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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Füllstandsschalter, welcher als Füllstandsgrenzschalter für Flüssigkeiten und Schüttgüter verwendet werden kann.
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Hintergrund der Erfindung
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Aus der Praxis sind Vibrationssonden, auch als „Schwinggabelsensoren” bezeichnet, bekannt.
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Vibrationssonden arbeiten nach einem einfachen physikalischen Messprinzip, wonach sich die Resonanzfrequenz der Schwinggabel beim Eintauchen in das zu erfassende Medium reduziert.
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Vibrationsmesssonden haben den Vorteil einer beliebigen Einbaulage sowie dass eine Erfassung unabhängig vom jeweiligen Medium zuverlässig möglich ist.
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Nachteilig an Vibrationssonden ist, dass diese angrenzende Bauteile nicht berühren dürfen und immer einen gewissen Mindestabstand von angrenzenden Bauteilen einhalten sollten, um zu verhindern, dass sich das zumindest zu messende Medium in dem Zwischenraum zwischen Sonde und angrenzendem Bauteil festsetzt.
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Aus der Praxis weiter bekannt sind kapazitive Sensoren, welche auch als Füllstandsschalter verwendet werden können.
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Sofern ein kapazitiver Sensor als reiner Füllstandsschalter dient, kann es je nach Anwendungsgebiet von Nachteil sein, dass der Schaltabstand unter anderem vom zu detektierenden Medium abhängt. Dies macht es erforderlich, dass ein derartiger Sensor in der Praxis über ein teach-in-Verfahren angelernt wird oder mittels eines Potentiometer eingestellt werden muss.
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In der Regel misst ein kapazitiver Sensor, ausgehend von einer aktiven Fläche nach vorne, aber auch in alle Richtungen.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 329 138 A1 (Rechner Industrie-Elektronik GmbH) schlägt für einen kapazitiven Sensor eine Elektrodenkonfiguration vor, bei welcher durch eine geerdete Elektrodeneinrichtung hinter der aktiven Fläche der Erfassungsbereich nach vorne gerichtet wird. So können auch weit entfernte Objekte erfasst werden.
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Bei der Verwendung als reiner Füllstandsschalter ist es allerdings in den meisten Fällen gar nicht erwünscht, dass der Sensor einen großen Schaltabstand ermöglicht. Es ist im Gegenteil vielmehr sogar günstiger, einen Sensor bereit zu stellen, welcher zuverlässig nur schaltet, wenn das Medium in unmittelbarer Nähe ist oder sogar das Gehäuse des Sensors berührt.
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Weiter ist es in vielen Fällen wünschenswert, einen Sensor bereit zu stellen, welcher sich in ein Rohr einbauen lässt. Dies ist bei den vorstehend beschriebenen Vibrationssensoren aufgrund des geringen Abstands zur Rohrwand problematisch.
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Kapazitive Sensoren lassen sich zwar in ein Rohr einbauen, detektieren sodann aber nur in Richtung einer Rohröffnung mit einem größeren Schaltabstand, was in vielen Fällen nicht erwünscht ist.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Füllstandsschalter bereit zu stellen, welcher zuverlässig und unabhängig vom zu detektierenden Medium schaltet, wenn dieses in unmittelbarer Nähe des Sensors ist.
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Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen kapazitiven Nährungsschalter bereit zu stellen, welcher in beliebiger Einbaulage montiert werden kann und dennoch zuverlässig als Füllstandsschalter geeignet ist.
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Zusammenfassung de Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung wird bereits durch einen kapazitiven Füllstandsschalter nach Anspruch 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind dem Gegenstand der Unteransprüche zu entnehmen.
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Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Füllstandsschalter, also einen Sensor, der nach dem kapazitiven Prinzip ein Schaltsignal generiert, sobald ein zu detektierendes Schüttgut oder eine zu detektierende Flüssigkeit einen maximalen Füllstand erreicht hat.
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Der kapazitive Füllstandsschalter umfasst ein Gehäuse, welches eine Haupterstreckungsrichtung definiert. In dieser Haupterstreckungsrichtung ist in dem Gehäuse eine Platine angeordnet, insbesondere ist diese in das Gehäuse eingeschoben.
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Die Platine umfasst eine aktive Fläche oder ist mit einer aktiven Fläche verbunden. Unter einer aktiven Fläche wird insbesondere eine Folie aus leitfähigem Material verstanden, welche als anregende Elektrode für die kapazitive Messung wirksam ist.
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Gemäß der Erfindung erstreckt sich der Erfassungsbereich des Füllstandsschalters nur quer, insbesondere senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung.
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Bezogen auf die Platine detektiert der Füllstandshalter also nur zur Seite hin, was es ermöglicht, einen kleinen zur Seite hin gerichteten Erfassungsbereich bereit zu stellen, welcher nur dann zu einem Schalten des Sensors führt, wenn sich das zu messende Medium in unmittelbarer Nähe des Sensors befindet.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass der maximale Schaltabstand unabhängig vom zu detektieren Medium weniger als 15 mm, vorzugsweise weniger als 10 mm und besonders bevorzugt weniger als 5 mm beträgt.
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Insbesondere ist es vorgesehen, den Füllstandsschalter mit einem Gehäuse zu versehen, welches zumindest abschnittsweise eine von einer kreiszylindrischen Form abweichende Form mit einem minimalen und einem maximalen Radium aufweist.
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Die Form kann beliebig sein. Es versteht sich, dass es bei einer nicht kreiszylindrischen Form, ausgehend von einem Mittelpunkt, einen maximalen und einen minimalen Erstreckungsbereich gibt.
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Der Füllstandsschalter ist nunmehr so ausgebildet, dass der Schaltabstand unabhängig vom jeweiligen Medium kleiner ist als der maximale Radius des Gehäuses.
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So kann das Gehäuse beispielsweise in ein Rohr eingesetzt werden und umfasst einen von einer kreiszylindrischen Form abweichenden Gehäusebestandteil, aufgrund dessen sich ein Hohlraum zwischen Rohrwandung und dem nicht kreiszylindrisch ausgebildeten Gehäusebestandteil ergibt.
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Da nunmehr der Schaltabstand kleiner ist als der maximale Radius des Gehäuses schaltet der Sensor nicht aufgrund der Rohrwandung des Rohrs, in welches der Sensor eingebaut ist. Vielmehr schaltet der Sensor nur dann, wenn Flüssigkeit in das Rohr steigt.
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Vorzugsweise ist das Gehäuse zumindest im Bereich der aktiven Fläche im Wesentlichen platten- oder quaderförmig ausgebildet.
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Die quaderförmige Ausgestaltung kann zum einen der Aufnahme der Platine dienen. Zum anderen hat sich herausgestellt, dass eine plattenförmige Ausgestaltung die Unempfindlichkeit gegenüber anhaftenden Medien erhöht.
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Gleichzeitig ist der Sensor vorzugsweise zumindest abschnittsweise kreiszylinderförmig ausgebildet. So kann der Sensor gut in ein Rohr eingesetzt werden oder mittels einer Klemmschelle befestigt werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist sowohl auf der Vorderseite als auch auf der Rückseite der Platine eine aktive Fläche angeordnet, insbesondere weisen Vorder- und Rückseite gleich ausgebildete Sensorflächen auf, wie im Folgenden noch im Detail beschrieben wird.
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Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass rund um den Sensor herum eine Erfassung möglich ist. So ändert sich der Schaltabstand bei einer Drehung des Sensors um eine eigene Achse nicht.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind aktive Fläche und Auswerteelektronik auf genau einer Platine angeordnet.
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Es handelt sich mithin um einen Einplatinensensor, bei dem alle wesentlichen Bauelemente, also auch die Sensorbauelemente, auf einer einzigen Platine angeordnet sind.
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Eine derartige Ausgestaltung ist besonders robust und ermöglicht eine einfache Herstellung, da keine Sensorflächen mit der Platine verkabelt werden müsse.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in Bezug auf die Haupterstreckungsrichtung vor und/oder hinter der aktiven Fläche eine auf Masse liegende Fläche angeordnet. Insbesondere ist, bezogen auf die Haupterstreckungsrichtung, beidseitig eine auf Masse liegende elektrisch-leitfähige Fläche angeordnet.
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Hierdurch wird erreicht, dass der Sensor im Wesentlichen nur im Bereich der aktiven Fläche in radialer Richtung wirksam ist, darüber hinaus in axialer, also in Richtung der Haupterstreckungsrichtung, aber nicht wirksam ist.
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Generell umfassen die Sensorkomponenten zumindest eine aktive Fläche von welcher das Feld im Erfassungsbereich geformt wird.
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Weiter gibt es zumindest eine Gegenelektrode, welche häufig auch als Messelektrode bezeichnet wird. Bei dem erfindungsgemäßen Sensor ist vorzugsweise eine derartige Messelektrode vorhanden.
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Weiter ist vorzugsweise eine auf Masse liegende Fläche, also eine Masseelektrode vorhanden, über welche die Ausdehnung des Erfassungsbereiches bestimmt werden kann.
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Die generelle Verschaltung eines derartigen drei Elektroden umfassenden Sensors ist bekannt, insbesondere aus der
DE 10 329 138 A1 .
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Vorzugsweise liegen, anders als bei den meisten Sensoren aus dem Stand der Technik bekannt, die Flächen auf einer Ebene, insbesondere auf einer Platine.
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Vorzugsweise umfasst der Füllstandssensor auf einer Seite quer zur Haupterstreckungsrichtung voneinander beabstandet angeordnete gegenüberstehende aktive Flächen.
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Zwischen diesen aktiven Flächen kann wiederum eine auf Masse liegende Fläche angeordnet sein.
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Durch diese mittig angeordnete Masse wird der Erfassungsbereich unterbrochen, so dass sich insbesondere bei einem plattenförmigen Gehäuseabschnitt möglicherweise mittig auf dem der Platte sammelndes Schüttgut nicht zu einem Schalten des Sensors führt.
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Die Gegenelektrode ist vorzugsweise hantelförmig ausgebildet, wobei sich zwischen den einzelnen Hanteln jeweils eine aktive Fläche befindet.
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Der die Hanteln verbindende Bereich läuft somit zwischen den aktiven Flächen hindurch und besitzt vorzugsweise eine Aussparung, in welcher vorstehend erwähnte Fläche, die auf Masse liegt, angeordnet ist.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Der Gegenstand der Erfindung soll im Folgenden Bezug nehmend auf ein schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen 1 und 2 näher erläutert werden.
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Bezug nehmend auf 1 sollen zunächst die Komponenten einer Platine 1 näher erläutert werden, wie sie für einen erfindungsgemäßen Füllstandsschalter verwendet wird.
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Die Platine 1 weist eine Länge l und eine Breite b auf.
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Die Länge l definiert die Haupterstreckungsrichtung der Platine 1.
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Die Platine 1 kann grob in drei Abschnitte unterteilt werden:
Einen Erfassungsbereich 2 mit den Sensorflächen, einen Bereich 3 mit Auswerteelektronik sowie einen Anschlussbereich 4, der unmittelbar an den Bereich 3 mit Auswerteelektronik angrenzt.
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Es handelt sich mithin um eine Einplatinenlösung, bei der sämtliche Komponenten auf einer Platine 1 angeordnet sind.
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Der Erfassungsbereich 2, der der vorderste Bereich der Platine 1 ist, ist etwas schmäler ausgebildet als die restliche Platine. Die dadurch entstehende Stufe kann als Anschlag beim Einsetzen in ein Gehäuse dienen.
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Der Erfassungsbereich 2 umfasst zwei gegenüberliegende aktive Flächen 5, 6.
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Der Erfassungsbereich 2 wird durch die auf Masse liegenden Flächen 7 und 8 begrenzt.
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Mithin erfasst der Sensor außerhalb des Erfassungsbereiches 2 in axialer Richtung nicht wirksam.
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Die Gegenelektrode 10, welche sich ebenfalls zwischen den auf Masse liegenden elektrische leitenden Flächen 7 und 8 befindet, ist hantelförmig ausgebildet.
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Die beiden ”Hanteln” erstrecken sich über die Breite der Platine im Erfassungsbereich in etwa genauso weit wie die aktiven Flächen 5 und 6.
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Der die beiden Hanteln verbindende Steg, der zwischen den aktiven Flächen 5 und 6 verläuft, umfasst eine Aussparung 10, innerhalb der eine weitere auf Masse liegenden elektrisch leitenden Fläche 11 angeordnet ist.
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Die auf Masse liegenden Fläche 11 unterbricht mittig den Erfassungsbereich, so dass sich dieser zunächst nur im Bereich des Steges der Hantel bis zu den aktiven Flächen 5 und erstreckt.
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Da auf der Rückseite der Platine (nicht dargestellt) eine identische Anordnung von Sensorflächen aufgebracht ist, erstreckt sich der Erfassungsbereich radial um die Platine herum.
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Durch die hier dargestellte Anordnung von Sensorflächen konnte ein Erfassungsbereich bereitgestellt werden, welcher sich nur in einem kleinen Bereich um die Platine herum erstreckt.
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Dies hat zur Folge, dass der Schaltabstand des Füllstandsschalters eher gering und nicht nach vorne gerichtet ist
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Der Füllstandsschalter schaltet unabhängig vom zu detektierenden Medium und kann in unterschiedlichen Einbaulagen betrieben werden.
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Ein Schaltsignal löst der Füllstandsschalter nur dann aus, wenn das zu detektierende Medium das Gehäuse berührt oder in unmittelbarer Nähe ist.
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2 zeigt eine schematische Ansicht eines Gehäuses 12. Das Gehäuse 12 umfasst einen zylindrischen Abschnitt 13, einen Übergangsbereich 14, welcher als ein Gewinde zum Einschrauben des Sensors ausgebildet ist und einen plattenförmigen Abschnitt 15.
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Die in 1 dargestellte Platine kann nunmehr mit dem Erfassungsbereich voran, in den quaderförmigen Abschnitt geschoben werden.
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Der zylindrische Abschnitt kann auch der Befestigung des Sensors dienen. In diesem Ausführungsbeispiel ist der zylindrische Bereich oben am Mantel abgeflacht, um daran ein Handhabungswerkzeug, wie beispielsweise einen Gabelschlüssel, ansetzen zu können.
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Durch den zylindrischen Abschnitt wird ein maximaler Gehäuseradius Rmax definiert.
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Der Sensor ist derart ausgebildet, dass sich vor dem Sensor befindliche Materialien nicht erfasst werden dass der Schaltabstand, bezogen auf die Sensorflächen der Platine, kleiner ist als Rmax. So kann der Sensor vollständig in ein Rohr eingebaut werden ohne dass sich die Rohrwand im Erfassungsbereich befindet.
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Bei der erfindungsgemäßen Sensor kann auf einen teach-in-Vorgang verzichtet werden, es ist aber auch denkbar, Ausführungsvarianten bereitzustellen, welche in einen Anlernmodus versetzbar sind. Eine Einstellung des Sensors mittels Potentiometer ist aber auch denkbar.
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Durch die Erfindung konnte ein zuverlässiger, nach dem kapazitiven Prinzip arbeitender Füllstandsschalter bereitgestellt werden, welcher sich insbesondere als Alternative zu einem Schwinggabelsensor eignet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Platine
- 2
- Erfassungsbereich
- 3
- Bereich mit Auswerteelektronik
- 4
- Anschlussbereich
- 5
- aktive Fläche
- 6
- aktive Fläche
- 7
- auf Masse liegende Fläche
- 8
- auf Masse liegende Fläche
- 9
- Gegenelektrode
- 10
- ausgesparter Bereich
- 11
- auf Masse liegende Fläche
- 12
- Gehäuse
- 13
- zylindrischer Abschnitt
- 14
- Übergangsbereich
- 15
- plattenförmiger Abschnitt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10329138 A1 [0009, 0041]
