WO2021037611A1 - Füllstanddetektion mittels heizstrukturen - Google Patents

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WO2021037611A1
WO2021037611A1 PCT/EP2020/073114 EP2020073114W WO2021037611A1 WO 2021037611 A1 WO2021037611 A1 WO 2021037611A1 EP 2020073114 W EP2020073114 W EP 2020073114W WO 2021037611 A1 WO2021037611 A1 WO 2021037611A1
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heating structure
temperature
electrical power
heat transfer
measure
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Application number
PCT/EP2020/073114
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English (en)
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Inventor
Christoph Hepp
Tomasz CIESLA
Roland Roth
Original Assignee
Innovative Sensor Technology Ist Ag
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—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
    • G01F23/22—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
    • G01F23/24—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 resistance of resistors due to contact with conductor fluid
    • G01F23/246—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 resistance of resistors due to contact with conductor fluid thermal devices

Definitions

  • the invention relates to a method for determining a predetermined fill level of a measuring medium in a container.
  • the invention also relates to a method for detecting a fill level of a measuring medium in a container.
  • the invention also relates to a sensor element and the use of the sensor element in the method according to the invention.
  • So-called level measuring devices are known for determining the level of a medium to be measured in a container.
  • the level is often detected using float switches, as described in the prior art.
  • the disadvantage of this method is that mechanically moving parts are used. These sometimes have a high susceptibility to errors, in particular in the case of liquids which contain particles or sludge, which may lead to failure of the sensor or a need to clean the sensor.
  • fill level measurement is known in the prior art, for example a measurement of the fill level by means of vibronic vibrating forks. It is also known to determine the fill level without contact, for example by means of ultrasound or radar methods, or by means of capacitive and / or optical measurements.
  • the invention is based on the object of presenting an alternative method which enables the reliable detection or determination of a fill level of a measuring medium in a container without the use of moving parts.
  • a first heating structure or a contacting element connected to the first heating structure is attached to a container at the level of the fill level to be determined, a measure of heat transfer from the first heating structure to the surroundings of the first heating structure being determined, the determined measure being at least a reference value is compared and the reaching of the fill level is indicated by the fact that in the event that the measuring medium contacts the first heating structure or the contacting element, the measure for the heat transfer exceeds or falls below the at least one reference value.
  • a first heating structure is attached to the container, a measure for a heat transfer from the first heating structure to the surroundings of the first Heating structure for determining the current level is determined, the determined amount resulting from the degree of wetting by the measurement medium of the contact surface of the first heating structure with the measurement medium.
  • Both method variants offer the advantage that the fill level of the measuring medium in a container can be reliably detected or determined.
  • a conduction method is used for this.
  • the different heat transfer or heat dissipation through different measuring media is used physically. This difference is particularly evident in the case of a gaseous measuring medium compared to a liquid measuring medium.
  • the first heating structure is brought to a predetermined temperature by introducing electrical power, the electrical power required for this being recorded as a measure of the heat transfer.
  • the first heating structure is applied with an electrical power of a defined amount with a defined time curve and the temperature of the first heating structure is recorded simultaneously, the temperature of the first heating structure as a measure of the heat transfer immediately after after the end of the application of the electrical power, the gradient of the temperature rise is determined as a measure of the heat transfer, or after the end of the application of the electrical power, a decay curve of the temperature of the first heating structure is determined as a measure of the heat transfer.
  • a temperature-sensing structure which temperature-sensing structure detects an ambient temperature, the first heating structure being subjected to electrical power in such a way that the first heating structure is brought to a temperature which is a predefined amount is greater than the ambient temperature detected by the temperature-sensing structure, and the electrical power required for this is determined as a measure of the heat transfer.
  • An advantageous embodiment of the method according to the invention according to claim 1 provides that at least one further heating structure for determining at least one further fill level is attached to the container at the level of the respective further fill level, the further heating structure being subjected to electrical power in such a way that the further heating structure is brought to a temperature which is a predefined amount greater than the ambient temperature detected by the temperature-sensing structure, and the electrical power required for this is compared with a further reference value as a measure of the heat transfer, and the reaching of the further fill level this is indicated by the fact that in the event that the measuring medium contacts the further heating structure, the electrical power exceeds or falls below the further reference value.
  • the first heating structure is operated alternately in a first and in a second operating mode, the first heating structure detecting an ambient temperature in the first operating mode and the first heating structure applying the defined electrical power in the second operating mode or is brought to the predetermined temperature.
  • a sensor element for measuring the temperature of a measuring medium and / or for heating the measuring medium comprising a substrate, a first heating structure applied to the substrate, which consists of a material with a defined temperature coefficient, and a passivation layer applied to the first heating structure , wherein the first heating structure has a resistance structure which is designed to detect the temperature of the measuring medium and / or to heat the measuring medium by applying an electrical voltage, and a carrier element, wherein the substrate is connected to the carrier element in a thermally conductive manner.
  • the thermally conductive connection of the substrate to the carrier element which is achieved, for example, by a thermally conductive adhesive or by applying the substrate to the carrier element by means of silver sintering or vacuum soldering, prevents the formation of voids, which improves the heat transfer from the first heating structure to the measuring medium and vice versa becomes.
  • a sensor element is achieved which can be used as a limit switch and which no longer has to be adjusted or which has to be adjusted with less effort than the known sensors.
  • the sensor element has at least one further heating structure which is applied to the substrate at a distance from the first heating structure. According to an advantageous embodiment of the sensor element according to the invention, it is provided that the sensor element has a temperature-sensing structure, which temperature-sensing structure is applied to the substrate at a distance from the first heating structure or from the at least one further heating structure.
  • the sensor element has a contacting element, the contacting element being connected to the first heating structure in a thermally conductive manner.
  • the object is achieved by using one or more sensor elements according to the invention in a discrete limit switch, the limit switch comprising an electronic circuit which is designed to carry out the method according to the invention.
  • the object is achieved by using one or more sensor elements according to the invention in a continuous limit switch, the limit switch comprising an electronic circuit which is designed to carry out the method according to the invention.
  • FIG. 4 shows a first exemplary embodiment of a method according to the invention for operating a discrete limit switch
  • FIG. 5 shows a second exemplary embodiment of sensor elements according to the invention in discrete limit switches in connection with the method according to the invention
  • FIG. 6 shows a schematic circuit diagram for a discrete limit switch
  • 7 shows a second exemplary embodiment of a method according to the invention for operating a discrete limit switch
  • a functional layer is applied to a substrate 110, which consists in particular of a ceramic material.
  • the functional layer is structured in such a way that it can be used as a heating structure 120, hereinafter referred to as the first heating structure 120.
  • the functional layer consists of a material with a defined temperature coefficient, for example platinum.
  • the functional layer is applied to the substrate by means of a thin-film process, for example by means of sputtering or vapor deposition, and structured by means of a standard thin-film process, for example by means of a photolithography process.
  • the functional layer is applied and structured by means of a thick-film process, in particular by means of a screen printing process.
  • the resulting first heating structure is a Pt50.
  • a passivation layer 130 is applied, which completely covers the first heating structure 120.
  • This consists for example of glass, which is applied by means of a thick-film process.
  • the passivation layer 130 can consist of a ceramic material, in particular Al 2 O 3 , which is applied by means of a thin-film or thick-film process.
  • Electrical contact can be made with the first heating structure 120 by means of a welding wire 170 or a bonding wire that is connected to the first heating structure 120.
  • an electrical power suitable for heating the first heating structure can be conducted into the first heating structure via the welding wire, or the resistance of the first heating structure 120 can be measured to determine the temperature.
  • a control / evaluation unit is provided, which is electrically connected to the first heating structure 120 by means of the welding wire 170.
  • the surface of the substrate 110 facing away from the first heating structure 120 is applied to a carrier element 140.
  • the carrier element 140 is a ceramic one or a metallic component, in particular a tube or a plate, which has a high thermal conductivity.
  • the carrier element 140 is the inner or outer wall of a container 200 in which the sensor element 100 is used to determine the fill level.
  • the substrate 110 is applied to the carrier element 140 by means of, for example, a vacuum soldering process - alternatively by means of another process which produces a heat-conducting connection.
  • FIG. 2 in conjunction with FIGS. 3 and 4, shows a first application example of the sensor element 100 according to the invention.
  • the sensor element 100 is attached to an inside of a container 200.
  • Either the carrier element 140 of the sensor element 100 is connected to the inside of the container 200 - but good thermal contact must be ensured here.
  • the substrate 110 of the sensor element 100 is connected directly to the inside of the container 200.
  • the container 200 is, for example, a tank.
  • the container is filled with a measuring medium 210, for example a fluid measuring medium or a bulk material.
  • a measuring medium 210 for example a fluid measuring medium or a bulk material.
  • the sensor element 100 is intended to act as a discrete limit switch. This means that the sensor element 100 should determine whether the maximum fill level 220 has been reached or not.
  • the sensor element 100 is attached to the inside of the container 200 at a predetermined height 220 of a fill level, in this case the maximum permissible fill level.
  • a fill level in this case the maximum permissible fill level.
  • the term “fill level” can also be replaced by the synonyms “fill level” or “fill level”. Provision can also be made to mount the sensor element at a lower height than the maximum permitted fill level, for example at 90% of the maximum permitted fill level. This makes it possible to initiate corrective measures in good time and to prevent the container 200 from overflowing even when the current fill level rises rapidly.
  • the measuring principle according to the invention for determining whether the predetermined fill level 220 has been reached consists of quantizing the heat transfer of the first heating structure 120 of the Sensor element 100 in the vicinity of the first heating structure. In the event that the predetermined fill level 220 is not reached, air in particular surrounds the first heating structure 120. In the event that the predetermined fill level 220 is reached, the measurement medium 210 surrounds the first heating structure 120, which changes the heat transfer.
  • the control / evaluation unit acts on the first heating structure 120 with an electrical power of a defined amount with a defined time curve.
  • the current temperature of the first heating structure 120 is recorded simultaneously.
  • a schematic electrical circuit for this is shown in FIG. 3.
  • the control / evaluation unit pC introduces electrical power in the form of an electrical voltage Vcc into a series circuit of the first heating structure 120 and a measuring resistor R1.
  • the voltage VR1 is measured across the measuring resistor. Since the measuring resistor has a predetermined resistance value which is independent of the temperature of the first heating structure 120, the voltage drop across the measuring resistor is dependent on the resistance of the first heating structure, via which the current temperature of the first heating structure can be determined.
  • the first heating structure 120 is operated alternately in a first and in a second operating mode. This is shown in Fig. 4:
  • the first heating structure 120 is operated in the second operating mode. In this case, a predetermined electrical power is applied to the first heating structure for a specified time. At the same time, the current temperature of the first heating structure 120 is recorded. For this purpose, the power is introduced into the first heating structure 120 in a pulsed manner. When the power is introduced into the first heating structure 120, the measuring resistor is bridged so that only the first heating structure 120 is subjected to the electrical power. The bridging is then switched off for a short time, in which no electrical power is introduced, and the voltage VR1 across the measuring resistor R1 is determined. The temperature of the heating structure is then determined from this. This pulsed introduction is carried out, for example, with a pulse frequency of less than 10 Hz, in particular 1 Hz.
  • the fill level of the measuring medium 210 is below the predetermined fill level 220, so that air surrounds the first heating structure 120.
  • the measuring medium 210 reaches the predetermined fill level 220, so that the Measurement medium 210 surrounds the first heating structure 120.
  • three different measures for the heat transfer into the environment are recorded in this exemplary embodiment: the rise curve of the temperature of the first heating structure 120 when electrical energy is applied, the maximum temperature achieved of the first heating structure 120 immediately upon termination of the application of the first heating structure 120 and thus the Temperature difference immediately before the start of heating, and the cooling curve of the first heating structure 120 in the second operating mode.
  • the respective measure deviates from the reference value or deviates from the reference value by a predetermined factor, this serves as an indicator for reaching the predetermined filling level 220.
  • the maximum achievable temperature of the first heating structure 120 is when the predetermined filling level is reached below the values for air as the medium surrounding the first heating structure 120, since a larger proportion of the amount of heat is absorbed by the measuring medium 210.
  • the rise in temperature and the decay curve also differ from those in which air surrounds the first heating structure 120.
  • a sensor element 100 ' is shown on the container.
  • the sensor element 100 'itself is attached outside of the container 200, or is located above the predetermined level on the inside of the container 200.
  • the first heating structure 120' is in this case in thermal contact with a contacting element 160 ', which is made of a material with a high thermal conductivity, for example copper.
  • the contacting element 160 is arranged in such a way that a contact surface of the contacting element 160‘ is at the level of the predetermined fill level 220 and can be contacted with the measuring medium 210.
  • the first heating structure 120 ‘can thus be indirectly contacted in a thermally conductive manner with the measuring medium via the contacting element 160‘.
  • Such a structure is compatible with aggressive measuring media, against which the passivation layer 130 cannot offer any protection.
  • the control and evaluation takes place analogously to the first example described above, in which the first heating structure 120 would be in direct contact with the measuring medium 210.
  • the sensor element 100 can be attached to the outside of the container 200 and the amount of heat transfer through the container wall can be measured. In this case, however, the sensitivity is reduced or the response time is increased.
  • FIG. 5, in conjunction with FIGS. 6 and 7, shows a second application example of the sensor element 100, 100 ′ according to the invention.
  • the carrier element and the substrate are not provided with reference symbols.
  • the sensor element 100, 100 ' is analogous to that The first exemplary embodiment described above is arranged inside the container 200, with or without a carrier element, or outside the container, in the latter case comprising a contacting element 160 '.
  • the sensor element 100, 100 shown in FIG. 5 additionally comprises a temperature-sensing structure 180, 180 ‘. This is constructed and designed essentially identically to the first heating structure 120, 120 '. In particular, however, it is provided that the first heating structure 120,
  • the first heating structure 120, 120 'and the temperature-sensing structure 180, 180' can be connected to the control / evaluation unit and form an electronic circuit, shown in FIG 120, 120 ', is formed by a series connection of the temperature-sensing structure 180, 180' and a further resistor Rx, as well as a first and a second measuring resistor R1, R2.
  • the circuit also contains an operational amplifier U1 and a comparator U2.
  • DT is, for example, 10 K.
  • the electrical circuit is designed in such a way that the first heating structure has a dedicated electrical power applied to it, which is used to heat the first heating structure 120,
  • the measuring medium 120 'leads to the temperature T H. If the measuring medium is below the predetermined height 220 of the fill level, a first amount of electrical power P Hi is necessary for this. In the event that the measuring medium 210 reaches the predetermined height 220 of the fill level, the measuring medium 210 covers the first heating structure 120 and cools it down. The electronic circuit is forced to maintain the temperature T H and acts on the first heating structure 120 with a higher amount of electrical power P H 2. In the circuit shown in FIG. 6, the output voltage Uo ut of the operational amplifier U1 is proportional to that of the first heating structure 120, 120 'the amount of electrical power P Hi , PH2 supplied and can therefore be used as a measure of the heat transfer between the first heating structure 120 and its surroundings.
  • the level of the output voltage Uout increases proportionally to the degree of wetting of the first heating structure 120, 120 '. If a reference value is established for the output voltage, the sensor element 100 can also be used in this exemplary embodiment as a discrete limit switch which indicates that the predetermined level 220 has been reached when the reference value has been exceeded.
  • FIG. 8 shows a third application example of one or more sensor elements 100, 100, 300, 300 ‘, 400 and 400‘ according to the invention.
  • the sensor elements are shown here in a simplified manner - for reasons of clarity, only the respective heating structures are shown, but not their substrates.
  • one or more sensor elements 100, 100, 300, 300, 400 and 400 are attached to the inside of the container 200.
  • a plurality of heating structures with corresponding substrates are applied to the carrier element 110 at a distance from one another.
  • the heating structures share a common substrate.
  • the carrier element 110 is now attached to the inside of the container 200 in such a way that the heating structures are at several levels 220, 230, 240 of filling levels.
  • the heating structures share a common substrate.
  • the heating structures now form several independent discrete limit switches. Instead of detecting a specific height of a fill level, as previously described, several different heights 220, 230, 240 can now be detected according to the number of heating elements.
  • control and evaluation by means of the control / evaluation unit can take place analogously to the first or second exemplary embodiment. If an evaluation according to the second exemplary embodiment is provided, an additional temperature-sensing structure not shown in FIG. 8 must be provided.
  • each of the sensor elements has its own carrier element.
  • the heating structures now also form several independent discrete limit switches here.
  • the control and evaluation by means of the control / evaluation unit can take place analogously to the first or second exemplary embodiment.
  • a common control / evaluation unit or a control / evaluation unit can be provided for each sensor element 100 '300, 400. Is a Evaluation provided in accordance with the second exemplary embodiment, an additional temperature-sensing structure not shown in FIG. 8 must be provided.
  • the sensor element 100, 100 ′ As a continuous limit switch. This is shown in FIG. 9.
  • the first heating structure 120 or the contact element 160 is designed over a large area and covers a height area of the inside of the container. The measure determined in each case for the heat transfer is now not compared with a reference value, but rather determined from the absolute size of the degree of wetting of the first heating structure 120.
  • the output signal increases proportionally to the degree of wetting of the first heating structure 120.

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Abstract

Die Erfindung umfasst ein Verfahren zum Feststellen eines vorbestimmten Füllstandes eines Messmediums (210) in einem Behälter (200), wobei eine erste Heizstruktur (120) oder ein mit der ersten Heizstruktur (120) verbundenes Kontaktierungselement (160) am Behälter (200) auf Höhe des festzustellenden Füllstands (220) angebracht ist, wobei ein Maß für einen Wärmeübertrag von der ersten Heizstruktur (120) auf die Umgebung der ersten Heizstruktur (120) ermittelt wird, wobei das ermittelte Maß mit zumindest einem Referenzwert verglichen wird und wobei das Erreichen des Füllstands dadurch indiziert wird, dass im Falle, dass das Messmedium (210) die erste Heizstruktur (120), bzw. das Kontaktierungselement (160), kontaktiert, das Maß für den Wärmeübertrag den zumindest einen Referenzwert überschreitet oder unterschreitet, sowie ein Sensorelement (100), welches in dem Verfahren als diskreter Grenzschalter oder als kontinuierlicher Grenzschalter verwendet wird.

Description

Füllstanddetektion mittels Heizstrukturen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feststellen eines vorbestimmten Füllstandes eines Messmediums in einem Behälter. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Detektieren eines Füllstandes eines Messmediums in einem Behälter. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Sensorelement und die Verwendung des Sensorelements in den erfindungsgemäßen Verfahren.
Zur Bestimmung des Füllstands eines Messmediums in einem Behälter sind sogenannte Füllstandsmessgeräte bekannt. Eine Detektion des Füllstands wird häufig mit Schwimmerschaltern durchgeführt, wie im Stand der Technik beschrieben. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass mechanisch bewegte Teile verwendet werden. Diese weisen mitunter eine hohe Fehleranfälligkeit auf, insbesondere bei Flüssigkeiten, welche Partikeln oder Schlamm umfassen, was gegebenenfalls zu einem Ausfall des Sensors, bzw. einer Notwendigkeit der Reinigung des Sensors führt.
Im Stand der Technik sind weitere Arten zur Füllstandsmessung bekannt, beispielsweise eine Messung des Füllstands mittels vibronischen Schwinggabeln. Auch ist es bekannt, den Füllstand kontaktlos zu bestimmen, beispielsweise mittels Ultraschall- oder Radarverfahren, oder mittels kapazitiven und/oder optischen Messungen.
Der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Verfahren vorzustellen, welches die zuverlässige Detektion, bzw. die Bestimmung eines Füllstands eines Messmediums in einem Behälter ohne die Verwendung beweglicher Teile ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß der Ansprüche 1 oder 2, und durch ein Sensorelement gemäß Anspruch 8 gelöst.
Hinsichtlich des Verfahrens ist eine erste Heizstruktur oder ein mit der ersten Heizstruktur verbundenes Kontaktierungselement an einem Behälter auf Höhe des festzustellenden Füllstands angebracht, wobei ein Maß für einen Wärmeübertrag von der ersten Heizstruktur auf die Umgebung der ersten Heizstruktur ermittelt wird, wobei das ermittelte Maß mit zumindest einem Referenzwert verglichen wird und wobei das Erreichen des Füllstands dadurch indiziert wird, dass im Falle, dass das Messmedium die erste Heizstruktur, bzw. das Kontaktierungselement, kontaktiert, das Maß für den Wärmeübertrag den zumindest einen Referenzwert überschreitet oder unterschreitet.
Hinsichtlich eines alternativen Verfahrens ist eine erste Heizstruktur am Behälter angebracht, wobei ein Maß für einen Wärmeübertrag von der ersten Heizstruktur auf die Umgebung der ersten Heizstruktur zum Bestimmen des aktuellen Füllstands ermittelt wird, wobei das ermittelte Maß aus dem Grad der Benetzung durch das Messmedium der Kontaktfläche der ersten Heizstruktur mit dem Messmedium resultiert.
Beide Verfahrensvarianten bieten den Vorteil, dass der Füllstand des Messmediums in einem Behälter zuverlässig detektiert, bzw. bestimmt werden kann. Hierfür wird eine Wärmeleitungsmethode verwendet. Physikalisch wird der unterschiedliche Wärmeübergang, bzw. der Wärmeabtransport durch unterschiedliche Messmedien genutzt. Besonders zeigt sich dieser Unterschied bei einem gasförmigen Messmedium im Vergleich zu einem flüssigen Messmedium.
Der entscheidende Vorteil gegenüber mechanischen und kapazitiven Systemen ist hierbei der Verzicht auf mechanisch bewegte Teile.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung von einem der erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass die erste Heizstruktur durch Einbringen einer elektrischen Leistung auf eine vorbestimmte Temperatur gebracht wird, wobei die hierfür benötigte elektrische Leistung als Maß des Wärmeübertrags erfasst wird.
Gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung von einem der erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass die erste Heizstruktur mit einer elektrischen Leistung definierter Menge mit einem definierten Zeitverlauf beaufschlagt und simultan die Temperatur der ersten Heizstruktur erfasst wird, wobei die Temperatur der ersten Heizstruktur als Maß des Wärmeübertrags unmittelbar nach dem Beenden des Beaufschlagens der elektrischen Leistung ermittelt wird, wobei die Steigung des Temperaturanstiegs als Maß des Wärmeübertrags ermittelt wird, oder wobei nach dem Beenden des Beaufschlagens der elektrischen Leistung eine Abklingkurve der Temperatur der ersten Heizstruktur als Maß des Wärmeübertrags ermittelt wird.
Gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung von einem der erfindungsgemäßen Verfahren ist eine temperaturfühlende Struktur vorgesehen, welche temperaturfühlende Struktur eine Umgebungstemperatur erfasst, wobei die erste Heizstruktur derart mit einer elektrischen Leistung beaufschlagt wird, dass die erste Heizstruktur auf eine Temperatur gebracht wird, welche um einen vordefinierten Betrag größer als die von der temperaturfühlenden Struktur erfasste Umgebungstemperatur ist, und wobei die dazu benötigte elektrische Leistung als Maß des Wärmeübertrags ermittelt wird. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 1 sieht vor, dass zumindest eine weitere Heizstruktur zum Feststellen von zumindest einem weiteren Füllstand auf Höhe des jeweils weiteren Füllstands an dem Behälter angebracht ist, wobei die weitere Heizstruktur derart mit einer elektrischen Leistung beaufschlagt wird, dass die weitere Heizstruktur auf eine Temperatur gebracht wird, welche um einen vordefinierten Betrag größer als die von der temperaturfühlenden Struktur erfasste Umgebungstemperatur ist, und wobei die dazu benötigte elektrische Leistung als ein Maß des Wärmeübertrags mit einem weiteren Referenzwert verglichen wird, und wobei das Erreichen des weiteren Füllstands dadurch indiziert wird, dass im Falle, dass das Messmedium die weitere Heizstruktur kontaktiert, die elektrische Leistung den weiteren Referenzwert überschreitet oder unterschreitet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung von einem der erfindungsgemäßen Verfahren wird die erste Heizstruktur alternierend in einem ersten und in einem zweiten Betriebsmodus betrieben, wobei die erste Heizstruktur in dem ersten Betriebsmodus eine Umgebungstemperatur erfasst und wobei die erste Heizstruktur in dem zweiten Betriebsmodus mit der definierten elektrischen Leistung beaufschlagt wird oder auf die vorbestimmte Temperatur gebracht wird.
Hinsichtlich des Sensorelements ist ein Sensorelement zur Messung der Temperatur eines Messmediums und/oder zur Erwärmung des Messmediums vorgesehen, umfassend ein Substrat, eine auf dem Substrat aufgebrachte erste Heizstruktur, welche aus einem Material mit einem definierten Temperaturkoeffizienten besteht, eine auf der ersten Heizstruktur aufgebrachte Passivierungsschicht, wobei die erste Heizstruktur eine Widerstandsstruktur aufweist, welche zur Erfassung der Temperatur des Messmediums und/oder zur Erwärmung des Messmediums durch Anlegen einer elektrischen Spannung ausgestaltet ist, und ein Trägerelement, wobei das Substrat wärmeleitend mit dem Trägerelement verbunden ist.
Durch die wärmeleitfähige Verbindung des Substrats mit dem Trägerelement, welche beispielsweise einen Wärmeleitkleber oder durch ein Aufbringen des Substrats auf dem Trägerelement mittels Silbersinterns oder Vakuumlötens erzielt wird, wird eine Lunkerbildung vermieden, wodurch der Wärmeübergang von der ersten Heizstruktur ins Messmedium, bzw. vice versa verbessert wird. Dadurch wird ein Sensorelement erzielt, welches als Grenzschalter verwendet werden kann und welches nicht mehr, bzw. mit einem geringeren Aufwand gegenüber den bekannten Sensoren, justiert werden muss.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht vor, dass das Sensorelement zumindest eine weitere Heizstruktur aufweist, welche beabstandet von der ersten Heizstruktur auf dem Substrat aufgebracht ist. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass das Sensorelement eine temperaturfühlende Struktur aufweist, welche temperaturfühlende Struktur beabstandet von der ersten Heizstruktur, bzw. von der zumindest einen weiteren Heizstruktur, auf dem Substrat aufgebracht ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist vorgesehen, dass das Sensorelement ein Kontaktierungselement aufweist, wobei das Kontaktierungselement wärmeleitend mit der ersten Heizstruktur verbunden ist.
Des Weiteren wird die Aufgabe durch eine Verwendung eines oder mehrerer erfindungsgemäßer Sensorelemente in einem diskreten Grenzschalter gelöst, wobei der Grenzschalter eine Elektronikschaltung umfasst, welche zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet ist.
Des Weiteren wird die Aufgabe durch eine Verwendung eines oder mehrerer erfindungsgemäßer Sensorelemente in einem kontinuierlichen Grenzschalter, wobei der Grenzschalter eine Elektronikschaltung umfasst, welche zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet ist.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1: ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements;
Fig. 2: ein erstes Ausführungsbeispiel von erfindungsgemäßen Sensorelementen in diskreten Grenzschaltern in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren;
Fig. 3: einen schematischen Schaltplan für einen diskreten Grenzschalter;
Fig. 4: ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines diskreten Grenzschalters;
Fig. 5: ein zweites Ausführungsbeispiel von erfindungsgemäßen Sensorelementen in diskreten Grenzschaltern in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren;
Fig. 6: einen schematischen Schaltplan für einen diskreten Grenzschalter; Fig. 7: ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines diskreten Grenzschalters;
Fig. 8: ein Ausführungsbeispiel von erfindungsgemäßen Sensorelementen in diskreten Grenzschaltern mit mehreren messbaren Füllniveaus in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren; und
Fig. 9: ein Ausführungsbeispiel, in welchem ein erfindungsgemäßen Sensorelement als kontinuierlicher Grenzschalter verwendet wird.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements 100. Auf ein Substrat 110, welches insbesondere aus einem keramischen Material besteht, ist eine funktionale Schicht aufgetragen. Die funktionale Schicht ist derart strukturiert, so dass diese als Heizstruktur 120 verwendbar ist, im Folgenden als erste Heizstruktur 120 bezeichnet. Die funktionale Schicht besteht aus einem Material mit einem definierten Temperaturkoeffizienten, beispielsweise Platin. Die funktionale Schicht ist mittels eines Dünnschichtverfahrens, beispielsweise mittels Sputterns oder Aufdampfens, auf das Substrat aufgebracht und mittels eines Standarddünnschichtprozesses strukturiert, beispielsweise mittels eines Fotolitografieverfahrens. Alternativ ist die funktionale Schicht mittels eines Dickschichtverfahrens aufgebracht und strukturiert, insbesondere mittels eines Siebdruckverfahrens. Insbesondere handelt es sich bei der resultierenden ersten Heizstruktur um einen Pt50.
Zum mechanischen und chemischen Schutz der ersten Heizstruktur 120 ist eine Passivierungsschicht 130 aufgetragen, welche die erste Heizstruktur 120 vollständig bedeckt. Diese besteht beispielsweise aus Glas, welches mittels eines Dickschichtverfahrens aufgebracht ist. Alternativ kann die Passivierungsschicht 130 aus einem keramischen Material, insbesondere Al203, bestehen, welche mittels eines Dünnschicht- oder Dickschichtverfahrens aufgetragen ist.
Mittels eines Schweißdrahts 170, bzw. eines Bonddrahts, der mit der ersten Heizstruktur 120 verbunden ist, ist die erste Heizstruktur 120 elektrisch kontaktierbar. Insbesondere kann eine zum Aufheizen der ersten Heizstruktur geeignete elektrische Leistung über den Schweißdraht in die erste Heizstruktur geleitet werden, bzw. zur Bestimmung der Temperatur der Widerstand der ersten Heizstruktur 120 gemessen werden. Hierfür ist eine Regel-/Auswerteeinheit vorgesehen, welche mit der ersten Heizstruktur 120 mittels des Schweißdrahts 170 elektrisch verbunden ist.
Die der ersten Heizstruktur 120 abgewandte Oberfläche des Substrats 110 ist auf einem Trägerelement 140 aufgebracht. Bei dem Trägerelement 140 handelt es sich um ein keramisches oder metallisches Bauteil, insbesondere ein Röhrchen oder ein Plättchen, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Alternativ handelt es sich bei dem Trägerelement 140 um die Innenoder Außenwand eines Behälters 200, in welchem das Sensorelement 100 zur Füllstandsbestimmung verwendet wird. Das Substrat 110 wird mittels beispielsweise eines Vakuumlötverfahrens auf dem Trägerelement 140 aufgebracht - alternativ mittels eines anderen Verfahrens, welches eine wärmeleitende Verbindung erzeugt. Das Verwenden des Vakuumverfahrens, oder ähnlicher Verfahren, resultiert in einer lunkerfreien Verbindung des Substrats 110 mit dem Trägerelement 140, wodurch der Wärmeübergang zwischen der ersten Heizstruktur und dem Trägerelement 140, bzw. dem das Trägerelement 140 kontaktierenden Messmedium, gegenüber bekannten Herstellungsverfahren verbessert ist. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Sensorelement 100, wie später beschrieben, an der Außenwand eines Behälters 200 angebracht ist.
Fig. 2, in Verbindung mit Fig. 3 und Fig. 4, zeigt ein erstes Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensorelements 100. Das Sensorelement 100 wird an einer Innenseite eines Behälters 200 angebracht. Entweder wird das Trägerelement 140 des Sensorelements 100 mit der Innenseite des Behälters 200 verbunden - hierbei muss jedoch eine gute thermische Kontaktierung sichergestellt werden. Alternativ wird, wie unter Fig. 1 beschrieben, das Substrat 110 des Sensorelements 100 direkt mit der Innenseite des Behälters 200 verbunden.
Bei dem Behälter 200 handelt es sich beispielsweise um einen Tank. Der Behälter ist mit einem Messmedium 210, beispielsweise ein fluides Messmedium oder ein Schüttgut gefüllt. Aus Sicherheitsgründen ist vorgesehen, dass nur so viel Messmedium 210 in dem Behälter 200 vorhanden sein darf, dass ein maximaler Füllstand 220 nicht überschritten wird. Das Sensorelement 100 soll in diesem Fall als diskreter Grenzschalter wirken. Das bedeutet, dass das Sensorelement 100 bestimmen soll, ob der maximale Füllstand 220 erreicht ist oder nicht.
Zu diesem Zweck wird das Sensorelement 100 auf einer vorbestimmten Höhe 220 eines Füllstands, in diesem Fall der maximale erlaubte Füllstand, an der Innenseite des Behälters 200 angebracht. Der Begriff „Füllstand“ kann auch durch die Synonyme „Füllhöhe“ oder „Füllniveau“ ersetzt werden. Es kann auch vorgesehen sein, das Sensorelement auf einer geringeren Höhe als der maximal erlaubte Füllstand anzubringen, beispielsweise auf 90 % des maximal erlaubten Füllstand. Dies erlaubt es, rechtzeitig Korrekturmaßnahmen einzuleiten und ein Überlaufen des Behälters 200 auch dann abzuwenden, wenn der aktuelle Füllstand schnell ansteigt.
Das erfindungsgemäße Messprinzip zum Feststellen, ob der vorbestimmte Füllstand 220 erreicht ist, besteht aus einem Quantisieren des Wärmeübertrags der ersten Heizstruktur 120 des Sensorelements 100 in die Umgebung der ersten Heizstruktur. Im Falle, dass der vorbestimmte Füllstand 220 nicht erreicht ist, umgibt insbesondere Luft die erste Heizstruktur 120. In dem Falle, dass der vorbestimmte Füllstand 220 erreicht ist, umgibt das Messmedium 210 die erste Heizstruktur 120, wodurch sich der Wärmeübertrag ändert.
Zum Feststellen eines aktuellen Maßes eines Wärmeübertrags wird die erste Heizstruktur 120 durch die Regel-/Auswerteeinheit mit einer elektrischen Leistung definierter Menge mit einem definierten Zeitverlauf beaufschlagt. Simultan wird die aktuelle Temperatur der ersten Heizstruktur 120 erfasst. Eine schematische elektrische Schaltung hierfür ist in Fig. 3 gezeigt. Von der Regel- /Auswerteeinheit pC wird eine elektrische Leistung in Form einer elektrischen Spannung Vcc in eine Serienschaltung von der ersten Heizstruktur 120 und einem Messwiderstand R1 eingebracht. Gleichzeitig wird die Spannung VR1 über dem Messwiderstand gemessen. Da der Messwiderstand einen vorgegebenen Widerstandswert aufweist, welcher unabhängig von der Temperatur der ersten Heizstruktur 120 ist, kann ist der Spannungsabfall über dem Messwiderstand abhängig von dem Widerstand der ersten Heizstruktur, über welchen die aktuelle Temperatur der ersten Heizstruktur bestimmt werden kann.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass die erste Heizstruktur 120 alternierend in einem ersten und in einem zweiten Betriebsmodus betrieben wird. Dies ist in Fig. 4 gezeigt:
Zu Beginn wird die erste Heizstruktur 120 in dem zweiten Betriebsmodus betrieben. Hierbei wird die erste Heizstruktur für eine festgelegte Zeit mit einer vorbestimmten elektrischen Leistung beaufschlagt. Gleichzeitig wird die aktuelle Temperatur der ersten Heizstruktur 120 erfasst. Die Leistung wird hierfür gepulst in die erste Heizstruktur 120 eingebracht. Bei Einbringen der Leistung in die erste Heizstruktur 120 wird der Messwiderstand überbrückt, so dass ausschließlich die erste Heizstruktur 120 mit der elektrischen Leistung beaufschlagt wird. Anschließend wird die Überbrückung für eine kurze Zeit, in welcher keine elektrische Leistung eingebracht wird, abgeschaltet und die Spannung VR1 über dem Messwiderstand R1 bestimmt. Anschließend wird daraus die Temperatur der Heizstruktur bestimmt. Dieses gepulste Einbringen wird beispielsweise mit einer Pulsfrequenz von kleiner 10 Hz, insbesondere 1 Hz, durchgeführt.
In dem nachfolgenden zweiten Betriebsmodus wird der ersten Heizstruktur 120 keine elektrische Leistung zugeführt, aber die aktuelle Temperatur der ersten Heizstruktur 120 erfasst.
In den ersten drei in Fig. 3 gezeigten Zyklen befindet sich der Füllstand des Messmediums 210 unterhalb des vorbestimmten Füllstands 220, so dass Luft die erste Heizstruktur 120 umgibt. Nach den drei Zyklen erreicht das Messmedium 210 den vorbestimmten Füllstand 220, so dass das Messmedium 210 die erste Heizstruktur 120 umgibt. Dadurch ändert sich die Größe des Wärmeübergangs von der Heizstruktur 120 zu deren Umgebung. Konkret werden in diesem Ausführungsbeispiel drei verschiedene Maße für den Wärmeübergang in die Umgebung erfasst: Die Anstiegskurve der Temperatur der ersten Heizstruktur 120 bei Beaufschlagung mit elektrischer Energie, die maximal erzielte Temperatur der ersten Heizstruktur 120 unmittelbar bei Beenden des Beaufschlagens der ersten Heizstruktur 120 und somit der Temperaturunterschied unmittelbar vor dem Beginn des Heizens, und die Abkühlkurve der ersten Heizstruktur 120 im zweiten Betriebsmodus. Alle diese Maße werden mit Referenzwerten verglichen, beispielsweise mit dem jeweiligen Maß des Wärmeübergangs bei Luft als die erste Heizstruktur 120 umgebendes Messmedium. Weicht das jeweilige Maß von dem Referenzwert ab, bzw. um einen vorbestimmten Faktor von dem Referenzwert ab, so dient dies als Indikator für das Erreichen des vorbestimmten Füllstands 220. Im vorliegenden Fall liegt die maximal erzielbare Temperatur der ersten Heizstruktur 120 bei Erreichen des vorbestimmten Füllstands unterhalb der Werte für Luft als die erste Heizstruktur 120 umgebendes Medium, da ein größerer Anteil der Wärmemenge von dem Messmedium 210 aufgenommen wird. Auch der Anstieg der Temperatur und die Abklingkurve unterscheiden sich von denjenigen, bei denen Luft die erste Heizstruktur 120 umgibt.
In Fig. 2 ist eine alternative Anbringung eines Sensorelements 100‘ an dem Behälter gezeigt. Das Sensorelement 100‘ selbst ist außerhalb des Behälters 200 angebracht, oder befindet sich über dem vorbestimmten Füllstand an der Innenseite des Behälters 200. Die erste Heizstruktur 120‘ ist in diesem Fall in thermischen Kontakt mit einem Kontaktierungselement 160‘, welches aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit besteht, beispielsweise Kupfer. Das Kontaktierungselement 160‘ wird derart angeordnet, dass sich eine Kontaktfläche des Kontaktierungselements 160‘ auf Höhe des vorbestimmten Füllstands 220 befindet und mit dem Messmedium 210 kontaktierbar ist. Die erste Heizstruktur 120‘ ist dadurch indirekt über das Kontaktierungselement 160‘ mit dem Messmedium wärmeleitend kontaktierbar. Ein solcher Aufbau ist kompatibel mit aggressiven Messmedien, gegen die die Passivierungsschicht 130 keinen Schutz bieten kann. Die Ansteuerung und Auswertung erfolgt analog zu dem obig beschriebenen ersten Beispiel, bei dem die erste Heizstruktur 120 direkt mit dem Messmedium 210 in Kontakt stehen würde. Alternativ kann das Sensorelement 100 in diesem Ausführungsbeispiel, sowie auch in allen nachfolgend aufgeführten Ausführungsbeispielen, an der Außenseite des Behälters 200 angebracht werden und das Maß des Wärmeübertrags durch die Behälterwand hindurch gemessen werden. In diesem Fall ist jedoch die Sensitivität verringert, bzw. die Ansprechzeit erhöht.
Fig. 5, in Verbindung mit Fig. 6 und Fig. 7, zeigt ein zweites Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensorelements 100, 100‘. Der Übersicht halber sind das Trägerelement und das Substrat nicht mit Bezugszeichen versehen. Das Sensorelement 100, 100‘ wird analog zu dem obig beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel innerhalb des Behälters 200, mit oder ohne einem Trägerelement, oder außerhalb des Behälters angeordnet, in letzterem Fall umfassend ein Kontaktierungselement 160‘.
Das in Fig. 5 gezeigte Sensorelement 100, 100‘ umfasst zusätzlich eine temperaturfühlende Struktur 180, 180‘. Diese ist im Wesentlichen identisch zu der ersten Heizstruktur 120, 120‘ aufgebaut und ausgestaltet. Insbesondere ist aber vorgesehen, dass es sich bei der ersten Heizstruktur 120,
120‘ um einen Pt50- Widerstand (Platin- Widerstand mit 50 Ohm) und bei der temperaturfühlenden Struktur um einen Pt1000-Widerstand (Platin Widerstand mit 1000 Ohm) handelt. Die erste Heizstruktur 120, 120‘ und die temperaturfühlende Struktur 180, 180‘ sind beispielsweise auf demselben Substrat aufgebracht. Alternativ können sich die erste Heizstruktur 120, 120‘ und die temperaturfühlende Struktur 180, 180‘ auf zwei unterschiedlichen Substraten befinden.
Die erste Heizstruktur 120, 120‘ und die temperaturfühlende Struktur 180, 180‘ sind mit der Regel- /Auswerteeinheit verbindbar und bilden eine elektronische Schaltung, abgebildet in Fig. 6. Diese besteht im Wesentlichen aus einer Wheatstone-Brücke, welche durch die erste Heizstruktur 120, 120‘, durch eine Serienschaltung der temperaturfühlenden Struktur 180, 180‘ und einem weiteren Widerstand Rx, sowie einem ersten und einem zweiten Messwiderstand R1, R2 gebildet ist. Weiterhin enthält die Schaltung einen Operationsverstärker U1, sowie einen Komparator U2.
Diese Schaltung regelt die Temperatur TH der ersten Heizstruktur auf einen Wert, welcher um einen vorbestimmten Wert DT höher als die von der temperaturfühlenden Struktur 180, 180‘ ermittelte Temperatur Ts liegt: TH = Ts + DT.
DT beträgt beispielsweise 10 K.
Die elektrische Schaltung ist derart ausgestaltet, dass die erste Heizstruktur mit einer dezidierten elektrischen Leistung beaufschlagt wird, die zu einer Erwärmung der ersten Heizstruktur 120,
120‘ zu der Temperatur TH führt. Befindet sich das Messmedium unterhalb der vorbestimmten Höhe 220 des Füllstands, so ist dazu eine erste Menge elektrischer Leistung PHi notwendig. Im Falle, dass das Messmedium 210 die vorbestimmte Höhe 220 des Füllstands erreicht, bedeckt das Messmedium 210 die erste Heizstruktur 120 und kühlt diese ab. Die elektronische Schaltung ist zum Erhalt der Temperatur TH gezwungen, und beaufschlagt die erste Heizstruktur 120 mit einer höheren Menge elektrischer Leistung PH2. In der in Fig. 6 gezeigten Schaltung ist die Ausgangsspannung Uout des Operationsverstärkers U1 proportional zu der der ersten Heizstruktur 120, 120‘ zugeführten Menge elektrischer Leistung PHi, PH2 und kann daher als Maß für den Wärmeübergang zwischen der ersten Heizstruktur 120 und deren Umgebung herangezogen werden. Dies ist analog dem CTA- („Constant Temperatur Anemometry“)-Messverfahren bei einem thermischen Durchflussmesser. Wie in Fig. 7 abgebildet, nimmt die Höhe der Ausgangsspannung Uout proportional zum Benetzungsgrad der ersten Heizstruktur 120, 120‘ zu. Legt man einen Referenzwert für die Ausgangsspannung fest, so kann das Sensorelement 100 auch in diesem Ausführungsbeispiel als diskreter Grenzschalter verwendet werden, der ein Erreichen der vorbestimmten Höhe des Füllstands 220 dann indiziert, wenn der Referenzwert überschritten worden ist.
Fig. 8 zeigt ein drittes Anwendungsbeispiel eines, bzw. mehrerer erfindungsgemäßer Sensorelemente 100, 100‘, 300, 300‘, 400 und 400‘. Die Sensorelemente sind hier vereinfacht dargestellt - aus Übersichtsgründen ist sind nur die jeweiligen Heizstrukturen, nicht aber deren Substrate abgebildet. Analog des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels werden ein oder mehrere Sensorelemente 100, 100‘, 300, 300‘, 400 und 400‘ an der Innenseite des Behälters 200 angebracht.
In einer ersten Variante sind auf dem Trägerelement 110 mehrere Heizstrukturen mit entsprechenden Substraten beabstandet zueinander aufgebracht. Alternativ teilen sich die Heizstrukturen ein gemeinsames Substrat. Das Trägerelement 110 wird nun derart an der Innenseite des Behälters 200 angebracht, dass die Heizstrukturen auf mehreren Höhen 220, 230, 240 von Füllständen liegen. Alternativ teilen sich die Heizstrukturen ein gemeinsames Substrat.
Die Heizstrukturen bilden nun mehrere unabhängige diskrete Grenzschalter. Statt, wie bisher beschrieben, eine dezidierte Höhe eines Füllstands zu detektieren, können nun, gemäß der Anzahl der Heizelemente, mehrere verschiedene Höhen 220, 230, 240 detektiert werden.
Die Ansteuerung und Auswertung mittels der Regel-/Auswerteeinheit kann analog des ersten oder des zweiten Ausführungsbeispiels erfolgen. Ist eine Auswertung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel vorgesehen, so muss eine zusätzliche, nicht in Fig. 8 abgebildete, temperaturfühlende Struktur vorgesehen sein.
In einer zweiten Variante werden mehrere unabhängige Sensorelemente 100‘ 300, 400‘ derart an der Innenseite des Behälters angebracht, dass die jeweiligen Heizstrukturen auf mehreren Höhen 220, 230, 240 von Füllständen liegen. Jedes der Sensorelemente weist ein eigenes Trägerelement auf.
Die Heizstrukturen bilden nun auch hier mehrere unabhängige diskrete Grenzschalter. Die Ansteuerung und Auswertung mittels der Regel-/Auswerteeinheit kann analog des ersten oder des zweiten Ausführungsbeispiels erfolgen. Es kann hierbei eine gemeinsame Regel-/Auswerteeinheit oder eine Regel/Auswerteeinheit pro Sensorelement 100‘ 300, 400 vorgesehen sein. Ist eine Auswertung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel vorgesehen, so muss eine zusätzliche, nicht in Fig. 8 abgebildete, temperaturfühlende Struktur vorgesehen sein.
Für das erste und das zweite Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, das Sensorelement 100, 100‘ als kontinuierlichen Grenzschalter zu verwenden. Dies ist in Fig. 9 gezeigt. In diesem Fall kann es vorgesehen sein, dass die erste Heizstruktur 120 oder das Kontaktelement 160 großflächig ausgestaltet ist und einen Höhenbereich der Innenseite des Behälters abdeckt. Das jeweils ermittelte Maß für den Wärmeübergang wird nun nicht mit einem Referenzwert verglichen, sondern aus der absoluten Größe des Grads der Benetzung der ersten Heizstruktur 120 ermittelt.
Als Beispiel sei auf Fig. 7 verwiesen. Proportional zu dem Grad der Benetzung der ersten Heizstruktur 120 steigt das Ausgangssignal. Je größer die Fläche der ersten Heizstruktur 120, bzw. des Kontaktierungselements 160 ausgestaltet ist, desto flacher verläuft die Kurve. Auf diese Art und Weise kann zuverlässig stufenlos die genaue aktuelle Höhe des Füllstands des Messmediums 210 ermittelt werden.
Bezugszeichenliste
100 Sensorelement
110 Substrat
120 erste Heizstruktur
130 Passivierungsschicht
140 Trägerelement
150 Lötschicht
160 Kontaktierungselement
170 Schweißdraht
180 temperaturfühlende Struktur
200 Behälter
210 Messmedium
220, 230, 240 vorbestimmte Höhen von Füllständen 300, 400 weitere Sensorelemente mq Regel-/Auswerteeinheit

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Feststellen eines vorbestimmten Füllstandes eines Messmediums (210) in einem Behälter (200), wobei eine erste Heizstruktur (120) oder ein mit der ersten Heizstruktur (120) verbundenes Kontaktierungselement (160) am Behälter (200) auf Höhe des festzustellenden Füllstands (220) angebracht ist, wobei ein Maß für einen Wärmeübertrag von der ersten Heizstruktur (120) auf die Umgebung der ersten Heizstruktur (120) ermittelt wird, wobei das ermittelte Maß mit zumindest einem Referenzwert verglichen wird und wobei das Erreichen des Füllstands dadurch indiziert wird, dass im Falle, dass das Messmedium (210) die erste Heizstruktur (120), bzw. das Kontaktierungselement (160), kontaktiert, das Maß für den Wärmeübertrag den zumindest einen Referenzwert überschreitet oder unterschreitet.
2. Verfahren zum Detektieren eines Füllstandes eines Messmediums (210) in einem Behälter (200), wobei eine erste Heizstruktur (120) am Behälter (200) angebracht ist, wobei ein Maß für einen Wärmeübertrag von der ersten Heizstruktur (120) auf die Umgebung der ersten Heizstruktur (120) zum Bestimmen der aktuellen Höhe des Füllstands ermittelt wird, wobei das ermittelte Maß aus dem Grad der Benetzung der Kontaktfläche der ersten Heizstruktur (120) mit dem Messmedium (210) resultiert.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Heizstruktur (120) durch Einbringen einer elektrischen Leistung auf eine vorbestimmte Temperatur gebracht wird, wobei die hierfür benötigte elektrische Leistung als Maß des Wärmeübertrags erfasst wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Heizstruktur (120) mit einer elektrischen Leistung definierter Menge mit einem definierten Zeitverlauf beaufschlagt und simultan die Temperatur der ersten Heizstruktur (120) erfasst wird, wobei die Temperatur der ersten Heizstruktur (120) als Maß des Wärmeübertrags unmittelbar nach dem Beenden des Beaufschlagens der elektrischen Leistung ermittelt wird, oder wobei die Steigung des Temperaturanstiegs als Maß des Wärmeübertrags ermittelt wird, oder wobei nach dem Beenden des Beaufschlagens der elektrischen Leistung eine Abklingkurve der Temperatur der ersten Heizstruktur (120) als Maß des Wärmeübertrags ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine temperaturfühlende Struktur (180) vorgesehen ist, welche temperaturfühlende Struktur (180) eine Umgebungstemperatur erfasst, wobei die erste Heizstruktur (120) derart mit einer elektrischen Leistung beaufschlagt wird, dass die erste Heizstruktur (120) auf eine Temperatur gebracht wird, welche um einen vordefinierten Betrag größer als die von der temperaturfühlenden Struktur (180) erfasste Umgebungstemperatur ist, und wobei die dazu benötigte elektrische Leistung als Maß des Wärmeübertrags ermittelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei zumindest eine weitere Heizstruktur zum Feststellen von zumindest einem weiteren Füllstand auf Höhe (230, 240) des jeweils weiteren Füllstands an dem Behälter (200) angebracht ist, wobei die weitere Heizstruktur derart mit einer elektrischen Leistung beaufschlagt wird, dass die weitere Heizstruktur auf eine Temperatur gebracht wird, welche um einen vordefinierten Betrag größer als die von der temperaturfühlenden Struktur (180) erfasste Umgebungstemperatur ist, und wobei die dazu benötigte elektrische Leistung als ein Maß des Wärmeübertrags mit einem weiteren Referenzwert verglichen wird, und wobei das Erreichen des weiteren Füllstands dadurch indiziert wird, dass im Falle, dass das Messmedium (210) die weitere Heizstruktur kontaktiert, die elektrische Leistung den weiteren Referenzwert überschreitet oder unterschreitet.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Heizstruktur (120) alternierend in einem ersten und in einem zweiten Betriebsmodus betrieben wird, wobei die erste Heizstruktur (120) in dem ersten Betriebsmodus eine Umgebungstemperatur erfasst und wobei die erste Heizstruktur (120) in dem zweiten Betriebsmodus mit der definierten elektrischen Leistung beaufschlagt wird oder auf die vorbestimmte Temperatur gebracht wird.
8. Sensorelement (100) zur Messung der Temperatur eines Messmediums (210) und/oder zur Erwärmung des Messmediums (210), umfassend ein Substrat (110), eine auf dem Substrat (110) aufgebrachte erste Heizstruktur (120), welche aus einem Material mit einem definierten Temperaturkoeffizienten besteht, eine auf der ersten Heizstruktur (120) aufgebrachte Passivierungsschicht (130), wobei die erste Heizstruktur (120) eine Widerstandsstruktur aufweist, welche zur Erfassung der Temperatur des Messmediums (210) und/oder zur Erwärmung des Messmediums (210) durch Anlegen einer elektrischen Spannung ausgestaltet ist, und ein Trägerelement (140), wobei das Substrat (110) wärmeleitend mit dem Trägerelement (140) verbunden ist.
9. Sensorelement (100) nach Anspruch 8, wobei das Sensorelement (100) zumindest eine weitere Heizstruktur aufweist, welche beabstandet von der ersten Heizstruktur (120) auf dem Substrat (110) aufgebracht ist.
10. Sensorelement (100) nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Sensorelement (100) eine temperaturfühlende Struktur (180) aufweist, welche temperaturfühlende Struktur (180) beabstandet von der ersten Heizstruktur (120), bzw. von der zumindest einen weiteren Heizstruktur, auf dem Substrat (110) aufgebracht ist.
11 . Sensorelement (100) nach Anspruch 8, wobei das Sensorelement (100) ein
Kontaktierungselement (160) aufweist, wobei das Kontaktierungselement (160) wärmeleitend mit der ersten Heizstruktur (120) verbunden ist.
12. Verwendung eines oder mehrerer Sensorelemente (100) gemäß zumindest einem der
Ansprüche 8 bis 11 in einem diskreten Grenzschalter, wobei der Grenzschalter eine Elektronikschaltung umfasst, welche zum Durchführen des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis oder 3 bis 7 ausgestaltet ist.
13. Verwendung eines oder mehrerer Sensorelemente (100) gemäß zumindest einem der
Ansprüche 7 bis 10 in einem kontinuierlichen Grenzschalter, wobei der Grenzschalter eine Elektronikschaltung umfasst, welche zum Durchführen des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7 ausgestaltet ist.
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