WO2001061286A2 - Vorrichtung zur bestimmung des füllstandes eines mediums in einem behälter - Google Patents

Vorrichtung zur bestimmung des füllstandes eines mediums in einem behälter Download PDF

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes (F) eines Mediums (3) in einem Behälter (2) mittels einer kapazitiven Sonde (4), wobei eine Spannungsquelle vorgesehen ist, die die Sonde (4) mit einer Messfrequenz (fM) beaufschlagt, und wobei eine Mess-/Auswerteschaltung (6) vorgesehen ist, die die Messkapazität (CM) ermittelt und mit einem vorgegebenen Kapazitätswert vergleicht und die Information über den Füllstand (F) des Mediums (3) in dem Behälter (2) bereitstellt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Messempfindlichkeit einer kapazitiven Sonde (4) zu erhöhen, ohne ihre Empfindlichkeit gegenüber Störsignalen zu erhöhen. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Mess-/Auswerteschaltung (6) zumindest eine Induktivität (L) aufweist, die mit der Messkapazität (CM) einen Serienresonanzschwingkreis (7) bildet.

Description

Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung des
Füllstandes eines Mediums in einem Behälter mittels einer kapazitiven Sonde, wobei eine Spannungsquelle vorgesehen ist, die die Sonde mit einer Meßfrequenz beaufschlagt, und wobei eine Meß-/Auswerteschaltung vorgesehen ist, die die Meßkapazität ermittelt und mit einem vorgegebenen Kapazitätswert vergleicht und die Information über den Füllstand des Mediums in dem Behälter bereitstellt.
Bei kapazitiven Verfahren zur Bestimmung des Füllstandes eines Füllguts in einem Behälter bilden kapazitive Sonde und Behälterwand die Elektroden eines Kondensators. Falls die Behälterwand nicht leitfähig ist, muß eine separate zweite Elektrode innerhalb oder außerhalb des Behälters vorgesehen sein. Zwischen den beiden Elektroden befindet sich -je nach Füllstand des Mediums in dem Behälter - entweder Luft oder Medium, was sich aufgrund der unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten beider Substanzen in einer Änderung der Meßkapazität niederschlägt. Weiterhin ist die Meßkapazität natürlich auch abhängig von dem jeweiligen Füllstand des Mediums in dem Behälter, da beide Größen 'Füllstand' und 'Meßkapazität' funktional voneinander abhängen. Kapazitive Sonden lassen sich daher sowohl bei der Grenzstanddetektion als auch bei einer kontinuierliche Füllstandsbestimmung einsetzen.
Aus der DE 195 36 199 C2 ist eine kapazitive Füllstandssonde bekannt geworden, die auf der Höhe des zu überwachenden Füllstandes montiert ist. Es handelt sich also um einen Grenzstanddetektor bzw. einen Grenzschalter. Grenzschalter werden bevorzugt als Überlaufsicherungen in Behältern oder als Leerlaufsicherungen vor Pumpen montiert. Ist die kapazitive Sonde von dem jeweils zu detektierenden Füllgut bedeckt, so hat sie einen größeren Kapazitätswert als im unbedeckten Zustand. Mittels einer Kapazitätsmeßschaltung und einem Komparator wird der Kapazitätsmeßwert mit einem Schwellenwert verglichen; anhand des Ergebnisses ist klar erkennbar, wann der zu überwachende Füllstand erreicht ist. Die Füllstandsmessung mittels kapazitiver Sonden ist insofern kritisch, als die zu bestimmenden und auszuwertenden Kapazitätswerte in der Größenordnung von 1pF liegen. Bei kompakten Grenzschaltern liegen die relevanten Kapazitätswerte sogar unterhalb von 1pF. Diese sehr kleinen Meßwerte werden in vielen Fällen noch durch äußere Störeinflüsse verfälscht. Bei den Störeinflüssen handelt es sich beispielsweise um elektromagnetische Störsignale, um Ansatzbildung an der Sonde oder um Temperatur- und Langzeitdriften der Meß-/Auswerteschaltung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Meßempfindlichkeit einer kapazitiven Sonde zu erhöhen und gleichzeitig ihre Empfindlichkeit gegenüber Störsignalen zu erniedrigen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die MeßVAuswerteschaltung zumindest eine Induktivität aufweist, die mit der Meßkapazität einen Serienresonanz- schwing kreis bildet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich bei der Sonde um einen Grenzstanddetektor bzw. um einen Grenzschalter. Selbstverständlich ist die Erfindung aber auch in Zusammenhang mit einer kontinuierlichen Füllstandsmessung verwendbar, wobei im Falle dieser Anwendung nachfolgend eine Linearisierung durchgeführt werden sollte. Bevorzugt - jedoch ohne eine entsprechende Einschränkung - handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung um einen Kompaktsensor.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht einen Widerstand vor, der der Induktivität der Meß-/Auswerteschaltung parallel geschaltet ist. Dieser Widerstand dient der gezielten Bedämpfung des Serienresonanzschwingkreises.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zusätzlich zur Meßkapazität ein zweiter Kondensator vorgesehen, dessen erster Anschluß an dem Knotenpunkt, an dem die Meßkapazität und die Induktivität verbunden sind, angeschlossen ist und dessen zweiter Anschluß zur internen Masse der Meß-/Auswerteschaltung geschaltet ist. Diese Kapazität dient der Arbeitspunkteinstellung der Meß-/Auswerteschaltung.
Insbesondere ist vorgesehen, daß der Widerstand und die Eigenresonanz der Induktivität so bemessen sind, daß Störfrequenzen weitgehend unterdrückt werden. Durch eine geschickte Auswahl der Induktivität läßt sich das EMV- Verhalten der Schaltung wesentlich verbessern. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Induktivität und die Kapazität des zweiten Kondensators so bemessen sind, daß Störfrequenzen weitgehend unterdrückt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Serienresonanzschwingkreis derart abgestimmt, daß bei maximaler Meßkapazität die Meßfrequenz gleich der Resonanzfrequenz ist oder daß die Meßfrequenz kleiner als die Resonanzfrequenz ist. So erhält man bei unbedeckter Sonde bzw. bei der Überwachung des Füllstandes eines Mediums mit einer kleinen Dielektrizitätskonstanten bereits eine Verringerung der Gesamtimpedanz aus Meßkapazität und Induktivität und damit eine größere Empfindlichkeit. Da dies keine Auswirkungen auf die Meß-/Auswerte- schaltung hat, bleibt die absolute Temperaturdrift gleich, während sich die relative Temperaturdrift verbessert. Einhergehend damit verringert sich die Empfindlichkeit der kapazitiven Sonde für Störeinflüsse.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung schlägt vor, die Bedämpfung des Serienresonanzschwingkreises über den Widerstand so zu wählen, daß Toleranzen der Eigenresonanz der Induktivität und/oder die Temperaturabhängigkeit der Induktivität unterdrückt werden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2: ein Ersatzschaltbild der Meß-/Auswerteschaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 3: eine graphische Darstellung des Frequenzverhaltens der Meß- /Auswerteschaltung nach dem Stand der Technik und
; Fig. 4: eine graphische Darstellung des Frequenzverhaltens der Meß- /Auswerteschaltung gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Die kapazitive Sonde 4 ist im oberen Bereich des Behälters 4 als Überfüllsicherung angeordnet, arbeitet also im gezeigten Fall als Grenzschalter. Die kapazitive Sonde 4 ermittelt die Meßspannung UM bzw. den Meß- oder Scheinstrom IM . Vorzugsweise arbeitet die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 mit einer sinusförmigen Meßspannung UM mit konstanter Meßfrequenz fM . Meßspannung UM bez. Meßstrom IM ändern sich in
Abhängigkeit von der Meßkapazität CM , die - wie bereits mehrfach erwähnt - ein Maß für den Füllstand F des Mediums 3 in dem Behälter 2 ist. Über die Verbindungsleitung 5 ist die kapazitive Sonde 4 mit der Meß-/Auswerte- schaltung 6 verbunden, wobei die Meß-/Auswerteschaltung 6 auch durchaus in der kapazitiven Sonde 4 angeordnet sein kann.
In Fig. 2 ist ein Ersatzschaltbild der Meß-/Auswerteschaltung 6 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 dargestellt. In Serie zu der Meßkapazität CM ist eine Induktivität L geschaltet. Der Induktivität L ist ein Widerstand R parallel geschaltet. Meßkapazität CM , Induktivität L und Widerstand R bilden einen Serienresonanzschwingkreis 7. Jede reale Induktivität stellt - da sie stets von parasitären Kapazitäten begleitet wird - einen eigenen Parallelschwingkreis mit eigener Resonanzfrequenz bzw. mit eigenem Frequenzgang dar. Durch eine entsprechende Abstimmung dieses Resonanzkreises ist es daher möglich, unerwünschte Frequenzanteile des Störspektrums gezielt und weitgehend zu unterdrücken.
Der Widerstand R dient der gezielten Bedämpfung des Serienresonanz- schwingkreises 7. Zwischen der aus Induktivität L und Widerstand R gebildeten Parallelschaltung und der Meßkapazität CM befindet sich die
Isolationskapazität C, der kapazitiven Sonde 4, die durch den Kondensator 8 dargestellt ist. An dem Knotenpunkt 11 der Parallelschaltung von Induktivität L und Widerstand R ist eine weitere Kapazität CA zur internen Masse der Sonde 4 geschaltet. Diese Kapazität CA dient der Arbeitspunkteinstellung der Meß-/Auswerteschaltung 6. Die auszuwertende Umgebung der Sonde 4, also der Behälter 2, das Medium 3 und die Erde, wird in dem Ersatzschaltbild durch die Meßkapazität CM und eine externe Rückleitung zur internen Masse der Sonde 4 dargestellt.
In Fig. 3 ist eine graphische Darstellung des Frequenzverhaltens der Meß-/ Auswerteschaltung 6 nach dem Stand der Technik zu sehen. Im gezeigten
Fall wird eine konstante Meßfrequenz fM von 3 MHz verwendet. Da der
Serienresonanzschwingkreis 7 über die Wahl der einzelnen Bauteile L, R sehr genau abgestimmt wird, ist es vorteilhaft, die Meßfrequenz fM konstant zu halten.
Auffällig an dem Frequenzgang sind im Hinblick auf die Meßgenauigkeit der kapazitiven Sonde 4 zwei Punkte:
1. Die durch die Änderung der Meßkapazität CM bedingte Änderung des Scheinstromes IM ist sehr gering. Im Normalfall liegt sie bei einigen μA.
2. Der Meßstrom IM steigt stetig mit steigender Meßfrequenz fM an.
Der Nachteil von Punkt 1 liegt, wie bereits erwähnt darin, daß die Meß- empfindlichkeit gering ist; klarer Nachteil von Punkt 2 ist, daß hochfrequente Störsignale die Empfindlichkeit der Messungen zusätzlich beeinträchtigen.
Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung des Frequenzverhaltens der Meß- /Auswerteschaltung 6 gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 bei gleicher Änderung der Meßkapazität CM . Selbstverständlich wurde in beiden Fällen vergleichbare kapazitive Sonden 4 verwendet. Vergleicht man den in Fig. 4 gezeigten Frequenzgang mit dem in Fig. 3 dargestellten Verlauf so fällt ins Auge, daß mittels der erfindungsgemäß verwendeten Meß-/Auswerte- schaltung 6 den beiden zuvor genannten Nachteilen der bekannten kapazitiven Sonden 4 effektiv entgegengewirkt wird. 1. Die Meßempfindlichkeit ist erheblich verbessert. Wie entsprechende Messungen bestätigen, ist die durch die Änderung der Meßkapazität
CM verursachte Änderung des Meßstromes IM um ca. 60% größer als bei der in Fig. 3 gezeigten Sonde 4.
2. Der Meßstrom IM steigt nicht stetig mit der Frequenz an, sondern fällt nach Erreichen eines Maximums wieder deutlich ab. Dies bedeutet, daß Störsignale im höheren Frequenzbereich unterdrückt werden. Folglich läßt sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung das EMV- Verhalten gezielt verbessern.
Bezugszeichenliste
erfindungsgemäße Vorrichtung
Behälter
Medium
Kapazitive Sonde
Verbindungsleitung
Meß-/Auswerteschaltung
Serienresonanzschwingkreis
Zweiter Kondensator erster Anschluß zweiter Anschluß
Knotenpunkt

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter mittels einer kapazitiven Sonde, wobei eine Spannungsquelle vorgesehen ist, die die Sonde mit einer Meßfrequenz beaufschlagt, und wobei eine Meß-/Auswerteschaltung vorgesehen ist, die die Meßkapazität ermittelt und mit einem vorgegebenen Kapazitätswert vergleicht und die Information über den Füllstand des Mediums in dem Behälter bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß-/Auswerteschaltung (6) zumindest eine Induktivität (L) aufweist, die mit der Meßkapazität (CM ) einen Serienresonanzschwingkreis (7) bildet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Vorrichtung um einen Grenzstanddetektor (4) handelt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung als Kompaktsensor ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (R) vorgesehen ist, welcher der Induktivität (L) der Meß- /Auswerteschaltung (6) parallel geschaltet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Meßkapazität (CM ) ein zweiter Kondensator (8) mit der Kapazität (C, ) vorgesehen ist, dessen erster Anschluß (9) an dem
Knotenpunkt (11), an dem die Meßkapazität (CM ) und die Induktivität (L) verbunden sind, angeschlossen ist und dessen zweiter Anschluß (10) auf Masse liegt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R) und die Eigenresonanz der Induktivität (L) so bemessen sind, daß Störfrequenzen weitgehend unterdrückt werden.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (L) und die Kapazität (C, ) des zweiten Kondensators (8) so bemessen sind, daß Störfrequenzen weitgehend unterdrückt werden.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Serienresonanzschwingkreis (7) derart abgestimmt ist, daß bei maximaler Meßkapazität (CM ) die Meßfrequenz (fM ) gleich der Resonanzfrequenz ( fR ) ist oder daß die Meßfrequenz (fM ) kleiner als die Resonanzfrequenz (fR ) ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1 , 4 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bedämpfung des Serienresonanzschwingkreises (7) durch den Widerstand (R) so gewählt ist, daß Toleranzen der Eigenresonanz der Induktivität (L) und/oder die Temperaturabhängigkeit der Induktivität (L) unterdrückt werden.
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