-
Stand der
Technik
-
Die Messung der Füllhöhe von Flüssigkeiten mit Hilfe von kapazitiven
Strukturen ist grundsätzlich dem
Problem der Abhängigkeit
der Messung von der relativen Dielektrizitätszahl unterworfen. Die Messgröße für den Fall
von kapazitiven Strukturen, die im Folgenden auch als Füllstandskapazität bezeichnet wird
und dem ermittelten Füllstand
proportional ist, ist damit proportional zur Permittivität des Mediums. Dies
führt bei
unbekannter oder bei stark veränderlicher
Permittivität
des Mediums bzw. der Flüssigkeit zu
fehlerhaften Messergebnissen.
-
Vorteile der
Erfindung
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren
mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil,
dass eine Referenzkapazität
verwendet wird, deren Geometrie bekannt ist und welche immer vollständig von
Flüssigkeit
bzw. von dem Medium umgeben ist. Die so gewonnene Aussage über die
relative Permittivität εr macht
ein Herausrechnen dieser relativen Permittivität aus der Messung der Füllstandskapazität möglich. Dieses
Herausrechnen wird aus Flächengründen und
somit aus Kostengründen
meist außerhalb
des kapazitätsauswertenden
ASICs (Application Specific Integrated Circuit) durchgeführt. Die
zu lösende
erste Gleichung hat dabei folgende Form: h =
(a·CFS – b)/(c·CREF – d)
-
Hierbei bezeichnen a, b, c, d Konstanten,
die von der absoluten Dielektrizitätszahl und von der Geometrie
der Messkapazität
bzw. der Referenzkapazität
abhängen.
h bezeichnet die Füllhöhe bzw.
den Füllstand
der Flüssigkeit
bzw. des Mediums. CFS bezeichnet die Füllstandskapazität und CRE
F bezeichnet die
Referenzkapazität.
-
Eine Trennung der Berechnung der
Füllhöhe bzw.
des Füllstandes
h, welcher insbesondere getrennt von der unmittelbar an dem Sensor
bzw. an die Messkapazität
angrenzende Auswerteschaltung vorgenommen wird, hat den gravierenden
Nachteil, dass der Wert für
die Füllstandskapazität von der
unmittelbar mit dem Sensor verbundenen Auswerteelektronik zu der
außerhalb
gelegenen Berechnungseinheit zur Berechnung der Füllstandshöhe h übertragen
werden muss. Ein Problem kann dies deshalb sein, weil der Wertebereich
für den
Wert der Füllstandskapazität unter
Umständen
sehr groß ist. Wenn
beispielsweise die Füllstandskapazität sechs mal
größer ist
als die Referenzkapazität
und wenn der maximale Wertebereich zur Übertragung der Füllstandskapazität CFS zur digitalen Übertragung mit 10 Bit aufgelöst wird,
so blieben für
die Darstellung der Referenz weniger als 8 Bit. Die Darstellung
der Referenz sollte aber gerade sehr genau möglich sein. Ein weiteres grundsätzliches
Problem ergibt sich durch den meist existierenden, d.h. nicht verschwindenden, Leitwert
des Fluids bzw. der Flüssigkeit.
Manche Messprinzipien funktionieren nur für einen Leitwert, der verschwindet,
d.h. für
einen Leitwert, der gleich Null ist. Für hiervon abweichende größere Leitwerte des
Fluids bzw. der Flüssigkeit
werden die Messungen sehr ungenau bzw. versagen vollständig.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren
hat den Vorteil, mit einer exakt zu erfassenden Referenzkapazität und einer
Füllstandskapazität, welche
insbesondere einen größeren Wert
aufweist als die Referenzkapazität, dass
zunächst
die relative Permittivität
und dann auch die Füllhöhe der Flüssigkeit
absolut erfasst werden. Sowohl die Füllhöhe der Flüssigkeit als auch die relative
Dielektrizitätszahl
sollen sich ausschließlich auf
bekannte geometrische Konstanten beziehen, d.h. von diesen abhängen. Weiterhin
ist es erfindungsgemäß vorteilhaft
vorgesehen, die Auflösung der
Referenzkapazität
bzw. der Wertes der Referenzkapazität und die Auflösung des
Wertes der Füllstandskapazität bzw. des
Wertes der Höhe
des Füllstandes
nicht in dem Maße
wie oben beschrieben voneinander abhängig sind. In vorteilhafter
Weise erfolgt darüber
hinaus die Messung der Kapazitäten, d.h.
der Referenzkapazität
und der Füllstandskapazität, unabhängig vom
Leitwert der Flüssigkeit,
der erfindungsgemäß vorteilhafterweise
ebenfalls getrennt erfassbar ist. Durch die direkte Angabe der Füllhöhe bzw.
des Verhältnisses
der Füllhöhe zu einer
Referenz wird die Auswertung der Daten stark vereinfacht und damit
kostengünstiger.
Durch die Trennung der beiden Auflösungen ist es möglich, sowohl
die Referenzkapazität
als auch die Füllstandskapazität sehr genau
zu ermitteln. Das erfindungsgemäße Kapazitätsmessprinzip
ist weitgehend unabhängig
vom Leitwert der Flüssigkeit
und macht zusätzlich
die gesonderte Erfassung des Leitwertes der Flüssigkeit bzw. des Mediums möglich. Durch
die Verwendung eines geschlossenen Regelkreises (closed loop) erreicht man
zudem eine hohe Linearität
des Ausgangssignals.
-
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den
nebengeordneten Ansprüchen
angegebenen Vorrichtung bzw. des Verfahrens möglich. Besonders vorteilhaft
ist, dass die Messung abwechselnd an der Kapazität und an der Referenzkapazität erfolgt.
Dadurch muss die Auswerteschaltung bzw. der Regelkreis lediglich
einmal vorhanden sein. Weiterhin ist es von Vorteil, dass ein Dreiecksgenerator
vorgesehen ist, dessen Ausgang mit der Messkapazität bzw. der
Referenzkapazität
verbindbar ist. Dadurch ist es mit einfachen Mitteln möglich, die
erfindungsgemäße Trennung
der Messung des Leitwertes von der Messung der Kapazität durchzuführen. Weiterhin
ist es von Vorteil, dass die Messkapazität bzw. die Referenzkapazität mit einem
Demodulator verbindbar ist, wobei der Demodulator mit einem Integrator
verbunden ist, an dessen Ausgang ein der Größe der Referenzkapazität bzw. ein
dem Verhältnis
der Messkapazität
zur Referenzkapazität
entsprechendes Signal abgreifbar ist. Dadurch ist es mit einfachen
Mitteln möglich,
eine Trennung zwischen dem Leitwert und der Messung der Kapazität vorzusehen.
Weiterhin ist es von Vorteil, dass vom am Ausgang des Integrators
abgreifbaren Signal jeweils für
die Messkapazität
bzw. die Referenzkapazität
ein Offset-Wert
subtrahierbar ist, wobei das hierdurch veränderte Signal mittels eines
Verstärkers
verstärkbar
und mittels eines Modulators modulierbar ist und in der somit veränderten
Form dem Eingang des Demodulators zuführbar ist.
-
Zeichnung
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigen
-
1 eine
schematische Anordnung einer Messkapazität und einer Referenzkapazität in einer Flüssigkeit,
deren Füllstandshöhe gemessen
werden soll und
-
2 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur
Messung des Füllstands
der Flüssigkeit.
-
Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
-
In 1 ist
eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt.
In einem mit dem Bezugszeichen 1 bezeichneten Behälter befindet
sich eine mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnete Flüssigkeit,
die im Folgenden auch als Medium 5 bezeichnet wird. Als
Medium 5 kommen hierbei insbesondere flüssige Medien wie beispielsweise
Motorenöl,
Getriebeöl,
allgemein ölhaltige Flüssigkeiten,
Kraftstoff, Wasser, wässrige
Lösungen oder
dergleichen in Frage. In der Flüssigkeit
eingetaucht befindet sich eine Referenzkapazitätsanordnung 20, die
im Folgenden als Referenzkapazität 20 bezeichnet
ist. Die Referenzkapazität 20 ist über Signalleitungen 930, 940 mit
einer Auswerteeinheit 900 verbunden. Weiterhin ist in 1 eine mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnete
Messkapazitätsanordnung
dargestellt, welche im Folgenden auch als Messkapazität 10 bezeichnet
wird. Erkennbar sind sowohl bei der Messkapazität 10 als auch bei
der Referenzkapazität 20 angedeutete
Kondensatorplatten, welche insbesondere quadratisch dargestellt
sind. Die Kapazitätsanordnungen 10, 20 müssen jedoch erfindungsgemäß nicht
notwendigerweise als Plattenkondensatoren vorgesehen sein, sondern
können die
Kapazität
auch mit Hilfe von Elementen darstellen, welche keine Platten sind
und welche keine quadratische oder rechteckige Form aufweisen. Aus
diesem Grund ist die Darstellung in 1 lediglich
schematisch zu verstehen. Erkennbar ist in 1 jedoch die maximale Höhe 14 der
Messkondensatoranordnung und die zu messende Füllhöhe 12. Hierbei ist
in 1 die Messkapazität 10 derart
dargestellt, dass lediglich Füllstandshöhen der
Flüssigkeit 5 im
Behälter 1 in
einem bestimmten Wertebereich messbar sind. Dies rührt von
der Anordnung der Messkapazität 10 im
Behälter 1 her.
Erfindungsgemäß ist jedoch selbstverständlich auch
vorgesehen, dass die Messkapazität
derart angeordnet ist, dass die gemessene Höhe 12 des Füllstandes
der absoluten Höhe
des Füllstandes
der Flüssigkeit 5 im
Behälter 1 entspricht. Weiterhin
ist in 1 noch die Höhe der Referenzkapazitätsanordnung
mit dem Bezugszeichen 24 bezeichnet. Die Kapazitätsanordnung
der Messkapazität 10 ist
mittels weiterer Signalleitungen 910, 920 ebenfalls
mit der Auswerteanordnung 900 verbunden.
-
In 2 ist
anhand eines Blockschaltbilds die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren
zur Messung des Füllstandes
einer Flüssigkeit 5 in
dem Behälter 1 dargestellt.
-
Die Referenzkapazität ist gegeben
durch die zweite Gleichung: CREF = ε0·εR·(b·hREF)/d = ε0·εR·k·hREF
-
Hierbei bezeichnet b die Breite und
d den Plattenabstand für
einen beispielhaft angenommenen einfachsten Fall der Referenzkapazität als Plattenkondensator
und es bezeichnet hREF die Höhe der Kondensatoranordnung
der Referenzkapazität 20. Da
die Referenzkapazität 20 erfindungsgemäß immer
vollständig
innerhalb der Flüssigkeit 5 liegt,
ist ihr Kapazitätswert
in Luft C0 als Offset-Wert abzuziehen, wobei
der Kapazitätswert
in Luft der Referenzkapazität
gegeben ist durch C0 = ε0·k·hREF
-
Der Kapazitätswert der Referenzkapazität 20 ist
damit durch die dritte Gleichung: CREF,R =
CREF – C0 = ε0·(εR – 1)·k·hREF
-
Hierbei bezeichnet k eine Konstante,
die die Geometrie der Kondensatoranordnung der Referenzkapazität 20 angibt.
Im Beispiel eines einfachen Plattenkondensators als Referenzkapazität 20 ergibt
sich k als Verhältnis
der Breite b zum Abstand d der Platten des Plattenkondensators.
-
In analoger Weise zur Ermittlung
des Wertes der Referenzkapazität
ermittelt sich der Wert der Füllstandskapazität 10 bzw.
der Messkapazität 10 aus
einem Teil in der Flüssigkeit
und einem Teil in der Luft. Die Gesamthöhe hFS entspricht
der in 1 dargestellten
Gesamthöhe 14 der
Kondensatoranordnung der Messkapazität 10. Der Beitrag
zur Füllstandskapazität 10,
welcher auch mit CFS bezeichnet ist, aus dem
Teil der Kondensatoranordnung der Messkapazität 10 in der Flüssigkeit 5 wird
mit CFS,H bezeichnet und
der Teil in Luft wird mit CFS,0 bezeichnet.
Somit ergibt sich als vierte Gleichung: CFS = CFS,H + CFS,0 = ε0·εR·(b·h)/d + ε0·(b·(hFS – h))/d
= ε0·(εR – 1)·k·h + ε0·(b·hFS)/d
-
Hierbei werden für die Geometrie der Messkapazität 10 dieselben
geometrischen Verhältnisse angenommen,
d.h. insbesondere das gleiche Verhältnis k der Breite b zum Abstand
d der Platten eines Plattenkondensators. Die Füllstandshöhe h entspricht hierbei der
in 1 mit dem Bezugszeichen 12 versehenen
Höhe des
Flüssigkeitsstands
der Flüssigkeit 5 im
Behälter 1 relativ
zur Messkapazitätsanordnung 10.
Auch bei der Kapazität
CFS der Messkapazität 10 wird die Kapazität in Luft,
d.h. CFS,0, als Offset betrachtet und abgezogen,
wodurch die reine flüssigkeitsgeführte Kapazität CFS,H, welche der Höhe h bzw. der Höhe 12 entspricht,
erhält.
Dies ist in der fünften
Gleichung folgendermaßen
ausgedrückt: CFS,H = ε0·(εR – 1)·k·h
-
Wird nun der Wert der Messkapazität 10, welcher
in Gleichung 5 als CFS,H dargestellt ist,
zu dem Wert der Referenzkapazität 20,
welche in der dritten Gleichung mit CREF,R dargestellt ist, ins Verhältnis gesetzt,
so erhält
man CFS,H/CREF,R =
h/hREF
-
Die Ausgangsgrößen zur Bestimmung des Wertes
der Messkapazität 10,
d.h. zur Bestimmung von CFS,H sind also
die Referenzkapazität 20,
d.h. die Referenzkapazität
CREF,R, welche nur von festen geometrischen
Größen und
vom gesuchten εR, d.h. von der relativen Dielektrizitätszahl,
abhängt.
Die weitere Ausgangsgröße ist h
bzw. die Füllstandshöhe der Flüssigkeit 5 bezogen
auf die Höhe
der Referenzkapazität
hREF.
-
Eine Schaltung, die dies realisiert,
ist im Blockschaltbild der 2 dargestellt.
Vorgesehen ist ein Dreiecksgenerator 30, welcher wahlweise
die Messkapazität 10 oder
die Referenzkapazität 20 mit seiner
Ausgangsspannung beaufschlagt, welche die Form einer Sägezahnspannung
bzw. Dreiecksspannung aufweist. Zur abwechselnden Beaufschlagung einerseits
der Messkapazität 10 und
andererseits der Referenzkapazität 20 mit
der Ausgangsspannung des Dreiecksgenerators 30 ist bei
einer in 2 dargestellten
und besonders vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ein Umschalter 40 vorgesehen, der einerseits
die Messkapazität 10 oder
die Referenzkapazität 20 mit
dem Dreiecksgenerator 30 verbindet. Weiterhin verbindet
der Schalter 40 auch die Kapazitäten 10, 20 mit
einem mit dem Bezugszeichen 90 versehenen Operationsverstärker. Der
Umschalter 40 ist jedoch erfindungsgemäß nicht notwendigerweise erforderlich.
Falls man auf den Umschalter 40 verzichtet, muss die jeweils
nicht zu messende Kapazität – d.h. entweder
die Messkapazität 10 oder
die Referenzkapazität – mittels
einer in 2 nicht dargestellten
Kurzschlussverbindung kwzgeschlossen werden. Die Messkapazität 10 ist
in 2 elektrisch modelliert
durch einen Widerstand 8 und eine Kapazität 9,
wobei der Widerstand 8 im Wesentlichen den Leitfähigkeitswert
der Flüssigkeit 5 modelliert
und wobei die Kapazität 9 im
Wesentlichen den Wert der Kapazität der Messkapazität 10 modelliert. In
analoger Weise ist auch die Referenzkapazitätsanordnung 20 durch
einen Widerstand 18 und eine Kapazität 19 modelliert und
jeweils parallel geschaltet. Der Schalter 40 verbindet
in gleicher Weise sowohl den Ausgang des Dreiecksgenerators 30 mit
entweder der Messkapazität 10 oder
der Referenzkapazität 20 als
auch die Kapazitäten 10, 20 mit
dem positiven Eingang eines mit dem Bezugszeichen 90 versehenen
Operationsverstärkers.
Der Operationsverstärker
ist Teil der zusammenfassend mit dem Bezugszeichen 1000 versehenen
Regelschleife bzw. des Regelkreises 1000. Der Ausgang des
Operationsverstärkers 90 ist
mit einem mit dem Bezugszeichen 100 versehenen Demodulator
verbunden, dessen Ausgang mit einem Integrator verbunden ist, wobei
zwischen Demodulator und Integrator zwei Leitungen verlaufen, was
in 2 durch eine kleine 2 am
Pfeil zwischen dem Demodulator 100 und dem Integrator 200 dargestellt
ist. Der Integrator 200 weist einen Ausgang 50 auf,
wobei der Ausgang 50 ebenfalls zwei Signalleitungen umfasst,
was ebenfalls entsprechend am Ausgang des Integrators 20 mittels
einer 2 dargestellt ist. Der Ausgang des Integrators 200 ist mit
dem positiven Eingang eines weiteren Operationsverstärkers 91 verbunden,
wobei auch hier wiederum zwei Leitungen zu denken sind. Der negative Eingang
des weiteren Operationsverstärkers 91 ist mit
einem Eingang 51 verbunden, wobei auch hier wiederum zwei
Signalleitungen zu denken sind. Der Ausgang des weiteren Operationsverstärkers 91 ist mit
einem variablen Verstärker 300 verbunden,
wobei zwischen dem weiteren Operationsverstärker 91 und dem variablen
Verstärker 300 ebenfalls
zwei Leitungen zu denken sind. Der Ausgang des variablen Verstärkers 300 ist
mit einem Eingang eines Modulators 400 verbunden, der die
zwei Eingänge
in einen Ausgang reduziert und mit dem negativen Eingang des Operationsverstärkers 90 verbunden
ist. Hiermit wird die Regelschleife bzw. der Regelkreis 1000 geschlossen.
-
Der Dreiecksgenerator 30 und
der Regelkreis 1000 werden über den Schalter 40 wahlweise entweder
mit der Messkapazität 10 oder
mit der Referenzkapazität 20 verbunden.
Beim Beginn muss zunächst
einmal die Verbindung mit der Referenzkapazität 20 hergestellt werden,
sodass das Verhältnis der
Messkapazität 10 zur
Referenzkapazität 20 CFS
,
H /CREF,R ermittelt werden kann. Der Auswertekreis
bzw. der Regelkreis 1000 muss jedoch nur einmal implementiert
werden, da einfach mittels des Schalters 40 umgeschaltet
werden kann. Der Dreiecksgenerator 30 beaufschlagt die
auszuwertende Kondensatoranordnung, also entweder die Messkapazität 10 oder die
Referenzkapazität 20,
Die als Widerstandskondensatorparallelschaltungen vorgesehen sind
mit einem dreiecksförmigen
Spannungsverlauf. Der Strom durch diese Admittanz, d.h. diesen komplexen
Widerstand, ist nun gegeben durch die Summe aus resistivem und kapazitivem
Anteil. Im Demodulator 100 werden der Realanteil und der
Imaginäranteil
dieser komplexen Admittanz separiert und anschließend mit dem
Integrator 200 integriert. An dem Eingang 51, der
auf den negativen Eingang des weiteren Operationsverstärkers 91 wirkt,
steht der abzuziehende Offset, nämlich
C0, falls die Referenzkapazität 10 gemessen
wird und CFS
,0,
falls die Messkapazität 10 gemessen
wird, an. Hierbei ist es so, dass am Eingang 51 an einem
Leitungspaar sowohl der Real- als auch der Imaginäranteil
für den
jeweiligen Offsetwert anliegt. Der Realteil wird durch Modulation
mit einem (bzgl. des Dreiecksignals) um 0° phasenverschobenen gewonnen;
der Imaginärteil
durch Modulation mit einem um 90° phasenverschobenen
Signal. Durch die Subtraktion des am Eingang 51 anliegenden
Offsetwerts wird die dritte Gleichung bzw. die fünfte Gleichung realisiert.
Nachfolgend wird im variablen Verstärker 300 für den Fall
der Referenzmessung, d.h. der Messung an der Referenzkapazität, eine
Verstärkung
von 1 eingestellt und für
den Fall der Füllstandsmessung,
d.h. der Messung an der Messkapazität 10, eine Verstärkung eingestellt,
die proportional ist dem ermittelten Referenzwert, d.h. dem am Ausgang 50 anliegenden
Wert für
die Messung an der Referenzkapazität 20. Dieser Referenzwert
CREF,R muss hierzu
für die
Messung an der Messkapazität 20 aus einem
Speicher zurückgelesen
werden, in den er bei der Messung an der Messkapazität 20 geschrieben wurde.
Hierzu ist der Ausgang 50 in 2 wieder über eine
Doppelleitung, was mit einer 2 bezeichnet ist, mit einem
Speicher 500 verbunden, welcher auf den Eingang 52 des
variablen Verstärkers 300 wirkt. Durch
den Eingang 52 des variablen Verstärkers 300 kann die
Verstärkung
am variablen Verstärker 300 eingestellt
werden. Im Anschluss an die Verstärkung im variablen Verstärker 300 erfolgt
eine Modulation der Signale des Realteils und des Imaginärteils,
wodurch jeweils Real- und Imaginärteil
wieder zu einem komplexen Strom zusammengeführt werden. Der Ausgang des
Modulators 400 wirkt auf den negativen Eingang des ersten
Operationsverstärkers 90.
Hiermit wird der Regelkreis 1000 geschlossen. Durch das Schließen des
Regelkreises 1000 wird am Ausgang 50 des Integrators 200 ein
Signal bereitgestellt bzw. eine Spannung bereitgestellt, die proportional
ist zu dem Wert der Referenzkapazität 20 für den Fall
der Messung an der Referenzkapazität 20 oder es wird – für die Messung
an der Messkapazität 10 – das Verhältnis h
zu hREF zur Verfügung gestellt. Diese beiden Signale
sind erfindungsgemäß um die
jeweiligen Offsetwerte korrigiert.