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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Grenzstanddetektion und einen Grenzstandsensor.
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Grenzstandsensoren sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise zur Messung von Grenz- oder Füllständen. Typische Anwendungsorte für die Erfassung einer definierten Füllhöhe sind Prozessbehältnisse, wie beispielsweise Prozesstanks, Lagertanks, Silos oder Rohrleitungen in der Prozessindustrie. Grenzstandsensoren werden dabei häufig als sogenannte Grenzschalter eingesetzt, das heißt zur Bestimmung, ob ein Füllmedium eine bestimmte Füllhöhe, den sogenannten Grenzstand, über- oder unterschreitet, in unterschiedlichen Flüssigkeiten, sowie granulierten und pulverförmigen Schüttgütern als auch für pastöse Substanzen wie Cremes oder Gele.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Arten von Grenzstandsensoren bekannt, die je nach Einsatzgebiet, Prozessbedingungen und Eigenschaften des Füllmediums ausgewählt werden. Beispielsweise kommen nach dem Prinzip TDR (Time Domain Reflectometry) arbeitende Sensoren, Vibrationsgrenzstandsensoren und kapazitiv arbeitende Sensoren zum Einsatz. Ein Schaltbefehl des Grenzschalters kann beispielsweise Befülleinrichtungen oder Entleereinrichtungen starten oder stoppen, um entsprechend ein Überlaufen oder Leerlaufen des jeweiligen Prozessbehältnisses zu vermeiden.
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Ferner sind aus dem Stand der Technik Grenzstandsensoren nach dem Impedanzsprungverfahren bekannt. Ein solcher Impedanzgrenzstandsensor wird in der Druckschrift
WO 2019/106025 A1 beschrieben. Dieser Impedanzgrenzstandsensor verfügt über eine Messsonde, die eine Messelektrode und eine Bezugselektrode umfasst. Eigenschaften eines Mediums, das die Messsonde umgibt, können mittels des Impedanzgrenzstandsensors gemessen werden. Das Medium bildet gemeinsam mit der Messsonde und einer diskreten Induktivität des Impedanzgrenzstandsensors einen Messschwingkreis. Dessen Frequenzantwort kann mittels eines Frequenzgenerators und eines Frequenzdetektors des Impedanzgrenzstandsensors ermittelt werden. Die Frequenzantwort lässt sich mittels einer Kurve darstellen, die angibt, welche Impedanz sich in dem Messschwingkreis in Abhängigkeit von einer Anregungsfrequenz einstellt. Auf Grundlage der Frequenzantwort kann ein Bedeckungszustand der Messsonde ermittelt werden. In der Regel wird dazu eine Resonanzfrequenz des Messschwingkreises betrachtet. Für ein bestimmtes Medium kann mittels einer Kalibrierungsmessung ermittelt werden, welche Resonanzfrequenz sich einstellt, wenn das Medium die Messsonde umgibt. Wenn sich eine bestimmte Resonanzfrequenz einstellt, dann kann daraus geschlossen werden, dass ein Pegel des Mediums nun die Messsonde erreicht hat.
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Dieses Verfahren weist die Schwäche auf, dass die Resonanzfrequenzen unterschiedlicher Medien mitunter stark voneinander abweichen können. Falls verschiedenartige Medien detektiert werden sollen, ist dieser Ansatz folglich nicht geeignet. Gemäß einem weiteren bekannten Verfahren vergleicht man deshalb Impedanzen, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten gemessen werden. Wenn sich die Impedanz innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums stark ändert, dann kann dies ein Hinweis darauf sein, dass sich der Bedeckungszustand geändert hat. Dieses Verfahren weist allerdings den Nachteil auf, dass eine zuletzt gemessene Impedanz bekannt sein muss, sodass sie mit einer aktuell gemessenen Impedanz verglichen werden kann. Wenn der Grenzstandsensor seine Stromversorgung verliert, dann ist die zuletzt gemessene Impedanz nach einem Neustart nicht mehr bekannt. Eine Veränderung der Impedanz kann nicht mehr verfolgt werden. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem ein Weiterbetrieb eines solchen Grenzstandsensors ohne erneute Kalibrierung auch nach einem Stromverlust möglich ist. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, einen Grenzstandsensor bereitzustellen, der auch nach einem Stromverlust ohne erneute Kalibrierung weiterbetrieben werden kann.
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Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1 und durch den Grenzstandsensor nach Anspruch 9. Die Unteransprüche betreffen verschiedene voneinander unabhängige, vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung, deren Merkmale vom Fachmann im Rahmen des technisch Sinnvollen frei miteinander kombiniert werden können. Dies gilt insbesondere auch über die Grenzen der verschiedenen Anspruchskategorien hinaus.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Grenzstanddetektion mittels eines Grenzstandsensors vorgeschlagen, mit den Schritten: Durchführung einer ersten Messung von ersten Impedanzmesswerten und einer zweiten Messung von zweiten Impedanzmesswerten durch den Grenzstandsensor, wobei die ersten Impedanzmesswerte und die zweiten Impedanzmesswerte durch ein Medium, das eine Messsonde des Grenzstandsensors umgibt, beeinflussbar sind, und wobei der Grenzstandsensor die erste Messung und die zweite Messung zeitlich voneinander beabstandet durchführt, Bestimmung von Umgebungswerten, wobei der Grenzstandsensor einen ersten Umgebungswert aus den ersten Impedanzmesswerten berechnet, wobei der Grenzstandsensor einen zweiten Umgebungswert aus den zweiten Impedanzmesswerten berechnet, und wobei der erste Umgebungswert und der zweite Umgebungswert dazu geeignet sind, einen Zustand des Mediums zu charakterisieren, Speicherschritt, wobei der Grenzstandsensor den ersten Umgebungswert oder mindestens einen Messwert, aus dem der erste Umgebungswert berechnet werden kann, in einen nichtvolatilen Speicher des Grenzstandsensors schreibt, Vergleich der Umgebungswerte, und, in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs, Ausgabe eines Signals durch den Grenzstandsensor, wobei das Signal einen Bedeckungszustand der Messsonde angibt.
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Erfindungsgemäß werden somit Umgebungswerte ermittelt, die einen Zustand eines Mediums charakterisieren, das die Messsonde umgibt. Bei dem Zustand kann es sich beispielsweise um eine Füllhöhe handeln. Falls ein Vergleich der Umgebungswerte ergibt, dass diese einer zu großen Abweichung unterliegen, dann liegt eine Änderung des Bedeckungszustands vor. Eine Beurteilung, ob die Messsonde bedeckt ist, erfolgt auf Grundlage von mindestens zwei Impedanzmessungen, die zeitlich beabstandet durchgeführt werden. Eine zu große oder zu plötzliche Änderung der Umgebungswerte kann darauf hinweisen, dass sich der Bedeckungszustand geändert hat.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Impedanzmesswerte gemessen. Die Umgebungswerte können auf geeignete Weise aus den Impedanzmesswerten ermittelt werden. Bevorzugt handelt es sich bei dem Umgebungswert um einen Wert, der eine Eigenschaft des die Messsonde umgebenden Mediums relativ zu zwei Extremwerten charakterisiert, welche beispielsweise dann auftreten, wenn die Messsonde von Luft umgeben ist (Umgebungswert von 0% gemäß diesem Beispiel) respektive vollständig mit Wasser bedeckt ist (Umgebungswert von 100% gemäß diesem Beispiel). Es sind prinzipiell verschiedenste Methoden zur Ermittlung der Umgebungswerte denkbar.
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Es ist für die Erfindung wesentlich, dass auch der Speicherschritt durchgeführt wird. In einem nichtvolatilen Speicher abgelegte Daten gehen bei einem Stromverlust nicht verloren. Der Umgebungswert beziehungsweise der mindestens eine Messwert, aus dem der erste Umgebungswert berechnet werden kann, bleibt somit erhalten. Bei dem mindestens einen Messwert, aus dem der erste Umgebungswert berechnet werden kann, kann es sich erfindungsgemäß um die ersten Impedanzmesswerte handeln. Der Speicherschritt wird bevorzugt unmittelbar durchgeführt, nachdem der erste Umgebungswert oder der mindestens eine Messwert vorliegt.
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Erfindungsgemäß werden der erste Umgebungswert und der zweite Umgebungswert miteinander verglichen. Der Grenzstandsensor nimmt diesen Vergleich vor. Beispielsweise kann der Grenzstandsensor hierzu mithilfe einer Elektronikeinheit des Grenzstandsensors eine Berechnung durchführen. Wenn zwischen dem ersten Umgebungswert und dem zweiten Umgebungswert eine Änderung auftritt, die einen vordefinierten Grenzwert überschreitet, dann kann dies gemäß einer Ausführungsform der Erfindung als Ergebnis zur Folge haben, dass eine Änderung des Bedeckungszustands festgestellt wird. Bei dem Vergleich der Umgebungswerte müssen nicht zwangsläufig nur der erste Umgebungswert und der zweite Umgebungswert berücksichtigt werden, sondern es ist auch möglich, dass weitere Umgebungswerte oder sonstige Parameter herangezogen werden. So kann erfindungsgemäß eine Information berücksichtigt werden, ob die Messsonde aktuell als bedeckt oder als frei angesehen wird. Diese Information kann in einem Arbeitsspeicher des Grenzstandsensor gespeichert sein. Unter der Ausgabe des Signals durch den Grenzstandsensor ist zu verstehen, dass der Grenzstandsensor ein visuelles Signal, ein über eine Datenleitung übertragenes Signal oder ein Signal sonstiger Art ausgibt, das einen Bedeckungszustand der Messsonde angibt.
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Vorzugsweise lädt der Grenzstandsensor den ersten Umgebungswert oder den mindestens einen Messwert, aus dem der erste Umgebungswert berechnet werden kann, nach einem Neustart des Grenzstandsensors aus dem nichtvolatilen Speicher und führt nach dem Neustart die Messung der zweiten Impedanzmesswerte, die Bestimmung des zweiten Umgebungswerts aus den zweiten Impedanzmesswerten sowie den Vergleich der Umgebungswerte durch. Dies betrifft einen Fall, in dem der Grenzstandsensor im laufenden Betrieb ausfällt. Dies kann beispielsweise aufgrund eines Verlusts einer externen Spannungsversorgung eintreten, oder wegen eines Systemfehlers. Der Vergleich der Umgebungswerte wäre nicht mehr möglich, da ein Systemzustand vor dem Neustart nicht mehr rekonstruierbar wäre. Erfindungsgemäß wird der erste Umgebungswert oder der mindestens eine Messwert, aus dem der erste Umgebungswert berechnet werden kann, in den nichtvolatilen Speicher geschrieben. Nach dem Neustart muss der erste Umgebungswert oder der mindestens eine Messwert, aus dem der erste Umgebungswert berechnet werden kann, aus dem Speicher geladen werden. Es versteht sich, dass dann die ersten Impedanzmesswerte vor dem Neustart des Grenzstandsensors gemessen werden. Falls der erste Umgebungswert im nichtvolatilen Speicher gesichert wird, so wird dieser vor dem Neustart des Grenzstandsensors bestimmt. Falls hingegen nur der mindestens eine Messwert, aus dem der erste Umgebungswert berechnet werden kann, in dem nichtvolatilen Speicher gesichert wird, dann muss der erste Umgebungswert nach dem Neustart auf Grundlage des mindestens einen Messwerts berechnet werden.
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Der Grenzstandsensor wird bevorzugt so betrieben, dass er laufend die Impedanzmesswerte erfasst und daraus ermittelte Umgebungswerte in den nichtvolatilen Speicher schreibt. Gemäß Varianten der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass in den nichtvolatilen Speicher eine Reihe von Umgebungswerten geschrieben wird, und dass die Reihe von Umgebungswerten nach dem Neustart des Grenzstandsensor aus dem Speicher geladen wird. So können nach dem Neustart auch mehrere zuvor ermittelte Umgebungswerte ausgewertet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung schreibt der Grenzstandsensor mindestens einen Messwert, aus dem der erste Umgebungswert berechnet werden kann, in einen nichtvolatilen Speicher des Grenzstandsensors, lädt den mindestens einen Messwert nach einem Neustart des Grenzstandsensors aus dem nichtvolatilen Speicher und führt die zweite Messung der zweiten Impedanzmesswerte, die Bestimmung der Umgebungswerte sowie den Vergleich der Umgebungswerte nach dem Neustart durch. Gemäß dieser Variante der Erfindung werden anstatt des Umgebungswerts Messwerte in den nichtvolatilen Speicher geschrieben. Die erste Messung der ersten Impedanzmesswerte kann bei dieser Variante vor dem Neustart erfolgen. Der mindestens eine Messwert umfasst bevorzugt die ersten Impedanzmesswerte. Nach dem Neustart des Grenzstandsensors wird der mindestens eine Messwert bevorzugt aus dem nichtvolatilen Speicher geladen, um daraus den ersten Umgebungswert zu ermitteln. Es sind ferner Ausführungsformen der Erfindung denkbar, bei denen sowohl der erste Umgebungswert als auch der mindestens eine Messwert in den nichtvolatilen Speicher geschrieben werden. Der Grenzstandsensor wird bevorzugt so betrieben, dass er laufend die Impedanzmesswerte erfasst und diese in den nichtvolatilen Speicher schreibt.
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Der Grenzstandsensor schreibt bevorzugt vor dem Neustart den Bedeckungszustand in den nichtvolatilen Speicher und lädt nach dem Neustart den Bedeckungszustand aus dem nichtvolatilen Speicher. Der Bedeckungszustand gibt an, ob die Messsonde bedeckt oder nicht bedeckt ist. Gemäß Ausführungsformen kann er auch einen Grad der Bedeckung angeben. Der Grenzstandsensor berücksichtigt bevorzugt den Bedeckungszustand bei dem Vergleich der Umgebungswerte. Somit kann der im Grenzstandsensor hinterlegte Bedeckungszustand herangezogen werden, um zu ermitteln, ob sich ein tatsächlicher Bedeckungszustand geändert hat.
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Hierfür wird nachfolgend ein Beispiel gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gegeben. Auf einer Skala von 0% bis 100% gebe ein Umgebungswert von 0% an, dass eine Messsonde nicht bedeckt ist, und ein Umgebungswert von 100%, dass die Messsonde vollständig mit Wasser bedeckt ist. Es wird ein erster Umgebungswert von 70% ermittelt. Dieser stellt sich bei einer Bedeckung der Messsonde mit einem Schüttgut ein. Als ein Bedeckungszustand ist in dem Grenzstandsensor „Messsonde bedeckt“ verzeichnet. Nur ein fallender Umgebungswert kann also dazu führen, dass der Grenzstandsensor eine Änderung des Bedeckungszustands erkennt. Es wird anschließend ein zweiter Umgebungswert von 50% ermittelt. Der Grenzstandsensor führt einen Vergleich der Umgebungswerte durch und schließt daraus, dass die Messsonde nun nicht mehr bedeckt ist, denn eine Differenz von 20% zwischen dem ersten Umgebungswert und dem zweiten Umgebungswert wird als hinreichend groß angesehen und der Umgebungswert ist gefallen.
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Gemäß einem weiteren Beispiel wird ein erster Umgebungswert von 70% ermittelt und als ein Bedeckungszustand wird in dem Grenzstandsensor „Messsonde nicht bedeckt“ verzeichnet. Es wird ein zweiter Umgebungswert von 50% ermittelt. Da ein niedrigerer Umgebungswert generell eine von Rückständen freiere Messsonde gekennzeichnet und die Messsonde gemäß dem in dem Grenzstandsensor hinterlegten Bedeckungszustand bereits frei ist, wird keine Änderung des Bedeckungszustands erkannt.
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Es ist vorteilhaft, wenn der nichtvolatile Speicher ein FRAM-Speicher ist. Es handelt sich bei FRAM-Speichern um nichtflüchtige Speicher mit ferroelektrischen Eigenschaften. Sie werden auch als ferroelektrisches RAM bezeichnet. Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden neue Umgebungswerte vorzugsweise innerhalb sehr kurzer Messzyklen ermittelt, beispielsweise alle 100 Millisekunden. So kann auf eine Veränderung der Umgebungswerte innerhalb einer kurzen Zeitspanne reagiert werden. FRAM-Speicher sind hinreichend schnell, um die relevanten Daten zwischenzuspeichern, sodass diese nach einem Neustart des Grenzstandsensors wieder zur Verfügung stehen. Außerdem weisen FRAM-Speicher eine sehr hohe Lebensdauer auf, zum Beispiel höher als diejenige von EEPROMS. Dies ist bei einer hohen Anzahl von Schreibvorgängen von Bedeutung. Es versteht sich, dass erfindungsgemäß auch sonstige nichtvolatile Speicher eingesetzt werden können wie EEPROMS, Flash-Speicher oder eine Kombination aus einem volatilen RAM und einem Energiespeicher wie einem Kondensator, einer Batterie oder einem Akkumulator.
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Es ist bevorzugt, wenn die erste Messung und die zweite Messung jeweils eine Messung eines Impedanz-Frequenzgangs umfassen. Dazu kann durch einen Frequenzgenerator des Grenzstandsensors ein Messschwingkreis des Grenzstandsensors mit einer Spannung veränderlicher Frequenz beaufschlagt werden. Dabei wird besonders bevorzugt eine Impedanz gemessen, die sich in dem Messschwingkreis bei unterschiedlichen Frequenzen einstellt. Es wird also eine Frequenzantwort des Messschwingkreises ermittelt. Dies lässt Rückschlüsse auf ein die Messsonde umgebendes Medium zu.
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Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass bei der Bestimmung der Umgebungswerte jeweils eine Frequenz ermittelt wird, bei der der Impedanz-Frequenzgang ein Minimum aufweist. Eine Frequenz, bei der ein Impedanz-Frequenzgang ein Minimum aufweist, wird als eine Resonanzfrequenz des Messschwingkreises bezeichnet. Diese Resonanzfrequenz kann verwendet werden, um Eigenschaften eines Mediums, das die Messsonde des Grenzstandsensors umgibt, zu charakterisieren. Auf dieser Grundlage können die Umgebungswerte berechnet werden. Bei den Umgebungswerten kann es sich gemäß Ausführungsformen der Erfindung unmittelbar um die Resonanzfrequenzen handeln, es können aber auch abweichende Berechnungsvorschriften zur Anwendung kommen. Nachfolgend wird ein Beispiel zur Ermittlung eines Umgebungswerts U auf Grundlage einer gemessenen Resonanzfrequenz FMESS angegeben. Diese liegt zwischen einer maximalen Resonanzfrequenz FMAX, die sich einstellt, wenn die Messsonde von Luft umgeben ist, und einer minimalen Resonanzfrequenz FMIN, die sich einstellt, wenn die Messsonde vollständig von Wasser umgeben ist. Auf Grundlage dieser Werte lässt sich der Umgebungswert U berechnen, beispielsweise nach der Formel U = 1 - ((FMESS-FMIN) / (FMAX - FMIN)). Der Umgebungswert U nimmt einen Wert von 0% an, falls die Sonde vollständig von Luft umgeben ist, und einen Wert von 100%, falls die Sonde vollständig mit Wasser bedeckt ist. Es können jedoch auch abweichende Formeln zur Berechnung der Umgebungswerte herangezogen werden. Gemäß vorteilhafter Ausführungsformen können zur Berechnung der Umgebungswerte weitere Messwerte herangezogen werden. So ist es erfindungsgemäß möglich, dass eine Impedanz, die der Messschwingkreis bei der Resonanzfrequenz annimmt, zusätzlich berücksichtigt wird.
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Vorzugsweise berücksichtigt der Grenzstandsensor bei dem Vergleich der Umgebungswerte einen zeitlichen Abstand zwischen der ersten Messung und der zweiten Messung. Dadurch wird letztlich berücksichtigt, in welchem Zeitraum sich die Umgebungswerte verändert haben. Eine sehr schnelle Veränderung der Umgebungswerte kann auf eine Veränderung eines Bedeckungszustands der Messsonde hinweisen. Der Grenzstandsensor berechnet bei dem Vergleich der Umgebungswerte besonders bevorzugt eine Veränderungsgeschwindigkeit der Umgebungswerte, indem er eine Differenz zwischen dem ersten Umgebungswert und dem zweiten Umgebungswert bildet und anschließend die Differenz durch einen Zeitabstand zwischen der ersten Messung und der zweiten Messung teilt. Falls ein Betrag eines Ergebnisses dieser Berechnung einen vordefinierten Grenzwert überschreitet, dann liegt eine Änderung in einer relevanten Größenordnung vor. Die Veränderungsgeschwindigkeit wird bevorzugt bei dem Vergleich der Umgebungswerte berücksichtigt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Grenzstandsensor vorgeschlagen, der eine Messsonde und eine Elektronikeinheit aufweist, wobei die Elektronikeinheit dazu eingerichtet ist, die folgenden Schritte zu durchzuführen: Veranlassung einer ersten Messung von ersten Impedanzmesswerten und einer zweiten Messung von zweiten Impedanzmesswerten, wobei die ersten Impedanzmesswerte und die zweiten Impedanzmesswerte durch ein Medium, das die Messsonde umgibt, beeinflussbar sind, und wobei die Elektronikeinheit die erste Messung und die zweite Messung zeitlich voneinander beabstandet veranlasst, Bestimmung von Umgebungswerten, wobei die Elektronikeinheit einen ersten Umgebungswert aus den ersten Impedanzmesswerten berechnet, wobei die Elektronikeinheit einen zweiten Umgebungswert aus den zweiten Impedanzmesswerten berechnet, und wobei der erste Umgebungswert und der zweite Umgebungswert dazu geeignet sind, einen Zustand des Mediums zu charakterisieren, Speicherschritt, wobei die Elektronikeinheit den ersten Umgebungswert oder mindestens einen Messwert, aus dem der erste Umgebungswert berechnet werden kann, in einen nichtvolatilen Speicher des Grenzstandsensors schreibt, Vergleich der Umgebungswerte, und in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs, Veranlassung einer Ausgabe eines Signals durch den Grenzstandsensor, wobei das Signal einen Bedeckungszustand der Messsonde angibt. Der erfindungsgemäße Grenzstandsensor ist vorzugsweise ferner dazu eingerichtet, das vorangehend beschriebene Verfahren gemäß den unterschiedlichen angegebenen Ausführungsvarianten auszuführen. Dabei kann insbesondere die Elektronikeinheit des Grenzstandsensors die hierzu notwendigen Schritte veranlassen, indem sie Komponenten des Grenzstandsensors entsprechend ansteuert.
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Die Elektronikeinheit des Grenzstandsensors kann zumindest eine Rechnereinheit umfassen, die zu Berechnungs- und/oder Steuerungszwecken geeignet ist. Bei der Rechnereinheit kann es sich zum Beispiel um einen Mikrocontroller handeln. Der Grenzstandsensor kann einen Frequenzgenerator aufweisen, der dazu geeignet ist, einen Messschwingkreis mit einer Wechselspannung veränderlicher Frequenz zu beaufschlagen. Der Frequenzgenerator kann gemäß Ausführungsformen der Erfindung in die Elektronikeinheit integriert sein. Der Grenzstandsensor kann ferner einen Frequenzdetektor aufweisen, der dazu geeignet ist, eine Impedanz des Messschwingkreises bei einer Beaufschlagung des Messschwingkreises mit einer Wechselspannung veränderlicher Frequenz zu ermitteln. Der Frequenzdetektor kann erfindungsgemäß in die Elektronikeinheit integriert sein. Die Messsonde weist bevorzugt eine Messelektrode und eine Bezugselektrode auf, welche voneinander elektrisch isoliert sind. Beispielsweise kann die Messsonde durch einen elektrisch nicht leitfähigen Gehäuseabschnitt des Grenzstandsensors von der Bezugselektrode elektrisch isoliert sein.
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Der Grenzstandsensor weist vorzugsweise einen nichtvolatilen Speicher auf. Dieser kann erfindungsgemäß in die Elektronikeinheit integriert sein. Es ist vorteilhaft, wenn die Elektronikeinheit des Grenzstandsensors dazu eingerichtet ist, den ersten Umgebungswert oder den mindestens einen Messwert, aus dem der erste Umgebungswert berechnet werden kann, nach einem Neustart des Grenzstandsensors aus dem nichtvolatilen Speicher zu laden, und die Messung der zweiten Impedanzmesswerte, die Bestimmung des zweiten Umgebungswerts aus den zweiten Impedanzmesswerten sowie den Vergleich der Umgebungswerte nach dem Neustart durchzuführen. Es ist außerdem vorteilhaft, wenn die Elektronikeinheit des Grenzstandsensors vor dem Neustart den Bedeckungszustand in den nichtvolatilen Speicher schreibt und diesen nach dem Neustart aus dem nichtvolatilen Speicher lädt. Gemäß einer besonderen Ausführungsform handelt es sich bei dem nichtvolatilen Speicher des Grenzstandsensors um einen FRAM-Speicher. Es können jedoch auch Speicher sonstiger Art eingesetzt werden.
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Die Elektronikeinheit ist vorzugsweise so eingerichtet, dass sie die erste Messung und die zweite Messung so durchführt, dass die erste Messung und die zweite Messung jeweils eine Messung eines Impedanz-Frequenzgangs umfassen. Dies kann vorzugsweise mittels des Frequenzgenerators und des Frequenzdetektors erfolgen. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Elektronikeinheit so eingerichtet ist, dass sie zur Bestimmung der Umgebungswerte jeweils eine Frequenz ermittelt, bei der der Impedanz-Frequenzgang ein Minimum aufweist. Eine entsprechende Auswertung der bei der ersten Messung und bei der zweiten Messung gesammelten Daten kann beispielsweise durch eine Rechnereinheit der Elektronikeinheit vorgenommen werden. Es ist vorteilhaft, wenn die Elektronikeinheit dazu eingerichtet ist, bei dem Vergleich der Umgebungswerte einen zeitlichen Abstand zwischen der ersten Messung und der zweiten Messung zu berücksichtigen. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Elektronikeinheit dazu eingerichtet ist, bei dem Vergleich der Umgebungswerte eine Veränderungsgeschwindigkeit der Umgebungswerte zu berechnen, indem sie eine Differenz zwischen dem ersten Umgebungswert und dem zweiten Umgebungswert bildet und anschließend die Differenz durch einen Zeitabstand zwischen der ersten Messung und der zweiten Messung teilt.
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Mögliche Ausführungsformen der Erfindung werden in den Zeichnungen beispielhaft erläutert. Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Grenzstandsensors in einer Schnittansicht,
- 2 ein Achsendiagramm mit Impedanz-Frequenzgängen unterschiedlicher Medien,
- 3 ein Flussdiagramm einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens und
- 4 ein weiteres Flussdiagramm zu der in 3 beschriebenen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Grenzstandsensors 1 in einer Schnittansicht. Der Grenzstandsensor 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in das eine Messsonde 3 integriert ist. Die Messsonde 3 wird durch eine Messelektrode 4 und eine Bezugselektrode 5 gebildet, die voneinander elektrisch isoliert sind. Der Grenzstandsensor 1 kann beispielsweise in einem Behältnis angeordnet werden, in dem sich ein Füllstand eines Mediums gelegentlich ändert. Die Füllstandsänderung beeinflusst eine Kapazität 6, die sich zwischen der Messelektrode 4 und der Bezugselektrode 5 in dem Medium ausbildet.
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Um Änderungen der Kapazität 6 zu ermitteln, kann ein Messschwingkreis umfassend die Messelektrode 4, die Bezugselektrode 5 und eine diskrete Induktivität 6 genutzt werden. Die Kapazität 6 bildet auch einen Teil des Messschwingkreises.
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Mittels eines Frequenzgenerators 8 des Grenzstandsensors 1 wird der Messschwingkreis mit Wechselspannungen unterschiedlicher Frequenzen beaufschlagt. Ein Frequenzdetektor 9 erlaubt es, eine Impedanz des Messschwingkreises bei diesen unterschiedlichen Frequenzen zu messen. Auf diese Weise lassen sich Impedanz-Frequenzgänge aufnehmen und somit eine Frequenzantwort des Schwingkreises ermitteln. Die diskrete Induktivität 6 wird so gewählt, dass Resonanzfrequenzen der Impedanz-Frequenzgänge in einem gewünschten Frequenzbereich auftreten.
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Der Grenzstandsensor 1 weist ferner eine Elektronikeinheit 10 auf, die unter anderem mit einem Mikrocontroller ausgestattet ist. Die Elektronikeinheit 10 übernimmt Steueraufgaben und veranlasst beispielsweise den Frequenzgenerator 8 und den Frequenzdetektor 9 dazu, den Messschwingkreis anzuregen und Impedanz-Frequenzgänge aufzunehmen. Auf Grundlage der Impedanz-Frequenzgänge ermittelt die Elektronikeinheit 10, ob sich ein Bedeckungszustand des Grenzstandsensors 1 geändert hat. Die Elektronikeinheit 10 verfügt ferner über Kommunikationsmittel, welche es erlauben, Informationen betreffend den Bedeckungszustand an eine Gegenstelle zu übermitteln.
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2 zeigt ein Achsendiagramm mit Impedanz-Frequenzgängen unterschiedlicher Medien. Auf einer ersten Achse 11 des Achsendiagramms ist eine Frequenz aufgetragen, mit der der Messschwingkreis angeregt wird. Auf einer zweiten Achse 12 des Achsendiagramms ist eine Impedanz aufgetragen, die bei der jeweiligen Frequenz gemessen wird. Es soll ermittelt werden, ob innerhalb eines Behältnisses ein Füllgutpegel den Grenzstandsensor erreicht hat. Ein erster Impedanz-Frequenzgang 13 stellt sich ein, wenn der Füllgutpegel noch unterhalb des Grenzstandsensors liegt. Ein zweiter Impedanz-Frequenzgang 14 stellt sich ein, wenn das Füllgut den Grenzstandsensor erreicht hat. Die Impedanz-Frequenzgänge weisen unterschiedliche Resonanzfrequenzen auf, bei denen sich jeweils eine minimale Impedanz einstellt. Diese Resonanzfrequenzen sind für die nachfolgend beschriebene Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens von Bedeutung.
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3 zeigt ein Flussdiagramm einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Messschritt 15 misst ein Grenzstandsensor erste Impedanzmesswerte. Bei den ersten Impedanzmesswerten handelt es sich um Messpunkte eines ersten Impedanz-Frequenzgangs eines Messschwingkreises des Grenzstandsensors. In einem ersten Bestimmungsschritt 16 berechnet eine Elektronikeinheit des Grenzstandsensors einen ersten Umgebungswert auf Grundlage der ersten Impedanzmesswerte. Dazu wird eine Resonanzfrequenz des ersten Impedanz-Frequenzgangs ermittelt und zu einer minimalen Resonanzfrequenz FMIN und einer maximalen Resonanzfrequenz FMAX ins Verhältnis gesetzt. Es handelt sich bei FMIN um eine Resonanzfrequenz, die sich einstellt, wenn die Messsonde vollständig von Wasser umgeben ist, und bei FMAX um eine Resonanzfrequenz, die sich einstellt, wenn die Messsonde von Luft umgeben ist. In einem Speicherschritt 17 schreibt die Elektronikeinheit des Grenzstandsensors den ersten Umgebungswert in einen nichtvolatilen Speicher des Grenzstandsensors. Bei dem nichtvolatilen Speicher handelt es sich um einen FRAM-Speicher. In dem Speicherschritt 17 schreibt der Grenzstandsensor ferner eine Information, ob die Messsonde bedeckt ist oder nicht, in den nichtvolatilen Speicher.
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Eine externe Spannungsversorgung des Grenzstandsensors bricht nun zusammen. Inhalte von volatilen Speichern des Grenzstandsensors wie DRAMS und Prozessor-Registern werden somit gelöscht. Nach einem Neustart lädt der Grenzstandsensor in einem Ladeschritt 18 den ersten Umgebungswert aus dem Speicher in einen Arbeitsspeicher des Grenzstandsensors. In einem zweiten Messschritt 19 misst der Grenzstandsensor nun zweite Impedanzmesswerte und in einem zweiten Bestimmungsschritt 20 berechnet der Grenzstandsensor aus den zweiten Impedanzmesswerten einen zweiten Umgebungswert. In einem Vergleichschritt 21 vergleicht der Grenzstandsensor den ersten Umgebungswert mit dem zweiten Umgebungswert. Es wird nun betrachtet, ob eine Differenz zwischen dem ersten Umgebungswert und dem zweiten Umgebungswert einen Grenzwert überschreitet. Es wird außerdem betrachtet, ob - in Abhängigkeit von dem aktuellen Bedeckungszustand - eine negative oder eine positive Differenz auf eine Änderung des Bedeckungszustands hinweist. Falls der Vergleichschritt 21 ergibt, dass sich der Bedeckungszustand geändert hat, dann gibt der Grenzstandsensor ein Signal aus, das kennzeichnet, dass sich der Bedeckungszustand geändert hat. Dazu übermittelt der Grenzstandsensor den Bedeckungszustand über eine Datenleitung an eine Gegenstelle.
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4 zeigt ein weiteres Flussdiagramm zu der in 3 beschriebenen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die darin beschriebenen Schritte bilden normalerweise Teil eines Messzyklus, bei dem laufend neue Messungen vorgenommen werden. Dabei werden in einem Mess- und Bestimmungsschritt 22 Impedanzmesswerte gemessen und daraus ein aktueller Umgebungswert bestimmt. In einem Vergleichschritt 21 wird der Umgebungswert mit einem vorhergehend bestimmten Umgebungswert verglichen. Durch den Vergleich wird festgestellt, ob sich der Bedeckungszustand der Messsonde verändert hat und diese Information an eine Gegenstelle des Grenzstandsensor übermittelt. In einem Speicherschritt 17 wird der aktuelle Umgebungswert in den nichtvolatilen Speicher des Grenzstandsensors geschrieben. Anschließend beginnt der Messzyklus erneut, das heißt es wird in dem Mess- und Bestimmungsschritt 22 ein neuer Umgebungswert ermittelt und in dem Vergleichschritt 21 mit dem vorhergehend bestimmten Umgebungswert verglichen. Die Dauer eines Messzyklus mit den Schritten 22, 21 und 17 beträgt typischerweise ca. 100 Millisekunden. In dem Fall, dass ein Spannungsverlust eintritt, erfolgt ein Neustart 23 des Grenzstandsensors. Dabei wird ein in dem nichtvolatilen Speicher vorliegender Umgebungswert in einen Arbeitsspeicher des Grenzstandsensors geladen. Der Grenzstandsensor beginnt nun wieder mit der Durchführung des Messzyklus. Bei der ersten Ausführung des Messzyklus nach dem Neustart wird der aus dem nichtvolatilen Speicher geladene Umgebungswert mit einem unmittelbar nach dem Neustart bestimmten Umgebungswert verglichen. Es ist also möglich, trotz des Neustarts festzustellen, ob bei einem Medium, das den Grenzstandsensor umgibt, Zustandsänderungen aufgetreten sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Grenzstandsensor
- 2
- Gehäuse
- 3
- Messsonde
- 4
- Messelektrode
- 5
- Bezugselektrode
- 6
- Kapazität
- 7
- Induktivität
- 8
- Frequenzgenerator
- 9
- Frequenzdetektor
- 10
- Elektronikeinheit
- 11
- Erste Achse
- 12
- Zweite Achse
- 13
- Erste Frequenzantwortkurve
- 14
- Zweite Frequenzantwortkurve
- 15
- Erster Messschritt
- 16
- Erster Bestimmungsschritt
- 17
- Speicherschritt
- 18
- Ladeschritt
- 19
- Zweiter Messschritt
- 20
- Zweiter Bestimmungsschritt
- 21
- Vergleichschritt
- 22
- Mess- und Bestimmungsschritt
- 23
- Neustart
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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