DE102008049623A1 - Verfahren zur Fertigung einer kapazitiven Messvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Fertigung einer Messvorrichtung (1) zur kapazitiven Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstands eines Mediums (10), wobei die Messvorrichtung (1) eine Sondeneinheit (2) und eine Elektronikeinheit (3) aufweist, wobei die Elektronikeinheit (3) die Sondeneinheit (2) bei einer Messung mit einem Anregungssignal beaufschlagt und von der Sondeneinheit (2) ein Empfangssignal empfängt, aus welchem die Elektronikeinheit (3) einen Kapazitätswert ermittelt. Die Erfindung beinhaltet, dass die Sondeneinheit (2) mit einer Isolationsschicht (6) beschichtet wird, dass die beschichtete Sondeneinheit (2) mit der Elektronikeinheit (3) verbunden und in einen Behälter (11) mit einem Abgleichmedium eingebracht wird, dass die beschichtete Sondeneinheit (2) vollständig von dem Abgleichmedium bedeckt und ein zugehöriges Empfangssignal gewonnen wird, und dass mit dem zugehörigen Empfangssignal eine einstellbare Komponente der Elektronikeinheit (3) eingestellt wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Fertigung einer Messvorrichtung zur kapazitiven Bestimmung und/oder Überwachung mindestens des Füllstands eines Mediums, wobei die Messvorrichtung mindestens eine Sondeneinheit aufweist, wobei die Messvorrichtung mindestens eine Elektronikeinheit aufweist, wobei die Elektronikeinheit die Sondeneinheit bei einer Messung mit einem Anregungssignal beaufschlagt und von der Sondeneinheit ein Empfangssignal empfängt, und wobei die Elektronikeinheit aus dem Empfangssignal mindestens einen einem Füllstand des Mediums zuordbaren Kapazitätswert ermittelt. Bei dem Medium handelt es sich beispielsweise um ein Schüttgut oder um eine Flüssigkeit oder um ein Gas oder um eine Kombination aus diesen Medien.
  • Kapazitive Füllstandsmessgeräte sind im Stand der Technik bekannt. Das Messprinzip besteht darin, dass eine Sondeneinheit, welche entweder ein Stab oder ein Seil ist, und eine zweite Sonde oder die Wandung des Behälters, in welchem sich das Medium befindet, die beiden Elektroden eines Kondensators mit dem Medium als Dielektrikum bilden. Da die Kapazität dieses Kondensators u. a. vom Füllstand des Mediums abhängig ist, kann aus der Kapazität auf den Füllstand geschlossen werden. Die unterschiedlichen Möglichkeiten zur Messung der Kapazität lassen sich beispielsweise den Offenlegungsschriften DE 101 57 762 A1 oder DE 101 61 069 A1 der Anmelderin entnehmen. Für die Messung wird die Sonde üblicherweise mit einem Anregungssignal beaufschlagt, bei welchem es sich um eine elektrische Wechselspannung einer vorgebbaren Frequenz handelt. Das von der Sondeneinheit abnehmbare Empfangssignal als Antwortsignal wiederum ist üblicherweise ein Stromsignal, welches für die Auswertung meist in eine Wechselspannung umgewandelt wird. Aus dem Empfangssignal ergibt sich die Kapazität des Kondensators und daraus der Füllstand. Die Sondeneinheit ist zumeist mit einer elektrisch isolierenden Isolationsschicht überzogen, welche eine kontinuierliche Messung des Füllstands in leitfähigen Medien erlaubt. Eine Ausgestaltung der Isolation ist beispielsweise beschrieben in der Offenlegungsschrift DE 10 2005 053 330 A1 .
  • Eine bekannte Problematik besteht darin, dass das Medium an der Sondeneinheit anhaftet und einen Ansatz bildet. Ein solcher Ansatz verfälscht üblicherweise die Messergebnisse oder verhindert sogar die Messung. Weiterhin problematisch ist, dass der gemessene Kapazitätswert nicht nur vom Füllstand, sondern auch von der Dielektrizitätskonstanten und der Leitfähigkeit des Mediums abhängig ist. Da die Leitfähigkeit z. B. von der Temperatur oder der Luftfeuchtigkeit beeinflusst wird, führen diese Abhängigkeiten zu Messunsicherheiten bzw. Beschränkungen in Hinsicht auf die Anwendung. Weiterhin haben auch die Geometrie des Behälters und z. B. Ansatz an der Sondeneinheit Auswirkungen auf die gemessenen Werte.
  • Eine weitere Problematik liegt durch die multiple Abhängigkeit von den beteiligten Größen in der Zuordnung zwischen dem aus der Messung bestimmten Kapazitätswert und dem zugeordneten und eigentlich interessierenden Füllstandswert. Daher ist meist ein sog. Abgleich erforderlich, bei welchem nach dem Einbau des Messgerätes mit dem zu messenden Medium unterschiedliche Füllstände angefahren und die sich dabei ergebenden Kapazitätswerte abgespeichert werden. Ein solcher Abgleich ist jedoch sehr aufwendig und verhindert eine direkte Inbetriebnahme des Messgerätes nach dem Einbau. Zu diesem Thema seien zu nennen die Patentschrift DE 195 36 199 C1 oder die Offenlegungsschrift WO 2006/034959 A2 .
  • Weiterhin liegt ein Problem im Bereich der Kombination von Sondeneinheit und Elektronikeinheit. Die Sondeneinheit kann je nach Art der Anwendung und dem zu erfüllenden Bedarf eine deutlich unterschiedliche Länge aufweisen, womit auch jeweils eine deutlich unterschiedliche Bandbreite der auftretenden Kapazitätswerte einhergeht. Die Elektronikeinheit gleichwohl ist für den maximal auftretenden Wert der Sondenkapazität ausgelegt. Dies bezieht sich somit auf die längste Sonde und auch auf die Toleranzen, welche beispielsweise bei der Isolationsschicht auftreten können. Die Sondenlängen liegen zumeist zwischen wenigen Zentimetern und ca. 30 Meter. Gleichfalls können auch die Toleranzen der Isolationen sehr groß sein. Dies führt dazu, dass ein großer Messbereich in der Elektronikeinheit vorgesehen wird, welcher jedoch nicht in allen Kombinationen der Elektronikeinheit mit unterschiedlichen Sondeneinheiten vollständig ausgenutzt wird. Die eigentliche Messung wird zumeist nur mit einem deutlich kleineren Messbereich realisiert. Die Auflösung und die damit prinzipiell mögliche Empfindlichkeiten werden somit nicht voll ausgenutzt. Gleichfalls erhöht sich damit die Anfälligkeit gegen EMV-Störungen. Eine Möglichkeit besteht in der Unterteilung in mehrere Messbereiche.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fertigungsverfahren vorzuschlagen, über welches ein optimierter Messbereich eines kapazitiven Messgerätes erreicht wird.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Sondeneinheit mit einer Isolationsschicht beschichtet wird, dass die beschichtete Sondeneinheit mit der Elektronikeinheit verbunden wird, dass die beschichtete Sondeneinheit in einen Behälter mit einem Abgleichmedium eingebracht wird, dass die beschichtete Sondeneinheit im Wesentlichen vollständig von dem Abgleichmedium bedeckt wird, dass bei der im Wesentlichen vollständigen Bedeckung ein zugehöriges Empfangssignal gewonnen wird, und dass mit dem zugehörigen Empfangssignal mindestens eine einstellbare Komponente der Elektronikeinheit eingestellt wird.
  • Bei der Erfindung erfolgt somit der Abgleich bzw. die Optimierung des Messbereichs der Elektronikeinheit erst, wenn die Elektronikeinheit und die zugehörige Sondeneinheit miteinander verbunden sind. Durch die Vollbedeckung der Sonde mit leitfähigem Medium wird der maximal für die vorliegende Sondeneinheit erreichbare Kapazitätswert ermittelt und der Messbereich der Elektronikeinheit wird insbesondere optimal auf die Sonde angepasst. Die Optimierung erfolgt z. B. durch Anpassung der Sondenspannung, durch eine Bewertung des Messstromes oder auch durch eine Anpassung des Wandlerbereiches des Analog-Digital-Wandlers, welcher das analoge Empfangssignal in ein digitales Signal umwandelt. Ziel ist es dabei, die Elektronik so einzustellen, dass sie vorzugsweise mit ihrer maximal möglichen Auflösung, Genauigkeit und ihrer maximalen Störunempfindlichkeit gegen EMV-Störungen arbeitet.
  • Die Fertigungstoleranzen der Sonde können somit auf einfache Weise eliminiert werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass in einem Arbeitsgang die Elektronik eingestellt bzw. ein Vorabgleich der Sondeneinheit durchgeführt wird und zugleich ein Funktionstest des kompletten Gerätes erfolgt. Bislang wurden die Elektroniken und die Sonde zuvor separat getestet.
  • In einer Ausgestaltung wird somit die Elektronikeinheit insbesondere in Abhängigkeit von der für die Messung wirksamen Länge der Sondeneinheit abgeglichen. D. h. die Elektronikeinheiten werden jeweils auf die Lände der Sondeneinheit konditioniert.
  • In einer Ausgestaltung wird insbesondere der Analog-Digital-Wandler, welcher das von der Sondeneinheit abgreifbare Empfangssignal bzw. ein davon abhängiges analoges Signal (z. B. ein Spannungssignal) digitalisiert, auf die jeweilige effektive Sondenlänge abgeglichen, d. h. es wird beispielsweise insbesondere der jeweils vom Analog-Digital-Wandler zur Verfügung stehende Signalbereich vollständig ausgenutzt, d. h. jeweils vollständig auf die Sondenlänge bzw. auf die bei der gegebenen Sondenlänge möglichen Signalamplituden bezogen. Mit anderen Worten: Die Auflösung wird jeweils für die Sondenlängen im Wesentlichen vollständig ausgenutzt.
  • Werden die Einstellungen in einem Datenspeicher, z. B. einem EEProm abgelegt, so kann in einem Reparaturfall die Einstellungen von der neuen Elektronik übernommen werden.
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass anhand der im Wesentlichen vollständigen Bedeckung der größte mögliche Kapazitätswert ermittelt wird. Insbesondere wird dabei auch die Abhängigkeit von der Beschaffenheit des Mediums berücksichtigt.
  • Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass mit dem zugehörigen Empfangssignal eine Auflösung eines in der Elektronikeinheit angeordneten Analog-Digital-Wandlers eingestellt wird. Das zugehörige Empfangssignal bezieht sich dabei auf das Empfangssignal, welches bei vollständiger Bedeckung abgreifbar ist. Dabei findet eine derartige Optimierung statt, dass im Wesentlichen der ganze vom Analog-Digital-Wandler zur Verfügung stehende Auflösungsbereich genutzt wird und dies bezogen auf die jeweilige Sondenlänge.
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Sondeneinheit mit einer Isolationsschicht derartig beschichtet wird, dass die Stärke der Isolationsschicht im Mikrometerbereich liegt.
  • Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass mit dem zugehörigen Empfangssignal die Komponente der Elektronikeinheit eingestellt wird, welche die Amplitude des Anregungssignals bestimmt.
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Amplitude des Anregungssignals derartig eingestellt wird, dass ein Auflösungsbereich des Analog-Digital-Wandlers im Wesentlichen vollständig ausgenutzt wird.
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass mit dem zugehörigen Empfangssignal mindestens eine einstellbare Komponente der Elektronikeinheit derartig eingestellt wird, dass die Amplitude des Empfangssignals bei vollständiger Bedeckung maximal ist.
  • Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigt:
  • 1: eine schematische Darstellung einer Anwendung eines erfindungsgemäßen Messgerätes, und
  • 2 und 3: zwei Anwendungen unterschiedlich ausgestalteter Messgeräte mit schematischen Darstellungen von auftretenden Messspannungen.
  • 1 zeigt eine Anwendung des Messgerätes 1 zur Messung des Füllstandes eines Mediums 10 in einem Behälter 11. Die Sondeneinheit 2 ist hier ein Stab, alternativ kann es sich jedoch auch um ein Seil handeln. Es gibt auch Anordnungen mit mehreren Messstäben bzw. -seilen. Die Sondeneinheit 2 ist von einer Isolationsschicht 6 umgeben. Die Sondeneinheit 2, die Wand des Behälters 11 und das Medium 10 bilden einen Kondensator. Zur Bestimmung der Kapazität wird die Sondeneinheit 2 von der Elektronikeinheit 3 mit einem elektrischen Ansteuersignal beaufschlagt. Üblicherweise handelt es sich um eine elektrische Wechselspannung. Aus dem Antwortsignal der Sondeneinheit 2, dabei handelt es sich meist um ein Stromsignal, welches in der Elektronikeinheit 3 in eine Spannung umgewandelt wird, wird dann die Kapazität bestimmt. Vorteilhafterweise ist dafür in der Elektronikeinheit 3 ein Analog-Digital-Wandler 5 vorgesehen, welcher das analoge Signal in ein digitales Signal umwandelt. Aus diesem digitalen Signal werden dann Amplitude und Phase des Empfangssignals ermittelt. Vorteilhafterweise kann ein Mikroprozessor in der Elektronikeinheit 3 vorgesehen sein. Aus den Werten des Antwortsignals wird dann der Kapazitätswert bestimmt. Über die Referenzzuordnung zwischen Kapazitätswert und Füllstandswert, welche in der Speichereinheit 4 hinterlegt ist, ergibt sich daraus der Füllstand des Mediums 10 im Behälter 11.
  • Die 2 und 3 zeigen jeweils eine schematische Darstellung einer Anwendung eines erfindungsgemäßen Messgerätes mit beispielhaftem Signalverlauf, wobei die Sonden jeweils im Wesentlichen vollständig vom Medium bedeckt sind. Dargestellt sind weiterhin jeweils die die Spannung, mit welcher die Messsonde beaufschlagt wird: U Sonde und die Messspannung, welche von der Sonde abgegriffen und aus welcher der Füllstand des Mediums ermittelt wird: U Mess. In der jeweiligen Kurve des Empfangssignals U Mess ist jeweils gestrichelt der vom Analog-Digital-Wandler zur Verfügung stehende Auflösungsbereich angedeutet.
  • Bei der Umsetzung der Erfindung wird die Sondenspannung auf ein Optimum erhöht, bis die aus der Messkapazität resultierend Messspannung den Analog/Digital-Wandler-Bereich nahezu vollständig ausnutzt (zu erkennen an den gestrichelten Linien). Da die Sondenspannung in ihrem Regelbereich begrenzt ist, kann zur Unterstützung der Bewertungswiderstand für die Messspannung angepasst werden. Durch diese Einstellung wird die Elektronik immer optimal im Bezug auf Auflösung und Störunempfindlichkeit auf die Sondenverhältnisse angepasst.
  • Erfindungsgemäß wird bei der Fertigung der kapazitiven Messgeräte die Sondeneinheit mit einer Isolationsschicht beschichtet. Die Art der Isolationsschicht ist dabei beispielsweise ausgestaltet wie in der Offenlegungsschrift DE 10 2005 053 330 A1 beschrieben. Bei solchen sehr dünnen Schichten ist es teilweise durch die Herstellung bzw. das verwendete Material bedingt nicht möglich, die Toleranz der Stärke der Isolation optimal zu begrenzen.
  • Anschließend wird die beschichtete Sondeneinheit mit der Elektronikeinheit verbunden, d. h. es wird der erforderliche elektrische und/oder mechanische Kontakt hergestellt. In diesem Schritt werden somit im Wesentlichen die Bauteile des eigentlichen Messgerätes zusammengebracht.
  • Für den anschließenden Abgleich wird die beschichtete Sondeneinheit in einen Behälter mit einem Abgleichmedium eingebracht. Um den in Abhängigkeit von der Art des Mediums bzw. Abgleichmediums bei der Ausgestaltung, insbesondere der Länge der Sondeneinheit zu erwartenden größten Kapazitätswert zu ermitteln, wird die beschichtete Sondeneinheit im Wesentlichen vollständig von dem Abgleichmedium bedeckt und es wird das zu diesem Füllstand zugehörige Empfangssignal (jeweils die untere Graphik mit U Mess) gewonnen.
  • Ausgehend diesem Empfangssignal wird dann die Elektronikeinheit optimiert, wobei ggf. auch der Kapazitätswert verwendet wird, welcher bei unbedeckter Sonde auftritt. So wird beispielsweise auch das Anregungssignal (dargestellt unter U Sonde) optimiert.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10157762 A1 [0002]
    • - DE 10161069 A1 [0002]
    • - DE 102005053330 A1 [0002, 0026]
    • - DE 19536199 C1 [0004]
    • - WO 2006/034959 A2 [0004]

Claims (7)

  1. Verfahren zur Fertigung einer Messvorrichtung (1) zur kapazitiven Bestimmung und/oder Überwachung mindestens des Füllstands eines Mediums (10), wobei die Messvorrichtung (1) mindestens eine Sondeneinheit (2) aufweist, wobei die Messvorrichtung (1) mindestens eine Elektronikeinheit (3) aufweist, wobei die Elektronikeinheit (3) die Sondeneinheit (2) bei einer Messung mit einem Anregungssignal beaufschlagt und von der Sondeneinheit (2) ein Empfangssignal empfängt, und wobei die Elektronikeinheit (3) aus dem Empfangssignal mindestens einen einem Füllstand des Mediums (1) zuordbaren Kapazitätswert ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Sondeneinheit (2) mit einer Isolationsschicht (6) beschichtet wird, dass die beschichtete Sondeneinheit (2) mit der Elektronikeinheit (3) verbunden wird, dass die beschichtete Sondeneinheit (2) in einen Behälter (11) mit einem Abgleichmedium eingebracht wird, dass die beschichtete Sondeneinheit (2) im Wesentlichen vollständig von dem Abgleichmedium bedeckt wird, dass bei der im Wesentlichen vollständigen Bedeckung ein zugehöriges Empfangssignal gewonnen wird, und dass mit dem zugehörigen Empfangssignal mindestens eine einstellbare Komponente der Elektronikeinheit (3) eingestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der im Wesentlichen vollständigen Bedeckung der größte mögliche Kapazitätswert ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem zugehörigen Empfangssignal eine Auflösung eines in der Elektronikeinheit (3) angeordneten Analog-Digital-Wandlers (5) eingestellt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sondeneinheit (2) mit einer Isolationsschicht (6) derartig beschichtet wird, dass die Stärke der Isolationsschicht (6) im Mikrometerbereich liegt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem zugehörigen Empfangssignal die Komponente der Elektronikeinheit (3) eingestellt wird, welche die Amplitude des Anregungssignals bestimmt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des Anregungssignals derartig eingestellt wird, dass ein Auflösungsbereich des Analog-Digital-Wandlers (5) im Wesentlichen vollständig ausgenutzt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem zugehörigen Empfangssignal mindestens eine einstellbare Komponente der Elektronikeinheit (3) derartig eingestellt wird, dass die Amplitude des Empfangssignals bei vollständiger Bedeckung maximal ist.
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