DE10231946A1 - Method for measuring the level of a fluid in a container and corresponding level sensor - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Füllstandes eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, in einem Behälter durch Messung des mittleren Ladestroms eines oder mehrerer Kondensatoren, die periodisch aufgeladen und entladen werden. Die Erfindung betrifft außerdem einen entsprechenden, zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Füllstandssensor, der eine Gleichspannungsquelle (11), wenigstens ein kapazitives Sensorelement (14), das eine Messelektrode (13) und eine Gegenelektrode (15) aufweist, einen elektronischen Schalter (12), der periodisch zwischen einer ersten Stellung zum Aufladen der Messelektrode (13) und einer zweiten Stellung zum Entladen der Messelektrode (13) schaltbar ist, und Mittel (18) zur Messung des zwischen der Gleichspannungsquelle (11) und der Messelektrode (13) fließenden mittleren Ladestroms umfasst.The present invention relates to a method for measuring the fill level of a fluid, in particular a liquid, in a container by measuring the average charging current of one or more capacitors which are periodically charged and discharged. The invention also relates to a corresponding fill level sensor which is suitable for carrying out the method and which has a DC voltage source (11), at least one capacitive sensor element (14) which has a measuring electrode (13) and a counter electrode (15), an electronic switch (12), which can be switched periodically between a first position for charging the measuring electrode (13) and a second position for discharging the measuring electrode (13), and means (18) for measuring the average charging current flowing between the DC voltage source (11) and the measuring electrode (13) includes.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Füllstandes eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, in einem Behälter und einen entsprechenden, zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Füllstandssensor.The invention relates to a method for measuring the level a fluid, in particular a liquid, in a container and an appropriate one to carry out level sensor suitable for the method.

In unterschiedlichsten Bereichen der Technik ist es wichtig, den Füllstand von Fluiden, beispielsweise von Flüssigkeiten oder pastösen Materialien, zu messen und, etwa in elektronischer Form, weiterzuverarbeiten oder anzuzeigen. Beispielhaft seien die Messung des Flüssigkeitsfüllstandes in Treibstoff-, Kühlwasser-, Öl- oder Bremsflüssigkeitsbehältern von Kraftfahrzeugen, in Unterflurtanks von Tankstellen oder in unterschiedlichsten Vorratsbehältern und Reaktoren in der chemischen Industrie oder der Lebensmittelindustrie genannt. Füllstandssensoren können auf verschiedensten physikalischen Messprinzipien beruhen. So sind hydrostatische oder pneumatische Sensoren bekannt, welche die Höhe eines Flüssigkeitsspiegels mit Hilfe des hydrostatischen Drucks einer über dem Sensor anstehenden Flüssigkeitssäule messen. Es sind ferner Radarsensoren oder optische Sensoren bekannt, welche die Höhe eines Flüssigkeitsspiegels über die Laufzeit kurzer Radar- oder Lichtimpulse bestimmen, die an der Flüssigkeitsoberfläche reflektiert werden. Andere optische Sensoren zur Füllstandsmessung arbeiten nach dem Prinzip einer Lichtschranke. Einen besonders weiten Einsatzbereich haben mechanische Füllstandssensoren gefunden, da sie einfach aufgebaut und dementsprechend kostengünstig herstellbar sind. Bei mechanischen Füllstandssensoren wird die Lage eines Schwimmers, der in die interessierende Flüssigkeit eintaucht, gemessen und über einen Widerstandskolben in ein elektrisches Signal umgewandelt. Für die Übertragung des Füllstandes vom Schwimmer auf den Widerstandskolben werden meist Hebelsensoren oder Tauchrohre eingesetzt.In different areas It is important in technology to check the level of fluids, for example of liquids or pasty Materials, to be measured and further processed, for example in electronic form or display. The measurement of the liquid level is an example in fuel, cooling water, oil or Brake fluid containers from Motor vehicles, in underfloor tanks of petrol stations or in a wide variety Storage containers and Reactors in the chemical or food industry called. Level sensors can on various physical measurement principles are based. So are hydrostatic or pneumatic sensors known which measure the height of a liquid level measure the hydrostatic pressure of a liquid column above the sensor. Radar sensors or optical sensors are also known, which the height a liquid level over the Running time of short radar or Determine light pulses that reflect on the surface of the liquid become. Other optical sensors for level measurement rework the principle of a light barrier. A particularly wide range of applications have mechanical level sensors found because they are simple to build and are therefore inexpensive to manufacture. With mechanical level sensors becomes the position of a swimmer who is in the liquid of interest immersed, measured and over converted a resistance piston into an electrical signal. For the transfer the level lever sensors usually become from the float to the resistance piston or dip tubes used.

Hydrostatische Sensoren, Radarsensoren oder optische Sensoren sind aufwändig und teuer und daher für Anwendungsbereiche, die sich einem hohen Kostendruck ausgesetzt sehen, wie dies beispielsweise in der Kfz-Industrie der Fall ist, nicht geeignet. Die kostengünstigen mechanischen Sensoren besitzen wiederum den Nachteil, dass die beweglichen mechanischen Komponenten verschleißanfällig sind und bei übermäßiger mechanischer Belastung beschädigt werden können. Nachteilig an mechanischen Füllstandssensoren ist außerdem, dass sie nicht eingesetzt werden können, wenn beispielsweise in einen Behälter für brennbare Flüssigkeiten Füllkörper zur Verhinderung von Bränden oder Explosionen eingebaut werden sollen. Derartige Füllkörper können beispielsweise aus einem von der Anmelderin unter der Produktbezeichnung „eXess" entwickelten und in der europäischen Patentanmeldung EP-A-0 699 474 beschriebenen flächenartigen Formteil bestehen.Hydrostatic sensors, radar sensors or optical sensors are complex and expensive and are therefore not suitable for areas of application which are exposed to high cost pressures, as is the case, for example, in the motor vehicle industry. The inexpensive mechanical sensors in turn have the disadvantage that the movable mechanical components are susceptible to wear and can be damaged if subjected to excessive mechanical stress. Another disadvantage of mechanical level sensors is that they cannot be used if, for example, packing elements are to be installed in a container for flammable liquids to prevent fires or explosions. Such fillers can be obtained, for example, from a product developed by the applicant under the product name "eXess" and in the European patent application EP-A-0 699 474 described area-like molded part exist.

Es sind auch Füllstandssensoren bekannt, die mit kapazitiven Sensorelementen arbeiten. Bei derartigen kapazitiven Messverfahren wird die Kapazität eines aus Messelektroden gebildeten Kondensators als Maß für den Füllstand verwendet. Dabei nutzt man aus, dass sich die Kapazität des Kondensators bei einer Änderung des zwischen den Messelektroden befindlichen Dielektrikums ebenfalls ändert. So ergibt sich die Kapazität Cx eines Kondensators, der auf einer Teilstrecke der Länge Im seiner Längsausdehnung in eine Flüssigkeit mit der relativen Dielektrizitätskonstante εr eintaucht und auf der restlichen Teilstrecke Ig Luft als Dielektrikum (εr von Luft ≈ 1) besitzt als
Cx = kε0(Ig + Imεr).
wobei k eine Elektrodenkonstante, in die – z.B. im Fall eines Plattenkondensators – im wesentlichen die Breite und der Abstand der Kondensatorplatten eingehen, und eo die absolute Dielektrizitätskonstante sind.
Level sensors are also known which work with capacitive sensor elements. With such capacitive measuring methods, the capacitance of a capacitor formed from measuring electrodes is used as a measure of the fill level. This takes advantage of the fact that the capacitance of the capacitor also changes when the dielectric between the measuring electrodes changes. This results in the capacitance C x of a capacitor which is immersed in a liquid with the relative dielectric constant ε r over a section of its length I m and has air as a dielectric (ε r of air ≈ 1) on the remaining section I g
C x = kε 0 (I G + I m ε r ).
where k is an electrode constant into which - for example in the case of a plate capacitor - essentially the width and the spacing of the capacitor plates are included, and eo are the absolute dielectric constant.

Üblicherweise weisen kapazitive Füllstandssensoren wenigstens ein kapazitives Sensorelement auf, das aus einer Anregungselektrode und einer Sensorelektrode besteht. An die Anregungselektrode wird ein sinus- oder rechteckförmiges Spannungssignal gelegt. Als Empfänger fungiert ein Strom-Spannungsverstärker, beispielsweise ein Transimpedanzverstärker. Kapazitätsänderungen in dem kapazitiven Sensorelement eines Füllstandssensors werden häufig auch in einer Oszillatorschaltung durch Messung der von der Kapazität des Sensorelements abhängigen Schwingungsfrequenz ermittelt werden.Usually have capacitive level sensors at least one capacitive sensor element, which consists of an excitation electrode and a sensor electrode. At the excitation electrode a sinusoidal or rectangular Voltage signal applied. As receiver acts a current-voltage amplifier, for example a transimpedance amplifier. capacity changes are often also in the capacitive sensor element of a level sensor in an oscillator circuit by measuring the capacitance of the sensor element dependent Vibration frequency can be determined.

Problematisch für die Messgenauigkeit der bekannten kapazitiven Füllstandssensoren sind insbesondere parasitäre Kapazitäten, wie sie an den Leitungen zu den Elektroden auftreten oder auch Streukapazitäten, wie sie bei Verwendung von mehreren kapazitiven Sensorelementen, beispielsweise durch benachbarte elektronische Bauelemente entstehen. Daher sind herkömmliche Füllstandssensoren meist mit zusätzlichen Schirmelektroden versehen und weisen aufwändige in Analogtechnik ausgeführte Kompensations- und Auswerteschaltungen auf. Aus diesen Gründen sind kapazitive Füllstandssensoren beispielsweise im Automobilbereich preislich noch nicht mit den weit verbreiteten mechanischen Sensoren konkurrenzfähig.Problematic for the measurement accuracy of the known capacitive level sensors are particularly parasitic Capacities, how they occur on the lines to the electrodes or stray capacities, such as by using several capacitive sensor elements, for example by Adjacent electronic components are created. Therefore, are conventional level sensors mostly with additional ones Provide shield electrodes and have elaborate compensation technology implemented in analog technology and evaluation circuits. For these reasons, capacitive level sensors are in the automotive sector, for example, not yet with the price widely used mechanical sensors competitive.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher das technische Problem zu Grunde, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Füllstandsmessung und einen entsprechenden, kostengünstigen Füllstandssensor bereitzustellen, dessen Auslegung leicht an die speziellen Erfordernisse unterschiedlichster Anwendungsbereiche angepasst werden kann.The present invention is therefore based on the technical problem, a simple and inexpensive method for level measurement and to provide a corresponding, cost-effective fill level sensor, the design of which can easily be adapted to the special requirements of a wide variety of application areas.

Gelöst wird dieses Problem durch das Verfahren zur Messung des Füllstandes eines Fluids in einem Behälter gemäß vorliegendem Anspruch 1 und den Füllstandssensor gemäß vorliegendem Anspruch 7. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This problem is solved by the procedure for measuring the level of a fluid in a container according to the present Claim 1 and the level sensor according to the present Claim 7. Advantageous developments of the invention are the subject the dependent Expectations.

Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Verfahren zur Messung des Füllstandes eines Fluids in einem Behälter, wobei man wenigstens ein kapazitives Sensorelement, das eine Messelektrode und eine Gegenelektrode umfasst, periodisch mit einer konstanten Spannung auflädt und wieder entlädt und man dabei den mittleren Ladestrom misst. Aus dem gemessenen mittleren Ladestrom lässt sich der Füllstand des Fluids in dem Behälter bestimmen. Dabei macht man sich zu Nutze, dass beim pulsförmigem Anlegen einer Gleichspannung Ug an einen entladenen Kondensator der Kapazität Cx zunächst ein hoher Ladestrom fließt, der dann exponentiell gegen Null abnimmt. Für den mittleren Ladestrom IM, den man beispielsweise über eine Tiefpassschaltung in der Zuleitung zu der Messelektrode durch Messung des Spannungsabfalls an einem geeigneten Messwiderstand abgreifen kann, gilt nämlich die Beziehung:
IM = Cx UgN,
wobei N die Zahl der Ladezyklen pro Zeiteinheit ist.
The invention accordingly relates to a method for measuring the fill level of a fluid in a container, wherein at least one capacitive sensor element, which comprises a measuring electrode and a counter electrode, is periodically charged and discharged again with a constant voltage, and the mean charging current is measured in the process. The level of the fluid in the container can be determined from the measured average charging current. This makes use of the fact that when a DC voltage U g is applied in a pulsed manner to a discharged capacitor of capacitance C x , a high charging current initially flows, which then decreases exponentially towards zero. The relationship applies to the average charging current I M , which can be tapped, for example, via a low-pass circuit in the supply line to the measuring electrode by measuring the voltage drop across a suitable measuring resistor.
I M = C x U G N,
where N is the number of charge cycles per unit of time.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Füllstandssensor mit einer Gleichspannungsquelle, wenigstens einem kapazitiven Sensorelement, das eine Messelektrode und eine Gegenelektrode aufweist, einem Schalter, der periodisch zwischen einer ersten Stellung zum Aufladen der Messelektrode und einer zweiten Stellung zum Entladen der Messelektrode schaltbar ist und Mitteln zur Messung des zwischen der Gleichstromquelle und der Messelektrode fließenden mittleren Ladestroms.The subject of the invention is furthermore a level sensor with a DC voltage source, at least one capacitive sensor element, which has a measuring electrode and a counter electrode, a switch, which periodically between a first position for charging the measuring electrode and a second position for discharging the measuring electrode is and means for measuring the between the DC power source and the measuring electrode flowing medium charging current.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung weisen zahlreiche Vorteile auf. So ist das kapazitive Sensorelement des erfindungsgemäßen Füllstandssensors besonders einfach aufgebaut. Anstelle einer Anregungselektrode und einer Sensorelektrode weist das kapazitive Sensorelement lediglich eine Messelektrode auf, die mit einer einfachen, vorteilhaft auf Masse liegenden Gegenelektrode zusammenwirkt. Von und zu dem kapazitiven Sensorelement werden lediglich digitale Signale zum Schalten des Sensorelements übertragen. Die eigentliche Messgröße in der Zuleitung zu der Messelektrode ist der niederfrequente Ladestrom, dessen Mittelwert ausgewertet wird. Es sind daher keine aufwändigen Schirmelektroden oder komplexe Auswerteschaltungen zur Kompensation von parasitären Kapazitäten notwendig. Der erfindungsgemäße Füllstandssensor lässt sich überwiegend mit digitalen Komponenten realisieren, so dass die bisher bei kapazitiven Messverfahren übliche und relativ teure Analogelektronik vermieden werden kann. Der erfindungsgemäße Füllstandssensor ist darüber hinaus einfach herstellbar. Es kann nämlich auf kostengünstige Prozesse aus der Elektronikindustrie, beispielsweise der Herstellung von Leiterplatten, der Bestückung und dem Austesten der Schaltungen zurückgegriffen werden.The method according to the invention and the device according to the invention have numerous advantages. So is the capacitive sensor element of the level sensor according to the invention particularly easy to set up. Instead of an excitation electrode and the capacitive sensor element merely has a sensor electrode a measuring electrode with a simple, advantageous on Ground counter electrode cooperates. From and to the capacitive Sensor element are only digital signals for switching the Transfer sensor element. The actual measurand in the The lead to the measuring electrode is the low-frequency charging current, whose mean is evaluated. There are therefore no complex shield electrodes or complex evaluation circuits to compensate for parasitic capacitances. The fill level sensor according to the invention can be predominantly with digital components, so that the previously used capacitive Measurement methods usual and relatively expensive analog electronics can be avoided. The fill level sensor according to the invention is about it easy to manufacture. Namely, it can be based on inexpensive processes from the electronics industry, for example the production of PCB, the assembly and testing the circuits.

Vorteilhaft lädt und entlädt man den kapazitiven Sensor über einen elektronischen Schalter.The capacitive sensor is advantageously charged and discharged via one electronic switch.

Besonders vorteilhaft wird der elektronische Schalter mit einer definierten Frequenz geschaltet, so dass gemäß obiger Gleichung der mittlere Ladestrom IM direkt proportional zu der gesuchten Kapazität Cx des Sensorelementes ist.The electronic switch is particularly advantageously switched at a defined frequency, so that, according to the above equation, the average charging current I M is directly proportional to the sought capacitance C x of the sensor element.

Der elektronische Schalter kann diskret beispielsweise mit FET-Transistoren realisiert werden oder als Analogschalter ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft ist der elektronische Schalter jedoch als taktbares Logikgatter ausgebildet, wobei man das Logikgatter besonders bevorzugt in CMOS-Technologie ausführt, da der Ruhestrom eines solchen CMOS-Gatters gering und verglichen mit dem zu messenden mittleren Ladestrom vernachlässigbar ist.The electronic switch can be discreet for example, can be realized with FET transistors or as an analog switch be trained. The electronic switch is particularly advantageous however designed as a clockable logic gate, wherein the logic gate executes particularly preferably in CMOS technology, since the quiescent current is one such CMOS gate low and compared to that to be measured average charging current is negligible.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden mehrere kapazitive Sensorelemente verwendet, wobei insbesondere mehrere sequentiell ansteuerbare kapazitive Sensorelemente vorgesehen sind. Der erfindungsgemäße Füllstandssensor ist demnach segmentierbar, wobei die Messstrecke aus einem Segment bestehen oder aus zahlreichen Segmenten zusammengesetzt sein kann. Es ist dabei möglich, Messstrecken von mehreren Metern aus einzelnen Segmenten zusammenzusetzen, ohne dass die bei bekannten Füllstandssensoren notwendigen aufwändigen Schirmmaßnahmen erforderlich wären. Durch die Verwendung von mehreren kapazitiven Sensorelementen lässt sich die Messgenauigkeit des erfindungsgemäßen Füllstandssensors auch einfach skalieren. Eine gegebene Messstrecke kann zur Erhöhung der Genauigkeit in einzelne kurze Segmente unterteilt werden. Die Genauigkeit erhöht sich demnach proportional zu der Anzahl der Segmente. Es ist außerdem möglich, beispielsweise die Messelektrode als längliches Elektrodenelement auszuführen. Je nach Winkel des Elektrodenelements zur Oberfläche des zu messenden Fluids lässt sich die Messgenauigkeit dann ebenfalls beeinflussen. Segmentierte Füllstandssensoren eignen sich ganz besonders, wenn Füllstände von mehrphasigen Flüssigkeiten überwacht werden müssen. Ein segmentierter Füllstandssensor ermöglicht auch eine besonders einfache Kalibrierung beim Übergang der Flüssigkeitsoberfläche oder -grenzfläche von einem Segment zum folgenden Segment.According to a particularly preferred embodiment several capacitive sensor elements are used in the invention, in particular several sequentially controllable capacitive sensor elements are provided. The level sensor according to the invention is accordingly segmentable, the measuring section consisting of one segment or can be composed of numerous segments. It is possible Assemble measuring sections of several meters from individual segments, without the known level sensors necessary elaborate Screening measures required would. By using several capacitive sensor elements, the measurement accuracy of the level sensor according to the invention is also simple scale. A given measuring section can be used to increase the Accuracy can be divided into short individual segments. The precision elevated accordingly proportional to the number of segments. It is also possible, for example the Measuring electrode as an elongated Execute electrode element. Depending on the angle of the electrode element to the surface of the fluid to be measured let yourself then also influence the measurement accuracy. Segmented level sensors are particularly suitable when monitoring the levels of multiphase liquids Need to become. On segmented level sensor allows also a particularly simple calibration at the transition of the liquid surface or -interface of one segment to the next segment.

Werden mehrere Sensorelemente verwendet, so ist bevorzugt jedem Sensorelement ein Schalter zugeordnet, wobei die Schalter besonders vorteilhaft über eine gemeinsame Taktleitung sequentiell schaltbar sind.If several sensor elements are used, a switch is preferably assigned to each sensor element, wherein the switches are particularly advantageous via a common clock line are sequentially switchable.

Bei der Verwendung mehrerer Sensorelemente ist außerdem bevorzugt, dass die Sensorelemente eine gemeinsame, auf Masse liegende Gegenelektrode aufweisen, so dass sich der Herstellungsaufwand weiter verringert.When using multiple sensor elements is also preferred that the sensor elements have a common, grounded Have counterelectrode, so that the manufacturing costs continue reduced.

Der erfindungsgemäße Füllstandssensor lässt sich nicht nur auf einem starren Träger, beispielsweise einer Platine realisieren, sondern besonders vorteilhaft ist der Sensor, beispielsweise als gedruckte Schaltung, auf einem flexiblen oder semiflexiblen Träger ausgebildet. So kann z.B. eine Folie als Trägermaterial verwendet werden. Damit kann der Flüssigkeitssensor auch einfach auf gekrümmte Flächen montiert werden, wie sie häufig beispielsweise bei Tankbehältern vorkommen. Bei der Herstellung können die Leiterstrukturen beispielsweise auf Endlosfolie gedruckt und die elektronischen Bauelemente beispielsweise mittels Klebetechnik aufgebracht werden. Die Folien können anschließend auf die benötigte Länge geschnitten und konfektioniert werden.The level sensor according to the invention can be not just on a rigid support, for example a circuit board, but particularly advantageous is the sensor, for example as a printed circuit, on a flexible or semi-flexible carrier educated. For example, a film can be used as a carrier material. So that the liquid sensor also simply curved surfaces can be assembled as often for example with tank containers occurrence. In the manufacture can the conductor structures, for example, printed on continuous film and the electronic components, for example by means of adhesive technology be applied. The slides can subsequently to the required Cut length and made up.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf in den beigefügten Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele näher erläutert.The invention is described below Reference to in the attached Exemplary embodiments shown in the drawings explained in more detail.

In der Zeichnung zeigen:The drawing shows:

1 eine schematische Darstellung des dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen Füllstandssensor zugrundeliegende Messprinzip; 1 a schematic representation of the measuring principle on which the method according to the invention and the level sensor according to the invention are based;

2 eine schematische Darstellung der Abhängigkeit einer Kondensatorkapazität vom Füllstand eines Fluids; 2 a schematic representation of the dependence of a capacitor capacity on the level of a fluid;

3 eine Schaltskizze, welche die Auslegung des Schalters der 1 als elektronisches Logikgatter zeigt; 3 a circuit diagram, which the interpretation of the switch of the 1 shows as electronic logic gate;

4 ein schematisches Gesamtschaltbild eines aus vier kapazitiven Sensorelementen bestehenden Füllstandssensors; und 4 a schematic overall circuit diagram of a level sensor consisting of four capacitive sensor elements; and

5 eine Aufsicht auf einen streifenförmigen Füllstandssensor mit vier kapazitiven Sensorelementen. 5 a top view of a strip-shaped level sensor with four capacitive sensor elements.

In 1 ist eine Prinzipskizze der Schaltung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Füllstandssensors 10 dargestellt. Der Füllstandssensor 10 weist eine Gleichspannungsquelle 11 auf, deren Ausgangsspannung Ug, die typischerweise zwischen 3 und 15 Volt liegt, über einen Schalter 12 an eine Messelektrode 13 eines kapazitiven Sensorelementes 14 angelegt werden kann. Das Sensorelement 14 weist ferner eine einfache, auf Massepotential liegende Gegenelektrode 15 auf. Der Schalter 12 besitzt zwei Positionen, wobei in der in 1 dargestellten Position das kapazitive Sensorelement 14 aufgeladen wird. In der zweiten (nicht dargestellten) Position liegt die Messelektrode 13 ebenfalls auf Masse 16 und wird folglich entladen. Symbolisch ist in dem Einschub 17 angedeutet, dass der Schalter 12 periodisch zwischen den beiden Positionen hin- und hergeschaltet wird, so dass die Gleichspannung Ug in Form von Rechteckimpulsen an der Messelektrode 13 anliegt. Über eine Strommesseinrichtung 18 wird in der Zuleitung 19, die von der Spannungsquelle 11 zu der Messelektrode 13 führt, der mittlere Ladestrom Im gemessen. Der mittlere Ladestrom Im, ist, wie einleitend bereits dargestellt wurde, bei konstanter Spannung Ug und vorgegebener Anzahl N der Ladezyklen pro Zeiteinheit direkt zur Kapazität Cx des kapazitiven Sensorelementes 14 proportional. Die Abhängigkeit der Kapazität vom Füllstand wird im Folgenden erläutert.In 1 is a schematic diagram of the circuit of a preferred embodiment of the level sensor according to the invention 10 shown. The level sensor 10 has a DC voltage source 11 on, the output voltage U g , which is typically between 3 and 15 volts, via a switch 12 to a measuring electrode 13 a capacitive sensor element 14 can be created. The sensor element 14 also has a simple counter electrode which is at ground potential 15 on. The desk 12 has two positions, in which in 1 position shown the capacitive sensor element 14 is charged. The measuring electrode is in the second (not shown) position 13 also on ground 16 and is therefore discharged. Is symbolic in the insert 17 hinted that the switch 12 is periodically switched back and forth between the two positions, so that the DC voltage U g in the form of rectangular pulses on the measuring electrode 13 is applied. Via a current measuring device 18 is in the supply line 19 by the voltage source 11 to the measuring electrode 13 leads, the average charging current I m measured. The average charging current I m is, as already explained in the introduction, at a constant voltage U g and a predetermined number N of charging cycles per unit of time directly to the capacitance C x of the capacitive sensor element 14 proportional. The dependence of the capacity on the fill level is explained below.

In 2 ist schematisch eine Situation dargestellt, bei der das kapazitive Sensorelement 14 teilweise in eine Flüssigkeit 20 mit einer relativen Dielektrizitätskonstante εr > 1 eingetaucht ist. Zwischen der Messelektrode 13 und der Gegenelektrode 15 befindet sich also auf einer Teilstrecke Im der Kondensatorlänge ein flüssiges Dielektrikum 20 mit εr > 1, während sich auf der restlichen Teilstrecke Ig ein gasförmiges Dielektrikum 21 (Luft) mit einer relativen Dielektrizitätskonstante εr ≈ 1 zwischen den Elektrodenplatten 13, 15 befindet. Die Gesamtkapazität Cx des kapazitiven Sensorelements 14 ergibt sich demnach als Parallelschaltung der beiden resultierenden Teilkapazitäten wie folgt: Cx = kε0(Ig + Imεr). In 2 schematically shows a situation in which the capacitive sensor element 14 partially in a liquid 20 is immersed with a relative dielectric constant ε r > 1. Between the measuring electrode 13 and the counter electrode 15 there is therefore a liquid dielectric on a section I m of the capacitor length 20 with ε r > 1, while there is a gaseous dielectric on the remaining section I g 21 (Air) with a relative dielectric constant ε r ≈ 1 between the electrode plates 13 . 15 located. The total capacitance C x of the capacitive sensor element 14 This results in a parallel connection of the two resulting partial capacities as follows: C x = kε 0 (I G + I m ε r ).

Kennt man die Gesamtmessstrecke 1 kann man durch Bestimmung der Kondensatorkapazität Cx und über die Relation Ig = I– Im den Füllstand aus der Bestimmung von Im ermitteln. Die Kapazität wiederum lässt sich aus dem mittleren Ladestrom bestimmen. Abhängig von der Kapazität Cx fließt nämlich in einer von der Frequenz (Anzahl N der Ladezyklen pro Zeiteinheit) vorgegebenen Zeit mehr oder weniger Ladung auf die Elektroden. Dieser Ladungstransport entspricht einem Ladestrom, dessen Mittelwert proportional zur Kapazität ist. Der Ladestrom selbst besitzt für jeden Spannungspuls eine exponentiell abfallende Charakteristik. Daher wird man vorteilhaft in dem Strommessgerät 18 (1) beispielsweise über einen Tiefpass erster Ordnung eine Glättung des Stromverlaufs vornehmen, wie im Folgenden unter Bezugnahme auf die in 3 dargestellten Schaltung noch detaillierter erläutert wird.Do you know the total measuring distance 1 the level can be determined from the determination of I m by determining the capacitor capacitance C x and using the relation I g = I - I m . The capacity in turn can be determined from the average charging current. Depending on the capacitance C x , more or less charge flows to the electrodes in a time predetermined by the frequency (number N of charging cycles per unit time). This charge transport corresponds to a charge current, the mean value of which is proportional to the capacity. The charging current itself has an exponentially falling characteristic for each voltage pulse. Therefore one becomes advantageous in the ammeter 18 ( 1 ), for example, smooth the current profile using a first-order low-pass filter, as described below with reference to the in 3 circuit shown is explained in more detail.

3 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform des Schalters 12, der im dargestellten Beispiel als CMOS-Logikgatter 22 ausgebildet ist. 3 zeigt dabei ein NAND-Gatter, wobei es für das Ladeprinzip des Kondensators gleichgültig ist, welcher Logiktyp (AND, NOR, NAND, NOR, usw.) verwendet wird. Das CMOS-Gatter 22 ist aus p-Kanal-MOSFETs 23 und n-Kanal-MOSFETs 24 aufgebaut. Die beiden Eingänge 25, 26 des Gatters werden von einem (nicht dargestellten) Mikroprozessor mit einer Frequenz CLK1 von 300 kHz beziehungsweise einer Frequenz CLK2 von 100 Hz angesteuert. Entsprechend der Wahrheitstabelle des NAND-Gatters findet man, dass dann, wenn der Eingang 26 gleich „0" (d.h. LOW) ist, das am Anschluss 27 anliegende Gleichspannungssignal mit der am Anschluss 25 anliegenden Taktfrequenz CLK, an dem zu dem kapazitiven Sensor 14 führenden Ausgang 28 erscheint. In den Intervallen, in welchen der Ausgang 28 mit dem durch den Eingang 25 vorgegebenen Takt auf „0" (LOW) liegt, ziehen die n-Kanal-MOSFETs den Ausgang 28 gegen die am Anschluss 29 liegende Masse 16 und das kapazitive Sensorelement 14 wird entladen. Der beim Aufladen des Sensorelements 14 fließende Ladestrom kann als über einem Messwiderstand 30 erzeugter Spannungsabfall abgegriffen und mittels eines (nicht dargestellten) Analog/Digital-Wandlers für die weitere Datenverarbeitung digitalisiert werden. Zur Glättung des Ladestroms während eines am Sensorelement 14 anliegenden Rechteckspannungsimpulses, weist der Strommesser 18 vorteilhaft auch einen geeignet dimensionierten Kondensator 31 auf, so dass ein Tiefpass 1. Ordnung gebildet wird und am Widerstand 30 im wesentlichen die niederfrequente Stromkomponente detektiert wird. 3 shows schematically a preferred embodiment of the switch 12 , which in the example shown as a CMOS logic gate 22 is trained. 3 shows a NAND gate, it is irrelevant for the charging principle of the capacitor, which logic type (AND, NOR, NAND, NOR, etc.) is used. The CMOS gate 22 is made up of p-channel MOSFETs 23 and n-channel MOSFETs 24 builds. The two entrances 25 . 26 of the gate are controlled by a (not shown) microprocessor with a frequency CLK 1 of 300 kHz or a frequency CLK 2 of 100 Hz. According to the truth table of the NAND gate one finds that when the input 26 is equal to "0" (ie LOW), that at the connection 27 DC voltage signal present with that at the connection 25 clock frequency CLK applied to the capacitive sensor 14 leading exit 28 appears. In the intervals in which the exit 28 with that through the entrance 25 predetermined clock is at "0" (LOW), the n-channel MOSFETs pull the output 28 against those at the connection 29 lying mass 16 and the capacitive sensor element 14 will be unloaded. The one when charging the sensor element 14 flowing charging current can than over a measuring resistor 30 generated voltage drop are tapped and digitized by means of an (not shown) analog / digital converter for further data processing. For smoothing the charging current while on the sensor element 14 applied rectangular voltage pulse, has the ammeter 18 advantageously also a suitably dimensioned capacitor 31 on so that a low pass 1 , Order is formed and on resistance 30 essentially the low-frequency current component is detected.

4 zeigt nun eine Schaltung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Füllstandssensors. Bauelemente, die den im Zusammenhang mit der Ausführungsform der 1 bis 3 beschriebenen Bauelementen entsprechen oder eine vergleichbare Funktion erfüllen, werden dabei mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. Der Füllstandssensor 10 der 4 weist eine Messstrecke auf, die durch vier parallel geschaltete kapazitive Sensorelemente 14a14d gebildet wird. Jedem Sensorelement 14a14d ist ein als CMOS-Logikgatter ausgebildeter Schalter 12a12d zugeordnet, der wiederum über einen (nicht dargestellten) Mikroprozessor getaktet wird. Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform wurde eine Schaltung verwirklicht, bei der lediglich eine einzige Steuerleitung 32 zur sequentiellen Ansteuerung der kapazitiven Sensorelemente 14a14d benötigt wird. Dazu wird vor jeden Eingang des Logikgatters 12a12d ein D-Flip-Flop 33a33d geschaltet, dessen Q-Ausgang 34a – 34d das Eingangssignal sowohl für das als NAND-Gatter ausgebildete Logikgatter 12a12d als auch für den D-Eingang des nächsten D-Flip-Flops bildet. Im dargestellten Beispiel werden die „Clock-Eingänge" der Flip-Flops 33a33d von der Steuerleitung 32 mit einer Frequenz CLK2 von 100 Hz angesteuert. Wird an den Eingang des ersten Flip-Flops 33a ein Signal angelegt, so wird mit der ersten signifikanten Flanke des 100 Hz-Taktes der Q-Ausgang „0" (LOW) und das erste NAND-Gatter 12a für den über die Leitung 35 zugeleiteten Messtakt CLK1, der hier wieder eine Frequenz von 300 kHz besitzt, transparent. Gleichzeitig liegt am zweiten Flip-Flop 33b ein HIGH-Signal an. Bei der nächsten signifikanten Flanke übernimmt das zweite Flip-Flop 33b das LOW-Signal des ersten Flip-Flops 33a während gleichzeitig am Eingang des ersten Flip-Flops 33a wieder ein HIGH-Signal anliegt und dieses Flip-Flop und das NAND-Gatter 12a mit einem HIGH-Signal am Ausgang wieder sperrt. Auf diese Art und Weise kann das LOW-Signal durch beliebig viele Flip-Flops weitergereicht werden, so dass mit einer Steuerleitung beliebig viele kapazitive Sensorelemente 14 angesteuert werden können. 4 now shows a circuit of a further embodiment of the level sensor according to the invention. Components that in connection with the embodiment of the 1 to 3 described components correspond or perform a comparable function, are designated by the same reference numerals. The level sensor 10 the 4 has a measuring section which is made up of four capacitive sensor elements connected in parallel 14a - 14d is formed. Every sensor element 14a - 14d is a switch designed as a CMOS logic gate 12a - 12d assigned, which in turn is clocked via a (not shown) microprocessor. At the in 4 shown embodiment, a circuit was realized in which only a single control line 32 for sequential control of the capacitive sensor elements 14a - 14d is needed. This is done before each input of the logic gate 12a - 12d a D flip-flop 33a - 33d switched whose Q output 34a - 34d the input signal for both the logic gate designed as a NAND gate 12a - 12d as well as for the D input of the next D flip-flop. In the example shown, the "clock inputs" of the flip-flops 33a - 33d from the control line 32 controlled with a frequency CLK 2 of 100 Hz. Is at the input of the first flip-flop 33a If a signal is applied, the first significant flank of the 100 Hz clock is used Q -Output "0" (LOW) and the first NAND gate 12a for the over the line 35 supplied measuring clock CLK 1 , which again has a frequency of 300 kHz, transparent. At the same time is due to the second flip-flop 33b a HIGH signal. The second flip-flop takes over on the next significant edge 33b the LOW signal of the first flip-flop 33a while at the same time at the input of the first flip-flop 33a there is again a HIGH signal and this flip-flop and the NAND gate 12a blocks again with a HIGH signal at the output. In this way, the LOW signal can be passed on by any number of flip-flops, so that any number of capacitive sensor elements with a control line 14 can be controlled.

Der in 4 dargestellte Füllstandssensor 10 wird außerdem über einen dritte, vorteilhaft ebenfalls durch einen Mikroprozessor über eine Leitung 36 bereitgestellten Takt CLK3 gesteuert. Das dritte Taktsignal stellt das Startsignal für die erste Elektrode dar und ist abhängig von der Gesamtzahl der kapazitiven Messelemente. Wenn der Messtakt beim letzten Flip-Flop (34d in 4) angekommen ist, muss für die erste signifikante Flanke am ersten Flip-Flop (34a) wieder ein neues Signal anliegen. Somit ergibt sich die dritte Taktfrequenz CLK3 im Wesentlichen aus der zweiten Taktfrequenz dividiert durch die Anzahl der kapazitiven Sensorelemente, was im dargestellten Beispiel zu einer dritten Taktfrequenz von 25 Hz führt.The in 4 level sensor shown 10 is also via a third, advantageously also by a microprocessor via a line 36 provided clock CLK 3 controlled. The third clock signal represents the start signal for the first electrode and is dependent on the total number of capacitive measuring elements. If the measuring pulse at the last flip-flop ( 34d in 4 ) has arrived, for the first significant edge on the first flip-flop ( 34a ) there is a new signal. The third clock frequency CLK 3 thus essentially results from the second clock frequency divided by the number of capacitive sensor elements, which in the example shown leads to a third clock frequency of 25 Hz.

Neben den drei Taktleitungen 32, 35 und 36 werden unabhängig von der Anzahl der kapazitiven Sensorelemente 14 lediglich noch die zur Spannungsquelle 11 führende Leitung 19 und eine Rückleitung 37 zur Erdung der Gegenelektroden der kapazitiven Sensorelemente 14a14d benötigt.In addition to the three clock lines 32 . 35 and 36 become independent of the number of capacitive sensor elements 14 only that to the voltage source 11 leading management 19 and a return line 37 for grounding the counter electrodes of the capacitive sensor elements 14a - 14d needed.

Die Wahl der drei Taktfrequenzen CLK1, CLK2 und CLK3 ist insbesondere abhängig von den zu messenden Kapazitätsbereichen, der Anzahl der kapazitiven Sensorelemente und anderen Randbedingungen wie der gewünschten Messgenauigkeit. Abhängig von der Elektrodengeometrie und der relativen Dielektrizitätskonstante des zu untersuchenden Fluids kann beispielsweise die Messfrequenzen CLK1 in einem weiten Bereich, beispielsweise zwischen einigen kHz bis zu einigen MHz gewählt werden. Der optimale Wert der zweiten Taktfrequenz CLK2 zum Weiterschalten des Impulses von einem Flip-Flop zum nächsten ist abhängig vom Einschwingvorgang des Ladestroms am Messwiderstand 30 und kann beispielsweise zwischen einigen Hz und einigen kHz liegen.The choice of the three clock frequencies CLK 1 , CLK 2 and CLK 3 depends in particular on the capacitance ranges to be measured, the number of capacitive sensor elements and other boundary conditions such as the desired measurement accuracy. Depending on the electrode geometry and the relative dielectric constant of the fluid to be examined, the measuring frequencies CLK 1 can be chosen in a wide range, for example between a few kHz and a few MHz. The optimal value of the second clock frequency CLK 2 for switching the pulse from one flip-flop to the next depends on the transient response of the charging current at the measuring resistor 30 and can be, for example, between a few Hz and a few kHz.

In 5 ist schließlich eine Aufsicht auf einen streifenförmigen erfindungsgemäßen Füllstandssensor 10 dargestellt, der entsprechend der Schaltskizze der 4 vier kapazitive Sensorelemente 14a14d aufweist. Jedes Sensorelement weist eine längliche Messelektrode 13a13d auf, die jeweils durch nichtleitende Bereiche 38a38d von einer gemeinsamen Gegenelektrode 15 getrennt sind. Die Elektroden sind auf einen Träger, beispielsweise eine flexible Folie 39 aufgedruckt und mittels Durchkontaktierungen 40a40d mit (nicht dargestellten) Leitungen auf der Rückseite des Trägers verbunden. Auf der Rückseite des Trägers sind ferner die entsprechenden (in der Darstellung der 5 ebenfalls nicht erkennbaren) Bauelemente, die jedem kapazitiven Sensorelement 14a14d zugeordnet sind, also insbesondere die CMOS-Logikgatter und die entsprechenden Flip-Flops, aufgeklebt. Im oberen Bereich des Füllstandssensors sind Anschlusspins 41 für die Verbindung mit einem Mikroprozessor angeordnet.In 5 is finally a top view of a strip-shaped fill level sensor according to the invention 10 shown, which corresponds to the circuit diagram of the 4 four capacitive sensor elements 14a - 14d having. Each sensor element has an elongated measuring electrode 13a - 13d on, each by non-conductive areas 38a - 38d from a common counter electrode 15 are separated. The electrodes are on a carrier, for example a flexible film 39 printed and by means of vias 40a - 40d connected to lines (not shown) on the back of the carrier. On the back of the carrier are also the corresponding (in the representation of 5 also not recognizable) components that each capacitive sensor element 14a - 14d are assigned, in particular the CMOS logic gates and the corresponding flip-flops. There are connection pins in the upper area of the level sensor 41 arranged for connection to a microprocessor.

Claims (12)

Verfahren zur Messung des Füllstandes eines Fluids in einem Behälter, wobei man wenigstens ein kapazitives Sensorelement, das eine Messelektrode und eine Gegenelektrode umfasst, periodisch mit einer konstanten Spannung auflädt und wieder entlädt, den mittleren Ladestrom misst und aus dem gemessenen mittleren Ladestrom den Füllstand des Fluids in dem Behälter bestimmt.Method for measuring the level of a fluid in a Container, being one at least one capacitive sensor element, which is a measuring electrode and comprises a counter electrode, periodically with a constant one Tension charges and unloaded again the measures the average charging current and from the measured mean Charging current the level of the fluid in the container certainly. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den kapazitiven Sensor über einen elektronischen Schalter auflädt und entlädt.Method according to claim 1, characterized in that the capacitive sensor via a electronic switch charges and unloads. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man den elektronischen Schalter mit einer definierten Frequenz schaltet.Method according to claim 2, characterized in that one with the electronic switch a defined frequency switches. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man mehrere kapazitiven Sensorelemente verwendet.Procedure according to a of claims 1 to 3, characterized in that one has several capacitive sensor elements used. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass man die kapazitiven Sensorelemente sequentiell ansteuert.Method according to claim 4, characterized in that the capacitive sensor elements sequentially controlled. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass man die kapazitiven Sensorelemente über eine gemeinsame Taktleitung ansteuert.Method according to claim 5, characterized in that the capacitive sensor elements over a drives common clock line. Füllstandssensor mit einer Gleichspannungsquelle (11), wenigstens einem kapazitiven Sensorelement (14), das eine Messelektrode (13) und eine Gegenelektrode (15) aufweist, einem elektronischen Schalter (12), der periodisch zwischen einer ersten Stellung zum Aufladen der Messelektrode (13) und einer zweiten Stellung zum Entladen der Messelektrode (13) schaltbar ist, und Mitteln (18) zur Messung des zwischen der Gleichspannungsquelle (11) und der Messelektrode (13) fließenden mittleren Ladestroms.Level sensor with a DC voltage source ( 11 ), at least one capacitive sensor element ( 14 ), which is a measuring electrode ( 13 ) and a counter electrode ( 15 ), an electronic switch ( 12 ), which periodically between a first position for charging the measuring electrode ( 13 ) and a second position for discharging the measuring electrode ( 13 ) is switchable, and means ( 18 ) for measuring the between the DC voltage source ( 11 ) and the measuring electrode ( 13 ) flowing average charging current. Füllstandssensor gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Schalter (12) als taktbares Logikgatter (22) ausgebildet ist.Level sensor according to claim 7, characterized in that the electronic switch ( 12 ) as a tactable logic gate ( 22 ) is trained. Füllstandssensor gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere sequentiell ansteuerbare kapazitive Sensorelemente (14a14d) vorgesehen sind.Level sensor according to one of claims 7 or 8, characterized in that a plurality of sequentially controllable capacitive sensor elements ( 14a - 14d ) are provided. Füllstandssensor gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Sensorelement (14a14d) ein Schalter (12a12d) zugeordnet ist, wobei die Schalter (12a12d) über eine gemeinsame Taktleitung (32) sequentiell schaltbar sind.Level sensor according to claim 9, characterized in that each sensor element ( 14a - 14d ) a switch ( 12a - 12d ) is assigned, the switches ( 12a - 12d ) via a common clock line ( 32 ) can be switched sequentially. Füllstandssensor gemäß einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (14a14d) eine gemeinsame Gegenelektrode (15) aufweisen.Level sensor according to one of claims 9 to 10, characterized in that the sensor elements ( 14a - 14d ) a common counter electrode ( 15 ) exhibit. Füllstandssensor gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor als gedruckte Schaltung auf einem flexiblen Träger (39) ausgebildet ist.Level sensor according to one of claims 7 to 11, characterized in that the sensor as a printed circuit on a flexible carrier ( 39 ) is trained.
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