DE102021119383A1 - Capacitive limit switch - Google Patents
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- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
- G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Messgerät (1) zur kapazitiven Grenzstandserfassung, bestehend aus einem zumindest teilweise rotationssymmetrischen Gehäuse (4) und einer sich in axialer Richtung unmittelbar an das Gehäuse (4) anschließenden Sensorbereich (5), die im Wesentlichen aus einer Messelektrode (10) und einer die Messelektrode (10) umgebenden Ummantelung (11) besteht. Erfindungsgemäß weist die Ummantelung (11) einen Hohlraum (13) auf, so dass in einem Teilbereich der äußeren, dem Medium zugewandten Oberfläche der Ummantelung (11) diese derart dünn ist, dass sich an dieser Stelle eine auslenkbare Messmembran (11a) ausbildet, deren erste Seite zumindest teilweise mit dem Medium (3a, 3b) in Kontakt steht und deren von dem Medium (3a, 3b) abgewandten zweiten Seite einen elektromechanischen Wandler (12) aufweist, der eine vom auf die Messmembran (11a) einwirkenden Druck p abhängige Durchbiegung der Messmembran (11a) in eine elektrische Größe umwandelt.The invention relates to a measuring device (1) for capacitive limit level detection, consisting of an at least partially rotationally symmetrical housing (4) and a sensor area (5) directly adjoining the housing (4) in the axial direction and essentially consisting of a measuring electrode (10) and a sheath (11) surrounding the measuring electrode (10). According to the invention, the casing (11) has a cavity (13), so that in a partial area of the outer surface of the casing (11) facing the medium, this is so thin that a deflectable measuring membrane (11a) is formed at this point, the first side is at least partially in contact with the medium (3a, 3b) and whose second side facing away from the medium (3a, 3b) has an electromechanical converter (12) which deflects depending on the pressure p acting on the measuring membrane (11a). of the measuring membrane (11a) into an electrical variable.
Description
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Grenzstandschalter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a capacitive limit switch according to the preamble of patent claim 1.
Kapazitiv arbeitende Messgeräte zur Grenzstandserfassung, die das Vorhandensein bzw. Nichtvorhandensein eines bestimmten Füllstandes eines Mediums ermitteln, sind bekannt, bspw. aus der
Von der Anmelderin werden diese Messgeräte unter der Bezeichnung LMTxxx angeboten und vertrieben.These measuring devices are offered and sold by the applicant under the designation LMTxxx.
Neben dem Füllstand müssen typischerweise auch andere Eigenschaften des in dem Behälter befindlichen Mediums oder die den Prozess begleitenden Umgebungsbedingungen erfasst werden, wobei vor allem Druck und Temperatur gemeint sind. Häufig ist es notwendig, mehrere dieser Eigenschaften am selben Ort zu erfassen, so dass verschiedene Messgeräte einzeln in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet werden müssen. Es hat sich daher ein Bedarf ergeben, in einem Messgerät - häufig als Kombisensor bezeichnet - gleich eine weitere Größe mit zu erfassen. Ein typisches Beispiel dafür ist die Integration eines Temperatursensors in einem Druckmessgerät, wie es aus der
Bspw. bei geschlossenen Behältern, bei denen keine Öffnung zur Umgebung vorhanden ist, kann durch verschiedene Ursachen ein vom Umgebungsdruck verschiedener Gasdruck im Behältervolumen über der Flüssigkeit entstehen. Dieser sogenannte Kopfdruck kann durch Temperaturänderungen, Gärung, Zugabe von Schutzgas oder Befüllen und Entleeren hervorgerufen werden.For example, in the case of closed containers in which there is no opening to the environment, a gas pressure that differs from the ambient pressure can arise in the container volume above the liquid for various reasons. This so-called head pressure can be caused by temperature changes, fermentation, the addition of protective gas or filling and emptying.
Aus der
Ein weiterer Bedarf nach einem zweiten Messgerät ergibt aus Redundanzgründen. Insbesondere mittels einer diversitären Redundanz lässt sich damit die Funktionsfähigkeit des Hauptmessgeräts sicher überprüfen.A further need for a second measuring device arises for reasons of redundancy. The functionality of the main measuring device can thus be reliably checked, in particular by means of a diverse redundancy.
Schließlich ist es auch bei der Pumpenüberwachung notwendig, einerseits durch eine Grenzstanderfassung den Füllgrad des Rohres zu überwachen, um einen Trockenlauf der Pumpe zu verhindern. Andererseits können Überdrücke in der Anlage auf eine fehlerhafte Funktionstüchtigkeit einzelner Komponenten hindeuten, so dass häufig parallel, in separaten Messgeräten, auch eine Druckmessung durchgeführt wird.Finally, when monitoring the pump, it is also necessary to monitor the fill level of the pipe by means of limit level detection in order to prevent the pump from running dry. On the other hand, overpressures in the system can indicate faulty functionality of individual components, so that a pressure measurement is often carried out in parallel, in separate measuring devices.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Füllstandsmessung und eine parallele Druckmessung in einem Messgerät auf kompakte Weise zu integrieren und damit den Aufbau der Messeinrichtung zu vereinfachen und/oder auf einfache Weise eine Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Grenzstandschalters zu ermöglichen.The object of the invention is to integrate the fill level measurement and a parallel pressure measurement in a measuring device in a compact manner and thus to simplify the construction of the measuring device and/or to enable the functionality of the limit switch to be checked in a simple manner.
Diese Aufgabe wird jeweils erfindungsgemäß durch einen kapazitiven Grenzstandschalter mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 oder 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.According to the invention, this object is achieved in each case by a capacitive limit switch with the features of
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist in dem die Messelektrode umgebenden Stützmaterial ein Hohlraum vorgesehen, der so ausgebildet ist, dass das Stützmaterial im Bereich der dem Medium zugewandten Oberfläche derart dünn ist, dass sich eine Membran ausbildet. Auf dieser Membran ist innenseitig ein elektromechanischer Wandler angeordnet, durch den die Auslenkung der Membran in Folge eines Druckeinflusses erfasst werden kann.According to a first aspect of the invention, a cavity is provided in the support material surrounding the measuring electrode, which cavity is formed such that the support material is so thin in the region of the surface facing the medium that a membrane is formed. An electromechanical converter is arranged on the inside of this membrane, by means of which the deflection of the membrane as a result of the influence of pressure can be detected.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung weist das Stützmaterial eine Aussparung auf, in der die Messelektrode angeordnet und die von einer auslenkbaren Membran zum Medium hin dicht abgeschlossen ist. Im Unterschied zur ersten Ausführung der Erfindung besteht die Membran hier aus einem separaten Teil und ist vorzugsweise aus Keramik ausgeführt.According to a second aspect of the invention, the support material has a recess in which the measuring electrode is arranged and which is tightly closed off from the medium by a deflectable membrane. In contrast to the first embodiment of the invention, the membrane here consists of a separate part and is preferably made of ceramic.
Kern der Erfindung ist, das ohnehin vorhandene Stützmaterial im Sensorbereich derart zu modifizieren, dass in einem Teilbereich beide Messprinzipien für die Füllstands- und Druckmessung gleichzeitig und unabhängig voneinander betrieben werden können. Auf einen aufwendigen Aufbau mit mehreren einzelnen Messgeräten kann somit verzichtet und stattdessen auf kompakte Weise alles in einem Messgerät integriert realisiert werden.The core of the invention is to modify the support material that is already present in the sensor area in such a way that both measuring principles for level and pressure measurement can be operated simultaneously and independently of one another in a partial area. A complex structure with several individual measuring devices can thus be dispensed with and instead everything can be integrated in one measuring device in a compact manner.
Damit kann mit einem erfindungsgemäßen Grenzstandschalter bspw. auch der Kopfdruck desselben Mediums gemessen werden, ohne dass zum Medium hin eine Veränderung am Messgerät bzw. der Messanordnung nötig wird oder ein separater Druckmessaufnehmer mit entsprechend nötiger Öffnung und Befestigung im bzw. am Behälter.With a point level switch according to the invention, the head pressure of the same medium can also be measured, for example, without the need for a change to the measuring device or the measuring arrangement towards the medium or a separate pressure sensor with a correspondingly necessary opening and attachment in or on the container.
Neben der Kopfdruckmessung lässt sich durch die Erfindung auch eine Redundanz schaffen, durch die mittels eines völlig anderen Messprinzips ebenfalls die Anwesenheit des Mediums an dem Sensorbereich erfassen lässt. Wenn also über die Druckmessung ein Wert erfasst wird, der auf die Anwesenheit des Mediums schließen lässt, der eigentliche Grenzstandschalter aber kein entsprechendes Signal generiert, kann der Anwender auf eine mögliche Störung der Funktionsfähigkeit des Grenzstandschalters aufmerksam gemacht werden. Gleiches gilt natürlich auch vice versa.In addition to the head pressure measurement, the invention also allows redundancy to be created, by means of which the presence of the medium in the sensor area can also be detected using a completely different measuring principle. If a value is recorded via the pressure measurement that indicates the presence of the medium, but the actual level switch does not generate a corresponding signal, the user can be made aware of a possible malfunction of the level switch. The same applies, of course, vice versa.
Eine andere vorteilhafte Anwendung bietet sich bei der Pumpenüberwachung an. Über die Grenzstanderfassung kann der Füllgrad eines Rohres überwacht werden, um einen Trockenlauf der Pumpe zu verhindern. Gleichzeitig kann über die Druckmessung die gesamte Anlage auf Überdrücke überwacht werden, die bspw. aufgrund fehlerhafter Stellglieder oder Ventile entstehen können.Another advantageous application is pump monitoring. The filling level of a pipe can be monitored via limit level detection in order to prevent the pump from running dry. At the same time, the pressure measurement can be used to monitor the entire system for overpressures that can arise, for example, due to faulty actuators or valves.
Der Sensorbereich kann im Sinne der Erfindung sowohl länglich-spitz als auch stumpf-flach verlaufen. Letzteres bietet sich insbesondere für einen frontbündigen Einbau des Grenzstandschalters im Behälter an, bei dem der Sensorbereich und damit das gesamte Messgerät nicht über die Behälterwandung hinausragen, sondern sich gewissermaßen koplanar in die Wandungsinnenseite einfügen soll.In the context of the invention, the sensor area can run either elongated-pointed or blunt-flat. The latter is particularly suitable for a front-flush installation of the point level switch in the container, in which the sensor area and thus the entire measuring device does not protrude beyond the container wall, but rather should be inserted coplanarly into the inside of the wall.
Vorteilhafterweise erfolgt die Erfassung der Membrandurchbiegung mit Hilfe von Halbleiter-Dehnungsmessstreifen, die sehr empfindlich auf geringste Dehnungen und Stauchungen der Membran reagieren. Aufgrund dessen können sie außermittig, im äußeren Randbereich der Messmembran angeordnet werden. Besonders interessant sind hierbei Halbleiter-Bauelemente mit integrierter Vollbrücke, die ausschließlich in der Stauchzone der Membran aufgebracht werden können. Grundsätzlich von der Erfindung mit umfasst sind jedoch auch Metall-Dehnungsmesstreifen.Advantageously, the deflection of the membrane is recorded with the help of semiconductor strain gauges, which react very sensitively to the slightest expansion and compression of the membrane. Because of this, they can be arranged off-centre, in the outer edge area of the measuring membrane. Of particular interest here are semiconductor components with an integrated full bridge, which can only be applied in the compression zone of the membrane. In principle, however, metal strain gauges are also included in the invention.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the drawings.
Es zeigen stark schematisch:
-
1 eine Anordnung aus einem Behälter und daran angeordneten erfindungsgemäßen Grenzstandschaltern; -
2 detaillierte Ansicht des Sensorbereichs des Grenzstandschalter gemäß einer ersten Ausführungsform und -
3 detaillierte Ansicht des Sensorbereichs des Grenzstandschalter gemäß einer zweiten Ausführungsform.
-
1 an arrangement of a container and limit switches according to the invention arranged thereon; -
2 detailed view of the sensor area of the level switch according to a first embodiment and -
3 detailed view of the sensor area of the level switch according to a second embodiment.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.In the following description of the preferred embodiments, the same reference symbols designate the same or comparable components.
Mit den beiden dargestellten Grenzstandschaltern 1 ist es bspw. möglich, einen oberen und einen unteren Grenzstand zu erfassen. Denkbar sind selbstverständlich auch andere Konstellationen, bei denen nur ein Grenzstandschalter 1 Anwendung findet, wenn nur ein oberer oder ein unterer Grenzstand erfasst werden soll. Auch müssen die Grenzstandschalter 1 nicht zwingend an der Seite des Behälters 2 angeordnet sein, sondern sind auch im Deckel- oder Bodenbereich denkbar, bspw. um einen Leererkennung zu ermöglichen.With the two limit switches 1 shown, it is possible, for example, to detect an upper and a lower limit. Of course, other constellations are also conceivable, in which only one limit switch 1 is used if only an upper or a lower limit level is to be detected. The limit switches 1 also do not necessarily have to be arranged on the side of the
Der Grenzstandschalter 1 besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse 4 und einem Sensorbereich 5. Wie aus
In dem Gehäuse 4 befindet sich des Weiteren noch eine nicht näher dargestellte Auswerteelektronik, die zur Auswertung und Aufbereitung der von der Messelektrode 10 gelieferten Messsignale vorgesehen ist, welche dann typischerweise über einen Steckeranschluss abgegriffen und bspw. an eine SPS weitergeleitet werden können.The
Der Sensorbereich 5 muss nicht zwingend eine wie in
Das Stützmaterial 11 weist hier eine Aussparung 14 auf, in der die Messelektrode 10 angeordnet und die von einer auslenkbaren Membrane 11a zum Medium hin dicht abgeschlossen ist. Die Membran 11a ist im Gegensatz zur Ausführung in
Keramik ist deswegen ein geeignetes Material für die Membran 11a, weil es elektrisch isolierend ist und die vorzugsweise als Metallfolie oder Metallplättchen ausgeführte Messelektrode 10 gut darauf positioniert werden kann. Eine Metallfolie bietet sich deswegen an, da sie sich durch eine formschlüssige Verbindung mit der Membran 11a leicht mitbewegt. Selbstverständlich können grundsätzlich auch andere geeignete Materialien in Frage kommen.Ceramic is a suitable material for the
Bei beiden Ausführungsformen ist der elektromechanischer Wandler 12 bevorzugt als Halbleiter-Dehnungsmessstreifen aus einem Halbleitersubstrat und wenigstens einer piezoresistiven Widerstandsbahn ausgeführt, da dieser sehr empfindlich auf geringste Dehnungen und Stauchungen der Membran reagiert. Entsprechend kann der Raum für die Messmembran 11a und damit auch der Hohlraum 13 bzw. die Aussparung 14 klein ausfallen. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit des Halbleiter-Dehnungsmessstreifens 12 kann er außermittig, im äußeren Randbereich der Messmembran 11a angeordnet werden, was vor allem bei einem frontbündigen Sensorbereich 10 wichtig sein könnte. Im äußeren Randbereich bedeutet hierbei insbesondere in der äußeren Hälfte der Membran 11a angeordnet.In both embodiments, the
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Grenzstandschalterlevel switch
- 22
- Behältercontainer
- 3a, b3a, b
- Mediummedium
- 44
- GehäuseHousing
- 55
- Sensorbereichsensor area
- 1010
- Messelektrodemeasuring electrode
- 1111
- Stützmaterialsupport material
- 11a11a
- Messmembranmeasuring membrane
- 1212
- elektromechanischer Wandlerelectromechanical converter
- 1313
- Hohlraum im Stützmaterialcavity in the support material
- 1414
- Aussparung im StützmaterialRecess in the support material
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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- DE 102019115962 A1 [0004]DE 102019115962 A1 [0004]
- DE 10335520 A1 [0006]DE 10335520 A1 [0006]
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