DE102016223759B3

DE102016223759B3 - Anordnung und Verfahren zur kapazitiven Füllstandsbestimmung

Info

Publication number: DE102016223759B3
Application number: DE102016223759.4A
Authority: DE
Inventors: Rolf Fensterle; Thomas Esser
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2016-11-30
Filing date: 2016-11-30
Publication date: 2018-02-08
Anticipated expiration: 2036-12-01
Also published as: DE102017128166A1

Abstract

Anordnung zur kapazitiven Bestimmung des Füllstandes in einem Tank 4 mit mehr als zwei kapazitiven Grenzstandschaltern 2, die in unterschiedlicher Höhe an der Außenwand des Tanks 4 angeordnet sind, die jeweils genau eine Messelektrode 1, eine Auswerteeinheit µC, ein Funk-Kommunikationsmodul 3, eine Batterie 8 und einen binären Schaltausgang 9 aufweisen, wobei deren Messwerte über das Funk-Kommunikationsmodul 3 übertragen werden, mindestens einer der Grenzstandschalter 2 die Messwerte sämtlicher Grenzstandschalter 2 auswertet, und daraus ein binäres oder digitales Füllstandsignal erzeugt. Verfahren zur kapazitiven Bestimmung des Füllstandes mit der genannten Anordnung, wobei eine Interpolation der Prozesswerte durchgeführt wird und der Maximalwert der Ableitung die Stelle der größten Prozesswertänderung und damit den tatsächlichen Füllstand angibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung und ein Messverfahren zur kapazitiven Bestimmung eines Füllstandes elektrisch nicht leitender Schüttgüter oder Flüssigkeiten mit mindestens zwei kapazitiven Messwertaufnehmern (Sensoren).
Kapazitive Füllstandsmessgeräte sind als binäre Grenzstandschalter, aber auch als digitale Messwertaufnehmer mit einer Anzahl von übereinander angeordneten Messfeldern bekannt. Diese Geräte können sowohl binäre als auch analoge Prozesswerte ausgeben. Sie werden auch von der Anmelderin hergestellt und als Baureihe LK vertrieben.
Neben eintauchenden Messgeräten, die natürlich eine höhere Messgenauigkeit bieten, sind auch Geräte bekannt, die durch eine nicht leitende Behälterwand hindurch messen können. Grenzstandschalter dieser Art werden auch von der Anmelderin hergestellt und in verschiedenen Bauformen auf den Markt gebracht. Für eine Füllstandsdetektion durch eine nichtleitende Behälterwand eignen sich insbesondere die Bauformen KQ5 und KQ6, die neben dem binären Schaltausgang auch eine IO-Link-Schnittstelle aufweisen, welche eine serielle, bidirektionale Punkt-zu-Punkt-Kommunikation ermöglicht. Bei einer derartigen Messanordnung ist ein Abgleich vor Ort, d. h. im montierten Zustand zwingend erforderlich, weil die Behälterwand eine erhebliche Vorbedämpfung darstellt und somit ein Offset-Signal erzeugt, das die voreingestellte Schaltschwelle unter Umständen übersteigen kann. Außerdem ist der Signalhub zwischen „Medium detektiert“ und „Leer“ vom Medium selbst und insbesondere von dessen Permittivität abhängig.
Besonders problematisch wird es, wenn nicht nur Grenzstände, sondern ein Füllstand gemessen werden soll, insbesondere dann, wenn das Medium oder das Schüttgut einen stark schwankende Wasseranteil aufweist, und / oder Reinigungsflüssigkeiten eingefüllt worden sind.
DE 199 01 814 A1 beschreibt einen Niveauschalter zur Bestimmung des Füllstandes in einem geschlossenen Behälter, wobei mindestens ein Transponder-Niveauschalter an der Innenseite und ein gemeinsamer Signalempfänger an der Außenseite angeordnet ist. Als nachteilig wird der direkte Medienkontakt der Transponder-Niveauschalter und die Kommunikation durch die Behälterwand hindurch angesehen.
Die US 2010/0 215 511 A1 beschreibt ein Sensorsystem zur Steuerung einer Pumpe mit von einer zentralen Batterie versorgten Sensormodulen (LSM), die mit einem Befehlsmodul (BCM) 22 über Sendeempfänger (Transceiver) verbunden sind. Als nachteilig wird der Verdrahtungsaufwand für die zentarale Stromversorgung angesehen.
Die DE 198 39 000 A1 offenbart ein Verfahren und eine Anordnung zur Überwachung und Messung und von Füllständen mit einer batteriebetriebenen Anordnung, die eine Mehrzahl von unabhängigen Sensoren aufweist, welche auf der Tankwand befestigt sind. Das elektronische Messsignal wird zur einem Füllstandssignal verarbeitet und über per Funk an eine Auswerte- und Anzeigeeinheit übertragen.
Als nachteilig wird angesehen, dass die Sensoren mechanisch und elektrisch miteinander verbunden sind, so dass deren Einsatz bei unterschiedlichen, insbesondere sehr großen Tanks aufwändig ist, weil die Sensoren an die Tankgröße angepasst werden müssen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine flexiblere, insbesondere für unterschiedlich große Tanks geeignete Anordnung zur Füllstandsmessung anzugeben, die eine Montage an der äußeren Behälterwand erlaubt, und mit wenig Arbeitsaufwand in Betrieb genommen werden kann. Außerdem soll sie weniger empfindlich gegenüber Anhaftungen sein.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Merkmalen der Patentansprüche 1 und 5 gelöst. Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.
Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, eine Anzahl von batteriebetriebenen Grenzstandschaltern an beliebigen Stellen übereinander an der Außenwand des Behälters zu montieren, und deren Prozesswerte drahtlos über ein Funk-Kommunikationsmodul, z. B. Bluetooth, miteinander zu verbinden, wobei die Messwerte (Prozesswerte) der einzelnen Grenzstandschalter über das drahtlose Kommunikationsmodul zu einem als Master fungierenden Grenzstandschalter übertragen werden, der den Füllstand selbst ermittelt, oder die relevanten Messwerte über eine drahtgebundene bidirektionale Kommunikationsschnittstelle, vorzugsweise einen IO-Link, an eine Zentraleinheit, z. B eine Steuerung oder einen PC mit angeschlossenem IO-Link-Master zu überträgt, die den Füllstand dann anhand von Gradienten der Prozesswerte ermittelt. Die Zentraleinheit kann dabei als eigenständiges Gerät ausgebildet sein oder deren Funktion von einer SPS oder einem PC übernommen werden.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht zum einen darin, dass die von der Behälterwand hervorgerufenen Offsetwerte durch die Gradientenauswertung entfallen, da sich die Behälterwand auf alle Sensoren gleichermaßen auswirkt. Zum anderen ist durch Interpolation eine kontinuierliche Angabe des Füllstandes möglich.
So entsteht ein Baukastensystem, beidem erfindungsgemäß Grenzstandschalter mit nur einer Messelektrode und einem binären Schaltausgang zum Einsatz kommen, wobei die Messwerte des jeweiligen kapazitiven Grenzstandschalters über das drahtlose Kommunikationsmodul jeweiligen kapazitiven Grenzstandschalters zu einem als Master fungierenden Grenzstandschalter übertragen werden der den Füllstand entweder selbst bestimmt, oder die dazu benötigten Messwerte über eine drahtgebundene Schnittstelle zu einer Zentraleinheit übermittelt. Durch Interpolation und Differenzbildung wird ein binärer Füllstandsmesswert (Füllstand) erzeugt, wobei sowohl der Einfluss der Behälterwand als auch Anhaftungen kaum eine Rolle spielen, weil sie durch die Gradientenauswertung oder eine Differenzbildung eliminiert werden.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Die 1 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung schematisch.
Die 2 zeigt die Anordnung der Sensoren und ein Beispiel für die Prozesswerte.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung mit sechs als Sensoren wirkenden Messelektroden 1, die übereinander an der Außenwand des Tanks 4 angeordnet sind. Eine geringere Anzahl von (Messelektroden) ist selbstverständlich auch möglich, wobei jedoch mindestens zwei Sensoren für die Gradientenbildung benötigt werden. Sinnvoll erscheint die Auswertung allerdings erst ab drei Messelektroden. Eine mit µC bezeichnete Auswerteinheit beaufschlagt die zugehörige Messelektroden 1 und ein weiteres RC-Glied mit einem hochfrequenten Signal und bewertet die kapazitätsbedingte Verzögerungszeit der beiden Tiefpässe. Die Darstellung ist grob vereinfacht und verzichtet aus Platzgründen u. a. auch auf die Messeingänge. Die Erfindung soll jedoch nicht auf das angedeutet Messverfahren beschränkt werden, sondern alle gebräuchlichen Messverfahren zur kapazitiven Füllstandsmessung umfassen.
Die Prozesswerte der zu den Messelektroden 1 gehörigen Grenzstandschalter 2 gelangen über ein Bluetooth-Kommunikationsmodul 3 (Bluetooth-Schnittstelle), beispielsweise einem Bluetooth-Modul RN4020-V/RM120 der Fa. Microchip oder ähnliches zu den benachbarten Grenzstandschaltern 2, insbesondere zu dem oberen, mit einer Zentraleinheit 7, hier eine PC, verbundenen Grenzstandschalter 2, der die Masterfunktion übernimmt, wobei darauf hingewiesen wird, dass alle Grenzstandschalter 2 baugleich sin, so dass prinzipiell jeder diese Funktion übernehmen kann.
Der Master ist über eine kabelgebundene bidirektionale Kommunikationsschnittstelle mit dem PC verbunden, ohne die Erfindung darauf zu beschränken. Die Anordnung kann auch ganz ohne eine Steuereinheit 7 betrieben werden. Insbesondere kann ein weiterer Grenzstandschalter 2 ebenfalls die Prozesswerte sämtlicher oder einer Gruppe von Grenzstandschaltern auswerten und daraus ein weiteres digitales oder binäres Füllstandssignal erzeugen. Um die Batterie 8 zu schonen, kann die Steuereinheit 7 durch ein Netzteil oder eine andere zusätzliche Stromversorgung ersetz werden.
Bei der Verarbeitung wird vorzugsweise eine Interpolation der Prozesswerte, beispielsweise eine Spline-Interpolation, durchgeführt, wobei auch die geometrische Anordnung der Grenzstandschalter 1, d.h. deren gegenseitiger Abstand und die Geometrie ihrer Messelektroden berücksichtigt wird. Der Maximalwert der Ableitung gibt die größte Prozesswertänderung und somit den tatsächlichen Füllstand an.
In einer anderen und einfacheren Ausgestaltung können die Prozesswerte normiert und punktweise voneinander abgezogen werden. Die Differenzen werden miteinander verglichen, und so benachbarte, hier als Sensoren wirkende Grenzstandschalter 1 mit dem größten Differenzwert ermittelt. Nach einer abschließenden Interpolation anhand der benachbarten Prozesswerte, wird ein Füllstandsmesswert (Füllstand) bestimmt, und als binäres Ausgangssignal zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt.
Die 2 zeigt ein Detail der oben beschriebenen Anordnung mit deren Prozesswerten als Beispiel. Wie man sieht, tritt an der Grenzfläche ein besonders deutlicher Gradient auf. Auf der rechten Seite wurde der Füllstand als Funktion der Prozesswerte aufgetragen. Die Darstellung wurde so gewählt, dass die Grenzfläche des Mediums und damit auch der zu bestimmende Füllstand X auf die Messelektrode 1 eines Grenzstandschalters 2 liegt. In diesem Fall wird dessen Sensorfläche als Messintervall gewählt, und die Messelektroden 1 von benachbarten Grenzstandschaltern 2 werden zur Interpolation verwendet. Die Anhaftungen 6 spielen praktisch keine Rolle, da ihre Differenzen deutlich kleiner sind als die an der Mediengrenze. Eine Kalibrierung ist in dem gezeigten Fall nicht erforderlich.
Es sei noch erwähnt, dass die Grenzstandschalter 2 in einer vorteilhaften Ausgestaltung alle baugleich sind, um beispielsweise die Lagerhaltung zu vereinfachen.
Bezugszeichenliste

1: Messelektrode, Sensor eines kapazitiver Grenzstandschalters
2: Kapazitiver Grenzstandschalter mit einem Bluetooth-Kommunikationsmodul 3
3: Funk-Kommunikationsmodul, jede Art von drahtlosen Kommunikationsmodulen
4: Tank
5: Medium
6: Anhaftung
7: Zentraleinheit
8: Batterie
9: Binärer Schaltausgang

Claims

Anordnung zur kapazitiven Bestimmung des Füllstandes in einem Tank (4) mit mehr als zwei kapazitiven Grenzstandschaltern (2), die in unterschiedlicher Höhe an der Außenwand des Tanks (4) angeordnet sind, die jeweils genau eine Messelektrode (1), eine Auswerteeinheit µC, ein Funk-Kommunikationsmodul (3), eine Batterie (8) und einen binären Schaltausgang (9) aufweisen, wobei die Messwerte des jeweiligen kapazitiven Grenzstandschalters (2) über das Funk-Kommunikationsmodul (3) des jeweiligen kapazitiven Grenzstandschalters (2) übertragen werden, mindestens einer der Grenzstandschalter (2) die Messwerte sämtlicher Grenzstandschalter (2) auswertet, und daraus ein binäres oder digitales Füllstandsignal erzeugt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzstandschalter (2) alle baugleich sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllstandssignal an über eine bidirektionale drahtgebundene Schnittstelle an eine Steuereinheit (7) übertragen wird, die auch die Stromversorgung eines der Grenzstandschalters (2) übernimmt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Grenzstandschalter (2) die Messwerte sämtlicher Grenzstandschalter (2) auswertet und daraus ein binäres oder digitales Füllstandssignal erzeugt.
Verfahren zum Bertreiben einer Anordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Interpolation der Messswerte durchgeführt wird der Maximalwert der Ableitung die Stelle der größten Messwertänderung und damit den tatsächlichen Füllstand angibt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der gegenseitige Abstand der Grenzstandschalter (2) und die Geometrie ihrer Messelektroden (1) berücksichtigt werden.