DE102021119383A1 - Capacitive limit switch - Google Patents

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Lorenz Halbinger
Werner Hoch
Guido Knoll
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IFM Electronic GmbH
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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 DE 10 2007 059 709 A1 . Sie bestehen typischerweise aus einem Gehäuse und einer sich in axialer Richtung unmittelbar an das Gehäuse anschließenden Sensorbereich. In dem Sensorbereich ist oft nur eine Elektrode des Messkondensators ausgebildet und die andere Elektrode des Messkondensators wird durch die Umgebung des kapazitiven Sensors bzw. Messgeräts gebildet. Der Messkondensator ist also im Regelfall kein Kondensator im Sinne eines vollständigen elektrotechnischen Bauelements, sondern eine mit einer Kapazität ausgestattete Anordnung, deren aktive Elektrode dem kapazitiven Sensor zugeordnet ist, wobei sich ein elektrisches Streufeld von der aktiven Elektrode in die Umgebung zu einem Gehäuseteil, bspw. der Behälterwand erstreckt. Um die Messelektrode als Sensor vor äußeren Einflüssen zu schützen, ist sie von einem Stützmaterial, welches zumeist aus Kunststoff ausgeführt ist, umgeben.Capacitive measuring devices for level detection, which determine the presence or absence of a specific level of a medium, are known, for example DE 10 2007 059 709 A1 . They typically consist of a housing and a sensor area directly adjoining the housing in the axial direction. Often only one electrode of the measuring capacitor is formed in the sensor area and the other electrode of the measuring capacitor is formed by the surroundings of the capacitive sensor or measuring device. The measuring capacitor is therefore generally not a capacitor in the sense of a complete electrotechnical component, but rather an arrangement equipped with a capacitance, the active electrode of which is assigned to the capacitive sensor, with a stray electric field spreading from the active electrode into the environment to a housing part, e.g. the container wall extends. In order to protect the measuring electrode as a sensor from external influences, it is surrounded by a support material, which is usually made of plastic.

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 DE 102019115962 A1 bekannt ist. Hier wird die Erwärmung der mit dem Medium in Kontakt stehenden Messmembran des Druckmessgeräts erfasst und damit die Temperatur des Mediums gemessen.In addition to the fill level, other properties of the medium in the container or the ambient conditions accompanying the process typically also have to be recorded, with pressure and temperature being the main factors. It is often necessary to record several of these properties at the same location, so that different measuring devices have to be placed individually in close proximity to one another. A need has therefore arisen for a measuring device—often referred to as a combined sensor—to also record an additional variable at the same time. A typical example of this is the integration of a temperature sensor in a pressure gauge, as shown in the DE 102019115962 A1 is known. Here, the heating of the measuring diaphragm of the pressure gauge, which is in contact with the medium, is recorded and the temperature of the medium is thus measured.

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 DE 10335520 A1 ist ein Verfahren zur Regulierung des Kopfdrucks bekannt, da es in einigen Anwendungsbereichen erforderlich ist, diesen konstant zu halten, auch wenn sich der Füllstand im Behälter ändert. Hierfür werden parallel zueinander ein Füllstandsmessgerät und ein Druckaufnehmer angeordnet, die zum Datenaustausch über Datenleitungen miteinander verbunden sind.From the DE 10335520 A1 a method for regulating the head pressure is known, since in some areas of application it is necessary to keep it constant, even if the level in the container changes. For this purpose, a filling level measuring device and a pressure sensor are arranged in parallel to one another and are connected to one another via data lines for data exchange.

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 independent claims 1 or 2 . Advantageous refinements of the invention are specified in the dependent claims.

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.
It shows very schematically:
  • 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.

1 zeigt einen als Tank ausgeführten Behälter 2 mit zwei erfindungsgemäßen Grenzstandschaltern 1. In dem Behälter 2 befindet sich das zu messende Medium 3a, 3b in Form eines Fluids, wobei ein Teil des Mediums die Flüssigkeit 3b betrifft, dessen Füllstand bei einem bestimmten Grenzstand bestimmt werden soll, und ein weiterer Teil ein über der Flüssigkeit 3b befindliche Gasteil 3a. Bei einem geschlossenen Behälter 2, bei dem keine Öffnung zur Umgebung vorhanden ist, kann durch verschiedene Ursachen ein vom Umgebungsdruck verschiedener Gasdruck im Behältervolumen über der Flüssigkeit 3b entstehen. Dieser sogenannte Kopfdruck kann bspw. durch Temperaturänderungen, Gärung, Zugabe von Schutzgas oder Befüllen und Entleeren hervorgerufen werden. 1 shows a container 2 designed as a tank with two limit switches 1 according to the invention. The medium 3a, 3b to be measured is in the container 2 in the form of a fluid, with part of the medium being the liquid 3b, the fill level of which is to be determined at a specific limit level , and another part a gas part 3a located above the liquid 3b. In a closed container 2, in which there is no opening to the environment, a gas pressure different from the ambient pressure can arise in the container volume above the liquid 3b for various reasons. This so-called head pressure can be caused, for example, by temperature changes, fermentation, the addition of protective gas or filling and emptying.

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 container 2, but are also conceivable in the lid or base area, for example to enable empty detection.

Der Grenzstandschalter 1 besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse 4 und einem Sensorbereich 5. Wie aus 2 ersichtlich, ist in dem Sensorbereich 5 eine Messelektrode 10 des Messkondensators ausgebildet. Um die Messelektrode als Sensor vor äußeren Einflüssen zu schützen, ist sie von eine Stützmaterial 11, welches zumeist aus Kunststoff, bspw. aus PEEK ausgeführt ist, umgeben.The point level switch 1 essentially consists of a housing 4 and a sensor area 5. As shown in FIG 2 As can be seen, a measuring electrode 10 of the measuring capacitor is formed in the sensor area 5 . In order to protect the measuring electrode as a sensor from external influences, it is made of a support material 11, which mostly consists of Plastic, for example made of PEEK, is surrounded.

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 housing 4 also contains evaluation electronics, not shown in detail, which are provided for evaluating and processing the measuring signals supplied by the measuring electrode 10, which can then typically be tapped via a plug connection and forwarded to a PLC, for example.

2 zeigt eine erste Ausführung der Erfindung, bei der in dem Stützmaterial 11 für den Sensorbereich 5 ein Hohlraum 13 vorgesehen ist, der so ausgebildet ist, dass das Stützmaterial 11 im Bereich der dem Medium 3a, 3b zugewandten Oberfläche derart dünn ist, dass sich eine Membran 11a ausbildet. Auf dieser Membran 11a ist innenseitig ein elektromechanischer Wandler 12 angeordnet, der eine Durchbiegung der Messmembran 10a, resultierend aus dem auf die Messmembran 10a einwirkenden Druck p, in eine elektrische Größe umwandelt. Dieser einwirkende Druck p kann entweder als Kopfdruck aus dem über der Flüssigkeit 3b befindlichen Gas 3a oder auch aus der Berührung des Sensorbereichs 5 durch die Flüssigkeit 3b selbst resultieren. 2 shows a first embodiment of the invention, in which a cavity 13 is provided in the support material 11 for the sensor area 5, which is formed in such a way that the support material 11 is so thin in the area of the surface facing the medium 3a, 3b that a membrane 11a trains. An electromechanical converter 12 is arranged on the inside of this membrane 11a, which converts a deflection of the measuring membrane 10a, resulting from the pressure p acting on the measuring membrane 10a, into an electrical quantity. This acting pressure p can result either as head pressure from the gas 3a located above the liquid 3b or from the contact of the sensor area 5 by the liquid 3b itself.

Der Sensorbereich 5 muss nicht zwingend eine wie in 2 gezeigte länglich-spitze Form aufweisen, sondern kann auch stumpf bzw. flach ausgeführt sein, so dass der Grenzstandschalter 1 frontbündig und damit nahezu koplanar zur Wandungsinnenseite in den Behälter 2 eingebaut werden kann. Einen solche, zweite Ausführungsform ist in 3 dargestellt und bietet sich insbesondere bei Hygieneanwendungen an.The sensor area 5 does not necessarily have to be as in 2 have the elongated-pointed shape shown, but can also be blunt or flat, so that the level switch 1 can be installed in the container 2 flush with the front and thus almost coplanar to the inside of the wall. Such a second embodiment is in 3 shown and is particularly suitable for hygiene applications.

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 2 jetzt als separates Teil ausgeführt und besteht vorzugsweise aus Keramik. Auf der dem Medium 3a, 3b abgewandten Seite der Membran 11a ist der elektromechanische Wandler 12 angeordnet, der die Durchbiegung der Membran 11a in Folge eines einwirkenden Drucks p in eine elektrische Größe umwandelt.The support material 11 here has a recess 14 in which the measuring electrode 10 is arranged and which is sealed off from the medium by a deflectable membrane 11a. In contrast to the version in 2 now designed as a separate part and is preferably made of ceramic. The electromechanical converter 12, which converts the deflection of the membrane 11a as a result of an acting pressure p into an electrical variable, is arranged on the side of the membrane 11a facing away from the medium 3a, 3b.

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 membrane 11a because it is electrically insulating and the measuring electrode 10, which is preferably designed as a metal foil or small metal plate, can be positioned well on it. A metal foil makes sense because it moves easily with the membrane 11a due to a form-fitting connection. Of course, in principle, other suitable materials can also be considered.

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 electromechanical converter 12 is preferably designed as a semiconductor strain gauge made of a semiconductor substrate and at least one piezoresistive resistance track, since it is very sensitive to the slightest expansion and compression of the membrane. Accordingly, the space for the measuring membrane 11a and thus also the cavity 13 or the recess 14 can be small. Due to the high sensitivity of the semiconductor strain gauge 12, it can be arranged eccentrically, in the outer edge area of the measuring membrane 11a, which could be important above all in the case of a front-flush sensor area 10. In this case, in the outer edge area means in particular arranged in the outer half of the membrane 11a.

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

  • DE 102007059709 A1 [0002]DE 102007059709 A1 [0002]
  • DE 102019115962 A1 [0004]DE 102019115962 A1 [0004]
  • DE 10335520 A1 [0006]DE 10335520 A1 [0006]

Claims (8)

Messgerät (1) zur kapazitiven Grenzstandserfassung, bestehend aus einem zumindest teilweise rotationssymmetrischen Gehäuse (4) und einem sich in axialer Richtung unmittelbar an das Gehäuse (4) anschließenden Sensorbereich (5), der im Wesentlichen aus einer Messelektrode (10) und einem die Messelektrode (10) umgebenden Stützmaterial (11) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützmaterial (11) einen Hohlraum (13) aufweist, so dass in einem Teilbereich der äußeren, dem Medium zugewandten Oberfläche des Stützmaterials (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.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, which essentially consists of a measuring electrode (10) and a measuring electrode (10) surrounding the support material (11), characterized in that the support material (11) has a cavity (13), so that in a partial area of the outer surface of the support material (11) facing the medium, this is so thin that a deflectable measuring diaphragm (11a) is formed at this point, the first side of which is at least partially in contact with the medium (3a, 3b) and the second side of which, facing away from the medium (3a, 3b), has an electromechanical converter (12), which has a converts the deflection of the measuring membrane (11a) dependent on the pressure p acting on the measuring membrane (11a) into an electrical variable. Messgerät (1) zur kapazitiven Grenzstandserfassung, bestehend aus einem zumindest teilweise rotationssymmetrischen Gehäuse (4) und einem sich in axialer Richtung unmittelbar an das Gehäuse (4) anschließenden Sensorbereich (5), der im Wesentlichen aus einer Messelektrode (10) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Medium zugewandten Bereich eine auslenkbare Membran (11a) angeordnet ist, die das Messgerät (1) zum Medium hin dicht abschließt, wobei eine erste Seite der Membran (11a) zumindest teilweise mit dem Medium (3a, 3b) in Kontakt steht und deren von dem Medium (3a, 3b) abgewandten zweiten Seite die Messelektrode (10) sowie 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.Measuring device (1) for capacitive limit level detection, consisting of an at least partially rotationally symmetrical housing (4) and a sensor area (5) which is directly adjacent to the housing (4) in the axial direction and essentially consists of a measuring electrode (10), characterized in that a deflectable membrane (11a) is arranged in the area facing the medium, which seals the measuring device (1) tightly towards the medium, with a first side of the membrane (11a) being at least partially in contact with the medium (3a, 3b). and whose second side facing away from the medium (3a, 3b) has the measuring electrode (10) and an electromechanical converter (12), which converts a deflection of the measuring membrane (11a) into an electrical variable, depending on the pressure p acting on the measuring membrane (11a). converts. Messgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektrode (10) als Metallfolie oder Metallplättchen ausgeführt ist und unmittelbar auf der inneren, zweiten Seite der Messmembran (11a) aufliegt.measuring device claim 2 , characterized in that the measuring electrode (10) is designed as a metal foil or metal plate and rests directly on the inner, second side of the measuring membrane (11a). Messgerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmembran (11a) aus Keramik besteht.measuring device claim 2 or 3 , characterized in that the measuring membrane (11a) consists of ceramics. Messgerät nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektrode (10) von einem Stützmaterial (11) umgeben ist und dieses Stützmaterial (11) eine Aussparung (14) aufweist, in der die Messelektrode (10) angeordnet und die von der Membran (11a) zum Medium hin abgeschlossen ist.measuring device claim 2 , 3 or 4 , characterized in that the measuring electrode (10) is surrounded by a support material (11) and this support material (11) has a recess (14) in which the measuring electrode (10) is arranged and from the membrane (11a) to the medium is completed. Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Wandler (12) als Halbleiter-Dehnungsmessstreifen ausgeführt ist.Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the electromechanical converter (12) is designed as a semiconductor strain gauge. Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Wandler (12) aus einem Halbleitersubstrat und wenigstens einer piezoresistiven Widerstandsbahn ausgebildet ist.Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the electromechanical converter (12) is formed from a semiconductor substrate and at least one piezoresistive resistance track. Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Wandler (12) außermittig, im äußeren Randbereich der Messmembran (11a) angeordnet ist.Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the electromechanical converter (12) is arranged eccentrically in the outer edge region of the measuring membrane (11a).
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10335520A1 (en) 2003-07-31 2005-02-17 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Method for controlling head pressure in a container filled with liquid
DE102007059709A1 (en) 2006-12-10 2008-06-12 Ifm Electronic Gmbh Capacitative sensor has an evaluation unit, for the characteristic signal on charging/discharging the impedance and condenser, for evaluation to tune the impedance
WO2009071527A2 (en) 2007-12-03 2009-06-11 Iveco S.P.A. Integrated pressure and level sensor of a cooling fluid and engine comprising said sensor
DE102009002662A1 (en) 2009-04-27 2010-10-28 Ifm Electronic Gmbh Capacitive pressure sensor, particularly combination sensor for detecting measuring parameter, has ceramic pressure measuring cell which consists of diaphragm, base body and measuring electrodes in form of conductive surface areas
DE102018209563B3 (en) 2018-06-14 2019-07-18 Siemens Aktiengesellschaft Multifunctional sensor for the process industry
DE102019115962A1 (en) 2019-06-12 2020-12-17 Ifm Electronic Gmbh Capacitive pressure measuring device with means for temperature detection

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10335520A1 (en) 2003-07-31 2005-02-17 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Method for controlling head pressure in a container filled with liquid
DE102007059709A1 (en) 2006-12-10 2008-06-12 Ifm Electronic Gmbh Capacitative sensor has an evaluation unit, for the characteristic signal on charging/discharging the impedance and condenser, for evaluation to tune the impedance
WO2009071527A2 (en) 2007-12-03 2009-06-11 Iveco S.P.A. Integrated pressure and level sensor of a cooling fluid and engine comprising said sensor
DE102009002662A1 (en) 2009-04-27 2010-10-28 Ifm Electronic Gmbh Capacitive pressure sensor, particularly combination sensor for detecting measuring parameter, has ceramic pressure measuring cell which consists of diaphragm, base body and measuring electrodes in form of conductive surface areas
DE102018209563B3 (en) 2018-06-14 2019-07-18 Siemens Aktiengesellschaft Multifunctional sensor for the process industry
DE102019115962A1 (en) 2019-06-12 2020-12-17 Ifm Electronic Gmbh Capacitive pressure measuring device with means for temperature detection

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