EP4483145A1

EP4483145A1 - Verfahren und vorrichtung zur überwachung des füllstandes eines mediums in einem behälter

Info

Publication number: EP4483145A1
Application number: EP23702987.1A
Authority: EP
Inventors: Armin Wernet; Kaj Uppenkamp; Benjamin MONSE
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2022-02-23
Filing date: 2023-01-31
Publication date: 2025-01-01
Also published as: CN118661079A; US20250189358A1; WO2023160958A1; DE102022104249A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums (3) in einem Behältnis (2) mit zumindest einer Messsonde (1), welche Messsonde (1) zumindest zwei Elektroden (4,5) aufweist, umfassend folgende Verfahrensschritte: - In einem ersten Betriebsmodus (a): Beaufschlagen einer ersten Elektrode (4) der Messsonde (1) mit einem ersten Anregesignal (A₁), wobei eine zweite Elektrode (5) der Messsonde (1) als Empfangselektrode dient, und wobei von der Messsonde (1) ein erstes Empfangssignal empfangen wird, - In einem zweiten Betriebsmodus (b): Beaufschlagen der ersten Elektrode (4) der Messsonde (1) mit einem zweiten Anregesignal (A₂), wobei die zweite Elektrode (5) der Messsonde (1) als Masseelektrode dient, und wobei von der Messsonde ein zweites Empfangssignal empfangen wird, und - Ermitteln der zumindest einen Prozessgröße anhand des ersten (E₁) und/oder zweiten Empfangssignals (E₂). Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung (V), welche zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter mit zumindest einer Messsonde umfassend zumindest zwei Elektroden, sowie eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um einen Füllstand des Mediums in dem Behälter, um die elektrische Leitfähigkeit des Mediums oder auch um die Permittivität des Mediums. Im Falle einer Füllstandsmessung kann es sich sowohl um eine kontinuierliche Füllstandsbestimmung als auch um das Erkennen eines vorgebbaren Grenzstands handeln. Bei dem Behältnis handelt es sich wiederum beispielsweise um einen Behälter oder um eine Rohrleitung.

Auf dem kapazitiven und/oder konduktiven Messprinzip beruhende Feldgeräte sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt und werden von der Anmelderin in vielen unterschiedlichen Ausgestaltungen hergestellt und vertrieben. Kapazitive bzw. konduktive Messgeräte weisen häufig eine im Wesentlichen zylindrische Messsonde mit zumindest einer Elektrode auf, welche zumindest teilweise in ein Behältnis eingebracht wird. Einerseits sind, insbesondere zur kontinuierlichen Füllstandsmessung, vertikal in den Behälter hineinreichende stabförmige Messsonden weitverbreitet. Zur Erkennung eines Grenzstandes sind jedoch auch in die Seitenwandung eines jeweiligen Behälters einbringbare Messsonden und insbesondere auch solche, welche im Wesentlichen frontbündig mit der Behälterwandung abschließen, bekannt geworden.

Während des Messbetriebs wird die Messsonde, insbesondere eine Sendeelektrode der Messsonde, mit einem Anregesignal, in der Regel in Form eines Wechselstromsignals, beaufschlagt. Aus dem von der Messsonde empfangenen Antwortsignal kann anschließend die jeweilige Prozessgröße bestimmt werden. Gemäß dem kapazitiven Messprinzip wird die Abhängigkeit des Antwortsignals von der Kapazität einer ersten Elektrode der Messsonde und der Wandung des Behälters oder einer weiteren Elektrode der Messsonde gebildeten Kondensators herangezogen, um die jeweilige Prozessgröße zu ermitteln. Je nach Leitfähigkeit des Mediums kann entweder das Medium selbst oder eine Isolierung der Messsonde das Dielektrikum dieses Kondensators bilden.

Zur Auswertung des von der Messsonde empfangenen Antwortsignals wird häufig eine Scheinstrommessung oder auch eine Admittanzmessung durchgeführt. Bei einer Scheinstrommessung wird der Betrag des durch die Sensoreinheit fließenden Scheinstroms gemessen. Der Scheinstrom weist jedoch einen Wirk- und einem Blindanteil auf. Daher wird im Falle einer Admittanzmessung neben dem Scheinstrom der Phasenwinkel zwischen dem Scheinstrom und der an der Messsonde anliegenden Spannung gemessen. Die zusätzliche Bestimmung des Phasenwinkels erlaubt es darüber hinaus ferner, Aussagen über eine mögliche Ansatzbildung zu treffen, wie beispielsweise aus der DE102004008125A1 bekannt geworden ist.

Beim konduktiven Messprinzip wird dagegen detektiert, ob über das jeweils bei Anwendung des konduktiven Messprinzips verwendete, leitfähige Medium ein elektrischer Kontakt zwischen einer der Elektroden und der Wandung eines leitfähigen Behälters oder der zweiten Elektrode besteht.

Feldgeräte in Form von Multisensoren, welche sowohl in einem kapazitiven als auch in einem konduktiven Betriebsmodus arbeiten können, sind beispielsweise aus den Dokumenten DE102011004807A1 , DE102013102055A1 oder DE102014107927A1 bekannt geworden. Neben der Prozessgröße Füllstand lassen sich mittels eines derartigen Multisensors verschiedene medienspezifische Eigenschaften, wie die elektrische Leitfähigkeit des Mediums, oder auch dielektrische Eigenschaften des Mediums, wie die Dielektrizitätskonstante, bestimmen. Ein entsprechender Sensor ist beispielsweise in der DE102013104781 A1 beschrieben.

Ein wohlbekanntes Problem im Zusammenhang mit kapazitiven und/oder konduktiven Feldgeräten ist die Bildung von Ansatz im Bereich der Messsonde, welcher die jeweiligen Messergebnisse deutlich verfälschen kann. Zur Vermeidung von Ansatz kann einerseits eine möglichst hohe Frequenz für das Anregesignal gewählt werden, da grundsätzlich der verfälschende Einfluss eines Ansatzes mit zunehmender Frequenz des Anregesignals abnimmt. Eine Elektronik eines entsprechenden Feldgeräts für hohe Frequenzen passend auszulegen, ist jedoch einerseits mit einem erhöhten Grad an Komplexität verbunden. Darüber hinaus ist der zusätzliche Kostenfaktor für die jeweils benötigten Komponenten nicht vernachlässigbar.

Alternativ ist es bekannt geworden, eine Zusatzelektrode, insbesondere eine sogenannte Guardelektrode, wie beispielsweise in der DE3212434C2 beschrieben, zu verwenden. Die Guardelektrode ist dabei koaxial um die jeweilige Sendeelektrode angeordnet und von dieser durch eine Isolierung elektrisch getrennt. Sie liegt ferner auf dem gleichen Potential wie die Sendelektrode.

Der Zugewinn an Messgenauigkeit durch eine zusätzliche Guardelektrode hängt jedoch einerseits von der Dicke einer Ansatzschicht, sowie von der Leitfähigkeit des Ansatzes ab. Insbesondere bei leitfähigen Ansätzen dominieren für niedrigere Frequenzen des Anregesignals resistive Komponenten des Ansatzes die anhand des Empfangssignals ermittelte hochohmige Messimpedanz, anhand derer üblicherweise die jeweilige Prozessgröße bestimmt wird. Außerdem wird die Wirkung der Guardelektrode durch die vergleichsweise hohe Impedanz einer Isolationskapazität der jeweiligen Messsonde beschränkt. Es kann also durch die Guardelektrode im Prinzip keine konstante Messgenauigkeit unabhängig vom jeweiligen Medium und dessen Tendenz zur Bildung von Ansatz erreicht werden, sofern auf hohe Frequenzen für das Anregesignal verzichtet werden soll.

Davon ausgehend, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Messgenauigkeit für entsprechende Feldgeräte unabhängig vom jeweils untersuchten Medium zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 , sowie durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 15.

Bezüglich des Verfahrens wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behältnis mit zumindest einer Messsonde, welche Messsonde zumindest zwei Elektroden aufweist, umfassend folgende Verfahrensschritte:

In einem ersten Betriebsmodus Beaufschlagen einer ersten Elektrode der Messsonde mit einem ersten Anregesignal, wobei eine zweite Elektrode der Messsonde als Empfangselektrode dient, und wobei von der Messsonde ein erstes Empfangssignal empfangen wird,

In einem zweiten Betriebsmodus Beaufschlagen der ersten Elektrode der Messsonde mit einem zweiten Anregesignal, wobei die zweite Elektrode der Messsonde als Masseelektrode dient, und wobei von der Messsonde ein zweites Empfangssignal empfangen wird, und

Ermitteln der zumindest einen Prozessgröße anhand des ersten und/oder zweiten Empfangssignals.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei auf alle Arten von Messsonden, welche sich für das kapazitive und/oder konduktive Messverfahren eignen, angewendet werden.

Erfindungsgemäß dient die erste Elektrode als Sendeelektrode und die zweite Elektrode wird entweder als Empfangselektrode oder als Masseelektrode verwendet. Die Masseelektrode kann auch jeweils auch durch eine Behälterwandung gebildet sein.

Durch die Realisierung der beiden Betriebsmodi, einem massebezogenen und einem nicht-massebezogenen Betriebsmodus, in einem Sensor ist es möglich, die Prozessgröße ohne den Einfluss parasitärer Kapazitäten zu ermitteln. Dies führt zu einer verbesserten Messauflösung. Zudem ist eine deutlich genaue Bestimmung von Ansatz im Bereich der Messsonde möglich.

Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Lösung in Zusammenhang mit Messsonden, welche separat von der jeweils zugehörigen Elektronik ausgeführt sind. Ein Einfluss der Verbindungskabel zwischen Messsonde und Elektronik auf die Messgrößenauswertung, beispielsweise durch das Anschlusskabel hervorgerufener Drift, wird deutlich verringert. Das Anschlusskabel muss beispielsweise nur mit Masse abgeschirmt werden.

In einer Ausgestaltung wird die Messsonde in einem konduktiven und in einem kapazitiven Messmodus betrieben. Es handelt sich also um einen Multisensor, welcher sowohl zur kapazitiven als auch zur konduktiven Prozessgrößenbestimmung geeignet ist. Dabei können beide Messmodi im ersten und/oder zweiten Betriebsmodus durchgeführt werden. Beide Messmodi können abwechselnd, gleichzeitig oder jeweils zu vorgebbaren Zeitpunkten durchgeführt werden.

In einerweiteren Ausgestaltung wird/werden das erste und/oder zweite Anregesignal aus zwei Teilsignalen zusammengesetzt. Dabei kann ein erstes Teilsignal zur Verwendung mit dem kapazitiven Messmodus und ein zweites Teilsignal zur Verwendung mit dem konduktiven Messmodus gewählt werden. In diesem Zusammenhang sei insbesondere auch verwiesen auf DE102014107927A1 verwiesen, auf welche im Rahmen dieser Anmeldung Bezug genommen wird, und welche die Verwendung eines aus zwei Teilsignalen zusammengesetzten Anregesignals zur Realisierung eines kapazitiven und konduktiven Multisensors beschreibt.

Es ist von Vorteil, wenn das erste und/oder zweite Anregesignal zumindest zeitweise ein Rechtecksignal, ein Sinussignal, ein Dreiecksignal, oder ein Trapezsignal ist/sind.

In einer Ausgestaltung können das erste und zweite Anregesignal gleich sein, d.h. es wird das gleiche Anregesignal für den massebezogenen und den nicht-massebezogenen Betriebsmodus verwendet. In anderen Ausgestaltungen können jedoch auch unterschiedliche Anregesignale verwendet werden.

So ist es außerdem von Vorteil, wenn das erste und zweite Anregesignal so gewählt werden, dass sie denselben arithmetischen Mittelwert aufweisen.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass anhand des ersten Empfangssignals eine Impedanz zwischen der ersten und zweiten Elektrode erfasst wird. Vorteilhaft fließen im ersten Betriebsmodus dagegen andere Impedanzen, beispielsweise zwischen einer Elektrode und Masse, nicht in das erste Empfangssignal mit ein. Diese können vielmehr mittels des zweiten Empfangssignals ermittelt werden. Somit erlaubt die vorliegende Erfindung eine vollständige Bestimmung aller Impedanzen mit einem einzigen Sensor, was bei Verwendung von nur einem der beiden Betriebsmodi nicht möglich wäre. Es ist unter anderem diese genaue Charakterisierung mittels eines einzigen Sensors, welcher zu einer besonders hohen Messgenauigkeit und eine hochgenauen Ansatzermittlung führt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung beinhaltet, dass anhand des ersten und/oder zweiten Empfangssignals auf das Vorliegen eines Ansatzes an der Messsonde geschlossen wird. Die Ansatzbestimmung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erlaubt eine genaue Ermittlung des Ansatzes unabhängig vom jeweils verwendeten Medium, insbesondere der Ansatzdicke und der Leitfähigkeit des Ansatzes.

Bei der zumindest einen Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um einen Füllstand oder Grenzstand des Mediums in dem Behältnis, oder um eine Dielektrizitätskonstante oder eine Leitfähigkeit des Mediums.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind zahlreiche Varianten denkbar. Beispielsweise können in den unterschiedlichen Betriebs- und/oder Messmodi jeweils unterschiedliche Prozessgrößen ermittelt werden. Darüber hinaus können bestimmte Reihenfolgen für die unterschiedlichen Modi festgelegt werden. Entsprechend sind die nachfolgend genannten Ausgestaltungen als exemplarische, mögliche Ausgestaltungen zu sehen, wobei die Erfindung keineswegs auf die explizit genannten Varianten beschränkt ist.

In einer Ausgestaltung wird im Falle, dass das Medium eine Leitfähigkeit aufweist, welche unterhalb eines vorgebbaren Grenzwerts liegt, die Prozessgröße anhand des ersten Empfangssignals ermittelt.

Gemäß einerweiteren Ausgestaltung wird im Falle, dass das Medium eine Leitfähigkeit aufweist, welche oberhalb eines vorgebbaren Grenzwerts liegt, die Prozessgröße anhand des ersten und zweiten Empfangssignals ermittelt.

Noch eine Ausgestaltung beinhaltet, dass der erste und zweite Betriebsmodus abwechselnd durchgeführt werden.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung, für welche die Messsonde zumindest drei Elektroden aufweist, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren folgende

Verfahrensschritte: Im ersten Betriebsmodus Beaufschlagen einer ersten Elektrode der Messsonde mit einem ersten Anregesignal, wobei eine zweite Elektrode der Messsonde als Empfangselektrode dient, und wobei von der Messsonde ein erstes Empfangssignal empfangen wird,

Im zweiten Betriebsmodus: Beaufschlagen der ersten oder zweiten Elektrode der Messsonde mit einem zweiten Anregesignal, wobei eine dritte Elektrode der Messsonde als Masseelektrode dient, und wobei von der Messsonde ein zweites Empfangssignal empfangen wird, und

Bei einer Messsonde mit mehr als zwei Elektroden können also auch zumindest teilweise unterschiedliche Elektroden für die beiden Betriebsmodi, insbesondere als Sendeelektrode, Empfangselektrode und/oder Masseelektrode dienen. Zudem können unterschiedlichste Messsonden-Geometrien verwendet werden.

Die Wahl unterschiedlicher Elektroden für die beiden Betriebsmodi erlaubt ferner eine Abstimmung der Elektrodenkonfiguration speziell für den jeweiligen Betriebsmodus. Für den ersten Betriebsmodus, den massebezogenen Betriebsmodus, kann ein Abstand zwischen der ersten und zweiten Elektrode beispielsweise vorteilhaft verkleinert werden, was wiederum zu einer erhöhten Messempfindlichkeit führt. Dies wiederum verbessert die Messperformance besonders mit Hinblick auf Medien mit geringer elektrischer Leitfähigkeit, wie beispielsweise Ölen.

Es ist von Vorteil, wenn die zweite Elektrode zumindest im zweiten Betriebsmodus als Guardelektrode dient. Die Guardelektrode wird dann vorzugsweise auf dem gleichen Potential betrieben wie die erste Elektrode, also die Sendeelektrode.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behältnis mit zumindest einer Messsonde, welche Messsonde zumindest zwei Elektroden aufweist, und welche Vorrichtung dazu ausgestaltet ist, das erfindungsgemäße Verfahren nach zumindest einer der beschriebenen Ausgestaltungen auszuführen.

Die Vorrichtung kann insbesondere analog zu der in DE102014107927A1 beschriebenen Vorrichtung, insbesondere mit Hinblick auf die Elektronik, ausgestaltet sein. Es sei darauf verwiesen, dass die in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Ausgestaltungen sich mutatis mutandis auch auf die erfindungsgemäße Vorrichtung anwenden lassen.

Die Erfindung wird nun anhand der nachfolgenden Figuren Fig. 1 bis Fig. 5 genauer beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 : beispielhaft schematische Darstellungen für eine Messsonde zur

Verwendung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren;

Fig. 2: ein Blockdiagramm für eine Elektronik gemäß Stand der Technik;

Fig. 3: eine Schnittdarstellung einer Messsonde mit zwei Elektroden zur

Erläuterung der beiden erfindungsgemäßen Betriebsmodi;

Fig. 4: ein Blockschaltbild für (a) den ersten und (b) den zweiten Betriebsmodus des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

Fig. 5: ein Blockschaltbild wie in Fig. 4b, aber mit zusätzlicher Offest-

Kompensation.

In Fig. 1 a ist eine beispielhafte Ausgestaltung für eine Messsonde 1 eines Feldgeräts V gezeigt, mittels welcher im kapazitiven oder konduktiven Messverfahren eine Prozessgröße überwacht werden kann. Die Messsonde 1 ist in einem Behälter 2 angeordnet, welcher zumindest teilweise mit einem Medium 3 gefüllt ist. In diesem Fall ragt sie von der Oberseite des Behälters in diesen hinein. Es versteht sich jedoch von selbst, dass die Messsonde 1 in anderen Ausgestaltungen auch so ausgestaltet sein kann, dass sie mit der Wandung des Behälters 3 abschließt.

Die Messsonde 1 selbst setzt sich im vorliegenden Beispiel aus zwei Elektroden, einer ersten Elektrode 4 und einer zweiten Elektrode 5 zusammen, welche der Vermeidung von Bildung von Ansatz dient. Die Behälterwandung bildet ferner eine Masseelektrode 6. Die Messsonde 1 ist ferner mit einer Elektronik 8 verbunden, welche zur Signalerfassung, - auswertung und/oder -speisung verantwortlich ist. Insbesondere ermittelt die Elektronik 8 anhand der Empfangssignale die jeweilige Prozessgröße.

In Fig. 1 b ist eine Schnittdarstellung einer Messsonde 1 mit drei Elektroden 4,5,6 gezeigt.

Die Elektroden 4,5,6 sind durch Isolierungen 7a, 7b elektrisch voneinander getrennt und umgeben sich konzentrisch. Eine derartige Ausgestaltung für eine Messsonde 1 ist insbesondere für eine frontbündig mit der Behälterwandung abschließenden Messsonde 1 vorteilhaft.

In Fig. 2 ist ein Blockdiagramm einer Elektronik 8 gezeigt, mittels welcher die Messsonde 1 sowohl im kapazitiven als auch im konduktiven Betriebsmodus betrieben werden kann. Es sei jedoch darauf verwiesen, dass die vorliegende Erfindung keineswegs auf eine derartige Elektronik 8 beschränkt ist, sondern dass die gezeigte Ausführung lediglich ein mögliches Beispiel für eine geeignete Elektronik 8 darstellt. Die Elektronik 8 aus Fig. 2 entspricht der in DE102014107927A1 beschriebenen Elektronik.

Die Elektronik 8 umfasst einen Mikrocontroller 9 und gliedert sich in einen

Bereich zur Erzeugung des Sendesignals 10a aus unterschiedlichen Teilsignalen und in einen Bereich zur Auswertung der von den jeweiligen Teilsignalen abhängigen Empfangssignale 10b.

Zur Erzeugung eines Sendesignals in Form eines Rechtecksignals für den konduktiven Betriebsmodus dienen zwei Spannungsteiler 11 ,11 a, ein niederohmig dimensionierter Spannungsteiler (R1/R2) 11 für hochleitfähige Medien und ein hochohmig dimensionierter (R3/R4) 11 a für geringfügig leitfähige Medien. Die Taktung dieser beiden Spannungsteiler 11 ,11a erfolgt über entsprechende Port-Ausgänge 12,12a des Mikrocontrollers 9. Über einen weiteren Port-Ausgang des Mikrocontrollers 12b wird in dem hier gezeigten Beispiel ein Sendesignal für den kapazitiven Betriebsmodus eine Dreieckspannung gewählt, welche über den Integrationsverstärker (Block A) 13 generiert wird.

Der Bereich zur Auswertung der von den jeweiligen Teilsignalen abhängigen Empfangssignale 10 umfasst die Blöcke B bis D, welche alle drei Operationsverstärker umfassen. Um den Einfluss von parasitären Effekten und durch Ansatzbildung an der Messsonde 1 zu minimieren, kann ferner die Guardtechnik gemäß der DE00102008043412A1 angewendet werden.

Block B 14 beinhaltet einen Verstärker, der das Referenzsignal, in diesem Falle die Guardspannung, an den Analog-Digital-Wandler (ADC) 15 des Mikrocontrollers 9 zur Verfügung zu stellen. B 14 kann ebenfalls dazu verwendet werden, mindestens eine Leiterplatte zu schirmen.

Auch Block e 16 umfasst einen Verstärker, welcher dafür verantwortlich ist, das Empfangssignal an den ADC 15 zu liefern. Daneben ist ein Messwiderstand 17 vorgesehen, mit welchem die Differenz der Spannungen an der Sendeelektrode und Guardelektrode bestimmbar ist. Zur Auswertung des aus der kapazitiven Messung gewonnen Empfangssignals wird zusätzlich Block D 18 benötigt, weicher einen Differenzverstärker umfasst, um die beiden Empfangssignale von der Sende- und Guardelektrode voneinander zu subtrahieren und zu verstärken. Dies geschieht über den Messwiderstand 17. Die Differenz der beiden Empfangssignale ist direkt proportional zur Kapazität an der Messsonde 1 . Mit einer derartigen Elektronik 8 ist eine Messauflösung von wenigen Femtofarad möglich.

Darüber hinaus sind im Blockschaltbild aus Fig. 2 vier Entkoppelungskondensatoren 19, 19a, 19b, 19c zu sehen, welche die Gleichspannungsteile aus den jeweiligen Signalen filtern. Schließlich ist noch die ESD-Schutzschaltung 20 gezeigt. Ferner kann auch eine, hier nicht dargestellte, Offset-Kompensation durchgeführt werden.

Die beiden erfindungsgemäßen Betriebsmodi lassen sich anhand von Fig. 3 näher erläutern. Gezeigt ist jeweils eine Schnittdarstellung einer Elektrode wie in Fig. 1 a mit einer Sendeelektrode 4, einer Empfangselektrode 5, dazwischen liegenden Isolierschichten 7a, 7b und einer durch die Wandung des Behälters 2 gebildete Masseelektrode.

Im ersten Betriebsmodus gemäß Fig. 3a, dem nicht-massebezogenen Betriebsmodus dient die erste Elektrode 4 als Sendeelektrode und die zweite Elektrode 5 als Empfangselektrode. In diesem Betriebsmodus kann vorteilhaft die Impedanz Zi zwischen der Sende- 4 und Empfangselektrode 5 ermittelt werden.

Im zweiten, massebezogenen Betriebsmodus, dient die zweite Elektrode 5 dagegen als Masseelektrode. In diesem Betriebsmodus lässt sich die Impedanz Z2 gegen Masse ermitteln. Bei einer Messsonde 1 mit mehr als zwei Elektroden können für mehrere Elektroden Impedanzen gegen Masse ermittelt werden. Die Kenntnis aller Impedanzen Z führt zu einer deutlich verbesserten Messgenauigkeit und zur Möglichkeit, einen Ansatz im Bereich der Messsonde 1 zuverlässig und unabhängig vom Medium 3 zu erkennen.

In Fig. 4 sind zwei exemplarische Blockschaltbilder gezeigt, welche zur Verwendung mit einer Messsonde 1 mit (a) zwei und (b) drei Elektroden 4-6 geeignet sind. Es versteht sich von selbst, dass das erfindungsgemäße Verfahren aber auch mit anderen Schaltungsanordnungen realisierbar ist. Beispielsweise sind die beiden Blockschaltbilder aus Fig. 4 ohne Beschränkung der Allgemeinheit bezüglich des Bereichs 10b an die Elektronik 8 aus Fig. 2 angelehnt und ebenfalls ohne Beschränkung der Allgemeinheit werden Schaltelemente 21 zum Hin- und Herschalten zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus verwendet. In Fig. 4a sind ein Bereich 10a zur Erzeugung des Anregesignals A, die Elektroden 4 und 5, ein Ersatzschildbild für die Impedanz Zi zwischen den beiden Elektroden 4,5 und der Bereich 10b zur Auswertung der Empfangssignale E dargestellt. Der Bereich 10b entspricht weitgehend dem entsprechenden Bereich aus Fig. 2. Zum Wechsel zwischen den beiden Betriebsmodi, dem massebezogenen Betriebsmodus a und dem nichtmassebezogenen Betriebsmodus b, dienen die drei Schaltelemente 21a-21 c. Es kann dasselbe Anregesignal A für beide Betriebsmodi verwendet werden, oder es können zwei verschiedene Anregesignale Ai und A2 für die beiden Betriebsmodi verwendet werden. In jedem Falle erhält man für die beiden Betriebsmodi zwei unterschiedliche Empfangssignale Ei , E2, die in der Fig. 4 durch das Bezugszeichen E illustriert sind.

Im Gegensatz zu Fig. 4a umfasst die dem Blockschaltbild aus Fig. 4b zugrundeliegende Messsonde 1 drei Elektroden 4-6 und auch nur ein einziges Schaltelement. In diesem Falle können in den beiden unterschiedlichen Betriebsmodi a und b die Impedanz Z1 zwischen der ersten 4 und zweiten Elektrode 5, sowie die Impedanzen Z2 und Z3 der ersten 4 und zweiten 5 Elektrode gegen Masse ermittelt werden.

In Fig. 5 ist noch ein weiteres, exemplarisches Blockschaltbild gezeigt, welches dem Blockschaltbild aus Fig. 4b entspricht, aber zusätzlich noch über eine Offset- Kompensation 22 verfügt. Die Offset-Kompensation 22 dient der Kompensation weiterer, ggf. vorhandener, insbesondere konstanter, parasitärer Effekte bzw. parasitärer Kapazitäten zwischen der Messsonde 1 und dem Behälter, oder zwischen einzelnen Elektroden 4-6 der Messsonde 1. Derartige Maßnahmen dienen der weiteren Verbesserung der Messauflösung.

Beispielshaft umfasst diese Einheit 22 gemäß der Ausführung aus Fig. 5 mehrere Kondensatoren, einen Widerstand und ein Schaltelement 23 zum Aktivieren und Deaktivieren der Offset-Kompensation. Es versteht sich von selbst, dass auch andere Arten und Weisen für eine Offset-Kompensation 22 in Frage kommen und unter die vorliegende Erfindung fallen. Bezugszeichenliste

1 Messsonde

2 Behältnis

3 Medium

4 Erste Elektrode

5 Zweite Elektrode

6 Dritte Elektrode

7 a,b Isolierungen

8 Elektronik

9 Mikrocontroller

10 a,b Bereiche zur Erzeugung des Sendesignals und zur Auswertung der Empfangssignale

11 11a Spannungsteiler

12 12a Port-Ausgänge

13 Block A, Integrationsverstärker

14 Block B, Verstärker

15 Analog-Digital-Wandler (ADC)

16 Block C, Verstärker

17 Messwiderstand

18 Block D, Differenzverstärker

19 19a 19b 19c Entkoppelungskondensatoren

20 ESD-Schutzschaltung

21 a-c Schaltelemente zum Schalten zwischen den Betriebsmodi

22 Offset-Kompensation

23 Schaltelement

A Ai, A2 Anregesignale in den jeweiligen Betriebsmodi

E Ei, E2 Empfangssignale in den jeweiligen Betriebsmodi

Z Zi, Z2, Z3 Impedanzen a erster Betriebsmodus b zweiter Betriebsmodus

V Vorrichtung

Claims

Patentansprüche

1 . Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums (3) in einem Behältnis (2) mit zumindest einer Messsonde (1), welche Messsonde (1) zumindest zwei Elektroden (4,5) aufweist, umfassend folgende Verfahrensschritte:

In einem ersten Betriebsmodus (a): Beaufschlagen einer ersten Elektrode (4) der Messsonde (1) mit einem ersten Anregesignal (Ai), wobei eine zweite Elektrode (5) der Messsonde (1) als Empfangselektrode dient, und wobei von der Messsonde (1) ein erstes Empfangssignal empfangen wird,

In einem zweiten Betriebsmodus (b): Beaufschlagen der ersten Elektrode (4) der Messsonde (1) mit einem zweiten Anregesignal (A2), wobei die zweite Elektrode (5) der Messsonde (1) als Masseelektrode dient, und wobei von der Messsonde ein zweites Empfangssignal empfangen wird, und

Ermitteln der zumindest einen Prozessgröße anhand des ersten (Ei) und/oder zweiten Empfangssignals (E2).

2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Messsonde (1) in einem konduktiven und in einem kapazitiven Messmodus betrieben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste und/oder das zweite Anregesignal (Ai, A2) aus zwei Teilsignalen zusammengesetzt wird/werden.

4. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen, wobei das erste und/oder zweite Anregesignal (Ai, A2) zumindest zeitweise ein Rechtecksignal, ein Sinussignal, ein Dreiecksignal, oder ein Trapezsignal ist/sind.

5. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei das erste und zweite Anregesignal (A, Ai, A2) gleich sind.

6. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei das erste (Ai) und zweite Anregesignal (A2) so gewählt werden, dass sie denselben arithmetischen Mittelwert aufweisen.

7. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei anhand des ersten Empfangssignals (Ei) eine Impedanz zwischen der ersten (4) und zweiten Elektrode (5) erfasst wird.

8. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei anhand des ersten (Ei) und/oder zweiten Empfangssignals (E2) auf das Vorliegen eines Ansatzes an der Messsonde (1) geschlossen wird.

9. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei der zumindest einen Prozessgröße um einen Füllstand oder Grenzstand des Mediums (3) in dem Behältnis (2), oder um eine Dielektrizitätskonstante oder eine Leitfähigkeit des Mediums (3) handelt.

10. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei im Falle, dass das Medium (3) eine Leitfähigkeit aufweist, welche unterhalb eines vorgebbaren Grenzwerts liegt, die Prozessgröße anhand des ersten Empfangssignals (Ei) ermittelt wird.

11 . Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1-10, wobei im Falle, dass das Medium (3) eine Leitfähigkeit aufweist, welche oberhalb eines vorgebbaren Grenzwerts liegt, die Prozessgröße anhand des ersten (Ei) und zweiten Empfangssignals (E2) ermittelt wird.

12. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste (a) und zweite Betriebsmodus (b) abwechselnd durchgeführt werden.

13. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Messsonde (1) zumindest drei Elektroden (4-6) aufweist, umfassend folgende Verfahrensschritte:

Im ersten Betriebsmodus (a): Beaufschlagen einer ersten Elektrode (4) der Messsonde (1) mit einem ersten Anregesignal (Ai), wobei eine zweite Elektrode (5) der Messsonde (1) als Empfangselektrode dient, und wobei von der Messsonde (1) ein erstes Empfangssignal (Ei) empfangen wird,

Im zweiten Betriebsmodus (b): Beaufschlagen der ersten (4) oder zweiten Elektrode (5) der Messsonde (1) mit einem zweiten Anregesignal (A2), wobei eine dritte Elektrode (6) der Messsonde (1) als Masseelektrode dient, und wobei von der Messsonde (1) ein zweites Empfangssignal (E2) empfangen wird, und

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die zweite Elektrode (5) im zweiten Betriebsmodus (b) als Guardelektrode dient. Vorrichtung (V) zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums (3) in einem Behältnis (2) mit zumindest einer

Messsonde (1), welche Messsonde (1) zumindest zwei Elektroden (4,5) aufweist, welche Vorrichtung (V) dazu ausgestaltet ist, das Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche auszuführen.