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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Füllstandssensoren, insbesondere kapazitive Füllstandssensoren für flüssige Medien mit starker Verschmutzung. Die Erfindung betrifft weiterhin Maßnahmen zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der Füllstandserkennung eines Füllstandssensors gegenüber Schmutzablagerung.
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Technischer Hintergrund
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Mit einem Füllstandssensor kann der Füllstand einer Flüssigkeit in einem Behälter erfasst werden. Ein Füllstandssensor kann auf einem kapazitiven oder resistiven Messprinzip basieren. Bei einem kapazitiven Füllstandssensor ist eine Sonde vorgesehen, die zu einem Bezugspotenzial durch den Inhalt des Behälters eine Kapazität ausbildet. Insbesondere kann der Behälter elektrisch leitend ausgebildet sein und mit dem Bezugspotenzial, insbesondere dem Massepotenzial, belegt sein.
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Die Kapazität zwischen Sonde und Bezugspotenzial hängt von der Menge des flüssigen Mediums in dem Behälter und weiterhin von festen Parametern ab, insbesondere von der Geometrie der Sonde, dem Material, der Form und der Dicke einer Schutzabdeckung über der Sonde zur Vermeidung eines direkten Kontakts der Flüssigkeit im Behälter mit der Sonde, dem Abstand zwischen Sonde und Bezugspotenzial, den Ort der Anordnung der Sonde in dem Behälter und den dielektrischen Eigenschaften des in dem Behälter befindlichen Mediums.
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Bei Änderung eines Füllstands des Mediums in dem Behälter ändert sich die Kapazität zwischen Sonde und Bezugspotenzial. Insbesondere weisen einige flüssige Medien eine hohe Dielektrizitätszahl gegenüber Luft oder anderen Gasen auf, so dass bei Erreichen eines Füllstands des Mediums in Höhe der Sonde des Füllstandssensors ein signifikanter Anstieg der Kapazität erfasst werden kann.
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Der Füllstandssensor ist in der Regel ein Schaltsensor, der bei Erreichen eines bestimmten Füllstands ein entsprechendes Ausganssignal umschaltet. Insbesondere wird bei hoher Kapazität ein mit flüssigem Medium gefüllter Behälter und bei niedriger Kapazität ein geringerer Füllstand signalisiert.
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Verschmutzungen in flüssigen Medien können sich insbesondere bei häufig wechselnden Füllständen an der Sondenabdeckung und dem Behälterrand anhaften und die durch die Sonde gemessene Kapazität maßgeblich beeinflussen. Je größer die Dielektrizitätszahl und die Dicke der Anhaftung, desto größer ist die Kapazität, die zwischen Sonde und dem Bezugspotenzial aufgrund der Anhaftung wirkt. Je nach Empfindlichkeitseinstellung des Füllstandssensors kann demnach eine Anhaftung auf der Sondenabdeckung dazu führen, dass eine hohe Kapazität gemessen wird, obwohl der Flüssigkeitsstand einem geringen Füllstand entspricht. Mit anderen Worten, Anhaftungen stellen dann ein Problem dar, wenn der Flüssigkeitsstand niedrig ist und aufgrund der Anhaftung eine hohe Kapazität gemessen wird, wodurch es zu einer Fehlerkennung eines hohen Füllstandes im Behälter kommt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Füllstandssensor zur Verfügung zu stellen, der eine verbesserte Erkennungszuverlässigkeit aufweist und insbesondere Fehlerkennungen eines hohen Füllstands vermeidet bzw. deren Wahrscheinlichkeit reduziert.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch den Füllstandssensor zur Messung eines Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem Aspekt ist ein Füllstandssensor zum Messen eines Füllstands eines flüssigen Mediums in einem Behälter vorgesehen, umfassend:
- - eine Sonde zum Anbringen an einer Seitenwand des Behälters im Bereich einer Füllstandsschwelle, die das Flüssigkeitsniveau angibt, ab der der Füllstandssensor einen hohen Füllstand anzeigt;
- - eine Sondenabdeckung, die die Sonde umgibt, um einen Kontakt des flüssigen Mediums mit der Sonde zu vermeiden und die eine aktive Fläche definiert, über die eine Sensorgröße messbar ist;
- - mindestens ein Abhalteelement, das ausgebildet ist, um bei wechselndem Füllstand das unmittelbare Anlagern einer Anhaftung auf der aktiven Oberfläche der Sondenabdeckung zu vermeiden.
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Insbesondere kann das mindestens eine Abhalteelement ausgebildet sein, um bei Anlagerung einer Anhaftung einen nicht mit dem flüssigen Medium gefüllten Bereich zwischen der aktiven Oberfläche und der Anhaftung auszubilden. Die aktive Oberfläche entspricht einem Bereich des Füllstandssensors, der maßgeblich ist für die Messung der Sensorgröße. Im Falle einer Kapazität und einer Leitfähigkeit als Sensorgrößen kann die aktive Fläche eine der Sonde gegenüberliegende Fläche der Sondenabdeckung sein.
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Bei Füllstandssensoren für Behälter zur Aufnahme von verschmutzten Medien sind insbesondere Anhaftungen von flachen Feststoffen, wie beispielsweise Toilettenpapier, Küchenpapier, Folien, Textilien in Abwässern problematisch, wenn diese sich über die Sondenabdeckung des Füllstandssensors legen. Ausgehend von der Oberfläche der Sondenabdeckung ergibt sich hier nämlich eine hohe Kapazität bezüglich eines gasförmigen Mediums im Behälter aufgrund der höheren Dielektrizitätskonstanten der Anhaftung, die gegebenenfalls noch mit der Flüssigkeit getränkt ist. Dies kann je nach Dicke der Anhaftung zu einer Fehlerkennung eines hohen Füllstandes führen.
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Insbesondere Anhaftungen, die unmittelbar auf der Sondenabdeckung aufliegen, bewirken einen unmittelbaren Pfad zwischen Sonde zum Bezugspotenzial durch Materialien mit relativ hoher Dielektrizitätskonstante gegenüber der von gasförmigen Medien. Dadurch erhöht sich die Gefahr einer Fehlerkennung erheblich. Daher ist gemäß obigem Füllstandssensor vorgesehen, die Sondenabdeckung so auszubilden, dass sich Anhaftungen mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit auf der aktiven Oberfläche der Sondenabdeckung unmittelbar der Sonde gegenüberliegend anlagern. Dadurch wird bei niedrigem Füllstand bewirkt, dass sich zwischen einer aktiven Oberfläche der Sondenabdeckung und einer etwaigen Anlagerung ein Abstandsbereich befindet, der mit Luft bzw. einem anderen gasförmigen Medium gefüllt ist. Der Abstandsbereich bewirkt im elektrischen Pfad eine serielle Beaufschlagung einer Teilkapazität oder Teilleitfähigkeit, die maßgeblich die Gesamtkapazität bzw. die Gesamtleitfähigkeit des Füllstandssensors zwischen Sonde und Bezugspotenzial verringert.
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Das mindestens eine Abhalteelement kann als Erhebung auf der Sondenabdeckung ausgebildet sein. Diese ist angeordnet und/oder ermöglicht, dass verhindert wird, dass bei sinkendem Flüssigkeitsniveau sich Verschmutzungen an der aktiven Fläche anlagern.
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Auf der Sondenabdeckung außerhalb der aktiven Oberfläche sind eine oder mehrere Abhalteelemente, insbesondere in Form von Erhebungen über die Fläche der Sondenabdeckung, ausgebildet, die bei einer Füllstandsänderung im Behälter, die Anlagerung von Verschmutzungen an der aktiven Oberfläche verhindern. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die aktive Oberfläche der Sondenabdeckung im Wesentlichen frei von einer Anhaftung bleibt, während diese sich vorzugsweise im Bereich der Abhalteelemente anlagern. Die Messkapazität bleibt dann besonders klein, da sich Luft bzw. das gasförmige Medium bei einem niedrigen Füllstand zwischen der aktiven Oberfläche und der Anhaftung ausbildet.
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Das mindestens eine Abhalteelement kann die aktive Oberfläche vollständig oder teilweise umgeben.
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Es kann vorgesehen sein, die Sonde von einer Schirmelektrode zu umgeben, um den Einfluss einer etwaigen Anhaftung zu reduzieren, indem die aktive Oberfläche der Sondenabdeckung begrenzt wird. Die Schirmelektrode ist ebenfalls von der Sondenabdeckung abgedeckt, wobei die Sondenabdeckung die Schirmelektrode umschließt, um einen Kontakt des flüssigen Mediums mit der Schirmelektrode zu vermeiden. Die Sonde und die Schirmelektrode sind mit identischen oder ähnlichen Potenzialen verbunden, jedoch wird nur die Kapazität zwischen der Sonde und dem Bezugspotenzial ausgewertet. Da die Kapazität zwischen der Schirmelektrode und dem Bezugspotenzial nicht ausgewertet wird, beeinflusst die sich an der Erhebung über der Schirmelektrode anlagernde Anhaftung die Messung nicht.
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Das mindestens eine Abhalteelement kann vorzugsweise der Schirmelektrode gegenüberliegend ausgebildet sein.
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Die Schirmelektrode ist üblicherweise näher an dem Bezugspotenzial angeordnet als die Sonde.
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Das Vorsehen einer entsprechend mit Abhalteelemente ausgebildeten Sondenabdeckung hat den Vorteil, dass die Wahrscheinlichkeit einer Fehlerkennung eines hohen Füllstands im Behälter reduziert werden kann. Dies wird durch eine sehr einfache Maßnahme erreicht, da insbesondere die Sondenabdeckung, die häufig als Kunststoffteil ausgebildet ist, einstückig mit den Abhalteelementen (Erhebungen) ausgebildet werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform kann eine Messvorrichtung vorgesehen sein, um eine Kapazität zwischen der Sonde und einem Bezugspotenzial, das in dem Behälter oder an einer Behälterwand vorgesehen ist, zu messen und der gemessenen Kapazität eine Angabe über einen Füllstand zuzuordnen.
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Figurenliste
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Querschnittsdarstellung durch einen Füllstandssensor in einem Behälter;
- 2 eine schematische Darstellung des Füllstandssensors mit einer Anhaftung an einer Oberfläche einer Sondenabdeckung;
- 3 eine schematische Darstellung einer mit Erhebung versehenen Sondenabdeckung und eine mögliche Form einer Anlagerung einer Anhaftung; und
- 4 eine schematische Darstellung eines mit einer Schirmelektrode versehenen Füllstandssensors und einer Sondenabdeckung mit Abhalteelementen für etwaig an die aktive Oberfläche gelangenden Anhaftungen.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Füllstandssensors 1 zum Messen eines Füllstands eines flüssigen Mediums 2 in einem Behälter 3. Der Füllstandssensor 1 ist als kapazitiver Füllstandssensor ausgebildet. In alternativen, nicht weiter beschriebenen Ausführungsformen kann der Füllstandssensor 1 gleichermaßen auch als resistiver Füllstandssensor ausgebildet sein.
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Der Füllstandssensor 1 ist an einer Seitenwand 5 des Behälters 3 in einer Höhe angeordnet, die einer Füllstandsschwelle entspricht. Die Füllstandsschwelle gibt das Flüssigkeitsniveau an, ab der der Füllstandssensor 1 einen hohen Füllstand anzeigt.
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Der Füllstandssensor 1 weist eine Sonde 4 auf, die zu einem Bezugspotenzial Vref eine Kapazität ausbildet. Das Bezugspotenzial kann an einer Behälterwand 6 vorgesehen sein, insbesondere kann der gesamte Behälter 3 leitfähig ausgebildet sein, so dass sich eine Kapazität zwischen der Sonde 4 und der Behälterwand 6 ausbildet. Alternativ kann der Behälter 3 auch elektrisch nicht-leitend ausgebildet sein.
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Es ist eine Messvorrichtung 7 vorgesehen, die mit der Sonde 4 und dem Bezugspotenzial Vref verbunden ist und geeignet ist, eine Kapazität zwischen Sonde 4 und Bezugspotenzial Vref zu messen. Abhängig von dem Wert der Kapazität wird ein niedriger oder ein hoher Füllstand in dem Behälter 3 ermittelt.
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Die Sonde 4 ist von dem Behälterinhalt durch eine Sondenabdeckung 8 isoliert, die die Sonde 4 im Wesentlichen vollständig umgeben kann. Die Sondenabdeckung 8 ist ein nichtleitendes Material, insbesondere ein Kunststoffmaterial, das den elektrischen Kontakt der Sonde 4 mit der Behälterwand 6 und einem im Behälter befindlichen flüssigem Medium verhindert. Die Sondenabdeckung 8 kann auch als Teil der (elektrisch nichtleitenden) Behälterwand 6 ausgebildet sein, wobei die Sonde 4 außenseitig auf die Behälterwand 6 aufgesetzt ist und der Abschnitt der Behälterwand 6, der die Sonde 4 von dem Inhalt des Behälters 3 trennt, als Sondenabdeckung 8 im Sinne dieser Erfindung wirkt.
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Eine Messkapazität bildet sich somit als Serienkapazität zwischen der Sonde 4 und dem Bezugspotential Vref aus. Die Serienkapazität wird gebildet als Kapazität CA zwischen der Sonde 4 und einer Oberfläche der Sondenabdeckung 8 und einer Kapazität CB zwischen der Oberfläche der Sondenabdeckung 8 und dem Bezugspotenzial Vref, d. h. der Behälterwand 6.
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Kommt es zu einer Anhaftung 9, die sich über eine aktive Oberfläche (kapazitiv sensitive Fläche der Sondenabdeckung 8, insbesondere ein der Sonde unmittelbar gegenüberliegender Flächenabschnitt der Oberfläche der Sondenabdeckung) der Sondenabdeckung 8 legt, wie es beispielsweise in 2 dargestellt ist, so bildet sich aufgrund der hohen Dielektrizitätskonstanten die maßgebliche Messkapazität als Reihenschaltung zwischen der Kapazität CA durch die Sondenabdeckung 8 und der Kapazität CC durch die Anhaftung 9 aus. Der übrige Bereich, der bei einem niedrigen Füllstand nicht mit dem flüssigen Medium gefüllt ist, trägt im Wesentlichen nicht zur Messkapazität bei. Somit hängt die Messkapazität ungeachtet des Füllstands maßgeblich von der Art der Anhaftung 9, insbesondere dessen Form, Erstreckung und Konsistenz ab. Ein niedriger oder hoher Füllstand kann so nicht gemessen werden, da die Messkapazität durch die Anhaftung entsprechend hoch ist.
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Um zu vermeiden, dass die Anhaftung 9 unmittelbar auf der Oberfläche der Sondenabdeckung anliegt, sind, wie in 3 gezeigt, Abhalteelemente 10, insbesondere in Form einer oder mehreren Erhebungen, auf der Sondenabdeckung 8 angeordnet. Diese Erhebungen sind so ausgebildet, dass diese bei einem Füllstandswechsel eine unmittelbare Anlagerung einer Schmutzanhaftung auf der aktiven Oberfläche der Sondenabdeckung 8 verhindert. Diese Maßnahme zeigt Wirkung insbesondere bei Anhaftungen von flachen Feststoffen, wie beispielsweise Toilettenpapier, Küchenpapier, Folien, Textilien.
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Insbesondere kann die Sondenabdeckung 8 mit einer ringförmigen oder umlaufenden Erhebung als Abhalteelement 10 vorgesehen sein, die den Bereich der Oberfläche der Sondenabdeckung 8, die der Sonde 4 gegenüberliegt, umgibt. Anhaftungen 9 lagern sich somit, insbesondere bei sinkendem Flüssigkeitsniveau, vorzugsweise über den Scheitelpunkt der Erhebungen an und liegen nicht unmittelbar auf der aktiven Oberfläche der Sondenabdeckung 8 auf. Somit bildet sich bei niedrigem Füllstand zwischen der aktiven Oberfläche der Sondenabdeckung 8 und der Anhaftung 9 ein nicht flüssigkeitsgefüllter (luftgefüllter) Hohlraum 11 aus, der eine niedrige Dielektrizitätskonstante aufweist und eine geringe Teilkapazität CL bewirkt und somit die Gesamtkapazität in einer Serienschaltung von Kapazitäten maßgeblich reduziert. Eine fälschliche Erkennung eines hohen Füllstands ist in diesem Fall ausgeschlossen.
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Es kann alternativ auch vorgesehen sein, dass die Erhebung nur oberhalb der aktiven Oberfläche der Sondenabdeckung 8 angeordnet ist, um bei sinkendem Flüssigkeitsniveau Verschmutzungen von einer Anlagerung an der aktiven Oberfläche abzuhalten.
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Die Anordnung und Ausgestaltung der Abhalteelemente 10 auf der Sondenabdeckung 8 ist vorzugsweise so, dass eine Anhaftung 9 bestmöglich ausgeschlossen wird. Insbesondere können die entsprechenden Abhalteelemente 10 oberhalb der Sonde 4 bzw. der aktiven Oberfläche der Sondenabdeckung 8 angeordnet sein, so dass sich daran anlagernde Anhaftungen 9 von einem Anlagern an der aktiven Oberfläche der Sondenabdeckung 8 abgehalten werden.
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Allgemein kann, wie in dem Ausführungsbeispiel der 4 gezeigt ist, der Einfluss der Anhaftung 9 auf die Messkapazität reduziert werden, indem eine Schirmelektrode 12 vorgesehen wird. Die Schirmelektrode 12 umgibt in der Regel die Sonde 4 und ist mit einem gleichen oder ähnlichen Wechselspannungspotenzial wie die Sonde 4 beaufschlagt. Das Vorsehen der Schirmelektrode 12 um die Sonde 4 ermöglicht es, die Messrichtung der Sonde 4 auf den Bereich der aktiven Oberfläche der Sondenabdeckung 8, der unmittelbar der Sonde 4 gegenüberliegt, zu beschränken. Dadurch wird der Einfluss einer neben der aktiven Oberfläche angelagerten Anhaftung 9 auf die Messkapazität reduziert.
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Die Kombination aus Abhalteelementen 10 und Abschirmung durch die Schirmelektroden 12 ermöglicht es, dass eine besonders effiziente Verringerung von Fehlerkennungen eines hohen Füllstandes erreicht werden kann.
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Dabei ist vorteilhaft, wenn das eine oder die mehreren Abhalteelemente 10 der Schirmelektrode 12 gegenüberliegend angeordnet sind. Umgibt die Schirmelektrode 12 die Sonde 4, so kann entsprechend das Abhalteelement 10 als Erhebung ausgebildet sein, die die aktive Oberfläche der Sondenabdeckung 8 umgibt. Durch das Abhalteelement 10, das insbesondere einstückig mit der Sondenabdeckung 8 ausgebildet sein kann, wird eine zuverlässige Verhinderung eines Anlagerns einer Anhaftung 9 im Bereich der aktiven Oberfläche gewährleistet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Füllstandssensor
- 2
- flüssiges Medium
- 3
- Behälter
- 4
- Sonde
- 5
- Seitenwand
- 6
- Behälterwand
- 7
- Messvorrichtung
- 8
- Sondenabdeckung
- 9
- Anhaftung
- 10
- Abhalteelement
- 11
- Hohlraum
- 12
- Schirmelektrode
- Vref
- Bezugspotenzial
