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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kapazitiven Bestimmung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter mit mehreren durch die Wandung des Behälters vom Medium getrennten Messelektroden
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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. Bei dieser Baureihe sind die Elektroden von einem Kunststoffrohr ummantelt. Das Kunststoffrohr wird in das Medium eingetaucht.
Neben Messgeräten die mediumberührende Messelektroden aufweisen, sind auch Applikationen bekannt, bei denen mehrere Messelektroden an der Außenseite des Behälters (Tanks) vorgesehen sind, die also durch die Behälterwand vom Medium getrennt sind.
Jede der Messelektroden ist mit einem Grenzstandschalter verbunden. Es wird also kein Füllstand gemessen, sondern nur ob eine einzelne Elektrode bedeckt oder nicht bedeckt ist.
Die Messgenauigkeit dieser Geräte ist in der Regel nicht ausreichend.
Grenzstandschalter dieser Art werden auch von der Anmelderin hergestellt und in verschiedenen Bauformen auf den Markt gebracht. Für eine Grenzstandsdetektion 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 Vorbeeinflussung darstellt und somit ein Offset-Signal erzeugt, welches die voreingestellte Schaltschwelle unter Umständen übersteigen kann. Außerdem ist der Signaldifferenz zwischen „Medium detektiert“ und „Leer“ vom Medium selbst und insbesondere von dessen Permittivität 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 Behälterwand (Tankwand) befestigt sind.
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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.
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Bei einem kapazitiven Füllstandsmesssgerät, das nicht mediumberührend arbeitet, ist die Beziehung zwischen dem kapazitiven Messwert der Messelektrode und dem Füllstand bzw. dem Bedeckungsgrad der einzelnen Messelektrode üblicherweise nicht von vorneherein bekannt.
Insbesondere wenn derartige Füllstandsmessgeräte bei Behältern mit unterschiedlichen Wandstärken und bzw. in unterschiedlichen Einbaulagen eingesetzt werden sollen. Teilweise werden solche Füllstandsmessgeräte auch zur Messung von inhomogenen Medien (z. B. Schüttgüter) eingesetzt und auch bei Medien mit unbekannten Medieneigenschaften.
Bei diesen Bedingungen ist eine Bestimmung des Füllstands im Behälter, durch Ermittlung der größten Änderung der Kapazitätswerte, also an der Stelle im Diagramm an der im Verlauf der Kapazitätswerte eine steile Flanke erkennbar ist, über die einzelnen Elektroden entlang der linearen Elektrodenanordnung (Elektrodenarray) nicht zuverlässig.
Häufig ist hier ein Bezug auf typische Absolutwerte wie z. B. Leerabgleich und Vollabgleich erforderlich, um den Füllstand im Behälter zuverlässig bestimmen zu können. Die Hersteller von derartigen kapazitiven Füllstandsmessgeräten geben deshalb Empfehlungen ab, wie das Gerät eingebaut werden darf und wann eine Übervoll-Erkennung mit einer zusätzlichen Elektrode oder ein zusätzlicher Sensor erforderlich sein kann etc.
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Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur kapazitiven Bestimmung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter mit mehreren durch die Wandung des Behälters vom Medium getrennten Messelektroden anzugeben, das die oben genannten Nachteile nicht aufweist, welches insbesondere nicht auf ein spezielles Medium eingeschränkt ist, das auch für inhomogene Medien geeignet ist und das auch für verschiedene Behälterformen, Einbaulagen und Wandstärken geeignet ist und das keine zwei Abgleichprozeduren Leerabgleich und Vollabgleich erfordert. Gelöst wird diese Aufgabe mit dem in Anspruch 1 angegebenen Verfahren.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
- 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines kapazitiven Füllstandssensors
- 2 Behälter mit Füllstandssensor
- 3 Blockdiagramm einer Auswerteschaltung des Füllstandssensors
- 3a schematische Signalauswerteschaltung
- 4 Messdiagramm der Kapazitätswerte bei halbvollem Behälter
- 5 Messdiagramm der Kapazitätswerte ohne erkennbare eindeutige Kante im Verlauf
- 6 Messdiagramm der Kapazitätswerte mit einer dynamischen Flankenschwelle zur Ermittlung des Füllstands
- 7 schematische Darstellung des Winkels α zwischen den aktuellen Kapazitätswerten als Vektor und dem Referenz-Vektor
- 8 Messdiagramme der Kapazitätswerte für typische Applikationen mit vollkommen gefüllten Behälter
- 9 Flussdiagramm für die Bestimmung des Referenzvektors
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines kapazitiven Füllstandssensors auf die Signalisierungsseite, die mehrere LEDs aufweist, welche den ermittelten Füllstand im Behälter wiedergeben, d.h. 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.
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2 zeigt einen Behälter an dessen Außenwand der Füllstandssensor angebracht ist. Im Behälter befindet sich ein Medium z.B. wässrige Medien, trockene Schüttgüter, Öle. 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 Behälter ist.
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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.
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3a zeigt das Messprinzip nach dem die Auswerteschaltung gemäß 3 arbeitet. Die Signalquelle liefert einen hochfrequenten Spannungspuls 2MHz 3,3 Volt.
Der Behälter und das Medium stellen eine unbekannte Impedanz Z dar. Mit dem Strommessgerät A werden die Strompulse mittels Synchrondemodulation ausgewertet. Die Nadelpulse werden gleichgerichtet und geglättet und in einem Konverter ADC in ein digitale Werte umgewandelt und im Mikrocontroller ausgewertet. Vielfach ist der Konverter ADC in den Mikrocontroller integriert.
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4 zeigt die digitalisierten Kapazitätsmesswerte, eines medienberührenden kapazitiven Füllstandssensors, für die einzelnen Elektroden als Diagramm.
Der Füllstandsensor weist insgesamt 16 Elektroden auf. Die Messwerte um die 7. Elektrode zeigen einen starken Abfall so dass der Füllstand direkt durch Interpolation ermittelt werden kann. Mit einem entsprechenden Auswertealgorithmus, der nach einer eindeutigen Kante im Messwertverlauf sucht, kann deshalb der Füllstand mit großer Sicherheit bestimmt werden. Er liegt hier auf der Höhe der 7. Elektrode. Die bei der Inbetriebnahme ermittelten Leerabgleichswerte wurden hier für die einzelnen Messelektroden berücksichtigt. Deshalb liegen die Messwerte der Messelektroden 11-16 quasi auf der Nulllinie.
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5 zeigt ein Diagramm der Kapazitätswerte bei dem eine eindeutige Kante im Messwertverlauf nicht mehr erkennbar ist.
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Bei einem durchgeführten Leerabgleich und einer Berücksichtigung der Leerabgleichswerte kann in diesem Fall keine Entscheidung getroffen werden, ob der Behälter voll ist, da kein Vollabgleich als Referenz vorliegt.
Im komplementären Fall, dass ein Vollabgleich durchgeführt wurde, kann unter der Berücksichtigung der Vollabgleichswerte keine Entscheidung getroffen werden, ob der Behälter leer ist, da kein Leerabgleich vorliegt.
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6 zeigt ein Diagramm unter der Berücksichtigung der Leerabgleichswerte, wobei eine dynamische Flankenschwelle definiert wurde. Typischerweise wird der Kapazitätswert bei leerem Behälter, d.h. der jeweilige Leerwert von den aktuellen Messwerten abgezogen und dann die Flankenschwelle ermittelt, indem der halbe gewichtete Mittelwert bestimmt wird. Damit wird die dynamische Flankenschwelle an das spezielle Medium angepasst.
Um eventuelle EMV Störeinflüsse zu unterdrücken, wird die Messwerte bei der Ermittlung der dynamischen Flankenschwelle gefiltert. Im vorliegenden Fall wird der größte Messwert bei der Ermittlung der dynamischen Flankenschwelle verworfen. Entsprechendes gilt bei einem durchgeführten Vollabgleich. Denkbar sind auch andere truncated mean Verfahren zur Ermittlung der dynamischen Flankenschwelle.
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7 zeigt schematisch den Winkel α zwischen den aktuellen Kapazitätswerte als Vektor und dem Referenz-Vektor.
Wenn trotz der Ermittlung einer dynamischen Flankenschwelle kein Füllstand zuverlässig bestimmt werden kann, wird gemäß der Erfindung der Winkel zu einem Referenzvektor zur Erkennung eines Vollzustands bzw. eines Leerzustands verwendet. Damit ist die Erkennung des Vollzustands bzw. Leerzustands nicht an Absolutwerte gebunden, die sich bei einem Mediumswechsel stark ändern können.
Kern der Erfindung ist es, die n Einzelmesswerte als Vektor aufzufassen und den Winkel zu einem Referenzvektor als Kriterium zu verwenden, ob der Behälter voll oder leer ist.
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8 zeigt verschieden Diagramme für typische Applikationen bei vollständig gefüllten Behälter.
Zur Ermittlung des Referenzvektors werden typische Applikationen im Labor nachgestellt bzw. Informationen von Feldtests berücksichtig.
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Der Referenzvektor wird vor der Auslieferung des Füllstandsmessgeräts in einen entsprechenden Datenspeicher jedes Füllstandsmessgeräts geschrieben.
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9 zeigt ein Flussdiagramm für die Bestimmung des Referenzvektors
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Nachfolgend ist sind die erfindungsgemäße Verfahrensschritte näher erläutert.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur kapazitiven Bestimmung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter ist für kapazitive Füllstandsmessgeräte geeignet, bei denen mehrere Messelektroden an der Außenwand des Behälters angebracht sind. Die Messelektroden sind deshalb durch die Wandung des Behälters vom Medium getrennt. Die Kapazitätswerte der einzelnen Messelektroden werden mit Hilfe einer Auswerteschaltung ermittelt. Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, dass weder die Wandstärke der Behälterwand noch die elektrischen Eigenschaften des Mediums von vorne herein bekannt sind. Deshalb werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt:
- Bei der Inbetriebnahme wird ein Abgleich mit einem definierten Befüllzustand des Behälters (Tanks) durchgeführt. Der definierte Befüllzustand kann entweder der Leerzustand des Behälters (Tanks) oder der Vollzustand sein. Dabei wird für jede Elektrode der Abgleichkapazitätswert ermittelt.
Im Betrieb wird dann versucht den Füllstand anhand merklicher Änderungen z. B. einer Flanke der gemessenen Kapazitätswerte zwischen einzelnen Elektroden unter Berücksichtigung der Abgleichskapazitätswerte zu ermitteln.
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Wenn im dem vorhergehenden Verfahrensschritt kein Füllstand ermittelt werden kann, wird die Homogenität des Verlaufs der Kapazitätswerte der einzelnen Messelektroden ermittelt, um zu prüfen, ob ein komplementärer Befüllzustand zum definierten Abgleichszustand vorliegt.
Zur Bestimmung der Homogenität der Kapazitätswerte wird der Winkel α zwischen dem Vektor der gemessenen Kapazitätswerte und einem fest vorgegebenen Referenzvektor ermittelt. Falls dieser Winkel α kleiner als ein Vorgabewert ist, liegt Homogenität vor.
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In einer Weiterentwicklung der Erfindung wird die Detektionsschwelle für die merkliche Änderung der Kapazitätswerte einzelner Elektroden an die gemessene Gesamtkapazität angepasst, wobei die Gesamtkapazität als truncated mean Wert aller gemessenen Kapazitätswerte der Elektroden bestimmt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist für die folgenden als Anwendungsbeispiele gekennzeichnet Applikationen besonders geeignet.
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Anwendungsbeispiel 1:
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Müllerei
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In einerMüllerei werden unterschiedliche Feldfrüchte (z.B. Weizen, Roggen, Gerste...) zu Mehl gemahlen. Die Medien unterscheiden sich aufgrund ihrer Packungsdichte (bzw. Mahlgrad) und ihrem Feuchtigkeitsgehalt wesentlich in ihren elektrischen Eigenschaften. Diese Medien werden oft im laufenden Betrieb gewechselt, wenn beispielsweise eine neue Lieferung eintrifft. Weiterhin sind die einzelnen Walzenstühle in einer Mühle kaskadiert, so dass ein Füllen aller Walzenstühle zur Durchführung eines Vollabgleichs bei jedem Medienwechsel mindestens extrem unpraktisch wenn nicht sogar unmöglich ist. Weiterhin dürfen im Walzenstuhl keine Fremdkörper (z.B. die Stabsonde eines konventionellen Sensors) den Fluss des Mahlguts stören. Außerdem ist für die Regelung der Walzenstühle (z.B. die Drehzahl der Mahlwalze) ein kontinuierlicher Messwert erforderlich. All diese Probleme werden durch die Erfindung gelöst:
- • Der Sensor kann außerhalb des Produktraums montiert werden. Damit kann das Mahlgut ungehindert passieren und es kommt zu keinen Ablagerungen.
- • Es wird ein kontinuierliches Messsignal ausgegeben. Damit ist der Sensor für die Regelung der Maschine geeignet.
- • Ein Leerabgleich ist ausreichend, um den Füllstand verschiedenster Medien zu detektieren. Das Medium kann problemlos gewechselt werden. Auch Änderung des Feuchtigkeitsgehalts und Schwankung der Packungsdichte stellen kein Hindernis mehr dar.
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Anwendungsbeispiel 2:
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Tintendrucker
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Bei industriellen Druckern soll der Tintenfüllstand überwacht werden, damit die Patrone rechtzeitig bestellt und gewechselt werden kann. Der Kunde kann außerdem den Füllstand des Druckers in Echtzeit überwachen. Die Tintensorten unterscheiden sich signifikant hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften. Außerdem sind die mechanischen Toleranzen beim Einbau der Patronen recht hoch.
Auch hier kann der Sensor einmalig montiert und ein Leerabgleich durchgeführt werden. Dadurch kann der Füllstand unterschiedlicher Tintensorten unabhängig von der mechanischen Toleranz gemessen werden.
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Anwendungsbeispiel 3:
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Kläranlage
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In einer Kläranlage soll der Füllstand der Klärbrühe in einem Bypassrohr gemessen werden, um den Klärprozess zu überwachen. Während des Betriebs kann es zu Anlagerungen oder Verschmutzungen auf der Innenseite des Rohrs kommen. Auch ist eine Reinigung der Rohrinnenseite bei laufendem Prozess nicht möglich, um einen Leerabgleich durchzuführen.
Hier ermöglicht es die Erfindung, nur einen Vollabgleich durchzuführen und den Sensor in Betrieb zu nehmen. Außerdem sorgt die dynamische Flankenschwelle dafür, dass Anlagerungen nicht fälschlicherweise als Füllstand erkannt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19839000 A1 [0002]
- DE 10205445 [0003]
