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
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
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
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:
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.
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:
In
In
Kennt man die Gesamtmessstrecke
Der in
Neben den drei Taktleitungen
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
In
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