DE102020200866A1

DE102020200866A1 - Füllstandmesssonde zur gleichzeitigen kapazitiven und konduktiven Füllstandmessung

Info

Publication number: DE102020200866A1
Application number: DE102020200866.3A
Authority: DE
Inventors: Karl Griessbaum; Holger Staiger
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2020-01-24
Filing date: 2020-01-24
Publication date: 2021-07-29

Abstract

Füllstandmesssonde zur gleichzeitigen kapazitiven und konduktiven Füllstandmessung, aufweisend eine erste Messelektrodenanordnung, ausgeführt zur kapazitiven Füllstandmessung, und eine zweite Messelektrodenanordnung, ausgeführt zur gleichzeitigen konduktiven Füllstandmessung.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Füllstandmesssonde zur gleichzeitigen kapazitiven und konduktiven Füllstandmessung, ein Verfahren zur gleichzeitigen Durchführung einer kapazitiven und einer konduktiven Füllstandmessung mit einem Füllstandmessgerät, ein entsprechendes Füllstandmessgerät, ein Programmelement und ein computerlesbares Medium.
Hintergrund
Ein Füllstand oder Grenzstand kann beispielsweise mittels des konduktiven Messverfahrens überwacht werden. Hierfür werden Leitfähigkeitsmessungen im Füllmedium vorgenommen. Auch kann der Füllstand oder Grenzstand mittels eines kapazitiven Messverfahrens überwacht werden. Dabei wird der Füllstand aus der Kapazität der von einer Messelektrode und beispielsweise der Wandung des Behälters oder einer Bezugselektrode gebildeten Kapazität ermittelt.
Die Einsatzbereiche dieser beiden Messverfahren können unterschiedlich sein. Beispielsweise ist es für das konduktive Messverfahren entscheidend, dass das Füllmedium eine gewisse Mindestleitfähigkeit aufweist. Eine sehr hohe Leitfähigkeit kann hingegen zu Problemen bei der kapazitiven Füllstandmessung führen. Auch können sich Anhaftungen an der Sonde unterschiedlich auswirken.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Füllstandmesssonde und ein Füllstandmessverfahren anzugeben, welche zuverlässig und schnell Messergebnisse liefern.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Füllstandmesssonde zur gleichzeitigen kapazitiven und konduktiven Füllstandmessung. Die Füllstandmesssonde weist eine erste Messelektrodenanordnung auf, die zur kapazitiven Füllstandmessung ausgeführt ist. Darüber hinaus weist die Füllstandmesssonde eine zweite Messelektrodenanordnung auf, die zur gleichzeitigen konduktiven Füllstandmessung ausgeführt ist.
Beide Messverfahren (kapazitiv und konduktiv) können gleichzeitig durchgeführt werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Messverfahren sequenziell, also nacheinander durchgeführt werden oder gar eines der beiden Messverfahren deaktiviert wird.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass diese Deaktivierung eines der beiden Messverfahren erfolgt, wenn eine vorherige Messung ergeben hat, dass dieses Messverfahren keine sinnvollen Messergebnisse liefert, beispielsweise weil die Leitfähigkeit des Füllmediums zu gering oder zu hoch ist, so dass entweder die konduktive oder die kapazitive Messung keine sinnvollen Ergebnisse liefern kann. In diesem Fall kann auch vorgesehen sein, dass die momentan deaktivierte Messung unter bestimmten Umständen oder nach Ablauf einer bestimmten Zeit wieder (probeweise) zugeschaltet (aktiviert) wird, um entscheiden zu können, ob sich die Umstände geändert haben und die Messung nun doch (wieder) durchgeführt werden.
Somit passt sich der Sensor automatisch den Umgebungsbedingungen an. Es wird auf diese Weise nicht nur Energie sondern auch Zeit gespart, da nicht die Messdaten von zwei Messprinzipien ausgewertet werden. Diese Deaktivierung führt zu einem intelligenten Sensor, der sich immer wieder auf veränderte Umgebungsbedingungen anpassen kann.
Gemäß einer Ausführungsform weist die erste Messelektrodenanordnung eine erste Messelektrode und eine Bezugselektrode auf. Die zweite Messelektrodenanordnung weist eine zweite, von der ersten Messelektrode getrennte Messelektrode und dieselbe Bezugselektrode auf. Zusätzlich können eine oder mehrere Schirmelektroden vorgesehen sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die erste Messelektrode und die zweite Messelektrode von der Bezugselektrode umgeben.
Beispielsweise sind die erste Messelektrode und die zweite Messelektrode ringförmig ausgeführt.
Sie können, gemäß einer Ausführungsform, spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sein, oder konzentrisch zueinander.
Auch die Bezugselektrode kann ringförmig (bzw. zylinderförmig) ausgeführt sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die dem Füllgut zugewandten Randbereiche der ersten Messelektrode, der zweiten Messelektrode und der Bezugselektrode in derselben Ebene angeordnet. Bei dieser Ebene kann es sich auch um eine leicht gekrümmte Ebene in Form eines Kugelschalensegments oder dergleichen handeln.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Füllstandmessgerät mit einer oben und im Folgenden beschriebenen Füllstandmesssonde und einer Steuer- und Auswerteeinrichtung, beispielsweise in Form einer elektrischen Schaltung, eingerichtet zur gleichzeitigen Durchführung der kapazitiven und der konduktiven Füllstandmessung.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur gleichzeitigen Durchführung einer kapazitiven und einer konduktiven Füllstandmessung mit einem Füllstandmessgerät, bei dem eine erste Messelektrodenanordnung mit einem ersten Erregersignal beaufschlagt wird, um eine kapazitive Füllstandmessung durchzuführen. Gleichzeitig wird eine zweite Messelektrodenanordnung mit einem zweiten Erregersignal beaufschlagt, um gleichzeitig eine konduktive Füllstandmessung durchzuführen. Es wird ein erstes Antwortsignal erfasst, das auf das erste Erregersignal zurückzuführen ist, und aus dem sich berechnen lässt, ob ein Grenzstand erreicht ist, ob also die Füllstandmesssonde vom Füllgut bedeckt ist oder nicht. Es wird auch ein zweites Antwortsignal erfasst, das auf das zweite Erregersignal zurückzuführen ist, aus welchem sich ebenfalls bestimmen lässt, ob die Sonde vom Füllgut umgeben ist oder nicht. Daraufhin wird entschieden, ob der Grenzstand erreicht ist oder nicht. Hierfür können beide Antwortsignale berücksichtigt werden. Führen beide Auswertungen (die Auswertung des ersten Antwortsignals und die Auswertung des zweiten Antwortsignals) zum selben Ergebnis, kann mit großer Sicherheit von einer korrekten Messung ausgegangen werden. Führen beide Auswertungen jedoch zu unterschiedlichen Ergebnissen, kann vorgesehen sein, dass ein entsprechendes Warnsignal abgegeben wird, um den Benutzer darauf hinzuweisen. Ist die Ursache hierfür bekannt (beispielsweise kann eine der beiden Messungen aufgrund der Umgebungsbedingungen nicht zu einem korrekten Messergebnis führen), kann vorgesehen sein, dass das entsprechende Erregersignal vorerst nicht weiter abgegeben wird, diese Messung also deaktiviert wird.
Typischer Weise werden beide Signale getrennt ausgewertet. Allerdings ist es auch möglich, dass nach der Messsonde beide Signale zuerst gemischt werden und erst dann auf den Prozessor zur Digitalisierung geführt werden. Darauf können die beiden Signale im Prozessor zum Beispiel über eine Filterung wieder getrennt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass beide Messprinzipien die gleiche Schirmelektrode aufweisen. Hier ist es vergesehen, dass die Information der beiden Messprinzipien aus der Schirmelektrode gemischt sind und später wieder getrennt werden
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Programmelement, das, wenn es auf einer Steuer- und Auswerteeinrichtung eines Füllstandmessgeräts ausgeführt wird, die Steuer- und Auswerteeinrichtung anweist, die oben und im Folgenden beschriebenen Schritte durchzuführen.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein computerlesbares Medium, auf dem das oben beschriebene Programmelement gespeichert ist.
Im Folgenden werden weitere Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. In der folgenden Figurenbeschreibung bezeichnen gleiche Bezugszeichen die gleichen oder ähnliche Elemente. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
Figurenliste

1 zeigt eine Füllstandmesssonde.
2 zeigt eine Füllstandmesssonde gemäß einer Ausführungsform.
3 zeigt eine Füllstandmesssonde gemäß einer Ausführungsform.
4 zeigt eine Füllstandmesssonde gemäß einer Ausführungsform.
5 zeigt ein Füllstandmessgerät gemäß einer Ausführungsform.
6 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt eine Füllstandmesssonde eines Füllstandmessgeräts. Die Füllstandmesssonde 100 weist eine Messelektrode 101 und eine Bezugselektrode 103 auf. Zwischen der Messelektrode 101 und der Bezugselektrode 103 befindet sich eine Schirmelektrode 104. Die drei Elektroden sind über entsprechende Isolierungen 106, 107 voneinander elektrisch isoliert. Mittels dieser Anordnung kann eine kapazitive oder eine konduktive Füllstandmessung durchgeführt werden.
2 zeigt eine Ausführungsform einer Füllstandmesssonde 100, welche eine erste Messelektrode 101 und eine zweite Messelektrode 102 aufweist. Es ist eine gemeinsame Bezugselektrode 103 vorgesehen, welche die beiden Messelektroden 101, 102 umgibt. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die 1 bis 4 die Randbereiche bzw. Stirnflächen der Elektroden zeigen, welche dem Füllgut zugewandt sind und in das Füllmedium eintauchen, also eine Ansicht von unten, falls das Füllstandmessgerät vertikal eingebaut ist.
Auch in dieser Ausführungsform kann zwischen der Bezugselektrode und der entsprechenden Messelektrode eine Isolierung vorgesehen sein.
In der Ausführungsform gemäß 2 ist jede der beiden Messelektroden von einer eigenen Schirmelektrode 104, 105 umgeben. Ein Bereich der Bezugselektrode 103 befindet sich auch in der Mitte zwischen den beiden Messelektroden 101, 102 und den beiden Schirmelektroden 104, 105. Die beiden Messelektroden und die beiden Schirmelektroden, wie auch die Isolierungen 106, 107 sind spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet. Die Spiegelachse wird hierbei durch den mittigen Steg 110 der Schirmelektrode ausgebildet.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Füllstandmesssonde 100. In dieser Ausführungsform ist, wie auch in der Ausführungsform der 1, der Randbereich der Bezugselektrode 103 ringförmig ausgeführt. Die beiden Messelektroden 101, 102 sind kreisförmig ausgeführt und von der Bezugselektrode 103 umgeben. Zwischen der Bezugselektrode 103 und den beiden Messelektroden 101, 102 befindet sich die, ebenfalls kreisförmige Schirmelektrode 104, welche zwei kreisförmige Ausnehmungen aufweist, in denen sich die Messelektroden 101, 102 befinden. Alle Elektroden sind gegeneinander isoliert.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der sämtliche Elektroden konzentrisch angeordnet sind, ähnlich wie in der Ausführungsform der 1. Die erste Messelektrode 101 befindet sich im Zentrum der Anordnung und ist in Form eines Kreises ausgeführt. Darum herum befindet sich die ringförmige zweite Messelektrode 102. Der nächste Ring wird durch die (fakultative) Schirmelektrode 104 gebildet, und der äußere Ring durch die Bezugselektrode 103.
Die Anordnung kann aber auch in einer anderen Reihenfolge erfolgen. Beispielsweise kann sich die Bezugselektrode 103 auch an der Position der ersten Messelektrode 101 befinden, an der Position der zweiten Messelektrode 102 oder an der Position der Schirmelektrode 104. Auch können die Positionen der ersten Messelektrode und der zweiten Messelektrode vertauscht werden.
Beispielsweise können die Elektroden der kapazitiven Messung außen angesiedelt sein. Die kapazitive Messung wird anspruchsvoller, je kleiner die das Füllgut kontaktierende Oberfläche ist. Außen im Kreis steht mehr Fläche für die Messelektrode zu Verfügung als innen. Für die konduktive Messung ist die kontaktierende Oberfläche weniger oft entscheidend und diese Messelektroden würden somit innen liegen.
5 zeigt ein Füllstandmessgerät 300 mit einer Füllstandmesssonde 100 und einer daran angeschlossenen Steuer- und Auswerteeinrichtung 200.
6 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform. In Schritt 601 wird eine erste Messelektrodenanordnung eines Füllstandmessgeräts mit einem ersten Erregersignal zur kapazitiven Füllstandmessung beaufschlagt. Gleichzeitig erfolgt die Beaufschlagung einer zweiten Messelektrodenanordnung des Füllstandmessgeräts mit einem zweiten Erregersignal zur gleichzeitigen konduktiven Füllstandmessung. In Schritt 602 wird ein erstes Antwortsignal erfasst, das auf das erste Erregersignal zurückzuführen ist, sowie ein zweites Antwortsignal, das auf das zweite Erregersignal zurückzuführen ist. In Schritt 603 werden beide Antwortsignale ausgewertet und in Schritt 604 wird entschieden, ob ein Grenzstand erreicht ist oder nicht. Liefern beide Antwortsignale unterschiedliche Messergebnisse (Grenzstand erreicht/Grenzstand nicht erreicht), kann in Schritt 605 eine entsprechende Mitteilung an den Benutzer abgesetzt werden oder das Messgerät entscheidet, welches Messergebnis das richtige ist und schaltet gegebenenfalls die entsprechende andere Messelektrodenanordnung ab, so dass Energie gespart werden kann.
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend“ und „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und die unbestimmten Artikel „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.

Claims

Füllstandmesssonde (100) zur gleichzeitigen kapazitiven und konduktiven Füllstandmessung, aufweisend: eine erste Messelektrodenanordnung (101, 103), ausgeführt zur kapazitiven Füllstandmessung; eine zweite Messelektrodenanordnung (102, 103), ausgeführt zur gleichzeitigen konduktiven Füllstandmessung.
Füllstandmesssonde (100) nach Anspruch 1, wobei die erste Messelektrodenanordnung (101, 103) eine erste Messelektrode (101) und eine Bezugselektrode (103) aufweist; wobei die zweite Messelektrodenanordnung (102, 103) eine zweite Messelektrode (102) und die Bezugselektrode (103) aufweist.
Füllstandmesssonde (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Messelektrode (101) und die zweite Messelektrode (102) von der Bezugselektrode (103) umgeben sind.
Füllstandmesssonde (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Messelektrode (101) und die zweite Messelektrode (102) ringförmig ausgeführt sind.
Füllstandmesssonde (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Messelektrode (101) und die zweite Messelektrode (102) spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind.
Füllstandmesssonde (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Messelektrode (101) und die zweite Messelektrode (102) konzentrisch zueinander angeordnet sind.
Füllstandmesssonde (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bezugselektrode (103) ringörmig ausgeführt ist.
Füllstandmesssonde (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dem Füllgut zugewandten Randbereiche der ersten Messelektrode (101), der zweiten Messelektrode (102) und der Bezugselektrode (103) in der selben Ebene angeordnet sind.
Füllstandmessgerät (300) mit einer Füllstandmesssonde (100) nach einem der vorherigen Ansprüchen und eine Steuer- und Auswerteeinrichtung (200), eingerichtet zur gleichzeitigen Durchführung der kapazitiven und der konduktiven Füllstandmessung.
Füllstandmessgerät (300) nach Anspruch 9, eingerichtet zur Deaktivierung der konduktiven oder der kapazitiven Füllstandmessung, wenn eine vorherige Messung ergeben hat, dass die konduktive oder kapazitive Füllstandmessung keine sinnvollen Messergebnisse liefert.
Verfahren zur gleichzeitigen Durchführung einer kapazitiven und einer konduktiven Füllstandmessung mit einem Füllstandmessgerät (300), aufweisend die Schritte: Beaufschlagen einer ersten Messelektrodenanordnung (101, 103) mit einem ersten Erregersignal zur kapazitiven Füllstandmessung; gleichzeitiges Beaufschlagen einer zweiten Messelektrodenanordnung (102, 103) mit einem zweiten Erregersignal zur gleichzeitigen konduktiven Füllstandmessung; Erfassen eines ersten Antwortsignals, das auf das erste Erregersignal zurückzuführen ist, Erfassen eines zweiten Antwortsignals, das auf das zweite Erregersignal zurückzuführen ist; Entscheiden, ob ein Grenzstand errreicht ist, durch Auswerten des ersten und des zweiten Antwortsignals.
Programmelement, das, wenn es auf einer Steuer- und Auswerteeinrichtung (200) eines Füllstandmessgeräts ausgeführt wird, die Steuer- und Auswerteeinrichtung anweist, die folgenden Schritte durchzuführen: Beaufschlagen einer ersten Messelektrodenanordnung (101, 103) mit einem ersten Erregersignal zur kapazitiven Füllstandmessung; gleichzeitiges Beaufschlagen einer zweiten Messelektrodenanordnung (102, 103) mit einem zweiten Erregersignal zur gleichzeitigen konduktiven Füllstandmessung; Erfassen eines ersten Antwortsignals, das auf das erste Erregersignal zurückzuführen ist; Erfassen eines zweiten Antwortsignals, das auf das zweite Erregersignal zurückzuführen ist; Entscheiden, ob ein Grenzstand erreicht ist, durch Auswerten des ersten und des zweiten Antwortsignals.
Computerlesbares Medium, auf dem ein Programmelement nach Anspruch 12 gespeichert ist.