DE19935743A1 - Verfahren und Anordnung zur Bestimmung eines Füllstandes - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Anordnung zur Bestimmung eines Füllstandes, insbesondere zur berührungslosen Bestimmung des Füllstandes eines Mediums innerhalb eines rohrförmigen Systems (14) mit kleinem Durchmesser. Um eine zuverlässige und genaue Bestimmung des Füllstandes zu erreichen, die insbesondere auch bei Schaumbildung und Flüssigkeitsfilmen zuverlässig arbeitet, ist vorgesehen, dass durch eine mit einem Oszillator (22) verbundene Antenne (12) ein Mikrowellenfeld erzeugt wird, dass das Mikrowellenfeld in Richtung des Mediums gerichtet wird, dessen Füllstand zu bestimmen ist und dass ein in Abhängigkeit des Füllstandes korreliertes Signal an zumindest einem Empfänger (24, 40) gemessen wird. Dazu weist die Anordnung (10) eine Antenne (12) auf, wobei die Antenne (12) mit einem Oszillator (22) als Sender und mit zumindest einem ersten, als Empfangsdiode ausgebildeten Empfänger (24) verbunden ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung eines Füllstandes, insbesondere zur berührungslosen Bestimmung des Füllstandes eines Mediums innerhalb eines rohrförmi­ gen Systems mit kleinem Durchmesser, sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, die zumindest einen Sender und zumindest einen Empfänger umfasst.

Aus dem Stand der Technik sind Verfahren und Anordnungen zur Bestimmung eines Füll­ standes bekannt, die je nach Anwendung nach sehr unterschiedlichen Prinzipien arbeiten. Im Folgenden sollen insbesondere solche Anordnungen betrachtet werden, die das zu über­ wachende Medium nicht berühren, sich also außerhalb des Systems befinden.

Bekannt sind beispielsweise optische Sensoren, die in Form einer Lichtschranke eingesetzt werden. Ein optischer Sensor umfasst dabei einen Lichtsender und einen Lichtempfänger, wobei sich zwischen Sender und Empfänger eine Lichtstrecke ausbildet, die das System, in welchem der Füllstand bestimmt werden soll, durchdringt. Bei optischen Systemen ist die optische Dichte des Mediums, dessen Füllstand bestimmt werden soll, ein entscheidendes Kriterium für die Störanfälligkeit. Auch können bei optischen Systemen aufgrund von Schaumbildung auf der Oberfläche eines Flüssigkeitsspiegels oder aufgrund eines Flüssigkeits­ films an einer Wandung des die Flüssigkeit aufnehmenden Systems die Messwerte stark verändert oder eine exakte Messung unmöglich gemacht werden.

Des Weiteren sind Ultraschallsysteme bekannt, die einen Ultraschallsender und einen Ultraschallempfänger aufweisen, der die von dem Ultraschallsender ausgehenden Ultraschall­ signale empfängt. Auch bei dieser Ausführungsform sind Sender und Empfänger sich gegen­ überliegend angeordnet, wobei das Ultraschallsignal in Abhängigkeit des Füllstandes auf seine Amplitude hin ausgewertet wird. Hierbei können aufgrund von Schaumbildung auf der Flüssigkeitsoberfläche oder aufgrund eines Flüssigkeitsfilms an einer Wandung des Systems die Messewerte stark verändert und eine exakte Messung unmöglich gemacht werden. Weiterhin haben Ultraschallsysteme den Nachteil, dass bei variierenden Abständen zwischen Sender und Empfänger diese geometrisch angepasst werden müssen und bei weichen Wan­ dungen unter Umständen auch ein sogenanntes Koppelgel eingesetzt werden muss.

Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung eines Füllstandes derart weiterzubilden, dass bei brührungsloser Messung Einflüsse durch Schaumbildung oder durch Flüssigkeitfilme ausge­ schlossen sind.

Das Problem wird verfahrensmäßig dadurch gelöst, dass durch eine mit einem Oszillator ver­ bundene Antenne ein Mikrowellenfeld erzeugt wird, dass das Mikrowellenfeld in Richtung des Mediums gerichtet wird, dessen Füllstand zu bestimmen ist und dass ein in Abhängigkeit des Füllstandes korreliertes Signal an zumindest einem Empfänger gemessen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine direkte Kopplung an das das Medium aufnehmende System nicht notwendig ist. Insbesondere hat sich gezeigt, dass bei Messungen mittels Mikrowellen keine messbaren Veränderungen durch Schaumbildung oder Flüssigkeitfilme beobachtbar sind.

Bei einer bevorzugten Verfahrensweise ist vorgesehen, dass die von der Antenne abgestrahl­ ten Mikrowellen von dem in dem vorzugsweise rohrförmigen System mit geringem Durch­ messer enthaltenden Medium reflektiert werden und in einer als kohärenter Mischer arbeiten­ den Empfängerdiode in Abhängigkeit des Füllstandes eine korrelierende Gleichspannung erzeugen.

Es ist vorgesehen, dass die Antenne Mikrowellen mit einer Frequenz im Bereich von 1 bis 24 GHz, vorzugsweise 2,4 GHz aussendet, wobei die Sendeleistung im Bereich von 0,1 bis 10 mW, vorzugsweise bei 1 mW liegt.

Für besondere Anwendungsfälle, wie z. B. in der Medizintechnik ist es erforderlich, ein zweikanaliges, d. h. redundantes Verfahren anzuwenden, das zusätzlich auf einfache Weise getestet werden kann.

Dazu ist vorgesehen, dass ein erster mit der Antenne verbundener Empfänger durch Kurz­ schließen modulliert wird, wobei diese Modulation an einem zweiten mit der Antenne verbundenen Empfänger sichtbar ist, wenn der ebenfalls mit der Antenne verbundene Oszillator funktionsfähig ist.

Das Problem wird durch eine Anordnung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Anordnung eine Antenne umfasst, wobei die Antenne mit einem Oszillator als Sender und zumindest einem ersten, als Empfangsdiode ausgebildeten Empfänger verbunden ist.

Die vorzugsweise flächig ausgebildete Streifenleiterantenne ist parallel oder im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse des Gefäßes in geringem Abstand zu der Wandung des Gefäßes angeordnet, so dass eine direkte Kopplung an das das Medium umschließende System nicht erforderlich ist. Bei der Messung mittels Mikrowellen sind keine messbaren Veränderungen durch Schaumbildung oder durch Flüssigkeitsfilme zu beobachten. Der als Empfängerdiode ausgebildete und als kohärenter Mischer arbeitende Empfänger liefert in Abhängigkeit des Füllstandes eine korrelierende Gleichspannung. In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Ausgang des Empfängers mit einer Auswerteschaltung verbunden ist, die zumindest einen Komparator enthält. Vorzugsweise ist am Ausgang des Empfängers ein analoges Füllstandssignal und/oder ein digitales Signal messbar, welches anzeigt, ob der Füllstand unter- oder überschritten bzw. ob der Füllstand sich in einem definierten Bereich befindet.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Anordnung zweikanalig ausgebildet ist, wobei die Antenne mit einem zweiten Empfänger verbunden ist, der ebenfalls mit einer Auswerteschaltung verbunden ist.

Vorzugsweise sind die in dem ersten und zweiten Empfänger enthaltenden Empfangsdioden über ein elektronisches Schaltelement wie beispielsweise einen Transistor mit Massepotential verbindbar, wodurch ein Selbsttest durchführbar ist. Die Transistoren können entweder über eine separate Testeinheit oder einen Mikrocontroller geschaltet werden.

Schließlich zeichnet sich eine weitere bevorzugte Anordnung dadurch aus, dass der erste und/oder zweite Empfänger mit einem Mikrocontroller verbunden ist und dass Steuereingänge der elektronischen Schaltelemente mit Ausgängen des Mikrocontrollers verbunden sind.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Anordnung zur Bestimmung eines Füll­ standes,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer Anordnung zur Bestimmung eines Füll­ standes und

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform einer Anordnung zur Bestimmung eines Füll­ standes.

In Fig. 1 ist schematisch eine erste Ausführungsform einer Anordnung 10 zur Bestimmung eines Füllstandes dargestellt. Die Anordnung 10 umfasst eine im Wesentlichen flächig ausgebildete Streifenleiterantenne 12, die sich mit Abstand entlang einer Wandung 14 eines Messgefäßes 16 erstreckt, in dem ein Medium 18, vorzugsweise eine Flüssigkeit enthalten ist, deren Füllstand bestimmt werden soll. Dabei erstreckt sich die Antenne 12 in eine Richtung, die sich im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse 20 des Messgefäßes 16 erstreckt.

Die Antenne 12 ist mit einem Oszillator 22 verbunden, der die Antenne 12 zur Abstrahlung von Mikrowellen anregt. Des Weiteren ist die Antenne 12 mit einem Empfänger 24 ver­ bunden, der zumindest eine Empfängerdiode aufweist, die als kohärenter Mischer arbeitet. Derartige Anordnungen sind aus dem Stand der Technik auch bespielsweise als Mikrowellen- Dopplermodule bekannt.

Die Antenne 12 ist mit geringem Abstand zur Wandung 14 des Messgefäßes 16 angeordnet, so dass eine berührungslose Bestimmung des Füllstandes gewährleistet ist. Angeregt durch den Oszillator 22 sendet die Antenne 12 ein Mikrowellenfeld aus, das in Abhängigkeit des Füllstandes des Mediums 18 reflektiert, von der Antenne 12 empfangen und durch den Empfänger 24 ausgewertet wird. Hierzu ist ein Ausgang des Empfängers 24 mit einer Aus­ werteschaltung 26 verbunden, die in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel einen ersten Komparator 28, einen Analogausgang 30 sowie einen zweiten Komparator 32 aufweist, der als Fensterkomparator ausgebildet ist. Auf diese Weise können insgesamt drei Signale zur Verfügung gestellt werden, d. h. am Ausgang 30 ein analoges Füllstandssignal, am Ausgang des Komparators 28 ein digitales Signal, das anzeigt, ob der Füllstand unter- oder über­ schritten ist und am Ausgang 32 ein digitales Signal, das anzeigt, ob sich der Füllstand in einem definierten Bereich befindet.

Der Oszillator 22 ist etwa mittig zwischen den Abschnitten 34, 36 mit der Antenne 12 über ein Kopplermodul verbunden. Ferner ist der zumindest eine Empfänger 24 über das Kopp­ lenmodul mit der Antenne 12 verbunden. Der Oszillator 22 ist etwa in Höhe des zu bestim­ menden Füllstandes an die Antenne 12 angekoppelt.

In Fig. 2 ist schematisch eine zweite Ausführungsform einer Anordnung 38 zur Bestimmung eines Füllstandes dargestellt. Im Unterschied zu der Anordnung 10 gemäß Fig. 1 ist die Anordnung 38 zweikanalig, d. h. redundant aufgebaut. Zusätzlich zu dem ersten Empfänger 24, ist ein zweiter Empfänger 40 vorgesehen, wobei beide Empfänger über das Koppel­ element mit der Antenne verbunden sind. Ein Ausgang des zweiten Empfängers ist mit einer Auswerteschaltung 42 verbunden, die ebenfalls einen weiteren Komparator 44, einen Analog­ ausgang 46 sowie einen Fensterkomparator 48 umfasst. Die redundante Anordnung 38 zeichnet sich dadurch aus, dass die von den Auswerteschaltungen 26 und 42 abgreifbaren Signale miteinander verglichen werden können, so dass aufgrund der Abweichungen der Signale Fehlermeldungen erzeugt werden können.

Ein weiterer Vorteil der redundant aufgebauten Anordnung 38 besteht darin, dass der erste und zweite Empfänger 24, 40 jeweils über ein elektronisches Schaltelement 50, 52 wie beispielsweise einen Transistor mit Massepotential verbunden ist. Die Steuereingänge 54, 56 der Transistoren 50, 52 sind mit einer Testeinheit 58 verbunden. Die Testbarkeit wird dadurch erreicht, dass die in dem ersten Empfänger 24 enthaltene Empfangsdiode durch Kurzschließen moduliert wird. Diese Modulation wird von dem zweiten Empfänger 40 erkannt und kann durch die Auswerteschaltung 42 ausgewertet werden, vorausgesetzt, dass der Oszillator 22 schwingt, d. h. funktionsfähig ist. Umgekehrt kann durch Kurzschließen des zweiten Empfän­ gers 40 durch Ansteuerung des Transistors 52 der erste Empfänger 24 getestet werden. Da diese Prüfungen nur mit funktionierendem Oszillator 22 möglich sind, wird gleichzeitig die Funktion des Oszillators 23 überprüft. Eine Amplitude des Oszillators kann an den Analog­ ausgängen 46, 30 der Auswerteschaltungen 42, 26 gemessen werden.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Anordnung 60 zur Bestimmung eines Füllstandes. Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind die Auswerteschal­ tungen 26, 42 sowie die Testeinheit 58 in einem Mikrocontroller 62 integriert, der mit einem ersten Eingang 64 mit dem ersten Empfänger 24 und mit einem zweiten Eingang 66 mit dem zweiten Empfänger 40 verbunden ist. Ferner sind Steuereingänge der Transistoren 50, 52 mit jeweils einem Ausgang 68, 70 des Mikrocontrollers 62 verbunden.

Insgesamt wird eine Anordnung zur Bestimmung eines Füllstandes zur Verfügung gestellt, bei der eine direkte Kopplung eines Sensors an das Messgefäß 18 nicht erforderlich ist. Ins­ besondere werden keine messbaren Veränderungen durch Schaumbildung oder durch Flüssig­ keitsfilme beobachtet, da die erfindungsgemäße Anordnung auf dem Prinzip basiert, das Medium, dessen Füllstand zu bestimmen ist, über die Antenne 12 mit einer Mikrowelle zu beaufschlagen und die reflektierten Mikrowellen mittels des ersten und/oder zweiten Empfän­ gers zu detektieren, wobei das detektierte Signal eine Information über den Füllstand enthält.

Das Verfahren und die Anordnung sind besonders zur Bestimmung des Füllstandes einer Tropfkammer eines Dialysegerätes geeignet, wobei Blut in die Tropfkammer hineintropft oder entlang einer Wandung der Kammer fließt. Die Erfindung löst insbesondere die dabei auftretenden Probleme bezüglich Schaum- und/oder Filmbildung.

Claims (15)

1. Verfahren zur Bestimmung eines Füllstandes, insbesondere zur berührungslosen Bestimmung des Füllstandes eines Mediums innerhalb eines rohrförmigen Systems (14) mit kleinem Durchmesser, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine mit einem Oszillator (22) verbundene Antenne (12) ein Mikrowellen­ feld erzeugt wird, dass das Mikrowellenfeld in Richtung des Mediums gerichtet wird, dessen Füllstand zu bestimmen ist und dass ein in Abhängigkeit des Füllstandes korreliertes Signal an zumindest einem Empfänger (24, 40) gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Antenne abgestrahlten Mikrowellen von dem in dem vorzugsweise rohrförmigen System (16) mit geringem Durchmesser enthaltenden Medium (18) reflektiert werden und in einer als kohärenter Mischer arbeitenden Empfängerdiode in Abhängigkeit des Füllstandes eine korrelierende Gleichspannung erzeugen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (12) Mikrowellen in einer Frequenz im Bereich von 1 bis 24 GHz, vorzugsweise 2,4 GHz aussendet, wobei die Sendeleistung der Antenne (12) im Bereich von 0,1 mW bis 10 mW, vorzugsweise 1 mW liegt.

4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Empfänger (24) durch Kurzschließen moduliert wird, wobei diese Modulation an einem zweiten mit der Antenne (12) verbundenen Empfänger (40) detektiert wird, wenn der ebenfalls mit der Antenne (12) verbundene Oszillator (12) funktionsfähig ist.

5. Anordnung (10, 38, 60) zur Bestimmung eines Füllstandes, insbesondere zur berüh­ rungslosen Bestimmung des Füllstandes eines Mediums (18) innerhalb eines rohrför­ migen Systems (16) mit kleinem Durchmesser, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (10) eine Antenne (12) umfasst, wobei die Antenne (12) mit einem Oszillator (22) als Sender und mit zumindest einem ersten, als Empfangsdiode ausgebildeten Empfänger (24) verbunden ist.

6. Anordnung auch Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (12) flächig ausgebildet ist und sich parallel oder im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse (20) des das Medium (18) aufnehmenden Gefäßes (16) erstreckt.

7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die als Streifenleiterantenne ausgebildete Antenne (12) in geringem Abstand zu der Wandung (14) des Gefäßes (16) angeordnet ist, wobei ein erster Abschnitt (34) der Antenne parallel oder in etwa parallel zu dem Medium (18) verläuft und ein zweiter Abschnitt (36) sich im Wesentlichen oberhalb des Füllstandes erstreckt.

8. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängerdiode als kohärenter Mischer ausgebildet ist.

9. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgang des Empfängers (24) mit einer Auswerteschaltung (26) verbunden ist, die zumindest einen Komparator (28, 32) enthält.

10. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (38) zweikanalig ausgebildet ist, wobei die Antenne (12) mit einem zweiten Empfänger (40) verbunden ist.

11. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Empfänger (40) mit einer Auswerteschaltung (42) verbunden ist.

12. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten und zweiten Empfänger (24, 40) enthaltene Empfangsdioden über ein elektronisches Schaltelement (50, 52) wie beispielsweise einen Transistor mit Massepotential verbindbar sind, wobei Steuereingänge (54, 56) der Transistoren (50, 52) mit einer Testeinheit (58) verbunden sind.

13. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder zweite Empfänger (24, 40) mit einem Mikrocontroller (62) verbunden ist und dass die Steuereingänge (50, 52) der elektronischen Schaltelemente mit Ausgängen (68, 70) des Mikrocontrollers verbunden sind.

14. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium (18) eine Flüssigkeit wie beispielsweise Blut oder Wasser ist.

15. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäß (16) vorzugsweise rohrförmig ausgebildet ist, mit einem Durchmesser im Bereich von 1 bis 100 cm, vorzugsweise D = 3 cm.