WO2015062765A1 - Vorrichtung zur bestimmung oder überwachung des füllstands eines mediums in einem behälter - Google Patents

Vorrichtung zur bestimmung oder überwachung des füllstands eines mediums in einem behälter Download PDF

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WO2015062765A1
WO2015062765A1 PCT/EP2014/068206 EP2014068206W WO2015062765A1 WO 2015062765 A1 WO2015062765 A1 WO 2015062765A1 EP 2014068206 W EP2014068206 W EP 2014068206W WO 2015062765 A1 WO2015062765 A1 WO 2015062765A1
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WO
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sensor
medium
container
level
reference sensor
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PCT/EP2014/068206
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Thomas Blödt
Peter KLÖFER
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Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg
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Publication date
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    • G01F23/26—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields

Definitions

  • the invention relates to a device for determining or monitoring the level or a predetermined limit level of a medium in a container.
  • the Applicant offers a variety of level gauges for industrial automation technology and sold. To determine the level of a medium in a container
  • radar measuring instruments determine the fill level of a product in a container over the duration of ultrasonic signals or microwave signals. In these so-called. Run-time method, the physical law is exploited that the running distance is equal to the product of transit time and propagation speed of the waves. In the case of level measurement, the running distance is twice the distance between the antenna and the surface of the medium. The level itself can then be determined from the difference between the known distance of the antenna from the bottom of the container and the distance determined by the measurement of the surface of the medium from the antenna.
  • radar level gauges are used in small containers, in particular smaller than 1 m.
  • the spatial resolution, ie the measurement accuracy, is then relatively low and the blocking distance is large.
  • Block distance is understood here to be the minimum distance from the antenna, starting at - below
  • Laser measuring devices can also be used with a short measuring distance, but their realization is cost-intensive.
  • capacitive probes or hydrostatic pressure probes are used for continuous level measurement.
  • capacitive probes can be any capacitive probes or hydrostatic pressure probes.
  • Hydrostatic pressure probes are relatively strongly influenced by pressure changes, which occur in particular when filling small containers. Furthermore, there are indirect methods for determining a level. To name in this context, for example, a dropper, which on a
  • An inexpensive system for level measurement consists of a plurality of interconnected limit switches, each covering a defined height range of the container. If a fixed number of limit switches are distributed over the height of the container, the larger the container, the greater the measurement inaccuracy. If 1 1 limit switches are used, the system can dissolve in steps of 10%. In addition, several point level measuring points are costly depending on the measurement method; they can also affect each other in principle.
  • the invention has the object to provide a device for determining the level or the level of a medium in a container, which is also suitable for use in small containers.
  • the object is achieved by a device for determining or monitoring the level or a predetermined limit level of a medium in a container with a self-excited system consisting of
  • At least one sensor having an electrode which is arranged at a predetermined angle to the longitudinal axis of the container, wherein the electrode is acted upon by the electromagnetic waves, wherein the at least one sensor with respect to the medium is arranged such that the phase position of the at the interface of the medium reflected electromagnetic waves under the influence of the medium changes, and
  • the refractive index - also called refractive index - corresponds to the ratio of the speed of light of electromagnetic waves in vacuum to
  • the complex refractive index is linked to permittivity and permeability.
  • permittivity is a measure of the permeability of a material for electric fields and the permeability is a measure of the permeability of a material for magnetic fields.
  • Permittivity and dielectric conductivity are synonymous terms.
  • the relative permittivity also called
  • Permitt foundedsress or referred to as the dielectric constant, describes the permittivity of a medium to the permittivity of the vacuum.
  • Magnetic substances are classified by permeability as diamagnetic, paramagnetic or ferromagnetic substances.
  • Dielectric constant is taken, the device according to the invention can be used analogously to detect fill level with appropriate media via a permeability measurement.
  • the senor consists of an electrode which is arranged on an insulating material; Electrode and insulation material form a measuring cell.
  • the sensor or the measuring cell is arranged on the inner wall of the container, on the outer wall of the container or in the medium.
  • the sensor or the measuring cell can be an integral part of the container wall. Since the microwaves are e.g. penetrate a plastic bag, the sensor or the measuring cell can be glued to the outer wall of a plastic container.
  • the device according to the invention is designed so that it extends either over the entire filling level of the container, or that it is shorter and covers only a portion of the maximum level, e.g. 0% -50% or 60% ... 100%.
  • the device according to the invention can also be used as a limit switch.
  • the device according to the invention can also be referred to as a microwave resonator.
  • the device according to the invention is able to make statements regarding the electrical or magnetic properties or the changing electrical or magnetic properties of the medium.
  • the self-excited system oscillates in the steady state on a defined oscillation frequency, which is located in the microwave range.
  • the self-excited oscillating frequency of the self-excited system that is the microwave resonator, depends on the refractive index at the interface with the medium, wherein the microwave resonator must be arranged with respect to the interface so that the
  • Oscillation frequency is influenced by the properties of the medium.
  • the microwave resonator must be located in close proximity to the medium or in the medium. It goes without saying that the thickness of the wall can be greater if the medium has a high dielectric constant. Measured in the
  • the oscillation frequency or the frequency change due to the influence of the medium is preferably used as the frequency detector.
  • An advantageous embodiment of the device according to the invention provides that the frequency band in which the self-excited system is oscillatable, is outside the natural frequency of the sensor.
  • the natural frequency of the sensor is reflected by the geometric dimensions of the sensor or the transit time of the sensor
  • the self-excited system has a low quality; This is very beneficial for the self-excited system.
  • the frequency deviating from the natural frequency prevents the sensor from acting as an antenna and absorbing or emitting large amounts of energy. Thus, interference is reduced.
  • Device are preferably the following operating or
  • Vibration frequencies used 2.4 GHz, 433 MHz, 866 MHz or 5.8 GHz. In general, at least any frequency in the frequency range between 300 MHz and at least 30 GHz can be used.
  • the device according to the invention may preferably, but not exclusively, be used for determining the filling level in small containers.
  • small containers are understood to be containers having a longitudinal extent of less than or significantly less than 1 m. Determining a small level is very important in many applications. Important areas of application are medical technology and the pharmaceutical industry. In the pharmaceutical industry shows up in
  • Process containers preferably used. By disposing of the container one-time use sterilization can be saved for further use.
  • the device according to the invention or the measuring cell or the sensor - as already mentioned - also easily adapted from the outside to the container, for example, can be glued, a repeated use of different containers is not excluded. Also, a recycling is easily possible.
  • DK meas characterizes the relative permittivity measured with the sensor
  • DK ATM the relative permittivity of the gas phase in the area above the surface of the medium
  • DK M the relative permittivity of the medium
  • h the determined height of the level
  • H the maximum height of the level in the medium Container.
  • the relative permittivity of the medium is predetermined. This is easily possible in many applications, since the composition of the medium is well known and constant.
  • a first reference sensor This is preferably designed analogously as the sensor according to the invention for level measurement.
  • the first reference sensor is at least temporarily arranged so that it interacts with the medium in the container over the entire longitudinal extent of the electrode.
  • the frequency detector which is assigned to the electrode of the sensor (this solution is suitable for cost reasons), or even a separate frequency detector measures the frequency of the first reference sensor.
  • the evaluation unit determines on the basis of the relative dielectric constant measured by the sensor and the predetermined or determined by the first reference sensor relative
  • the relative permittivity of the medium in the gas phase is predetermined. Since it is in many cases air, the default is simple.
  • a second reference sensor is provided, which preferably corresponds to the sensor or the first reference sensor in terms of its construction and its function.
  • the second reference sensor is oriented essentially perpendicular to the electrode of the sensor and arranged in a region of the container in which the influencing of the electromagnetic waves coupled to the electrode of the second reference sensor is at least temporarily constant by the medium in the gas phase.
  • the second reference sensor must be arranged so that the influence of the medium on the measured values of the second
  • the evaluation unit determines or monitors the fill level or the predetermined limit level of the medium in the container on the basis of the predetermined or determined relative dielectric constants.
  • a preferred solution aims to detect a separating layer occurring in a container and to determine its thickness.
  • the container next to the medium whose level is to be monitored and the medium in the gas phase another medium, which is arranged in the separating layer.
  • Typical examples are an oily substance above a water surface, or a deposit at the bottom of the container.
  • a third medium which is arranged in the separating layer.
  • Reference sensor provided, which is also based again on the same measurement principle as the sensors described above. However, the linear expansion of the third reference sensor is different from the linear expansion of the sensor.
  • the third reference sensor is aligned substantially parallel to the sensor.
  • Linear expansion of the third reference sensor is dimensioned such that the upper end region is always above the maximum height of the separating layer.
  • the end region of the sensor facing the bottom of the container and the end region of the third reference sensor facing the bottom of the container are at least approximately at the same height.
  • the evaluation unit also determines the thickness of the separating layer based on the relative dielectric constants in addition to the fill level of the medium in the container.
  • DK measures the relative permittivity measured with the sensor
  • DK 3 the relative dielectric constant measured with the third reference sensor
  • L the longitudinal expansion of the third reference sensor
  • all sensors have a defined length extension.
  • the maximum filling level of the medium in the container is a multiple of the longitudinal extent of the electrode or of the sensor, a plurality of sensors are arranged in series with one another over the filling level on or in the container.
  • the sensors are available with the same length extension as a band or as a piece goods.
  • predetermined breaking points are then provided between the individual sensors, so that the number of sensors can be tuned by suitable separation to be measured or monitored maximum filling level of the medium in the container.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of the measuring arrangement according to the invention for level measurement in a container
  • Measuring device for level measurement in a container
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a third embodiment of the measuring arrangement according to the invention for level measurement in a container
  • Measuring device for level measurement in a container
  • Fig. 5a the measuring arrangement shown in Fig. 4 with sensor electronics
  • Evaluation electronics in a second embodiment, 6a-6d different configurations of a preferably used measuring arrangement according to the invention
  • Fig. 7a-Fig. 7c different variants of the measuring arrangement according to the invention
  • Fig. 9 a schematic representation of the solution according to the invention, which is used to control a pump and
  • FIG. 1 With reference to the schematic representation shown in FIG. 1 of a first reduced to the essential arrangement of a device according to the invention for
  • the container 2 is partially filled with a medium 3.
  • Sensor 1 is attached to the container 2 from outside and placed substantially parallel to the longitudinal axis of the container 2.
  • the level h of the medium 3 in the container 2 can be given as an absolute measure or as a percentage with respect to the maximum filling height H possible in the container 2.
  • a microwave resonator 1 positioned on a container with a simple elongate electrode 4 outputs the linear mean value of the relative dielectric constant of the adjacent media (3, 14) in the form of a frequency.
  • the arrangement shown in FIG. 1 can be used if the dielectric constant DK M of the medium 3 and the dielectric constant DK A TM of the gas phase 14 are known. This can be assumed in many applications in the food, pharmaceutical and chemical industries.
  • the medium 3 changes in composition during one
  • a reference sensor 6 is provided, which is arranged on / in the container 2, that it at least temporarily over its entire
  • FIG. 3 shows a preferred measuring arrangement when the dielectric constant DK A TM of the medium in the gas phase 14 fluctuates or is unknown.
  • a second reference sensor 7 is then provided, which is arranged so that it interacts at least temporarily only with the gas phase 14. Based on the self-adjusting frequency, the dielectric constant DK A TM of the gas phase 14 can also be determined unambiguously here.
  • the level h or H can be calculated using one of the previously mentioned formulas.
  • the third reference sensor 8 is preferably formed analogously to the sensor 1 or the first reference sensor 6 or the second reference sensor 7.
  • the linear expansion L of the active part of the third reference sensor 8 differs from the linear expansion G of the active part of the sensor 1.
  • the longitudinal extent L of the third reference sensor 8 is such that the upper end region 24 always lies above the maximum height of the separating layer 9 in the container 2.
  • the third reference sensor 8 is aligned substantially parallel to the sensor 1 - in the case shown, both are parallel to
  • the level (H) can be calculated according to the following formula:
  • the separating layer 9 is above the first reference sensor 6 and below the upper end portion 24 of the third reference sensor 8.
  • the lower end portions 25, 26 of the sensor 1 and the third reference sensor eighth not at a height, so the dielectric constant DK A TM of the gas phase 14 must be taken into account.
  • a second reference sensor 7 can be used.
  • Measuring accuracy at least one temperature sensor may be provided. This makes it possible to computationally compensate for the temperature effect.
  • FIGS. 5a and 5b show the measuring arrangement shown in FIG.
  • each sensor or each reference sensor 1, 6, 8 is assigned a respective sensor electronics 12.
  • Fig. 5a are thus three oscillatory systems. These are from the first one
  • a plurality of sensors 1, 6, 8 are connected via a changeover switch 10 with only one sensor electronics 12 and a frequency detector 11.
  • the switching of the switch 10 is controlled by the evaluation / evaluation unit 28.
  • the oscillatable system consists of one of the following three configurations: the sensor 1, the switch 10 and the sensor electronics 12, or the first reference sensor 6, the switch 10 and the sensor electronics 12, or the third reference sensor 8 , the switch 10 and the sensor electronics 12th
  • FIGS. 6a-6d show different embodiments of a preferably used measuring arrangement according to the invention, which are configured as adhesive devices 16 or as stickers.
  • Each sticker 16 is provided with at least two sensors 1, 6 and at least one connector 15.
  • Measuring arrangements can be made very compact. If a correspondingly high operating frequency is selected, the sensors shown can also be implemented in MEMS technology.
  • the adhesive arrangements 16 shown can moreover be integrated without problems in, for example, a disposable plastic bag (medical technology) or in a mini-bioburper container. The measurement can also be made here through the non-conductive and non-magnetic wall.
  • FIGS. 7a-7c show further different variants of FIG.
  • Each of the sensors 1 shown in FIG. 7 a has a defined length G.
  • the maximum filling level H of the medium 3 in the container 2 is a multiple of the longitudinal extent G of the electrode 4 and the sensor 1
  • several sensors 1 are arranged in series over the maximum filling height H or arranged in the container 2 ,
  • the sensor 1, 8 should be placed at two measurement points, e.g. the measuring points "minimum level” and "maximum level
  • a learning phase in which the outer band limits of a sensor are determined. The level is then distributed evenly or according to container shape from 0% to 100% in the measured range During this training phase, it is necessary, at least once the minimum and the maximum level to be measured, is referred to in deisem
  • Dielectric constant DK M of the medium used 3 of the evaluation unit 28 pretends. However, this requires that the dielectric constant DK M of the medium 3 is constant within the desired measurement accuracy during the measurement.
  • FIG. 9 A corresponding application example is visualized in FIG. 9. The arrangement shown is a gate circuit for fixing the upper one
  • FIG. 8b Another elegant method is shown in Fig. 8b.
  • the meter goods 19 has predetermined breaking points 18, which are characterized for example by imprints.
  • the operating personnel selects the predetermined breaking point 18, which is suitable for the installation, for shortening the sensor 1, 8 and communicates this to the evaluation electronics 29.
  • the sensor electronics 12 and the evaluation are included.
  • This solution is more comfortable than the reduction shown in Fig. 8a by means of a cutting tool to the required length and the message about the jeweile length to the evaluation unit 28.
  • the frequency detector 1 1 within the evaluation unit 29 has a lower detection threshold, above which Verändeurngen be detected at a connected sensor 19. In order to ensure a safe measurement above this detection threshold, a minimum length of the sensor 19 is provided, which ensures that a sufficient interaction between the microwaves and the electrical or mangetic properties of the adjacent medium or the adjacent media is guaranteed. This detection threshold is dependent on the circuit complexity that is operated in the sensor electronics 12 and the frequency detector 1 1.
  • the measuring arrangement can also be designed such that two sensors 1
  • the dielectric constant of the medium 3 can be predetermined or detected by another sensor.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung des Füllstands (h, H) oder eines vorgegebenen Grenzstands eines Mediums (3) in einem Behälter (2), - mit einem selbsterregten System, bestehend aus - einer Schwingungserzeugungseinheit zur Erzeugung elektro-magnetischer Wellen innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbandes, - zumindest einem Sensor (1 ) mit einer Elektrode (4), der unter einem vorgegebenen Winkel zur Längsachse des Behälters (2) angeordnet ist, wobei die Elektrode (4) mit den elektromagnetischen Wellen beaufschlagt wird, wobei der zumindest eine Sensor (1 ) bezüglich des Mediums (3) derart angeordnet ist, dass sich die Phasenlage der an der Grenzfläche des Mediums (3) reflektierten elektromagnetischen Wellen unter dem Einfluss des Mediums (3) ändert, und - einem Rückkopplungskreis, der die elektromagnetischen Wellen auf den zumindest einen Sensor (1 ) rückkoppelt, wodurch die Frequenz des selbsterregten Systems bestimmt wird, mit einem Frequenzdetektor, der die Frequenz der elektromagnetischen Wellen erfasst, und mit einer Auswerteeinheit (28, 29), die anhand der erfassten Frequenz die vom jeweiligen Füllstand (h) abhänige relative Dielektrizitätszahl (DKmess) und/oder die Permeabilität des Mediums (3) ermittelt und die anhand der ermittelten relativen Dielektrizitätszahl (DKmess) oder der Permeabilität des Mediums (3) den Füllstand (h) oder das Erreichen des vorgegebenen Grenzstands des Mediums (3) in dem Behälter (2) bestimmt.

Description

Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung des Füllstands
eines Mediums in einem Behälter
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung des Füllstands oder eines vorgegebenen Grenzstands eines Mediums in einem Behälter.
Von der Anmelderin wird eine Vielzahl von Füllstandsmessgeräten für die industrielle Automatisierungstechnik angeboten und vertrieben. Zur Bestimmung des Füllstands eines Mediums in einem Behälter werden
unterschiedliche Messprinzipien eingesetzt. Beispielsweise bestimmen Radar- Messgeräte den Füllstand eines Füllguts in einem Behälter über die Laufzeit von Ultraschallsignalen oder Mikrowellensignalen. Bei diesen sog. Laufzeit-verfahren wird die physikalische Gesetzmäßigkeit ausgenutzt, dass die Laufstrecke gleich dem Produkt aus Laufzeit und Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen ist. Im Falle der Füllstandsmessung entspricht die Laufstrecke dem doppelten Abstand zwischen Antenne und Oberfläche des Füllguts. Der Füllstand selbst lässt sich dann aus der Differenz zwischen dem bekannten Abstand der Antenne von dem Boden des Behälters und dem durch die Messung bestimmten Abstand der Oberfläche des Füllguts von der Antenne bestimmen.
Der Nachteil von Radar-Füllstandsmessgeräten zeigt sich, wenn diese in kleinen Behältern, insbesondere kleiner als 1 m eingesetzt werden. Die Ortsauflösung, also die Messgenauigkeit, ist dann relativ gering und die Blockdistanz groß. Unter Blockdistanz wird hierbei die Mindestentfernung von der Antenne verstanden, ab der - unter
Berücksichtigung der Abstrahlcharakteristik der Antenne - eine zuverlässige Messung überhaupt erst möglich ist. Der Einfluss der Blockdistanz lässt sich durch eine geeignete Signalaufbereitung teilweise kompensieren, z.B. indem eine reproduzierbar geführte Wellenausbreitung verwendet wird. Entsprechende Füllstandsmess-geräte sind unter der Bezeichnung TDR (Time Domain Reflectometry)-Geräte bekannte geworden.
Lasermessgeräte lassen sich auch bei einer geringen Messdistanz einsetzen, jedoch ist ihre Realisierung kostenintensiv.
Weiterhin werden zur kontinuierlichen Füllstandsmessung kapazitive Messsonden oder hydrostatische Drucksonden eingesetzt. An kapazitiven Messsonden können
Ablagerungen die Messgenauigkeit herabsetzen. Hydrostatische Drucksonden werden relativ stark durch Druckveränderungen beeinflusst, die insbesondere beim Befüllen kleiner Behälter auftreten. Weiterhin existieren indirekte Verfahren zur Bestimmung eines Füllstands. Zu nennen ist in diesem Zusammenhang beispielsweise ein Tropfenzähler, welcher an einem
Infusionsbeutel angebracht wird. Ein kostengünstiges System zur Füllstandsmessung besteht aus einer Vielzahl von zusammengeschalteten Grenzschaltern, die jeweils einen definierten Höhenbereich des Behälters abdecken. Ist eine feste Anzahl von Grenzschaltern über die Höhe des Behälters verteilt, so ist die Messungenauigkeit umso größer, je größer der Behälter ist. Bei Verwendung von 1 1 Grenzschaltern kann das System in Stufen von 10% auflösen. Hinzu kommt, dass mehrere Grenzstand-Messstellen je nach Messverfahren kostspielig sind; auch können sie sich prinzipbedingt gegenseitig beeinflussen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstands oder des Grenzstands eines Mediums in einem Behälter vorzuschlagen, die auch für den Einsatz in kleinen Behältern geeignet ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung des Füllstands oder eines vorgegebenen Grenzstands eines Mediums in einem Behälter mit einem selbsterregten System, bestehend aus
- einer Schwingungserzeugungseinheit zur Erzeugung elektro-magnetischer
Wellen innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbandes,
- zumindest einem Sensor mit einer Elektrode, der unter einem vorgegebenen Winkel zur Längsachse des Behälters angeordnet ist, wobei die Elektrode mit den elektromagnetischen Wellen beaufschlagt wird, wobei der zumindest eine Sensor bezüglich des Mediums derart angeordnet ist, dass sich die Phasenlage der an der Grenzfläche des Mediums reflektierten elektromagnetischen Wellen unter dem Einfluss des Mediums ändert, und
- einem Rückkopplungskreis, der die elektromagnetischen Wellen auf den zumindest einen Sensor rückkoppelt, wodurch die Frequenz des selbsterregten Systems bestimmt wird,
mit einem Frequenzdetektor, der die Frequenz der elektromagnetischen Wellen erfasst, und
mit einer Auswerteeinheit, die anhand der erfassten Frequenz die relative Dielektrizitätszahl (DKmess) oder die Permeabilität des Mediums ermittelt und die anhand der ermittelten relativen Dielektrizitätszahl (DKmess) und/oder die
Permeabilität des Mediums den Füllstand oder das Erreichen des vorgegebenen Grenzstands des Mediums in dem Behälter bestimmt. Der Brechungsindex - auch Brechungszahl genannt - entspricht dem Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit von elektromagnetischen Wellen im Vakuum zur
Ausbreitungsgeschwindigkeit im Medium. Der komplexe Brechungsindex ist mit der Permittivitat und der Permeabilität verknüpft. Hierbei ist die Permittivität ein Maß für die Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder und die Permeabilität ein Maß für die Durchlässigkeit eines Materials für magnetische Felder. Permittivität und dielektrische Leitfähigkeit sind synonyme Begriffe. Die relative Permittivität, die auch als
Permittivitätszahl bzw. als Dielektrizitätszahl bezeichnet wird, beschreibt die Permittivität eines Mediums zu der Permittivität des Vakuums. Magnetische Stoffe werden über die Permeabilität als diamagnetische, paramagnetische oder ferromagnetische Stoffe klassifiziert.
Obwohl im folgenden nahezu ausschließlich auf die Messung der relativen
Dielektrizitätszahl Bezug genommen wird, lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung analog nutzen, um bei entsprechenden Medien über eine Permeabilitätsmessung den Füllstand zu detektieren.
Bevorzugt besteht der Sensor aus einer Elektrode, die auf einem Isolationsmaterial angeordnet ist; Elektrode und Isolationsmaterial bilden eine Messzelle.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung sieht vor, dass der Sensor oder die Messzelle an der Innenwand des Behälters, an der Außenwand des Behälters oder in dem Medium angeordnet ist. Ebenso kann der Sensor bzw. die Messzelle integraler Bestandteil der Behälterwandung sein. Da die Mikrowellen z.B. einen Kunststoffbeutel durchdringen, kann der Sensor bzw. die Messzelle an die Außenwand eines Kunststoffbehälters geklebt werden. Es versteht sich von selbst, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgestaltet ist, dass sie sich entweder über die gesamte Füllhöhe des Behälters erstreckt, oder dass sie kürzer ist und nur einen Teilbereich des maximalen Füllstands abdeckt, z.B. 0%-50% oder 60%...100%. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch als Grenzschalter eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch als Mikrowellen-Resonator bezeichnet werden. In Abhängigkeit von den an der Grenzfläche zu dem Medium herrschenden Gegebenheiten ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Lage, Aussagen bezüglich der elektrischen oder magnetischen Eigenschaften bzw. der sich ändernden elektrischen oder magnetischen Eigenschaften des Mediums zu machen. Das selbsterregte System schwingt im eingeschwungenen Zustand auf einer definierten Schwingfrequenz, die im Mikrowellenbereich angesiedelt ist. Die sich einstellende Schwingfrequenz des selbsterregten Systems, sprich des Mikrowellen-Resonators, hängt von dem Brechungsindex an der Grenzfläche zu dem Medium ab, wobei der Mikrowellen- Resonator bezüglich der Grenzfläche so angeordnet sein muss, dass die
Schwingfrequenz durch die Eigenschaften des Mediums beeinflusst wird. Somit muss der Mikrowellen-Resonator in der nahen Umgebung zu dem Medium oder in dem Medium angeordnet sein. Hierbei gilt natürlich, dass die Dicke der Wandung größer sein kann, wenn das Medium eine hohe Dielektrizitätszahl aufweist. Gemessen wird im
Zusammenhang mit der Erfindung die Schwingfrequenz bzw. die Frequenzänderung infolge des Einflusses des Mediums. Hierzu wird als Frequenzdetektor bevorzugt ein Frequenzzähler eingesetzt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass das Frequenzband, in dem das selbsterregte System schwingfähig ist, außerhalb der Eigenfrequenz des Sensors liegt. Die Eigenfrequenz des Sensors ist durch die geometrischen Abmessungen des Sensors bzw. die Laufzeit der reflektierten
elektromagnetischen Wellen innerhalb des Sensors bestimmt. Als Folge hiervon weist das selbsterregte System eine geringe Güte auf; dies ist für das selbsterregte System sehr vorteilhaft ist. Darüber hinaus wird durch die von der Eigenfrequenz abweichende Frequenz verhindert, dass der Sensor als Antenne wirkt und grosse Energieanteile aufnimmt oder abstrahlt. Somit werden Störungen vermindert. Bei der
erfindungsgemäßen Vorrichtung werden bevorzugt folgende Betriebs- bzw.
Schwingfrequenzen eingesetzt: 2,4 GHz, 433 MHz, 866 MHz oder 5.8 GHz. Ganz allgemein kann zumindest jede Frequenz im Frequenzbereich zwischen 300 MHz und mindestens 30 GHz eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann bevorzugt - aber nicht ausschließlich - für die Bestimmung des Füllstands in kleinen Behältern verwendet werden. Unter kleinen Behältern werden insbesondere Behälter mit einer Längenausdehnung kleiner oder deutlich kleiner als 1 m verstanden. Das Bestimmen eines kleinen Füllstands ist in vielen Anwendungsbereichen von großer Bedeutung. Wichtige Anwendungsgebiete sind die Medizintechnik und die Pharmaindustrie. In der Pharmaindustrie zeigt sich in
zunehmendem Maß der Trend, dass die Herstellung von Medikamenten über biotechnologische Verfahren in kleinen Chargen erfolgt. Da sich die erfindungsgemäße Lösung sehr kostengünstig herstellen lässt, ist sie auch in Einweg-Behältnissen, insbesondere in Einweg-Beuteln, wie Infusionsbeuteln, Abstoffbeuteln oder
Prozessbehältern bevorzugt einsetzbar. Durch Entsorgen des Behältnisses noch einmaligen Gebrauch lässt sich das Sterilisieren zur weiteren Benutzung einsparen. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. die Messzelle oder der Sensor - wie bereits erwähnt - auch problemlos von außen an das Behältnis adaptiert, z.B. geklebt werden kann, ist auch ein wiederholter Einsatz an unterschiedlichen Behältnissen nicht ausgeschlossen. Auch ist ein Recyceln einfach möglich.
Weitere Anwendungen finden sich in der Chemie-Verfahrenstechnik und in der
Lebensmittelindustrie. Aus der DE 10 2012 104 075 A1 vom 09.05.2012 ist ein Sensor bekannt geworden, der so empfindlich ist, dass er im Zusammenhang mit der Erfindung eingesetzt werden kann. Der entsprechende Offenbarungsgehalt der DE 10 2012 104 075 A1 (nicht vorveröffentlicht) ist dem Offenbarungsgehalt der vorliegenden Erfindung zuzurechnen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung schlägt vor, dass die Auswerteeinheit den Füllstand absolut oder relativ zur maximalen Höhe des Füllstands des Behälters nach folgenden Formeln berechnet: h = [DKmess- DKATM] / [DKM - DKATM]
bzw.
H = [DKmess- 1 ] / [DKM - 1] * 100%
Hierbei charakterisiert DKmess die mit dem Sensor gemessene relative Dielektrizitätszahl, DKATM die relative Dielektrizitätszahl der Gasphase im Bereich oberhalb der Oberfläche des Mediums, DKM die relative Dielektrizitätszahl des Mediums, h die ermittelte Höhe des Füllstands und H die maximale Höhe des Füllstands in dem Behälter.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die relative Dielektrizitätszahl des Mediums vorgegeben ist. Dies ist in vielen Anwendungen problemlos möglich, da die Zusammensetzung des Mediums bestens bekannt und konstant ist. Alternativ ist es möglich, einen ersten Referenzsensor vorzusehen. Dieser ist bevorzugt analog ausgestaltet wie der erfindungsgemäße Sensor zur Füllstandsmessung. Der erste Referenzsensor ist zumindest temporär so angeordnet, dass er über die gesamte Längenausdehnung der Elektrode mit dem im Behälter befindlichen Medium wechselwirkt. Der Frequenzdetektor, der der Elektrode des Sensors zugeordnet ist (diese Lösung bietet sich aus Kostengründen an), oder auch ein separater Frequenzdetektor misst die Frequenz des ersten Referenzsensors. Die Auswerteeinheit bestimmt anhand der von dem Sensor gemessenen relativen Dielektrizitätszahl und der vorgegebenen oder von dem ersten Referenzsensor ermittelten relativen
Dielektrizitätszahl des Mediums den Füllstand oder den vorgegebenen Grenzstand des Mediums in dem Behälter. In diesem Zusammenhang sei noch einmal erwähnt, dass die erfindungsgemäße Lösung auch auf magnetische Eigenschaft des Mediums reagiert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass die relative Dielektrizitätszahl des sich in der Gasphase befindlichen Mediums vorgegeben ist. Da es sich in vielen Fällen um Luft handelt, ist die Vorgabe einfach. Alternativ ist ein zweiter Referenzsensor vorgesehen, der hinsichtlich seines Aufbaus und seiner Funktion bevorzugt dem Sensor oder dem ersten Referenzsensor entspricht. Der zweite Referenzsensor ist im Wesentlichen senkrecht zu der Elektrode des Sensors orientiert und in einem Bereich des Behälters angeordnet, in dem die Beeinflussung der auf die Elektrode des zweiten Referenzsensors eingekoppelten elektromagnetischen Wellen durch das sich in der Gasphase befindliche Medium zumindest zeitweise konstant ist. Auf jeden Fall muss der zweite Referenzsensor so angeordnet sein, dass der Einfluss des Mediums auf die Messwerte des zweiten
Referenzsensors ausgeschlossen ist. Die Auswerteeinheit bestimmt bzw. überwacht anhand der vorgegebenen oder ermittelten relativen Dielektrizitätszahlen den Füllstand oder den vorgegebenen Grenzstand des Mediums in dem Behälter.
Eine bevorzugte Lösung zielt darauf ab, eine in einem Behälter auftretende Trennschicht zu detektieren und ihre Dicke zu bestimmen. In diesem Fall befinden sich in dem Behälter neben dem Medium, dessen Füllstand überwacht werden soll, und dem Medium in der Gasphase ein weiteres Medium, das in der Trennschicht angeordnet ist. Typische Beispiele sind eine ölhaltige Substanz oberhalb einer Wasseroberfläche, oder eine Ablagerung am Boden des Behälters. In diesem Zusammenhang ist ein dritter
Referenzsensor vorgesehen, der gleichfalls wieder auf demselben Messprinzip beruht wie die zuvor beschriebenen Sensoren. Allerdings ist die Längenausdehnung des dritten Referenzsensors von der Längenausdehnung des Sensors verschieden. Der dritte Referenzsensor ist im Wesentlichen parallel zu dem Sensor ausgerichtet. Die
Längenausdehnung des dritten Referenzsensors ist so bemessen, dass der obere Endbereich stets oberhalb der maximalen Höhe der Trennschicht liegt. Der dem Boden des Behälters zugewandte Endbereich des Sensors und der dem Boden des Behälters zugewandte Endbereich des dritten Referenzsensors befinden sich zumindest näherungsweise auf der gleichen Höhe. Die Auswerteeinheit ermittelt anhand der relativen Dielektrizitätszahlen neben dem Füllstand des Mediums in dem Behälter auch die Dicke der Trennschicht.
Die Auswertung erfolgt mittels der Auswerteeinheit bevorzugt nach folgenden Formeln: h = [[L + L/G -2(l+DKmess+DK3)] / [L/G-DKmess-DK3-l] - DK3 ] / [ DKM - 1 ] * 100% t = [L + L/G -2(l+DKmess+DK3)] / [L/G-DKmess-DK3-l] * 100%
Hierbei charakterisiert:
DKmess die mit dem Sensor gemessene relative Dielektrizitätszahl,
DK3 die mit dem dritten Referenzsensor gemessene relative Dielektrizitätszahl, L: die Längenausdehnung des dritten Referenzsensors,
G: die Längenausdehnung des Sensors,
t: die Dicke der Trennschicht. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen alle Sensoren eine definierte Längenausdehnung auf. Für den Fall, dass die maximale Füllhöhe des Mediums in dem Behälter ein Vielfaches der Längenausdehnung der Elektrode bzw. des Sensors beträgt, werden mehrere Sensoren in Reihe zueinander über die Füllhöhe verteilt an oder in dem Behälter angeordnet.
Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn die Sensoren mit gleicher Längenausdehnung als Bandware bzw. als Meterware vorliegen. Bevorzugt sind dann zwischen den einzelnen Sensoren Sollbruchstellen vorgesehen, so dass die die Anzahl der Sensoren durch geeignete Abtrennung auf die zu messende oder zu überwachende maximale Füllhöhe des Mediums in dem Behälter abstimmbar ist.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messanordnung zur Füllstandsmessung in einem Behälter,
Fig. 2: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung der
erfindungsgemäßen Messanordnung zur Füllstandsmessung in einem Behälter,
Fig. 3: eine schematische Darstellung einer dritten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messanordnung zur Füllstandsmessung in einem Behälter,
Fig. 4: eine schematische Darstellung einer vierten Ausgestaltung der
erfindungsgemäßen Messanordnung zur Füllstandsmessung in einem Behälter,
Fig. 5a: die in Fig. 4 gezeigte Messanordnung mit Sensorelektronik und
Auswerteelektronik in einer ersten Ausgestaltung,
Fig. 5b: die in Fig. 4 gezeigte Messanordnung mit Sensorelektronik und
Auswerteelektronik in einer zweiten Ausgestaltung, Fig. 6a - Fig. 6d: : unterschiedlichen Ausgestaltungen einer bevorzugt verwendeten erfindungsgemäßen Messanordnung,
Fig. 7a-Fig. 7c: unterschiedliche Varianten der erfindungsgemäßen Messanordnung,
Fig. 8a, Fig. 8b: weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung und
Fig. 9: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Lösung, die zur Steuerung einer Pumpe verwendet wird und
Anhand der in Fig. 1 gezeigten schematischen Darstellung einer ersten auf das wesentliche reduzierten Anordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
Füllstandsmessung in einem Behälter 2 wird das Messprinzip der erfindungsgemäßen Lösung näher erläutert. Der Behälter 2 ist teilweise mit einem Medium 3 gefüllt. Der
Sensor 1 ist von außen an dem Behälter 2 angebracht und im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Behälters 2 platziert. Der Füllstand h des Mediums 3 in dem Behälter 2 kann als absolutes Maß angegeben werden oder als Prozentzahl in Bezug auf die maximale Füllhöhe H, die in dem Behälter 2 möglich ist.
Erfindungsgemäß wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass ein an einem Behälter positionierter Mikrowellenresonator 1 mit einer einfachen länglichen Elektrode 4 den linearen Mittelwert der relativen Dielektrizitätszahl der angrenzenden Medien (3, 14) in Form einer Frequenz ausgibt. Der erfindungsgemäße Sensor 1 bildet den Mittelwert der angrenzenden Medien in der Form, dass beispielsweise ein zu 25% an den Sensor 1 angrenzendes Medium 3 mit einer relativen Dielektrizitätszahl DKM von 4 und ein zu 75% an den Sensor 1 angrenzendes Medium 14 mit einer relativen Dielektrizitätszahl DKA™ von 1 (Luft) eine gemessene Dielektrizitätszahl DKMESS von DKMESS = 0.25 * 4 + 0.75 *1 = 1.75 ergibt, bzw. es ergibt sich die der relativen Dielektrizitätszahl DKMESS von 1.75
zuzuordnende Frequenz. Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung kann verwendet werden, wenn die Dielektrizitätszahl DKM des Mediums 3 und die Dielektrizitätszahl DKATM der Gasphase 14 bekannt sind. In vielen Anwendungen in der Lebensmittel-, Pharma- und Chemie-Industrie darf dies angenommen werden.
Ändert sich das Medium 3 in seiner Zusammensetzung während eines
Überwachungsprozesses oder ist die Zusammensetzung des Mediums 3 per se nicht bekannt, so bietet sich die in Fig. 2 gezeigte Lösung an. Neben dem Sensor 1 , dem eigentlichen Füllstandsensor, ist ein Referenzsensor 6 vorgesehen, der so an/in dem Behälter 2 angeordnet ist, dass er zumindest temporär über seine gesamte
Längenausdehnung mit dem in dem Behälter 2 befindlichen Medium 3 wechselwirkt. Da die Frequenz des schwingfähigen Systems in Wechselwirkung mit dem Medium 3 sich auf eine Frequenz einstellt, die eine eindeutige Zuordnung zur der Dielektrizitätszahl DKM des Mediums 3 erlaubt, lässt sich über den Referenzsensor 6 die Dielektrizitätszahl DKM des Mediums 3 bestimmen. Die Formel zur Bestimmung des Füllstands h des Mediums 3 in dem Behälter 2 lautet wie folgt: h * DKM + (1-h) * DKATM = DKmess (1 )
Somit ergibt sich: h = [DKmess - DKATM] / [DKM - DKATM] (2)
Im einfachen Fall, dass das Gas im Gasraum 14 Luft ist, ist die Dielektrizitätskonstante DKATM = 1■ Die Gleichung lässt sich dann wie folgt umschreiben: h = [DKMESS - DKATM] / [DKM - DKATM] (3) bzw. normiert auf den maximalen Füllstand H in dem Behälter 2
H = [DKmess - 1 ] / [DKM - 1 ] * 100% (4)
Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Messanordnung, wenn die Dielektrizitätszahl DKATM des Mediums in der Gasphase 14 schwankt oder unbekannt ist. Neben dem Sensor 1 und dem ersten Referenzsensor 6 ist dann ein zweiter Referenzsensor 7 vorgesehen, der so angeordnet ist, dass er zumindest zeitweise nur mit der Gasphase 14 wechselwirkt. Anhand der sich einstellenden Frequenz lässt sich auch hier die Dielektrizitätszahl DKATM der Gasphase 14 eindeutig bestimmen. Der Füllstand h bzw. H lässt sich über eine der zuvor genannten Formeln berechnen.
Eine Messanordnung, die insbesondere zur Füllstandsmessung bei Vorhandensein einer Trennschicht 9 geeignet ist, ist in Fig. 4 dargestellt. Der dritte Referenzsensor 8 ist bevorzugt analog zu dem Sensor 1 oder dem ersten Referenzsensor 6 oder dem zweiten Referenzsensor 7 ausgebildet. Die Längenausdehnung L des aktiven Teils des dritten Referenzsensors 8 unterscheidet sich von der Längenausdehnung G des aktiven Teils des Sensors 1. Insbesondere ist die Längenausdehnung L des dritten Referenzsensors 8 so bemessen, dass der obere Endbereich 24 stets oberhalb der maximalen Höhe der Trennschicht 9 in dem Behälter 2 liegt. Der dritte Referenzsensor 8 ist im Wesentlichen parallel zu dem Sensor 1 ausgerichtet - im gezeigten Fall sind beide parallel zur
Längsachse des Behälters 2. Der dem Boden 25 des Behälters 3 zugewandte Endbereich 27 des Sensors 1 und der dem Boden 25 des Behälters 3 zugewandte Endbereich 26 des dritten Referenzsensors 8 liegen zumindest näherungsweise auf der gleichen Höhe. Die in Fig. 4 nicht gesondert dargestellte Sensor- und Auswerteelektronik ermittelt anhand der gemessenen und/oder vorgegebenen relativen Dielektrizitätszahlen DKM , DKATM , DKmess die Dicke t der Trennschicht 9. In den nachfolgenden Formeln kennzeichnet DKT die Dielektrizitätszahl des Mediums in der Trennschicht 9 und DK3 die von dem dritten Referenzsensor 8 gemessene Dielektrizitätszahl. h * DKM + (1-h-t) * DKATM + t* DKj = DKmess (5)
sowie
h * DKM + (L-h-t) * DKATM + t* DKT = DK3 (6)
Der Füllstand (H) lässt sich nachfolgend nach folgender Formel berechnen:
H = [[L + L/G -2(1 +DKmess+DK3)] / [L/G-DKmess-DK3-1] - DK3 ] / [ DKM - 1 ] * 100% (7) mit £h = ε0 * DKM
Für die Dicke t bzw. T der Trennschicht 9 folgt:
T = [L + L/G -2(1 +DKmess+DK3)] / [L/G-DKmess-DK3-1] * 100% (8) mit ετ = ε0 * ( 1 + DKmess + DK3 - L/G ) Im beschriebenen Fall liegt die Trennschicht 9 oberhalb des ersten Referenzsensors 6 und unterhalb des oberen Endbereichs 24 des dritten Referenzsensors 8. Liegen die unteren Endbereiche 25, 26 des Sensors 1 und des dritten Referenzsensors 8 nicht auf einer Höhe, so muss die Dielektrizitätszahl DKATM der Gasphase 14 mitberücksichtigt werden. Hierzu kann - wie bereits zuvor beschrieben - ein zweiter Referenzsensor 7 eingesetzt werden. Aus der DE 10 2012 104 075 A1 vom 09.05.2012 ist ein Sensor bekannt geworden, der so empfindlich ist, dass er zur Bestimmung der Dielektrizitätszahl der Trennschicht 9 (hier eine indirekte Messung der Schaumdicke und -dichte) eingesetzt werden kann. Der entsprechende Inhalt der DE 10 2012 104 075 A1 (nicht
vorveröffentlicht) ist dem Offenbarungs-gehalt der vorliegenden Erfindung zuzurechnen.
Im Prinzip ist es im Zusammenhang mit der Erfindung selbstverständlich möglich, alle bekannten Dielektrizitätszahlen des Mediums un der Gasphase ggf. auch der
Trennschicht, nicht zu messen, sondern der Auswerteelektronik vorzugeben. Da die Dielektrizitätszahl DKM eines Mediums 3, insbesondere bei Wasser aber auch bei anderen gängigen Medien, temperaturabhängig ist, sollte zur Verbesserung der
Messgenauigkeit zumindest ein Temperatursensor (nicht dargestellt) vorgesehen sein. Hierdurch lässt sich der Temperatureffekt rechnerisch kompensieren.
In den Figuren Fig. 5a und Fig. 5b ist die in Fig. 4 gezeigte Messanordnung mit
Frequenzdetektor 1 1 , Sensorelektronik 12 und Auswerteelektronik bzw. Auswerteeinheit 28 in zwei unterschiedlichen Ausgestaltungen gezeigt. In Fig. 5a ist jedem Sensor bzw. jedem Referenzsensor 1 , 6, 8 jeweils eine Sensorelektronik 12 zugeordnet. In Fig. 5a liegen somit drei schwingfähige Systeme vor. Diese bstehen aus dem ersten
schwingfähigen System 1 , 12, dem zweiten schwingfähigen System 6, 12 und dem dritten schiwngfähigen System 7, 12. Diese Lösung ist durchaus möglich, da die Bauteilkosten für die benötigten Elektroniken relativ gering sind. Zwecks Energieeinsparung werden die einzelnen Sensoren 1 bzw. Referenzsensoren 6, 7, 8 alternierend von der
Auswerteelektronik 28 angesteuert.
Bei der in Fig. 5b gezeigte Ausgestaltung sind mehrere Sensoren 1 , 6, 8 über einen Umschalter 10 mit nur einer Sensorelektronik 12 und einem Frequenzdetektor 1 1 verbunden. Das Umschalten des Umschalters 10 wird von der Auswerteelektronik / Auswerteeinheit 28 gesteuert. Bei dieser Ausgestaltung liegt nur ein schwingfähiges System vor. In Abhängigkeit von der Stellung des Umschalters 10 besteht das schwingfähige System aus einer der drei nachfolgenden Konfigurationen: dem Sensor 1 , dem Umschalter 10 und der Sensorelektronik 12, oder dem ersten Referenzsensor 6, dem Umschalter 10 und der Sensorelektronik 12, oder dem dritten Referenzsensor 8, dem Umschalter 10 und der Sensorelektronik 12.
In den Figuren Fig. 6a - Fig. 6d sind unterschiedliche Ausgestaltungen einer bevorzugt verwendeten erfindungsgemäßen Messanordnung zu sehen, die als Klebeanordungen 16 bzw. als Aufkleber ausgestaltet sind. Jeder Aufkleber 16 ist mit mindestens zwei Sensoren 1 , 6 und mindestens einem Steckverbinder 15 versehen. Die
Messanordnungen lassen sich sehr kompakt ausgestalten. Wird eine entsprechend hohe Betriebsfrequenz gewählt, können die gezeigten Sensoren auch in MEMS Technologie ausgeführt werden. Die gezeigten Klebeanordnungen 16 lassen sich darüber hinaus problemlos in z.B. einem Einweg-Plastikbeutel (Medizintechnik) oder in einen Mini-Biolaborbehälter integrieren. Die Messung kann auch hier durch die nichtleitende und unmagnetische Wandung hindurch erfolgen. In den Figuren Fig. 7 a - Fig. 7 c sind weitere unterschiedliche Varianten der
erfindungsgemäßen Messanordnung zu sehen. Jeder der in Fig. 7a gezeigten Sensoren 1 weist eine definierte Längenausdehnung G auf. Für den Fall, dass die maximale Füllhöhe H des Mediums 3 in dem Behälter 2 ein Vielfaches der Längenausdehnung G der Elektrode 4 bzw. des Sensors 1 beträgt, sind mehrere Sensoren 1 in Reihe über die maximale Füllhöhe H verteilt an oder in dem Behälter 2 angeordnet.
Als besonders vorteilhaft wird es in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Lösung angesehen, wenn die Sensoren als Meterware 19 vorliegen, und es möglich ist, durch geeignetes Kürzen den Sensor 1 , 8 auf die gewünschte oder benötigte maximale
Füllhöhe H des Behälters 2 anzupassen. Hierzu muss jedoch eine Kalibrierung des Sensors 1 , 8 erfolgen. Um eine korrekte Messung durchzuführen, muss der
Auswerteeinheit 28, 29 die jeweilige Länge des Sensors 1 , 6, 7, 8 bekannt sein, und/oder es muss zwecks Abgleich zum Zeitpunkt der Messung zumindest der aktuelle Füllstand bekannt sein. Um eine höhere Messgenauigkeit sicherzustellen, sollte der Sensor 1 , 8 auf zwei Messpunkte, z.B. die Messpunkte„minimaler Füllstand" und„maximaler
Füllstand" kalibriert werden. Weiterhin kann eine Einlernphase vorgesehen werden, in welcher die äußeren Bandgrenzen eines Sensors ermittelt werden. Der Füllstand wird dann gleichmäßig oder nach Behälterform von 0% bis 100% im gemessenen Bereich verteilt. Während dieser Einlernphase ist es notwendig, zumindest einmal den minimal und den maximal zu messenden Füllstand anzufahren. Verwiesen wird in deisem
Zusammenhang auf die bereits zitierte nicht vorveröffentliche Deutsche Patentanmeldung der Anmelderin. Durch einen Zwei-Punkt-Abgleich kann zudem auf den ersten Referenzsensor 6 zur
Messung der Dielektrizitätszahl DKM des Mediums 3 verzichtet werden (sh. Fig. 1 ). Wie bereits zuvor gesagt, ist es alternativ möglich, dass das Bedienpersonal die
Dielektrizitätszahl DKM des verwendeten Mediums 3 der Auswerteeinheit 28 vorgibt. Dies erfordert jedoch, dass die Dielektrizitätszahl DKM des Mediums 3 im Rahmen der erwünschten Messgenauigkeit während der Messung konstant ist.
In der Praxis wird die Länge eines vorgegebenen Sensors 1 kaum mit der
Längenausdehnung eines Behälters 2 oder einer Anordnung, an der der Füllstand bestimmt oder überwacht werden soll, übereinstimmen. Bei einem größeren Behälter 2 kann es ausreichend sein, den Füllstand h nur in einem gewissen Grenzbereich zu messen. Ein entsprechendes Anwendungsbeispiel ist in Fig. 9 visualisiert. Es handelt sich bei der gezeigten Anordnung um eine Torschaltung zur Festlegung des oberen
Ausschaltpunkts 21 und des unteren Einschaltpunkts 22 einer Pumpe 20. Eine weitere elegante Methode ist in Fig. 8b dargestellt. Die Meterware 19 weist fortlaufend Sollbruchstellen 18 auf, die beispielsweise durch Aufdrucke gekennzeichnet sind. Das Bedienpersonal wählt die für die Installation passende Sollbruchstelle 18 zur Kürzung des Sensors 1 , 8 aus und teilt diese der Auswerteelektronik 29 mit. In der Auswerteelektronik 29 sind der Frequenzdetektor 1 1 , die Sensorelektronik 12 und die Auswerteeinheit enthalten. Diese Lösung ist komfortabler als die in Fig. 8a dargestellte Kürzung mittels eines Schneidwerkzeugs auf die benötigte Länge und die Mitteilung über die jeweile Länge an die Auswerteeinheit 28. Außerdem kann durch die Kürzung in vorgegebenen Teilstücken verhindert werden, dass die Kürzung zu gering ausfällt und der Sensor 1 aufgrund des Nicht-Erreichens der erforderlichen Mindestlänge nicht funktioniert. Eine Kürzung unterhalb der notwendigen Mindestlänge beschädigt den Sensor irreversibel. Der Grund hierfür ist der folgende: Der Frequenzdetektor 1 1 innerhalb der Auswerteeinheit 29 weist eine untere Detektionsschwelle auf, ab deren Überschreiten Verändeurngen an einem angeschlossenen Sensor 19 detektiert werden. Um eine sichere Messung oberhalb dieser Detektionsschwelle zu gewähleisten, ist eine Mindestlänge des Sensors 19 vorgesehen, durch die sichergestellt wird, dass eine ausreichende Wechselwirkung zwischen den Mikrowellen und den elektrischen oder mangetischen Eigenschaften des anliegenden Mediums bzw. der anliegenden Medien gewährleistet ist. Diese Detektionsschwelle ist abhängig von dem Schaltungsaufwand, der bei der Sensorelektronik 12 und dem Frequenzdetektor 1 1 betrieben wird.
Die Messanordnung kann auch derart ausgstaltet sein, dass zwei Sensoren 1
unterschiedlicher Längenausdehnung vorgesehen sind, welche von oben in den Behälter 2 ragen oder temporär eingetaucht werden. Hieraus kann die Eintauchtiefe in das Medium 3 berechnet werden und auf den Füllstand h des Mediums 3 in dem Behälter rückgeschlossen werden. Die Dielektrizitätszahl des Mediums 3 kann vorgegeben werden oder durch einen weiteren Sensor erfasst werden.
Bezugszeichenliste
1 Sensor
2 Behälter
3 Medium
4 Elektrode
5 Isolationsmaterial
6 erster Referenzsensor / Sensor zur Bestimmung von DKM
7 zweiter Referenzsensor / Sensor zur Bestimmung von DK,-
8 dritter Referenzsensor / Sensor zur Bestimmung von DK3
9 Trennschicht
10 Schalter
1 1 Frequenzdetektor
12 Sensorelektronik
13 Grenzfläche
14 Gasphase
15 Steckverbinder
16 Klebeanordnung
17 kompakter Referenzsensor
18 Soll-Bruchstelle
19 B a nd wa re/M ete rwa re
20 Pumpe
21 obere Ausschaltgrenze
22 untere Einschaltgrenze
23 Messzelle
24 oberer Endbereich
25 Boden des Behälters
26 unterer Endbereich des dritten Referenzsensors
27 unterer Endbereich des Sensors
28 Auswerteelektronik / Auswerteeinheit
Frequenzdetektor / Sensor- und Auswerteelektronik / Auswerteeinheit

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung des Füllstands (h, H) oder eines vorgegebenen Grenzstands eines Mediums (3) in einem Behälter (2),
- mit einem selbsterregten System, bestehend aus
- einer Schwingungserzeugungseinheit zur Erzeugung elektro-magnetischer Wellen innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbandes,
- zumindest einem Sensor (1 ) mit einer Elektrode (4), der unter einem
vorgegebenen Winkel zur Längsachse des Behälters (2) angeordnet ist, wobei die Elektrode (4) mit den elektromagnetischen Wellen beaufschlagt wird, wobei der zumindest eine Sensor (1 ) bezüglich des Mediums (3) derart angeordnet ist, dass sich die Phasenlage der an der Grenzfläche des Mediums (3) reflektierten elektromagnetischen Wellen unter dem Einfluss des Mediums (3) ändert, und
- einem Rückkopplungskreis, der die elektromagnetischen Wellen auf den zumindest einen Sensor (1 ) rückkoppelt, wodurch die Frequenz des
selbsterregten Systems bestimmt wird,
mit einem Frequenzdetektor, der die Frequenz der elektromagnetischen Wellen erfasst, und
mit einer Auswerteeinheit (28, 29), die anhand der erfassten Frequenz die vom jeweiligen Füllstand abhängige relative Dielektrizitätszahl (DKMESS) und/oder die
Permeabilität des Mediums (3) ermittelt und die anhand der ermittelten relativen Dielektrizitätszahl (DKMESS) oder der Permeabilität des Mediums (3) den Füllstand (h) oder das Erreichen des vorgegebenen Grenzstands des Mediums (3) in dem Behälter (2) bestimmt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
wobei der Sensor (1 ) aus einer Elektrode (4) besteht, die auf einem Isolationsmaterial (5) angeordnet ist, und
wobei die Elektrode (4) und das Isolationsmaterial (5) eine Messzelle (23) bilden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
wobei der Sensor (1 ) oder die Messzelle (23) an der Innenwand des Behälters (2), an der Außenwand des Behälters (2) oder in dem Medium (3) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , 2 oder 3,
wobei die Auswerteeinheit (28, 29) den Füllstand (H, h) absolut oder relativ zur maximalen Höhe des Füllstands des Behälters (2) nach folgenden Formeln berechnet: h - [DKMESS - DKATM] / [DKM - DKATM] bzw.
H = [DKmess - 1] / [DKM - 1] * 100% mit DKmess die mit dem Sensor (1 ) gemessene relative Dielektrizitätszahl, mit DKATM die relative Dielektrizitätszahl der Gasphase (14) im Bereich oberhalb der Oberfläche (13) des Mediums (3) und DKM die relative Dielektrizitätszahl des Mediums (3).
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die relative Dielektrizitätszahl (DKM) des Mediums (3) vorgegeben ist, oder wobei ein erster Referenzsensor (6) vorgesehen ist, der entsprechend dem Sensor (1 ) ausgestaltet ist, wobei der erste Referenzsensor (6) zumindest temporär so angeordnet ist, dass er über die gesamte Längenausdehnung der Elektrode (4) mit dem Medium (3) wechselwirkt, wobei der Frequenzdetektor die Frequenz des ersten Referenzsensors (6) misst, und wobei die Auswerteeinheit (28, 29) anhand der von dem Sensor (1 ) gemessenen relativen Dielektrizitätszahl (DKmess) und der vorgegebenen oder von dem ersten Referenzsensor (6) ermittelten relativen Dielektrizitätszahl (DKM) des Mediums (3) den Füllstand (h, H) oder den vorgegebenen Grenzstand des Mediums (3) in dem Behälter (2) bestimmt.
6. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1-5,
wobei die relative Dielektrizitätszahl (DKA™) des sich in der Gasphase (14) befindlichen Mediums (3) vorgegeben ist, oder
wobei ein zweiter Referenzsensor (7) vorgesehen ist, der entsprechend dem Sensor (1 ) und/oder dem ersten Referenzsensor (6) ausgestaltet ist, wobei die Elektrode des zweiten Referenzsensors (7) im Wesentlichen senkrecht zu der Elektrode (4) des
Sensors (1 ) orientiert ist und wobei der zweite Referenzsensor (7) in einem Bereich des Behälters (2) angeordnet ist, in dem die Beeinflussung der auf die Elektrode (4) des zweiten Referenzsensors (7) eingekoppelten elektromagnetischen Wellen durch das sich in der Gasphase (14) befindliche Medium (3) zumindest zeitweise konstant ist, und wobei die Auswerteeinheit (28, 29) anhand der vorgegebenen oder ermittelten relativen
Dielektrizitätszahlen (DKmesS; DKM) den Füllstand oder den vorgegebenen Grenzstand des Mediums (3) in dem Behälter (2) bestimmt oder überwacht.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
wobei in dem Behälter (2) neben dem Medium (3) in der Gasphase (14) und dem Medium (3), dessen Füllstand (h, H) überwacht oder bestimmt wird, ein zweites in einer
Trennschicht (9) angeordnetes Medium (3) vorhanden ist,
wobei ein dritter Referenzsensor (8) vorgesehen ist, der entsprechend dem Sensor (1 ) oder dem ersten Referenzsensor (6) oder dem zweiten Referenzsensor (7) ausgebildet ist, wobei die Längenausdehnung (L) des dritten Referenzsensors (8) sich von der Längenausdehnung (G) des Sensors (1 ) unterscheidet, wobei die Längenausdehnung (L) des dritten Referenzsensors (8) so bemessen ist, dass der obere Endbereich (24) stets oberhalb der maximalen Höhe der Trennschicht (9) liegt, wobei der dritte Referenzsensor (8) im Wesentlichen parallel zu dem Sensor (1 ) ausgerichtet ist, wobei der dem Boden (25) des Behälters (3) zugewandte Endbereich (27) des Sensors (1 ) und der dem Boden (25) des Behälters (3) zugewandte Endbereich (26) des dritten Referenzsensors (8) zumindest näherungsweise auf der gleichen Höhe liegen, und wobei die Auswerteeinheit (28, 29) anhand der ermittelten relativen Dielektrizitätszahlen die Dicke (t) der
Trennschicht (9) ermittelt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
wobei die Auswerteeinheit (28, 29) den Füllstand (h) des Mediums (3) in dem Behälter (2) nach folgender Formel berechnet: h = [[L + L/G -2(l+DKmess+DK3)] / [L/G-DKmess-DK3-l] - DK3 ] / [ DKM - 1 ] * 100% und die Dicke (t) der Trennschicht (9) nach folgender Formel berechnet: t = [L + L/G -2( l+DKmess+DK3)] / [L/G-DKmess-DK3- 1 ] * 100% mit folgenden Kurzbezeichnungen:
DKmess :die mit dem Sensor (1 ) gemessene relative Dielektrizitätszahl,
DK3 : die mit dem dritten Referenzsensor (8) gemessene relative Dielektrizitätszahl, L: die Längenausdehnung des dritten Referenzsensors (8),
G: die Längenausdehnung des Sensors (1 ).
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Sensor (1 ) eine definierte Längenausdehnung (G) aufweist, und wobei für den Fall, dass die maximale Füllhöhe des Mediums (3) in dem Behälter (2) ein Vielfaches der Längenausdehnung (G) der Elektrode (4) bzw. des Sensors (1 ) beträgt, mehrere
Sensoren (1 ) in Reihe zueinander über die maximale Füllhöhe verteilt an oder in dem Behälter (2) angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-9,
wobei eine Vielzahl von Sensoren (1 ) mit gleicher Längenausdehnung (G) als Bandware (19) vorliegen, wobei zwischen den einzelnen Sensoren (1 ) Sollbruchstellen (18) vorgesehen sind, so dass die die Anzahl der Sensoren (1 ) durch geeignete Abtrennung auf die zu messende oder zu überwachende maximale Füllhöhe des Mediums (3) in dem Behälter (2) abstimmbar ist.
1 1. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 -10,
wobei der Frequenzdetektor und die Auswerteeinheit (28, 29) mehreren Sensoren (1 ) und/oder Referenzsensoren (6, 7, 8) zugeordnet sind.
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