WO2002050498A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen von pegelständen - Google Patents

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WO2002050498A1
WO2002050498A1 PCT/EP2001/014980 EP0114980W WO0250498A1 WO 2002050498 A1 WO2002050498 A1 WO 2002050498A1 EP 0114980 W EP0114980 W EP 0114980W WO 0250498 A1 WO0250498 A1 WO 0250498A1
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filling material
measuring
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PCT/EP2001/014980
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Martin Florin
Werner Schmidt
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Abertax Research And Development Ltd.
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Definitions

  • the invention relates to a method for measuring the level of contents in a container with the aid of a capacitive sensor circuit.
  • the invention further relates to a device for performing this method. Liquids and other flowable substances, pourable solids, e.g. B. granules, or gases in question.
  • a device for level measurement is, for example, the subject of EP-A 100 564.
  • the disadvantage here is that plates or tubes of a measuring capacitor have to be immersed in the liquid, which is not possible or difficult in many applications.
  • DE-A 32 48 449 describes and shows a device for measuring the level of liquids, in which a cylindrical, coaxial capacitor is immersed in the liquid and is permanently mounted. Due to its design, such a device is not suitable for determining exact fill levels when the filling material is in a constantly changing movement, for example in tanks of vehicles or aircraft.
  • the invention has for its object to provide a method and an apparatus for capacitive level measurement in a container without the container having to be adapted accordingly or a capacitor consisting of two plates having to be used.
  • the sensor is made of electrically conductive material, e.g. B. metal or polymer, and can be designed according to the application, for. B. flat or round.
  • the senor is used as an active sensor, an alternating voltage is applied to it, the current intensity depending on the level of the level relative to the sensor.
  • the current can be displayed as a level after electronic processing.
  • an alternating voltage is generated in the product itself or supplied from outside, which generates a capacitive alternating current in the sensor, which can be displayed as a level after electronic processing.
  • the signal from the sensor can be transmitted to the measuring device via an electrical line or wirelessly by radio.
  • the method and device according to the invention have the advantage over the previously known prior art that one of the two capacitor elements is formed by the filling material itself, while the other capacitor element is the sensor.
  • the Displacement current therefore only passes through the container wall, but not through the product itself.
  • the senor it is also possible to connect the sensor to an AC voltage source in such a way that an electrical field emanating from the sensor is generated, which changes and can be measured and displayed in accordance with the level (height ratio of filling material: air) in the container.
  • the level of containers whose position is constantly changing for example in the case of a fuel tank in aircraft, is to be determined as precisely as possible, it is possible in a further development of the invention to mount a plurality of sensors on the container at different points and to average the signals from all sensors , This can be determined with the aid of an RC low-pass filter circuit with a time constant of a few seconds.
  • FIG. 1 shows the schematic sectional illustration of a container with a capacitive sensor circuit
  • FIG. 2 shows a sectional illustration through a variant of FIG. 1 designed according to the invention
  • FIG. 3 shows the sectional illustration of a further variant
  • FIG. 4 shows the schematic top view of a container with several sensors
  • FIG. 5 shows a circuit example with a low-pass filter for use in the example in FIG. 4,
  • FIG. 6 shows a sectional illustration of a further application example
  • FIG. 7 shows a circuit diagram derived from the application example in FIG. 6,
  • FIG. 8 shows the schematic representation of a battery with an automatic refill device controlled by the sensor circuit
  • FIG. 9 shows a variant of the device of FIG. 8.
  • FIG. 1 schematically shows in cross section a container 10 for holding a filling material 12.
  • the container 10 can be, for example, a fuel tank or a battery cell.
  • the container 10 can be cylindrical or have another shape and is closed by a lid 14.
  • the wall thickness of the container 10 is denoted by d.
  • a rod 16 or a plate is guided inward through the lid 14 of the container 10, for example the lead plate of a battery cell, with the aid of which conductive filling material 12 can be grounded in order to increase the effect of the sensor 22 explained below.
  • the plate 16 On the outside of the cover 14, the plate 16 has a head 18 for its attachment.
  • a metal sensor 22 is attached to the outer wall 20 of the container 10 and extends over almost the entire height of the container 10.
  • the sensor 22 is connected to an electrical line 24, which is connected to an AC voltage source 26, which generates an AC current of frequency f in the line 24.
  • a measuring and / or display device 28, for example an ammeter, is also connected in line 24.
  • the wall 20 with the wall thickness d between the sensor 22 and the liquid 12 forms the dielectric of the product 12 and the capacitor 22 formed.
  • the wall 20 consists of electrically non-conductive material, for example plastic or glass fiber material.
  • the current intensity I thus changes proportionally with the level of the filling material 12 in the container 10. It is thus possible to measure the current intensity and as the level of the Display filling material 12 and / or to use it as an electrical signal for actuating a device for automatic filling level correction (refilling or draining filling material 12) shown in FIGS. 8 or 9.
  • Figure 2 shows an embodiment of the invention, according to which the sensor 22, which is attached to the outside of the container 10 made of non-conductive material, is connected to the AC voltage source 26 so that it generates an electric field, the field lines of which are indicated in Figure 2 are.
  • This field is increased or decreased depending on the nature of the non-earthed product 12, the degree of amplification or reduction depending on the level of the level.
  • the electrical field and its changes can be measured with the aid of the measuring device 28, displayed and used as a trigger for automatic level corrections.
  • FIG. 3 Another variant is shown in FIG. 3, in which the sensor 22 is immersed in the filling material 12. If this is electrically conductive, the sensor 22 must be insulated from the filling material by a non-conductive sheath 34.
  • the wall 20 of the container 10 can be made of any material that can be conductive or non-conductive. In addition, it is possible to connect the filling material 12 and / or the container 10 to an earth 36.
  • an alternating voltage source 26 generates an electrical field at the sensor 22, which changes with the level and can be measured or displayed on the measuring device 26.
  • the sensor 22 in the filling material 12 or on the wall 20 made of non-conductive material, there is also the possibility of letting the sensor 22 into the outer wall 20, which is already done during the manufacture of the container 10.
  • the sensor 22, together with its insulating jacket 34, can also be attached directly to the inside of the wall 20. If, in the case of the arrangement according to FIG. 3, the filling material 12 and the wall 20 are not electrically conductive, the casing 34 of the sensor 22 can of course be omitted.
  • FIG. 4 shows a top view of a container 10 which is equipped with sensors 22 at several points on its wall 20.
  • Each sensor 22 can be assigned its own or all a common measuring device 28, so that the fill level in the container 10 can be determined at different points.
  • a mean value can be electronically formed from the various sensor signals, which also indicates the filling level in the container 10 with the desired accuracy when the filling material 12 is in motion in the container.
  • a typical application of this sensor arrangement is the fuel tank in an aircraft.
  • An RC low-pass filter with a time constant of a few seconds which is outlined in FIG. 5, can be used to form the mean value.
  • FIGS. 6 and 7 schematically show another possible application in which the capacitive sensor 22 is used as a passive probe. It is attached to the non-conductive outer wall 20 of the container 10, for example a battery cell. An electrical voltage change - indicated by the square-wave voltage at the voltage source 26 - is generated in the electrolyte of the cell by pulse charging or pulse discharge. An electrical field thus arises between the electrolyte 12 and the sensor 22, which leads to a capacitive current consumption by the sensor 22, which changes as a function of the fill level of the electrolyte 12. After appropriate calibration of the system, this change can be displayed analog or digital as the fill level of the electrolyte.
  • the method just described can be used to draw conclusions from the capacitive current consumption of the sensor 22 as to the remaining battery capacity that is still present and, after comparison with the original target capacity, to display it as a fraction of this target capacity.
  • This display provides information about the current general condition of the battery.
  • FIG. 7 schematically shows the possible application shown in FIG. 6 for a battery with three cells.
  • the use of the probe as a passive sensor is not limited to batteries. Rather, applications are also conceivable in which an alternating voltage is supplied to the filling material from the outside in order to infer the level or other variable properties of the filling material from the capacitive current consumption of the sensor.
  • the method and device according to the invention can be used for level measurement in many areas, for example in production processes, in medicine, here for example for monitoring infusions or the like, in laboratories or in battery monitoring.
  • the measurement results determined with the aid of the sensor can be used to control the filling quantity correction and to trigger warning signals when critical filling levels are reached.
  • FIG. 8 schematically shows a container 10, which is designed as a housing for a battery and holds liquid 12 (electrolyte).
  • a liquid line 38 is provided which serves for the supply 40 of liquid (distilled water) into the container 10 when the level therein has dropped below a prescribed minimum height h '.
  • a valve 44 which is controlled by an actuating device 46, is arranged in an enlarged section 42 of the liquid line 38.
  • the actuating device 46 can have an electromagnetic function, so that an electrical signal line 48 is used for control.
  • a capacitive level sensor 22 is attached to the outer wall 20 of the container 10. This constantly measures the height h 1 of the liquid 12 in the container 10 and then, when the prescribed minimum height is undershot, emits an electrical signal to an electronic control unit 50, which is also mounted outside the container 10.
  • a voltage source 52 is used to supply power to both the control unit 50 and the sensor 22.
  • a level sensor 22 which records optical, acoustic, pneumatic or hydraulic measurement signals according to the fill level, which are then converted into electrical control signals in the control unit 50 and passed on to the actuating device 46 via the signal line 48. If the sensor 22 emits a signal due to the level of the liquid 12 in the container 10 having dropped below the minimum height h ′, which signal is passed on from the control unit 50 to the electromagnetic actuating device 46 via the signal line 48, this has the consequence that the valve 44 in the open position shown in FIG. 8 is raised so that liquid is fed into the container 10 via the liquid line 38 in the direction of the arrows shown. As soon as the prescribed level is reached again, the actuating device 46 receives a control signal from the sensor 22 and via the control unit 50, so that the valve 44 is closed again.
  • the container 10 is a water tank for a toilet, which is filled with water as the liquid 12.
  • the electronic control unit 50 with a voltage source 52 is attached, which is connected via a signal line 48 to the sensor 22, which is also attached to the outside of the wall 20 of the container 10 here.
  • the liquid line 38 for the supply 40 of water opens out through the cover 14 into the container 10.
  • the valve 44 which is vertically displaceably mounted in the enlarged section 42, serves to control the inflow 40 of water into the container 10, the actuating device 46 also here of the valve 44 is controlled by the sensor 22 via the signal line 48 and the electronic control unit 50.
  • valve 44 which controls the outflow 60 of the water.
  • the actuating device 46 of this valve 44 is also connected to the control unit 50 via an electrical signal line 48 ′.
  • An arrangement similar to FIG. 8 is also suitable for

Abstract

Mit dem Verfahren und der Vorrichtung können in einem Behälter Pegelstände eines Füllgutes gemessen und angezeigt werden, wobei das Füllgut elekrisch leitend oder nicht leitend sein kann. Am Behälter wird ein Sensor (22) angebracht, der an der Behälterwand (20) angebracht oder in dieser intgriert sein kann. Zur Messung des Pegelstandes wird an den Sensor (22) eine Welchselspannung angelegt, wobei die Kapazität oder das erzeugte elektrische Feld ein Mass für die Füllstandshöhe ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Messen von Pegelständen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen des Pegelstandes von Füllgut in einem Behälter mit Hilfe einer kapazitiven Sensorschaltung. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Als Füllgut kommen Flüssigkeiten und andere fließfähige Stoffe, schüttfähige Feststoffe, z. B. Granulate, oder auch Gase in Frage.
Zur kapazitiven Messung der Höhe einer Flüssigkeit in einem Behälter ist es bekannt, in diesen zwei Kondensatorplatten einzutauchen, deren Zwischenraum teilweise mit der Flüssigkeit und teilweise mit Luft als Dielektrikum gefüllt ist. Die Kapazität des auf diese Weise gebildeten Kondensators setzt sich somit aus den beiden Teilkapazitäten entsprechend den unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten der beiden Medien Luft und Flüssigkeit zusammen. Zwischen der Gesamtkapazität dieses Kondensators und dem Pegelstand der Flüssigkeit besteht ein linearer Zusammenhang, so daß durch die Bestimmung der Gesamtkapazität bzw. des Verschiebungsstromes zwischen den beiden Platten der Pegelstand ermittelt werden kann. Eine Vorrichtung zur Füllstandsmessung ist beispielsweise Gegenstand der EP-A 100 564. Nachteilig ist hierbei, daß dort Platten oder Röhren eines Meßkondensators in die Flüssigkeit eingetaucht werden müssen, was in vielen Anwendungsfällen nicht möglich oder schwierig ist. Ein Beispiel hierfür sind die Zellen von Batterien, die zu diesem Zweck mit entsprechenden Öffnungen versehen werden müssten. Außerdem wäre der Kondensator der Korrosion durch den Elektrolyten sowie der elektrischen Interferenz durch die Ladung der Batterie ausgesetzt. In anderen Anwendungsfällen, beispielsweise beim Messen des Inhalts von Kraftstofftanks in Fahrzeugen oder Flugzeugen, besteht die Gefahr, daß durch den erzeugten Verschiebungsstrom die leicht brennbare Flüssigkeit entflammt, so daß hier das erläuterte System nicht eingesetzt werden kann.
Aus der US-A 3 119 266, die dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zugrunde liegt, ist ein System zur Füllstandsmessung bekannt, bei dem eine kapazitive Sensorschaltung erforderlich ist, die aus zwei Kondensatorplatten besteht, nämlich einer Behälterwand und einer Elektrode, welche beide mit dem Füllgut in Kontakt sind. Diese beiden Elemente bilden dabei einen Kondensator, dessen Kapazitätsänderungen in Abhängigkeit von den Veränderungen des Mediums zwischen den Kondensatorplatten gemessen werden. Bezüglich dieses Systems gelten somit dieselben Bemerkungen und Nachteile, wie sie oben zur EP-A 100 560 gemacht worden sind.
In der DE-A 32 48 449 ist eine Vorrichtung zur Messung des Pegelstandes von Flüssigkeiten beschrieben und dargestellt, bei der ein zylindrischer, koaxial gebauter Kondensator in die Flüssigkeit eintaucht und fest montiert ist. Eine solche Vorrichtung ist aufgrund ihrer Konstruktion nicht geeignet, genaue Füllstände zu ermitteln, wenn sich das Füllgut in ständig veränderlicher Bewegung befindet, beispielsweise in Tanks von Fahrzeugen oder Flugzeugen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kapazitiven Messen des Pegelstandes in einem Behälter zur Verfügung zu stellen, ohne daß hierbei der Behälter entsprechend angepaßt oder ein aus zwei Platten bestehender Kondensator eingesetzt werden muß.
Bei einem Verfahren der im Betreff angegebenen Methode wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Der Sensor besteht aus elektrisch leitfähigem Material, z. B. Metall oder Polymer, und kann dem Anwendungsfall entsprechend ausgebildet sein, z. B. flach oder rund.
Die zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung ist in den Patentansprüchen 10 bzw. 11 angegeben.
Wenn der Sensor als aktiver Sensor verwendet wird, wird an diesen eine Wechselspannung angelegt, wobei die Stromstärke von der Höhe des Pegelstandes gegenüber dem Sensor abhängt. Die Stromstärke kann nach elektronischer Aufbereitung als Pegelstand angezeigt werden.
Bei Verwendung als passiver Sensor wird im Füllgut selbst eine WechselSpannung erzeugt oder von außen zugeführt, die im Sensor einen kapazitiven Wechselstrom erzeugt, der nach elektronischer Aufbereitung als Pegelstand angezeigt werden kann.
In beiden Fällen kann das Signal des Sensors über eine elektrische Leitung oder drahtlos über Funk an die Messeinrichtung übertragen werden.
Verfahren und Vorrichtung gemäß der Erfindung haben gegenüber dem bisher bekannten Stand der Technik den Vorteil, daß eines der beiden Kondensatorelemente durch das Füllgut selbst gebildet wird, während das andere Kondensatorelement der Sensor ist. Der Verschiebungsstrom tritt daher nur durch die Behälterwand hindurch, nicht jedoch durch das Füllgut selbst.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht auch die Möglichkeit, den Sensor so an eine Wechselspannungsquelle anzuschließen, daß ein vom Sensor ausgehendes elektrisches Feld erzeugt wird, das sich entsprechend dem Pegelstand (Höhenverhältnis Füllgut : Luft) im Behälter ändert und gemessen sowie angezeigt werden kann.
Wenn bei Behältern, deren Lage ständig wechselt, beispielsweise bei einem Kraftstofftank in Flugzeugen, der Pegel möglichst genau bestimmt werden soll, ist es in Weiterbildung der Erfindung möglich, am Behälter mehrere Sensoren an unterschiedlichen Stellen anzubringen und aus den Signalen aller Sensoren ein Mittelwert zu bilden. Dieser kann mit Hilfe einer RC-Tiefpaßfilterschaltung mit einer Zeitkonstanten von wenigen Sekunden ermittelt werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist gemäß den Ansprüchen 17 bis 21 vorgesehen, den gemessenen Pegelstand mit einer Einrichtung zur automatischen Korrektur des Füllstandes und/oder zur Abgabe eines Warnsignals bei Erreichen kritischer Füllstände zu verbinden.
Die Erfindung ist nachstehend an Ausführungsbeispielen erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigen:
Figur 1 die schematische Schnittdarstellung eines Behälters mit einer kapazitiven Sensorschaltung,
Figur 2 eine Schnittdarstellung durch eine gemäß der Erfindung ausgebildete Variante der Figur 1,
Figur 3 die Schnittdarstellung einer weiteren Variante,
Figur 4 die schematische Draufsicht auf einen Behälter mit mehreren Sensoren, Figur 5 ein Schaltbeispiel mit Tiefpaßfilter für die Anwendung im Beispiel der Figur 4,
Figur 6 eine Schnittdarstellung eines weiteren Anwendungs- beispiels,
Figur 7 ein von dem Anwendungsbeispiel der Figur 6 abgeleitetes Schaltbild,
Figur 8 die schematische Darstellung einer Batterie mit einer automatischen, von der Sensorschaltung gesteuerten Nachfüllvorrichtung und Figur 9 eine Variante der Vorrichtung der Figur 8.
Figur 1 zeigt schematisch im Querschnitt einen Behälter 10 zur Aufnahme eines Füllgutes 12. Bei dem Behälter 10 kann es sich beispielsweise um einen Kraftstofftank oder eine Batteriezelle handeln. Der Behälter 10 kann zylindrisch sein oder eine andere Form haben und ist durch einen Deckel 14 verschlossen. Die Wandstärke des Behälters 10 ist mit d bezeichnet.
Durch den Deckel 14 des Behälters 10 hindurch ist ein Stab 16 oder eine Platte nach innen geführt, beispielsweise die Bleiplatte einer Batteriezelle, mit deren Hilfe leitfähiges Füllgut 12 geerdet werden kann, um die Wirkung des unten erläuterten Sensors 22 zu erhöhen. An der Außenseite des Deckels 14 hat die Platte 16 einen Kopf 18 für ihre Befestigung.
An der Außenwand 20 des Behälters 10 ist ein Sensor 22 aus Metall angebracht, der sich über nahezu die gesamte Höhe des Behälters 10 erstreckt. Der Sensor 22 ist mit einer elektrischen Leitung 24 verbunden, die an eine Wechselspannungsquelle 26 angeschlossen ist, die einen Wechselstrom der Frequenz f in der Leitung 24 erzeugt. In die Leitung 24 ist ferner ein Meß- und/oder Anzeigegerät 28 geschaltet, beispielsweise ein Strommesser.
Die Wand 20 mit der Wandstärke d zwischen dem Sensor 22 und der Flüssigkeit 12 bildet das Dielektrikum des aus dem Füllgut 12 und dem Sensor 22 gebildeten Kondensators. Die Wand 20 besteht aus elektrisch nicht leitendem Material, beispielsweise Kunststoff oder Glasfaserwerkstoff.
Nach dem Gesetz von Coulomb gilt für die Kapazität:
C = e β • e -. • A/d , wobei
A = Fläche des Kondensators (A = b x h) mit h = Höhe des Sensor 22 bis zum Füllgutpegel b = Breite des Sensors 22 (nicht dargestellt) .
Nach dem Ohmschen Gesetz gilt:
I = U/Xc mit
I = vom Meßgerät 28 gemessene Stromstärke
U = erzeugte Spannung an der Wechselspannungsquelle 26
Xc = kapazitiver Blindwiderstand (Reaktanz) , wobei χc = 1/ CJ-C mit t = 2 V f . f = Frequenz der Spannung U
Durch Verknüpfen der beiden erläuterten Gleichungen nach Coulomb und Ohm ergibt sich für die gemessene Stromstärke:
I = U/d • ω- eβ • er • b • h mit
U/d - tu • eβ • er • b = K (const) .
Zwischen der Stromstärke und der Höhe h besteht somit der lineare Zusammenhang :
I = K x h oder h = I/K.
Die Stromstärke I ändert sich somit proportional mit der Höhe des Pegelstandes des Füllgutes 12 im Behälter 10. Es ist damit möglich, die Stromstärke zu messen und als Pegelstand des Füllgutes 12 anzuzeigen und/oder als elektrisches Signal zur Betätigung einer in den Figuren 8 oder 9 dargestellten Einrichtung zur automatischen Füllstandskorrektur (Nachfüllen oder Ablassen von Füllgut 12) zu verwenden.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, gemäß welchem der Sensor 22, der an der Außenseite des aus nicht leitendem Material bestehenden Behälters 10 angebracht ist, so mit der Wechselspannungsquelle 26 verbunden ist, daß er ein elektrisches Feld erzeugt, dessen Feldlinien in Figur 2 angedeutet sind. Dieses Feld wird je nach der Natur des nicht geerdeten Füllgutes 12 verstärkt oder vermindert, wobei der Grad der Verstärkung oder Verminderung von der Höhe des Pegelstandes abhängt. Das elektrische Feld und dessen Änderungen können mit Hilfe des Meßgerätes 28 gemessen, angezeigt und als Auslöser automatischer Füllstandskorrekturen verwendet werden.
Eine weitere Variante zeigt Figur 3, bei welcher der Sensor 22 in das Füllgut 12 eintaucht. Sofern dieses elektrisch leitend ist, muß der Sensor 22 durch eine nicht leitende Ummantelung 34 gegen das Füllgut isoliert sein. Die Wand 20 des Behälters 10 kann aus jedem beliebigen Material bestehen, das leitend oder nicht leitend sein kann. Zusätzlich ist es möglich, das Füllgut 12 und/oder den Behälter 10 an eine Erdung 36 anzuschließen.
Auch bei der Variante der Figur 3 wird durch die Wechselspannungsquelle 26 am Sensor 22 ein elektrisches Feld erzeugt, das sich mit dem Pegelstand ändert und am Meßgerät 26 gemessen bzw. angezeigt werden kann.
Alternativ zur Anordnung des Sensors 22 im Füllgut 12 oder an der Wand 20 aus nicht leitendem Material besteht auch die Möglichkeit, den Sensor 22 in die Außenwand 20 einzulassen, was bereits bei der Herstellung des Behälters 10 erfolgt. Der Sensor 22 kann zusammen mit seiner isolierenden Ummantelung 34 auch unmittelbar an der Innenseite der Wand 20 angebracht sein. Wenn im Fall der Anordnung gemäß Figur 3 das Füllgut 12 und die Wand 20 elektrisch nicht leitend sind, kann selbstverständlich die Ummantelung 34 des Sensors 22 entfallen.
Figur 4 zeigt in Draufsicht einen Behälter 10, der an mehreren Stellen seiner Wand 20 mit Sensoren 22 bestückt ist. Jedem Sensor 22 kann ein eigenes oder allen ein gemeinsames Meßgerät 28 zugeordnet sein, so daß die Füllhöhe im Behälter 10 an unterschiedlichen Stellen ermittelt werden kann. Aus den verschiedenen Sensorsignalen kann elektronisch ein Mittelwert gebildet werden, der die Füllhöhe im Behälter 10 auch dann mit erwünschter Genauigkeit anzeigt, wenn sich das Füllgut 12 im Behälter in Bewegung befindet. Ein typischer Anwendungsfall dieser Sensoranordnung ist der Kraftstofftank in einem Flugzeug.
Zur Bildung des Mittelwertes kann ein RC-Tiefpaßfilter mit einer Zeitkonstante von wenigen Sekunden verwendet werden, der in Figur 5 skizziert ist. Mit Hilfe eines Gleichrichters 30 wird das Wechselstromsignal des Sensors 22 als Gleichstrom mit der Spannung U dem aus Widerstand R und Kondensator C bestehenden Tiefpaßfilter 32 zugeführt, um von dort ohne Anteile mit Frequenzen über f = l/RC von einigen Zehntel Hertz zur Anzeige als Pegelstand zu gelangen. Wenn aus den so verarbeiteten Signalen mehrerer Sensoren 22 mittels geeigneter Elektronik ein Mittelwert gebildet wird, ergibt sich eine genaue Füllstandsmessung auch dann, wenn sich der Behälter 10 in Bewegung befindet und sein Inhalt entsprechend schwappt.
Die Figuren 6 und 7 zeigen schematisch eine weitere Anwendungsmöglichkeit, bei der der kapazitive Sensor 22 als eine passive Sonde verwendet wird. Sie ist an der nicht leitenden Außenwand 20 des Behälters 10 befestigt, beispielsweise einer Batteriezelle. Im Elektrolyten der Zelle wird durch Impulsladung oder Impulsentladung eine elektrische Spannungsänderung - angedeutet durch die Rechteckspannung an der Spannungsquelle 26 - erzeugt. Zwischen dem Elektrolyten 12 und dem Sensor 22 entsteht dadurch ein elektrisches Feld, das zu einer kapazitiven Stromaufnahme des Sensors 22 führt, die sich in Abhängigkeit von der Füllhöhe des Elektrolyts 12 ändert. Diese Änderung kann nach entsprechender Kalibrierung des Systems analog oder digital als Füllstand des Elektrolyts angezeigt werden.
Bei wiederholter kurzzeitiger Entladung der Batterie nehmen der vom Elektrolyten ausgehende Impuls und damit die kapazitive Stromaufnahme des Sensors 22 in Abhängigkeit vom Ladezustand der Batterie ab. Nach entstprechender Kalibrierung des Systems kann aus dieser Abnahme auf die aktuelle Restladung der Batterie geschlossen und diese angezeigt werden.
Nach vollständiger Aufladung einer nicht mehr neuen Batterie kann mit Hilfe des soeben dargestellten Verfahrens aus der kapazitiven Stromaufnahme des Sensors 22 auf die tatsächlich noch vorhandene Restkapazität der Batterie geschlossen und nach Vergleich mit der ursprünglichen Sollkapazität als Bruchteil dieser Sollkapazität angezeigt werden. Diese Anzeige informiert über den aktuellen Allgemeinzustand der Batterie.
Figur 7 zeigt schematisch die in Figur 6 dargestellte Anwendungsmöglichkeit bei einer Batterie mit drei Zellen.
Die Verwendung der Sonde als passiver Sensor ist nicht auf Batterien beschränkt. Denkbar sind vielmehr auch Anwendungen, bei denen dem Füllgut von außen eine WechselSpannung zugeführt wird, um aus der kapazitiven Stromaufnahme des Sensors auf den Pegel oder andere variable Eigenschaften des Füllgutes zu schließen.
Verfahren und Vorrichtung gemäß der Erfindung können zur Füllstandsmessung auf vielen Gebieten angewendet werden, beispielsweise bei Produktionsprozessen, in der Medizin, hier etwa zur Überwachung von Infusionen oder dergleichen, in Laboratorien oder in der Batterieüberwachung. Wie bereits erwähnt, können die mit Hilfe des Sensors ermittelten Meßergebnisse zur Steuerung der Füllmengenkorrektur sowie zur Auslösung von Warnsignalen bei Erreichen kritischer Füllstände verwendet werden.
In diesem Sinn zeigt Figur 8 schematisch einen Behälter 10, der als Gehäuse für eine Batterie ausgebildet ist und Flüssigkeit 12 (Elektrolyt) aufnimmt. Im Deckel 14 des Behälters 10 ist eine Flüssigkeitsleitung 38 vorgesehen, die für die Zufuhr 40 von Flüssigkeit (destilliertes Wasser) in den Behälter 10 dient, wenn darin der Pegel unter eine vorgeschriebene Mindesthöhe h' abgesunken ist.
In einem erweiterten Abschnitt 42 der Flüssigkeitsleitung 38 ist ein Ventil 44 angeordnet, das von einer Betätigungseinrichtung 46 gesteuert wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Betätigungseinrichtung 46 eine elektromagnetische Funktionsweise haben, so daß zur Steuerung eine elektrische Signalleitung 48 dient .
An der Außenwand 20 des Behälters 10 ist ein kapazitiver Pegelsensor 22 angebracht. Dieser mißt ständig die Höhe h1 der Flüssigkeit 12 im Behälter 10 und gibt dann, wenn eine vorgeschriebene Mindesthöhe unterschritten wird, ein elektrisches Signal an eine elektronische Steuereinheit 50 ab, die ebenfalls außerhalb des Behälters 10 angebracht ist. Zur Stromversorung sowohl der Steuereinheit 50 als auch des Sensors 22 dient eine Spannungsquelle 52.
Daneben besteht jedoch auch die Möglichkeit, einen Pegelsensor 22 vorzusehen, der entsprechend dem Füllstand optische, akustische, pneumatische oder hydraulische Meßsignale aufnimmt, die anschließend in der Steuereinheit 50 in elektrische Steuersignale umgewandelt und über die Signalleitung 48 an die Betätigungseinrichtung 46 weitergegeben werden. Wenn der Sensor 22 aufgrund des unter die Mindesthöhe h' abgesunkenen Niveaus der Flüssigkeit 12 im Behälter 10 ein Signal abgibt, das von der Steuereinheit 50 über die Signalleitung 48 an die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 46 weitergegeben wird, hat dies zur Folge, daß das Ventil 44 in die in Figur 8 gezeigte Öffnungsstellung angehoben wird, so daß über die Flüssigkeitsleitung 38 Flüssigkeit in Richtung der eingezeichneten Pfeile in den Behälter 10 zugeführt wird. Sobald der vorgeschriebene Pegelstand wieder erreicht ist, erhält die Betätigungseinrichtung 46 vom Sensor 22 und über die Steuereinheit 50 ein Steuersignal, so daß das Ventil 44 wieder geschlossen wird.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 9 ist der Behälter 10 ein Wasserkasten für eine Toilette, der mit Wasser als Flüssigkeit 12 gefüllt ist. Auf dem Deckel 14 des Behälters 10 ist die elektronische Steuereinheit 50 mit Spannungsquelle 52 angebracht, die über eine Signalleitung 48 mit dem Sensor 22 verbunden ist, welcher auch hier an der Außenseite der Wand 20 des Behälters 10 befestigt ist.
Die Flüssigkeitsleitung 38 für die Zufuhr 40 von Wasser mündet durch den Deckel 14 hindurch in den Behälter 10. Das in dem erweiterten Abschnitt 42 vertikal verschiebbar gelagerte Ventil 44 dient zur Steuerung des Zuflusses 40 von Wasser in den Behälter 10, wobei auch hier die Betätigungseinrichtung 46 des Ventils 44 über die Signalleitung 48 und die elektronische Steuereinheit 50 von dem Sensor 22 gesteuert wird.
Im Boden 58 des Behälters 10 befindet sich eine weitere Flüssigkeitsleitung 38' mit einem Ventil 44, das den Abfluß 60 des Wassers steuert. Die Betätigungseinrichtung 46 dieses Ventils 44 ist über eine elektrische Signalleitung 48' ebenfalls mit der Steuereinheit 50 verbunden. Eine der Figur 8 ähnliche Anordnung eignet sich auch für
Wasservorratsbehälter auf Dächern von Wohngebäuden, die beispielsweise während der Nachtstunden mit Wasser aus dem Gemeindenetz versorgt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Messen des Pegelstandes eines Füllgutes in einem Behälter (10) mit Hilfe einer kapazitiven Sensorschaltung, bei der ein Sensor (22) über eine elektrische Leitung (24) mit einer Wechselspannungsquelle (26) bekannter Frequenz (f) verbunden und der in der Leitung (24) fließende Strom an einem Meßgerät (28) gemessen und/oder angezeigt wird, wobei die gemessene Stromstärke direkt proportional zum Pegelstand des Füllgutes ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung am Füllgut (12) anliegt oder in diesem erzeugt wird und daß die Kapazität des aus dem einzigen, passiv wirkenden Sensor (22) und dem Füllgut bestehenden Kondensators gemessen und als Pegelstand angezeigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (22) an der Wand (20) des Behälters (10) so angebracht wird, daß er sich über die Höhe aller im Behälter (10) zu erwartenden Pegelstände erstreckt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (22) an der Außenseite der Wand (20) aus elektrisch nicht leitendem Material angebracht ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannungsquelle (26) gegen das Füllgut (12) im Behälter (10) geerdet ist.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannungsquelle (25) vom Füllgut (12) getrennt geerdet ist .
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (22) in das elektrisch leitende Füllgut (12) eintaucht und gegen dieses elektrisch isoliert ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am oder im Behälter (10) mehrere Sensoren (22) an unterschiedlichen Stellen angebracht werden, wobei aus den Kapazitätswerten aller Sensoren (22) ein Mittelwert gebildet und angezeigt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstärke eines oder mehrerer Sensoren (22) mittels einer RC- Tiefpaßfilterschaltung (30) mit einer Zeitkonstante von wenigen Sekunden ermittelt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der am Meßgerät (28) ermittelte Wert als Signal zur Aktivierung einer Einrichtung zur automatischen Füllstandskorrektur verwendet wird.
10. Vorrichtung zum Messen des Pegelstandes eines Füllgutes (12) in einem Behälter (10) mit dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine kapazitive Sensorschaltung, gekennzeichnet durch einen einzigen, am oder im Behälter (10) angeordneten Sensor (22) , an den über eine elektrische Leitung (24) eine Wechselspannungsquelle (26) angeschlossen ist, wobei in die Leitung (24) ein Meßgerät (28) zur Kapazitätsermittlung geschaltet ist.
11. Vorrichtung zum Messen des Pegelstandes eines Füllgutes (12) in einem Behälter (10) mit dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine kapazitive Sensorschaltung, gekennzeichnet durch einen einzigen am oder im Behälter (10) angeordneten Sensor (22) und eine im Füllgut (12) anliegende WechselSpannung (26) , die vom Füllgut (12) kapazitiv übernommen, wobei die im Meßgerät (28) ermittelte Kapazität gemessen und als Pegelstand angezeigt wird.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz des Behälters (10) als Batterie die Wechselspannung im als Elektrolyt wirkenden Füllgut (12) durch Impulsladung oder Impulsentladung erzeugt wird und daß die dadurch in dem Sensor (22) erzeugte, kapazitive Stromaufnahme im Meßgerät (28) gemessen und in Abhängigkeit von der Impulscharakteristik als Elektrolytpegel, Ladezustand oder Allgemeinzustand der Batterie zur Anzeige kommt .
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (22) an der Außenwand (20) des aus elektrisch nicht leitendem Material bestehenden Behälters (10) angebracht ist und sich mindestens über die Höhe aller im Behälter (10) zu erwartenden Pegelstände erstreckt.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz des gemäß Anspruch 1 aktiv wirkenden Sensors (22) das Füllgut (12) geerdet ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannungsquelle (26) des aktiven Sensors (22) gegen das Füllgut (12) geerdet ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllgut (12) nicht geerdet ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (22) über eine Signalleitung (48) mit einer Betätigungseinrichtung (46) für ein Ventil (44) verbunden ist, das in einer an den Behälter (10) angeschlossenen Leitung (38) zum automatischen Nachfüllen mit dem Füllgut angebracht ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sensor (22) eine elektronische Steuereinheit (50) nachgeschaltet ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (22) in Abhängigkeit vom Füllstand Signale abgibt, die über die Signalleitung (48) als Steuersignale an die Betätigungseinrichtung (46) gelangen.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (50) elektrische Steuersignale für die Betätigungseinrichtung (46) erzeugt.
21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (44) eine elektrische oder elektromagnetische Betätigungseinrichtung (46) hat.
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