JP5150292B2 - 容器内に存在する媒体の充填状態を検出するための充填状態スイッチと方法 - Google Patents

Description

本発明は、容器内に存在する媒体の充填状態を検出し、充填状態に対応する切り替え信号を出力する充填状態スイッチ、ならびに容器内に存在する媒体の充填状態を検出し、充填状態に対応する切り替え信号を出力する方法に関する。

この種の充填状態スイッチは実際に広く知られており、また一般的に、容器内に存在する媒体が所定の充填レベルを下回っているか上回っているかを確認するための限界状態センサとして使用される。この種の充填状態スイッチは種々の工業的な用途において、実質的にプロセス工学の全ての分野において使用される。液体に関して使用されることが多いが、ペースト状の媒体または攪拌可能な媒体にも同様に使用することができる。液体の場合の典型的な用途は溢れ出しに対する保護および乾燥状態での運転に対する保護である。

従来技術からは、振動型の充填状態スイッチおよび容量性の充填状態スイッチのような種々の種類の充填状態スイッチが公知である。しかしながら実際に公知の機器においては、切り替え信号が変化すべき所定の充填状態レベルに媒体はまだ達していないにもかかわらず、容器内に存在する媒体の充填状態を表すべきである切り替え信号が変化することはしばしば問題となる。この問題は変化する環境パラメータ、例えば温度に起因することが多い。

本発明の課題は、外部のパラメータ、例えば温度に可能な限り依存しない充填状態の検出を実現する、容器内に存在する媒体の充填状態を検出し、充填状態に対応する切り替え信号を出力する、その種の充填状態スイッチおよび方法を提供することである。

充填状態スイッチに関する課題は、充填状態スイッチが少なくとも１つの電磁的な信号を形成する信号発生器、測定導体装置および基準導体装置を有し、測定導体装置および基準導体装置には信号発生器によって形成された電磁的な信号がそれぞれ供給され、測定導体装置は供給された電磁的な信号がこの測定導体装置は媒体によって包囲されているか否かに依存して変化するように構成され配置されており、基準導体装置は供給された電磁的な信号が媒体の充填状態に依存しないように構成され配置されており、測定導体装置の所定の個所には測定電圧を検出するための測定電圧取り出し部が設けられており、基準導体装置の所定の個所には基準電圧を検出するための基準電圧取り出し部が設けられており、測定電圧を基準電圧と比較し、この比較の結果に依存する切り替え信号を出力する電圧比較器が設けられていることにより解決される。

方法に関する課題は、測定導体装置および基準導体装置にそれぞれ電磁的な信号を供給し、測定導体装置が媒体によって包囲されているか否かに依存して、測定導体装置に供給された信号が変化するよう測定導体装置を構成および配置し、基準導体装置に供給された信号が媒体の充填状態に依存しないように基準導体装置を構成および配置し、測定導体装置の所定の個所において測定電圧を取り出し、基準導体装置の所定の個所において基準電圧を取り出し、測定電圧を基準電圧と比較し、この比較の結果に依存する切り替え信号を出力することにより解決される。

すなわち本発明によれば、測定導体装置に供給された電磁的な信号と基準導体装置に供給された電磁的な信号とが比較され、これにより充填状態の検出に関してエラー源となる温度ドリフトのような外部パラメータの影響が可能な限り排除される、充填状態スイッチが提供される。媒体の充填状態として、容器内に存在する媒体は所定の充填状態を下回っているか上回っているかということが検出される。これに関して重要なことは、測定導体装置に供給された電磁的な信号とこの測定導体装置の周囲との相互作用である。このために本発明によれば、測定導体装置は供給された電磁的な信号が周囲に依存して変化するように構成され配置されている。測定導体装置の周囲が媒体により形成されると、周囲が媒体によって覆われていない場合、すなわち媒体が測定導体装置にはまだ達していない場合とは異なる信号が出力される。

このようにして２つの充填状態、すなわち「測定導体装置に達している」と「測定導体装置には未だ達していない」を区別することができる。換言すれば、本発明による充填状態スイッチは媒体が測定導体装置の端部に達したその瞬間に、この充填状態スイッチから出力される切り替え信号を切り替える。このことは、媒体が下から上昇して本発明によるやり方で測定導体装置と初めて相互作用することになる上昇に関する充填状態に対しても、媒体が測定導体装置の端部よりも下がり相応の相互作用がもはや存在しなくなる下降に関する充填状態に対しても有効である。

基本的に、異なる種類の電磁的な信号が測定導体装置および基準導体装置への供給に適している。基本的に、例えば周波数が変化する電磁的な信号を使用してもよい。しかしながら本発明の有利な実施形態によれば、信号発生器によって形成される電磁的な信号として所定の周波数を有する高周波信号が使用される。

測定導体装置および基準導体装置に異なる電磁的な信号を供給してもよい。しかしながら本発明の有利な実施形態によれば、測定導体装置および基準導体装置には信号結合器を介してそれぞれ同一の信号が供給される。

基本的に、容器の外部にあるが、それにもかかわらず測定導体装置に供給された信号と媒体とのこの種の相互作用を生じさせ、充填状態の検出を可能にする測定導体装置の配置および構成も考えられる。しかしながら本発明の有利な実施形態によれば、測定導体装置は容器内に挿入されている。前述したように、切り替え点、すなわち切り替え信号が変化する媒体の充填状態レベルを測定導体装置の端部によって規定することができる。

基準導体装置が媒体と相互作用することを回避するために、この基準導体装置を基本的に容器の外部に設けることができる。しかしながら本発明の有利な実施形態によれば、測定導体装置と基準導体装置は容器内に挿入される共通のセンサロッドの内部に設けられている。これに関して殊に有利には、誘電性のセンサロッドが設けられている。

本発明の範囲において、測定導体装置は媒体が相応の充填状態レベルに存在する周囲と相互作用するようにするために、他方では基準導体装置に関して相応の相互作用が排除されるようにするために、本発明の有利な実施形態によれば、測定導体装置が誘電性のセンサロッドの外側の領域に設けられており、基準導体装置が誘電性のセンサロッドの内側の領域に設けられている。

殊にこの構成において、しかしながらまた測定導体装置と基準導体装置の別の配置構成においても、本発明の有利な実施形態によれば、測定導体装置と基準導体装置がそれぞれ二重導体装置として構成されている。有利には、二重導体の２つの導体間において電圧が取り出される。測定導体装置の２つの導体がセンサロッドの外側の領域に設けられている場合には、測定導体装置に供給された電磁的な信号に基づく電磁的な磁束線が少なくとも部分的にセンサロッドの外側に延びるので、センサロッドの周囲は測定導体装置に供給された電磁的な信号に影響を及ぼす。殊に容量性の影響は媒体がセンサロッドを既に包囲しているか否かに依存して変化する誘電定数に基づき重要である。二重導体装置として構成されている基準導体装置が前述したように誘電性のセンサロッドの内側の領域に設けられている場合、磁束線は実質的にセンサロッドの完全に内部に延びているので、媒体の充填レベルには依存せず、基準導体装置によって「認識される」周囲の誘電定数に変化は生じない。

さらに本発明の有利な実施形態によれば、測定導体装置を二重導体装置として構成する場合にはこの測定導体装置が開かれた端部を有する。測定導体装置および基準導体装置に高周波信号を供給する際にそれぞれ定在波が生じるので、媒体が測定導体装置の端部に達したという事象を「開かれた端部」から「閉じられた端部」への変化を介して、またこれに伴う信号変化を介して検出することができる。具体的にこのことは、測定導体装置は媒体がこの測定導体装置の端部に達した瞬間に仮想的に長くなり、その結果定在波がシフトされることを意味している。これにより２つの導体路間において取り出される測定電圧は変化するので、充填状態スイッチの切り替え点が測定電圧と基準電圧の差の変化を介して検出される。温度ドリフトは測定電圧においてのみ切り替え点を検出するためのものとして解釈されないことが重要である。何故ならば、相応の温度ドリフトは基準導体装置、したがってこの基準導体装置において取り出される基準電圧にも関係するからである。

上記においては常に１つの測定導体装置および１つの基準導体装置について言及した。もちろん複数の測定導体装置を設けることもでき、相応の幾何学的な配置構成においては、容器内の媒体の種々の所定の充填状態における複数の切り替え点も規定することができる。この場合には、基本的に各測定導体装置に固有の基準導体装置を対応付けることができる。しかしながら本発明の有利な実施形態によれば、複数の測定導体装置に対してただ１つの基準導体装置が設けられていれば十分である。

また本発明による方法の有利な実施形態も本発明による充填状態スイッチの上述の有利な実施形態と同様に提供される。

以下では本発明を２つの有利な実施例に基づき図面を参照しながら詳細に説明する。

図１には、本発明の第１の有利な実施例による充填状態スイッチが示されており、この充填状態スイッチは容器１内に存在する媒体２の充填状態を検出し、その充填状態に対応する切り替え信号を出力するよう構成されている。このために充填状態スイッチは電磁的な信号を形成する信号発生器３を有する。この電磁的な信号は信号結合器４を用いて測定導体装置５および基準導体装置６に供給される。測定導体装置５が容器１内に挿入され、その端部７が容器１内の所定の充填レベルで終端しているのに対し、基準導体装置６は容器１の完全に外側に設けられている。本発明によれば、このようにして測定導体装置５は容器１内の媒体が所定の充填状態に達するとこの媒体と相互作用し、その一方で基準導体装置６と媒体２との間の相互作用は実質的に排除されている。

測定導体装置５と基準導体装置６のそれぞれ所定の個所における測定電圧取り出し部８ないし基準電圧取り出し部９では電圧が取り出され、相応の電圧信号が測定電圧検出器１０ないし基準電圧検出器１１を介して電圧比較器１２に供給される。これら２つの電圧の比較に依存して、電圧比較器１２は切り替え信号を出力する。このことは殊に、容器１内の媒体２がまさに測定導体装置５の端部７に達すると切り替え信号が変化することを意味している。

ここで説明する本発明の第１の有利な実施例によれば、測定導体装置５も基準導体装置６も２つの相互に平行に延びる導体を有する二重導体装置として構成されている。二重導体装置としての測定導体装置５には開かれた端部７が設けられているので、容器１内の媒体２が端部７に達すると「開かれた端部」は「閉じられた端部」に変化し、これにより最終的には、測定電圧取り出し部８において取り出される２つの導体間の測定電圧が変化することになる。
測定導体装置５と基準導体装置６が実質的に同一の温度影響を受けることによって、実際に容器１内の媒体２との相互作用に起因し、温度ドリフトのような他の外部パラメータの変化にのみ起因するものではない測定電圧の変化のみが切り替え信号として解釈される。

図２には本発明の第２の有利な実施例による、詳細には図示していない充填状態スイッチのセンサロッド１３が示されている。図２ａはセンサロッド１３の縦断面を示し、図２ｂはセンサロッド１３の横断面を示す。

誘電性のセンサロッド１３はフランジ１４を有しているので、センサロッド１３を容器１に挿入し、図示していない相応の対応フランジに固定することができる。センサロッド１３は誘電性の材料、例えばテフロン^(R)から構成されており、内部には測定導体装置５および基準導体装置６が配置されている。図２ｂから見て取れるように、これらの装置はそれぞれが２つの相互に平行に延びる導体５’，５’’ないし６’，６’’を有する二重導体装置として構成されている。測定導体装置５はセンサロッド１３の外側の領域に設けられており、他方では基準導体装置６がセンサロッド１３の中央の領域に設けられている。これにより同様に図２ｂからも分かるように、測定導体装置５の導体５’，５’’間の磁束線がセンサロッド１３の外側にも延び、他方では基準導体装置６の導体６’，６’’間の磁束線は実質的にセンサロッド１３の内側にのみ延びることになる。このことは、基準導体装置６がセンサロッド１３の外側にある周囲環境からは実質的に何も「認識せず」、測定導体装置５に供給された電磁的な信号のみが、センサロッド１３の外側に媒体は存在するか否かに依存して影響を受けることを意味している。

基本的にこのことは機能的に見て、本発明の第１の有利な実施例に相当する。しかしながらこの第２の有利な実施例は第１の有利な実施例とは異なり、測定導体装置５および基準導体装置６が相互に非常に近接して設けられており、測定導体装置５ないし基準導体装置６の異なる温度を実質的に完全に排除することができる。したがって温度ドリフトが生じた際にはそれぞれの導体５’，５’’，６’，６’’間において取り出される測定電圧ないし基準電圧が同様に相互に変化し、このようにして切り替え点の誤検出を実質的に完全に排除することができる。

電圧の取り出しにおいて本発明による測定方法の感度を改善するために、通常の場合、測定電圧検出器１０および基準電圧検出器１１をそれぞれ対数的に動作する検出器として構成することができ、この検出器は例えば６０〜８０ｄＢの動的な範囲を有する。

本発明の第１の有利な実施例による充填状態スイッチの概略図を示す。 本発明の第２の有利な実施例による充填状態スイッチのセンサロッドの概略的な縦断面を示す。 本発明の第２の有利な実施例による充填状態スイッチのセンサロッドの概略的な横断面を示す。

Claims (4)

1. 容器（１）内に存在する媒体（２）の充填状態を検出し、前記充填状態に対応する切り替え信号を出力する充填状態スイッチにおいて、
   少なくとも１つの電磁的な信号を形成する信号発生器（３）、測定導体装置（５）および基準導体装置（６）を有し、
   前記測定導体装置（５）および前記基準導体装置（６）には前記信号発生器（３）によって形成された電磁的な信号がそれぞれ供給され、
   前記測定導体装置（５）は供給された前記電磁的な信号が該測定導体装置（５）が前記媒体（２）によって包囲されているか否かに依存して変化するように構成され配置されており、
   前記基準導体装置（６）は供給された前記電磁的な信号が前記媒体（２）の充填状態に依存しないように構成され配置されており、
   前記測定導体装置（５）の所定の個所には測定電圧を検出するための測定電圧取り出し部（８）が設けられており、
   前記基準導体装置（６）の所定の個所には基準電圧を検出するための基準電圧取り出し部（９）が設けられており、
   前記測定電圧を前記基準電圧と比較し、該比較の結果に依存する切り替え信号を出力する電圧比較器（１２）が設けられ、
   前記信号発生器（３）によって形成される電磁的な信号として所定の周波数を有する高周波信号が使用され、
   前記測定導体装置（５）および前記基準導体装置（６）には信号結合器（４）を介してそれぞれ同一の信号が供給され、
   前記測定導体装置（５）は前記容器（１）内に挿入され、
   前記測定導体装置（５）および前記基準導体装置（６）は前記容器（１）内に挿入されている共通のセンサロッド（１３）の内部に設けられ、
   前記測定導体装置（５）は前記センサロッド（１３）の外側の領域に設けられており、前記基準導体装置（６）は前記センサロッド（１３）の内側の領域に設けられており、
   前記測定導体装置（５）および／または基準導体装置（６）として二重導体装置が設けられていることを特徴とする、充填状態スイッチ。
2. 前記センサロッド（１３）は誘電性のセンサロッドである、請求項１記載の充填状態スイッチ。
3. 前記測定導体装置（５）は開かれた端部（７）を有する、請求項１または２記載の充填状態スイッチ。
4. １つの共通の基準導体装置（６）を有する複数の測定導体装置（５）が設けられている、請求項１から３までのいずれか１項記載の充填状態スイッチ。

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