DE10157762A1

DE10157762A1 - Verfahren zur kapazitiven Füllstandsmessung

Info

Publication number: DE10157762A1
Application number: DE10157762A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joerg Florenz
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2001-11-27
Filing date: 2001-11-27
Publication date: 2003-06-05
Also published as: DE50213950D1; US7260987B2; AU2002349025A1; EP1451535B1; US20060219002A1; WO2003046490A1; EP1451535A1; ATE446497T1

Abstract

Bei einem Verfahren zur kapazitiven Füllstandsmessung eines Füllgutes in einem Behälter wird der Strombetrag bei zwei Wechselspannungssignalen U1, U2 mit unterschiedlichen Frequenzwerten f1, f2 bestimmt. Aus den beiden Stromwerten läßt sich der kapazitive Blindwiderstand und damit die Füllhöhe h des Füllguts einfach bestimmen. Einflüsse des ohmschen Widerstands auf das Meßergebnis werden bei diesem Verfahren eliminiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kapazitiven Füllstandsmessung.
Anordnungen zur kapazitiven Füllstandsmessung eines Füllguts in einem Behälter mit einer Messelektrode und einer Auswerteschaltung sind seit langem bekannt.
Hierbei wird die Kapazität zwischen der Messelektrode und dem normalerweise aus Metall bestehendem Behälter ausgewertet. Die Kapazität hängt im wesentlichen vom Füllhöhe des Füllguts im Behälter ab.
Sie wird in der Regel dadurch ermittelt, daß der Blindwiderstand der Messanordnung bestimmt wird. Hierzu wird eine Wechselspannung erzeugt und der zugehörige Wechselstrom bzw. dessen Amplitude gemessen. Zwischen der Amplitude der Wechselspannung und der Amplitude des Wechselstroms, die auch als Strombetrag bezeichnet wird, besteht ein einfacher Zusammenhang aus der Blindwiderstand und damit über die Frequenz die Kapazität berechnet wird.
Störend bei derartigen Messverfahren ist, daß der Strombetrag nicht nur vom kapazitiven Blindwiderstand, sondern auch vom ohmschen Widerstand der Messanordnung, abhängt.
Dies wirkt sich auf die Genauigkeit und auf die Zuverlässigkeit des Messergebnises aus.
Der ohmsche Widerstand der Messanordnung kann verschieden Ursachen haben.
Zum einen kann sich auf der Messelektrode ein leitfähiger Belag bilden, über den eine Verbindung zum metallischen Behälter hergestellt wird.
Zum anderen kann sich Feuchtigkeit im Füllgut ansammeln und dadurch die Leitfähigkeit des Füllguts erhöhen.
Es sind verschieden Möglichkeiten bekannt, den Einfluß des ohmschen Widerstand auf das Messergebnis zu unterdrücken.
Bei einem bekannten Verfahren wird der Ohmsche Widerstand der Messanordnung direkt gemessen und bei der Auswertung des Strombetrags berücksichtigt. Hierfür ist eine spezielle Messschaltung und eine aufwendige Auswertung notwendig.
Bei einem weiteren Verfahren erfolgt eine phasenselektive Messung des Strombetrags. Dadurch werden Anteile im Strombetrag, die vom ohmschen Widerstand herrühren, minimiert. Eine phasenselektive Messschaltung ist sehr aufwendig und sehr empfindlich auf Temperaturschwankungen insbesondere der Messchaltung. Diese Temperaturschwankungen müssen, wenn ein zuverlässiges Messergebnis gewünscht wird, berücksichtigt werden. Weiterhin wirken sich elektromagnetische Einstrahlungen (EMV) sowie Driften der einzelnen Bauelemente der Messschaltung negativ auf das Messergebnis aus. Solche Einflüsse auf das Messergebnis lassen sich nur aufwendig berücksichtigen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur kapazitiven Füllstandsmessung anzugeben, das mit einfachen Mittel eine genaue und zuverlässige Messung des Füllstandes in einem Behälter erlaubt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur kapazitiven Füllstandsmessung eines Füllgutes in einem Behälter mit einer Messelektrode und einer Auswerteschaltung mit folgenden Verfahrensschritten Erzeugung eines ersten Spannungssignals mit einer ersten Frequenz f1 Bestimmung des zugehörigen ersten Strombetrags Erzeugung eines zweiten Spannungssignals mit einer zweiten Frequenz f2 Bestimmung des zugehörigen zweiten Strombetrags Bestimmung des kapazitiven Blindwiderstandes aus den beiden Stromwerten und den beiden Frequenzwerten.
Bestimmung der Füllhöhe h des Füllguts über den Blindwiderstand.
Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, daß die unbekannte Grösse des ohmschen Widerstandes, durch Messung des Strombetrages bei zwei unterschiedlichen Frequenzen eliminiert wird, und dadurch mit einfachen Mitteln der Füllstand des Füllguts im Behälter unabhängig vom ohmschen Widerstand bestimmt werden kann.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die beiden Frequenzen f1 und f2 werden so gewählt, daß sie sich um einen Faktor zwei unterscheiden.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 Messanordnung zur Bestimmung des Füllstands eines Füllguts in einem Behälter in schematische Darstellung
Fig. 2 Ersatzschaltbild der Anordnung nach Fig. 1 mit Auswerteschaltung in schematischer Darstellung
In Fig. 1 ist eine Messanordnung zur Bestimmung des Füllstandes in einem Behälter schematisch dargestellt. Im Behälter 10 befindet sich ein Füllgut 20, dessen Füllhöhe h, d. h. der Füllstand h variabel ist. Der Behälter 10 ist mit einem Deckel 30 verschlossen. Im Deckel 30 ist eine isolierte Durchführung 40 vorgesehen, in der eine Messelektrode 50 gehaltert ist. Die Messelektrode 50, die sich über die gesamte Höhe h des Behälters 10 erstreckt, ist mit einer Messschaltung 60 verbunden.
Fig. 2 zeigt das zu Fig. 1 zugehörige Ersatzschaltbild.
Die Messschaltung 60 besteht im wesentlichen aus einem umschaltbaren Oszillator 70 und einer Strommessschaltung 80, die in Serie geschaltet sind und die mit einer nicht näher dargestellten Auswerteeinheit verbunden sind. Messelektrode 50, Behälter 10 und Füllgut 20 bilden zusammen einen ohmschen Widerstand R und eine parallelgeschaltete Kapazität C.
Widerstand R und Kapazität C sind über den Behälter 10 geerdet. Dies ist durch die Rückleitung 65 angedeutet.
Der Oszillator 70 liefert ein Wechselspannungssignal U mit einer festen Amplitude und einstellbarer Frequenz f.
Geeignete Frequenzen für das erfindungsgemässe Verfahren liegen im Bereich zwischen 10 kHz und 10 MHz.
In vorteilhafter Weise weist der Oszillator 70 einen Frequenzteiler auf, mit der sich die Frequenz f des Wechselspannungssignals U einfach halbieren lässt.
Nachfolgend ist das erfindungsgemässe Verfahren näher erläutert.
Mit Hilfe des Oszillators 70 wird ein Wechselspannungssignal U1 mit der Frequenz f1 erzeugt und der Messelektrode 50 zugeführt. Mit Hilfe der Strommessschaltung 80 wird der Strombetrag I1 bei dieser Frequenz f1 gemessen und dieser Messwert an die Auswerteeinheit weitergeleitet
Anschliessend erfolgt ein Umschalten des Oszillators 70 auf ein Wechselspannungssignal U2 mit der Frequenz f2.
Auch bei dieser Frequenz f2 wird der Strombetrag I2 gemessen und der entsprechende Messwert an die Auswerteeinheit weitergeleitet.
In der Auswerteeinheit wird aus den beiden Stromwerten I1, I2 und den beiden Frequenzen f1, f2 der Blindwiderstand der Messanordnung ermittelt und über den Blindwiderstand die Kapazität und damit die Füllhöhe h des Füllgutes 20 berechnet.
Der ohmsche Widerstand der Messanordnung hat bei dem erfindungsgemässen Verfahren keinen Einfluss auf den Messwert. Auch bei Belagbildung oder bei feuchtem Füllgut ist ein zuverlässiger Messwert ohne aufwendige Messschaltungen gewährleistet.
Über einen Frequenzteiler im Oszillator 70 lassen sich die beiden Frequenzen in einfacher Weise so wählen, daß sie sich um einen Faktor 2 unterscheiden.

Claims

1. Verfahren zur kapazitiven Füllstandsmessung eines Füllgutes in einem Behälter mit einer Messelektrode und einer Auswerteschaltung mit folgenden Verfahrensschritten
Erzeugung eines ersten Wechselspannungssignals U1 mit einer ersten Frequenz f1
Bestimmung des zugehörigen ersten Strombetrags I1
Erzeugung eines zweiten Wechslespannungssignals U2 mit einer zweiten Frequenz f2
Bestimmung des zugehörigen zweiten Strombetrags I2
Bestimmung des kapazitiven Blindwiderstandes aus den beiden Stromwerten I1, I2 und den beiden Frequenzwerten f1, f2
Bestimmung der Füllhöhe h des Füllguts über den Blindwiderstand.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzen f1, f2 im Frequenzbereich zwischen 10 kHz und 10 MHz liegen.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Frequenzen f1, f2 sich um einen Faktor im Bereich zwischen 2 und 20 unterscheiden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Frequenzen f1 und f2 sich um den Faktor 2 unterscheiden.