DE4314819C2 - Kapazitive Sensoreinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine kapazitive Sensoreinrichtung für strömende Medien mit einer elektrischen Sensorkapazität, bei welcher das strömende Medium weitgehend das Dielektrikum darstellt; sowie eine kapazitive Sensoreinrichtung mit Auswerteelektronik, gemäß Oberbegriff der Ansprüche 1 und 5.

Eine Einrichtung dieser Art ist aus dem Katalog der Firma Rechner-Industrie-Elektronik GmbH (Katalog: Sensoren für die industrielle Automation: Kapitel: "Kapazitive Näherungsschalter" bekannt. Die dort gezeigten kapazitiven Sensoren, welche als kapazitive Annäherung - Signalgeber - bezeichnet sind, werden, wie dies die Abbildungen auf Seite 38 zeigen, in die Nähe des zu erfassenden Mediums gebracht. Bei Annäherung eines Mediums ändern sich die Dielektrizitätswerte der Sensorkapazität. Diese Kapazitätsänderung wird einer mit der Sensorkapazität verschalteten Elektronik, zumeist mit Hilfe einer Oszillatorschaltung erfaßt und ausgewertet. Die Sensorkapazität, welche man auch als Sensorkondensator bezeichnen kann, dessen Dielektrikum weitgehend von dem zu erfassenden Medium dargestellt wird, weist somit Elektrodenelemente auf, deren Feldlinien das Medium durchdringen.

Solche bekannten Sensoren sind in ihrer Bauform so gestaltet, daß das zu erfassende Medium stets nur an das Sensorgehäuse herangeführt wird. Die geometrische Anordnung der Elektroden der Sensorkapazität bewirkt daher, daß der Rückschluß des elektrischen Feldes über das zu erfassende dielektrische Medium nur zu einer kleinen Flußdichte führt. Hinzu kommt, daß der Betrag der Kapazität reziprok vom Abstand der Elektroden abhängt. Dies führt dann bei den bekannten Sensoren, bedingt durch deren Bauform nur zu einem recht kleinen Kapazitätswert bzw. -signal. Dieses Defizit kann zwar durch die bereits erwähnte Oszillatorschaltung auf elektronischem Wege wettgemacht werden, jedoch erweisen sich solche bekannt Sensoren als ungeeignet, um beispielsweise Zustandsänderungen, Partikel, Dampfblasen usw. im strömenden Medium zu erfassen. Vielfach entstehen beim Auftreten solcher Partikel oder Blasen bei Verwendung der bekannten Sensoren Fehlmessungen. Solche Fehlmessungen bzw. Fehlbewertungen bestehen darin, daß das Auftreten von Blasen oder Partikel in zu erfassenden strömenden Medium meist mit dem Zustand "Medium nicht vorhanden" fehlbewertet wird. Um dieses Defizit auszugleichen, bedarf es jedoch bei Verwendung der bekannten Sensoren eines erheblichen elektronischen Schaltungsaufwandes.

In den Schriften DE 23 58 307 A1 und DE 21 08 047 A1 sind kapazitive Sensor­ einrichtungen für fließ- bzw. strömungsfähige Medien mit einer elektrischen Sensorkapazität angegeben, bei welcher das fließende bzw. strömende Medium weitgehend das Dielektrikum darstellt. Die Sensoreinrichtung ist jeweils innerhalb eines von dem Medium durchflossenen bzw. durchströmten Sensorgehäuse angeordnet, wobei das Sensorgehäuse selbst als erste Elektrode und ein in das Sensorgehäuse in den Strömungsbereich des Mediums hineinragender elektrischer Leiter als zweite Elektrode der Sensorkapazität dienen. In der DE 26 06 375 A1 ist eine kapazitiv wirkende Einrichtung mit gehäuseartigem Meß- und Vergleichskondensator für die Qualitätskontrolle von hindurchströmendem Wasser angegeben, bei der die als sich gegenüberliegende Flächen ausgebildeten Kondensatorbeläge mit einer Isolierschicht überzogen sind.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine kapazitive Sensoreinrichtung der gattungsgemäßen Art derart auszubilden, daß mit einfachen Mitteln neben der Erfassung des Zustandes, ob ein Medium vorhanden ist oder nicht, auch Störungen im Medium differenziert erfaßt werden können, und daß diese auch bei einem evtl. elektrisch leitenden und strömenden Medium eine ungestörte und eindeutige Aussage ermöglicht.

Die gestellte Aufgabe wird entsprechend der Patentansprüche 1 und 5 gelöst. Die Patentansprüche 2 bis 4 geben zweckmäßige Weiterbildungen wieder. Die Sensoreinrichtung ist innerhalb eines von dem Medium durchströmten Sensorgehäuses angeordnet. Das Sensorgehäuse selbst ist als erste Elektrode und ein in das Sensorgehäuse in den Strömungsbereich des Mediums hineinragender elektrischer Leiter ist als zweite Elektrode der Sensorkapazität vorgesehen.

Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine optimale Ausnutzung des vorhandenen elektrischen Feldes. Durch die Geometrie der Elektroden ist die elektrische Felddichte durch das Medium optimal genutzt und durch diesen realisierbaren geringen Abstand der Elektroden ist eine entsprechend große Kapazität gegeben, so daß auch ein großes Meßsignal abgeführt werden kann. Eine solche geometrische Elektrodenanordnung läßt sich als Zylinderkondensator bezeichnen. Das nun entsprechend große Meßsignal erlaubt eine Differenzierung zwischen den Aussagen "Medium vorhanden, oder Medium nicht vorhanden", und Zustandsänderungen, oder Partikel oder Dampfblasen usw. Durch die einfache Ausgestaltung des eigentlichen Sensors und das damit verfügbare große Meßsignal gestattet es, die nachgeordnete Elektronik entsprechend einfach zu gestalten. Außerdem ergibt sich aus der Tatsache, daß der Sensor nun im Ganzen durchströmt wird, eine verbesserte Verwendungsmöglichkeit in Rohrleitungssystemen. Der Sensor kann dabei als Zwischenstück ausgebildet werden, welches in ein Rohrsystem unter Voll- oder Teildurchströmung angeordnet ist.

Der als zweite Elektrode wirkende elektrische Leiter ist erfindungsgemäß zumindest im Kontaktbereich des strömenden Mediums mit einer Isolation überzogen. Dies verhindert einen elektrischen Kurzschluß zwischen den Elektroden, welcher über entsprechend elektrisch leitfähige Medien gebildet werden könnte.

Der als zweite Elektrode der Sensorkapazität wirkende elektrische Leiter ist stabförmig ausgebildet und erfindungsgemäß derart im durchströmten Sensorgehäuse angeordnet, daß die Strömungsrichtung weitgehend parallel zu Längserstreckung des elektrischen Leiters verläuft. Durch eine solche Geometrie ist in vorteilhafter Weise gegeben, daß die Feldlinien über eine geeignet große Strecke auf das Medium einwirken und ein entsprechend großes Meßsignal liefern. Mit der Länge des stabförmigen elektrischen Leiters läßt sich die minimale Größe der zu detektierenden Dampfblasen bestimmen. Nach der Erfindung ist außerdem vorgesehen, daß die den elektrischen Leiter umgebende Isolation an dem in das Sensorgehäuse hineinragenden Ende ein einstückig angeformtes Strömungsprofil aufweist. Somit ist es mit einfachen Mitteln möglich, die Strömung möglichst beruhigt, das heißt laminar, durch das Sensorgehäuse hindurchzuführen.

Es ist u. a. vorteilhaft, die Auswerteelektronik in das Sensorgehäuse zu integrieren.

Des weiteren ist eine kapazitive Sensoreinrichtung für strömende Medien gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 6 gegeben, bei dem die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst wird, daß die Sensorkapazität und die Referenzkapazität jeweils mit einem Timer verschaltet sind, daß der Timer der Referenzkapazität den Grundtakt der Oszillation liefert und über elektronische Verzögerungselemente zur Triggerung des mit der Sensorkapazität verschalteten Timers verschaltet ist, und daß gleichzeitig die Ausgänge der beiden Timer auf die Eingänge eines Nandgatters geführt sind, so daß je nach Größe der Periodendauer der beiden Timer zueinander das Nandgatter am Ausgang entsprechend high oder low ist. Die Oszillation des Timers T1 und die Funktionsfähigkeit aller verwendeten Bauelemente läßt sich mit einem von zwei digitalen Ausgangszuständen überwachen.

Eine solche elektrische Anordnung zur Aufbereitung eines kapazitiven Sensorsignals ist in besonders zweckmäßiger Weise mit dem vorstehend genannten Sensorelement kombinierbar. Es ist jedoch auch möglich, eine Sensoreinrichtung gemäß Anspruch 5 in Verbindung mit ansonst bekannten Sensorelementen zu verwenden. In beiden Fällen ergibt sich die Lösung der Aufgabe in erfindungsgemäßer Weise. Das heißt in beiden Fällen findet eine geeignete Aufbereitung des Meßsignales dahingehend statt, daß nunmehr zwischen der Bewertung "Medium vorhanden oder nicht vorhanden" auch noch Zustandsänderungen, Partikel, Dampfblasen und andere Zustandsänderungen oder Störungen mit einfachen Mitteln differenziert erfaßbar sind.

Die Integration der Auswerteelektronik in das Sensorgehäuse bewirkt, daß das Meßsignal nicht über Meßleitungen geführt werden muß, sondern quasi direkt ausgewertet werden kann. Das Auftreten parasitärer Kapazitäten ist somit weitgehend verhindert. Dies begünstigt die "Qualität" des Meßsignales noch zusätzlich.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im nachfolgenden näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 Ausbildung des Sensorelementes,

Fig. 2 Auswerteelektronik der Sensoreinrichtung.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch das Sensorgehäuse 1 bzw. durch das eigentliche Sensorelement. Das Gehäuse ist dabei mit einem Eintritt 5 und einem Austritt 6 versehen, wobei eine Umlenkung des Medienstromes um 90 Grad erfolgt. Dies könnte auch in jeder beliebigen anderen Weise erfolgen. In das Gehäuse 1 mündet nun der elektrische Leiter 2 hinein. Der elektrische Leiter 2 ragt in das einströmende Medium hinein, das heißt in Richtung der Eintrittsöffnung 5 des Gehäuses 1, in welches das Medium eintritt. Der elektrische Leiter 2 ist dabei mit einer Isolation 3 umgeben, die den Leiter 2 innerhalb des Gehäuses 1 ortsfest anordnet und festhält. Hierzu ist im Gehäuse 1 eine Öffnung 7 vorgesehen, in den der Leiter 2 mit Isolator 3 eingeschoben werden kann. Im Bereich dieser Gehäuseöffnung 7 ist dann die Isolation 3 derart verdickt, daß sie die Öffnung 7 des Gehäuses 1 dort mediendicht abschließt. Am vordersten Ende des elektrischen Leiters 2, welches in das strömende Medium hineinragt ist die Isolation 3 entsprechend einstückig mit einem Strömungskörper 4 versehen, der an die Isolation 3 angeformt ist. Dies führt zu einer optimalen Strömungsführung des Mediums, so daß die Medienströmung Laminar erfolgt. Dies ist aus dem Grund besonders wirkungsvoll und vorteilhaft, weil damit vermieden wird, daß sich im beispielsweise flüssigen Medium durch Verwirbelung Dampfblasen bilden.

Fig. 2 zeigt die Auswerteelektronik 20, mit deren Hilfe es möglich ist, feinfühlig zwischen dem Zustand

• 1. Medium vorhanden oder nicht vorhanden, und
• 2. Störungen (Partikel, Dampfblasen, etc.),

zu unterscheiden. C1 stellt dabei die Kapazität des Sensorelementes 10 dar. Des weiteren ist eine zweite feste Kapazität C2 vorhanden, wobei mit Hilfe von zwei synchronlaufenden Timern die Größe der Sensorkapazität C1 mit der Größe der festen Kapazität C2 verglichen wird. Der Timer T2 liefert den Grundtakt der nach der Verzögerung über Inverter I1 und I2 mit der positiven Flanke am Reset-Eingang den Timer T1 triggert. Ist die Periodendauer von Timer T1 kürzer als die von Timer T2, was Dampf im Sensorkondensator C1 bedeutet, so bleibt das Nand-Gatter G1 im High-Zustand. Ist die Periodendauer von Timer T1 länger als die von Timer T2, was Flüssigkeit im Sensorkondensator C1 bedeutet, so liefert das Nand-Gatter G1 einen Low-Ausgangs-Impuls und triggert das Monoflop M1. Am Ausgang liegt somit ein Signal, das je nach Dauer der Anwesenheit von Flüssigkeit oder Dampf bzw. Luft einen von zwei logischen Zuständen annehmen kann. Zusätzlich wird mit dem Inverter 13 das Schalten von Timer T1 überwacht. Der Ausgang des Inverters 13 triggert mit der negativen Flanke das Monoflop M2 nach. Somit wird die Funktionsfähigkeit der Schaltung am Ausgang von M2 "Störung" mit einem High-Zustand gemeldet.

Diese Auswerteelektronik 20 kann sinnvollerweise mit dem Sensorelement 10 gemäß Fig. 1 kombiniert werden. Das heißt, der Kondensator C1 kann dann repräsentativ für das nach Fig. 1 ausgebildete Sensorelement gesehen werden.

Die vorteilhafte Kombination von Sensorelement 10 nach Fig. 1 und Auswerteelektronik 20 nach Fig. 2 ergibt, daß mit diesem sehr einfach zu konstruierenden Sensor und einer minimalen Anzahl von elektronischen Komponenten kleinste Flüssigkeitsmengen mit einer Dielektrizitätszahl von <2 eindeutig vom gasförmigen Zustand bzw. Luft mit Hilfe von zwei Zuständen eines digitalen Signales unterschieden werden kann. Die Feinfühligkeit der Auswerteelektronik sowie des eigentlichen Sensorelementes schafft eine Sensoreinrichtung die trotz einfacher Ausgestaltung extrem genau, differenziert, und feinfühlig messen kann.

Claims (5)

1. Kapazitive Sensoreinrichtung für strömende Medien, mit einer elektrischen Sensorkapazität, bei welcher das strömende Medium weitgehend das Dielektrikum darstellt, und die Sensoreinrichtung (10) innerhalb eines von dem Medium durchströmten Sensorgehäuses (1) angeordnet ist, und das Sensorgehäuse (1) selbst als erste Elektrode und ein in das Sensorgehäuse in den Strömungsbereich des Mediums hineinragender elektrischer Leiter (2) als zweite Elektrode der Sensorkapazität vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der als zweite Elektrode wirkende elektrische Leiter (2) zumindest im Kontaktbereich des strömenden Mediums mit einer Isolation (3) überzogen ist und derart im durchströmten Sensorgehäuse (1) angeordnet ist, daß die Strömungsrichtung weitgehend parallel zur Längserstreckung des elektrischen Leiters (2) verläuft, und die den elektrischen Leiter (2) umgebende Isolation (3) an dem in das Sensorgehäuse (1) hineinragende Ende ein einstückig angeformtes Strömungsprofil (4) aufweist, welches der Eintrittsöffnung für das strömende Medium zugewandt ist.

2. Kapazitive Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des stabförmigen elektrischen Leiters (2) auf die minimale Größe zu detektierende Dampfblasen angepaßt ist.

3. Kapazitive Sensoreinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik (20) in dem Sensorgehäuse (1) integriert angeordnet ist.

4. Kapazitive Sensoreinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorgehäuse (1) als Zwischenstück ausgebildet ist, welches in das vom Medium durchströmte Leitungssystem direkt einbaubar ist.

5. Kapazitive Sensoreinrichtung für strömende Medien, mit einer elektrischen Sensorkapazität, bei welcher das strömende Medium weitgehend das Dielektrikum darstellt sowie einer Elektronik zur Erfassung und Auswertung der Sensorkapazitätswerte, wobei die Elektronik eine zweite, als Referenz dienende Kapazität enthält, und die Sensorkapazität sowie die Referenzkapazität als zwei schwingende Oszillatoren wirken, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorkapazität (C1) und die Referenzkapazität (C2) jeweils mit einem Timer (T1, T2) verschaltet sind, daß der Timer (T2) der Referenzkapazität (C2) den Grundtakt der Oszillation liefert und über elektronische Verzögerungselemente zur Triggerung des mit der Sensorkapazität (C1) verschalteten Timers verschaltet ist, und daß gleichzeitig die Ausgänge der beiden Timer (T1, T2) auf die Eingänge eines Nandgatters (G1) geführt sind, so daß je nach Größe der Periodendauer der beiden Timer (T1, T2) zueinander das Nandgatter (G1) am Ausgang entsprechend high oder low ist.