WO2004008084A1 - Verfahren zur messung des füllstandes eines fluids in einem behälter und entsprechender füllstandssensor mit wenigstens einem kapazitiven sensorelement - Google Patents

Verfahren zur messung des füllstandes eines fluids in einem behälter und entsprechender füllstandssensor mit wenigstens einem kapazitiven sensorelement Download PDF

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sensor
electrode
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Andreas Schalk
Rainer Schalk
Franz Stuhlbacher
Martin Trsek
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Exess Engineering Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for measuring the level of a fluid, in particular a liquid, in a container and a corresponding level sensor suitable for carrying out the method.
  • Level sensors can be based on a wide variety of physical measurement principles.
  • hydrostatic or pneumatic sensors are known which measure the height of a liquid level with the help of the hydrostatic pressure of a liquid column above the sensor.
  • Radar sensors or optical sensors are also known which determine the height of a liquid level over the transit time of short radar or light pulses which are reflected on the liquid surface.
  • optical sensors for level measurement work on the principle of a light barrier.
  • Mechanical fill level sensors have found a particularly wide range of use, since they are simple in construction and can accordingly be produced inexpensively. With mechanical level sensors, the position of a float that is immersed in the liquid of interest is measured and converted into an electrical signal via a resistance piston. Lever sensors or immersion tubes are usually used to transfer the level from the float to the resistance piston.
  • Hydrostatic sensors, radar sensors or optical sensors are complex and expensive and therefore for areas of application that are subject to high cost pressure exposed, as is the case for example in the automotive industry, is not suitable.
  • the inexpensive mechanical sensors in turn have the disadvantage that the movable mechanical components are susceptible to wear and can be damaged if subjected to excessive mechanical stress.
  • Another disadvantage of mechanical level sensors is that they cannot be used if, for example, packing elements are to be installed in a container for flammable liquids to prevent fires or explosions.
  • Such fillers can consist, for example, of a sheet-like molded part developed by the applicant under the product name "eXess" and described in European patent application EP-A-0 699 474.
  • Level sensors are also known which work with capacitive sensor elements.
  • the capacitance of a capacitor formed from measuring electrodes is used as a measure of the fill level. This takes advantage of the fact that the capacitance of the capacitor also changes when the dielectric between the measuring electrodes changes. This results in the capacitance C x of a capacitor which is immersed in a liquid with the relative dielectric constant ⁇ r over a section of the length l m of its longitudinal extent and has air as a dielectric ( ⁇ r of air »1) on the remaining section l g
  • k is an electrode constant into which - for example in the case of a plate capacitor - essentially the width and the spacing of the capacitor plates are included, and ⁇ 0 are the absolute dielectric constant.
  • Capacitive level sensors usually have at least one capacitive sensor element which consists of an excitation electrode and a sensor electrode. A sinusoidal or rectangular shape is applied to the excitation electrode
  • a current-voltage amplifier for example a transimpedance amplifier, functions as the receiver. Capacity changes in the Capacitive sensor elements of a level sensor are often also determined in an oscillator circuit by measuring the oscillation frequency dependent on the capacitance of the sensor element.
  • Level sensors are, in particular, parasitic capacitances, such as those that occur on the lines to the electrodes, or also stray capacitances, as they arise when using several capacitive sensor elements, for example as a result of adjacent electronic components. For this reason, conventional fill level sensors are usually provided with additional shield electrodes and have complex compensation and evaluation circuits implemented in analog technology. For these reasons, capacitive level sensors, for example in the automotive sector, are not yet competitively priced with the widespread mechanical sensors.
  • the present invention is therefore based on the technical problem of providing a simple and inexpensive method for filling level measurement and a corresponding, inexpensive fill level sensor, the design of which can easily be adapted to the special requirements of a wide variety of application areas.
  • the invention accordingly relates to a method for measuring the fill level of a fluid in a container, wherein at least one capacitive sensor element, which comprises a measuring electrode and a counter electrode, is periodically charged and discharged again with a constant voltage, and the mean charging current is measured in the process.
  • the level of the fluid in the container can be determined from the measured average charging current.
  • N is the number of charge cycles per unit of time.
  • the invention further relates to a fill level sensor with a DC voltage source, at least one capacitive sensor element which has a measuring electrode and a counter electrode, a switch which can be switched periodically between a first position for charging the measuring electrode and a second position for discharging the measuring electrode, and means for Measurement of the average charging current flowing between the direct current source and the measuring electrode.
  • the capacitive sensor element of the level sensor according to the invention is particularly simple. Instead of an excitation electrode and a sensor electrode, the capacitive sensor element has only one measuring electrode which interacts with a simple counter electrode which is advantageously grounded. Only digital signals for switching the sensor element are transmitted from and to the capacitive sensor element. The actual measured variable in the supply line to the measuring electrode is the low-frequency charging current, the mean value of which is evaluated. There is therefore no need for complex shield electrodes or complex evaluation circuits to compensate for parasitic capacitances.
  • the fill level sensor according to the invention can predominantly be implemented with digital components, so that the relatively expensive and expensive analog analog electronics previously used in capacitive measuring methods are avoided can be.
  • the level sensor according to the invention is also easy to manufacture. This is because inexpensive processes from the electronics industry, for example the production of printed circuit boards, the assembly and testing of the circuits, can be used.
  • the capacitive sensor is advantageously charged and discharged via an electronic switch.
  • the electronic switch is particularly advantageously switched with a defined frequency, so that, according to the above equation, the average charging current I M is directly proportional to the sought capacitance C of the sensor element.
  • the electronic switch can be implemented discretely, for example with FET transistors or can be designed as an analog switch.
  • the electronic switch is particularly advantageous as a logic gate, for example as a clockable one
  • Logic gate designed, wherein the logic gate is particularly preferably implemented in CMOS technology, since the quiescent current of such a CMOS gate is low and negligible compared to the average charging current to be measured.
  • a plurality of capacitive sensor elements are used, in particular a plurality of capacitive sensor elements which can be controlled sequentially are provided.
  • the fill level sensor according to the invention is accordingly segmentable, wherein the measuring section can consist of one segment or can be composed of numerous segments. It is possible to measure several sections
  • the measuring accuracy of the level sensor according to the invention can also be easily scaled.
  • a given measuring section can be divided into short segments to increase accuracy. The accuracy increases accordingly in proportion to the number of segments. It is also possible, for example to execute the measuring electrode as an elongated electrode element. Depending on the angle of the electrode element to the surface of the fluid to be measured, the measurement accuracy can then also be influenced.
  • Segmented level sensors are particularly suitable when levels of multiphase liquids have to be monitored.
  • a segmented level sensor also enables particularly simple calibration when the liquid surface or interface changes from one segment to the next segment.
  • a switch is preferably assigned to each sensor element, the switches being particularly advantageously individually unlockable via an output of a shift register.
  • the switches can also be switched sequentially via a common clock line.
  • the sensor elements When using a plurality of sensor elements, it is also preferred that the sensor elements have a common ground electrode, so that the manufacturing outlay is further reduced.
  • the fill level sensor according to the invention can not only be implemented on a rigid support, for example a circuit board, but the sensor is particularly advantageously designed, for example as a printed circuit, on a flexible or semi-flexible support.
  • a film can be used as a carrier material. This means that the liquid sensor can also be easily mounted on curved surfaces, as is often the case with tank containers.
  • the conductor structures can be printed on continuous film, for example, and the electronic components can be, for example, by means of
  • Adhesive technology can be applied. The foils can then be cut to length and cut to size.
  • the sensor electrodes are electrically insulated from the fluid whose level is to be measured.
  • a thin, for example 10-50 ⁇ m thick layer of plastic or solder lacquer can be applied as electrical insulation.
  • the electrical insulation serves thereby as corrosion protection for the sensor electrodes. Electrolytic decomposition of the electrodes is also prevented in electrically conductive liquids.
  • Figure 1 is a schematic representation of the basis of the inventive method and the level sensor according to the invention
  • Figure 2 is a schematic representation of the dependence of a
  • F Fiigguurr 3 3aa is a circuit diagram showing the design of the switch of Figure 1 as an electronic logic gate
  • Figure 3b shows a variant of the circuit diagram of Figure 3a
  • Figure 4a is a schematic overall circuit diagram of one of four capacitive
  • Figure 5 is a plan view of a strip-shaped level sensor with four capacitive sensor elements.
  • the fill level sensor 10 has a DC voltage source 11, the output voltage U g , which is typically between 3 and 15 volts, can be applied via a switch 12 to a measuring electrode 13 of a capacitive sensor element 14.
  • the sensor element 14 also has a simple counter electrode 15 which is at ground potential.
  • the switch 12 has two positions, the capacitive sensor element 14 being charged in the position shown in FIG. In the second (not shown) position, the measuring electrode 13 is also grounded 16 and is consequently unloaded. It is indicated symbolically in the insert 17 that the switch 12 is periodically switched back and forth between the two positions, so that the direct voltage U g is applied to the measuring electrode 13 in the form of rectangular pulses.
  • the average charging current I m is measured in the feed line 19, which leads from the voltage source 11 to the measuring electrode 13, via a current measuring device 18.
  • the average charging current l m is directly proportional to the capacitance C x of the capacitive sensor element 14 at a constant voltage ug and a predetermined number ⁇ / of the charging cycles per unit of time. The dependence of the capacity on the fill level is explained below.
  • FIG. 2 schematically shows a situation in which the capacitive sensor element 14 is partially immersed in a liquid 20 with a relative dielectric constant ⁇ r > 1. Between the measuring electrode 13 and the counterelectrode 15 there is therefore a section l m
  • Capacitor length a liquid dielectric 20 with ⁇ r > 1, while on the remaining section l g there is a gaseous dielectric 21 (air) with a relative dielectric constant ⁇ r ⁇ 1 between the electrode plates 13, 15.
  • the total capacitance C x of the capacitive sensor element 14 thus results as a parallel connection of the two resulting partial capacitances as follows:
  • the capacity in turn can be determined from the average charging current.
  • the capacitance C x more or less charge flows to the electrodes in a time predetermined by the frequency (number N of charging cycles per unit time).
  • This charge transport corresponds to a charge current, the mean value of which is proportional to the capacity.
  • the charging current itself has an exponentially falling characteristic for each voltage pulse. It is therefore advantageous to use the current measuring device 18 (FIG. 1), for example, via a First-order low-pass filter smoothing the current profile, as will be explained in more detail below with reference to the circuit shown in FIG. 3a.
  • FIG. 3a schematically shows a preferred embodiment of the switch 12, which in the example shown is designed as a CMOS logic gate 22.
  • FIG. 3a shows a NAND gate, it being irrelevant for the charging principle of the capacitor which type of logic (AND, OR, NAND, NOR, etc.) is used.
  • the CMOS gate 22 is constructed from p-channel MOSFETs 23 and n-channel MOSFETs 24.
  • the two inputs 25, 26 of the gate are controlled by a (not shown) microprocessor with a frequency CLK 1 of 300 kHz or a frequency CLK 2 of 100 Hz.
  • the input 26 is "0" (ie LOW)
  • the DC voltage signal present at the connection 27 with the clock frequency CLK 1 present at the connection 25 leads to the capacitive sensor 14 Output 28 appears.
  • the n-channel MOSFETs pull the output 28 against the ground 16 at the connection 29 and that capacitive sensor element 14 is discharged.
  • the charging current flowing when charging the sensor element 14 can be generated via a measuring resistor 30
  • the ammeter 18 advantageously also has a suitably dimensioned capacitor 31 so that a low-pass filter of the 1st order is formed and the low-frequency current component is essentially detected at the resistor 30.
  • FIG. 3b shows a variant of the switch 12, the switch being able to be enabled via an output Qa (or Qb, Qc, or Qd) of a shift register (not shown in FIG. 3b).
  • Figure 4a now shows a circuit of a further embodiment of the level sensor according to the invention. Components that correspond to the components described in connection with the embodiment of FIGS. 1 to 3 or fulfill a comparable function are identified by the same reference numbers.
  • the fill level sensor 10 of FIG. 4a has one
  • Each sensor element 14a-14d is assigned a switch 12a-12d designed as a CMOS logic gate, which in turn is clocked by a microprocessor (not shown).
  • a circuit was implemented in which only a single control line 32 for the sequential control of the capacitive sensor elements 14a
  • a D- is placed in front of each input of the logic gate 12a - 12d.
  • Flip-flop 33a - 33d switched, whose Q output 34a - 34d forms the input signal both for the logic gate 12a - 12d designed as a NAND gate and for the D input of the next D flip-flop.
  • the “clock inputs” of the flip-flops 33a-33d are controlled by the control line 32 with a frequency CLK 2 of 100 Hz. If a signal is applied to the input of the first flip-flop 33a, the first significant edge of the 100 Hz clock, the Q output "0" (LOW) and the first NAND gate 12a for the measuring clock CLK 1 fed via line 35, which here again has a frequency of 300 kHz, transparent. At the same time, a HIGH signal is present at the second flip-flop 33b.
  • the second flip-flop 33b takes over the LOW signal of the first flip-flop 33a, while a HIGH signal is again present at the input of the first flip-flop 33a, and this flip-flop and the NAND gate 12a are included a HIGH signal at the output.
  • the LOW signal can be passed on by any number of flip-flops, so that any number of capacitive sensor elements 14 can be controlled with one control line.
  • the fill level sensor 10 shown in FIG. 4a is also controlled by a third clock CLK 3, which is also advantageously provided by a microprocessor via a line 36.
  • the third clock signal represents the start signal for is the first electrode and depends on the total number of capacitive measuring elements. When the measuring cycle has arrived at the last flip-flop (34d in FIG. 4a), a new signal must be present for the first significant edge at the first flip-flop (34a).
  • the third clock frequency CLK 3 thus essentially results from the second clock frequency divided by the number of capacitive sensor elements, which in the example shown leads to a third clock frequency of 25 Hz.
  • the choice of the three clock frequencies CLK CLK 2 and CLK 3 depends in particular on the capacitance ranges to be measured, the number of capacitive sensor elements and other boundary conditions such as the desired measurement accuracy.
  • the measurement frequencies CLK can, for example, be selected in a wide range, for example between a few kHz to a few MHz.
  • Clock frequency CLK 2 for switching the pulse from one flip-flop to the next depends on the settling process of the charging current at the measuring resistor 30 and can be, for example, between a few Hz and a few kHz.
  • FIG. 4b shows a variant of the circuit of FIG. 4a, in which the switches 12a, 12b, 12c and 12d are activated individually via the outputs of a shift register 50.
  • FIG. 5 shows a top view of a strip-shaped fill level sensor 10 according to the invention which, according to the circuit diagram in FIG. 4a, has four capacitive sensor elements 14a-14d.
  • Each sensor element has an elongated measuring electrode 13a-13d, each through non-conductive areas 38a - 38d are separated from a common counter electrode 15.
  • the electrodes are printed on a carrier, for example a flexible film 39, and are connected to lines (not shown) on the back of the carrier by means of plated-through holes 40a-40d.
  • the corresponding components (likewise not recognizable in the illustration in FIG.
  • connection pins 41 are arranged for the connection to a microprocessor.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Füllstandes eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, in einem Behälter durch Messung des mittleren Ladestroms eines oder mehrerer Kondensatoren, die periodisch aufgeladen und entladen werden. Die Erfindung betrifft außerdem einen entsprechenden, zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Füllstandssensor, der eine Gleichspannungsquelle (11), wenigstens ein kapazitives Sensorelement (14), das eine Messelektrode (13) und eine Gegenelektrode (15) aufweist, einen elektronischen Schalter (12), der periodisch zwischen einer ersten Stellung zum Aufladen der Messelektrode (13) und einer zweiten Stellung zum Entladen der Messelektrode (13) schaltbar ist, und Mittel (18) zur Messung des zwischen der Gleichspannungsquelle (11) und der Messelektrode (13) fließenden mittleren Ladestroms umfasst.

Description

VERFAHREN ZUR MESSUNG DES FÜLLSTANDES EINES FLUIDS IN EINEM BEÄLTER UND ENTSPRECHENDER FÜLLSTANDSSENSOR MIT WENIGSTENS EINEM KAPAZITIVEN SENSORELEMENT
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Füllstandes eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, in einem Behälter und einen entsprechenden, zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Füllstandssensor.
In unterschiedlichsten Bereichen der Technik ist es wichtig, den Füllstand von Fluiden, beispielsweise von Flüssigkeiten oder pastösen Materialien, zu messen und, etwa in elektronischer Form, weiterzuverarbeiten oder anzuzeigen. Beispielhaft seien die Messung des Flüssigkeitsfüllstandes in Treibstoff-, Kühlwasser-, Öl- oder Bremsflüssigkeitsbehältern von Kraftfahrzeugen, in Unterflurtanks von Tankstellen oder in unterschiedlichsten Vorratsbehältern und Reaktoren in der chemischen Industrie oder der Lebensmittelindustrie genannt. Füllstandssensoren können auf verschiedensten physikalischen Messprinzipien beruhen. So sind hydrostatische oder pneumatische Sensoren bekannt, welche die Höhe eines Flüssigkeitsspiegels mit Hilfe des hydrostatischen Drucks einer über dem Sensor anstehenden Flüssigkeitssäule messen. Es sind ferner Radarsensoren oder optische Sensoren bekannt, welche die Höhe eines Flüssigkeitsspiegels über die Laufzeit kurzer Radaroder Lichtimpulse bestimmen, die an der Flüssigkeitsoberfläche reflektiert werden. Andere optische Sensoren zur Füllstandsmessung arbeiten nach dem Prinzip einer Lichtschranke. Einen besonders weiten Einsatzbereich haben mechanische Füllstandssensoren gefunden, da sie einfach aufgebaut und dementsprechend kostengünstig herstellbar sind. Bei mechanischen Füllstandssensoren wird die Lage eines Schwimmers, der in die interessierende Flüssigkeit eintaucht, gemessen und über einen Widerstandskolben in ein elektrisches Signal umgewandelt. Für die Übertragung des Füllstandes vom Schwimmer auf den Widerstandskolben werden meist Hebelsensoren oder Tauchrohre eingesetzt.
Hydrostatische Sensoren, Radarsensoren oder optische Sensoren sind aufwändig und teuer und daher für Anwendungsbereiche, die sich einem hohen Kostendruck ausgesetzt sehen, wie dies beispielsweise in der Kfz-Industrie der Fall ist, nicht geeignet. Die kostengünstigen mechanischen Sensoren besitzen wiederum den Nachteil, dass die beweglichen mechanischen Komponenten verschleißanfällig sind und bei übermäßiger mechanischer Belastung beschädigt werden können. Nachteilig an mechanischen Füllstandssensoren ist außerdem, dass sie nicht eingesetzt werden können, wenn beispielsweise in einen Behälter für brennbare Flüssigkeiten Füllkörper zur Verhinderung von Bränden oder Explosionen eingebaut werden sollen. Derartige Füllkörper können beispielsweise aus einem von der Anmelderin unter der Produktbezeichnung „eXess" entwickelten und in der europäischen Patentanmeldung EP-A-0 699 474 beschriebenen flächenartigen Formteil bestehen.
Es sind auch Füllstandssensoren bekannt, die mit kapazitiven Sensorelementen arbeiten. Bei derartigen kapazitiven Messverfahren wird die Kapazität eines aus Messelektroden gebildeten Kondensators als Maß für den Füllstand verwendet. Dabei nutzt man aus, dass sich die Kapazität des Kondensators bei einer Änderung des zwischen den Messelektroden befindlichen Dielektrikums ebenfalls ändert. So ergibt sich die Kapazität Cx eines Kondensators, der auf einer Teilstrecke der Länge lm seiner Längsausdehnung in eine Flüssigkeit mit der relativen Dielektrizitätskonstante εr eintaucht und auf der restlichen Teilstrecke lg Luft als Dielektrikum (εr von Luft » 1 ) besitzt als
Cx = k ε0 (lg + lm εr),
wobei k eine Elektrodenkonstante, in die - z.B. im Fall eines Plattenkondensators - im wesentlichen die Breite und der Abstand der Kondensatorplatten eingehen, und ε0 die absolute Dielektrizitätskonstante sind.
Üblicherweise weisen kapazitive Füllstandssensoren wenigstens ein kapazitives Sensorelement auf, das aus einer Anregungselektrode und einer Sensorelektrode besteht. An die Anregungselektrode wird ein sinus- oder rechteckförmiges
Spannungssignal gelegt. Als Empfänger fungiert ein Strom-Spannungsverstärker, beispielsweise ein Transimpedanzverstärker. Kapazitätsänderungen in dem kapazitiven Sensorelement eines Füllstandssensors werden häufig auch in einer Oszillatorschaltung durch Messung der von der Kapazität des Sensorelements abhängigen Schwingungsfrequenz ermittelt werden.
Problematisch für die Messgenauigkeit der bekannten kapazitiven
Füllstandssensoren sind insbesondere parasitäre Kapazitäten, wie sie an den Leitungen zu den Elektroden auftreten oder auch Streukapazitäten, wie sie bei Verwendung von mehreren kapazitiven Sensorelementen, beispielsweise durch benachbarte elektronische Bauelemente entstehen. Daher sind herkömmliche Füllstandssensoren meist mit zusätzlichen Schirmelektroden versehen und weisen aufwändige in Analogtechnik ausgeführte Kompensations- und Auswerteschaltungen auf. Aus diesen Gründen sind kapazitive Füllstandssensoren beispielsweise im Automobilbereich preislich noch nicht mit den weit verbreiteten mechanischen Sensoren konkurrenzfähig.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher das technische Problem zu Grunde, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Füllstandsmessung und einen entsprechenden, kostengünstigen Füllstandssensor bereitzustellen, dessen Auslegung leicht an die speziellen Erfordernisse unterschiedlichster Anwendungsbereiche angepasst werden kann.
Gelöst wird dieses Problem durch das Verfahren zur Messung des Füllstandes eines Fluids in einem Behälter gemäß vorliegendem Anspruch 1 und den Füllstandssensor gemäß vorliegendem Anspruch 7. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Verfahren zur Messung des Füllstandes eines Fluids in einem Behälter, wobei man wenigstens ein kapazitives Sensorelement, das eine Messelektrode und eine Gegenelektrode umfasst, periodisch mit einer konstanten Spannung auflädt und wieder entlädt und man dabei den mittleren Ladestrom misst. Aus dem gemessenen mittleren Ladestrom lässt sich der Füllstand des Fluids in dem Behälter bestimmen. Dabei macht man sich zu Nutze, dass beim pulsförmigem Anlegen einer Gleichspannung Ug an einen entladenen Kondensator der Kapazität Cx zunächst ein hoher Ladestrom fließt, der dann exponentiell gegen Null abnimmt. Für den mittleren Ladestrom lM, den man beispielsweise über eine Tiefpassschaltung in der Zuleitung zu der Messelektrode durch Messung des Spannungsabfalls an einem geeigneten Messwiderstand abgreifen kann, gilt nämlich die Beziehung:
lM = Cx Ug N,
wobei N die Zahl der Ladezyklen pro Zeiteinheit ist.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Füllstandssensor mit einer Gleichspannungsquelle, wenigstens einem kapazitiven Sensorelement, das eine Messelektrode und eine Gegenelektrode aufweist, einem Schalter, der periodisch zwischen einer ersten Stellung zum Aufladen der Messelektrode und einer zweiten Stellung zum Entladen der Messelektrode schaltbar ist und Mitteln zur Messung des zwischen der Gleichstromquelle und der Messelektrode fließenden mittleren Ladestroms.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung weisen zahlreiche Vorteile auf. So ist das kapazitive Sensorelement des erfindungsgemäßen Füllstandssensors besonders einfach aufgebaut. Anstelle einer Anregungselektrode und einer Sensorelektrode weist das kapazitive Sensorelement lediglich eine Messelektrode auf, die mit einer einfachen, vorteilhaft auf Masse liegenden Gegenelektrode zusammenwirkt. Von und zu dem kapazitiven Sensorelement werden lediglich digitale Signale zum Schalten des Sensorelements übertragen. Die eigentliche Messgröße in der Zuleitung zu der Messelektrode ist der niederfrequente Ladestrom, dessen Mittelwert ausgewertet wird. Es sind daher keine aufwändigen Schirmelektroden oder komplexe Auswerteschaltungen zur Kompensation von parasitären Kapazitäten notwendig. Der erfindungsgemäße Füllstandssensor lässt sich überwiegend mit digitalen Komponenten realisieren, so dass die bisher bei kapazitiven Messverfahren übliche und relativ teure Analogelektronik vermieden werden kann. Der erfindungsgemäße Füllstandssensor ist darüber hinaus einfach herstellbar. Es kann nämlich auf kostengünstige Prozesse aus der Elektronikindustrie, beispielsweise der Herstellung von Leiterplatten, der Bestückung und dem Austesten der Schaltungen zurückgegriffen werden.
Vorteilhaft lädt und entlädt man den kapazitiven Sensor über einen elektronischen Schalter.
Besonders vorteilhaft wird der elektronische Schalter mit einer definierten Frequenz geschaltet, so dass gemäß obiger Gleichung der mittlere Ladestrom lM direkt proportional zu der gesuchten Kapazität C des Sensorelementes ist.
Der elektronische Schalter kann diskret beispielsweise mit FET-Transistoren realisiert werden oder als Analogschalter ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft ist der elektronische Schalter jedoch als Logikgatter, beispielsweise als taktbares
Logikgatter, ausgebildet, wobei man das Logikgatter besonders bevorzugt in CMOS- Technologie ausführt, da der Ruhestrom eines solchen CMOS-Gatters gering und verglichen mit dem zu messenden mittleren Ladestrom vernachlässigbar ist.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden mehrere kapazitive Sensorelemente verwendet, wobei insbesondere mehrere sequentiell ansteuerbare kapazitive Sensorelemente vorgesehen sind. Der erfindungsgemäße Füllstandssensor ist demnach segmentierbar, wobei die Messstrecke aus einem Segment bestehen oder aus zahlreichen Segmenten zusammengesetzt sein kann. Es ist dabei möglich, Messstrecken von mehreren
Metern aus einzelnen Segmenten zusammenzusetzen, ohne dass die bei bekannten Füllstandssensoren notwendigen aufwändigen Schirmmaßnahmen erforderlich wären. Durch die Verwendung von mehreren kapazitiven Sensorelementen lässt sich die Messgenauigkeit des erfindungsgemäßen Füllstandssensors auch einfach skalieren. Eine gegebene Messstrecke kann zur Erhöhung der Genauigkeit in einzelne kurze Segmente unterteilt werden. Die Genauigkeit erhöht sich demnach proportional zu der Anzahl der Segmente. Es ist außerdem möglich, beispielsweise die Messelektrode als längliches Elektrodenelement auszuführen. Je nach Winkel des Elektrodenelements zur Oberfläche des zu messenden Fluids lässt sich die Messgenauigkeit dann ebenfalls beeinflussen. Segmentierte Füllstandssensoren eignen sich ganz besonders, wenn Füllstände von mehrphasigen Flüssigkeiten überwacht werden müssen. Ein segmentierter Füllstandssensor ermöglicht auch eine besonders einfache Kalibrierung beim Übergang der Flüssigkeitsoberfläche oder -grenzfläche von einem Segment zum folgenden Segment.
Werden mehrere Sensorelemente verwendet, so ist bevorzugt jedem Sensorelement ein Schalter zugeordnet, wobei die Schalter besonders vorteilhaft über jeweils einen Ausgang eines Schieberegisters individuell freischaltbar sind. Die Schalter können auch über eine gemeinsame Taktleitung sequentiell schaltbar sein.
Bei der Verwendung mehrerer Sensorelemente ist außerdem bevorzugt, dass die Sensorelemente eine gemeinsame, auf Masse liegende Gegenelektrode aufweisen, so dass sich der Herstellungsaufwand weiter verringert.
Der erfindungsgemäße Füllstandssensor lässt sich nicht nur auf einem starren Träger, beispielsweise einer Platine realisieren, sondern besonders vorteilhaft ist der Sensor, beispielsweise als gedruckte Schaltung, auf einem flexiblen oder semiflexiblen Träger ausgebildet. So kann z.B. eine Folie als Trägermaterial verwendet werden. Damit kann der Flüssigkeitssensor auch einfach auf gekrümmte Flächen montiert werden, wie sie häufig beispielsweise bei Tankbehältern vorkommen. Bei der Herstellung können die Leiterstrukturen beispielsweise auf Endlosfolie gedruckt und die elektronischen Bauelemente beispielsweise mittels
Klebetechnik aufgebracht werden. Die Folien können anschließend auf die benötigte Länge geschnitten und konfektioniert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Sensorelektroden gegenüber dem Fluid, dessen Füllstand gemessen werden soll, elektrisch isoliert. Als elektrische Isolation kann beispielsweise eine dünne, beispielsweise 10 - 50 μm dicke Schicht aus Kunststoff oder Lötlack aufgetragen werden. Die elektrische Isolierung dient dabei als Korrosionsschutz für die Sensorelektroden. In elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten wird außerdem eine elektrolytische Zersetzung der Elektroden verhindert.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf in den beigefügten Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung des dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen Füllstandssensor zugrundeliegende
Messprinzip;
Figur 2 eine schematische Darstellung der Abhängigkeit einer
Kondensatorkapazität vom Füllstand eines Fluids; F Fiigguurr 3 3aa eine Schaltskizze, welche die Auslegung des Schalters der Figur 1 als elektronisches Logikgatter zeigt;
Figur 3b eine Variante der Schaltskizze der Figur 3a;
Figur 4a ein schematisches Gesamtschaltbild eines aus vier kapazitiven
Sensorelementen bestehenden Füllstandssensors; F Fiigguurr 4 4bb eine Variante des Gesamtschaltbildes der Figur 4a; und
Figur 5 eine Aufsicht auf einen streifenförmigen Füllstandssensor mit vier kapazitiven Sensorelementen.
In Figur 1 ist eine Prinzipskizze der Schaltung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Füllstandssensors 10 dargestellt. Der Füllstandssensor 10 weist eine Gleichspannungsquelle 11 auf, deren Ausgangsspannung Ug, die typischerweise zwischen 3 und 15 Volt liegt, über einen Schalter 12 an eine Messelektrode 13 eines kapazitiven Sensorelementes 14 angelegt werden kann. Das Sensorelement 14 weist ferner eine einfache, auf Massepotential liegende Gegenelektrode 15 auf. Der Schalter 12 besitzt zwei Positionen, wobei in der in Figur 1 dargestellten Position das kapazitive Sensorelement 14 aufgeladen wird. In der zweiten (nicht dargestellten) Position liegt die Messelektrode 13 ebenfalls auf Masse 16 und wird folglich entladen. Symbolisch ist in dem Einschub 17 angedeutet, dass der Schalter 12 periodisch zwischen den beiden Positionen hin- und hergeschaltet wird, so dass die Gleichspannung Ug in Form von Rechteckimpulsen an der Messelektrode 13 anliegt. Über eine Strommesseinrichtung 18 wird in der Zuleitung 19, die von der Spannungsquelle 11 zu der Messelektrode 13 führt, der mittlere Ladestrom lm gemessen. Der mittlere Ladestrom lm ist, wie einleitend bereits dargestellt wurde, bei konstanter Spannung ügund vorgegebener Anzahl Λ/ der Ladezyklen pro Zeiteinheit direkt zur Kapazität Cxdes kapazitiven Sensorelementes 14 proportional. Die Abhängigkeit der Kapazität vom Füllstand wird im Folgenden erläutert.
In Figur 2 ist schematisch eine Situation dargestellt, bei der das kapazitive Sensorelement 14 teilweise in eine Flüssigkeit 20 mit einer relativen Dielektrizitätskonstante εr > 1 eingetaucht ist. Zwischen der Messelektrode 13 und der Gegenelektrode 15 befindet sich also auf einer Teilstrecke lm der
Kondensatorlänge ein flüssiges Dielektrikum 20 mit εr > 1, während sich auf der restlichen Teilstrecke lg ein gasförmiges Dielektrikum 21 (Luft) mit einer relativen Dielektrizitätskonstante εr ∞ 1 zwischen den Elektrodenplatten 13, 15 befindet. Die Gesamtkapazität Cx des kapazitiven Sensorelements 14 ergibt sich demnach als Parallelschaltung der beiden resultierenden Teilkapazitäten wie folgt:
Cx = k ε0(lg + lm εr).
Kennt man die Gesamtmessstrecke / kann man durch Bestimmung der Kondensatorkapazität Cx und über die Relation lg = l - lm den Füllstand aus der Bestimmung von /m ermitteln. Die Kapazität wiederum lässt sich aus dem mittleren Ladestrom bestimmen. Abhängig von der Kapazität Cx fließt nämlich in einer von der Frequenz (Anzahl N der Ladezyklen pro Zeiteinheit) vorgegebenen Zeit mehr oder weniger Ladung auf die Elektroden. Dieser Ladungstransport entspricht einem Ladestrom, dessen Mittelwert proportional zur Kapazität ist. Der Ladestrom selbst besitzt für jeden Spannungspuls eine exponentiell abfallende Charakteristik. Daher wird man vorteilhaft in dem Strommessgerät 18 (Figur 1 ) beispielsweise über einen Tiefpass erster Ordnung eine Glättung des Stromverlaufs vornehmen, wie im Folgenden unter Bezugnahme auf die in Figur 3a dargestellten Schaltung noch detaillierter erläutert wird.
Figur 3a zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform des Schalters 12, der im dargestellten Beispiel als CMOS-Logikgatter 22 ausgebildet ist. Figur 3a zeigt dabei ein NAND-Gatter, wobei es für das Ladeprinzip des Kondensators gleichgültig ist, welcher Logiktyp (AND, OR, NAND, NOR, usw.) verwendet wird. Das CMOS- Gatter 22 ist aus p-Kanal-MOSFETs 23 und n-Kanal-MOSFETs 24 aufgebaut. Die beiden Eingänge 25, 26 des Gatters werden von einem (nicht dargestellten) Mikroprozessor mit einer Frequenz CLK1 von 300 kHz beziehungsweise einer Frequenz CLK2 von 100 Hz angesteuert. Entsprechend der Wahrheitstabelle des NAND-Gatters findet man, dass dann, wenn der Eingang 26 gleich „0" (d.h. LOW) ist, das am Anschluss 27 anliegende Gleichspannungssignal mit der am Anschluss 25 anliegenden Taktfrequenz CLK1 an dem zu dem kapazitiven Sensor 14 führenden Ausgang 28 erscheint. In den Intervallen, in welchen der Ausgang 28 mit dem durch den Eingang 25 vorgegebenen Takt auf „0" (LOW) liegt, ziehen die n-Kanal- MOSFETs den Ausgang 28 gegen die am Anschluss 29 liegende Masse 16 und das kapazitive Sensorelement 14 wird entladen. Der beim Aufladen des Sensorelements 14 fließende Ladestrom kann als über einem Messwiderstand 30 erzeugter
Spannungsabfall abgegriffen und mittels eines (nicht dargestellten) Analog/Digital- Wandlers für die weitere Datenverarbeitung digitalisiert werden. Zur Glättung des Ladestroms während eines am Sensorelement 14 anliegenden Rechteckspannungsimpulses, weist der Strommesser 18 vorteilhaft auch einen geeignet dimensionierten Kondensator 31 auf, so dass ein Tiefpass 1. Ordnung gebildet wird und am Widerstand 30 im wesentlichen die niederfrequente Stromkomponente detektiert wird.
Figur 3b zeigt eine Variante des Schalters 12, wobei der Schalter über jeweils einen Ausgang Qa (bzw. Qb, Qc, oder Qd) eines in Figur 3b nicht dargestellten Schieberegisters freischaltbar ist. Figur 4a zeigt nun eine Schaltung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Füllstandssensors. Bauelemente, die den im Zusammenhang mit der Ausführungsform der Figuren 1 bis 3 beschriebenen Bauelementen entsprechen oder eine vergleichbare Funktion erfüllen, werden dabei mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. Der Füllstandssensor 10 der Figur 4a weist eine
Messstrecke auf, die durch vier parallel geschaltete kapazitive Sensorelemente 14a
- 14d gebildet wird. Jedem Sensorelement 14a - 14d ist ein als CMOS-Logikgatter ausgebildeter Schalter 12a - 12d zugeordnet, der wiederum über einen (nicht dargestellten) Mikroprozessor getaktet wird. Bei der in Figur 4a gezeigten Ausführungsform wurde eine Schaltung verwirklicht, bei der lediglich eine einzige Steuerleitung 32 zur sequentiellen Ansteuerung der kapazitiven Sensorelemente 14a
- 14d benötigt wird. Dazu wird vor jeden Eingang des Logikgatters 12a - 12d ein D-
Flip-Flop 33a - 33d geschaltet, dessen Q -Ausgang 34a - 34d das Eingangssignal sowohl für das als NAND-Gatter ausgebildete Logikgatter 12a - 12d als auch für den D-Eingang des nächsten D-Flip-Flops bildet. Im dargestellten Beispiel werden die „Clock-Eingänge" der Flip-Flops 33a - 33d von der Steuerleitung 32 mit einer Frequenz CLK2 von 100 Hz angesteuert. Wird an den Eingang des ersten Flip-Flops 33a ein Signal angelegt, so wird it der ersten signifikanten Flanke des 100 Hz-Taktes der Q -Ausgang „0" (LOW) und das erste NAND-Gatter 12a für den über die Leitung 35 zugeleiteten Messtakt CLK1 der hier wieder eine Frequenz von 300 kHz besitzt, transparent. Gleichzeitig liegt am zweiten Flip-Flop 33b ein HIGH-Signal an. Bei der nächsten signifikanten Flanke übernimmt das zweite Flip-Flop 33b das LOW-Signal des ersten Flip-Flops 33a während gleichzeitig am Eingang des ersten Flip-Flops 33a wieder ein HIGH-Signal anliegt und dieses Flip-Flop und das NAND-Gatter 12a mit einem HIGH-Signal am Ausgang wieder sperrt. Auf diese Art und Weise kann das LOW-Signal durch beliebig viele Flip-Flops weitergereicht werden, so dass mit einer Steuerleitung beliebig viele kapazitive Sensorelemente 14 angesteuert werden können.
Der in Figur 4a dargestellte Füllstandssensor 10 wird außerdem über einen dritte, vorteilhaft ebenfalls durch einen Mikroprozessor über eine Leitung 36 bereitgestellten Takt CLK3 gesteuert. Das dritte Taktsignal stellt das Startsignal für die erste Elektrode dar und ist abhängig von der Gesamtzahl der kapazitiven Messelemente. Wenn der Messtakt beim letzten Flip-Flop (34d in Figur 4a) angekommen ist, muss für die erste signifikante Flanke am ersten Flip-Flop (34a) wieder ein neues Signal anliegen. Somit ergibt sich die dritte Taktfrequenz CLK3 im Wesentlichen aus der zweiten Taktfrequenz dividiert durch die Anzahl der kapazitiven Sensorelemente, was im dargestellten Beispiel zu einer dritten Taktfrequenz von 25 Hz führt.
Neben den drei Taktleitungen 32, 35 und 36 werden unabhängig von der Anzahl der kapazitiven Sensorelemente 14 lediglich noch die zur Spannungsquelle 11 führende Leitung 19 und eine Rückleitung 37 zur Erdung der Gegenelektroden der kapazitiven Sensorelemente 14a - 14d benötigt.
Die Wahl der drei Taktfrequenzen CLK CLK2 und CLK3 ist insbesondere abhängig von den zu messenden Kapazitätsbereichen, der Anzahl der kapazitiven Sensorelemente und anderen Randbedingungen wie der gewünschten Messgenauigkeit. Abhängig von der Elektrodengeometrie und der relativen Dielektrizitätskonstante des zu untersuchenden Fluids kann beispielsweise die Messfrequenzen CLK in einem weiten Bereich, beispielsweise zwischen einigen kHz bis zu einigen MHz gewählt werden. Der optimale Wert der zweiten
Taktfrequenz CLK2 zum Weiterschalten des Impulses von einem Flip-Flop zum nächsten ist abhängig vom Einschwingvorgang des Ladestroms am Messwiderstand 30 und kann beispielsweise zwischen einigen Hz und einigen kHz liegen.
Figur 4b zeigt eine Variante der Schaltung der Figur 4a, bei der die Schalter 12a, 12b, 12c und 12d individuell über die Ausgänge eines Schieberegisters 50 freigeschaltet werden.
In Figur 5 ist schließlich eine Aufsicht auf einen streifenförmigen erfindungsgemäßen Füllstandssensor 10 dargestellt, der entsprechend der Schaltskizze der Figur 4a vier kapazitive Sensorelemente 14a - 14d aufweist. Jedes Sensorelement weist eine längliche Messelektrode 13a - 13d auf, die jeweils durch nichtleitende Bereiche 38a - 38d von einer gemeinsamen Gegenelektrode 15 getrennt sind. Die Elektroden sind auf einen Träger, beispielsweise eine flexible Folie 39 aufgedruckt und mittels Durchkontaktierungen 40a - 40d mit (nicht dargestellten) Leitungen auf der Rückseite des Trägers verbunden. Auf der Rückseite des Trägers sind ferner die entsprechenden (in der Darstellung der Figur 5 ebenfalls nicht erkennbaren) Bauelemente, die jedem kapazitiven Sensorelement 14a - 14d zugeordnet sind, also insbesondere die CMOS-Logikgatter und die entsprechenden Flip-Flops, aufgeklebt. Im oberen Bereich des Füllstandssensors sind Anschlusspins 41 für die Verbindung mit einem Mikroprozessor angeordnet.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Messung des Füllstandes eines Fluids in einem Behälter, wobei man wenigstens ein kapazitives Sensorelement, das eine Messelektrode und eine Gegenelektrode umfasst, periodisch mit einer konstanten Spannung auflädt und wieder entlädt, den mittleren Ladestrom misst und aus dem gemessenen mittleren Ladestrom den Füllstand des Fluids in dem Behälter bestimmt.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass man den kapazitiven Sensor über einen elektronischen Schalter auflädt und entlädt.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man den elektronischen Schalter mit einer definierten Frequenz schaltet.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man mehrere kapazitiven Sensorelemente verwendet.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass man die kapazitiven Sensorelemente sequentiell ansteuert.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass man die elektronischen Schalter (12) der kapazitiven Sensorelemente über eine gemeinsame Taktleitung (35) ansteuert.
7. Füllstandssensor mit einer Gleichspannungsquelle (11 ), wenigstens einem kapazitiven Sensorelement (14), das eine
Messelektrode (13) und eine Gegenelektrode (15) aufweist, einem elektronischen Schalter (12), der periodisch zwischen einer ersten Stellung zum Aufladen der Messelektrode (13) und einer zweiten Stellung zum Entladen der Messelektrode (13) schaltbar ist, und Mitteln (18) zur Messung des zwischen der Gleichspannungsquelle (11 ) und der Messelektrode (13) fließenden mittleren Ladestroms.
8. Füllstandssensor gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Schalter (12) als Logikgatter (22) ausgebildet ist.
9. Füllstandssensor gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere sequentiell ansteuerbare kapazitive Sensorelemente (14a - 14d) vorgesehen sind.
10. Füllstandssensor gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Sensorelement (14a - 14d) ein Schalter (12a - 12d) zugeordnet ist, wobei die
Schalter (12a - 12d) über eine gemeinsame Taktleitung (32) sequentiell schaltbar sind.
11. Füllstandssensor gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Sensorelement (14a - 14d) ein Schalter (12a - 12d) zugeordnet ist, wobei die
Schalter (12a - 12d) über jeweils einen Ausgang eines Schieberegisters (50) individuell freischaltbar sind.
12. Füllstandssensor gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (14a - 14d) eine gemeinsame
Gegenelektrode (15) aufweisen.
13. Füllstandssensor gemäß einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor als gedruckte Schaltung auf einem flexiblen Träger (39) ausgebildet ist.
4. Füllstandssensor gemäß einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektroden gegenüber dem zu messenden Fluid elektrisch isoliert sind.
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