WO2019011595A1 - Kapazitives messverfahren und füllstandsmessgerät - Google Patents

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WO2019011595A1
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cmess
media
resistance
probe electrode
medium
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PCT/EP2018/066292
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Anna Klara SCHNEIDER
Raphael KUHNEN
Armin Wernet
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Endress+Hauser SE+Co. KG
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Definitions

  • the present invention relates to a device for the capacitive determination and / or monitoring of at least one process variable of a medium in a container.
  • the process variable is, for example, a fill level of the medium in the container, the electrical conductivity of the medium or else the permittivity of the medium.
  • a level measurement can be both a continuous
  • the frequency of the applied AC voltage is due to Resonance effects to choose the lower the longer the sensor unit is designed.
  • the influence of deposit formation in particular the approach of a conductive medium, decreases in principle with increasing frequency.
  • capacitive field devices which are suitable for operation at one or a few selected constant frequencies are known from the prior art.
  • the frequencies are chosen so that the respective frequency represents the best possible compromise with respect to the above mentioned opposing tendencies. Furthermore, it is from the
  • Measuring accuracy by an additional guard electrode depends on the one hand on the thickness of a shoulder layer, as well as on the conductivity of the approach. Particularly in the case of conductive approaches, resistive components of the approach dominate for lower frequencies of the starting signal the high-impedance measuring impedance determined on the basis of the received signal, by means of which the respective process variable is usually determined.
  • the effect of the guard electrode is limited by the comparatively high impedance of an insulation capacity of the respective measuring probe. It can therefore be achieved by the guard electrode in principle no constant measurement accuracy regardless of the particular medium and its tendency to form approach, if you want to forego high frequencies for the excitation signal.
  • the respective process variable based on the received signal which has the form of an alternating current determined.
  • the respective process variable is determined according to the present invention on the basis of the measuring capacity.
  • the influence of the approach present in the area of the probe electrode on the measuring capacity is advantageously negligible, so that a determination of the respective process variable based on the measuring capacity has a significantly lower sensitivity with regard to the presence of the batch.
  • influences can be eliminated or minimized by the presence of an approach. Due to the significantly reduced sensitivity of the respective measuring device compared to the formation of a batch leads to a significantly improved accuracy, regardless of the medium
  • the method according to the invention can be applied to all types of measuring probes which are suitable for the capacitive measuring method.
  • the probe can have both a single probe electrode, wherein a wall of the container has a second
  • one of the further electrodes may, for example, be a guard electrode.
  • the measuring capacity reflects the capacitance between the probe electrode and another electrode or the wall of the container. This measuring capacity is thus in principle the size dependent on the respective process variable.
  • the media / neck resistance includes again ohmic contributions of the medium and possibly contributions of an approach, if available. In the event that the probe electrode is not covered with medium, the probe electrode is either surrounded by air if there is no attachment. Otherwise, the surrounds
  • An embodiment of the method includes that the measurement capacitance and / or the attachment / media resistance is determined by means of an equivalent circuit of the probe electrode comprising at least one parallel connection of the measurement capacitance and the media / attack resistance.
  • determination equations for the measuring capacity and / or the batch media resistance can then be determined on the basis of the equivalent circuit diagram.
  • a determination equation for determining the measurement capacity does not depend on the batch / media resistance and vice versa.
  • Pickup signal is applied to a second predetermined frequency, wherein the first received signal and a second received signal are received and wherein the
  • Measuring capacity and / or the media / approach resistance based on the first and second received signal is / are determined. It is advantageous if at least one amplitude and / or one phase of at least the first received signal is / are determined, and wherein the measuring capacity and / or the media / batch resistance is / are determined on the basis of the first and second received signals. For example, in the case of a single first excitation signal, the measurement capacity and / or the media / batch resistance can be determined on the basis of the amplitude and phase of the first received signal. The same applies to a second start signal with a second frequency and the corresponding second receive signal. Alternatively, for example, the amplitudes or phases of at least the first and second received signal can be used.
  • a conductivity of the medium and / or a permittivity of the medium is / are determined on the basis of the media / neck resistance.
  • Medium can be specified. From the conductivity and / or the permittivity or
  • a further preferred embodiment includes monitoring compliance with a recipe of a process taking place in the container on the basis of the measuring capacity, the media / batch resistance and / or at least one variable derived from at least the measuring capacity and / or the media / batch resistance becomes.
  • Yet another preferred embodiment includes that based on the measurement capacity, the media / approach resistance and / or at least one of at least the measurement capacity and / or the median batch resistance derived quantity, a mixing of at least a first and a second medium in the container is monitored.
  • Yet another preferred embodiment includes that a cleaning process in the container is monitored on the basis of the measuring capacity, the media / batch resistance and / or a variable derived from at least the measuring capacity and / or the media / batch resistance.
  • the object underlying the invention is also achieved by a device for capacitive determination and / or monitoring at least one process variable of a medium in a container comprising
  • the sensor unit comprises at least two electrodes.
  • the sensor unit may be a device with two probe electrodes, or with a probe electrode and a ground electrode.
  • 1 is a schematic representation of a capacitive level measuring device according to the prior art
  • 2 is an exemplary electrical equivalent circuit diagram for describing the probe electrode on the basis of the measurement capacity and based on the media / approach resistance
  • FIG. 4 shows two diagrams for illustrating the dependence of the measurement capacity and the attachment / media resistance on a projection in the region of the probe electrode
  • FIG. 5 shows two diagrams for illustrating the dependence of the measurement capacity and the attachment / media resistance on a process taking place in the container
  • FIG. 6 shows a diagram of the dielectric constants and the electrical conductivities of various common media.
  • FIG. 1 is a schematic drawing of a typical based on the capacitive measuring principle field device 1 according to the prior art.
  • the example shows a
  • Embodiments for a capacitive measuring device with a different number of electrodes are known, all of which fall under the present invention. Besides such
  • the present invention is also on front flush sensor units, which substantially complete the Bewandung the container 3 or such sensor units 3, which via a side wall of the container 3 are introduced into this applicable.
  • the sensor unit 2 itself is composed in the present example of a probe electrode 5 and a sensor electrode 5 coaxially surrounding and insulated from this guard electrode 6 together. Both electrodes 5, 6 are electrically connected to an electronic unit 7, which is responsible for signal acquisition, evaluation and / or supply. In particular, the electronic unit 7 determines and / or monitors the level of the medium 4 in the container 3 on the basis of the response signal received by the sensor unit 2.
  • An additional guard electrode 6 is by no means necessary for the purposes of the present invention.
  • At least the probe electrode 5 is acted upon by a start signal A and the process variable is determined on the basis of the receive signal E received by the probe electrode 5, which is usually in the form of a
  • the probe electrode 5 for example, by a series circuit of an insulation capacitance Ci SO and a parallel circuit of the measuring capacitance Cmess and the
  • Insertion resistance RM A based on an amplitude a and / or a phase ⁇ of the first
  • Receiving signal egg to determine.
  • the measuring probe 3 it is also possible for the measuring probe 3 to be acted upon by at least a first Ai and a second starting signal A 2 having at least a first fi and a second frequency f 2 .
  • the measuring capacitance Cmess and / or the media / contact resistance RM, A can be determined on the basis of the at least first Ei and second received signal E 2 , for example based on the first a and second
  • Measuring capacity has a significantly lower sensitivity to the presence of approach. This leads to a significantly improved measurement accuracy regardless of the respective medium. 4
  • Conductivity range ⁇ of common media 4 less than 25%. In the case of an evaluation of the received signal E with respect to the respective process variable, the contribution increases through the
  • the influence of a projection in the area of the probe electrode 5 on the respective process variable can be evaluated by an evaluation of the measuring capacitance Cmess instead of the
  • the measuring capacitance Cmess and the media / batch resistance RM, A are each shown as a function of time in arbitrary units in the event that a projection forms in the region of the probe electrode 5 with increasing time.
  • the measuring capacitance Cmess shown in FIG. 4a remains essentially constant, regardless of the presence of a projection. This again illustrates the increased measurement accuracy, which can be achieved by evaluating the measurement capacity C measurement.
  • the media attachment resistance RM, A is significantly influenced by the formation of a shoulder layer and decreases with increasing approach. By evaluating the measuring capacitance Cmess and / or the media / contact resistance RM, A, additional statements can therefore be made about the existence of an approach. Alternatively, it is equally possible to use one of the measuring capacitance Cmess and / or the Medier approach resistances RM, A dependent size, for example, a ratio of the measuring capacitance C measurement and the media / approach resistance RM, A evaluate.
  • the measuring capacity Cmess can be determined.
  • the measuring capacity Cmess can be determined.
  • the measuring capacity Cmess is additionally determined in the case of a container 3 completely filled with the medium 4, it is possible to deduce the dielectric constant Sr of the medium 3.
  • the conductivity ⁇ of a medium 3 can also be determined.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur kapazitiven Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums (4) sowie eine entsprechende Vorrichtung. Erfindungsgemäß werden zumindest die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt: - Beaufschlagen einer Sondenelektrode (5) zumindest mit einem ersten elektrischen Anregesignal (A1) mit zumindest einer ersten vorgebbaren Frequenz (f1), - Empfangen eines ersten elektrischen Empfangssignals (E1) von der Sondenelektrode (5), - Ermitteln einer Messkapazität (Cmess) der Sondenelektrode (5) oder der Messkapazität (Cmess) und eines Medien-/Ansatz-Widerstands (RM,A) der Sondenelektrode (5) zumindest anhand des ersten Empfangssignals (E1), und - Bestimmen der zumindest einen Prozessgröße anhand des Wertes für die Messkapazität (Cmess).

Description

KAPAZITIVES MESSVERFAHREN UND FÜLLSTANDSMESSGERÄT
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kapazitiven Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um einen Füllstand des Mediums in dem Behälter, um die elektrische Leitfähigkeit des Mediums oder auch um die Permittivität des Mediums. Im Falle einer Füllstandsmessung kann es sich sowohl um eine kontinuierliche
Füllstandsbestimmung als auch um das Erkennen eines vorgebbaren Grenzstands handeln. Auf dem kapazitiven Messprinzip beruhende Feldgeräte sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt und werden von der Anmelderin in vielen unterschiedlichen Ausgestaltungen hergestellt und beispielsweise unter den Bezeichnungen Liquicap, Solicap oder Liquipoint vertrieben.
Kapazitive Füllstandsmessgeräte weisen in der Regel eine im Wesentlichen zylindrische Sensoreinheit mit zumindest einer Sensorelektrode auf, welche zumindest teilweise in einen Behälter einbringbar ist. Einerseits sind, insbesondere zur kontinuierlichen Füllstandsmessung, vertikal in den Behälter hineinreichende stabförmige Sensoreinheiten weitverbreitet. Zur Erkennung eines Grenzstandes sind jedoch auch in die Seitenwandung eines jeweiligen Behälters einbringbare Sensoreinheiten bekannt geworden.
Während des Messbetriebs wird die Sensoreinheit mit einem Anregesignal, in der Regel in Form eines Wechselstromsignals, beaufschlagt. Aus dem von der Sensoreinheit empfangenen Antwortsignal kann anschließend der Füllstand bestimmt werden. Dieser ist abhängig von der Kapazität des von der Sensorelektrode und der Wandung des Behälters, oder des von der Sensorelektrode und einer zweiten Elektrode gebildeten Kondensators. Je nach Leitfähigkeit des Mediums bildet entweder das Medium selbst oder eine Isolierung der Sensorelektrode das Dielektrikum dieses Kondensators.
Zur Auswertung des von der Sensoreinheit empfangenen Antwortsignals in Bezug auf den Füllstand kann entweder die sogenannte Scheinstrommessung oder auch die Admittanzmessung durchgeführt werden. Bei einer Scheinstrommessung wird der Betrag des durch die
Sensoreinheit fließenden Scheinstroms gemessen. Da der Scheinstrom jedoch an sich einen Wirk- und einem Blindanteil aufweist, wird im Falle einer Admittanzmessung neben dem
Scheinstrom der Phasenwinkel zwischen dem Scheinstrom und der an der Sensoreinheit anliegenden Spannung gemessen. Die zusätzliche Bestimmung des Phasenwinkels erlaubt es darüber hinaus, Aussagen über eine mögliche Ansatzbildung zu treffen, wie beispielsweise aus der DE102004008125A1 bekannt geworden ist.
Zur Wahl der Frequenz des Anregesignals sind verschiedene Faktoren zu berücksichtigen. Zum einen gilt, dass die Frequenz der angelegten Wechselspannung auf Grund von Resonanzeffekten umso geringer zu wählen ist, je länger die Sensoreinheit ausgestaltet ist. Auf der anderen Seite verringert sich jedoch grundsätzlich für alle Sensoreinheiten der Einfluss einer Ansatzbildung, insbesondere Ansatz aus einem leitfähigen Medium, mit zunehmender Frequenz. Hinzu kommen unter anderem noch Einflüsse der elektrischen Leitfähigkeit des jeweiligen Mediums.
Aus dem Stand der Technik sind einerseits kapazitive Feldgeräte bekannt, welche sich zum Betrieb bei einer oder wenigen ausgewählten konstanten Frequenzen eignen. Die Frequenzen werden dabei so gewählt, dass die jeweilige Frequenz den bestmöglichen Kompromiss in Bezug auf die oben genannten gegenläufigen Tendenzen darstellt. Ferner ist es aus der
DE10201 1003158A1 bekannt geworden, die Sensoreinheit mit einem Anregesignal variabler Frequenz in Form eines Frequenz-Sweeps zu beaufschlagen und aus den zu den
unterschiedlichen Frequenzen gehörenden Antwortsignalen die für die jeweilige Anwendung (Medium, Ausgestaltung der Sensoreinheit, etc.) am besten geeignetste Frequenz auszuwählen.
Ein aus dem Stand der Technik wohlbekanntes Problem im Zusammenhang mit kapazitiven Feldgeräten ist die Bildung von Ansatz im Bereich der Sensoreinheit, welcher die jeweiligen Messergebnisse deutlich verfälschen kann. Zur Vermeidung von Ansatz kann einerseits eine möglichst hohe Frequenz für das Anregesignal gewählt werden, da grundsätzlich der verfälschende Einfluss eines Ansatzes mit zunehmender Frequenz des Anregesignals abnimmt. Eine Elektronik eines entsprechenden Feldgeräts für hohe Frequenzen passend auszulegen, ist jedoch einerseits mit einem erhöhten Grad an Komplexität verbunden. Darüber hinaus ist der zusätzliche Kostenfaktor für die jeweils benötigten Komponenten nicht vernachlässigbar. Eine Alternative zur Vermeidung von Ansatzbildung an der Sensorelektrode besteht in der Verwendung einer Zusatzelektrode, insbesondere einer sogenannten Guardelektrode, wie beispielsweise in der DE3212434C2 beschrieben. Die Guardelektrode ist dabei koaxial um die jeweilige Sensorelektrode angeordnet und von dieser durch eine Isolierung elektrisch getrennt. Sie liegt ferner auf dem gleichen Potential wie die Sensorelektrode. Der Zugewinn an
Messgenauigkeit durch eine zusätzliche Guardelektrode hängt jedoch einerseits von der Dicke einer Ansatzschicht, sowie von der Leitfähigkeit des Ansatzes ab. Insbesondere bei leitfähigen Ansätzen dominieren für niedrigere Frequenzen des Anregesignals resistive Komponenten des Ansatzes die anhand des Empfangssignals ermittelte hochohmige Messimpedanz, anhand derer üblicherweise die jeweilige Prozessgröße bestimmt wird. Außerdem wird die Wirkung der Guardelektrode durch die vergleichsweise hohe Impedanz einer Isolationskapazität der jeweiligen Messsonde beschränkt. Es kann also durch die Guardelektrode im Prinzip keine konstante Messgenauigkeit unabhängig vom jeweiligen Medium und dessen Tendenz zur Bildung von Ansatz erreicht werden, sofern auf hohe Frequenzen für das Anregesignal verzichtet werden soll. Ausgehend vom Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, eine kapazitive Bestimmung einer Prozessgröße möglichst unabhängig vom jeweiligen Medium mit hoher Genauigkeit vornehmen zu können. Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1 , sowie durch die Vorrichtung nach Anspruch 13.
Bezüglich des Verfahrens wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur kapazitiven Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums, umfassend folgende Verfahrensschritte:
Beaufschlagen einer Sondenelektrode zumindest mit einem ersten elektrischen
Anregesignal mit zumindest einer ersten vorgebbaren Frequenz,
Empfangen eines ersten elektrischen Empfangssignals von der Sondenelektrode
Ermitteln einer Messkapazität der Sondenelektrode oder der Messkapazität und eines Medien-/Ansatz-Widerstands der Sondenelektrode zumindest anhand des ersten
Empfangssignals, und
Bestimmen der zumindest einen Prozessgröße anhand des Wertes für die Messkapazität.
Die Sondenelektrode eines kapazitiven Füllstandsmessgeräts wird erfindungsgemäß durch die Messkapazität und den Medien-/Ansatzwiderstand beschrieben. Bei einer üblichen
Scheinstrommessung oder Admittanzmessung wird die jeweilige Prozessgröße anhand des Empfangssignals, welches die Form eines Wechselstroms aufweist, ermittelt. Indem die jeweilige Prozessgröße dagegen gemäß der vorliegenden Erfindung anhand der Messkapazität ermittelt wird. Vorteilhaft ist der Einfluss von im Bereich der Sondenelektrode vorhandenem Ansatz auf die Messkapazität vernachlässigbar, sodass eine Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße anhand der Messkapazität eine deutlich geringere Empfindlichkeit hinsichtlich des Vorhandenseins von Ansatz aufweist. Somit können Einflüsse durch das Vorhandensein eines Ansatzes eliminiert bzw. minimiert werden. Durch die deutlich reduzierte Empfindlichkeit des jeweiligen Messgeräts gegenüber der Bildung eines Ansatzes führt zu einer deutlich verbesserten Messgenauigkeit unabhängig vom jeweiligen Medium
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei auf alle Arten von Messsonden, welche sich für das kapazitive Messverfahren eignen, angewendet werden. Die Messsonde kann sowohl über eine einzige Sondenelektrode verfügen, wobei eine Wandung des Behälters eine zweite
Elektrode darstellt, oder auch über zumindest zwei Elektroden. Im letzteren Falle kann es sich bei einer der weiteren Elektroden beispielsweise um eine Guardelektrode handeln.
Die Messkapazität spiegelt die Kapazität zwischen der Sondenelektrode und einer weiteren Elektrode oder der Wandung des Behälters wieder. Diese Messkapazität ist also im Prinzip die von der jeweiligen Prozessgröße abhängige Größe. Der Medien-/Ansatz-Widerstand umfasst wiederum ohmsche Beiträge des Mediums und ggf. Beiträge eines Ansatzes, sofern vorhanden. Im Falle, dass die Sondenelektrode nicht mit Medium bedeckt ist, ist die Sondenelektrode entweder von Luft umgeben, wenn kein Ansatz vorhanden ist. Ansonsten umgibt die
Sondenelektrode eine aus Medienresten gebildete Ansatzschicht gefolgt von Luft und der Medien-/Ansatz-Widerstands setzt sich aus diesen zwei Komponenten zusammen. Im Falle, dass die Sondenelektrode dagegen im Wesentlichen vollständig vom jeweiligen Medium bedeckt ist, spielt ein Beitrag durch den Ansatz üblicherweise keine Rolle, da die Messsonde ohnehin mit dem Medium bedeckt ist. Vorteilhaft ist der Einfluss von im Bereich der Sondenelektrode vorhandenem Ansatz auf die Messkapazität vernachlässigbar, sodass eine Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße anhand der Messkapazität eine deutlich geringere Empfindlichkeit hinsichtlich der Bildung von Ansatz aufweist. Dies führt zu einer deutlich verbesserten
Messgenauigkeit unabhängig vom jeweiligen Medium.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet, dass die Messkapazität und/oder der Ansatz- /Medienwiderstand anhand einer Ersatzschaltung der Sondenelektrode umfassend zumindest eine Parallelschaltung der Messkapazität und des Medien-/Ansatz-Widerstands ermittelt wird. Anhand des Ersatzschaltbildes können dann beispielsweise Bestimmungsgleichungen für die Messkapazität und/oder den Ansatz-Medienwiderstand ermittelt werden. Bevorzugt hängt eine Bestimmungsgleichung zur Bestimmung der Messkapazität nicht vom Ansatz-/Medienwiderstand ab und umgekehrt.
Eine alternative Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet, dass die Messkapazität und/oder der Ansatz-/Medienwiderstand anhand einer Ersatzschaltung der Sondenelektrode umfassend eine Reihenschaltung aus einer Isolationskapazität und der Parallelschaltung aus der Messkapazität und dem Medien-/Ansatz-Widerstand ermittelt wird. Die Berücksichtigung einer
Isolationskapazität der Sondenelektrode führt zu einer weiteren Verbesserung der
Messgenauigkeit. Die Isolationskapazität kann dabei zur Berechnung der Messkapazität und/oder des Ansatz-/Medienwiderstands als bekannt vorausgesetzt werden. Beispielsweise kann diese bei der Fertigung des Sensors oder bei dessen Auslieferung einmalig bestimmt werden, und in einem Speicher hinterlegt werden. Der Speicher kann dabei dem Messgerät, insbesondere einer Elektronikeinheit des Messgeräts, oder auch einer externen Einheit zugeordnet sein.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass die Sondenelektrode mit zumindest dem ersten Anregesignal und mit einem zweiten
Anregesignal mit einer zweiten vorgebbaren Frequenz beaufschlagt wird, wobei das erste Empfangssignal und ein zweites Empfangssignal empfangen werden und wobei die
Messkapazität und/oder der Medien-/Ansatz-Widerstand anhand des ersten und zweiten Empfangssignals bestimmt wird/werden. Es ist von Vorteil, wenn zumindest eine Amplitude und/oder eine Phase zumindest des ersten Empfangssignals ermittelt wird/werden, und wobei die Messkapazität und/oder der Medien- /Ansatz-Widerstand anhand des ersten und zweiten Empfangssignals bestimmt wird/werden. Beispielsweise kann/können im Falle eines einzigen ersten Anregesignals anhand der Amplitude und Phase des ersten Empfangssignals die Messkapazität und/oder der Medien-/Ansatz- Widerstand bestimmt werden. Das gleiche gilt für ein zweites Anregesignal mit einer zweiten Frequenz und das entsprechende zweite Empfangssignal. Alternativ können beispielsweise auch die Amplituden oder Phasen zumindest des ersten und zweiten Empfangssignals herangezogen werden.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens handelt es sich bei der zumindest einen Prozessgröße um einen Füllstand des Mediums in einem Behälter. Es kann sich auch um einen vorgebbaren Füllstand, also einen Grenzstand, handeln. Alternativ kann es sich bei der Prozessgröße aber auch um die elektrische Leitfähigkeit des Mediums, oder um die Permittivität des Mediums, handeln.
In einer weiteren Ausgestaltung wird/werden anhand des Medien-/Ansatz-Widerstands eine Leitfähigkeit des Mediums und/oder anhand der Messkapazität eine Permittivität des Mediums ermittelt. Anhand der Permittivität kann wiederum auch eine Dielektrizitätskonstante des
Mediums angegeben werden. Aus der Leitfähigkeit und/oder der Permittivität bzw.
Dielektrizitätskonstanten des Mediums lassen sich zusätzliche Informationen, beispielsweise über den Prozess, über die Art und Stärke eines Ansatzes und viele weitere, extrahieren. Es ist von Vorteil, dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Bestimmung der Leitfähigkeit des Mediums ohne eine elektrisch leitfähige Verbindung zum Medium möglich ist.
Eine bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass anhand der Messkapazität, des Medien-/Ansatz- Widerstands und/oder zumindest einer von zumindest der Messkapazität und/oder dem Medien- /Ansatz-Widerstand abgeleiteten Größe auf das Vorliegen von Ansatz in zumindest in einem Teilbereich der Sondenelektrode geschlossen wird. Es lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren also nicht nur aussagen, dass Ansatz vorhanden ist, sondern ggf. auch, welcher Art der Ansatz ist, bzw. welches Medium den Ansatz bildet, oder wieviel Ansatz sich gebildet hat.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass anhand der Messkapazität, des Medien- /Ansatz-Widerstands und/oder zumindest einer von zumindest der Messkapazität und/oder dem Medien-/Ansatz-Widerstand abgeleiteten Größe die Einhaltung einer Rezeptur eines in dem Behälter ablaufenden Prozesses überwacht wird.
Noch eine weitere bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass anhand der Messkapazität, des Medien-/Ansatz-Widerstands und/oder zumindest einer von zumindest der Messkapazität und/oder dem Medier Ansatz-Widerstand abgeleiteten Größe eine Durchmischung von zumindest einem ersten und einem zweiten Medium in dem Behälter überwacht wird.
Noch eine weitere bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass anhand der Messkapazität, des Medien-/Ansatz-Widerstands und/oder einer von zumindest der Messkapazität und/oder dem Medien-/Ansatz-Widerstand abgeleiteten Größe ein Reinigungsprozess in dem Behälter überwacht wird.
Neben der Bestimmung und/oder Überwachung der jeweiligen Prozessgröße kann also zusätzlich eine Prozessüberwachung eines in dem jeweiligen Behälter ablaufenden Prozesses vorgenommen werden.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Bedeckungsgrad der Sondenelektrode ermittelt. Der Bedeckungsgrad ist dabei definiert als das Verhältnis eines von der Sondenelektrode abgreifbaren Stroms und eines an einer Guardelektrode des jeweiligen Messgeräts abgreifbaren Stroms.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Vorrichtung zur kapazitiven Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter umfassend
- eine Sensoreinheit mit zumindest einer Sondenelektrode, und
- eine Elektronikeinheit, welche Elektronikeinheit dazu ausgestaltet ist, zumindest ein Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen. In einer Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst die Sensoreinheit zumindest zwei Elektroden. Beispielweise kann es sich um eine Vorrichtung mit zwei Sondenelektroden, oder mit einer Sondenelektrode und einer Masseelektrode handeln.
Eine weitere Ausgestaltung beinhaltet, dass es sich bei einer der Elektroden um eine
Guardelektrode handelt.
Es sei darauf verwiesen, dass die in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Ausgestaltungen sich mutatis mutandis auch auf die erfindungsgemäße
Vorrichtung anwenden lassen und umgekehrt.
Die Erfindung wird nun anhand der nachfolgenden Figuren Fig. 1 bis Fig. 3 genauer beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines kapazitiven Füllstandsmessgeräts gemäß Stand der Technik, Fig. 2 ein exemplarisches elektrisches Ersatzschaltbild zur Beschreibung der Sondenelektrode anhand der Messkapazität und anhand des Medien-/Ansatz-Widerstands,
Fig. 3 zwei Diagramme zur Illustrierung des Einflusses eines Ansatzes auf (a) die Messkapazität und (b) die Amplitude des Empfangssignals, jeweils als Funktion der Leitfähigkeit des Mediums,
Fig. 4 zwei Diagramme zur Illustrierung der Abhängigkeit der Messkapazität und des Ansatz- /Medienwiderstands von einem Ansatz im Bereich der Sondenelektrode, Fig. 5 zwei Diagramme zur Illustrierung der Abhängigkeit der Messkapazität und des Ansatz- /Medienwiderstands von einem in dem Behälter ablaufenden Prozess, und
Fig. 6 ein Diagramm der Dielektrizitätskonstanten und der elektrischen Leitfähigkeiten verschiedener gängiger Medien.
In Fig. 1 ist eine schematische Zeichnung eines typischen auf dem kapazitiven Messprinzip beruhenden Feldgeräts 1 gemäß Stand der Technik gezeigt. Das Beispiel zeigt eine
Sensoreinheit 2 mit zwei zylinderförmig ausgestalteten Elektroden 5, 6, welche von der über einen Prozessanschluss 3a von der Oberseite ausgehend in einen teilweise mit Medium 4 gefüllten Behälter 3 hineinragt. Es versteht sich jedoch von selbst, dass zahlreiche
Ausgestaltungen für ein kapazitives Messgerät mit unterschiedlicher Anzahl von Elektroden bekannt sind, welche allesamt unter die vorliegende Erfindung fallen. Neben solchen
Messgeräten, bei welchen die Sensoreinheit 2, wie in Fig. 1 dargestellt, von oben in den Behälter hineinragen, ist die vorliegende Erfindung auch auf frontbündige Sensoreinheiten, welche im Wesentlichen mit der Bewandung des Behälters 3 abschließen oder solche Sensoreinheiten 3, welche über eine Seitenwandung des Behälters 3 in diesen eingebracht werden, anwendbar.
Die Sensoreinheit 2 selbst setzt sich im vorliegenden Beispiel aus einer Sondenelektrode 5 und einer die Sensorelektrode 5 koaxial umgebenden und von dieser isolierten Guardelektrode 6 zusammen. Beide Elektroden 5,6 sind elektrisch mit einer Elektronikeinheit 7 verbunden, welche zur Signalerfassung, -auswertung und/oder -speisung verantwortlich ist. Insbesondere bestimmt und/oder überwacht die Elektronikeinheit 7 anhand des von der Sensoreinheit 2 empfangenen Antwortsignals den Füllstand des Mediums 4 im Behälter 3. Eine zusätzliche Guardelektrode 6 ist für die Zwecke der vorliegenden Erfindung jeweils keineswegs notwendig.
Zur Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße wird zumindest die Sondenelektrode 5 mit einem Anregesignal A beaufschlagt und die Prozessgröße wird anhand des von der Sondenelektrode 5 empfangenen Empfangssignals E ermittelt, welches üblicherweise die Form eines
Wechselstroms hat. Die Guardelektrode 6 wird dabei bevorzugt, wie beispielsweise in der DE 32 12 434 C2 beschrieben, auf dem gleichen Potential wie die Sensorelektrode 5 betrieben. Nun ist es so, dass unabhängig von der Verwendung einer Guardelektrode 6 verschiedene Komponenten zum Empfangssignal E beitragen und nicht nur die Komponente des durch die Sondenelektrode 5 und eine Wandung des Behälters 3 oder eine zweite Elektrode gebildeten Kondensators, welcher u.a. vom Füllstand des Mediums 4 im Behälter 3 abhängt. Vielmehr spielen auch ohmsche Widerstände und zahlreiche weitere Einflüsse eine Rolle. So trägt beispielsweise auch ein sich zumindest im Bereich der Sondenelektrode 5 bildender Ansatz zum Empfangssignal E bei, was zu einer Verringerung der Messgenauigkeit führen kann. Im schlimmsten Falle kann beispielsweise ein Füllstand des Mediums 4 im Behälter 3 nicht mehr zuverlässig bestimmt und/oder überwacht werden.
Erfindungsgemäß wird also nicht das Empfangssignals E, selbst, sondern die Messkapazität Cmess der zumindest einen Sondenelektrode 5 ausgewertet. In einem elektrischen
Ersatzschaltbild kann die Sondenelektrode 5 beispielweise durch eine Reihenschaltung aus einer Isolationskapazität CiSO und einer Parallelschaltung aus der Messkapazität Cmess und dem
Medien-/Ansatz -Widerstand RM,A dargestellt werden, wie in Fig. 2 gezeigt. Es sei darauf verwiesen, dass es sich bei dem gezeigten Ersatzschaltbild lediglich um ein mögliches Beispiel handelt. Viele weitere Möglichkeiten sind denkbar und fallen ebenfalls unter die vorliegende Erfindung. Beispielsweise kann in einer anderen Ausgestaltung auf die Isolationskapazität CiS0 auch verzichtet werden.
Zur Bestimmung der Messkapazität Cmess und/oder des Medien-/Ansatzwiderstands RM,A sind viele verschiedene Möglichkeiten denkbar, welche allesamt unter die vorliegende Erfindung fallen. Im Falle, dass die Sensoreinheit 3 mit einem einzigen ersten Anregesignal Ai mit einer ersten Frequenz fi beaufschlagt wird, und entsprechend ein erstes Empfangssignal Ei empfangen wird, bietet es sich beispielsweise an, die Messkapazität Cmess und/oder den Medien-
/Ansatzwiderstand RM,A anhand einer Amplitude a und/oder eine Phase Φ des ersten
Empfangssignals Ei zu ermitteln. Alternativ ist es auch möglich, die Messsonde 3 mit zumindest einem ersten Ai und einem zweiten Anregesignal A2 mit zumindest einer ersten fi und einer zweiten Frequenz f2 zu beaufschlagen. In diesem Falle können die Messkapazität Cmess und/oder den Medien-/Ansatzwiderstand RM,A anhand des zumindest ersten Ei und zweiten Empfangssignals E2 bestimmt werden, beispielsweise anhand der ersten a^ und zweiten
Amplitude a2.
Die Messkapazität Cmess ist ein Maß für die Kapazität zwischen der Sondenelektrode 5 und einer weiteren Elektrode oder der Wandung des Behälters 3 wieder und damit einhergehend ein Maß für die jeweilige Prozessgröße. Ohm'schen Einflüsse des Mediums 4 bzw. einer möglicherweise vorhandenen Ansatzschicht im Bereich der Sondenelektrode 5 werden dagegen durch den Medien-/Ansatz-Widerstand RM,A Rechnung getragen. Im Falle, dass die Sondenelektrode 5 nicht mit Medium 4 bedeckt ist, ist die Sondenelektrode entweder von Luft umgeben, wenn kein Ansatz vorhanden ist. Ansonsten umgibt die Sondenelektrode 5 eine aus Medienresten gebildete Ansatzschicht gefolgt von Luft und der Medien-/Ansatz-Widerstand RM,A setzt sich aus diesen zwei Komponenten zusammen. Im Falle, dass die Sondenelektrode 5 dagegen im Wesentlichen vollständig vom jeweiligen Medium bedeckt ist, spielt ein Beitrag durch den Ansatz üblicherweise keine Rolle, da die Sondenelektrode 5 ohnehin mit dem Medium 4 bedeckt ist. Vorteilhaft ist der Einfluss von im Bereich der Sondenelektrode 5 vorhandenem Ansatz auf die Messkapazität Cmess vernachlässigbar, sodass eine Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße anhand der
Messkapazität Cmess eine deutlich geringere Empfindlichkeit hinsichtlich des Vorhandenseins von Ansatz aufweist. Dies führt zu einer deutlich verbesserten Messgenauigkeit unabhängig vom jeweiligen Medium 4.
Diese Zusammenhänge sind anhand von Fig. 3 illustriert. Dabei bezieht sich Fig. 3a auf die Messkapazität Cmess und Fig. 3b auf das Empfangssignal E. Dargestellt sind die Messkapazität Cmess.o bzw. das Empfangssignal E0 für einen leeren Behälter 4 im Falle, dass kein Ansatz vorhanden ist, die Messkapazität Cmess,o,A bzw. das Empfangssignal E0,A für einen leeren Behälter 3 im Falle, dass die Sondenelektrode 5 von einer etwa 1 mm dicken Ansatzschicht bedeckt ist, und die Messkapazität Cmess.i bzw. das Empfangssignal Ei für einen vollständig mit Medium 4 gefüllten Behälter 3 jeweils als Funktion der Leitfähigkeit σ des Mediums 4. Auf der y-Achse ist dabei jeweils das Verhältnis des Anteils des Beitrags durch Ansatz Cmess,o,A bzw. E0,A ZUITI Gesamtsignal Cmess, 1 bzw. Ei in Prozent aufgetragen. Im Falle, dass die Messkapazität Cmess ausgewertet wird, beträgt der Anteil einer 1 mm dicken Ansatzschicht für einen typischen
Leitfähigkeitsbereich σ gängiger Medien 4 weniger als 25%. Im Falle einer Auswertung des Empfangssignals E hinsichtlich der jeweiligen Prozessgröße steigt der Beitrag durch die
Ansatzschicht kontinuierlich mit der Leitfähigkeit σ an. Bei einer Leitfähigkeit von σ=800μ8/ιτι kann bereits nicht mehr zwischen einer vollständig bedeckten Sondenelektrode 5 und einer mit einer 1 mm dicken Schicht Ansatz bedeckten Sondenelektrode 5 unterschieden werden.
Wie leicht zu sehen ist, kann der Einfluss eines Ansatzes im Bereich der Sondenelektrode 5 auf die jeweilige Prozessgröße durch eine Auswertung der Messkapazität Cmess anstelle des
Empfangssignals erheblich reduziert und ggf. nahezu vollständig eliminiert werden.
In Fig. 4 sind die Messkapazität Cmess und der Medien-/Ansatz-Widerstand RM,A jeweils als Funktion der Zeit in willkürlichen Einheiten für den Fall, dass sich mit zunehmender Zeit ein Ansatz im Bereich der Sondenelektrode 5 ausbildet, dargestellt. Die in Fig. 4a dargestellte Messkapazität Cmess bleibt unabhängig vom Vorhandensein eines Ansatzes im Wesentlichen konstant. Dies verdeutlicht noch einmal die erhöhte Messgenauigkeit, welche durch Auswertung der Messkapazität Cmess erreicht werden kann. Der Medien-Ansatzwiderstand RM,A wird deutlich durch die Ausbildung einer Ansatzschicht beeinflusst und verringert sich mit zunehmenden Ansatz. Durch eine Auswertung der Messkapazität Cmess und/oder des Medien-/Ansatz- Widerstands RM,A können also zusätzliche Aussagen über das Vorliegen eines Ansatzes gemacht werden. Alternativ ist es genauso möglich, eine von der Messkapazität Cmess und/oder dem Medier Ansatz -Widerstands RM,A abhängige Größe, beispielsweise ein Verhältnis aus der Messkapazität Cmess und dem Medien-/Ansatz-Widerstands RM,A auszuwerten.
Anhand einer Auswertung der Messkapazität Cmess und/oder des Medien-/Ansatz-Widerstands RM,A können ferner Aussagen über das sich jeweils im Behälter 3 befindliche Medium 4 getätigt werden. Es kann also im Prinzip eine Überwachung eines im Behälter 3 ablaufenden Prozesses vorgenommen werden. Analoge Überlegungen gelten für den Fall, dass ein Reinigungsprozess des Behälters 3 überwacht werden soll. Dies ist anhand der in Fig. 5 dargestellten Messkapazität Cmess und dem Medien-/Ansatz-Widerstand RM,A jeweils als Funktion der Zeit in willkürlichen Einheiten für den Fall, dass sich zum Zeitpunkt t3 das sich im Behälter 3 befindliche Medium 4 ändert, illustriert. Sowohl die in Fig. 5a dargestellte Messkapazität Cmess als auch der in Fig. 5b dargestellte Medien-Ansatzwiderstand RM,A zeigen eine deutliche Abhängigkeit vom sich jeweils im Behälter 3 befindenden Medium 4. Durch eine Auswertung der Messkapazität Cmess und/oder des Medien-/Ansatz-Widerstands RM,A können also zusätzliche Aussagen den jeweiligen Prozess generiert werden. Alternativ ist es wie im Falle der Fig. 4 genauso möglich, eine von der Messkapazität Cmess und/oder dem Medien-/Ansatz-Widerstands RM,A abhängige Größe, beispielsweise ein Verhältnis aus der Messkapazität Cmess und dem Medien-/Ansatz-Widerstands RM„ auszuwerten.
In Fig. 6 sind schließlich die Leitfähigkeiten σ und die Dielektrizitätskonstanten εΓ für
verschiedene übliche Medien 4 gezeigt. Mit Hilfe einer Auswertung der Messkapazität Cmess und des Medien-/Ansatz-Widerstands RM,A kann in einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung eine Aussage über das sich im Behälter befindliche Medium 4 vorgenommen werden. Beispielsweise kann zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstanten εΓ eines Mediums 4 zuerst im Falle, dass der Behälter 3 leer ist, die Messkapazität Cmess bestimmt werden. Für einen leeren Behälter 3 gilt, dass εΓ«1 . Bestimmt man nun zusätzlich die Messkapazität Cmess im Falle eines vollständig mit dem Medium 4 gefüllten Behälters 3, so kann man auf die Dielektrizitätskonstante Sr des Mediums 3 schließen. In analoger Weise kann ebenfalls die Leitfähigkeit σ eines Mediums 3 ermittelt werden.
Bezugszeichen
1 kapazitives Füllstandsmessgerät
2 Sensoreinheit
3 Behälter
3a Prozessanschluss des Behälters
4 Medium
5 Sensorelektrode
6 Guardelektrode
7 Elektronikeinheit,
8 Gehäuse des Feldgeräts mess Messkapazität
RM,A Medien-/Ansatzwiderstand
Ciso Isolationskapazität der Sondenelektrode σ Leitfähigkeit des Mediums
εΓ Dielektrizitätskonstante des Mediums
A Anregesignal
E Empfangssignal
a Amplitude
Φ Phase

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur kapazitiven Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums (4),
umfassend folgende Verfahrensschritte:
Beaufschlagen einer Sondenelektrode (5) zumindest mit einem ersten elektrischen Anregesignal (Ai ) mit zumindest einer ersten vorgebbaren Frequenz (fi ) ,
Empfangen eines ersten elektrischen Empfangssignals (Ei ) von der Sondenelektrode (5), Ermitteln einer Messkapazität (Cmess) der Sondenelektrode (5) oder der Messkapazität (Cmess) und eines Medien-/Ansatz-Widerstands (RM,A) der Sondenelektrode (5) zumindest anhand des ersten Empfangssignals (Ei ), und
Bestimmen der zumindest einen Prozessgröße anhand des Wertes für die Messkapazität
(Cmess).
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
wobei die Messkapazität (Cmess) und/oder der Ansatz-/Medienwiderstand (RM,A) anhand einer Ersatzschaltung der Sondenelektrode (5) umfassend zumindest eine
Parallelschaltung der Messkapazität (Cmess) und des Medien-/Ansatz-Widerstands (RM,A) ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 ,
wobei die Messkapazität (Cmess) und/oder der Ansatz-/Medienwiderstand (RM,A) anhand einer Ersatzschaltung der Sondenelektrode (5) umfassend eine Reihenschaltung aus einer Isolationskapazität (CiS0) und der Parallelschaltung aus der Messkapazität (Cmess) und dem Medien-/Ansatz-Widerstand (RM,A) ermittelt wird.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Sondenelektrode (5) mit zumindest dem ersten Anregesignal (Ai ) und mit einem zweiten Anregesignal (A2) mit einer zweiten vorgebbaren Frequenz (f2) beaufschlagt wird, wobei das erste Empfangssignal (Ei ) und ein zweites Empfangssignal (E2) empfangen werden und wobei die Messkapazität (Cmess) und/oder der Medien- /Ansatz -Widerstand (RM,A) anhand des ersten (Ei ) und zweiten Empfangssignals (E2) bestimmt wird/werden. 5. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 -4,
wobei zumindest eine Amplitude (a) und/oder eine Phase (Φ) zumindest des ersten Empfangssignals (Ei ) ermittelt wird/werden, und wobei die Messkapazität (Cmess) und/oder der Medien-/Ansatz-Widerstand (RM,A) anhand der Amplitude (a) und/oder Phase (Φ) ermittelt wird/werden. 6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei es sich bei der zumindest einen Prozessgröße um einen Füllstand des Mediums
(4) in einem Behälter (3) handelt. 7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei anhand des Medien-/Ansatz-Widerstands (RM,A) eine Leitfähigkeit (σ) des Mediums (4) und/oder anhand der Messkapazität (Cmess) eine Permittivität (εΓ) des Mediums (4) ermittelt wird/werden. 8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei anhand der Messkapazität (Cmess), des Medien-/Ansatz-Widerstands (RM,A) und/oder zumindest einer von zumindest der Messkapazität (Cmess) , und/oder dem Medien-/Ansatz-Widerstand (RM,A) abgeleiteten Größe auf das Vorliegen von Ansatz in zumindest in einem Teilbereich der Sondenelektrode (5) geschlossen wird.
9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei anhand der Messkapazität (Cmess), des Medien-/Ansatz-Widerstands (RM,A) und/oder zumindest einer von zumindest der Messkapazität (Cmess) und/oder dem Medien-/Ansatz-Widerstand (RM,A) abgeleiteten Größe die Einhaltung einer Rezeptur eines in dem Behälter (3) ablaufenden Prozesses überwacht wird.
10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei anhand der Messkapazität (Cmess), des Medien-/Ansatz-Widerstands (RM,A) und/oder zumindest einer von zumindest der Messkapazität (Cmess) und/oder dem
Medien-/Ansatz-Widerstand (RM,A) abgeleiteten Größe eine Durchmischung von zumindest einem ersten und einem zweiten Medium (4) in dem Behälter (3) überwacht wird.
1 1 . Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei anhand der Messkapazität (Cmess), des Medien-/Ansatz-Widerstands (RM,A) und/oder einer von zumindest der Messkapazität (Cmess) und/oder dem Medien-/Ansatz- Widerstand (RM,A) abgeleiteten Größe ein Reinigungsprozess in dem Behälter (3) überwacht wird.
12. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei ein Bedeckungsgrad der Sondenelektrode (5) ermittelt wird.
13. Vorrichtung zur kapazitiven Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums (4) in einem Behälter (3) umfassend
- eine Sensoreinheit (3) mit zumindest einer Sondenelektrode (5), und - eine Elektronikeinheit (7), welche Elektronikeinheit (7) dazu ausgestaltet ist, zumindest ein Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
wobei die Sensoreinheit (3) zumindest zwei Elektroden umfasst.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14,
wobei es sich bei einer der Elektroden um eine Guardelektrode (6) handelt.
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