füllstandssensors
4 Messdiagramm der Kapazitätswerte bei halbvollem Tank
5 Tank mit niedrigem Füllstand
6 Messdiagramm der kapazitätswerte bei niedrigem Füllstand
7 Tank mit wenig Anhaftung
8 Tank mit viel Anhaftung
9 Tank mit inhomogener Anhaftung

1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines kapazitiven Füllstandssensors auf die Signalisierungsseite, die mehrere LEDs aufweist, die anzeigen, ob die jeweils zugehörigen Messelektroden, die auf der gegenüberliegenden Elektrodenseite vorgesehen sind, des zu messende Medium detektieren oder nicht. Die Länge des Sensors beträgt 25 cm. Der Füllstandssensor ist als kompaktes Kunststoffspritzgussteil ausgebildet.
2 zeigt einen Tank an dessen Außenwand der Füllstandssensor angebracht ist. Im Tank befindet sich ein Medium z.B. Honig oder Öl, bei dem Anhaftungen nicht ausgeschlossen werden können. Die sieben leuchtenden LEDs, wobei eine LED durch die Halterung verdeckt ist, zeigen dem Anwender von außen an, wie hoch der Pegel des Mediums im Tank ist.
3 zeigt eine Auswerteschaltung, die über einen Multiplexer MUX mit den einzelnen Messelektroden verbunden ist und die es ermöglicht, den Kapazitätswert der einzelnen Messelektroden, der durch das Medium beeinflusst wird, zu bestimmen.
4 zeigt die digitalisierten Kapazitätsmesswerte, die den einzelnen Elektroden zugeordnet sind. Der Füllstandsensor weist insgesamt 16 reale Elektroden auf, die erste Elektrode ist eine Art „Referenzelektrode“, die an keine Messelektrode angeschlossen ist und die das Medium damit auch nicht sehen kann. Das Messsignal von den Elektroden 2-6 bzw. 9-17 ist gleich hoch. Die Elektroden 2-6 „sehen“ das Medium vollständig, sie sind vom Medium überdeckt. Die Elektroden 9-17 „sehen“ das Medium nicht, sie sehen der leeren Tank. Im Bereich der Elektroden 7 und 8 fällt der Kapazitätswert stark ab. Der Pegel des Mediums liegt deshalb auf der Höhe dieser beiden Elektroden. Aus der Signalstärke kann man schließen, dass der Pegel näher zur 7. Elektrode liegt. Nach dem Einbau des Füllstandsensors am Tank wird ein Leerabgleich und ein Vollabgleich durchgeführt. Dadurch erhält man den Kapazitätswert für Tank leer, den Leerwert und den Kapazitätswert für Tank voll, den Vollwert
5 zeigt einen Tank mit einem niedrigeren Füllstand.
6 zeigt die entsprechenden digitalisierten Kapazitätsmesswerte der einzelnen Messelektroden 2-17. Hier „sieht“ nur die unterste Elektrode 2 das Medium. Sie ist als einzige vom Medium überdeckt. Die restlichen Elektroden zeigen den Leerwert.
7 zeigt den Fall, dass sich an der Behälterinnenwand Ablagerungen (Anhaftungen) gebildet haben. Solche Anhaftungen können z.B. bei stark viskosen Flüssigkeiten oder bei statisch geladenen Schüttgütern auftreten. In der Regel sind die Anhaftungen in etwa gleichmäßig über die gesamte Innenwand verteilt. Im Messsignal der einzelnen Elektroden wirken sich diese Anhaftungen als Offset gegenüber dem Leerwert aus.
Solange die Schichtdicke der Anhaftung nicht zu stark ist, kann die Füllstand im Tank noch sicher erkannt werden.
8 zeigt den Fall, dass die Schichtdicke der Anhaftung eine kritische Grenze erreicht hat. Hierbei übersteigt der Offset gegenüber dem Leersignal eine vorgegebene Grenze. Dem Anwender wird dies durch eine Signal LED angezeigt und über eine Warnung am Fehlerausgang ausgegeben bzw. über IO-Link als digitale Warnung „Tank reinigen“.
9 zeigt den Fall, dass sich an der Behälterwand keine homogene sondere eine ungleichförmige Anhaftung (Verkrustung) ausgebildet hat.
Dies führt zu einem Messsignalverlauf der 16 Messelektroden, der nicht mehr eindeutig einem Füllstand des Mediums zugeordnet werden kann. Die Pfeile weisen auf einzelne nicht interpretierbare Signalverläufe hin.
Der Füllstandssensor zeigt dem Anwender durch eine Signal LED an, dass der Füllstand nicht mehr zuverlässig ermittelt werden kann. In diesem Fall ist die Tankinnenwand zu stark verdreckt und die Tankinnenwand muss deshalb gereinigt werden.
Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.
In einem ersten Verfahrensschritt, dem Leer-Teach, werden die Kapazitätswerte bei leerem Tank ermittelt und als Leerwerte abgespeichert.
Kann ein Füllstand sicher ermittelt werden, werden die Unterschiede der Kapazitätswerte der nicht bedeckten Messelektrodenelektroden mit den abgespeicherten Leerwerten ermittelt
Δ(i)=KW(i)-LW(i) wobei KW der aktuelle Kapazitätswert der i-ten Messelektrode und LW(i) der Leerwert der i-ten Messelektrode ist. Betrachtet werden nur die nicht bedeckten Messelektroden i>i₀ wobei i₀ die letzte Messelektrode bezeichnet, die vom Medium bedeckt ist. Wenn die Unterschiede Δ(i) vordefinierte Schwellwerte übersteigen, wird eine Alarmmeldung ausgegeben.
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 19839000 A1 [0006]
DE 10205445 [0007]

Claims

Verfahren zur Erkennung von Anhaftungen an einer Innenwand eines Tanks mit einem kapazitiven Füllstandssensor, der zur Bestimmung des Füllstandes eines Mediums an der Tankaußenwand angebracht ist, wobei der Füllstandssensor mehrere Elektroden aufweist, die mit einer Auswerteschaltung verbunden sind, wobei die Kapazitätsmesswerte der einzelnen Elektroden im Zeitmultiplexverfahren nacheinander mit der Auswerteschaltung bestimmt werden, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte A) In einem ersten Verfahrensschritt (Leerteach) werden die Kapazitätswerte bei leerem Tank ermittelt und als Leerwerte abgespeichert B) Kann ein Füllstand sicher ermittelt werden, werden die Unterschiede Δ der Kapazitätswerte der nicht bedeckten Elektroden und der abgespeicherten Leerwerten ermittelt Δ(i)=KW(i)-LW(i), wobei der KW(i) aktueller Kapazitätswert der i-ten Elektrode und LW(i) den Leerwert der i-ten Elektrode bezeichnet C) Wenn die Unterschiede Δ(i) vordefinierte Schwellwerte übersteigen, wird eine Alarmmeldung ausgegeben