DE10205445B4

DE10205445B4 - Kapazitives Füllstandmeßgerät

Info

Publication number: DE10205445B4
Application number: DE10205445A
Authority: DE
Inventors: Jochen Gundlach; Werner Hoch; Jaromir Palata
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2002-02-08
Filing date: 2002-02-08
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2022-02-09
Also published as: US20040011128A1; DE10205445A1; US6782747B2

Abstract

Kapazitives Füllstandsmeßgerät zur Messung des Füllstandes in einem Behälter, mit einem mehrere Sensorfelder aufweisenden Füllstandssensor, mit an die Sensorfelder des Füllstandssensors angeschlossenen elektrischen Leitungen, mit einem mit seiner Mehrpolseite an die den Sensorfeldern des Füllstandssensors fernen Enden der Leitungen angeschlossenen Auswahlschalter und mit einer an die Einpolseite des Auswahlschalters angeschlossenen, eine Versorgungsschaltung und eine Auswerteschaltung enthaltenden Versorgungs- und Auswerteschaltung, wobei die Sensorfelder übereinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erkennen der Situation "Behälter leer" oder der Situation "Behälter voll" mit Hilfe der Auswerteschaltung (7) der Versorgungs- und Auswerteschaltung (8) ein Meßwert auch für den Zustand ermittelt wird, bei dem kein Sensorfeld (1) mit der Versorgungs- und Auswerteschaltung (8) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein kapazitives Füllstandsmeßgerät zur Messung des Füllstandes in einem Behälter, mit einem mehrere Sensorfelder aufweisenden Füllstandssensor, mit an die Sensorfelder des Füllstandssensors angeschlossenen elektrischen Leitungen, mit einem mit seiner Mehrpolseite an die den Sensorfeldern des Füllstandssensors fernen Enden der Leitungen angeschlossenen Auswahlschalter und mit einer an die Einpolseite des Auswahlschalters angeschlossenen, eine Versorgungsschaltung und eine Auswerteschaltung enthaltenden Versorgungs- und Auswerteschaltung, wobei die Sensorfelder übereinander angeordnet sind.

Kapazitive Füllstandsmeßgeräte dienen der kapazitiven Erfassung des Füllstandes von Flüssigkeiten, Schüttgütern und anderem Füllgut in einem – geschlossenen oder offenen – Behälter und sind vielfach bekannt (vgl. beispielhaft insbesondere die deutsche Offenlegungsschrift 100 08 093, aber auch die deutsche Patentschrift 196 44 777, die europäischen Offenlegungsschriften 0 916 930, 0 926 474, die französische Offenlegungsschrift 2 662 249, die USA-Patentschriften 3,935,739, 4,350,039, 4,350,040, 4,589,077, 4,780,705, 5,142,909 und 5,406,843).

Bei kapazitiven Füllstandsmeßgeräten wird meßtechnisch häufig die Tatsache ausgenutzt, daß das Füllgut, dessen Füllstand ermittelt werden soll, die Kapazität zwischen dem Füllstandssensor bzw. zwischen einem Sensorfeld des Füllstandssensors einerseits und einer – wie auch immer realisierten – Referenzelektrode andererseits beeinflußt, weil die für die Kapazität zwischen dem Füllstandssensor bzw. zwischen einem Sensorfeld des Füllstandssensors einerseits und einer Referenzelektrode andererseits auch wesentliche Dielektrizitätskonstante des Füllguts sich von der Dielektrizitätskonstanten von Luft unterscheidet. Folglich gehören, wie eingangs dargestellt, zu kapazitiven Füllstandsmeßgeräten der hier in Rede stehenden Art funktionsnotwendig einerseits ein mehrere Sensorfelder aufweisender Füllstandssensor, andererseits eine Versorgungs- und Auswerteschaltung. Notwendigerweise sind die Sensorfelder des Füllstandssensors mit der Versorgungs- und Auswerteschaltung verbunden. Dazu dienen die an die Sensorfelder des Füllstandssensors ange schlossenen elektrischen Leitungen und der Auswahlschalter, der einerseits – mit seiner Mehrpolseite – an die den Sensorfeldern des Füllstandssensors fernen Enden der Leitungen angeschlossen ist, an den andererseits, und zwar an seiner Einpolseite, die Versorgungs- und Auswerteschaltung angeschlossen ist. Der Auswahlschalter weist also funktionsnotwendig auf einer Seite, Mehrpolseite genannt, eine Mehrzahl von Anschlüssen auf, während auf der anderen Seite, Einpolseite genannt, nur ein Anschluß vorgesehen ist; der Auswahlschalter ermöglicht es also, jeweils einen auswählbaren Anschluß der Mehrpolseite mit dem Anschluß der Einpolseite elektrisch zu verbinden – bzw. umgekehrt. Betrachtet man die Versorgungs- und Auswerteschaltung funktional, so besteht sie aus einer Versorgungsschaltung und einer Auswerteschaltung; während die Versorgungsschaltung dazu dient, dem Füllstandssensor die notwendige Versorgungsspannung bzw. den notwendigen Versorgungsstrom zur Verfügung zu stellen, wird mit Hilfe der Auswerteschaltung der Füllstand des Füllguts ermittelt, also ermittelt, welches Sensorfeld des Füllstandssensors noch oder schon oder nicht mehr oder noch nicht vom Füllgut erreicht ist. In bezug auf den Auswahlschalter, der z. B. als Multiplexer ausgeführt sein kann (vgl. die deutsche Patentschrift 196 44 777), läßt sich also sagen, daß für die Versorgungsfunktion die Versorgungs- und Auswerteschaltung von dem Anschluß der Einpolseite zu einem Anschluß der Mehrpolseite verbindbar ist, während für die Auswertefunktion ein Sensorfeld des Füllstandssensors über einen Anschluß der Mehrpolseite und den Anschluß der Einpolseite mit der Versorgungs- und Auswerteschaltung verbindbar ist.

Der zu dem in Rede stehenden Füllstandsmeßgerät gehörende Auswahlschalter ist zuvor dahingehend beschrieben worden, daß er einen auswählbaren Anschluß der Mehrpolseite mit dem Anschluß der Einpolseite elektrisch verbindet – bzw. umgekehrt. Dieses "Verbinden" ist nicht zwingend im Sinne einer galvanischen Verbindung zu verstehen, vielmehr funktional zu verstehen. Das "Verbinden" bedeutet funktional, daß ein an einem ausgewählten Anschluß der Mehrpolseite anstehender Spannungswert am Anschluß der Einpolseite "erscheint", und zwar der Spannungswert als solcher oder ein diesem Spannungswert proportionaler Spannungswert. Üblicherweise werden heute Multiplexer, auch mit MUX bezeichnet, als Auswahlschalter verwendet, wobei diese Multiplexer entweder analog oder digital arbeitend ausgeführt sind.

Eingangs ist gesagt worden, daß bei dem kapazitiven Füllstandsmeßgerät, von dem die Erfindung ausgeht, die Sensorfelder des Füllstandssensors übereinander angeordnet sind. Damit ist im Hinblick darauf, daß der Füllstand eines in einem Behälter befindlichen Füllguts bestimmt werden soll, nur gemeint, daß die Sensorfelder in ihrer geometrischen Erstreckung jedenfalls auch übereinander angeordnet sind; die Sensorfelder können also auch nebeneinander sowie auch sich überlappend übereinander oder/und nebeneinander ausgebildet sein.

Konkret geht die Erfindung aus von einem kapazitiven Füllstandsmeßgerät, wie es durch die deutsche Offenlegungsschrift 100 08 093 zum Stand der Technik gehört. Bei diesem bekannten kapazitiven Füllstandsmeßgerät sind verschiedene Maßnahmen verwirklicht, die auch bei dem hier in Rede stehenden kapazitiven Füllstandsmeßgerät verwirklicht werden können, jedoch nicht unbedingt verwirklicht werden müssen.

Zunächst kann neben den – übereinander angeordneten – Sensorfeldern – einseitig oder beidseitig – eine Matrix aus waagerecht und senkrecht verlaufenden Leiterbahnen vorgesehen sein, wobei jede waagerecht verlaufende Leiterbahn an einer Seite mit einem Sensorfeld und an der anderen Seite mit einer senkrecht verlaufenden Leiterbahn verbunden ist und diese waagerecht verlaufende Leiterbahn mit der mit ihr verbundenen senkrecht verlaufenden Leiterbahn eine elektrische Leitung oder einen Teil einer elektrischen Leitung bildet. Hier ist also ein in besonderer Weise ausgebildeter Füllstandssensor verwirklicht, nämlich ein solcher, bei dem die einzelnen Sensorfelder in besonderer Weise realisiert bzw. aktiviert bzw. an die elektrischen Leitungen angeschlossen bzw. mit den elektrischen Leitungen versehen sind. Das Besondere des so ausgebildeten Füllstandssensors besteht vor allem darin, daß die neben den Sensorfeldern vorgesehene Matrix aus waagerecht und senkrecht verlaufenden Leiterbahnen es ermöglicht, von einem für eine Vielzahl von unterschiedlichen Verwendungszwecken, also im einzelnen unterschiedlichen Füllstandsmeßgeräten, verwendbaren Ausgangsmaterial für den Füllstandssensor auszugehen.

Kapazitive Füllstandsmeßgeräte der in Rede stehenden Art sind sogenannte offene elektronische Systeme; d. h., daß die Sensorflächen des Füllstandssen sors nicht gänzlich abgeschirmt sein können und somit elektromagnetische Strahlen und Signale in ihre Umwelt abgeben und umgekehrt elektromagnetische Strahlen und Signale aus der Umwelt aufnehmen. Dieser Umstand kann einerseits zu Störabstrahlungen des kapazitiven Füllstandsmeßgeräts, andererseits aber auch zu Störeinstrahlungen in das kapazitive Füllstandsmeßgerät führen. Dieses Problem ist bei kapazitiven Füllstandsmeßgeräten der in Rede stehenden Art deshalb besonders virulent, weil der Abstand zwischen den Sensorelementen des Füllstandssensors einerseits und der Versorgungs- und Auswerteschaltung andererseits beträchtlich sein kann. In diesem Zusammenhang gilt für eine bevorzugte Ausführungsform des in Rede stehenden kapazitiven Füllstandsmeßgeräts; daß die Versorgungs- und Auswerteschaltung eine hochfrequente Versorgungsspannung liefert, daß die Versorgungsspannung durch ein von einer Rauschquelle kommendes Rauschsignal frequenzgespreizt ist, daß die frequenzgespreizte Versorgungsspannung zu einem frequenzgespreizten Meßwert, einer Meßspannung oder einem Meßstrom führt, daß die frequenzgespreizte Versorgungsspannung auf den ersten Eingang eines Korrelators und der frequenzgespreizte Meßwert auf den zweiten Eingang des Korrelators gelegt ist und daß das Ausgangssignal des Korrelators der weiteren Auswerteschaltung zugeführt ist. Dadurch ist ein kapazitives Füllstandsmeßgerät geschaffen, bei dem die Störabstrahlung bzw. die Empfindlichkeit gegenüber Störeinstrahlungen relativ gering ist. Durch die – mittels eines Rauschsignals erfolgende – Frequenzspreizung der Versorgungsspannung wird die Bandbreite und damit die spektrale Energiedichte der Versorgungsspannung einerseits und des Meßwerts andererseits verringert, ohne die an den Sensorelementen anliegende Versorgungsspannung verringern zu müssen. Dadurch einerseits die Amplitude der ausgesendeten Störsignale reduziert, und andererseits die maximal zulässige Amplitude eines in das kapazitive Füllstandsmeßgerät eingestrahlten Störsignals erhöht. Somit wird sowohl die Störung anderer Geräte durch das kapazitive Füllstandsmeßgerät als auch die Empfindlichkeit des Füllstandsmeßgeräts gegenüber Störungen durch andere Geräte verringert. Zu dem, was durch die Frequenzspreizung der Versorgungsspannung und – damit einhergehend – die Frequenzspreizung des Meßwertes im einzelnen erreichbar ist, und dazu, wie die Lehre Frequenzspreizung im einzelnen realisiert werden kann, wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den gesamten Offenbarungsgehalt der deutschen Offenlegungsschrift 198 13 013 verwiesen, der hiermit ausdrücklich zum Offenbarungsgehalt dieser Patentanmeldung gemacht wird.

Schließlich ist das durch die deutsche Offenlegungsschrift 100 08 093 bekannte Füllstandsmeßgerät weiter dadurch gekennzeichnet, daß den Sensorfeldern oder/und den Leitungen oder/und dem Auswahlschalter eine Abschirmung zugeordnet ist bzw. sind und daß die Abschirmung stets auf einem Potential liegt, das praktisch dem Potential der Sensorfelder, der Leitungen und des Auswahlschalters entspricht. Diese Maßnahme dient dem gleichen Ziel, dem auch die zuvor behandelte Lehre Frequenzspreizung dient, nämlich dazu, einerseits die Amplitude von ausgesendeten Störsignalen zu reduzieren, andererseits die maximal zulässige Amplitude eines in das kapazitive Füllstandsmeßgerät eingestrahlten Störsignals zu erhöhen. Zu dem, was durch die beschriebene Maßnahme der Abschirmung erreichbar ist, und dazu, wie diese Maßnahme im einzelnen realisiert werden kann, wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den gesamten Offenbarungsgehalt der deutschen Offenlegungsschrift 100 08 093 verwiesen, der hiermit ausdrücklich zum Offenbarungsgehalt dieser Patentanmeldung gemacht wird.

Eingangs ist ausgeführt worden, daß bei kapazitiven Füllstandsmeßgeräten häufig, so jedenfalls bei den in Rede stehenden kapazitiven Füllstandsmeßgeräten, meßtechnisch die Tatsache ausgenutzt wird, daß das Füllgut, dessen Füllstand ermittelt werden soll, die Kapazität zwischen dem Füllstandssensor bzw. zwischen einem Sensorfeld des Füllstandssensors einerseits und einer – wie auch immer realisierten – Referenzelektrode andererseits beeinflußt, weil die für die Kapazität zwischen dem Füllstandssensor bzw. zwischen einem Sensorfeld des Füllstandssensors einerseits und einer Referenzelektrode andererseits auch wesentliche Dielektrizitätskonstante des Füllguts sich von der Dielektrizitätskonstanten von Luft unterscheidet. Während die – relative – Dielektrizitätskonstante von Luft 1,00055 beträgt, beträgt z. B. die – relative – Dielektrizitätskonstante von Wasser 80,3 und die von Öl 2,2. Da nun kapazittive Füllstandsmeßgeräte der in Rede stehenden Art für die Ermittlung des Füllstandes von mit ganz unterschiedlichen Füllgütern teilweise oder ganz gefüllten Behältern einsetzbar sein sollen, ergibt sich ein besonderes Problem daraus, daß die Füllgüter, wie zuvor beispielhaft aufgezeigt, sehr unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten haben können. In Verbindung damit und aus der üblichen Funktionsweise der in Rede stehenden kapazitiven Füllstandsmeßgeräte ergibt sich auch folgendes Problem:
Kapazitive Füllstandsmeßgeräte der in Rede stehenden Art dienen nicht dazu, bei einem bestimmten Füllstand den Kapazitätswert zu messen, der zwischen einem durch den Auswahlschalter ausgewählten Sensorfeld des Füllstandssensors einerseits und einer Referenzelektrode andererseits existent ist. Wie tatsächlich der Füllstand eines Füllgutes in einem Behälter mit Hilfe eines kapazitiven Füllstandsmeßgerät der in Rede stehenden Art bestimmt wird, sei im folgenden erläutert:
Nur für die folgende Betrachtung – tatsächlich liegen nämlich andere Verhältnisse vor – sei angenommen, daß der Füllstandssensor hundert übereinander angeordnete Sensorfelder hat und ein Sensorfeld räumlich immer unmittelbar an das vorherige Sensorfeld anschließt und daß der so ausgeführte Füllstandssensor in seiner Höhe genau der Differenz zwischen der minimalen Höhe des Füllguts und dessen maximaler Höhe entspricht, so daß jedes Sensorfeld für genau ein Prozent der Differenz zwischen der minimalen Höhe des Füllguts und dessen minimaler Höhe "zuständig ist". Unter dieser Annahme gilt folgendes:

a) Steht keinem Sensorfeld Füllgut gegenüber, auch nicht teilweise, dann hat das Füllgut die minimal mögliche, jedenfalls aber die minimal zu erfassende Füllhöhe. Das sei als "Behälter leer" definiert.
b) Steht dem obersten Sensorfeld über seine gesamte Höhe Füllgut gegenüber, wobei dann allen Sensorfeldern Füllgut gegenübersteht, dann hat das Füllgut die maximal mögliche, jedenfalls aber die maximal zu erfassende Füllhöhe erreicht. Das sei als "Behälter voll" definiert.
c) Reicht das Füllgut z. B. genau bis zur Oberkante des 51. Sensorfeldes und damit genau bis zur Unterkante des 52. Sensorfeldes, dann beträgt die Füllhöhe 51 % der maximal zu erfassenden Füllhöhe, also 51 % der Differenz zwischen dem Zustand "Behälter leer" und dem Zustand "Behälter voll".
d) Reicht das Füllgut z. B. genau bis zur Mitte des 75. Sensorfeldes, dann beträgt die Füllhöhe 74,5 % der maximal zu erfassenden Füllhöhe, also 74,5 % der Differenz zwischen dem Zustand "Behälter leer" und dem Zustand "Behälter voll".

Da, wie zuvor ausgeführt, kapazitive Füllstandsmeßgeräte der in Rede stehenden Art nicht dazu dienen, bei einem bestimmten Füllstand den Kapazitätswert zu messen, der zwischen einem durch den Auswahlschalter ausgewählten Sensorfeld des Füllstandssensors einerseits und einer Referenzelektrode andererseits existent ist, kann mit einem kapazitiven Füllstandsmeßgerät der in Rede stehenden Art in der Regel nicht, jedenfalls nicht ohne weiteres, zwischen dem Zustand "Behälter leer" und dem Zustand "Behälter voll" unterschieden werden, – weil sowohl beim Zustand "Behälter leer" als auch beim Zustand "Behälter voll" über alle auswählbaren Sensorfelder der gleiche Meßwert ermittelt wird und nicht bekannt ist, welcher Meßwert von einem Sensorfeld resultiert, dem Füllgut nicht gegenübersteht, und welcher Meßwert von einem Sensorfeld resultiert, dem – über seine ganze Höhe – Füllgut gegenübersteht.

Die Hersteller der in Rede stehenden kapazitiven Füllstandsmeßgeräte wissen häufig nicht, in Verbindung in welchen Füllgütern ihre Füllstandsmeßgeräte eingesetzt werden sollen. Wird z. B. ein bestimmtes kapazitives Füllstandsmeßgerät für die Ermittlung des Füllstandes von Wasser eingesetzt, so ist der Meßwert eines ausgewählten Sensorfeldes, dem Wasser gegenübersteht, "relativ groß". Wird das gleiche kapazitive Füllstandsmeßgerät jedoch zur Bestimmung der Füllhöhe von Öl eingesetzt, so ist der sich von einem ausgewählten Sensorfeld, dem das Öl gegenübersteht, ergebende Meßwert "relativ klein".

Im übrigen sei noch darauf hingewiesen, daß für die Ausgestaltung von kapazitiven Füllstandsmeßgeräten der in Rede stehenden Art auch das von Bedeutung sein kann, was durch die deutschen Offenlegungsschriften 197 01 899, 197 44 152, 198 13 013, 100 08 093 und 100 51 292 zum Stand der Technik gehört; anwendbar sind nämlich

a) aus der Offenlegungsschrift 197 01 899 das sogenannte "Ladungsverschiebungsprinzip", auch mit "Charge Transfer Sensing" bezeichnet,
b) aus der Offenlegungsschrift 197 44 152 das "Ladungsverschiebungsprinzip" mit der Maßgabe, daß die dort vorgesehene Auswertestufe für Stromauswertung geeignet ist und am dort vorgesehenen Umschaltkontakt somit quasi kein Spannungshub auftritt,
c) aus der Offenlegungsschrift 198 13 013 die schon weiter oben angesprochene Frequenzspreizung, auch als "Spreizspektrumtechnik" bezeichnet,
d) aus der Offenlegungsschrift 100 08 093, von deren Offenbarungsgehalt die Erfindung, wie bereits weiter oben ausgeführt, ausgeht, die schon angesprochenen Lehren "Matrix aus waagerecht und senkrecht verlaufenden Leiterbahnen", "Frequenzspreizung der Versorgungsspannung" und "Abschirmung" sowie die in dieser Druckschrift beschriebenen Realisierungsmöglichkeiten dieser Lehren und
e) aus der Offenlegungsschrift 100 51 292 die Lehre, bei einem Näherungsschalter, insbesondere einem kapazitiven Näherungsschalter, mit zwei Signalsendern und mit einem Signalempfänger die beiden Signalsender einerseits – jeweils mit ihrem ersten Signalausgang – miteinander und mit einem ersten Signaleingang des Signalempfängers zu verbinden und andererseits – jeweils mit ihrem zweiten Signalausgang – über jeweils einen Signalübertragungsweg mit dem zweiten Signaleingang des Signalempfängers zu verbinden, wobei wenigstens einer der beiden Signalübertragungswege beeinflußbar ist; die deutsche Offenlegungsschrift 100 51 292 hat also etwas zum Inhalt, was mit "Zwei gegenphasige Sender" bezeichnet werden kann und auch, wie noch gezeigt wird, bei kapazitiven Füllstandsmeßgeräten angewendet werden kann.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das kapazitive Füllstandsmeßgerät, von dem die Erfindung ausgeht, so auszugestalten und weiterzubilden, daß die zuvor angesprochenen Probleme zumindest teilweise eliminiert sind.

Das erfindungsgemäße kapazitive Füllstandsmeßgerät ist zunächst und im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß zum Erkennen der Situation "Behälter leer" oder der Situation "Behälter voll" mit Hilfe der Auswerteschaltung der Versorgungs- und Auswerteschaltung ein Meßwert auch für den Zustand ermittelt wird, bei dem kein Sensorfeld mit der Versorgungs- und Auswerteschaltung verbunden ist.

Die aus der deutschen Offenlegungsschrift 100 08 093 bekannten kapazitiven Füllstandsmeßgeräte, von denen die Erfindung ausgeht, arbeiten üblicherweise mit einem Füllstandssensor, der acht oder sechzehn Sensorfelder aufweist. Das resultiert daraus, daß als Auswahlschalter am Markt vorhandene Multiplexer verwendet werden, die auf der Mehrpolseite acht oder sechzehn Anschlüsse haben. Verwendet man Füllstandssensoren, die sechzehn Sensorfelder haben, dann werden üblicherweise als Auswahlschalter zwei Multiplexer eingesetzt, die auf der Mehrpolseite acht Anschlüsse haben, weil zwei Multiplexer mit acht Anschlüssen auf der Mehrpolseite preiswerter sind als ein Multiplexer mit sechzehn Anschlüssen auf der Mehrpolseite (vgl. in der deutschen Offenlegungsschrift 100 08 093 Spalte 11, Zeilen 51 bis 54, und 6).

Im folgenden wird immer davon ausgegangen, daß bei dem erfindungsgemäßen kapazitiven Füllstandsmeßgerät der Füllstandssensor sechzehn Sensorfelder hat, der Auswahlschalter also auf seiner Mehrpolseite sechzehn Anschlüsse hat, wobei, wie ausgeführt, ein sechzehnpoliger Auswahlschalter auch durch zwei achtpolige Auswahlschalter realisiert werden kann. Für die Lehre der Erfindung ist es jedoch ganz belanglos, wieviel Sensorfelder der Füllstandssensor aufweist und wieviel korrespondierende Anschlüsse der Auswahlschalter auf der Mehrpolseite hat.

Bei dem aus der deutschen Offenlegungsschrift 100 08 093 bekannten kapazitiven Füllstandsmeßgerät, bei dem der Füllstandssensor sechzehn Sensorfelder hat, gibt es sechzehn Zustände; beim 1. Zustand ist das erste Sensorfeld über den Auswahlschalter mit der Versorgungs- und Auswerteschaltung "verbunden", beim 2. Zustand ist das zweite Sensorfeld über den Auswahlschalter mit der Versorgungs- und Auswerteschaltung "verbunden" usw. bis zum 16. Zustand, bei dem das sechzehnte Sensorfeld über den Auswahlschalter mit der Versorgungs- und Auswerteschaltung "verbunden" ist. Davon ausgehend, wird nachfolgend der Zustand, bei dem kein Sensorfeld mit der Versorgungs- und Auswerteschaltung verbunden ist und für den erfindungsgemäß mit Hilfe der Auswerteschaltung der Versorgungs- und Auswerteschaltung auch ein Meßwert ermittelt wird, als 17. Zustand bezeichnet.

Zu dem kapazitiven Füllstandsmeßgerät, von dem die Erfindung ausgeht, und zu dem erfindungsgemäßen kapazitiven Füllstandsmeßgerät gehört eine eine Versorgungsschaltung und eine Auswerteschaltung enthaltende Versorgungs- und Auswerteschaltung. Das ist natürlich funktional zu sehen. Statt einer Versorgungs- und Auswerteschaltung, zu der sowohl eine Versorgungsschaltung als auch eine Auswerteschaltung gehören, können auch zwei voneinander getrennte Schaltungen verwirklicht sein, also eine Versorgungsschaltung und eine Auswerteschaltung. Folglich wird im folgenden immer nur von einer Versorgungsschaltung und immer nur von einer Auswerteschaltung gesprochen, unabhängig davon, ob die Versorgungsschaltung zu einer Versorgungs- und Auswerteschaltung gehört oder für sich realisiert ist und unabhängig davon, ob die Auswerteschaltung zu einer Versorgungs- und Auswerteschaltung gehört oder für sich realisiert ist.

Die wesentliche Lehre der Erfindung, mit Hilfe der Auswerteschaltung einen Meßwert auch für den 17. Zustand zu ermitteln, läßt sich in unterschiedlicher Weise realisieren.

Zunächst kann der 17. Zustand dadurch realisiert sein, daß der Auswahlschalter nicht-leitend geschaltet ist, z. B. dadurch, daß er über seinen Steuereingang nicht-leitend geschaltet ist, oder dadurch, daß er über seine Betriebsspannung nicht-leitend geschaltet ist. Mit der Aussage, daß der Auswahlschalter nicht-leitend geschaltet ist, ist gemeint, daß kein Anschluß der Mehrpolseite des Auswahlschalters mit seiner Einpolseite "verbunden ist".

Der 17. Zustand kann aber auch dadurch realisiert sein, daß ein zwischen dem Auswahlschalter und der Versorgungs- und Auswerteschaltung vorgesehener Zustandsschalter oder ein zwischen dem Auswahlschalter und der Auswerteschaltung vorgesehener Zustandsschalter nicht-leitend geschaltet ist.

Schließlich besteht auch die Möglichkeit, den 17. Zustand dadurch zu realisieren, daß die Verbindung zwischen dem Auswahlschalter und der Versorgungs- und Auswerteschaltung oder die Verbindung zwischen dem Auswahlschalter und der Auswerteschaltung auf ein festes Potential gelegt ist.

Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Lehre, der besondere Bedeutung zukommt, ist das erfindungsgemäße kapazitive Füllstandsmeßgerät ergänzend dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwert für den Zustand, bei dem alle Sensorfelder von dem Füllgut unbeeinflußt sind, so geregelt wird, daß er mit einem bestimmten konstanten Differenzwert über dem Meßwert liegt, der für den 17. Zustand ermittelt ist. Diese Regelung des Meßwerts für den Zustand, bei dem alle Sensorfelder von dem Füllgut unbeeinflußt sind, kann über den Übertragungsfaktor bzw. den Verstärkungsfaktor die Auswerteschaltung erfolgen. Das ist gleichsam die sich zunächst anbietende Möglichkeit. Die Regelung des Meßwertes für den Zustand, bei dem alle Sensorfelder von dem Füllgut unbeeinflußt sind, kann aber auch über die Frequenz der Versorgungsspannung erfolgen, weil ja der Meßwert nicht nur kapazitätsabhängig, sondern auch frequenzabhängig ist.

Weiter oben ist bereits ausgeführt, daß kapazitive Füllstandsmeßgeräte der in Rede stehenden Art nicht dazu dienen, bei einem bestimmten Füllstand den Kapazitätswert zu messen, der zwischen einem durch den Auswahlschalter ausgewählten Sensorfeld des Füllstandssensors einerseits und einer Referenzelektrode andererseits existent ist, daß es vielmehr nur darauf ankommt festzustellen, ob dem durch den Auswahlschalter angewählten Sensorfeld Füllgut nicht, auch nicht teilweise, Füllgut teilweise oder Füllgut über die gesamte Höhe des Sensorfeldes gegenübersteht. Folglich ist es bei den kapazitiven Füllstandsmeßgeräten, von denen die Erfindung ausgeht, nicht kritisch, ob für eine bestimmte Situation – dem angewählten Sensorfeld steht kein Füllgut gegenüber, dem angewählten Sensorfeld steht teilweise Füllgut gegenüber oder dem angewählten Sensorfeld steht über seine gesamte Höhe Füllgut gegenüber – der sich ergebende Meßwert stets gleich ist. Das macht eine Betrachtung deutlich, bei der zunächst angenommen sei,

a) daß für die Situation "dem angewählten Sensorfeld steht kein Füllgut gegenüber" der Meßwert 1 V beträgt,
b) daß für die Situation "das Füllgut steht dem angewählten Sensorfeld genau bis zu einem Viertel der Höhe des Sensorfeldes gegenüber" der Meßwert 1,25 V beträgt und
c) daß für die Situation "das Füllgut steht dem angewählten Sensorfeld über seine volle Höhe gegenüber" der Meßwert 2 V beträgt.

Angenommen sei jetzt, daß für die zuvor zu a), b) und c) aufgezeigten Situationen, aus welchen Gründen auch immer, andere Meßwerte entstehen, nämlich für die Situation a) ein Meßwert von 2 V, für die Situation b) ein Meßwert von 2,5 V und für die Situation c) ein Meßwert von 4 V.

Für die beiden zuvor aufgezeigten Fallgestaltungen gilt, daß man dann, wenn man vor einer ersten Füllstandsmessung weiß, daß kein Füllgut vorhanden ist ("Behälter leer"), bzw. weiß, daß Füllgut mit einer maximalen Füllhöhe vorhanden ist ("Behälter voll"), jeden auftretenden Füllstand messen kann, dann später auch den Füllstand "Behälter leer" und den Füllstand "Behälter voll". Weiß man jedoch vor einer ersten Füllstandsmessung nicht, ob die Situation "Behälter leer" oder die Situation "Behälter voll" gegeben ist, dann ist nicht ohne weiteres feststellbar, ob die Situation "Behälter leer" oder die Situation "Behälter voll" gegeben ist. Ausgehend von dem, was zuvor als mögliche Meßwerte angenommen worden ist, kann nämlich bei einem Meßwert von 2 V die Situation "Behälter voll" gegeben sein (erste Fallgestaltung), es kann aber auch die Situation "Behälter leer" gegeben sein (zweite Fallgestaltung).

Für ein erfindungsgemäßes kapazitives Füllstandsmeßgerät sei nun angenommen, daß für den 17. Zustand in einem ersten Fall der Meßwert 0,2 V und in einem zweiten Fall der Meßwert 0,5 V beträgt und daß für den Zustand, bei dem alle Sensorfelder von dem Füllgut unbeeinflußt sind, der Meßwert so geregelt wird, daß er stets um den Differenzwert 1 V über dem Meßwert für den 17. Zustand liegt. Nunmehr ist feststellbar, ob die Situation "Behälter leer" oder die Situation "Behälter voll" gegeben ist. Bei einem ermittelten Meßwert von 0,2 V für den 17. Zustand liegt die Situation "Behälter leer" vor, wenn der Meßwert 1,2 V beträgt; bei einem größeren Meßwert, z. B. bei einem Meß wert von 1,5 V, liegt der Zustand "Behälter voll" vor. Bei einem ermittelten Meßwert von 0,5 V für den 17. Zustand liegt die Situation "Behälter leer" vor, wenn der Meßwert 1,5 V beträgt; bei einem größeren Meßwert, z. B. bei einem Meßwert von 1,8 V, liegt der Zustand "Behälter voll" vor. Ohne die im einzelnen erläuterte Lehre der Erfindung könnte der Meßwert 1,5 V nicht zugeordnet werden; es könnte der Zustand "Behälter voll" vorliegen, es könnte aber auch der Zustand "Behälter leer" vorliegen. Demgegenüber ist es durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen möglich, den Meßwert 1,5 V zuzuordnen; wie ausgeführt, steht der Meßwert 1,5 V bei einem für den 17. Zustand ermittelten Meßwert von 0,2 V für die Situation "Behälter voll", bei einem für den 17. Zustand ermittelten Meßwert von 0,5. V jedoch für die Situation "Behälter leer".

Im übrigen kann bei einem erfindungsgemäßen kapazitiven Füllstandsmeßgerät die Ermittlung eines Meßwertes für den 17. Zustand zu der Feststellung herangezogen werden, ob ein Sensorfeld defekt ist. Der sich bei einem defekten Sensorfeld ergebende Meßwert entspricht nämlich in erster Näherung dem Meßwert, der sich für den 17. Zustand ergibt.

Weiter oben ist bereits ausgeführt worden, daß bei dem bekannten kapazitiven Füllstandsmeßgerät, von dem die Erfindung ausgeht, zwei – als Multiplexer ausgeführte – Auswahlschalter eingesetzt sind (vgl. in der deutschen Offenlegungsschrift 100 08 093 Spalte 11, Zeilen 51 bis 54, und 6). Davon ausgehend können die Sensorfelder des Füllstandssensors alternierend mit der Mehrpolseite des ersten Auswahlschalters und der Mehrpolseite des zweiten Auswahlschalters verbunden sein, – verbunden natürlich immer über die zu dem Füllstandsmeßgerät gehörenden, an die Sensorfelder angeschlossenen elektrischen Leitungen. Jetzt – und im folgenden – soll immer das unterste Sensorfeld des Füllstandssensors als Sensorfeld 1, das folgende Sensorfeld als Sensorfeld 2, usw., folglich das oberste Sensorfeld dann, wenn insgesamt sechzehn Sensorfelder verwirklicht sind, als Sensorfeld 16 bezeichnet werden. Damit, daß die Sensorfelder des Füllstandssensors alternierend mit der Mehrpolseite des ersten Auswahlschalters und der Mehrpolseite des zweiten Auswahlschalters verbunden sind, soll zum Ausdruck gebracht sein, daß z. B. das Sensorfeld 1 mit dem ersten Anschluß der Mehrpolseite des ersten Auswahlschalters, das Sensorfeld 2 mit dem ersten Anschluß der Mehrpolseite des zweiten Auswahlschalters, das Sensorfeld 3 mit dem zweiten Anschluß der Mehrpolseite des ersten Auswahlschalters, das Sensorfeld 4 mit dem zweiten Anschluß der Mehrpolseite des zweiten Auswahlschalters, usw., das Sensorfeld 15 mit dem achten Anschluß der Mehrpolseite des ersten Auswahlschalters und das Sensorfeld 16 mit dem achten Anschluß der Mehrpolseite des zweiten Auswahlschalters verbunden ist.

Bei dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen kapazitiven Füllstandsmeßgerät können die einzelnen Sensorfelder des Füllstandssensors, wie bei dem bekannten Füllstandsmeßgerät, nacheinander angesteuert werden. Dazu werden dann nacheinander erst der erste Anschluß der Mehrpolseite des ersten Auswahlschalters, dann der erste Anschluß der Mehrpolseite des zweiten Auswahlschalters, dann der zweite Anschluß der Mehrpolseite des ersten Auswahlschalters, dann der zweite Anschluß der Mehrpolseite des zweiten Auswahlschalters, usw., dann der achte Anschluß der Mehrpolseite des ersten Auswahlschalters und schließlich der achte Anschluß der Mehrpolseite des zweiten Auswahlschalters aktiviert, also – in dem weiter oben erläuterten Sinn – mit der Einpolseite des entsprechenden Auswahlschalters "verbunden".

Bei dem bekannten kapazitiven Füllstandsmeßgerät, von dem die Erfindung ausgeht, werden alle Sensorfelder des Füllstandssensors gleichphasig angesteuert. An die einzelnen Sensorfelder des Füllstandssensors wird also immer eine – von der Versorgungsschaltung zur Verfügung gestellte – positive Versorgungsspannung oder eine negative Versorgungsspannung angelegt. Demgegenüber kann es besonders vorteilhaft sein, bei dem zuletzt beschriebenen kapazitiven Füllstandsmeßgerät die jeweils benachbarten Sensorfelder des Füllstandssensors gegenphasig anzusteuern, also das Sensorfeld 1 mit einer positiven Versorgungsspannung, das Sensorfeld 2 mit einer negativen Versorgungsspannung usw. Auch dabei können die einzelnen Sensorfelder des Füllstandssensors nacheinander angesteuert werden. Vorzugsweise werden jedoch jeweils zwei benachbarte Sensorfelder des Füllstandssensors gleichzeitig gegenphasig angesteuert. Das hat erhebliche Vorteile:
Einerseits führt das gleichzeitige gegenphasige Ansteuern benachbarter Sensorfelder des Füllstandssensors dazu, daß die Störabstrahlungen des so ausgestalteten und so betriebenen kapazitiven Füllstandsmeßgeräts sehr gering sind, weil sich die gegenphasigen elektromagnetischen Strahlen bzw. elektromagnetischen Felder weitgehend kompensieren. Andererseits ergeben sich dann, wenn benachbarte Sensorfelder durch das Füllgut gleich beeinflußt sind, sehr geringe Meßwerte; theoretisch ist der Meßwert dann Null. Das hat zur Folge, daß der Übertragungsfaktor bzw. der Verstärkungsfaktor der Auswerteschaltung sehr groß gewählt werden kann, man folglich sehr genaue Messungen durchführen kann. Nur im Grenzschichtbereich – Bereich, bis zu dem das Füllgut reicht – ist dann ein merklicher Meßwert vorhanden, mit dem die Grenzschicht und damit der Füllstand festgestellt werden kann.

Sowohl bei den bekannten kapazitiven Füllstandsmeßgeräten, von denen die Erfindung ausgeht, als auch bei den erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgeräten ist der die einzelnen Sensorfelder realisierende Füllstandssensor in der Regel stabförmig ausgebildet. Häufig ist es dabei erforderlich, den stabförmig ausgebildeten Füllstandssensor über eine Stabhalterung zu befestigen, die in einem Bereich zwischen "Behälter leer" und "Behälter voll" angebracht wird. Sowohl die weiter oben erläuterte Lehre der Erfindung "17. Zustand" also auch die zuletzt erläuterte Lehre "gleichzeitige gegenphasige Ansteuerung von benachbarten Sensorfeldern" erleichtert es, bei der Füllstandsmessung zwischen Grenzschicht und Stabhalterung zu differenzieren.

Schließlich ist eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen kapazitiven Füllstandsmeßgeräts dadurch gekennzeichnet, daß nach einer ersten Füllstandsbestimmung nur noch der Grenzschicht benachbarte Sensorfelder des Füllstandssensors angesteuert bzw. abgefragt werden; mit der Formulierung "benachbarte Sensorfelder" sind nicht unbedingt nur die der Grenzschicht unmittelbar benachbarten Sensorfelder gemeint, mit "benachbarte Sensorfelder" können z. B. auch zwei oder mehr Sensorfelder unterhalb der Grenzschicht und zwei oder mehr Sensorfelder oberhalb der Grenzschicht gemeint sein. Dadurch, daß nach der zuletzt dargestellten Lehre nach einer ersten Füllstandsbestimmung nur noch der Grenzschicht benachbarte Sensorfelder des Füllstandssensors angesteuert bzw. abgefragt werden, kann die Zykluszeit, also die Zeit für eine vollständige Abfrage aller abzufragenden Sensorfelder erheblich reduziert werden. Eine relativ kurze Zykluszeit ist häufig wünschenswert, da nicht selten eine das Abfragen aller Sensorfelder des Füllstandssensors umfassende Zykluszeit zu lang ist, z. B. in einer relativ langen Zykluszeit ein Behälter, in dem der Füllstand bestimmt werden soll, entweder vollständig geleert oder vollständig gefüllt sein kann.

Die zuvor dargestellte Lehre wird vorzugsweise im einzelnen so realisiert, daß dann, wenn eine Füllstandsbestimmung einen anderen als den zuvor ermittelten Füllstand ergeben hat, die der dann vorliegenden Grenzschicht benachbarten Sensorfelder des Füllstandssensors angesteuert bzw. abgefragt wird. Es werden also die abzufragenden Sensorfelder einer sich in ihrer Höhe ändernden Grenzschicht nachgeführt.

Schließlich empfiehlt es sich, bei der zuvor behandelten Lehre nach einer bestimmten Anzahl von Abfragezyklen – einmal oder mehrmals – alle Sensorfelder des Füllstandssensors anzusteuern bzw. abzufragen. Das hat z. B. den Vorteil, daß durch dieses Abfragen festgestellt werden kann, ob Sensorfelder, die momentan der Grenzschicht nicht benachbart sind, also eigentlich nicht abgefragt werden, defekt sind.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße kapazitive Füllstandsmeßgerät auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen sowohl auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche als auch auf die Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen kapazitiven Füllstandsmeßgeräts. In der Zeichnung zeigen
1 eine schematische, teilweise ins Detail gehende Darstellung zur Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen kapazitiven Füllstandsmeßgeräts,
2 eine erste grafische Darstellung zur Erläuterung der Lehre der Erfindung,
3 eine zweite grafische Darstellung zur Erläuterung der Lehre der Erfindung und
4 eine dritte grafische Darstellung zur Erläuterung der Lehre der Erfindung.
Erfindungsgemäße kapazitive Füllstandsmeßgeräte dienen der kapazitiven Erfassung des Füllstandes von Flüssigkeiten, Schüttgütern und anderem Füllgut in einem nicht dargestellten, geschlossenen oder offenen Behälter und bestehen in ihrem grundsätzlichen Aufbau, wozu erneut auf die deutsche Offenlegungsschrift 100 08 093 verwiesen werden darf, aus einem mehrere Sensorfelder 1 aufweisenden, in den Figuren nicht dargestellten Füllstandssensor, aus an die Sensorfelder 1 des Füllstandssensors angeschlossenen elektrischen Leitungen 2, aus einem mit seiner Mehrpolseite 3 an die den Sensorfeldern 1 des Füllstandssensors fernen Enden der Leitungen 2 angeschlossenen Auswahlschalter 4 und aus einer an die Einpolseite 5 des Auswahlschalters 4 angeschlossenen, eine Versorgungsschaltung 6 und eine Auswerteschaltung 7 enthaltende Versorgungs- und Auswerteschaltung 8. Die Sensorfelder 1 des Füllstandssensors sind, was den Figuren nicht entnommen werden kann, jedoch die 1, 2, 3 und 5 der deutschen Offenlegungsschrift 100 08 093 zeigen, übereinander angeordnet.
Weiter oben ist ausgeführt, daß das erfindungsgemäße kapazitive Füllstandsmeßgerät zunächst im wesentlichen so ausgeführt sein kann, wie dies die deutsche Offenlegungsschrift 100 08 093 offenbart. Folglich entspricht das in 1 dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen kapazitiven Füllstandsmeßgeräts zunächst dem bekannten erfindungsgemäßen kapazitiven Füllstandsmeßgerät, das in 6 der deutschen Offenlegungsschrift 100 08 093 dargestellt ist.
Für das in 1 dargestellte kapazitive Füllstandsmeßgerät gilt zunächst, daß die Versorgungsschaltung 6 der Versorgungs- und Auswerteschaltung 8 eine hochfrequente Versorgungsspannung liefert, daß die Versorgungsspannung frequenzgespreizt ist, und zwar durch ein von einer nur angedeuteten Rauschquelle 9 kommendes Rauschsignal, daß die frequenzgespreizte Versorgungsspannung zu einem frequenzgespreizten Meßwert, nämlich einer frequenzgespreizten Meßspannung oder einem frequenzgespreizten Meßstrom führt, daß die frequenzgespreizte Versorgungsspannung auf den ersten Eingang eines nur angedeuteten Korrelators 10 und der frequenzgespreizte Meßwert auf den zweiten Eingang des Korrelators 10 gelegt ist und daß das Ausgangssignal des Korrelators 10 der weiteren Auswerteschaltung zugeführt ist.
Für das in 1 dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Füllstandsmeßgeräts gilt weiter, wie für das in 6 der deutschen Offenlegungsschrift 100 08 093 dargestellte kapazitive Füllstandsmeßgerät, daß den Sensorfeldern 1 oder/und den elektrischen Leitungen 2 oder/und dem Auswahlschalter 4 eine nicht dargestellte Abschirmung zugeordnet ist, und zwar eine Abschirmung, die stets auf einem Potential liegt, das praktisch dem Potential der Sensorfelder 1, der elektrischen Leitungen 2 und des Auswahlschalters 4 entspricht. Besondere Bedeutung kommt in diesem Zusammenhang der Maßnahme zu, die nicht dargestellte Abschirmung über eine Strommeßschaltung 11 mit den Sensorfeldern 1, den elektrischen Leitungen 2 und dem Auswahlschalter 4 zu verbinden. Dabei wird eine Strommeßschaltung 11 verwendet, die einen praktisch vernachlässigbar kleinen Innenwiderstand hat. Eine solche Strommeßschaltung 11 kann aus einem Synchrongleichrichter 12, einem dem Synchrongleichrichter 12 nachgeschalteten Tiefpaß 13 und einem dem Tiefpaß 13 nachgeschalteten Strom-Spannungs-Wandler 14 bestehen. Bei einer solchen Strommeßschaltung 11 führen der Synchrongleichrichter 12 und der nachgeschaltete Tiefpaß 13 dazu, daß aus dem eingangsseitig zugeführten hochfrequenten Meßstrom ein Gleichstrom wird, aus dem dann durch den Strom-Spannungs-Wandler 14 eine Gleichspannung wird.
Weiter oben ist ausgeführt, daß als Auswahlschalter 4 ein Multiplexer eingesetzt werden kann, wie das zum Stand der Technik gehört (vgl. die deutsche Patentschrift 196 44 777). Im Ausführungsbeispiel nach 1 sind zwei als Multiplexer verwirklichte Auswahlschalter 4 vorgesehen, wobei auf der Mehrpolseite 3 jeweils acht Anschlüsse realisiert sind.
Im Stand der Technik ist es allgemein üblich, Spannungen als Potentialdifferenz zum Massepotential bzw. zum Erdpotential zu realisieren. Demgegenüber gilt für das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Füllstandsmeßgeräts, das die von der Versorgungsschaltung 6 der Versorgungs- und Auswerteschaltung 8 zur Verfügung gestellte Versorgungsspannung zwischen dem Massepotential 15 und dem Erdpotential 16 ansteht; realisiert ist also ein "floatendes" Massepotential 15. Dabei ist natürlich dafür gesorgt, daß das Massepotential 15 und das Erdpotential 16 nicht impedanzlos miteinander verbunden sind. Wie in der 1 dargestellt, ist die Versorgungsschaltung 6 der Versorgungs- und Auswerteschaltung 8 gleichstroment koppelt mit dem Erdpotential 16 verbunden, nämlich durch einen Entkoppelkondensator 17, und ist die Auswerteschaltung 7 der Versorgungs- und Auswerteschaltung 8 wechselstromentkoppelt mit dem Erdpotential 16 verbunden, nämlich durch stromkompensierte Entkoppeldrosseln 18, die in der 1 nur angedeutet sind.
Wie bereits mehrfach ausgeführt, soll das in Rede stehende kapazitive Füllstandsmeßgerät zur Erfassung bzw. Bestimmung des Füllstandes von Füllgütern mit ganz unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten sowie zur Erfassung bzw. Bestimmung des Füllstandes von Füllgütern in ganz unterschiedlichen Behältern verwendbar sein. Um dem zu entsprechen, ist das in 1 schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Füllstandsmeßgeräts weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Versorgungsspannung steuerbar ist, im Ausführungsbeispiel durch einen an einer Steuerstelle 19 eingreifenden, nicht dargestellten Mikroprozessor, und daß die Verstärkung der Auswerteschaltung 7 der Versorgungs- und Auswerteschaltung 8 steuerbar ist, im Ausführungsbeispiel durch einen an einer Steuerstelle 20 angreifenden, nicht dargestellten Mikroprozessor.
Im übrigen sei darauf hingewiesen, daß in dem in 1 angedeuteten Ausführungsbeispiel zu der Versorgungsschaltung 6 der Versorgungs- und Auswerteschaltung 8 ein spannungsgesteuerter Oszillator 21 und ein digitaler Phasenschieber 22 gehören, während zu der Auswerteschaltung 7 der Versorgungs- und Auswerteschaltung 8 noch ein Spannungsregler 23 und eine Klemmschaltung 24 gehören.
Gemäß der Lehre der Erfindung wird bei dem in Rede stehenden kapazitiven Füllstandsmeßgerät mit Hilfe der Auswerteschaltung 7 der Versorgungs- und Auswerteschaltung 8 ein Meßwert auch für den Zustand ermittelt, bei dem kein Sensorfeld 1 mit der Versorgungs- und Auswerteschaltung 8 verbunden ist, weiter oben und im folgenden mit 17. Zustand bezeichnet. Dazu, wie der 17. Zustand realisiert werden kann, wird auf die weiter oben gemachten Ausführungen verwiesen.
Nach einer weiteren Lehre, der besondere Bedeutung zukommt, auch losgelöst von der zuvor beschriebenen Lehre der Erfindung, wird der Meßwert für den Zustand, bei dem alle Sensorfelder 1 von dem Füllgut unbeeinflußt sind, so geregelt, daß er mit einem bestimmten konstanten Differenzwert, z. B. 1 V, über dem Meßwert liegt, der für den 17. Zustand ermittelt ist.
Das, was mit der Lehre "Ermittlung eines Meßwertes für den 17. Zustand" und mit der Lehre "Regelung des Meßwertes für den Zustand, bei dem alle Sensorfelder 1 von dem Füllgut unbeeinflußt sind" erreicht wird, wird im folgenden in Verbindung mit der grafischen Darstellung in 2 erläutert:
Angenommen sei zunächst (2a),

a) daß für die Situation "dem angewählten Sensorfeld 1 steht kein Füllgut gegenüber" der Meßwert 1 V beträgt,
b) daß für die Situation "dem angewählten Sensorfeld 1 steht das Füllgut genau bis zu einem Viertel der Höhe des Sensorfeldes 1 gegenüber" der Meßwert 1,25 V beträgt und
c) daß für die Situation "dem angewählten Sensorfeld 1 steht das Füllgut über die volle Höhe des Sensorfeldes 1 gegenüber" der Meßwert 2 V beträgt.

Angenommen sei dann (2b), daß für die zuvor zu a), b) und c) aufgezeigten Situationen, aus welchen Gründen auch immer, andere Meßwerte entstehen, nämlich für die Situation a) ein Meßwert von 2 V, für die Situation b) ein Meßwert von 2,5 V und für die Situation c) ein Meßwert von 4 V.
Für die beiden zuvor aufgezeigten, in den 2a und 2b skizzierten Fallgestaltungen gilt, daß man dann, wenn man vor einer ersten Füllstandsmessung weiß, daß kein Füllgut vorhanden ist ("Behälter leer"), bzw. weiß, daß Füllgut mit einer maximalen Füllhöhe vorhanden ist ("Behälter voll"), jeden auftretenden Füllstand messen kann, dann später auch den Füllstand "Behälter leer" und den Füllstand "Behälter voll". Weiß man jedoch vor einer ersten Füllstandsmessung nicht, ob die Situation "Behälter leer" oder die Situation "Behälter voll" gegeben ist, dann ist nicht ohne weiteres feststellbar, ob die Situation "Behälter leer" oder die Situation "Behälter voll" gegeben ist. Bei einem Meßwert von 2 V kann nämlich die Situation "Behälter voll" gegeben sein (2a), es kann aber auch ohne weiteres die Situation "Behälter leer" gegeben sein (2b).
Für ein erfindungsgemäßes kapazitives Füllstandsmeßgerät sei nun angenommen, daß für den 17. Zustand in einem ersten Fall (2c) der Meßwert 0,2 V und in einem zweiten Fall (2d) der Meßwert 0,5 V beträgt und daß für den Zustand, bei dem alle Sensorfelder von dem Füllgut unbeeinflußt sind, der Meßwert so geregelt wird, daß er stets um den Differenzwert 1 V über dem Meßwert für den 17. Zustand liegt. Nunmehr ist feststellbar, ob die Situation "Behälter leer" oder die Situation "Behälter voll" gegeben ist. Bei einem ermittelten Meßwert von 0,2 V für den 17. Zustand (2c) liegt die Situation "Behälter leer" vor, wenn der Meßwert 1,2 V beträgt; bei einem größeren Meßwert, z. B. bei einem Meßwert von 1,5 V, liegt der Zustand "Behälter voll" vor. Bei einem ermittelten Meßwert von 0,5 V für den 17. Zustand (2d) liegt die Situation "Behälter leer" vor, wenn der Meßwert 1,5 V beträgt; bei einem größeren Meßwert, z. B. bei einem Meßwert von 1,8 V, liegt der Zustand "Behälter voll" vor. Ohne die im einzelnen erläuterte Lehre der Erfindung könnte der Meßwert 1,5 V nicht zugeordnet werden; es könnte der Zustand "Behälter voll" vorliegen, es könnte aber auch der Zustand "Behälter leer" vorliegen. Demgegenüber ist es durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen möglich, den Meßwert 1,5 V zuzuordnen; wie ausgeführt, steht der Meßwert 1,5 V bei einem für den 17. Zustand ermittelten Meßwert von 0,2 V für die Situation "Behälter voll", bei einem für den 17. Zustand ermittelten Meßwert von 0,5 V jedoch für die Situation "Behälter leer".
Die weitere Lehre, den Meßwert für den Zustand, bei dem alle Sensorfelder 1 von dem Füllgut unbeeinflußt sind, so zu regeln, daß der mit einem bestimmten konstanten Differenzwert über dem Meßwert liegt, der für den 17. Zustand ermittelt ist, kann unterschiedlich realisiert sein; beispielhafte Realisierungsmöglichkeiten sind weiter oben aufgezeigt.
Wie bereits ausgeführt, sind bei dem in 1 dargestellten kapazitiven Füllstandsmeßgerät zwei – als Multiplexer ausgeführte – Auswahlschalter 4 eingesetzt. Davon ausgehend ist das erfindungsgemäße kapazitive Füllstandsmeßgerät im Ausführungsbeispiel dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorfelder 1 des Füllstandssensors alternierend mit der Mehrpolseite 3 des ersten Auswahlschalters 4 und der Mehrpolseite 3 des zweiten Auswahlschalters 4 verbunden sind, – verbunden natürlich immer über die zu dem Füllstandsmeßgerät gehörenden, an die Sensorfelder 1 angeschlossenen elektrischen Leitungen 2. Damit, daß die Sensorfelder 1 des Füllstandssensors alternierend mit der Mehrpolseite 3 des ersten Auswahlschalters 4 und der Mehrpolseite 3 des zweiten Auswahlschalters 4 verbunden sind, soll zum Ausdruck gebracht sein, daß z. B. das erste Sensorfeld 1 mit dem ersten Anschluß der Mehrpolseite 3 des ersten Auswahlschalters 4, das zweite Sensorfeld 1 mit dem ersten Anschluß der Mehrpolseite 3 des zweiten Auswahlschalters 4, das dritte Sensorfeld 1 mit dem zweiten Anschluß der Mehrpolseite 3 des ersten Auswahlschalters 4, das vierte Sensorfeld 1 mit dem zweiten Anschluß der Mehrpolseite 3 des zweiten Auswahlschalters, usw. verbunden ist.
Nach einer weiteren Lehre, der besondere Bedeutung zukommt, werden bei dem zuletzt beschriebenen erfindungsgemäßen kapazitiven Füllstandsmeßgerät die jeweils benachbarten Sensorfelder 1 des Füllstandssensors gegenphasig angesteuert, also das erste Sensorfeld 1 mit einer positiven Versorgungsspannung, das zweite Sensorfeld 1 mit einer negativen Versorgungsspannung, das dritte Sensorfeld 1 mit einer positiven Versorgungsspannung, das vierte Sensorfeld 1 mit einer negativen Versorgungsspannung usw. Vorzugsweise werden dabei jeweils zwei benachbarte Sensorfelder 1 des Füllstandssensors gleichzeitig gegenphasig angesteuert. Was damit erreicht ist, ist weiter oben bereits beschrieben, soll im übrigen nachfolgend in Verbindung mit der grafischen Darstellung in 3 nochmals erläutert werden:
Einerseits führt das gleichzeitige gegenphasige Ansteuern benachbarter Sensorfelder 1 des Füllstandssensors dazu, daß die Störabstrahlungen des erfindungsgemäßen kapazitiven Füllstandsmeßgeräts sehr gering sind. Andererseits ergeben sich dann, wenn benachbarte Sensorfelder 1 durch das Füllgut gleich beeinflußt sind, benachbarten Sensorfeldern also entweder Füllgut gegenübersteht oder Füllgut nicht gegenübersteht, sehr geringe Meßwerte; theoretisch ist dann der Meßwert Null, wie das in 3 schematisch dargestellt ist. In der 3 sind für fünfzehn Meßsituationen die Meßwerte dargestellt, nämlich die ersten Meßwerte für die erste Meßsituation, die gleichzeitige gegenphasige Ansteuerung der ersten Sensorelektrode 1 und der zweiten Sensorelektrode 1, die zweiten Meßwerte für die zweite Meßsituation, nämlich die gleichzeitige gegenphasige Ansteuerung der zweiten Sensorelektrode 1 und der dritten Sensorelektrode 1 usw., die fünfzehnten Meßwerte für die fünfzehnte Meßsituation, die gleichzeitige gegenphasige Ansteuerung der fünfzehnten Sensorelektrode 1 und der sechzehnten Sensorelektrode 1, wobei jede Meßsituation jeweils einen positiven und einen negativen Meßwert liefert. In der 3 sind die jeweiligen Einzel-Meßwerte für die einzelnen Meßsituationen jeweils durch schmale Striche, die Gesamt-Meßwerte, also immer die Summe der Einzel-Meßwerte, jeweils durch einen breiten Strich dargestellt. Man erkennt ohne weiteres, daß dann, wenn benachbarte Sensorfelder 1 durch das Füllgut gleich beeinflußt sind, die Einzel-Meßwerte nach ihren Absolutbeträgen praktisch gleich sind, die Gesamt-Meßwerte also praktisch Null sind, und daß nur im Bereich der Grenzschicht und im Bereich einer Stabhalterung Gesamt-Meßwerte vorliegen, die von Null erheblich abweichen.
Wie weiter oben ausgeführt, ist das erfindungsgemäße kapazitive Füllstandsmeßgerät weiter vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, daß nach einer ersten Füllstandsbestimmung nur noch der Grenzschicht benachbarte Sensorfelder 1 des Füllstandssensors angesteuert bzw. abgefragt werden. Dadurch kann die Zykluszeit, also die Zeit für eine vollständige Abfrage aller abzufragenden Sensorfelder 1 erheblich reduziert werden. Diese Lehre wird vorzugsweise im einzelnen so realisiert, daß dann, wenn eine Füllstandsbestimmung einen anderen als den zuvor ermittelten Füllstand ergeben hat, die der dann vorliegenden Grenzschicht benachbarten Sensorfelder 1 des Füllstandssensors angesteuert bzw. abgefragt werden; es werden also die abzufragenden Sensorfelder 1 einer sich in ihrer Höhe ändernden Grenzschicht nachgeführt. Damit ist gleichsam eine "Lupenfunktion" realisiert, die schematisch in 4 dargestellt ist.

Claims

Kapazitives Füllstandsmeßgerät zur Messung des Füllstandes in einem Behälter, mit einem mehrere Sensorfelder aufweisenden Füllstandssensor, mit an die Sensorfelder des Füllstandssensors angeschlossenen elektrischen Leitungen, mit einem mit seiner Mehrpolseite an die den Sensorfeldern des Füllstandssensors fernen Enden der Leitungen angeschlossenen Auswahlschalter und mit einer an die Einpolseite des Auswahlschalters angeschlossenen, eine Versorgungsschaltung und eine Auswerteschaltung enthaltenden Versorgungs- und Auswerteschaltung, wobei die Sensorfelder übereinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erkennen der Situation "Behälter leer" oder der Situation "Behälter voll" mit Hilfe der Auswerteschaltung (7) der Versorgungs- und Auswerteschaltung (8) ein Meßwert auch für den Zustand ermittelt wird, bei dem kein Sensorfeld (1) mit der Versorgungs- und Auswerteschaltung (8) verbunden ist.
Kapazitives Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zustand "kein Sensorfeld mit der Versorgungs- und Auswerteschaltung verbunden" dadurch realisiert ist, daß der Auswahlschalter (4) nicht-leitend geschaltet ist.
Kapazitives Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswahlschalter (4) über seinen Steuereingang nicht-leitend geschaltet ist.
Kapazitives Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswahlschalter (4) über seine Betriebsspannung nicht-leitend geschaltet ist.
Kapazitives Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zustand "kein Sensorfeld mit der Versorgungs- und Auswerteschaltung verbunden" dadurch realisiert ist, daß ein zwischen dem Auswahlschalter (4) und der Versorgungs- und Auswerteschaltung (8) vorgesehener Zustandsschalter nicht-leitend geschaltet ist.
Kapazitives Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zustand "kein Sensorfeld mit der Versorgungs- und Auswerteschaltung verbunden" dadurch realisiert ist, daß ein zwischen dem Auswahlschalter (4) und der Auswerteschaltung (7) der Versorgungs- und Auswerteschaltung (8) vorgesehener Zustandsschalter nicht-leitend geschaltet ist.
Kapazitives Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zustand "kein Sensorfeld mit der Versorgungs- und Auswerteschaltung verbunden" dadurch realisiert ist, daß die Verbindung zwischen dem Auswahlschalter (4) und der Versorgungs- und Auswerteschaltung (8) oder die Verbindung zwischen dem Auswahlschalter (4) und der Auswerteschaltung (7) auf ein festes Potential gelegt ist.
Kapazitives Füllstandsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwert für den Zustand, bei dem alle Sensorfelder (1) von dem Füllgut unbeeinflußt sind, so geregelt wird, daß er mit einem bestimmten konstanten Differenzwert über dem Meßwert liegt, der für den Zustand "kein Sensorfeld mit der Versorgungs- und Auswerteschaltung verbunden" ermittelt ist.
Kapazitives Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des Meßwertes für den Zustand, bei dem alle Sensorfelder (1) von dem Füllgut unbeeinflußt sind, über den Übertragungsfaktor oder/und den Verstärkungsfaktor der Auswerteschaltung (7) der Versorgungs- und Auswerteschaltung (8) erfolgt.
Kapazitives Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des Meßwertes für den Zustand, bei dem alle Sensorfelder (1) von dem Füllgut unbeeinflußt sind, über die Frequenz der Versorgungsspannung erfolgt.