DE102020113129A1

DE102020113129A1 - Messfühler für einen kapazitiven Grenzstandschalter und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102020113129A1
Application number: DE102020113129.1A
Authority: DE
Inventors: Stefan Kreis
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2020-05-14
Filing date: 2020-05-14
Publication date: 2021-11-18

Abstract

Messfühler für einen kapazitiver Grenzstandschalter zur Erfassung des Füllstandes eines in einen Behälter eingebrachten Mediums, mit einem Fühlerteil 1 und einem Befestigungsteil 2, wobei das Fühlerteil 1 eine aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehende Messelektrode 3 und eine aus einem Kunststoff bestehende Außenhülle 4 aufweist, wobei das Befestigungsteil 2 zur mediendichten Halterung des Fühlerteils 1 und zur elektrischen Kontaktierung der Messelektrode 3 sowie zur Verbindung mit einer elektronischen Auswerteeinheit ausgebildet ist, wobei im Fühlerteil 1 ein elektrisch isolierender Füllkörper 5 angeordnet ist, der eine Wasseraufnahmefähigkeit von 0,01% oder weniger aufweist und zur Verbesserung der Langzeitstabilität der Messanordnung vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Messfühler für einen kapazitiver Grenzstandschalter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie dessen Verwendung gemäß Patentanspruch 7.
Kapazitive Sensoren werden seit langem zur Füllstandsmessung, als Grenzstandschalter und auch zur Medienbestimmung eingesetzt. Ihre wesentlichen Vorteile bestehen darin, dass sie keine mechanisch bewegten Teile erfordern und durch die Verwendung von Wechselstrom keinen galvanischen Kontakt mit dem Medium benötigen. Sie können durch eine elektrisch isolierende Gehäusewand „hindurch“ messen.
Viele dieser Geräte arbeiten mit einem kapazitiven Spannungsteiler, der mit hochfrequentem Wechselstrom gespeist wird. Der Spannungsabfall über einer von dem zu messenden Medium beeinflussbaren Impedanz wird beispielsweise mit einer Kapazitätsmessbrücke bestimmt und von einer Steuereinheit ausgewertet.
Derartige Geräte werden auch von der Anmelderin hergestellt und bspw. unter der Bezeichnung LMT100 für wasserbasierte Medien und für Öle und Fette unter der Bezeichnung LMT110 auf den Markt gebracht. Die DE 10 2016 210 983 A1 offenbart eine geeignete Messschaltung.
Die DE 100 21 059 A1 beschreibt einen (Mess-) Fühler zur Erfassung des Füllstandes von in Behältern eingebrachten Medien. Er weist ein aus Kunststoff bestehendes Fühlerteil und ein Befestigungsteil auf. Das Fühlerteil besteht vorzugsweise aus PEEK (Polyetheretherketon) und das Befestigungsteil aus Metall. Um das Eindringen der Dampfphase des Mediums, insbesondere von Wasserdampf, in den Sensorbereich zu verhindern, werden die beiden o.g. Teile durch eine hermetisch dichtende Presspassung miteinander verbunden. Aus dem Stand der Technik ist des Weiteren die Abdichtung mittels O-Ringen bekannt.
Die Sensorik ist insgesamt sehr empfindlich gegenüber Feuchtigkeit. Es muss daher so weit wie möglich verhindert werden, dass Wassermoleküle in den Bereich des Sensorbereichs gelangen. Die EP 0 560 238 B1 schlägt diesbezüglich eine Belüftung des Sensorbereiches (im Fühlerteil) vor, was jedoch sehr aufwändig und als nicht zielführend anzusehen ist, da die Umgebungsfeuchte Einfluss auf die Messperformance nehmen kann.
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, das Luftvolumen im eigentlichen Sensorbereich bzw. der Sondenspitze mit dem zwangsläufig darin enthaltenen in geringem Maße variierenden Feuchteanteil mit geringem Aufwand weitgehend zu reduzieren bzw. zu minimieren oder insgesamt zu vermeiden, um damit die Langzeitpermittivität des gesamten Fühlerteils zu optimieren und so die Messung sehr zuverlässig konstant und langzeitstabil zu gestalten.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 7 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beinhalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, aufgrund der Tatsache, dass die Sensorik auf die Detektion von An- bzw. Abwesenheit von insbesondere flüssigem Medium vor der Außenseite her reagieren muss, die klimatischen Bedingungen im Inneren des Sensors konstant zu halten sind, um Drifterscheinungen zu verhindern. Somit sind mit Luft gefüllte Hohlräume im Bereich der Messelektronik zu vermeiden, um nicht durch sich ändernde Feuchtegehalte oder Auskondensation durch Temperaturwechsel in Bezug auf die im Sensor eingeschlossene Luft auch in geringsten Mengen zu verhindern, dass die Messung mit - wenn auch nur marginal - mit Drifterscheinungen beaufschlagt würde.
Erfindungsgemäß ist daher der Innenraum des Fühlerteils weitgehend mit einem Formteil aus einem Material mit geringer oder ideal gar keiner Wasseraufnahme ausgefüllt, um so zum einen den Einfluss der Wasseraufnahmekapazität deutlich zu reduzieren und zum anderen Mediendämpfe, die aus unterschiedlichen Ursachen im Innenraum des Sensors schwanken können, aus dem eigentlichen Sensorraum fernzuhalten. Die Performance der Gesamteinheit wird damit absolut stabil gehalten.
Grundsätzlich ist hier jedes Material mit einer Wasseraufnahmefähigkeit von 0,01% oder weniger denkbar, denn bei Kunststoffen liegt dieser Wert typischerweise bei ca. 0,1%. Vorzugsweise kommt hier Keramik, aber auch Glas in Frage. Alternativ sind auch folgende Materialien denkbar: Saphir, MgO, Y₂O₃, SiC, AlN, ZrO₂.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, geringe Drifterscheinungen des Messwertes durch sich ändernden Feuchteanteile im Sensorbereich durch geringen Aufwand deutlich zu minimieren, indem ein Material verbaut wird, dass gegen die Aufnahme von Feuchtigkeit von vorneherein immun ist und sich dadurch auch keine wechselnden Feuchtekonzentrationen einstellen können.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bestehende Geräte ohne Neukonstruktion durch ein einfaches Ergänzungsteil in einer neuen verbesserten Variante hergestellt werden können.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert:

1 zeigt einen erfindungsgemäßen Messfühler an der Spitze einer Stabsonde.
2 zeigt ein mit dem erfindungsgemäßen Messfühler ausgestattetes Kompaktgerät.

Die 1 zeigt einen an einer Stabsonde angeordneten erfindungsgemäßen Messfühler mit einem Fühlerteil 1 und einem Befestigungsteil 2. Die mit hochfrequentem Wechselstrom zu beaufschlagende Messelektrode 3 bildet den eigentlichen kapazitiven Sensor. Ihre Zuleitung ist elektrisch isoliert durch das vorzugsweise metallische Befestigungsteil 2 geführt und ist über eine im oberen Bereich der Figur dargestellte Klemme elektrisch mit einer die genannte Messschaltung tragenden Leiterplatte verbunden. Deren Funktion ist dem Fachmann geläufig. Ein Beispiel für eine solche Messschaltung ist in der oben genannten DE 10 2016 210 983 A1 offenbart.
Die Außenhülle 4 des Fühlerteils 1 besteht aus Kunststoff, hier Polyetheretherketon (PEEK). Sie trägt die o. g. Messelektrode 3 und ist mediendicht mit dem Befestigungsteil 2 verbunden.
Die geometrische Form der Messelektrodenspitze (Verbreiterung) bedingt einen Hohlraum 6 zwischen ihrem Schaft und der Außenhülle 4 des Fühlerteils 1. Insofern der Feuchtegehalt der Luft im Hohlraum variieren kann, was durch den der Luft immanenten Wassergehalt nie völlig ausgeschlossen werden kann und in Bezug auf Abdichtungen mit geringsten Permeationen langfristig unter rauen Umgebungsbedingungen immer einkalkuliert werden muss, könnte dies zu unerwünschten Drifterscheinungen des Messwertes führen.
Deshalb ist der Hohlraum 6 zwischen Messelektrode 3 und Außenhülle 4 des Fühlerteils 1 erfindungsgemäß mit einem Füllkörper geringer Wasseraufnahmefähigkeit 5 fast vollständig ausgefüllt.
Durch den weniger als 0,01% Wasser aufnehmenden elektrisch isolierenden Füllkörper 5 kann die Langzeitstabilität aus den oben genannten Gründen so entscheidend minimiert werden, dass Einflüsse auf die Messperformance während der Lebensdauer unter normalen Bedingungen ausgeschlossen oder auf ein nicht nennenswertes Maß reduziert werden können.
So kann der oben dargestellte Messfühler ohne dessen Neukonstruktion durch Hinzufügen eines beispielsweise aus ineinandergreifenden (verzahnten oder anders strukturierten) Schalen bestehenden zwei-oder mehrteiligen Füllkörper 5 mit wenig Aufwand in einer verbesserten Variante hergestellt werden, wobei der Raum (6) zwischen Messelektrode und Außenhülle des Fühlerteils nahezu vollständig ausfüllt ist.
Der Füllkörper 5 kann vorteilhaft aus Keramik, beispielsweise aus Al₂O₃ oder alternativ aus Saphir, MgO, Y₂O₃, SiC, AlN, ZrO₂ oder einem anderen keramischen Werkstoff bestehen. In einer weiteren Ausgestaltung kann er auch aus Glas oder Glaskeramik bestehen.
Der erfindungsgemäße Messfühler wird vorteilhaft in einem kapazitiven Grenzstandschalter zur Erfassung des Füllstandes eines in einen Behälter eingebrachten Mediums verwendet.
Die 2 zeigt ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Kompaktgerät ohne die in 1 gezeigte Stabsonde. Ansonsten gelten die obigen Ausführungen.
Bezugszeichenliste

1.: Fühlerteil
2.: Befestigungsteil
3.: Messelektrode
4.: Außenhülle des Fühlerteils
5.: Füllkörper mit geringer Wasseraufnahmefähigkeit
6.: Raum zwischen Messelektrode und Außenhülle des Fühlerteils

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 102016210983 A1 [0004, 0015]
DE 10021059 A1 [0005]
EP 0560238 B1 [0006]

Claims

Messfühler für einen kapazitiver Grenzstandschalter zur Erfassung des Füllstandes eines in einen Behälter eingebrachten Mediums, mit einem Fühlerteil (1) und einem Befestigungsteil (2), wobei das Fühlerteil (1) eine aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehende Messelektrode (3) und eine aus einem Kunststoff bestehende Außenhülle (4) aufweist, wobei das Befestigungsteil (2) zur mediendichten Halterung des Fühlerteils (1) und zur elektrischen Kontaktierung der Messelektrode (3) sowie zur Verbindung mit einer elektronischen Auswerteeinheit ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Fühlerteil (1) ein elektrisch isolierender Füllkörper (5) angeordnet ist, der eine Wasseraufnahmefähigkeit von 0,01% oder weniger aufweist und zur Verbesserung der Langzeitstabilität der Messanordnung vorgesehen ist.
Messfühler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhülle (4) aus Polyetheretherketon (PEEK) besteht.
Messfühler gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllkörper (5) den Raum (6) zwischen Messelektrode und Außenhülle des Fühlerteils nahezu vollständig ausfüllt.
Messfühler gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, der Füllkörper (5) aus zwei Teilen besteht, die strukturiert ineinandergreifen und dabei im montierten Zustand die Messelektrode (3) umschließen
Messfühler gemäß Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllkörper (5) aus Keramik besteht.
Messfühler gemäß Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllkörper (5) aus Glas besteht.
Verwendung eines Messfühlers gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche in einem kapazitiver Grenzstandschalter zur Erfassung des Füllstandes eines in einen Behälter eingebrachten Mediums.