WO2009124635A1 - Sensor zum ein- und/oder ausschalten einer pumpe - Google Patents

Sensor zum ein- und/oder ausschalten einer pumpe Download PDF

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WO2009124635A1
WO2009124635A1 PCT/EP2009/001826 EP2009001826W WO2009124635A1 WO 2009124635 A1 WO2009124635 A1 WO 2009124635A1 EP 2009001826 W EP2009001826 W EP 2009001826W WO 2009124635 A1 WO2009124635 A1 WO 2009124635A1
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WO
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pump
electrode
sensor
electrodes
voltage
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PCT/EP2009/001826
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Klaus Vestergaard Kragelund
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Grundfos Management AS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D15/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or systems
    • F04D15/02—Stopping of pumps, or operating valves, on occurrence of unwanted conditions
    • F04D15/0209—Stopping of pumps, or operating valves, on occurrence of unwanted conditions responsive to a condition of the working fluid
    • F04D15/0218—Stopping of pumps, or operating valves, on occurrence of unwanted conditions responsive to a condition of the working fluid the condition being a liquid level or a lack of liquid supply

Definitions

  • the invention relates to a sensor for switching on and / or off a pump, in particular a submersible pump or basement pump.
  • Submersible pumps such as sewage pumps often have senors or switches, which turn on the pump when exceeding a predetermined water level and turn off when falling below a generally lower second water level, the pump again.
  • senors or switches which turn on the pump when exceeding a predetermined water level and turn off when falling below a generally lower second water level, the pump again.
  • mechanical float switch known.
  • electronic sensors such as capacitive sensors for switching the pump on and off as a function of a fluid or water level are known.
  • a high-frequency oscillator is provided, which is connected to the water.
  • the change in the capacity formed by the water is determined by the power consumption of the oscillator.
  • These electronic circuits require a high frequency signal generator and a very sensitive circuit for detecting power consumption. This makes such circuits consuming and expensive.
  • the sensor according to the invention is for switching on and / or off a pump, in particular a submersible pump or basement pump, as used for example for basement drainage provided.
  • the sensor operates on a capacitive measuring principle and has for this purpose a first and a second electrode, which form a capacitor.
  • the condenser is arranged so that its capacity is influenced by the fluid to be delivered. That depending on the height of the liquid level or level, the capacity changes. The two extremes are defined by the condition in which there is no water between the electrodes, and the condition in which both electrodes are completely contained in the fluid, i. preferably below the water level.
  • an electronic circuit is provided, which is connected to the electrodes and the signal evaluation of the changing capacitance between the electrodes is used to generate an on and / or off signal for a pump.
  • the electronic circuit has a voltage supply connected to the first electrode.
  • This power supply is intended to electrically charge the first electrode with respect to the environment and the second electrode.
  • the power supply is designed so that it can deliver short voltage pulses for charging the first electrode.
  • the electronic circuit is designed such that a multiplicity of voltage pulses of the electrode, for example between three and forty pulses, more preferably between five and twenty pulses are delivered to charge the first electrode. These short voltage pulses prevent electrolysis between the electrodes and wear of the electrodes.
  • a very short switch-on time ⁇ 1% of the total charging time is selected.
  • the electronic circuit further comprises an evaluation circuit which is designed to detect and evaluate capacitance changes between the electrodes in order to generate an on and / or off signal for the pump.
  • This evaluation circuit is designed so that it detects the current between the electrodes during a voltage increase during charging and / or a voltage drop when discharging the electrode and outputs an on and / or off signal depending on the detected current.
  • the current flowing between the electrodes during charging and discharging is proportional to the capacitance between the electrodes. In this respect can be determined from the current, whether the electrodes are in the water or not.
  • the electronic circuit according to the invention is much simpler and cheaper to build than known capacitive sensors, as can be dispensed with a high-frequency signal generator.
  • the detection of the current during charging and / or discharging is quite easy to accomplish and for charging only a pulse generator for generating the voltage pulses is required, but not a signal generator which generates a specific high-frequency signal.
  • the electronic circuit is designed such that during charging of the electrode and / or during discharge of the electrode, the temporal signal waveform of the voltage U has a predetermined slope at least in one section. That is, in the range of this predetermined slope dU / dt is known. In knowledge of this slope leaves determine on detection or measurement of the discharge current Ic, the capacitance C according to the formula
  • the capacity depends on whether fluid is present or not between the electrodes. In this way, thus knowing the Ladeg. Discharge curve by current measurement the capacity to be determined.
  • the predetermined slope is steep, preferably steeper than 5V / ⁇ s.
  • the electronic circuit preferably has an unloading device which effects the unloading process with the defined pitch.
  • the slope of the voltage curve during charging or the negative slope during discharge is more preferably> 100V / ⁇ s, in particular> 500V / ⁇ s.
  • the electronic circuit is designed such that a cyclically repeating charging and discharging of the electrode takes place with detection of the current during charging and / or discharging. In this way, a continuous Supervision process performed to determine whether there is fluid between the electrodes or not.
  • the capacitive sensor can be used as a sensor for switching on a pump. Also, such a sensor can be used to turn off such a pump, wherein the switch-off is recognized by the fact that less or no fluid between the electrodes is present, ie the pump has the environment to the required level emptied or dry.
  • the electronic circuit is designed such that the electrode is first charged by a plurality of voltage pulses of the power supply and then discharged, wherein the evaluation circuit detects the current during discharging and outputs an input and / or off depending on the detected current.
  • the detected current is representative or proportional to the capacitance between the electrodes, which in turn depends on whether there is fluid between the electrodes or not.
  • the current measurement and thereby the capacity determination during a defined discharge process preferably takes place.
  • This discharge can be initiated and performed by an unloading device provided in the electronic circuit, so that a discharging operation can be performed with a very steep discharge curve, as described above.
  • this discharge curve is linear in the region in which the current measurement is carried out.
  • the order of the electrodes determines whether the on and / or off point of the sensor is determined by them. Basically, one sensor is sufficient to determine on and off point. Thus, a switch-on signal for switching on the pump can be issued if due to the larger capacity fluid between the electrodes of the evaluation circuit is detected.
  • a switch-off signal for switching off the pump is delivered.
  • two sensors at different vertical levels and to turn on the pump by a turn-on signal of the upper sensor, this turn-on signal is generated by the evaluation circuit, when water is detected by the electrodes of this upper sensor.
  • the pump can then be switched off by a switch-off signal of the second lower sensor, which is output by its evaluation device when no water, ie air between the electrodes is detected.
  • the electronic circuit is designed such that the evaluation circuit additionally determines the electrical resistance between the two electrodes and outputs an on and / or off signal depending on the detected current and the resistance. Since, in the case of a conductive fluid such as water being between the electrodes, these electrodes do not form an ideal capacitance, a greater accuracy of measurement can be achieved by additionally taking into account the electrical resistance of the medium, ie fluid between the electrodes.
  • the power supply preferably has a power source with one of these short-circuited electrical resistances and one of these capacitors connected in parallel. By this arrangement, the circuit can be made short-circuit proof.
  • the voltage supply preferably has a signal generator.
  • this signal generator generates the defined and at least partially very steep voltage curve.
  • the capacitance formed by the electrodes is discharged with a defined voltage curve over time. This voltage curve during discharging is specified by the signal generator.
  • Subject of the invention is further a pump for conveying a fluid with an electric drive motor and a control device for switching on and off of the drive motor.
  • the pump according to the invention is designed such that its control device has at least one sensor according to the preceding description, which serves to turn on and / or off the pump as a function of the fluid level.
  • the sensor which generates the switch-on signal in cooperation with the evaluation device, is arranged at a vertical level, which is the switch-on level. That is, when the fluid level reaches this switch-on level, the pump is switched on.
  • the sensor is arranged so that at this level of fluid its capacity is changed so that it is determined by the evaluation device via the discharge current and correspondingly a turn-on signal is emitted.
  • one of the electrodes is formed by the housing of the pump and the second electrode is isolated from the housing. This is particularly useful when the pump housing is made of metal.
  • the electrodes have direct contact with the surrounding fluid, i. they are not covered by further layers of material to the pump outside.
  • the at least one sensor is arranged to generate a switch-on signal for the drive motor at a predetermined fluid level.
  • This sensor is preferably seconded in the vertically upper region of the pump.
  • a shut-off device for the pump, which has at least one detection means for detecting at least one electrical parameter of the drive motor and is designed such that on the basis of this e- lectric parameter, a dry run of the pump is detectable, and in detected dry running Shutdown signal for the drive motor generated.
  • the dry run can be detected, for example, due to a phase shift in the electrical operating voltage supplied to the drive motor.
  • the drive motor is preferably provided with a frequency converter for speed control. Means or functions of the existing frequency converter can be used to detect this phase shift and thus the dry run. However, other parameters, such as the electrical see current serve to capture the dry run.
  • the detection means is then designed accordingly.
  • a protective electrode is arranged on the pump, which shields the first electrode of the sensor against electrical components in the interior of the pump.
  • this protective electrode is arranged in or on the housing further inwardly behind the first electrode, so that the protective electrode is located between electronic components in the interior of the housing and the first electrode.
  • FIG. 3 shows a model circuit diagram of two electrodes in the fluid to be delivered
  • FIG. 4 shows a block diagram of a pump with a sensor according to the invention
  • FIG. 5 is a block diagram of a sensor according to the invention.
  • Fig. 6 shows schematically the arrangement of a sensor electrode on
  • FIG. 7 schematically shows the arrangement of a sensor electrode in the housing of a pump using a protective electrode
  • 8 schematically shows the arrangement of a sensor electrode on the pump housing
  • FIG. 10 shows schematically the arrangement of a pump with a sensor according to the invention according to a further embodiment
  • Fig. 1 1 shows an arrangement similar to the arrangement in Fig. 9 with two
  • Fig. 12 shows an exemplary structure of the sensor electronics.
  • the sensor according to the invention is a capacitive sensor, ie the on and / or off time for a pump as a function of a fluid level are determined on the basis of a changing capacitance between two electrodes 2 and 4.
  • the electrodes 2 and 4 are spaced from each other and electrically isolated from each other so arranged that the fluid to be pumped, the fluid level to be detected, the capacitance of the electrodes 2 and 4 formed by the capacitor influences. This happens because in the case that fluid, for example water, is located between the electrodes 2 and 4, the capacitance changes markedly compared to a state in which there is air between the two electrodes 2 and 4. This results from the very different permittivity of water and air. Fig.
  • FIG. 3 shows a model or equivalent circuit diagram for the arrangement of the electrodes 2 and 4 in the environment in which either air or the fluid to be delivered is located.
  • the arrangement of the electrodes 2 and 4 does not behave like an ideal capacitor. This is taken into account in the equivalent circuit diagram according to FIG. 3, where an electrical resistance R is shown parallel to the capacitance C. This is the electrical resistance R of the medium between the electrodes 2 and 4. If there is air between the electrodes 2 and 4, this is very large. If there is water between the electrodes 2 and 4, this resistance R can become very small.
  • the measurement or detection of the capacitance between the electrodes 2 and 4 is carried out such that initially the electrodes 2 and 4 are slowly charged with low current. For this purpose, a charge can be applied to one of the electrodes 2, 4.
  • the charging is preferably carried out by a plurality of very short voltage pulses. This has the advantage that no or only a small current flow occurs between the electrodes 2 and 4, so that electrolysis between the electrodes 2 and 4, which could lead to damage of the electrodes, is avoided.
  • the voltage curve during charging is shown in FIG.
  • the charging process takes place until time T at which the maximum charge is reached. As can be seen in Fig. 2, this is done at low charging current I.
  • the capacitor C formed by the electrodes 2 and 4 is discharged very quickly, ie, the voltage drops steeply as shown in FIG. This leads to a high discharge current, as shown in Fig. 2.
  • This discharge current during the discharging process is measured.
  • the magnitude of the discharge current is proportional to the capacitance C between the electrodes 2 and 4.
  • Fig. 4 shows schematically in a block diagram an inventive pump unit with a sensor which operates according to the previously described measuring principle.
  • the pump unit has a power supply 1 1, for example in the form of a connector for connection to the mains, and an electric drive motor M and a control device 12, which is responsible for switching on and off of the drive motor.
  • two sensors 14 and 16 are provided, which each have two electrodes 2, 4, as described above.
  • a sensor 14 is provided for switching on the pump
  • the second sensor 16 is provided for switching off the pump.
  • the sensors 14 and 16 are arranged in two vertically spaced-apart positions. When the fluid level reaches the sensor 14, ie the upper sensor. the pump is switched on.
  • the pump or the drive motor M is switched off when the fluid level falls below the lower sensor 16, and the lower sensor 16 thus detects air between the electrodes 2 and 4.
  • the control device 12 has a power supply 18 for the control device 12, a controller 20 and a power switch 22.
  • the controller 20 controls the charging and discharging of the electrodes 24 of the sensors 14 and 16 in the manner described above as well as the current measurement and takes over the evaluation during discharging.
  • the controller correspondingly drives the power switch 22 to turn on and off the motor.
  • the controller 20 preferably carries out a continuous monitoring process in which the electrodes of the sensors 14 and 16 are periodically charged and then discharged again, with the described current measurement being carried out to detect the capacitance during each discharge process. It is conceivable that the discharge cycle and the next charge cycle are spaced in time. However, this time interval should not be too long to be able to detect the achievement of the on and off level of the fluid as soon as possible. Especially when switching off, this is important to avoid prolonged drying of the pump.
  • the electronic circuit has as essential further components a pulse generator 24 and a current sensor 26 on.
  • pulse generator 24 On the output side of the pulse generator 24, pulse shaper 28 and an output stage 30 are connected.
  • the output stage 30 serves to buffer the signal in order to be able to detect even highly conductive fluids with the sensor according to the invention.
  • the output stage 30 is connected via a capacitor 32 to the first electrode 2.
  • the pulse generator generates for charging the electrode 2 a plurality or a plurality of very short voltage pulses, with which the sensor electrode is charged.
  • the pulse generator 24 To discharge the pulse generator 24 generates together with the pulse shaper 28, the steep predetermined discharge curve described above.
  • the current sensor 26 detects the discharge current between the electrodes 2 and 4.
  • the output of the current sensor 26 is supplied to a sample and hold circuit 34 which stores the peak value of the discharge current and outputs a proportional voltage as an output signal.
  • This output signal is fed to the microcontroller 20 which, knowing the discharge curve, determines the capacitance between the electrodes 2 and 4 and carries out an evaluation as to whether there is fluid or water between the electrodes 2 and 4.
  • the microcontroller 20 also drives the pulse generator 24 and specifies the charge and discharge cycles.
  • the electrode 4 is coupled via a capacitor 36.
  • the coupling of the electrodes 2 and 4 via capacitors 32 and 36 isolates the electrodes 2, 4 from the electronics, so that a direct contact of a person with the electrodes 2 and 4 is harmless.
  • Fig. 6 shows a possible arrangement of the electrodes 2 and 4 in the pump unit.
  • the electrode 4 is formed by the metallic pump and / or motor housing.
  • the electrode 2 is arranged separately and connected via an insulator 38 to the housing 4, so that the electrodes 2 and 4 are electrically insulated from each other.
  • the electrodes 2 and 4 are connected to the evaluation electronics 40 via capacitors 32 and 36. the.
  • the evaluation electronics 40 includes, as explained with reference to FIG. 5, power supply 18, controller 20, pulse generator 24, current sensor 26, pulse shaper 28, output stage 30 and sample and hold circuit 34.
  • the evaluation unit 40 can also be deviating in another suitable manner for implementation be formed of the measuring principle of the invention.
  • FIG. 7 shows a further possible arrangement of the electrodes 2 and 4 in the pump unit, which essentially corresponds to the arrangement in FIG. 6.
  • a protective electrode 42 is arranged between the housing which forms the second electrode 4 and the first electrode 2.
  • the guard electrode 42 is connected to an active protection circuit 44.
  • Protective electrode 42 and protective circuit 44 serve to shield electric fields, which occur on the back side of electrode 2 in the interior of the housing by the electrical or electronic components arranged there, from electrode 2, so that electrode 2 only receives electric fields outside of it Housing detected, as indicated by the field lines 46.
  • Fig. 8 shows once again in a schematic plan view of the pump unit, the housing serves as a second electrode 4.
  • the first electrode is arranged so as to be electrically insulated from the housing and thus from the second electrode, so that a capacitance C is present between the electrodes 2 and 4 as a function of the surrounding medium or fluid.
  • FIG. 9 shows a possible arrangement of a pump 48 with a sensor 50, which is constructed as described in FIG. 5.
  • This sensor 50 is not integrated here in the pump unit 48 but arranged in the electrical supply line see between the power supply 1 1 and the pump unit 48.
  • the sensor 50 as shown in Fig. 10, two sensor electrodes 2 and 4, which in the above described manner with the environment form a capacitor.
  • the sensor 50 is located near the bottom 52. If the Wassertial. Fluid level rises so high that the electrodes 2 and 4 of the sensor 50 are in the water, which is detected by the sensor and it turns on the power supply to the pump 48 so that it promotes fluid or water.
  • the capacitance of the electrodes 2 and 4 changes significantly, which is detected in the manner described above and the sensor 50 is then connected via a power switch, the line between the power supply 1 1 and the Disconnect pump unit 48 and thus switch off the pump set.
  • Fig. 1 1 shows an arrangement similar to the arrangement in Fig. 9 with the difference that two sensors 50 and 54 are provided.
  • the pump unit 48 With two sensors 50 and 54, the pump unit 48 is operated such that when the fluid level reaches the upper sensor 54 and thus its electrodes 2 and 4 are in fluid, the pump 48 is turned on.
  • the pump set 48 is turned off when the bottom sensor 50 detects air between its electrodes 2 and 4, i. the fluid level has dropped below the vertical level of the sensor 50.
  • the motor control for the pump motor can detect the dry running of the pump. This is recognizable from electrical parameters of the motor, for example based on a phase shift of the supply voltage.
  • FIG. 12 shows an exemplary circuit diagram of the sensor electronics, the essential components of which are described below.
  • VCC is the input voltage for the capacitive sensor.
  • Ci is a bypass capacitor and C2 is the one capacitor is charged to provide a certain amount of energy for the sensor.
  • the power supply VCC is interrupted and the sensor electrodes 2, 4 are supplied via the output Ai alone with the voltage from the capacitor C2.
  • the stored energy in the capacitor C2 is released by the capacity or the conductivity of the water. Consequently, at the end of the measurement, a residual amount of energy remains in the capacitor C 2 . so that the conductivity of the water can be determined by the remaining voltage across the capacitor C 2 .
  • Ul is a pulse shaper in the form of a Schmitt trigger. Via the input E2, which represents the input of the Schmitt trigger, the pulses for activating the sensor are fed to the pulse shaper Ul.
  • the discharge curve or discharge rate dU / dt for the sensor is predetermined by the resistor R 2 and the capacitor Cs.
  • the transistors Qi and Gh serve to supply a higher current to the sensor output Al.
  • the diode Di and the resistor Ri serve to protect the transistor Qi and reduce the charging speed dU / dt.
  • the capacitors C4 and CO are separator capacitors which serve to protect persons who come into contact with the electrodes 2, 4.
  • the resistor R3 serves to detect the current flowing here between the electrodes 2, 4 and the earth, d. H. this is the current which is proportional to the capacitance to be measured between the sensor electrodes 2, 4.
  • the capacitor Ce is a decoupling capacitor, which allows the diode formed by the diode D3 and the capacitor C9
  • Peak detector in the context of the bias circuit formed from the resistors R4 and Rs and the diode D4 has an offset error near zero.
  • the capacitor C9 serves to hold the voltage corresponding to the detected capacitance and to perform a slow digitization of the voltage via, for example, an analog-to-digital converter at the output A2.
  • the capacitor C28 serves to eliminate interference or spurious oscillations.
  • A2 outputs

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Ein- und/oder Ausschalten einer Pumpe mit zumindest einer ersten (2) und einer zweiten (4) Elektrode, welche eine durch das zu fördernde Fluid beeinflussbare Kapazität (C) bilden, und einer mit den Elektroden (2, 4) verbundenen elektronischen Schaltung (40), wobei die elektronische Schaltung (40) eine mit der ersten Elektrode (2) verbundenen Spannungsversorgung (24) aufweist, welche zur Abgabe kurzer Spannungspulse zum Laden der ersten Elektrode (2) ausgebildet ist, und eine Auswerteschaltung (20, 26, 34) aufweist, welche derart ausgebildet ist, dass sie während eines Spannungsanstiegs beim Laden und/oder eines Spannungsabfalls beim Entladen der Elektrode (2) den Strom (Ic) zwischen den Elektroden (2, 4) erfasst und ein Ein- und/oder Ausschaltsignal abhängig von dem erfassten Strom (Ic) ausgibt, sowie eine Pumpe mit einem solchen Sensor.

Description

Titel: Sensor zum Ein- und/oder Ausschalten einer Pumpe
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Ein- und/oder Ausschalten einer Pumpe, insbesondere einer Tauchpumpe oder Kellerpumpe.
Tauchpumpen wie beispielsweise Abwasserpumpen weisen häufig Sen- soren bzw. Schalter auf, welche die Pumpe beim Übersteigen eines vorbestimmten Wasserstandes einschalten und beim Unterschreiten eines in der Regel niedrigeren zweiten Wasserstandes die Pumpe wieder ausschalten. Hierzu sind z.B. mechanische Schwimmerschalter bekannt. Bei diesen besteht jedoch die Gefahr, dass sie in ihrer Bewegung blockiert werden, was zu Fehlern beim Ein- und Ausschalten der Pumpe führt.
Darüber hinaus sind elektronische Sensoren wie kapazitive Sensoren zum Ein- und Ausschalten der Pumpe in Abhängigkeit von einem Fluid- bzw. Wasserpegel bekannt. Bei diesen bekannten kapazitiven Sensoren ist ein Hochfrequenzoszillator vorgesehen, welcher mit dem Wasser verbunden ist. Die Änderung der vom Wasser gebildeten Kapazität wird dabei über den Stromverbrauch des Oszillators bestimmt. Diese elektronischen Schaltungen benötigen einen Hochfrequenzsignalgenerator und eine sehr empfindliche Schaltung zur Erfassung des Stromverbrauches. Das macht derartige Schaltungen aufwendig und teuer.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Sensor zum Ein- und/oder Ausschalten einer Pumpe bereitzustellen, welcher nach ei- nem kapazitiven Messprinzip arbeitet, jedoch einfacher und kostengünstiger aufzubauen ist. Diese Aufgabe wird durch einen Sensor zum Ein- und/oder Ausschalten einer Pumpe mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch eine Pumpe mit den im Anspruch 9 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
Der erfindungsgemäße Sensor ist zum Ein- und/oder Ausschalten einer Pumpe, insbesondere einer Tauchpumpe oder Kellerpumpe, wie sie beispielsweise zur Kellerdrainage eingesetzt wird, vorgesehen. Der Sensor arbeitet nach einem kapazitiven Messprinzip und weist dazu eine erste und eine zweite Elektrode auf, welche einen Kondensator bilden. Der Kondensator ist so angeordnet, dass seine Kapazität durch das zu fördernde Fluid beeinflusst wird. D.h. abhängig von der Höhe des Flüssigkeitsstandes bzw. Pegels ändert sich die Kapazität. Die zwei Extreme sind dabei durch den Zustand definiert, in welchem sich kein Wasser zwischen den Elektroden befindet, und den Zustand, bei welchem beide Elektroden vollständig in dem Fluid, d.h. vorzugsweise unter dem Wasserspiegel liegen. Ferner ist eine elektronische Schaltung vorgesehen, welche mit den Elektroden verbunden ist und der Signalauswertung der sich ändernden Kapazität zwischen den Elektroden dient, um ein Ein- und/oder Ausschaltsignal für eine Pumpe zu generieren.
Erfindungsgemäß weist die elektronische Schaltung eine mit der ersten Elektrode verbundene Spannungsversorgung auf. Diese Spannungsversorgung ist dazu vorgesehen, die erste Elektrode gegenüber der Umgebung und der zweiten Elektrode elektrisch zu laden. Dazu ist die Spannungsversorgung so ausgebildet, dass sie kurze Spannungspulse zum Laden der ersten Elektrode abgeben kann. Bevorzugt ist die elektronische Schaltung so ausgebildet, dass eine Vielzahl von Spannungspulsen der Elektrode, beispielsweise zwischen drei und vierzig Pulsen, weiter bevorzugt zwischen fünf und zwanzig Pulsen abgegeben werden, um die erste Elektrode zu laden. Durch diese kurzen Spannungspulse wird eine Elektrolyse zwischen den Elektroden und ein Verschleiß der Elektroden verhindert. Vorzugsweise wird eine sehr kurze Einschalt- zeit < 1% der Gesamtladezeit gewählt.
Erfindungsgemäß weist die elektronische Schaltung ferner eine Auswerteschaltung auf, welche dazu ausgebildet ist, Kapazitätsänderungen zwischen den Elektroden zu erfassen und auszuwerten, um ein Ein- und/oder Ausschaltsignal für die Pumpe zu erzeugen. Diese Auswerteschaltung ist so ausgebildet, dass sie während eines Spannungsanstieges beim Laden und/oder eines Spannungsabfalls beim Entladen der Elektrode den Strom zwischen den Elektroden erfasst und ein Ein- und/oder Ausschaltsignal abhängig von dem erfassten Strom ausgibt. Der zwischen den Elektroden beim Laden bzw.- Entladen fließende Strom ist proportional zu von der Kapazität zwischen den Elektroden. Insofern kann anhand des Stroms festgestellt werden, ob die Elektroden im Wasser liegen oder nicht.
Die elektronische Schaltung gemäß der Erfindung ist deutlich einfacher und kostengünstiger aufzubauen als bekannte kapazitive Sensoren, da auf einen Hochfrequenzsignalgenerator verzichtet werden kann. Die Erfassung des Stroms beim Laden und/oder Entladen ist recht einfach zu bewerkstelligen und für das Laden ist lediglich ein Pulsgenerator zum Erzeugen der Spannungspulse erforderlich, nicht jedoch ein Signalgenerator, welcher ein bestimmtes Hochfrequenzsignal erzeugt.
Vorzugsweise ist die elektronische Schaltung derart ausgebildet, dass beim Laden der Elektrode und/oder beim Entladen der Elektrode der zeitliche Signalverlauf der Spannung U zumindest in einem Abschnitt eine vorbestimmte Steigung aufweist. D.h. im Bereich dieser vorbestimmten Steigung ist dU/dt bekannt. In Kenntnis dieser Steigung lässt sich bei Erfassung bzw. Messung des Entladestroms Ic die Kapazität C bestimmen nach der Formel
c dt
Die Kapazität ist abhängig davon, ob sich zwischen den Elektroden FIu- id befindet oder nicht. Auf diese Weise kann somit in Kenntnis der Ladebzw. Entladekurve durch Strommessung die Kapazität bestimmt werden.
Weiter ist es bevorzugt, dass die vorbestimmte Steigung steil, vorzugs- weise steiler als 5V/μs gewählt ist. Durch solch schnelles Laden oder Entladen des von den Elektroden gebildeten Kondensators wird der Einfluss des elektrischen Widerstandes zwischen den Elektroden auf den Ladebzw. Entladevorgang verringert bzw. eliminiert. Bei langsamerer Ladung bzw. Entladung würde, wenn sich Wasser zwischen den Elektroden be- findet, ein Strom zwischen den Elektroden fließen, welcher eine Entladung bedingt. In diesem Zustand könnte somit keine definierte Ladebzw. Entladekurve mit vorbekannter Steigung erreicht werden. Durch das sehr schnelle Laden bzw. vorzugsweise Entladen über entsprechende Komponenten in der elektronischen Schaltung wird die Entla- düng der Elektroden über des zwischen den Elektroden befindliche Fluid weitgehend minimiert bzw. ausgeschlossen. Um die geladene Elektrode definiert entladen zu können, weist die elektronische Schaltung vorzugsweise eine Entladevorrichtung auf, welche den Entladevorgang mit der genannten definierten Steigung bewirkt. Die Steigung des Spannungsverlaufs beim Laden bzw. die negative Steigung beim Entladen ist weiter bevorzugt >100V/μs, insbesondere >500V/μs.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die elektronische Schaltung derart ausgebildet, dass ein sich zyklisch wiederholendes Laden und Entladen der Elektrode mit Erfassung des Stroms beim Laden und/oder Entladen stattfindet. Auf diese Weise wird ein kontinuierlicher Überwαchungsprozess durchgeführt, um festzustellen, ob sich zwischen den Elektroden Fluid befindet oder nicht. Auf diese Weise kann der kapazitive Sensor als Sensor zum Einschalten einer Pumpe genutzt werden. Auch kann einer solcher Sensor zum Ausschalten einer solchen Pumpe genutzt werden, wobei der Ausschaltzeitpunkt daran erkannt wird, dass weniger oder kein Fluid zwischen den Elektroden vorhanden ist, d.h. die Pumpe die Umgebung auf das erforderliche Niveau leer- bzw. trockengepumpt hat.
Weiter bevorzugt ist die elektronische Schaltung derart ausgebildet, dass die Elektrode zunächst durch mehrere Spannungspulse der Spannungsversorgung geladen und anschließend entladen wird, wobei die Auswerteschaltung während des Entladens den Strom erfasst und ein Ein- und/oder Ausschaltsignal abhängig von dem erfassten Strom aus- gibt. Dabei ist der erfasste Strom repräsentativ bzw. proportional zu der Kapazität zwischen den Elektroden, welche wiederum davon abhängt, ob sich zwischen den Elektroden Fluid befindet oder nicht. Bevorzugt findet somit die Strommessung und dabei die Kapazitätsbestimmung während eines definierten Entladevorganges statt. Dieses Entladen kann von einer in der elektronischen Schaltung vorhandenen Entladevorrichtung veranlasst und durchgeführt werden, sodass ein Entladevorgang mit einer sehr steilen Entladekurve durchgeführt werden kann, wie es vorangehend beschrieben wurde. Besonders bevorzugt ist diese Entladekurve in dem Bereich, in welchem die Strommessung durchge- führt wird, linear. Durch das Laden der Elektrode mittels sehr kurzer Spannungspulse wird, wie beschrieben, eine Elektrolyse im Fluid verhindert. Durch den schnellen Entladevorgang kann der Einfluss des elektrischen Widerstandes verringert bzw. ausgeschlossen werden.
Durch den beim Entladen gemessenen Strom kann auch die Kapazität des von den Elektroden gebildeten Kondensators berechnet werden. Wenn sich zwischen den Elektroden das zu fördernde Fluid befindet, ist die Kapazität deutlich größer, als wenn sich zwischen den Elektroden kein Fluid, d.h. Luft befindet. Im Falle von Wasser als Fluid ist die Kapazität etwa achtzig Mal größer als bei Luft, aufgrund der größeren relativen Permittivität von Wasser (ER = 80) gegenüber Luft (ER = 1 ). Die An- Ordnung der Elektroden bestimmt, ob durch sie der Ein- und/oder Ausschaltpunkt des Sensors bestimmt wird. Grundsätzlich ist ein Sensor ausreichend, um Ein- und Ausschaltpunkt zu bestimmen. So kann ein Einschaltsignal zum Einschalten der Pumpe abgegeben werden, wenn aufgrund der größeren Kapazität Fluid zwischen den Elektroden von der Auswerteschaltung detektiert wird. Wenn von der Auswerteschaltung wieder eine geringere Kapazität aufgrund des geringeren Entladestroms detektiert wird, kann daraus geschlossen werden, dass sich kein Fluid mehr zwischen den Elektroden befindet und ein Ausschaltsignal zum Ausschalten der Pumpe abgegeben wird. Alternativ ist es möglich, zwei Sensoren auf unterschiedlichem vertikalen Niveau anzuordnen und die Pumpe durch ein Einschaltsignal des oberen Sensors einzuschalten, wobei dieses Einschaltsignal von der Auswerteschaltung dann erzeugt wird, wenn Wasser von den Elektroden dieses oberen Sensors detektiert wird. Ausgeschaltet werden kann die Pumpe dann durch ein Ausschaltsignal des zweiten unteren Sensors, welches von dessen Auswerteeinrichtung ausgegeben wird, wenn kein Wasser, d.h. Luft zwischen den Elektroden detektiert wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die elektroni- sehe Schaltung derart ausgebildet, dass die Auswerteschaltung zusätzlichen den elektrischen Widerstand zwischen den beiden Elektroden bestimmt und ein Ein- und/oder Ausschaltsignal abhängig von dem erfassten Strom und dem Widerstand ausgibt. Da in dem Fall, dass sich ein leitfähiges Fluid wie Wasser zwischen den Elektroden befindet, diese Elektroden keine ideale Kapazität bilden, kann durch zusätzliche Berücksichtigung des elektrischen Widerstands des Mediums, d.h. Fluids zwischen den Elektroden eine größere Messgenauigkeit erzielt werden. Die Spαnnungsversorgung weist vorzugsweise eine Spαnnungsquelle mit einem dieser nαchgeschαlteten elektrischen Widerstand und einer dieser parallel geschalteten Kapazität auf. Durch diese Anordnung kann die Schaltung kurzschlussfest gemacht werden.
Zur Erzeugung einer Lade- und/oder Entladespannung mit definiertem Signalverlauf weist die Spannungsversorgung vorzugsweise einen Signalgenerator auf. Dieser Signalgenerator erzeugt beim Laden und be- sonders bevorzugt beim Entladen die definierte und zumindest abschnittsweise sehr steile Spannungskurve erzeugt. So wird die von den Elektroden gebildete Kapazität mit einem definierten Spannungsverlauf über die Zeit entladen. Dieser Spannungsverlauf beim Entladen wird durch den Signalgenerator vorgegeben.
Erfindungsgegenstand ist ferner eine Pumpe zum Fördern eines Fluids mit einem elektrischen Antriebsmotor und einer Steuereinrichtung zum Ein- und Ausschalten des Antriebsmotors. Die Pumpe ist erfindungsgemäß so ausgestaltet, dass ihre Steuereinrichtung zumindest einen Sensor gemäß der vorangehenden Beschreibung aufweist, welcher dazu dient, die Pumpe in Abhängigkeit des Fluidniveaus ein- und/oder auszuschalten. Der Sensor, welcher in Zusammenwirkung mit der Auswerteeinrichtung das Einschaltsignal erzeugt, ist auf einem vertikalen Niveau angeordnet, welches das Einschaltniveau ist. D.h. wenn der Fluidspiegel dieses Einschaltniveau erreicht, wird die Pumpe eingeschaltet. Der Sensor ist so angeordnet, dass bei diesem Fluidniveau seine Kapazität so verändert wird, dass dies von der Auswerteeinrichtung über den Entladestrom ermittelt und entsprechend ein Einschaltsignal abgegeben wird. Zum Ausschalten ist entweder derselbe oder ein weiterer Sensor auf einem Niveau angeordnet, bei dessen Unterschreiten durch den Fluidspiegel die Pumpe wieder abgeschaltet werden soll. Dabei erfolgt das Abschalten dann, wenn die Kapazität sich so ändert, dass sie der Kapazität von Luft zwischen den Elektroden entspricht. Es ist jedoch nicht zwingend erforderlich, dass das Ausschalten der Pumpe ebenfalls durch einen solchen Sensor gemäß der vorangehenden Beschreibung veranlasst wird.
Vorzugsweise wird eine der Elektroden von dem Gehäuse der Pumpe gebildet und die zweite Elektrode ist isoliert gegenüber dem Gehäuse angeordnet. Dies bietet sich insbesondere dann an, wenn das Pumpengehäuse aus Metall ausgebildet ist. Alternativ ist es auch möglich, an der Gehäuseaußenseite zwei voneinander beabstandete und gegeneinander isolierte Elektroden vorzusehen. Bevorzugt haben die E- lektroden direkten Kontakt zu dem umgebenden Fluid, d.h. sie sind zur Pumpenaußenseite nicht durch weitere Materialschichten überdeckt.
Wie beschrieben ist der zumindest eine Sensor angeordnet, um bei einem vorbestimmten Fluidniveau ein Einschaltsignal für den Antriebsmotor zu erzeugen. Dieser Sensor ist vorzugsweise im vertikal oberen Bereich der Pumpe abgeordnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist für die Pumpe eine Abschaltvorrichtung vorgesehen, welche zumindest ein Erfassungsmittel zum Erfassen zumindest eines elektrischen Parameters des Antriebsmotors aufweist und derart ausgebildet ist, dass auf Grundlage dieses e- lektrischen Parameters ein Trockenlauf der Pumpe detektierbar ist, und bei detektiertem Trockenlauf ein Abschaltsignal für den Antriebsmotor erzeugt. Der Trockenlauf kann beispielsweise aufgrund einer Phasenverschiebung in der dem Antriebsmotor zugeführten elektrischen Betriebsspannung detektiert werden. Der Antriebsmotor ist vorzugsweise mit einem Frequenzumrichter zur Drehzahlsteuerung vorgesehen. Es können Mittel bzw. Funktionen des vorhandenen Frequenzumrichters genutzt werden, um diese Phasenverschiebung und damit den Trockenlauf zu detektieren. Es können jedoch auch andere Parameter, wie der elektri- sehe Strom dazu dienen, um den Trockenlauf zu erfassen. Das Erfassungsmittel ist dann entsprechend ausgestaltet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist an der Pumpe eine Schutzelektrode angeordnet, welche die erste Elektrode des Sensors gegenüber elektrischen Bauteilen im Inneren der Pumpe abschirmt. Dazu ist diese Schutzelektrode in oder am Gehäuse weiter innenliegend hinter der ersten Elektrode angeordnet, sodass die Schutzelektrode zwischen elektronischen Komponenten im Inneren des Gehäuses und der ersten Elektrode gelegen ist.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Figuren beschrieben. In diesen zeigt:
Fig. 1 den Spannungsverlauf beim Entladen des Sensors,
Fig. 2 den Stromverlauf beim Entladen des Sensors,
Fig. 3 ein Modellschaltbild zweier Elektroden in dem zu fördern- den Fluid,
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Pumpe mit einem erfindungsgemäßen Sensor,
Fig. 5 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Sensors,
Fig. 6 schematisch die Anordnung einer Sensorelektrode am
Gehäuse der Pumpe,
Fig. 7 schematisch die Anordnung einer Sensorelektrode im Gehäuse einer Pumpe unter Verwendung einer Schutzelektrode, Fig. 8 schemαtisch die Anordnung einer Sensorelektrode an dem Pumpengehäuse,
Fig. 9 schematisch eine Anordnung einer Pumpe mit einem erfindungsgemäßen Sensor,
Fig. 10 schematisch die Anordnung einer Pumpe mit einem erfindungsgemäßen Sensor gemäß einer weiteren Ausfüh- rungsform,
Fig. 1 1 eine Anordnung ähnlich der Anordnung in Fig. 9 mit zwei
Sensoren, und
Fig. 12 einen beispielhaften Aufbau der Sensorelektronik.
Bei dem erfindungsgemäßen Sensor handelt es sich um einen kapazitiven Sensor, d.h. Ein- und/oder Ausschaltzeitpunkt für eine Pumpe in Ab- hängigkeit eines Fluidniveaus werden auf Grundlage einer sich ändernden Kapazität zwischen zwei Elektroden 2 und 4 bestimmt. Dazu sind die Elektroden 2 und 4 beabstandet voneinander und elektrisch gegeneinander isoliert so angeordnet, dass das zu fördernde Fluid, dessen Fluidspiegel detektiert werden soll, die Kapazität des von den Elekt- roden 2 und 4 gebildeten Kondensators beeinflusst. Dies geschieht dadurch, dass in dem Fall, dass sich Fluid, beispielsweise Wasser, zwischen den Elektroden 2 und 4 befindet, sich die Kapazität deutlich gegenüber einem Zustand ändert, in welchem sich Luft zwischen den beiden Elektroden 2 und 4 befindet. Dies resultiert aus der stark unterschiedlichen Permittivität von Wasser und Luft. Fig. 3 zeigt ein Modell- bzw. Ersatzschaltbild für die Anordnung der Elektroden 2 und 4 in der Umgebung, in welcher sich entweder Luft oder das zu fördernde Fluid befindet. Ins- besondere wenn es sich bei dem zu fördernden Fluid um Wasser handelt, welches in Kontakt mit den beiden Elektroden 2 und 4 kommt, verhält sich die Anordnung der Elektroden 2 und 4 nicht wie ein idealer Kondensator. Dies ist in dem Ersatzschaltbild gemäß Fig. 3 berücksich- tigt, dort ist parallel zu der Kapazität C ein elektrischer Widerstand R dargestellt. Dabei handelt es sich um den elektrischen Widerstand R des Mediums zwischen den Elektroden 2 und 4. Wenn Luft zwischen den Elektroden 2 und 4 ist, ist dieser sehr groß. Wenn sich Wasser zwischen den Elektroden 2 und 4 befindet, kann dieser Widerstand R sehr klein werden.
Eine Erfassung des Fluids nur anhand des elektrischen Widerstand ist jedoch problematisch, da auch bereits ein dünner Wasserfilm auf dem Gehäuse bzw. der Sensoranordnung oder beispielsweise ein nasses Stück Papier, welches beide Elektroden überdeckt, den Widerstand so verringern würden, als wenn das Fluidniveau entsprechend hoch gestiegen wäre. Die Kapazität wird durch solche Kurzschlüsse jedoch nicht beeinflusst.
Die Messung bzw. Erfassung der Kapazität zwischen den Elektroden 2 und 4 wird derart durchgeführt, dass zunächst die Elektroden 2 und 4 langsam mit geringem Strom geladen werden. Dazu kann eine Ladung auf eine der Elektroden 2, 4 aufgebracht werden. Vorzugsweise erfolgt das Laden durch mehrere sehr kurze Spannungspulse. Dies hat den Vor- teil, dass zwischen den Elektroden 2 und 4 kein oder nur ein geringer Stromfluss auftritt, sodass eine Elektrolyse zwischen den Elektroden 2 und 4, welche zu einer Beschädigung der Elektroden führen könnte, vermieden wird.
Der Spannungsverlauf beim Laden ist in Fig. 1 dargestellt. Der Ladevorgang erfolgt bis zum Zeitpunkt T zu dem die maximale Ladung erreicht ist. Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, erfolgt dies bei geringem Ladestrom I. Zum Zeitpunkt T wird der von den Elektroden 2 und 4 gebildete Kondensator C sehr schnell entladen, d.h. die Spannung fällt, wie in Rg. 1 gezeigt ist, steil ab. Dies führt zu einem hohen Entladestrom, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Dieser Entladestrom während des Entladevorganges wird gemessen. Die Höhe des Entladestromes ist proportional zu der Kapazität C zwischen den Elektroden 2 und 4.
Wesentlich beim Entladevorgang ist, dass das Entladen der Elektroden 2 und 4 mit einem definierten vorbekannten sehr steilen Spannungsver- lauf erfolgt. Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, ist in dem Bereich 10 die Steigung des Spannungsverlaufes dU/dt konstant. Darüber hinaus ist diese Steigung vorbekannt und wird durch eine elektronische Schaltung beim Entladen vorgegeben. In Kenntnis dieser Steigung kann, basierend auf dem Zusammenhang Ic = C - dU/dt auf Grundlage des gemessenen Entladestromes Ic die Kapazität C berechnet werden. Vorteil dieses Messprinzips ist, dass es sehr einfach und kostengünstig verwirklicht werden kann, da auf aufwendige Frequenzgeneratoren verzichtet werden kann.
Fig. 4 zeigt schematisch in einem Blockschaltbild ein erfindungsgemäßes Pumpenaggregat mit einem Sensor, welcher nach dem vorangehend geschilderten Messprinzip arbeitet. Das Pumpenaggregat weist eine Stromversorgung 1 1 , z.B. in Form eines Anschlusssteckers zur Verbindung mit dem Stromnetz, auf sowie einen elektrischen Antriebsmotor M und eine Steuereinrichtung 12, welche für das Ein- und Ausschalten des Antriebsmotors verantwortlich ist. Im gezeigten Beispiels sind zwei Sensoren 14 und 16 vorgesehen, welche jeweils zwei Elektroden 2, 4, wie vorangehend beschrieben, aufweisen. Ein Sensor 14 ist zum Einschalten der Pumpe vorgesehen, der zweite Sensor 16 ist zum Ausschal- ten der Pumpe vorgesehen. Dazu werden die Sensoren 14 und 16 in zwei vertikal voneinander beabstandeten Positionen angeordnet. Wenn das Fluidniveau den Sensor 14, d.h. den oberen Sensor erreicht. wird die Pumpe eingeschaltet. Ausgeschaltet wird die Pumpe bzw. der Antriebsmotor M, wenn das Fluidniveau unter den unteren Sensor 16 fällt, und der untere Sensor 16 somit Luft zwischen den Elektroden 2 und 4 detektiert.
Die Steuereinrichtung 12 weist eine Energieversorgung 18 für die Steuereinrichtung 12, einen Controller 20 sowie eines Leistungsschalter 22 auf. Der Controller 20 steuert das Laden und Entladen der Elektroden 24 der Sensoren 14 und 16 in der vorangehend beschriebenen Weise so- wie die Strommessung und übernimmt die Auswertung beim Entladen. Wenn die elektronische Schaltung eines Zustand erfasst, in dem der Motor ein- oder ausgeschaltet werden soll, wird von dem Controller entsprechend der Leistungsschalter 22 zum Ein- und Ausschalten des Motors angesteuert. Der Controller 20 führt vorzugsweise einen kontinuierli- chen Überwachungsprozess durch, bei welchem die Elektroden der Sensoren 14 und 16 periodisch geladen und anschließend wieder entladen werden, wobei bei jedem Entladevorgang die beschriebene Strommessung zur Erfassung der Kapazität durchgeführt wird. Es ist denkbar, dass der Entladezyklus und der nächste Ladezyklus zeitlich beabstandet sind. Dieser zeitliche Abstand sollte jedoch nicht zu lang gewählt werden, um das Erreichen des Ein- und Ausschaltpegels des Fluids möglichst zeitnah detektieren zu können. Insbesondere beim Ausschalten ist dies wichtig, um einen längeren Trockentauf der Pumpe zu vermeiden.
Fig. 5 zeigt in einem Blockschaltbild den schematischen Aufbau einer Sensoreinrichtung mit Sensorelektroden 2 und 4 sowie der zugehörigen Ansteuer- und Auswerteschaltung, welche nun näher beschrieben wird. Neben der Energieversorgung 18 und dem Controller 20, welcher den gesamten Betrieb der Sensoranordnung und die Auswertung der Sensorsignale übernimmt, weist die elektronische Schaltung als wesentliche weitere Komponenten einen Pulsgenerator 24 und einen Stromsensor 26 auf. Ausgangsseitig des Pulsgenerators 24 schließen sich Pulsformer 28 sowie eine Endstufe 30 an. Die Endstufe 30 dient dazu, das Signal zu puffern, um auch hochleitfähige Fluide mit dem erfindungsgemäßen Sensor erkennen zu können. Die Endstufe 30 ist über einen Kondensator 32 mit der ersten Elektrode 2 verbunden. Der Pulsgenerator erzeugt zum Laden der Elektrode 2 eine Mehrzahl bzw. Vielzahl sehr kurzer Spannungspulse, mit welchen die Sensorelektrode geladen wird. Zum Entladen erzeugt der Pulsgenerator 24 gemeinsam mit dem Pulsformer 28 die oben beschriebenen steile vorbestimmte Entladekurve. Beim Entla- den erfasst der Stromsensor 26 den Entladestrom zwischen den Elektroden 2 und 4. Das Ausgangssignal des Stromsensors 26 wird einem Abtast- und Haltekreis 34 zugeführt, welcher den Spitzenwert des Entladestromes speichert und eine proportionale Spannung als Ausgangssignal ausgibt. Dieses Ausgangssignal wird dem Mikrocontroller 20 zugeführt, welcher daraus in Kenntnis der Entladekurve die Kapazität zwischen den Elektroden 2 und 4 bestimmt und eine Auswertung vornimmt, ob Fluid oder Wasser zwischen den Elektroden 2 und 4 ist. Der Mikrocontroller 20 steuert auch den Pulsgenerator 24 an und gibt die Lade- und Entladezyklen vor.
Auch die Elektrode 4 ist über einen Kondensator 36 angekoppelt. Die Ankopplung der Elektroden 2 und 4 über Kondensatoren 32 und 36 isoliert die Elektroden 2, 4 gegenüber der Elektronik, sodass ein direkter Kontakt einer Person mit den Elektroden 2 und 4 ungefährlich ist.
Fig. 6 zeigt eine mögliche Anordnung der Elektroden 2 und 4 in dem Pumpenaggregat. In diesem Beispiel wird die Elektrode 4 von dem metallischen Pumpen- und/oder Motorgehäuse gebildet. Die Elektrode 2 ist separat angeordnet und über einen Isolator 38 mit dem Gehäuse 4 verbunden, sodass die Elektroden 2 und 4 elektrisch gegeneinander isoliert sind. Wie vorangehend beschrieben sind die Elektroden 2 und 4 über Kondensatoren 32 und 36 mit der Auswerteelektronik 40 verbun- den. Die Auswerteelektronik 40 umfαsst, wie anhand von Fig. 5 erläutert, Energieversorgung 18, Controller 20, Pulsgenerator 24, Stromsensor 26, Pulsformer 28, Endstufe 30 sowie Abtast- und Haltekreis 34. Die Auswerteelektronik 40 kann jedoch auch abweichend in anderer geeigneter Weise zur Realisierung des erfindungsgemäßen Messprinzips ausgebildet werden.
Fig. 7 zeigt eine weitere mögliche Anordnung der Elektroden 2 und 4 in dem Pumpenaggregat, welche im Wesentlichen der Anordnung in Fig. 6 entspricht. Zusätzlich ist hier zwischen dem Gehäuse, welches die zweite Elektrode 4 bildet und der ersten Elektrode 2 eine Schutzelektrode 42 angeordnet. Die Schutzelektrode 42 ist mit einem aktiven Schutzkreis 44 verbunden. Schutzelektrode 42 und Schutzkreis 44 dienen dazu, elektrische Felder, welche rückseitig der Elektrode 2 im Inneren des Ge- häuses durch die dort angeordneten elektrischen bzw. elektronischen Bauteile auftreten, gegen die Elektrode 2 abzuschirmen, sodass die E- lektrode 2 nur elektrische Felder außerhalb des Gehäuses erfasst, wie durch die Feldlinien 46 angedeutet.
Fig. 8 zeigt noch einmal in einer schematischen Draufsicht das Pumpenaggregat, dessen Gehäuse als zweite Elektrode 4 dient. Die erste Elektrode ist gegenüber dem Gehäuse und damit der zweiten Elektrode elektrisch isoliert angeordnet, sodass zwischen den Elektroden 2 und 4 eine Kapazität C abhängig von dem umgebenden Medium bzw. Fluid vorhanden ist.
Fig. 9 zeigt eine mögliche Anordnung einer Pumpe 48 mit einem Sensor 50, welcher wie in Fig. 5 beschrieben aufgebaut ist. Dieser Sensor 50 ist hier nicht in das Pumpenaggregat 48 integriert sondern in der elektri- sehen Versorgungsleitung zwischen der Stromversorgung 1 1 und dem Pumpenaggregat 48 angeordnet. Der Sensor 50 weist, wie in Fig. 10 gezeigt, zwei Sensorelektroden 2 und 4 auf, welche in der vorangehend beschriebenen Weise mit der Umgebung einen Kondensator bilden. Der Sensor 50 ist in der Nähe des Bodens 52 gelegen. Wenn der Wasserbzw. Fluidspiegel so hoch ansteigt, dass die Elektroden 2 und 4 des Sensors 50 im Wasser liegen, wird das von dem Sensor erfasst und er schal- tet die Stromversorgung für die Pumpe 48 ein, sodass diese Fluid bzw. Wasser fördert. Wenn der Fluidspiegel unter das Niveau der Sensorelektroden 2 und 4 sinkt, ändert sich die Kapazität der Elektroden 2 und 4 deutlich, was in der vorangehend beschriebenen Weise detektiert wird und der Sensor 50 wird dann über einen Leistungsschalter die Leitung zwischen der Stromversorgung 1 1 und dem Pumpenaggregat 48 unterbrechen und so das Pumpenaggregat ausschalten.
Fig. 1 1 zeigt eine Anordnung ähnlich der Anordnung in Fig. 9 mit dem Unterschied, dass zwei Sensoren 50 und 54 vorgesehen sind. Mit zwei Sensoren 50 und 54 wird das Pumpenaggregat 48 in der Weise betrieben, dass dann, wenn der Fluidpegel den oberen Sensor 54 erreicht und somit dessen Elektroden 2 und 4 im Fluid liegen, die Pumpe 48 eingeschaltet wird. Ausgeschaltet wird das Pumpenaggregat 48, wenn der untere Sensor 50 zwischen seinen Elektroden 2 und 4 Luft detektiert., d.h. der Fluidpegel unter das vertikale Niveau des Sensors 50 gesunken ist.
Das Ausschalten der Pumpe kann erfindungsgemäß auch auf andere Weise veranlasst werden. Z. B. kann die Motorsteuerung für den Pum- penmotor den Trockenlauf der Pumpe detektiert. Dieser ist aus elektrischen Parametern des Motors erkennbar, beispielsweise anhand einer Phasenverschiebung der Versorgungsspannung.
In Fig. 12 ist ein beispielhafter Schaltplan der Sensorelektronik darge- stellt, dessen wesentlichen Komponenten nachfolgend beschrieben werden. VCC ist die Eingangsspannung für den kapazitiven Sensor. Ci ist ein Bypass-Kondensator und C2 ist derjenige Kondensator, welcher geladen wird, um eine bestimmte Energiemenge für den Sensor bereitzustellen. Wenn der Sensor aktiviert wird, wird die Spannungsversorgung VCC unterbrochen und die Sensorelektroden 2, 4 wird über den Ausgang Ai allein mit der Spannung aus dem Kondensator C2 versorgt. Die in dem Kondensator C2 gespeicherte Energie wird dabei durch die Kapazität bzw. die Leitfähigkeit des Wassers abgegeben. Folglich verbleibt am Ende der Messung eine Restenergiemenge in dem Kondensator C2. sodass durch die verbleibende Spannung über dem Kondensator C2 die Leitfähigkeit des Wassers bestimmt werden kann.
Ul ist ein Pulsformer in Form eines Schmitt-Triggers. Über den Eingang E2,welcher den Eingang des Schmitt-Triggers darstellt, werden die Pulse zur Aktivierung des Sensors dem Pulsformer Ul zugeführt.
Durch den Widerstand R2 und den Kondensator Cs wird die Entladekurve bzw. Entladegeschwindigkeit dU/dt für den Sensor vorgegeben. Die Transistoren Qi und Gh dienen dazu, einen höheren Strom zu dem Sensorausgang Al zu liefern. Die Diode Di und der Widerstand Ri dienen dem Schutz des Transistors Qi und reduzierten die Ladegeschwindigkeit dU/dt. Die Kondensatoren C4 und CO sind Trennkondensatoren, welche zum Schutz von Personen, welche in Kontakt mit dem Elektroden 2, 4 kommen, dienen.
Der Widerstand R3 dient zum Erfassen des Stroms der hier zwischen den Elektroden 2, 4 und der Erde fließt, d. h. dies ist der Strom, welcher proportional zu der zu messenden Kapazität zwischen den Sensorelektroden 2, 4 ist.
Der Kondensator Ce ist ein Entkoppel-Kondensator, welcher es ermög- licht, dass der aus der Diode D3 und dem Kondensator C9 gebildete
Spitzenwertdetektor im Zusammenhang mit dem Vorspannungskreis gebildet aus den Widerständen R4 und Rs und der Diode D4 einen Offset-Fehler nahe null aufweist.
Der Kondensator C9 dient dazu, die der erfassten Kapazität entspre- chende Spannung zu halten und eine langsame Digitalisierung der Spannung über beispielsweise einen Analog-Digital-Wandler an dem Ausgang A2 vorzunehmen.
Der Kondensator C28 dient dazu, Störungen bzw. Störschwingungen zu tilgen.
Bezugszeichenliste
2, 4 Elektroden
10 Bereich der Spαnnungskurve
1 1 Stromversorgung
12 Steuereinrichtung
14, 16 Sensor
18 Energieversorgung
20 Controller
22 Leistungsschαlter
24 Pulsgenerαtor
26 Stromsensor
28 Pulsformer
30 Endstufe
32 Kondensator
34 Abtast- und Haltekreis
36 Kondensator
38 Isolator
40 Auswertelektronik
42 Schutzelektrode
44 Schutzkreis
46 Feldlinien
48 Pumpenaggregat
50 Sensor
52 Boden
54 Sensoren
R Widerstand
C Kapazität
U Spannung t Zeit
Ic Strom T Zeitpunkt
VCC Eingαngsspαnnung
E2 Eingang
A1. A2 Ausgänge
U, Pulsformer
Figure imgf000022_0001
Ce, C9, C28 Kondensatoren
D5 Dioden
R4, Rs Widerstände
Qi, Qz Transistoren

Claims

Ansprüche
1 . Sensor zum Ein- und/oder Ausschalten einer Pumpe mit zumindest einer ersten (2) und einer zweiten (4) Elektrode, welche eine durch das zu fördernde Fluid beeinflussbare Kapazität (C) bilden, und ei- ner mit den Elektroden (2, 4) verbundenen elektronischen Schaltung (40), dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung (40) eine mit der ersten Elektrode (2) verbundenen Spannungsversorgung (24) aufweist, welche zur Ab- gäbe kurzer Spannungspulse zum Laden der ersten Elektrode (2) ausgebildet ist, und eine Auswerteschaltung (20, 26, 34) aufweist, welche derart ausgebildet ist, dass sie während eines Spannungsanstiegs beim Laden und/oder eines Spannungsabfalls beim Entladen der Elektrode (2) den Strom (Ic) zwischen den Elektroden (2, 4) erfasst und ein Ein- und/oder Ausschaltsignal abhängig von dem erfassten Strom (Ic) ausgibt.
2. Sensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung (46) derart ausgebildet ist, dass beim Laden der Elektrode (2) und/oder beim Entladen der Elektrode (2) der zeitliche Signalverlauf der Spannung (U) zumindest in einem Abschnitt eine vorbestimmte Steigung (dU/dt) aufweist.
3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Steigung (dU/dt) steil vorzugsweise steiler als 5V/μs gewählt ist.
4. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung (40) derart ausgebildet ist, dass ein sich zyklisch wiederholendes Laden und Entla- den der Elektrode (2) mit Erfassung des Stroms (Ic) beim Laden und/oder Entladen stattfindet.
5. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung (40) derart ausge- bildet ist, dass die Elektrode (2) zunächst durch mehrere Spannungspulse der Spannungsversorgung (24) geladen und anschließend entladen wird, wobei die Auswerteschaltung (20, 26, 34) während des Entladens den Strom (Ic) erfasst und ein Ein- und/oder Ausschaltsignal abhängig von dem erfassten Strom (Ic) ausgibt.
6. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung (40) derart ausgebildet ist, dass die Auswerteschaltung (20, 26, 34) zusätzlich den e- lektrischen Widerstand (R) zwischen den beiden Elektroden (2, 4) bestimmt und ein Ein- und/oder Ausschaltsignal abhängig von dem erfassten Strom (Ic) und dem Widerstand (R) ausgibt.
7. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgung eine Spannungsquelle (18) mit einem dieser nachgeschalteten Widerstand und ei- ner dieser parallel geschalteten Kapazität aufweist.
8. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgung einen Signalgenerator (24) zum Erzeugen einer Lade- und/oder Entladespannung mit definiertem Signalverlauf aufweist.
9. Pumpe zum Fördern eines Fluids mit einem elektrischen Antriebsmotor und einer Steuereinrichtung ( 12) zum Ein- und Ausschalten des Antriebsmotors (M), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (12) zumindest einen Sensor (14, 16, 36) nach einem der vorangehenden Ansprüche zum Ein- und/oder Ausschalten der Pumpe in Abhängigkeit eines Fluidniveaus aufweist.
10. Pumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Elektroden (4) von dem Gehäuse der Pumpe gebildet ist und die zweite Elektrode (2) isoliert gegenüber dem Gehäuse angeordnet ist.
1 1. Pumpe nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (14, 16, 50) angeordnet ist, um bei einem vorbestimmten Fluidniveau ein Einschaltsignal für den Antriebsmotor zu erzeugen.
12. Pumpe nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Abschaltvorrichtung für die Pumpe vorgese- hen ist, welche zumindest ein Erfassungsmittel zum Erfassen zumindest eines elektrischen Parameters des Antriebsmotors (M) aufweist und derart ausgebildet ist, dass auf Grundlage dieses elektrischen Parameters ein Trockenlauf der Pumpe detektierbar ist, und bei detektiertem Trockenlauf ein Abschaltsignal für den Antriebs- motor (M) erzeugt wird.
13. Pumpe nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schutzelektrode (42) angeordnet ist, welche die erste Elektrode (2) des Sensors gegenüber elektrischen Bauteilen im Inneren der Pumpe abschirmt.
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