DE102022106457A1

DE102022106457A1 - Füllstandsmessgerät

Info

Publication number: DE102022106457A1
Application number: DE102022106457.3A
Authority: DE
Inventors: Sven Schwager
Original assignee: WIKA Alexander Wiegand SE and Co KG
Current assignee: WIKA Alexander Wiegand SE and Co KG
Priority date: 2021-03-30
Filing date: 2022-03-18
Publication date: 2022-10-06
Also published as: US20220316936A1; CN115144051A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Füllstandsmessgerät (10), bei dem mehrere kapazitive Abschnitte mit einem Referenzkondensator (30) verschaltbar sind, wobei ein sich einpegelndes Spannungsniveau als Füllstand (L0, L1, L2) auswertbar und ausgebbar ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Füllstandmessgerät gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Messung eines Füllstandes.
Das Messen von Füllständen ist in der Industrie seit je her eine wichtige Aufgabe. Dazu bedarf es zuverlässiger und präziser Technik, da eine ungenaue oder fehlerhafte Messung zu schwerwiegenden Folgen führen kann.
Vorrichtungen bekannter Art sind beispielsweise magnetische Schwimmer-Sensoren oder diverse kapazitive Füllstandssensoren. Herkömmliche kapazitive Füllstandssensoren haben den Nachteil, dass sie anfällig auf Störeinflüsse aus der Umwelt reagieren. Dazu gehören Unterschiede bei den Medien selbst oder auch Temperaturschwankungen im Medium und der Umgebung. Weiterhin kann es als problematisch angesehen werden, dass die kapazitiven Füllstandssensoren aus dem Stand der Technik oftmals elektrisch mit dem Behälter verbunden werden müssen.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein neuartiges Füllstandsmessgerät und ein neuartiges Verfahren zur Messung eines Füllstandes anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Füllstandsmessgerät, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und durch ein Verfahren, welches die im Anspruch 14 angegebenen Merkmale aufweist.
Mögliche Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Füllstandsmessgerät weist ein Sensorgehäuse zur Aufnahme mindestens einer Erfassungseinheit zur Erfassung eines Füllstandes auf. Dabei ist das Sensorgehäuse länglich und/oder rohrförmig ausgebildet und erstreckt sich entlang einer Symmetrieachse. Die Symmetriesachse ist bei einer möglichen Anwendung des Füllstandsmessgeräts beispielsweise senkrecht auf einen Füllstand ausgerichtet. Das Sensorgehäuse ist dafür ausgebildet, dass es in ein Medium, insbesondere ein Fluid oder einen Feststoff eingetaucht wird und die innenliegende Erfassungseinheit vor dem Medium selbst schützt. Die Erfassungseinheit weist mindestens zwei übereinander angeordnete Erfassungsabschnitte auf. Diese sind dazu ausgebildet, eine außen am Sensorgehäuse anliegende Kapazität zu erfassen, welche sich analog zu dem Füllstand ausbildet. Allgemein gilt insbesondere, dass die Kapazität proportional zu/mit dem Füllstand ansteigt. Weiterhin ist eine elektronische Schaltung vorgesehen, welche einen Referenzkondensator aufweist. Dieser ist abwechselnd zyklisch mit den Erfassungsabschnitten verschaltbar.
Erfindungsgemäß ist jeder Erfassungsabschnitt gegenpolig zu dem Referenzkondensator aufladbar. So kann der Referenzkondensator als fester Bestandteil der elektronischen Schaltung zunächst positiv geladen werden, während zumindest ein Teil des Erfassungsabschnittes negativ geladen ist. Ein Erfassungsabschnitt kann ein oder mehrere Elektrodenpaare bzw. Kondensatoren umfassen. Ferner kann der Erfassungsabschnitt allgemein definiert werden als mindestens eine Elektrode mit entsprechender Gegenelektrode, bevorzugt jedoch als ein Elektrodenpaar mit entsprechendem Gegenelektrodenpaar. Durch die doppelte Anzahl an Elektroden wird eine verbesserte Genauigkeit der Messung erreicht.
Bei der Verschaltung von dem Referenzkondensator mit jedem einzelnen Erfassungsabschnitt stellt sich jeweils ein Spannungsniveau ein, welches dem außen am Sensorgehäuse bzw. am entsprechenden Abschnitt des Sensorgehäuses anliegenden Füllstand entspricht. Bei dieser Verschaltung sind letztendlich der Referenzkondensator und der Erfassungsabschnitt in Reihe geschaltet und es wird ein Spannungswert gemessen sowie notiert bzw. abgespeichert.
Insbesondere wird dieses Verfahren der Reihe nach mit den weiteren Erfassungsabschnitten durchgeführt, beispielsweise mittels eines so genannten Multiplexers. Bei jeder Verschaltung wird der resultierende Spannungswert ermittelt und in einen Speicher notiert bzw. gespeichert. Dem folgend wird der Spannungswert in einen außen anliegenden Füllstandswert verrechnet. Dies kann zum Beispiel auch prozentual zur Länge der Erfassungseinheit verrechnet werden und als Prozentwert ausgegeben werden. Ferner kann solch ein Signal in jedem gängigen Industrieformat, wie zum Beispiel in einem Bereich von 4 mA bis 20 mA und/oder 0 bis 5 V am Ausgang bereitgestellt werden.
Das vorliegende Füllstandsmessgerät ermöglicht eine kostengünstige Lösung für eine präzise Füllstandsmessung bei gleichzeitig einfachem und universell einsetzbarem Aufbau.
In einer möglichen Ausgestaltung des Füllstandsmessgeräts ist vorgesehen, dass an einem unteren Ende der Erfassungseinheit mindestens ein weiterer spezifischer Erfassungsabschnitt angeordnet ist oder mindestens eine weitere Elektrode zur Erfassung einer spezifischen Umgebungsvariablen angeordnet ist. Beispielsweise kann es daher möglich sein, dass bei mindestens zwei vorhandenen Erfassungsabschnitten einer von diesen den spezifischen Erfassungsabschnitt bildet. Als der unterste Erfassungsabschnitt wird hier jeweils derjenige Erfassungsabschnitt bezeichnet, der bei minimalem Füllstand zuerst mit dem Füllmedium in Kontakt gerät.
Der spezifische Erfassungsabschnitt kann dazu vorgesehen sein, einen ersten (minimalen) Füllstand zu ermitteln. Eine weitere denkbare Funktion besteht darin, dass durch den Einsatz des spezifischen Erfassungsabschnitts Umwelteinflüsse, wie beispielsweise eine Temperatur oder eine Art des Mediums, und ihre zu berücksichtigenden Basiswerte in Bezug auf kapazitive und andere Grundeigenschaften bestimmt werden können. Werden Umwelteinflüsse bei der Füllstandsmessung nicht ausreichend berücksichtigt, kann das mitunter gravierende Folgen nach sich ziehen. Diese störenden Umwelteinflüsse werden durch die Verschaltung von dem spezifischen Erfassungsabschnitt mit der elektronischen Schaltung nahezu vollständig kompensiert oder zumindest minimiert. Beispielsweise können hierzu Kapazitätsschwankungen und/oder Abweichungen in den erfassten Messwerten, welche durch Temperatureinflüsse entstanden sind, ermittelt und ausgewertet werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Füllstandsmessgeräts ist vorgesehen, dass die Verschaltung des Erfassungsabschnitts und/oder des spezifischen Erfassungsabschnitts mit der elektronischen Schaltung gegenpolig erfolgt. Dies kann insbesondere immer bei jeder Abfrage eines Elektrodenpaars bzw. Kondensators erfolgen. Dazu kann auch ein bereits erwähnter Multiplexer eingesetzt werden, welcher dazu ausgebildet ist, in einer programmierten oder vorgesehenen Reihenfolge zyklisch die Erfassungsabschnitte oder den Referenzkondensator aufzuladen und anschließend die Ausgleichsmessung durchzuführen. Es kann also einerseits der Erfassungsabschnitt aufgeladen werden, anders herum kann auch der Referenzkondensator aufgeladen werden. Dabei pendelt sich zwischen Referenzkondensator und Erfassungsabschnitt ein Spannungsniveau ein, welches einem außen am Schutzrohr anliegendem Füllstand entspricht. Es bildet sich also ein Spannungsniveau aus, welches dann von der Auswerteeinheit in einen Füllstandswert umgesetzt wird. Der Multiplexer kann hierbei nicht nur die Erfassungsabschnitte im Gesamten ansteuern, sondern auch jeden einzelnen Eingang der Erfassungsabschnitte. Konkret kann also die Ansteuerung von Anode und Kathode jedes, einen Kondensator bildenden Erfassungsabschnittes vorgesehen sein. Es ist aber auch eine inverse Messung möglich, wodurch die Genauigkeit der Messung in einfacher und zugleich vorteilhafter Weise erhöht wird.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Füllstandsmessgeräts sind innerhalb des Sensorgehäuses mehrere Erfassungseinheiten miteinander verbindbar und/oder koppelbar. Damit eine Kommunikation zwischen mehreren Erfassungseinheiten sichergestellt ist, weist jede einzelne Erfassungseinheit mindestens eine Abschnittsauswerteeinheit auf. Die Abschnittsauswerteeinheit ist insbesondere ein Bestandteil der elektronischen Schaltung. Jeweils ein oberster Abschnitt kann hierbei auch eine Schnittstelle nach außen und/oder oben bilden, welche die Messwerte ausgibt.
Insbesondere werden bei der Ermittlung der Spannungsniveaus die Erfassungsabschnitte mit dem Referenzkondensator verschaltet und die Werte werden an/in der Abschnittsauswerteeinheit verarbeitet. Weiterhin können, falls mehr als eine Erfassungseinheit verwendet wird, die Werte der Abschnittsauswerteeinheiten an eine übergeordnete Abschnittsauswerteeinheit weitergegeben werden. Die übergeordnete Abschnittsauswerteeinheit bildet dabei einen Master, die untergeordneten Abschnittsauswerteeinheiten jeweils einen Slave. Im Master werden alle eingehenden Daten der Abschnitte verrechnet und es wird ein dem insgesamten Füllstand entsprechender Wert nach außen ausgegeben.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Füllstandsmessgeräts ist vorgesehen, dass die Erfassungsabschnitte jeweils paarweise und/oder gegenüberliegend ausgebildet sind. Beispielsweise umfasst einer von mehreren möglichen Erfassungsabschnitten jeweils ein Elektrodenpaar und ein dazugehöriges Gegenelektrodenpaar. Beispielsweise stellt das eine Elektrodenpaar eine Anode eines Kondensators dar und das Gegenelektrodenpaar eine Kathode des Kondensators. Das Elektrodenpaar selbst wiederum umfasst zwei Elektroden, die dann an der Erfassungseinheit und insbesondere im Erfassungsabschnitt gegenüberliegend ausgebildet sind. Beispielsweise sind die Elektrodenpaare, insbesondere die Elektroden, möglichst nahe am Sensorgehäuse angeordnet. Das bietet den Vorteil einer möglichst genauen Messung. Ein Abstand zwischen den beiden Elektroden eines Elektrodenpaares ist beispielsweise größer als ein Abstand von einem Elektrodenpaar zum Gegenelektrodenpaar. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, einen möglichst geringen Abstand zwischen Elektrodenpaar und Gegenelektrodenpaar vorzusehen.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Füllstandsmessgeräts ist vorgesehen, dass die Erfassungsabschnitte als leitfähige Abschnitte auf oder an Platinen ausgebildet sind. Das kann zum Beispiel in Form einer auf einer Leiterplatte angebrachten leitfähigen Bahn ausgebildet sein. Beispielsweise sind diese leitfähigen Bahnen an Kanten von Leiterplatten oder Platinen angeordnet. Die Bahnen können sich auch über eine Kante der Leiterplatte hinweg in eine zweite Dimension ausbilden. Auch kann die Leiterplatte aus mehreren Schichten bestehen.
Beispielsweise werden die Elektroden möglichst nahe an die Sensorgehäusewand herangeführt oder aber optional auch mit Verbindungsmitteln an die Sensorwand gekoppelt. Dies können beispielsweise elektrische Kontakte oder mechanisch flexible, beispielsweise gummiartige Verbindungsmittel sein.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Füllstandsmessgeräts ist vorgesehen, dass die Erfassungseinheit mit den Erfassungsabschnitten auf einer mechanisch flexiblen, insbesondere biegsamen Leiterplatte angeordnet ist. Das bietet den Vorteil einer flexiblen, an komplexe Gehäusegeometrien angepassten Anwendung. Beispielsweise ist es dabei möglich, die flexible Leiterplatte rund oder kreisförmig zu biegen und in dem ebenfalls runden Sensorgehäuse anzuordnen. Dabei kann das rohrförmige Sensorgehäuse selbst auch noch gebogen sein. Das Innere des Sensorgehäuses kann mit einem Formteil, Schaum oder Federelement ausgefüllt oder mit geeigneten Werkstoffen vergossen werden. Dies erhöht eine mechanische Belastbarkeit des Füllstandsmessgeräts. Die flexible Erfassungseinheit kann weiterhin auch Anschlüsse oder Schnittstellen für weitere zusätzliche Erfassungseinheiten zur Verlängerung der gesamten Einheit umfassen.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Füllstandsmessgeräts ist vorgesehen, dass die Erfassungsabschnitte und/oder die Elektroden mit dem Sensorgehäuse zumindest abschnittsweise fest elektrisch leitend verbunden sind. Abstände und Lufteinschlüsse zwischen den Elektroden und dem Sensorgehäuse können sich negativ auf die Messgenauigkeit auswirken. Eine leitende Verbindung zwischen Elektrode und Sensorgehäuse kann diesen Nachteil überwinden. Die Verbindung zwischen Elektroden und Gehäuse kann auf vielfältige Art und Weise realisiert werden. So kann beispielsweise auch ein minimierter Luftspalt, eine direkte Anlage oder aber auch ein leitendes Verbindungsmittel den Kontakt herstellen. Beispielsweise kann dies auch eine Füllung oder ein Verguss sein, auch eine angepresste Anlage der Elektrode an der Wand mit einem Abstützungsmittel, wie einem federelastischen Bauteil, kann dies unterstützen. Ein weiterer Effekt bei einem Verguss ist die verbesserte mechanische Stabilität des rohrförmigen Sensorgehäuses. Der Verguss kann beispielsweise aus zwei Komponenten gebildet werden. Hierfür bietet sich beispielsweise auch die Verwendung von transparentem Polyurethan (PU) an. Ein transparenter Verguss ermöglicht auch das Durchleuchten von Statuslampen, beispielsweise Leuchtdioden, die auf der Platine angebracht sind. Dies kann beispielsweise auch nach oben, durch einen transparenten Anschluss oder ein transparentes Sensorgehäuse realisiert sein.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Füllstandsmessgeräts ist vorgesehen, dass das Sensorgehäuse aus Polypropylen (PP), Polyvinylchlorid (PVC), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polyetheretherketon (PEEK) gebildet ist. Polyvinylidenfluorid (PVDF) ist ein vielfach angewendeter Kunststoff in der Industrie und bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber anderen Kunststoffen, wie beispielsweise eine relativ hohe Wärmebeständigkeit bis zu etwa 140 Grad Celsius. Durch einen Zusatz von Füllstoffen, wie beispielsweise Kreide oder Glasfasern, lassen sich die mechanischen Eigenschaften deutlich verbessern.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Füllstandsmessgeräts ist vorgesehen, dass ein Durchmesser des Sensorgehäuses zwischen 6 mm und 30 mm, insbesondere 10 mm bis 20 mm beträgt.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Füllstandsmessgeräts ist vorgesehen, dass die mindestens eine Erfassungseinheit in ihrer Länge zumindest abschnittsweise trennbar und/oder kürzbar ausgebildet ist. So sind mehrere Erfassungsabschnitte über die gesamte Länge der Erfassungseinheit gleichmäßig verteilt. Eine interne Verschaltung und Ausgestaltung der Leiterplatte der Erfassungseinheit ist beispielsweise derart ausgebildet, dass die Leiterplatte abschnittsweise kürzbar ist. Dadurch können sehr individuelle Längen der Erfassungseinheiten und damit des gesamten Füllstandsmessgeräts erreicht werden. Dies ist auch durch eine Verbindung mehrerer Erfassungseinheiten realisierbar, wobei eine oder mehrere Erfassungseinheiten dann in ihrer Länge angepasst werden können. Dabei sind die Erfassungseinheiten insbesondere zwischen jeweils zwei Erfassungsabschnitten trennbar. Somit können Längen der Erfassungseinheiten an unterschiedliche Anwendungen, insbesondere auch mit unterschiedlichen Abmessungen, angepasst werden, so dass zur Erzeugung des Füllstandsmessgeräts Erfassungseinheiten aus einer Art Baukastensystem mit einer unterschiedlichen Anzahl von Erfassungseinheiten und unterschiedlicher Länge konfektioniert werden können. Insbesondere ist zumindest eine Leiterplatte, mit der eine Erfassungseinheit realisiert ist, mitsamt Elektronik abschnittsweise trennbar, also ablängbar. Eine Abkürzung der Erfassungseinheiten erfolgt in einem unteren Bereich beispielsweise in der Art, dass mindestens der spezifische Erfassungsabschnitt und ein Erfassungsabschnitt vorhanden und/oder anbringbar sind.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Füllstandsmessgeräts ist vorgesehen, dass die Elektroden oder Elektrodenpaare des spezifischen Erfassungsabschnitts kreuzförmig und/oder mit mindestens zwei Elektrodenpaaren ausgestaltet sind. Insbesondere soll dabei eine doppelte Anzahl an Elektrodenpaaren bereitgestellt werden. Da eine erste exakte Messung des Füllstandes erst mit Erreichen des zweiten Erfassungsabschnittes, insbesondere der Elektrodenpaare (erste Elektrodenpaare oberhalb des spezifischen Erfassungsabschnitts) möglich ist, soll ein Totbereich bei der Messung möglichst klein gehalten werden. Das wird beispielsweise durch die Verdoppelung der Anzahl der Elektrodenpaare erreicht, da die Elektrodenpaare bei einer gleichbleibenden Messqualität gleichzeitig kürzer ausgeführt werden können.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Füllstandsmessgeräts ist vorgesehen, dass der spezifischen Erfassungsabschnitt im Verhältnis zu mindestens einem weiteren Erfassungsabschnitt, insbesondere dem darüber nachfolgenden Erfassungsabschnitt, kürzer ausgeführt ist.
Dies bewirkt die Verkleinerung des Totbereichs der Messung und ist ebenfalls besonders vorteilhaft in Kombination mit der kreuzförmigen Ausführung des spezifischen Erfassungsabschnitts.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Füllstandsmessgeräts ist vorgesehen, dass das Füllstandsmessgerät oder die elektronische Schaltung derart ausgebildet ist, dass ein Selbstlernen, beispielsweise ein maschinelles Lernen möglich ist. Hierbei können dann spezifische Größen erkannt werden, wie beispielsweise eine Art des Mediums und ein zugehöriges Temperaturverhalten. Das Lernen kann auch über einen längeren Zeitabschnitt erfolgen, wobei sich dann die Genauigkeit schrittweise verbessert. Durch die Verschaltung der Elektrodenpaare mit dem mindestens einen Referenzkondensator und auch dem spezifischen Erfassungsabschnitt können unterschiedliche Kapazitäten bestimmt und verrechnet werden. Die Messung wird ferner mit steigender Anzahl an Messwerten genauer. Ferner ist es möglich, dass weitere Daten zu Beschaffenheit des Mediums gespeichert werden können. Die gespeicherten Werte können jederzeit auch manuell abgerufen oder editiert werden und dann mit in die Bildung eines gesamten Ausgabemesswerts, welcher dem Füllstand entspricht, mit einbezogen werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Füllstandsmessgeräts ist vorgesehen, dass das Füllstandsmessgerät jederzeit auch manuell kalibriert und/oder angelernt werden kann. So ist beispielsweise möglich, einen festen und bekannten Füllstand einzustellen und danach das Füllstandsmessgerät zu kalibrieren. Optional kann auch ein weiteres Füllstandsmesssystem, wie beispielsweise ein Schwimmer, im selben Gehäuse, beispielsweise im selben Behälter, redundant verbaut sein, welcher dann Messwerte zum Füllstand mit dem kapazitiven Füllstandsmessgerät austauscht oder abgleicht. So können sich beide Systeme bzw. Messgeräte gegenseitig kontrollieren und Fehler reduziert werden. Insbesondere kann auch ein so genannter SIL- oder Safety-Level erreicht werden, wenn die beiden oben genannten Systeme zu einem einheitliche Messsystem kombiniert werden. Das Schwimmer-Messsystem kann auch direkt am Sensorgehäuse angeordnet oder integriert werden, sodass die beiden Messsysteme (kapazitiv und Schwimmer) in einer einzigen Vorrichtung implementiert und beispielsweise mit einer Platine realisiert sind.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Füllstandsmessgeräts ist vorgesehen, dass die Erfassungseinheit und/oder die Abschnittsauswerteeinheit mindestens einen Temperatursensor umfassen bzw. umfasst. Dieser kann dazu vorgesehen sein, eine Temperatur im Medium oder außerhalb des Mediums, das heißt in dessen Umwelt zu messen. Dadurch können weiter störende Umwelteinflüsse kompensiert und die Genauigkeit der Messung gesteigert werden. Besonders vorteilhaft kann in diesem Zusammenhang auch die Verwendung mehrerer Temperatursensoren sein, beispielsweise an jeder Abschnittsauswerteeinheit mindestens ein Temperatursensor.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahrensablauf der Messung, welcher insbesondere mit einem Füllstandsmessgerät gemäß Anspruch 1 oder einer Weiterbildung desselben ausgeführt wird, lässt sich ein Erfassungsvorgang in einer möglichen Ausgestaltung wie folgt beschreiben. Jeder Erfassungsabschnitt einer Erfassungseinheit wird jeweils doppelt angesteuert und/oder abgefragt. Dabei wird jeder Erfassungsabschnitt mit einem Referenzkondensator verschaltet. Der Referenzkondensator ist dabei Bestandteil der jeweiligen Abschnittsauswerteeinheit. Bei dem Erfassungsvorgang werden nun der Referenzkondensator und der jeweilige Erfassungsabschnitt gegenpolig aufgeladen.
Beispielsweise wird zunächst in einem ersten Schritt ein Erfassungsabschnitt mit +5 V aufgeladen, während zugleich der Referenzkondensator in der elektronischen Schaltung ungeladen ist. Bei einer anschließenden Entladung stellt sich ein erstes Spannungsniveau ein, welches einem außen am Sensorgehäuse anliegenden Füllstand entspricht. In einem zweiten Schritt wird der Erfassungsabschnitt entladen und der Referenzkondensator aufgeladen. Entsprechend erfolgt im Anschluss wieder ein Entladevorgang, wobei sich ein zweites Spannungsniveau einstellt. Dieses wird mit dem ersten Spannungsniveau aus dem ersten Vorgang verrechnet, insbesondere die Differenz aus beiden gebildet.
Bei mehreren Erfassungsabschnitten und damit mehreren Elektroden/-paaren wird das Ansteuern der Erfassungsabschnitte beispielsweise mit einem Multiplexer durchgeführt. Dabei werden beispielsweise der Reihe nach Spannungswerte/-niveaus aller Erfassungsabschnitte abgefragt, beginnend bei dem ersten, untersten Elektrodenpaar bzw. dem spezifischen Erfassungsabschnitt. Auch können mit dem Multiplexer jeweils Anode und Kathode der jeweiligen Elektroden oder Elektrodenpaare einzeln angesteuert werden. So sind verschiedene Verschaltungskombinationen zwischen den Elektrodenpaaren und dem Referenzkondensator möglich. Insbesondere ist dabei auch eine inverse Verschaltung möglich.
Durch eine Kombination von normaler und inverser Verschaltung kann eine Anzahl der Messergebnisse verdoppelt werden. Indem aus den Ergebnissen dann ein Mittelwert verwendet wird, kann damit die Messgenauigkeit erhöht werden. Durch ein sogenanntes „Oversampling“ der Messwerte kann eine zusätzliche Erhöhung der Genauigkeit erreicht werden.
Ein Sensoraufbau kann auch aus mehreren Erfassungsabschnitten zusammengesetzt sein. Die gemessenen Spannungsniveaus der einzelnen Erfassungsabschnitte können dann in der jeweiligen Abschnittsauswerteeinheit verrechnet werden. Sind mindestens zwei Erfassungseinheiten vorhanden, kann das Verfahren beispielsweise wie folgt angepasst werden: Die untere Erfassungseinheit mit dem spezifischen Erfassungsabschnitt ermittelt zuerst oder immer die spezifischen Messwerte des Mediums. Die oberste Abschnittsauswerteeinheit kann baugleich zu den nachfolgenden, unteren Abschnittsauswerteeinheiten sein. Jedoch ist die oberste Abschnittsauswerteeinheit beispielsweise immer funktional als übergeordnete MasterEinheit in Funktion zu betrachten. Die untere, dann sogenannte Slave-Abschnittsauswerteeinheit der unteren Erfassungseinheit verrechnet die einzelnen gemessenen Spannungsniveaus ihrer Elektroden und gibt dann ihren resultierenden Wert an die Master-Abschnittsauswerteeinheit der darüber liegenden Erfassungseinheit weiter.
Bei mindestens drei Erfassungseinheiten werden die resultierenden Messwerte der unteren Abschnitte beispielsweise entsprechend zuerst in der jeweiligen Abschnittsauswerteeinheit ermittelt und dann der obersten Erfassungseinheit (Master-Auswerteeinheit) zur Verfügung gestellt. Die unteren Erfassungseinheiten leiten also ihren resultierenden Messwert beispielsweise direkt an die Abschnittsauswerteeinheit der obersten Erfassungseinheit weiter. Zusätzlich liefert jeweils immer die unterste Erfassungseinheit mit ihrem spezifischen Erfassungsabschnitt die medienspezifischen Messdaten.
Hierzu wird immer die unterste Einheit mit den spezifischen Elektroden versehen. So können beispielsweise über die am spezifischen Erfassungsabschnitt gemessene Kapazität Rückschlüsse auf die Art des Mediums getroffen werden. In der obersten Abschnittsauswerteeinheit werden dann beispielsweise wiederum alle empfangenen resultierenden Messwerte miteinander verrechnet und es wird ein dem Füllstand entsprechender Wert ausgegeben. Die Weitergabe von Messdaten durch andere Abschnitte an den Master erfolgt vorzugsweise elektronisch oder über ein Bus-Protokoll, wie z. B. I²C.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:

1 schematisch ein Füllstandsmessgerät im eingebauten Zustand,
2a schematisch einen Schaltplan einer elektrischen Verschaltung eines Füllstandsmessgeräts,
2b schematisch einen Spannungsverlauf an einer Auswerteeinheit,
3a schematisch eine mögliche erste Ausführungsform eines Füllstandmessgeräts mit einer Erfassungseinheit,
3b schematisch einen Schnitt durch einen untersten Erfassungsabschnitt des Füllstandsmessgeräts gemäß 3a,
3c schematisch eine mögliche zweite Ausführungsform eines Füllstandmessgeräts mit zwei Erfassungseinheiten,
3d schematisch Bestandteile und einen Aufbau eines Füllstandsmessgeräts,
3e schematisch eine flexible Ausführungsform eines Füllstandsmessgeräts und
4 schematisch einen Querschnitt einer Erfassungseinheit eines Füllstandsmessgeräts.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In der 1 wird eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Füllstandsmessgeräts 10 in einem eingebauten Zustand gezeigt.
Ein Sensorgehäuse 11 des Füllstandsmessgeräts 10 ist zumindest nahezu vollständig innerhalb eines Behälters 12 angeordnet. In dem Behälter 12 ist ein Füllstand L1, optional ein Füllstand L2 eines Fluides dargestellt. Das Fluid ist beispielsweise eine Flüssigkeit. Ein unteres Ende 14 des Sensorgehäuses 11 reicht dabei beispielsweise bis zu einem Boden 13 des Behälters 12.
Bei gekrümmten Behältern 12, wie dargestellt, bleibt meist ein undefinierbarer Spalt zum Boden 13. Je weiter das Sensorgehäuse 11 von dem Boden 13 entfernt ist, desto schlechter kann ein minimaler Füllstand gemessen werden. Ein Mindestabstand zum Behälterboden 13 ist nicht vorgesehen. Optional ist hier zumindest ein sehr reduzierter Abstand vorzusehen.
Je nach Größe und Dimension des Behälters 12 kann das Füllstandsmessgerät 10 in seiner Größe angepasst werden. So sind in der 1 innerhalb des Sensorgehäuses 11 drei Erfassungseinheiten 15a, 15b, 15c dargestellt, welche eine Erfassungseinheit 15 bilden.
Eine Erfassungseinheit 15a, 15b, 15c weist beispielsweise jeweils eine in 2 näher dargestellte Leiterplatte 26 auf oder ist als solche ausgebildet, wobei die Leiterplatte 26 beispielsweise abschnittsweise gekürzt werden kann. Wie im dargestellten Ausführungsbeispiel können mehrere, beispielsweise mindestens drei Erfassungseinheiten 15a, 15b, 15c miteinander verbunden und kombiniert werden. Die jeweilige Erfassungseinheit 15a, 15b, 15c kann dabei aus mehreren Schichten bestehen. So sind beispielsweise mehrere Leiterbahnen auf unterschiedlichen Ebenen ausgeführt, welche elektrischen Strom und/oder Signale führen.
Jede Erfassungseinheit 15a, 15b, 15c weist beispielsweise eine Abschnittsauswerteeinheit 16a, 16b, 16c sowie mindestens zwei Erfassungsabschnitte 17 auf. Die Abschnittsauswerteeinheiten 16a, 16b, 16c sind beispielsweise jeweils ein integrierter Mikrocontroller. Die Erfassungsabschnitte 17 sind beispielsweise jeweils aus einem Elektrodenpaar 24 sowie dazugehörigen Gegenelektroden gebildet. Die Gegenelektroden sind in nicht näher dargestellter Weise beispielsweise als Gegenelektrodenpaar auf der anderen Seite, das heißt gegenüberliegend zum jeweiligen Elektrodenpaar 24, angeordnet.
Beispielsweise wird eine oberste Abschnittsauswerteeinheit 16a als Master betrieben und empfängt Messwerte und/oder Daten der nachfolgenden unteren Auswerteeinheiten 16b, 16c, welche als Slave betrieben werden.
Die unterste Erfassungseinheit 15c ist diejenige, welche dem Boden 13 des Behälters 12 am nächsten gelegen ist. An der untersten Erfassungseinheit 15a ist ein spezifischer Erfassungsabschnitt 18 angeordnet. Der spezifische Erfassungsabschnitt 18 ist beispielsweise kürzer als die übrigen Erfassungsabschnitte 17 ausgebildet.
Am oberen Ende des Sensorgehäuses 11 ist ein Gehäuse 19 angeordnet, welches ein Display 20 und/oder Schnittstellen 21 für einen kabelgebundenen Ausgang und/oder einen drahtlosen Ausgang 22 beinhaltet.
Weiterhin ist ein Schwimmer 23 vorgesehen, der in Redundanz zu dem Füllstandsmessgerät 10 zu sehen ist. Dieser kann beispielsweise zusätzlich magnetisch erfasst werden. Mittels des Schwimmers 23 redundant ermittelte Werte zum Füllstand L1, L2 können beispielsweise auch an die als Master betriebene Abschnittsauswerteinheit 16a weitergegeben werden, wodurch eine Genauigkeit der Füllstandsmessung verbessert werden kann.
In der 2a ist schematisch eine elektrische Verschaltung eines Füllstandsmessgeräts 10, dargestellt.
Dabei umfasst das Füllstandsmessgerät 10 zwei Erfassungseinheiten 15a, 15b. Die Erfassungseinheiten 15a, 15b können einer Leiterplatte 26 mit mehreren Schichten/Layern entsprechen, wie auch in 4 beispielhaft dargestellt ist. Auch können die Erfassungseinheiten 15a, 15b eine solche Leiterplatte 26 umfassen.
Jede Erfassungseinheit 15a, 15b weist eine Abschnittsauswerteeinheit 16a, 16b in Form eines Mikrocontrollers auf. Dabei wird die obere Abschnittsauswerteeinheit 16a beispielsweise als Mastereinheit und die untere Abschnittsauswerteeinheit 16b als Slaveeinheit betrieben. Weitere Slaveeinheiten könnten darunter noch folgen, was schematisch anhand der Strichlinien der Stromversorgung +- und einer Datenleitung I²C, beispielsweise via I²C-Bus, bei der unteren Erfassungseinheit 15b dargestellt ist.
Weiterhin weist jede Erfassungseinheit 15a und 15b zwei Elektrodenpaare 24 auf. Schematisch sind diese an Rändern einer ebenfalls schematisch abgebildeten Leiterplatte 26 angeordnet. Weiterhin sind zwei Referenzkondensatoren 30 vorgesehen, wobei diese zur besseren Übersicht außerhalb der angedeuteten Abschnittsauswerteeinheiten 16a, 16b dargestellt sind. Die Referenzkondensatoren 30 sind jedoch insbesondere Bestandteil der Abschnittsauswerteeinheiten 16a und 16b. An der obersten und insbesondere als Master betriebenen Abschnittsauswerteeinheit 16a (Master) ist eine Schnittstelle 21 zu einem Ausgabegerät oder dem Display 20 angeordnet.
In der 2b ist ein beispielhafter Verlauf einer an einem Eingang einer Abschnittsauswerteeinheit 16a, 16b, 16c oder Auswerteeinheit 16 anliegenden Spannung U über die Zeit t bei einer Messung mit jeweiliger Doppelmessung durch Umpolung an einem Erfassungsabschnitt 17 dargestellt.
Grundsätzlich findet hierzu immer eine Aufladung eines Referenzkondensators 30 oder eines Erfassungsabschnitts 17 statt, worauf sich nachfolgend über Verschaltung der beiden Partner eine Entladung ergibt. Ein sich hierbei ergebendes Spannungsniveau wird als Messwert angesehen. Eine Abtastung einer Elektrode bzw. ein Zyklus, welcher aus Aufladen, Verschalten und Messen besteht, dauert beispielsweise in etwa 1 µs oder beispielsweise 0,2 µs bis 1,8 µs. Besonders vorteilhaft ist dabei eine möglichst kurze Zeitspanne, um eine Störanfälligkeit des Aufbaus gering zu halten.
Beispielsweise ist der Referenzkondensator 30 wie folgt ausgelegt: Eine Kapazität beträgt beispielsweise zwischen 2 pF und 35 pF, insbesondere zwischen 15 pF und 25 pF oder insbesondere 18 pF. Der Referenzkondensator 30 ist an der Messschaltung extern angebracht oder optional in einem integrierten Schaltkreis oder Chip integriert. Die Kapazität, die sich an den Erfassungsabschnitten 17 einstellt, ist variabel und hängt vom anstehenden Füllstand L1, L2 und Eigenschaften des Mediums selbst ab.
Bevor die Messung beginnt, ist der Referenzkondensator 30 insbesondere ungeladen und es liegt dort keine Spannung U (0 V) an. Gleichzeitig ist ein entsprechend von einem Multiplexer angesteuerter Erfassungsabschnitt 17 mit beispielsweise einer Referenzspannung 5 V positiv aufgeladen. Optional kann die Messgenauigkeit auch durch höhere Spannungen U erzielt werden. Hierfür kann beispielsweise die Spannung U immer für alle Messungen jeweils auf 10 V erhöht werden, bevor der Referenzkondensator 30 und der Erfassungsabschnitt 17 elektrisch miteinander verbunden werden.
Eine Abfolge einer Messung kann hierbei wie folgt geschehen:

1. Messung (dargestellt durch einen Abschnitt A1):
- Sobald der Referenzkondensator 30 und der Erfassungsabschnitt 17 zusammengeschaltet werden, beginnt eine Phase zur Erfassung eines ersten Messwerts M_WN in einer Normalmessung M_N. Hierbei beginnt eine Kurve einer sich einstellenden Spannung U bis auf ein Ausgleichsniveau von beispielsweise etwa 1 V anzusteigen. Dies ist vorliegend durch einen Spannungsverlauf U_N dargestellt.
- Man erhält so nun den ersten Messwert M_WN der ersten Normalmessung, die Normalmessspannung. Darauffolgend wird eine AD-Wandlung dieses Spannungswertes durchgeführt, und der Wert wird als erster Messwert M_WN abgespeichert.
- Nun folgend findet eine Aufladung des Referenzkondensators 30 statt. Demzufolge findet ein Anstieg der Spannung U bis auf die Referenzspannung von beispielsweise 5 V statt. Die Spannung U des Erfassungsabschnitts 17 beträgt zu diesem Zeitpunkt, das heißt am Ende des Abschnitts A1, dann nahezu 0 V.
2. Messung (Vergleichsmessung) Die zweite Messung ist gezeigt in einem Abschnitt A2. Dort wird dieselbe Messung wie oben beschrieben durchgeführt, jedoch invertiert. Für die zweite Messung wird also die Verschaltung des Referenzkondensators 30 und des jeweiligen Erfassungsabschnitts 17 vorgenommen. Eine sich hierbei einpendelnde Ausgleichsspannung entspricht einem zweiten Messwert M_WV. Diese Ausgleichsspannung bricht beispielsweise auf eine Spannung U von ca. 4 V ein. Ein Spannungsabfall, dargestellt durch einen Spannungsverlauf Uv, von wieder ca. 1 V wird gemessen. Danach wird eine AD-Wandlung des zweiten Messwerts M_MV durchgeführt.

Nach den beiden Messungen werden die beiden Kondensatoren, das heißt der Referenzkondensator 30 und ein durch den jeweiligen Erfassungsabschnitt 17, das heißt durch die Elektrodenpaare 24 gebildeter Kondensator wieder entladen und weisen dann jeweils 0 V auf, dargestellt durch einen Abschnitt E.
Es liegen nun zwei Werte der Spannungsniveaus aus den Abschnitten A1 und A2 vor. Diese werden, wie bereits beschrieben, in digitale Werte entsprechend einem eventuell anliegenden Füllstand L1, L2 umgewandelt. Der Vorteil aus den beiden Messungen für ein und denselben Erfassungsabschnitt 17 liegt insbesondere darin, dass ein Mittelwert aus beiden Spannungsniveaus gebildet werden kann, wodurch eventuell aufgetretene Messfehler abgeschwächt bzw. kompensiert werden können.
In der 3a ist eine weitere mögliche Ausführungsform eines Füllstandsmessgeräts 10 gezeigt. Dabei ist eine Erfassungseinheit 15 in dem rohrförmigen Sensorgehäuse 11 angeordnet. Das Sensorgehäuse 11 besteht zum Beispiel aus einem Kunststoff, beispielsweise aus Polypropylen (PP). An der Erfassungseinheit 15 sind mit dem spezifischen Erfassungsabschnitt 18 in Summe insgesamt vier Erfassungsabschnitte 17, 18 angeordnet. Der unterste Erfassungsabschnitt 18 ist hierbei der spezifische Erfassungsabschnitt 18. Jeder Erfassungsabschnitt 17 umfasst ein Elektrodenpaar 24 aus zwei elektrisch verbundenen Elektroden.
Jedes Elektrodenpaar 24 sowie der spezifische Erfassungsabschnitt 18 sind mit einer Auswerteeinheit 16 verbunden.
Über die Schnittstelle 21 können Messdaten der Auswerteeinheit 16 an ein nicht dargestelltes Display oder eine ebenfalls nicht dargestellte Funkeinheit ausgegeben werden.
Bei einem erstmaligen Füllvorgang und einem dabei durchgeführten Messvorgang ist der spezifische Erfassungsabschnitt 18 derjenige Erfassungsabschnitt, welcher zuerst vom Medium oder Fluid umgeben ist und dadurch beeinflusst wird.
Für eine erstmalige Füllstandsmessung muss eine maximale Kapazität des spezifischen Erfassungsabschnitts 18 ermittelt werden. Dazu muss dieser vollständig vom Fluid umgeben sein. Darüber hinaus kann zur Sicherstellung auch der auf den spezifischen Erfassungsabschnitt 18 folgende Erfassungsabschnitt 17 zu beispielsweise mindestens 10 Prozent vom Fluid umgeben sein, um sicherzustellen, dass für eine Referenzmessung des Fluids der spezifische Erfassungsabschnitt 18 vollumfänglich von Fluid umgeben ist (Füllstand L1). Die erstmalig gemessene maximale Kapazität des spezifischen Erfassungsabschnitts 18 dient dann als Korrektur-/ Referenzwert für alle weiteren Messungen an den anderen Erfassungsabschnitten 17 entlang der Erfassungseinheit 15. Nachdem der Füllstand L1 bei einer Erstmessung nicht genau messbar ist, kann hier von einem anfänglichem Totbereich oder Lernbereich die Rede sein. Im weiteren Verlauf kann die Sensorik, das heißt das Füllstandsmessgerät 10, selbstlernend oder durch so genanntes „teach-in“ auch auf geringe Füllstände L1, L2 angelernt werden.
In der 3b ist ein Schnitt des Füllstandsmessgeräts 10 gemäß 3a gezeigt. Eine Strichpunktlinie legt dabei eine Schnittebene S1 (siehe 3a) fest.
Um den oben genannten Totbereich möglichst klein zu halten, ist der spezifische Erfassungsabschnitt 18 entsprechende kürzer als die anderen Erfassungsabschnitte 17 ausgebildet. Um jedoch bei dem spezifischen Erfassungsabschnitt 18 ein zu den anderen Erfassungsabschnitten 17 vergleichbares Messergebnis zu erhalten, ist dieser beispielsweise kreuzförmig ausgebildet. Es sind somit nicht nur ein Elektrodenpaar 24, sondern insgesamt zwei oder vier Elektrodenpaare 24 ausgebildet. Hierbei sind immer Elektrodenpaare 24a als eine Elektrode sowie Elektrodenpaare 24b als eine Elektrode zusammengeschaltet.
In der 3c ist eine mögliche Ausführungsform eines Füllstandsmessgeräts 10 mit einer Kombination aus zwei Erfassungseinheiten 15a, 15b dargestellt. Dabei ist eine untere Erfassungseinheit 15b kürzer als eine obere Erfassungseinheit 15a ausgebildet. Dies soll eine individuelle Längenausgestaltung der Erfassungseinheiten 15a, 15b verdeutlichen. Leiterplatten 26, mit der die Erfassungseinheiten 15a, 15b realisiert ist, sind beispielsweise mitsamt Elektronik abschnittsweise trennbar, also ablängbar. Hierbei wird insbesondere immer unten so abgekürzt, dass mindestens der spezifische Erfassungsabschnitt 18 und ein Erfassungsabschnitt 17 vorhanden und/oder anbringbar sind.
Ein weiterer spezifischer Erfassungsabschnitt 18 an der oberen Erfassungseinheit 15a ist nicht notwendig und nicht vorgesehen. Die Erfassungseinheiten 15a, 15b weisen jeweils eine Abschnittsauswerteeinheit 16a, 16b in Form eines Mikrocontrollers auf. Dabei arbeitet die obere Abschnittsauswerteeinheit 16a als Master und die untere Abschnittsauswerteeinheit 16b als Slave. Der Master gibt Anweisungen an den Slave und erhält gemessene Werte der Erfassungsabschnitte 17 der unteren Erfassungseinheit 15b.
Die Erfassungsabschnitte 17 bestehen, wie bereits beschrieben, aus einem Elektrodenpaar 24 mit entsprechenden, nicht näher dargestellten Gegenelektroden.
Anhand der 3c lässt sich auch ein Verfahrensablauf beim Befüllen eines Behälters 12 anschaulich beschreiben:

Beispielsweise erfolgt eine Abtastung der Erfassungsabschnitte 17 der Reihe nach von unten nach oben. Dieser Verfahrensablauf erfolgt zyklisch und beginnt immer wieder von neuem, sobald der letzte, das heiß der oberste Erfassungsabschnitt 17 abgetastet wurde.

Ein Ausgangszustand wird definiert, indem das Füllstandsmessgerät 10 im Behälter 12 eingebaut ist und minimal von dem hier nicht dargestellten Behälterboden 13 beabstandet ist. Der Behälter 12 ist auf einem minimalen Füllstand L0 befüllt oder sogar leer. In jedem Fall ist der Füllstand L0 noch nicht in Berührung mit dem Sensorgehäuse 11 des Füllstandsmessgeräts 10 gekommen.
Wird nun in einem kontinuierlichen Befüllvorgang die Befüllung automatisch erfasst, kann eine intelligente Auswerteeinheit 16 und/oder Abschnittsauswerteeinheit 16a, 16b, 16c sich auch selbst kalibrieren.
Während einer Befüllung steigt der Füllstand beispielsweise von einem Füllstand L0 auf einen Füllstand L1. Dabei umschließt das Fluid bis zum Füllstand L1 einen unteren Abschnitt des Sensorgehäuses 11, an dem der spezifische Erfassungsabschnitt 18 angeordnet ist, vollständig. Eine dabei gemessene Kapazität oder ein Spannungsniveau ist in Bezug auf den spezifischen Erfassungsabschnitt 18 maximal. Und damit sind auch medienspezifische Eigenschaften der Auswerteeinheit 16 und/oder Abschnittsauswerteeinheit 16a, 16b, 16c bekannt. Die Werte können entweder abgespeichert werden oder nach jedem vollständigen Messvorgang, also einem Ansteuern und Abfragen aller Erfassungsabschnitte 17, erneut ermittelt werden.
Bei Erreichen des Füllstands L1 erkennt die Auswerteeinheit 16 und/oder Abschnittsauswerteeinheit 16a, 16b, 16c ca. 10 Prozent auf dem ersten Erfassungsabschnitt 17 und kann nun sicher die erfassten Werte aus dem spezifischen Erfassungsabschnitt 18 messen und abspeichern. Im Folgenden wird dann der Erfassungsabschnitt 17 bzw. werden die Elektroden 24 bedeckt. Ab diesem Zeitpunkt kann eine qualitativ hochwertige Aussage über den Füllstand L1, L2 des Fluids im Behälter 12 getroffen werden. Dies ist nur möglich, weil eine maximale Kapazität des spezifischen Erfassungsabschnitts 18 bekannt ist.
Die nach oben hin folgenden Erfassungsabschnitte 17 sind noch nicht von vom Fluid bedeckt. Daher ist auch keine Änderung der Kapazität oder des Spannungsniveaus zu messen. Steigt nun der Füllstand weiter bis zum Füllstand L2 oder gar darüber hinaus, so stehen immer mehr Erfassungsabschnitte 17 unter dem Einfluss des Fluids und die Auswerteeinheit 16 und/oder Abschnittsauswerteeinheit 16a, 16b, 16c kann hierzu die jeweiligen Werte erfassen sowie eine interne Kennlinie ablegen.
Bei einer kontinuierlichen Befüllung des Behälters 12 mit einer selbstlernenden Ersterkennung können auch unterschiedliche Behältergeometrien erfasst werden, als Kennlinie abgelegt werden und dann prozentual oder nach Volumen ausgewertet werden, beispielsweise bei einem Kugeltank.
Besonders bei großen Füllständen L1, L2, beispielsweise bis zu 2 m, können Temperaturunterschiede in dem Fluid zu Messungenauigkeiten führen. Um diese zu kompensieren, werden Maximalwerte der bereits vollständig von dem Fluid bedeckten Erfassungsabschnitte 17 untereinander verglichen. Alternativ können auch Temperatursensoren diese Kompensation überstützen.
Die 3d zeigt eine mögliche Ausführungsform eines Füllstandsmessgeräts 10. Am unteren Ende 14 des Sensorgehäuses 11 oder am Ende der Erfassungseinheit 15 ist eine Schnittstelle 21 zum Anschluss einer weiteren nicht näher dargestellten Erfassungseinheit 15, 15a, 15b, 15c ausgebildet. Der spezifische Erfassungsabschnitt 18 ist bevorzugt kürzer als die Erfassungsabschnitte 17 aber kreuzförmig ausgebildet und weist daher optional die doppelte Anzahl an Elektroden bzw. Elektrodenpaaren 24 auf als ein Erfassungsabschnitt 17 auf der Leiterplatte 26. Die Erfassungsabschnitte 17 und deren Elektrodenpaare 24 sind in regelmäßigen und gleichbleibenden Abständen entlang der Erfassungseinheit 15 angeordnet.
Zentraler Bestandteil einer Erfassungseinheit 15 ist eine Auswerteeinheit 16. Bei mehreren Erfassungseinheiten 15 entsprechend kann von, beispielsweise übergeordneten und untergeordneten, Abschnittsauswerteeinheiten 16a, 16b, 16c gesprochen werden. Hier ist beispielsweise eine Master-Slave Kommunikation vorgesehen. An der Auswerteeinheit 16 werden alle Eingänge und Ausgänge der Erfassungsabschnitte 17 angeschlossen. Eine weitere zusätzliche Datenverarbeitungseinheit oder Buskommunikationseinheit 25 kann ebenfalls vorgesehen sein, insbesondere für den Fall, dass die Messung, Verarbeitung und Weiterleitung der Messwerte anhand von mehreren verschiedenen einzelnen elektronischen Bausteinen realisiert werden soll.
Der Referenzkondensator 30 ist hier ein ausgelagerter Bestandteil der ansonsten voll integriert ausführbaren Auswerteeinheit 16. Durch den nicht dargestellten Multiplexer, welcher ebenfalls Bestandteil der Auswerteeinheit 16 ist, werden die jeweiligen Ein- und Ausgänge der Erfassungsabschnitte 17 und der Referenzkondensator 30 angesteuert und untereinander verschaltet.
Die 3e zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform eines Füllstandsmessgeräts 10.
Die Erfassungseinheit 15 kann auch auf einer flexiblen Leiterplatte (FPC) ausgebildet werden kann. Die weiteren Bestandteile, wie die Auswerteeinheit 16 oder Abschnittsauswerteeinheiten 16a, 16b, 16c und die Erfassungsabschnitte 17 bleiben erhalten und können dann flexibel an eine Wand des Sensorgehäuses 11 angefügt werden.
Ebenfalls ist am unteren Ende der Erfassungseinheit 15 eine Schnittstelle 21 zur Daten- und Energieübertragung an mögliche nachfolgende Erfassungseinheiten 15, 15a, 15b, 15c ausgebildet. Ebenso ist am oberen Ende eine Schnittstelle 21 vorgesehen. Hierdurch ergibt sich die Option, ein Display 20 oder ein Funkmodul - wie bereits erwähnt - anzuschließen. Die flexible Erfassungseinheit 15 ist biegsam und kann eine kreisförmige Kontur wie das Sensorgehäuse 11 annehmen.
In der 4 ist Schnitt entlang einer Schnittebene S2 gemäß 3C durch einen Erfassungsabschnitt 17 gezeigt. Die Erfassungseinheit 15 ist als Leiterplatte 26 mit drei Schichten ausgebildet. Die Anzahl der Schichten muss jedoch nicht auf drei beschränkt sein, sondern kann je nach Anwendungsfall davon abweichen.
Die Leiterplatte 26 ist innerhalb des Sensorgehäuses 11 angeordnet. Dabei sind die Erfassungsabschnitte 17 in Form von Elektrodenpaaren 24 ausgebildet. Den Elektrodenpaaren 24a sind die als Gegenelektrodenpaare ausgebildeten Elektrodenpaare 24b angeordnet. Die beiden Elektroden eines Elektrodenpaares 24, 24a, 24b sind elektrisch mit einander verbunden und haben einen gemeinsamen Anschluss an der Abschnittsauswerteeinheit 16b. Die Abschnittsauswerteeinheit 16b ist in diesem konkreten Ausführungsbeispiel beispielsweise ein integrierter Mikrocontroller, indem ein Referenzkondensator 30 und eine Buskommunikation untergebracht sind. Die gesamte Erfassungseinheit 15 ist in dem rohrförmigen Sensorgehäuse 11 angeordnet.
Ferner zeigt die 4 schematisch ein sich ausbildendes elektrisches Feld 27 um die Elektrodenpaare 24a und 24b. Das elektrische Feld 27 bildet sich durch die Anordnung der Elektrodenpaare 24a und 24b an den kürzeren Seiten oder den Kanten der Leiterplatte 26 aus.
Die Erfindung ist nicht auf die vorhergehenden ausführlichen Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie kann in dem Umfang der nachfolgenden Ansprüche modifiziert werden. Ebenfalls können einzelne Aspekte aus den abhängigen Ansprüchen miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

10: Füllstandsmessgerät
11: Sensorgehäuse
12: Behälter
13: Boden
14: unteres Ende
15, 15a, 15b, 15c: Erfassungseinheit
16: Auswerteeinheit
16a, 16b, 16c: Abschnittsauswerteeinheit
17: Erfassungsabschnitt
18: spezifischer Erfassungsabschnitt
19: Gehäuse
20: Display
21: Schnittstelle
22: Ausgang
23: Schwimmer
24, 24a, 24b: Elektrodenpaar
25: Buskommunikationseinheit
26: Leiterplatte
27: elektrisches Feld
30: Referenzkondensator
A1, A2: Abschnitt
E: Abschnitt
I2C: Datenleitung
L0, L1, L2: Füllstand
MN: Normalmessung
MWN, MWV: Messwert
S1, S2: Schnittebene
U: Spannung
UN, UV: Spannungsverlauf
t: Zeit
+-: Stromversorgung

Claims

Füllstandsmessgerät (10) mit einem Sensorgehäuse (11) zur Aufnahme mindestens einer Erfassungseinheit (15, 15a, 15b, 15c) zur Erfassung eines Füllstandes (L0, L1, L2), wobei - das Sensorgehäuse (11) länglich und/oder rohrförmig ausgebildet ist, sich entlang einer Symmetrieachse erstreckt und zu einem Eintauchen in ein Medium vorgesehen ist, - die Erfassungseinheit (15, 15a, 15b, 15c) mindestens zwei übereinander angeordnete Erfassungsabschnitte (17, 18) aufweist, welche zur Erfassung einer zumindest abschnittsweise anliegenden und sich analog zu einem Füllstand (L0, L1, L2) ausgebildeten Kapazität ausgebildet sind, und - eine elektronische Schaltung einen Referenzkondensator (30) aufweist, welcher abwechselnd zyklisch mit den Erfassungsabschnitten (17, 18) verschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass - jeder Erfassungsabschnitt (17, 18) gegenpolig zu dem Referenzkondensator (30) aufladbar ist und - sich bei der Verschaltung von dem jeweiligen Erfassungsabschnitt (17, 18) mit dem Referenzkondensator (30) ein Spannungsniveau einstellt, welches einem außen am Sensorgehäuse (11) und/oder Erfassungsabschnitt (17, 18) anliegenden Füllstand (L0, L1, L2) entspricht.
Füllstandsmessgerät (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einem unteren Ende der Erfassungseinheit (15, 15a, 15b, 15c) mindestens ein weiterer spezifischer Erfassungsabschnitt (18) oder mindestens eine weitere Elektrode zur Erfassung einer spezifischen Umgebungsvariablen angeordnet ist.
Füllstandsmessgerät (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verschaltung des Erfassungsabschnitts (17) und/oder des spezifischen Erfassungsabschnitts (18) mit der elektronischen Schaltung gegenpolig und zyklisch ausgebildet ist.
Füllstandsmessgerät (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - innerhalb des Sensorgehäuses (11) mehrere Erfassungseinheiten (15, 15a, 15b, 15c) miteinander verbindbar und/oder koppelbar sind, - die Erfassungseinheiten (15, 15a, 15b, 15c) jeweils eine Auswerteeinheit (16) oder Abschnittsauswerteeinheit (16a, 16b, 16c) aufweisen und - die Auswerteeinheit (16) und/oder Abschnittsauswerteeinheit (16a, 16b, 16c) ausgebildet sind/ist, ihre Messwerte (M_WN, M_WV) an einen Master zu übermitteln.
Füllstandsmessgerät (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsabschnitte (17, 18) jeweils paarweise und/oder gegenüberliegend ausgebildet sind.
Füllstandsmessgerät (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Erfassungsabschnitte (17, 18) als leitfähige Abschnitte auf oder an Platinen ausgebildet sind und/oder - die Erfassungsabschnitte (17, 18) jeweils an Kanten und/oder zumindest bereichsweise an Seitenflächen von Platinen als Elektrode ausgebildet sind.
Füllstandsmessgerät (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Referenzkondensator (30) in einem integrierten Schaltkreis oder Chip integriert ist und/oder - eine Kapazität des Referenzkondensators (30) zwischen 2 pF und 35 pF, insbesondere zwischen 15 pF und 25 pF oder insbesondere 18 pF, beträgt, und/oder - die Erfassungseinheit (15, 15a, 15b, 15c) mit den Erfassungsabschnitten (17, 18) auf einer mechanisch flexiblen, insbesondere biegsam ausgebildeten Leiterplatte (26) angeordnet ist.
Füllstandsmessgerät (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsabschnitte (17, 18) und/oder Elektroden mit dem Sensorgehäuse (11) zumindest abschnittsweise elektrisch leitend verbunden sind.
Füllstandsmessgerät (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden oder Elektrodenpaare (24) des spezifischen Erfassungsabschnitts (18) kreuzförmig und/oder mit mindestens zwei Elektrodenpaaren (24) ausgestaltet sind.
Füllstandsmessgerät (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Erfassungsabschnitt (18) kürzer ausgebildet ist als der mindestens eine weitere Erfassungsabschnitt (17).
Füllstandsmessgerät (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (16) und/oder Abschnittsauswerteeinheit (16a, 16b, 16c) zumindest einen Mikrocontroller aufweisen/aufweist oder als Mikrocontroller ausgebildet sind/ist, welcher mit dem spezifischen Erfassungsabschnitt (18) verschaltet ist und/oder wobei mittels des spezifischen Erfassungsabschnitts (18), insbesondere mittels Elektroden desselben, ein minimaler Füllstand (L0, L1, L2) erfasst und bestimmt wird.
Füllstandsmessgerät (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (16) und/oder Abschnittsauswerteeinheit (16a, 16b, 16c) ausgebildet sind/ist, im Rahmen eines Lernprozesses selbstlernend Parameter zu einer Einbausituation, zu einer Mediumtemperatur und/oder zu anderen Umwelteinflüssen zu erfassen und in der elektronischen Schaltung als Referenzwerte abzuspeichern.
Füllstandsmessgerät (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinheit (15, 15a, 15b, 15c) und/oder Auswerteeinheit (16) und/oder die Abschnittsauswerteeinheit (16a, 16b, 16c) einen Temperatursensor umfassen.
Verfahren zur Messung eines Füllstandes (L0, L1, L2) mit einem Füllstandsmessgerät (10) mit einem Sensorgehäuse (11) und mindestens einer Erfassungseinheit (15, 15a, 15b, 15c), wobei - das Sensorgehäuse (11) zu einem Eintauchen in ein Medium vorgesehen ist, - die Erfassungseinheit (15, 15a, 15b, 15c) mindestens einen Erfassungsabschnitt (17, 18) aufweist, mittels welchem eine zumindest abschnittsweise anliegende und sich analog zu einem Füllstand (L0, L1, L2) ausgebildete Kapazität außen am Sensorgehäuse (11) erfasst wird, und - ein Referenzkondensator (30) einer elektronischen Schaltung abwechselnd zyklisch mit dem zumindest einen Erfassungsabschnitten (17, 18) verschaltet wird, - bei einem Erfassungsvorgang durch eine Messschaltung jeder Erfassungsabschnitt (17, 18) abwechselnd mit dem Referenzkondensator (30) verschaltet wird, - eine außen am Sensorgehäuse (11) anliegende Kapazität erfasst wird, - Messwerte (M_WN, M_WV) des Erfassungsvorgangs mit hinterlegten Werten einer Messung und mit Messwerten (M_WN, M_WV) des spezifischen Erfassungsabschnitts (18) verrechnet werden und - die verrechneten Messwerte (M_WN, M_WV) als Füllstandswerte an der Schnittstelle ausgegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ermittelte Messwerte (M_WN, M_WV), Kapazitäten und Spannungen (U) an Elektroden der Erfassungsabschnitte (18) doppelt abgefragt und/oder gegenpolig abgefragt werden.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Größe der außen anliegenden Kapazität - analog zu einem am Erfassungsabschnitt (17, 18) und/oder Sensorgehäuse (11) anliegenden Füllstand (L0, L1, L2) ist - zumindest in einer jeweiligen Abschnittsauswerteeinheit (16a, 16b, 16c) und/oder Auswerteeinheit (16) berechnet wird und - direkt oder über eine übergeordnete Mastereinheit über eine Schnittstelle nach außen abgegeben wird.
Füllstandsmessgerät (10) mit einem Sensorgehäuse (11) zur Aufnahme mindestens einer Erfassungseinheit (15, 15a, 15b, 15c) zur Erfassung eines Füllstandes (L0, L1, L2), wobei - das Sensorgehäuse (11) zu einem Eintauchen in ein Medium vorgesehen ist, - die Erfassungseinheit (15, 15a, 15b, 15c) mindestens einen Erfassungsabschnitt (17, 18) aufweist, welcher zur Erfassung einer zumindest abschnittsweise anliegenden und sich analog zu einem Füllstand (L0, L1, L2) ausgebildeten Kapazität außen am Sensorgehäuse (11) ausgebildet ist, und - eine elektronische Schaltung einen Referenzkondensator (30) aufweist, welcher abwechselnd zyklisch mit dem zumindest einen Erfassungsabschnitt (17, 18) verschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass - der mindestens eine Erfassungsabschnitt (17, 18) gegenpolig zu dem Referenzkondensator (30) aufladbar ist und - sich bei der Verschaltung von dem Erfassungsabschnitt (17, 18) mit dem Referenzkondensator (30) ein Spannungsniveau einstellt, welches mit einem außen am Sensorgehäuse (11) und/oder Erfassungsabschnitt (17, 18) anliegenden Füllstand (L0, L1, L2) korreliert.
Füllstandsmessgerät (10) mit einem Sensorgehäuse (11) zur Aufnahme mindestens einer Erfassungseinheit (15, 15a, 15b, 15c) zur Erfassung eines Füllstandes (L0, L1, L2), wobei - das Sensorgehäuse (11) zu einem Eintauchen in ein Medium vorgesehen ist, - die Erfassungseinheit (15, 15a, 15b, 15c) mindestens einen Erfassungsabschnitt (17, 18) aufweist, welcher zur Erfassung einer zumindest abschnittsweise anliegenden und sich analog zu einem Füllstand (L0, L1, L2) ausgebildeten Kapazität außen am Sensorgehäuse (11) ausgebildet ist, und - eine elektronische Schaltung einen Referenzkondensator (30) aufweist, welcher abwechselnd zyklisch mit dem zumindest einen Erfassungsabschnitt (17, 18) verschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass - der mindestens eine Erfassungsabschnitt (17, 18) gegenpolig zu dem Referenzkondensator (30) aufladbar ist und - sich bei der Verschaltung von dem Erfassungsabschnitt (17, 18) mit dem Referenzkondensator (30) ein Spannungsniveau einstellt, - wobei das Spannungsniveau zu einem Füllstandsignal verarbeitet wird und - das Füllstandsignal ausgegeben wird.
Verfahren zur Messung eines Füllstandes (L0, L1, L2) mit einem Füllstandsmessgerät (10) mit einem Sensorgehäuse (11) und mindestens einer Erfassungseinheit (15, 15a, 15b, 15c), wobei - das Sensorgehäuse (11) zu einem Eintauchen in ein Medium vorgesehen ist, - die Erfassungseinheit (15, 15a, 15b, 15c) mindestens einen Erfassungsabschnitt (17, 18) aufweist, mittels welchem eine zumindest abschnittsweise anliegende und sich analog zu einem Füllstand (L0, L1, L2) ausgebildete Kapazität außen am Sensorgehäuse (11) erfasst wird, und - ein Referenzkondensator (30) einer elektronischen Schaltung abwechselnd zyklisch mit dem zumindest einen Erfassungsabschnitt (17, 18) verschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass - bei einem Erfassungsvorgang durch eine Messschaltung der mindestens eine Erfassungsabschnitt (17, 18) abwechselnd mit dem Referenzkondensator (30) verschaltet wird, - ein sich bei der Verschaltung von dem Erfassungsabschnitt (17, 18) mit dem Referenzkondensator (30) einstellendes und mit einem außen am Sensorgehäuse (11) und/oder Erfassungsabschnitt (17, 18) anliegenden Füllstand (L0, L1, L2) korrelierendes Spannungsniveau erfasst wird.
Verfahren zur Messung eines Füllstandes (L0, L1, L2) mit einem Füllstandsmessgerät (10) mit einem Sensorgehäuse (11) und mindestens einer Erfassungseinheit (15, 15a, 15b, 15c), wobei - das Sensorgehäuse (11) zu einem Eintauchen in ein Medium vorgesehen ist, - die Erfassungseinheit (15, 15a, 15b, 15c) mindestens einen Erfassungsabschnitt (17, 18) aufweist, mittels welchem eine zumindest abschnittsweise anliegende und sich analog zu einem Füllstand (L0, L1, L2) ausgebildete Kapazität außen am Sensorgehäuse (11) erfasst wird, und - ein Referenzkondensator (30) einer elektronischen Schaltung abwechselnd zyklisch mit dem zumindest einen Erfassungsabschnitt (17, 18) verschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass - bei einem Erfassungsvorgang durch eine Messschaltung der mindestens eine Erfassungsabschnitt (17, 18) abwechselnd mit dem Referenzkondensator (30) verschaltet wird, - mittels mindestens eines an einem unteren Ende der Erfassungseinheit (15, 15a, 15b, 15c) angeordneten spezifischen Erfassungsabschnitts (18) mindestens eine spezifische Umgebungsvariable erfasst wird, - Messwerte (M_WN, M_WV) des Erfassungsvorgangs zumindest mit Messwerten (M_WN, M_WV) des spezifischen Erfassungsabschnitts (18) verrechnet werden und - die verrechneten Messwerte (M_WN, M_WV) als Füllstandswerte ausgegeben werden.