DE102021120175A1

DE102021120175A1 - Füllstandmessgerät zur Grenzstandbestimmung und zum Messen einer Impedanz eines Füllgutes

Info

Publication number: DE102021120175A1
Application number: DE102021120175.6A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Corbe; Benjamin Schätzle
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2021-08-03
Filing date: 2021-08-03
Publication date: 2023-02-09
Also published as: US20230175880A1; CN115704708A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Füllstandmessgerät (100) zur Füllstand- und/oder Grenzstandbestimmung und zum Messen einer Impedanz eines Füllgutes (20). Das Füllstandmessgerät (100) weist eine Messsonde (200) auf, eingerichtet zum Messen der Impedanz des Füllgutes (20). Weiter weist es eine Signalerzeugungseinheit (110) auf, eingerichtet zum Erzeugen eines ersten Frequenzsignals mit veränderlicher Frequenz (112), wobei die Messsonde (200) mit dem ersten Frequenzsignal (112) beaufschlagt wird und ein Messsignal (205) ausgibt. Ferner einen Messumwandler (190), eingerichtet zum Umwandeln des Messsignals (205) in ein Mischsignal (142), wobei das Mischsignal (142) gegenüber dem ersten Frequenzsignal (112) eine Phasendifferenz aufweist. Darüber hinaus weist das Füllstandmessgerät (100) eine Phasendifferenzmesseinheit (170) auf, die zum Bestimmen eines Amplituden-Phasen-Verlaufs des von der Messsonde (200) gemessenen Füllgutes (20), mittels der Phasen- und Amplitudendifferenz zwischen dem ersten Frequenzsignal (112) und dem Mischsignal (142), eingerichtet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Füllstandmessgerät, insbesondere zur Grenzstandbestimmung und zum Messen einer Impedanz eines Füllgutes. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Messsonde, ein Verfahren und eine Verwendung.
Hintergrund
In der Prozess- und Fabrikautomation werden zur Überwachung und zur Steuerung von Prozessen elektronische Sensoren eingesetzt. Solche Sensoren können beispielsweise zur Detektion von Füllständen, Grenzständen von Medien, und/oder zur Überwachung von weiteren Prozessparametern geeignet oder eingerichtet sein. Für zumindest einige Anwendungen der Prozess- und Fabrikautomation kann es sinnvoll sein, neben einem Füllstand und/oder Grenzstand weitere Eigenschaften des Mediums bestimmen zu können.
Zusammenfassung
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Füllstandmessgerät zur Verfügung zu stellen, das einen Füllstand oder Grenzstand und weitere Eigenschaften des Mediums bestimmen kann. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung.
Ein Aspekt betrifft ein Füllstandmessgerät zur Füllstand- und/oder Grenzstandbestimmung und zum Messen einer Impedanz eines Füllgutes in einem Behälter, aufweisend:

eine Messsonde, eingerichtet zum Messen der Impedanz des Füllgutes;
eine Signalerzeugungseinheit, eingerichtet zum Erzeugen eines ersten Frequenzsignals mit veränderlicher Frequenz, wobei die Messsonde mit dem ersten Frequenzsignal beaufschlagt wird und ein Messsignal ausgibt;
einen Messumwandler, eingerichtet zum Umwandeln des Messsignals in ein Mischsignal, wobei das Mischsignal gegenüber dem ersten Frequenzsignal eine Phasendifferenz aufweist; und
eine Phasendifferenzmesseinheit, eingerichtet zum Bestimmen eines Amplituden-Phasen-Verlaufs des von der Messsonde gemessenen Füllgutes auf Basis der veränderlichen Frequenz des ersten Frequenzsignals, etwa mittels der Phasen- und Amplitudendifferenz zwischen dem ersten Frequenzsignal und dem Mischsignal.

Das Medium oder Füllgut kann beispielsweise eine Flüssigkeit sein, einschließlich einer Emulsion oder Suspension, oder ein Schüttgut, insbesondere ein granuliertes oder pulverförmiges Schüttgut. Das Medium oder Füllgut kann beispielsweise eine Flüssigkeit, z.B. Wasser, Saft, Milch, Alkohole, Öle, Farbe, Ketchup, oder auch ein Schüttgut wie z.B. Mehl, Sand, Kaffeepulver, Kunststoffgranulat und/oder weitere Güter. Das Medium kann sich in einem Behälter befinden. Der Behälter kann z.B. ein Gefäß oder ein Messtank, Prozesstank, Lagertank oder ein Silo von beliebiger Form sein. Der Behälter kann auch ein Gerinne, beispielsweise ein Bach- oder Flussbett, sein.
Zur Füllstandmessung oder zur Grenzstandbestimmung, z.B. in einem Behälter, werden verschiedene Arten von Messgeräten eingesetzt, beispielsweise ein Impedanzgrenzschalter. Der Impedanzgrenzschalter kann zwei oder mehr Elektroden aufweisen. Viele derartige Messgeräte werten dabei nur eine Leitfähigkeit, d.h. einen ohmschen Widerstand des Mediums oder Füllguts, aus. Der hier beschriebene Impedanzgrenzschalter ist dazu eingerichtet, sowohl den Realteil (ohmscher Widerstand) als auch den Imaginärteil (kapazitiver oder induktiver Blindwiderstand) der Impedanz des Mediums oder Füllguts zu erfassen und auszuwerten. Dadurch kann vorteilhafterweise eine Permittivität, z.B. eine relative Permittivität, des Füllguts oder Mediums detektiert werden.
Die Messsonde ist dabei zum Messen oder Erfassen der Impedanz des Füllgutes eingerichtet. Die Messsonde wird mit dem ersten Frequenzsignal, von der Signalerzeugungseinheit, beaufschlagt und gibt ein Messsignal aus. Es hat sich dabei als vorteilhaft für die Erfassung und Auswertung herausgestellt, wenn das erste Frequenzsignal eine über die Zeitdauer der Messung veränderliche Frequenz aufweist. Zur weiteren Auswertung wird das Messsignal an einen Messumwandler geleitet, der das Messsignals in ein Mischsignal umwandelt. Nach dem Umwandeln weist das Mischsignal gegenüber dem ersten Frequenzsignal eine Phasendifferenz auf. Die Phasendifferenzmesseinheit kann mittels der Phasen- und Amplitudendifferenz zwischen dem ersten Frequenzsignal und dem Mischsignal einen Amplituden-Phasen-Verlauf des von der Messsonde gemessenen Füllgutes bestimmen auf Basis der veränderlichen Frequenz des ersten Frequenzsignals.
Mit dem Füllstandmessgerät können dadurch, mittels eines einzigen Sensors, nicht nur eine Bedeckung des Sensors mit dem Füllgut gemessen werden, sondern es kann eine Separation der Medieneigenschaften, wie Leitfähigkeit oder relative Permittivität, erreicht werden. Weiterhin vorteilhaft ist, dass insbesondere die Bedeckung des Sensors mit dem Füllgut klarer von eine nicht-bedeckten Zustand unterschieden werden kann. Dies kann z.B. besonders vorteilhaft sein, wenn zähflüssige Füllgüter - wie z.B. Hautcreme, Ketchup, Honig und dergleichen - gemessen werden, bei denen im nicht-bedeckten Zustand häufig Anhaftungen auf der Messsonde verbleiben können, so dass die Anhaftungen eine Eindeutigkeit einer Feststellung des nicht-bedeckten Zustands beeinträchtigen können. Bei den beschriebenen Geräten bzw. Messmethoden kann die Auswertung z.B. durch Messungen der Impedanz mit unterschiedlichen Frequenzen und/oder Signalformen durchgeführt werden. Eine genauere Separation dieser Parameter kann durch Messungen über einen größeren Frequenzbereich, z.B. von über 100 kHz, erreicht werden, und insbesondere dadurch, dass neben dem Betrag auch die Phasenlage gemessen wird.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Messumwandler eine Signalerzeugungseinheit, die weiterhin zum Erzeugen eines zweiten Frequenzsignals mit veränderlicher Frequenz eingerichtet ist. Dabei weist das zweite Frequenzsignal eine konstante Frequenzdifferenz zu dem ersten Frequenzsignal auf. Weiterhin weist der Messumwandler eine Referenzmischereinheit und eine Empfangsmischereinheit auf. Die Referenzmischereinheit ist zum Mischen des ersten Frequenzsignals mit dem zweiten Frequenzsignal eingerichtet, um ein erstes Referenzsignal zu erzeugen. Die Empfangsmischereinheit ist zum Mischen des zweiten Frequenzsignals mit einem Ausgang einer Messbrücke eingerichtet, um das Mischsignal zu erzeugen. Dabei ist die Messbrücke mit der Messsonde verbunden. Durch die Realisierung mit der Messbrücke kann vorteilhafterweise eine besonders genaue Messung der Impedanz des Füllgutes erreicht werden, wobei weiter vorteilhaft die Messsonde nur mit einem sehr geringen Strom beaufschlagt werden kann.
In einer Ausführungsform ist die Referenzmischereinheit und/oder die Empfangsmischereinheit als doppelt balancierter Mischer ausgeführt. Der doppelt balancierte Mischer kann für die Unterdrückung von Störungen aus dem Amplitudenrauschen der Eingangssignale sorgen und kann zusätzlich eine gute Isolation zwischen den Eingängen besitzen bzw. bereitstellen.
In einer Ausführungsform ist die Referenzmischereinheit und/oder die Empfangsmischereinheit als Quadraturdemodulator ausgeführt. Dadurch können Anforderungen bzw. Ansprüche an den Analog-Digital-Wandler geringgehalten werden
In einigen Ausführungsformen weist der Messumwandler einen Transimpedanzverstärker auf, der zum Anschluss der Messsonde und zum Ausgeben des Mischsignals eingerichtet ist. Diese Realisierung weist vorteilhafterweise nur wenige Bauteile auf. Dies kann zu einer besonders robusten und/oder zu einer kostengünstigen Ausführung des Messumwandlers beitragen.
In einigen Ausführungsformen weisen das erste Frequenzsignal und das optionale zweite Frequenzsignal eine kontinuierlich veränderliche Frequenz auf, beispielsweise kontinuierlich veränderlich nach oben und/oder unten (bzw. zu größeren Frequenzen und/oder niedrigeren Frequenzen). Die Frequenz kann kontinuierlich zu höheren und/oder zu niedrigeren Frequenzen verändert werden. Der Frequenzgenerator kann z.B. mittels eines VCO (spannungsgesteuerter Oszillator, voltage-controlled oscillator) realisiert sein.
In einigen Ausführungsformen weist das erste Frequenzsignal und das optionale zweite Frequenzsignal eine stufenweise veränderliche Frequenz auf, beispielsweise kann das erste und/oder zweite Frequenzsignal ein Sinussignal mit definierten, abschnittsweise festen Frequenzen innerhalb eines definierten Frequenzbandes sein. Dabei verbleibt die Frequenz für eine vordefinierte Zeitspanne auf einer bestimmten Frequenz und „springt“ dann auf die nächste höhere oder - je nach Implementierung - niedrigere Frequenz. Das erste und/oder zweite Frequenzsignal als Sinussignal mit definierten, abschnittsweise festen Frequenzen innerhalb eines definierten Frequenzbandes realisiert sein. Bei einer solchen Ausführungsform können das Mischsignal 142 und das Referenzsignal 132 sehr schmalbandig sein. Das wiederum kann ermöglichen, diese Signale sehr schmalbandig zu Filtern, wodurch das Rauschen stark vermindert und der Dynamikbereich erhöht werden kann.
In einigen Ausführungsformen weist das Füllstandmessgerät weiterhin eine erste Kalibriereinheit, auf, wobei die erste Kalibriereinheit parallel zu der Messsonde an eine Umschaltvorrichtung angeschlossen ist, so dass wahlweise eine Impedanz der ersten Kalibriereinheit anstelle der Impedanz des von der Messsonde gemessenen Füllgutes gemessen wird. Die Kalibriereinheit kann dabei mittels eines Ersatzschaltbilds gebildet sein, das ein bestimmtes Medium und/oder eine andere Messsituation - z.B. einen Kurzschluss - nachbildet.
In einigen Ausführungsformen weist die Kalibriereinheit mindestens einen von folgenden Kalibrierstandards auf: einen Kurzschlussstandard (S), einen Offenstandard (O), und/oder einen Laststandard (L). Der Laststandard kann ein oder mehrere Einstellungen umfassen. Der Laststandard kann z.B. mittels eines Ersatzschaltbilds gebildet sein, das die elektrischen Eigenschaften eines oder mehrerer Medien nachbildet.
In einigen Ausführungsformen weist das erste Frequenzsignal und das zweite Frequenzsignal eine Frequenz zwischen 50 Hz und 500 kHz, beispielsweise zwischen 5 kHz und 300 kHz, auf. Dieser Frequenzbereich hat sich in verschiedenen Versuchsreihen als vorteilhaft erwiesen, um besonders aussagekräftige Charakteristika von Eigenschaften des Mediums zu erhalten.
In einigen Ausführungsformen weist das erste Frequenzsignal und das zweite Frequenzsignal eine konstante Frequenzdifferenz zwischen 10 Hz und 50 kHz, beispielsweise zwischen 1 kHz und 10 kHz, auf. Die Frequenzdifferenz kann in vielen Ausführungsformen etwa 20 % bis 30 % der Frequenz des ersten und/oder zweiten Frequenzsignals betragen. Dies kann zu einer besonders deutlichen Darstellung der Phasendifferenz beitragen.
In einigen Ausführungsformen weist das Füllstandmessgerät weiterhin eine Auswerteeinheit auf, die zum Bestimmen eines Typs des Füllgutes eingerichtet ist. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise eine optische Darstellung des gemessenen Impedanzverlaufs umfassen. Die Auswerteeinheit kann eine Musterkennung umfassen, die aus dem gemessenen Impedanzverlauf Eigenschaften des gemessenen Mediums bestimmen kann, z.B. Art und/oder Zusammensetzung des Mediums.
Ein Aspekt betrifft eine Messsonde, die zum Anordnen in einem Füllgut innerhalb eines Behälters eingerichtet ist. Die Messsonde weist eine Messelektrode und eine Mantelelektrode auf. Dabei ist die Messelektrode zumindest teilweise innerhalb einer Außenkontur der Mantelelektrode angeordnet, und die Messsonde ist zum Anschluss an ein Füllstandmessgerät wie oben und/oder nachfolgend beschrieben eingerichtet. Die Messsonde weist Metallelektroden auf, z.B. aus Kupfer, Edelstahl und/oder einem anderen leitfähigen Metall. Die Art des Metalls kann von dem zu messenden Medium abhängig sein. Die Messsonde kann in ein nichtleitendes Material eingebettet sein, z.B. in einen Kunststoff, der z.B. die Robustheit der Messsonde erhöhen kann.
In einigen Ausführungsformen weist die Messsonde weiterhin eine zweite Kalibriereinheit auf. Dabei ist die zweite Kalibriereinheit parallel zu der Messsonde angeschlossen, so dass von einem Füllstandmessgerät wie oben und/oder nachfolgend beschrieben wahlweise eine Impedanz der zweiten Kalibriereinheit anstelle der Impedanz des von der Messsonde gemessenen Füllgutes gemessen werden kann. Die erste Kalibriereinheit kann alternativ oder zusätzlich zur der zweiten Kalibriereinheit verwendet werden. Die zweite Kalibriereinheit kann, ähnlich wie die erste Kalibriereinheit, einen Kurzschlussstandard (S), einen Offenstandard (O), und/oder einen Laststandard (L) aufweisen. Die zweite Kalibriereinheit kann nahe an einer der Messelektroden platziert sei, um in vorteilhafter Weise parasitäre Effekte gering zu halten
Ein Aspekt betrifft ein Verfahren zum Messen einer Impedanz eines Füllgutes, mit den Schritten:

Anordnen einer Messsonde wie oben und/oder nachfolgend beschrieben in einem Füllgut innerhalb eines Behälters;
Anschließen eines Füllstandmessgeräts wie oben und/oder nachfolgend beschrieben an die Messsonde;
Beaufschlagen der Messsonde mit einem ersten Frequenzsignal mit veränderlicher Frequenz; und
Bestimmen eines Amplituden-Phasen-Verlaufs des von der Messsonde gemessenen Füllgutes, mittels einer Phasen- sowie Amplitudendifferenz auf Basis der veränderlichen Frequenz des ersten Frequenzsignals.

Ein Aspekt betrifft eine Verwendung eines Füllstandmessgeräts wie oben und/oder nachfolgend beschrieben und/oder einer Messsonde wie oben und/oder nachfolgend beschrieben zur Grenzstandbestimmung eines Füllgutes, insbesondere zu einer präzisieren und/oder robusteren Grenzstandbestimmung, und zum Messen eines Amplituden-Phasen-Verlaufs des Füllgutes in einem Behälter auf Basis der veränderlichen Frequenz des ersten Frequenzsignals.
Zur weiteren Verdeutlichung wird die Erfindung anhand von in den Figuren abgebildeten Ausführungsformen beschrieben. Diese Ausführungsformen sind nur als Beispiel, nicht aber als Einschränkung zu verstehen.
Figurenliste
Dabei zeigt:

1 schematisch ein Füllstandmessgerät gemäß einer Ausführungsform;
2 schematisch ein Füllstandmessgerät gemäß einer weiteren Ausführungsform;
3 schematisch ein Füllstandmessgerät gemäß einer weiteren Ausführungsform;
4 schematisch ein Füllstandmessgerät gemäß einer weiteren Ausführungsform;
5a schematisch eine Messsonde gemäß einer Ausführungsform;
5b schematisch eine Messbrücke gemäß einer Ausführungsform;
6 ein Zeit-Frequenz-Diagramm gemäß einer Ausführungsform;
7 ein Polardiagramm mit Messungen und/oder Simulationen gemäß einer Ausführungsform;
8 mehrere Impedanzverläufe, die mittels eines Füllstandmessgeräts gemäß einer Ausführungsform gemessenen wurden;
9 ein Flussdiagramm mit einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform.
10 einen Behälter mit einem Füllstandmessgerät gemäß einer Ausführungsform.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt schematisch ein Füllstandmessgerät 100 gemäß einer Ausführungsform. Das Füllstandmessgerät 100 weist eine Messsonde 200 auf, die zum Messen einer Impedanz eines Füllgutes 20 (siehe z.B. 10) eingerichtet ist; dazu kann die Messsonde 200 in einem Behälter angeordnet sein. Das Füllstandmessgerät 100 weist weiterhin eine Signalerzeugungseinheit 110 auf, die zum Erzeugen eines ersten Frequenzsignals 112 eingerichtet ist. Die Signalerzeugungseinheit 110 wird von einer Steuer- und Auswerteeinheit 180 angesteuert, welche zum Beispiel aus einem Microcontroller bestehen kann. Über die Signalerzeugungseinheit 110 wird ein analoges Messsignal, das erste Frequenzsignal 112, erzeugt. Die Signalerzeugungseinheit 110 kann aus einer geregelten Oszillatorschaltung bestehen, oder als DDS (Direct Digital Synthesis) implementiert sein. Zum Aufbau einer DDS können spezielle integrierte Schaltungen verwendet werden, welche alle hierzu benötigten Komponenten enthalten. Das erste Frequenzsignal 112 weist eine veränderliche Frequenz auf. Das Messsignal 112 ist z.B. als ein Sinussignal mit kontinuierlich veränderlicher Frequenz realisiert, oder mit definierten, abschnittsweise festen (stufenweise veränderlichen) Frequenzen innerhalb eines definierten Frequenzbandes, wobei die einzelnen Frequenzen über das Band verteilt sein können. Das erste Frequenzsignal 112 wird einerseits zur Referenzmischereinheit 130 und andererseits zur Messbrücke 120 geleitet.
Die Messsonde 200 wird mit dem ersten Frequenzsignal 112 beaufschlagt und gibt ein Messsignal 205 aus, das mittels eines Messumwandlers 190 in ein Mischsignal 142 umgewandelt wird. Das Mischsignal 142 kann als ein ZF-Signal (ZF: Zwischenfrequenz) ausgeführt sein, d.h. als ein Signal mit einer festen Basisfrequenz, wobei die Basisfrequenz des ZF-Signals eine niedrigere Frequenz aufweist als das erste oder zweite Frequenzsignal 112, 114. Dazu wird das Messsignal 205 mittels einer Messbrücke 120 ausgewertet und an eine Empfangsmischereinheit 140 geleitet. Die Messbrücke 120 ist derartig ausgestaltet, dass die Messsonde 200 als Impedanz fungiert. An der Empfangsmischereinheit 140 liegt das durch die Messbrücke 120 und die Impedanz der Messsonde 200 veränderte Empfangssignal 122 an. Die Empfangsmischereinheit 140 mischt ein zweites Frequenzsignal oder Lokaloszillatorsignal 114 mit einem Ausgang 122 der Messbrücke 120, um das Mischsignal 142 zu erzeugen. Das Lokaloszillatorsignal 114 unterscheidet sich in seiner Frequenz leicht vom Messsignal 112. Zur Erzeugung des Signals 114 kann beispielsweise ein zweiter DDS-IC, oder aber ein DDS-IC mit zwei unterschiedlich steuerbaren Ausgängen verwendet werden. Die Frequenzdifferenz beider Signale kann über den gesamten Messvorgang konstant bleiben. Dabei weist das Mischsignal 142 gegenüber dem ersten Frequenzsignal 112 eine Phasendifferenz auf. Das Lokaloszillatorsignal 114 liegt sowohl an der Referenzmischereinheit 130, als auch an der Empfangsmischereinheit 140 an. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Füllstandmessgerät 100 eine Referenzmischereinheit 130 auf, die das erste Frequenzsignal 112 mit dem zweiten Frequenzsignal 114 mischt, um ein erstes Referenzsignal 132 zu erzeugen; das erste Referenzsignal 132 weist gegenüber dem ersten Frequenzsignal 112 die Phasendifferenz auf. Auch das erste Referenzsignal 132 kann als ein ZF-Signal ausgeführt sein. Die beiden Mischereinheiten 130 und 140 können beispielsweise als doppelt balancierte Mischer nach dem Prinzip der Gilbert-Zelle ausgeführt sein.
Durch das Heruntermischen des Messsignals 112 mit dem Lokaloszillatorsignal 114 an der Mischereinheit 130 entsteht ein Signal 136, welches als Referenzsignal dient. Analog hierzu entsteht durch das Heruntermischen des Empfangssignals 122 und des Lokaloszillatorsignals 114 an der Mischereinheit 140 das Zwischenfrequenzsignal 146. Die heruntergemischten Signale 136 und 146 können anschließend von einer Wandlereinheit oder Phasendifferenzmesseinheit 170, welche z.B. aus einem Analog-Digital-Wandler aufweist, digitalisiert werden. Die Wandlereinheit 170 kann dabei als eigenes Modul, oder als Teil der Steuer- und Auswerteeinheit 180 realisiert sein. Die Wandlereinheit 170 kann dazu eingerichtet sein, eine über der veränderlichen Frequenz 112, 114 veränderliche Amplitude und Phase zu bestimmen. Das Resultat der Wandlereinheit 170 - und/oder von nachgeorneten Einheiten wie z.B. einer Auswerteeinheit und/oder Steuereinheit 180 und/oder einer Signalverarbeitungseinheit 185 - kann ein Diagramm sein, wie z.B. in 7 dargestellt. Über die Änderung von Betrag und Phase zwischen Messsignal 112 und Empfangssignal 122 kann nun die Impedanz der Messsonde berechnet werden. Dies kann in der Signalverarbeitungseinheit 185 durchgeführt werden, welche ein Teil der Auswerte- und Steuereinheit 180 sein kann. Da sich Betrag und Phase des Empfangssignal 122 durch die Impedanz der Messelektrode 200 von Betrag und Phase des Messsignals 112 unterscheiden, ist es sinnvoll, eine Kalibrierung mit unbedeckter Messelektrode 200 durchzuführen. Dies sorgt dafür, dass der unbedeckte Zustand als neuer Referenzwert genutzt werden kann, und so die Impedanzänderung der Messelektrode 200 durch Kontakt mit einem Medium genau berechnet werden kann. Zur Kalibrierung werden typischerweise bekannte Kalibrierstandards wie Open, Short und ein 50 Ω Widerstand als Load verwendet. Die Kalibrierung des Messsensors 200 kann werksseitig geschehen.
Die Phasendifferenzmesseinheit 170 auf, ist also zum Bestimmen eines Amplituden-Phasen-Verlaufs des von der Messsonde 200 gemessenen Füllgutes 20, auf Basis der veränderlichen Frequenz des ersten Frequenzsignals 112 eingerichtet. Dies kann mittels der Phasen- und Amplitudendifferenz zwischen dem ersten Frequenzsignal 112, bzw. dem Signal 132, und dem Mischsignal 142 erfolgen. Die Ausgangssignale der Phasendifferenzmesseinheit 170 werden an eine Auswerteeinheit und/oder Steuereinheit 180 geleitet, die eine Signalverarbeitungseinheit 185 umfasst. Damit können die Ergebnisse der Phasendifferenzmesseinheit 170 ausgewertet werden, z.B. optisch dargestellt werden.
2 zeigt schematisch ein Füllstandmessgerät 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Im Unterschied zu 1 ist dabei die Referenzmischereinheit 130 und die Empfangsmischereinheit 140 als Quadraturdemodulator ausgeführt. Die Mischereinheit 130 übersetzt das Messsignal 112 ins Basisband und erzeugt eine Inphasenkomponente 132 und eine Quadraturkomponente 134. Analog wird das Empfangssignal 122 durch die Mischereinheit 140 ins Basisband übersetzt und die Inphasenkomponente 142 und Quadraturkomponente 144 erzeugt. Die Inphasenkomponenten 132 und 142, sowie die Quadraturkomponenten 134 und 144 werden anschließend von einer Wandlereinheit 170 digitalisiert. Die Konvertierung der Signale ins Basisband bietet hierbei den Vorteil, dass geringere Ansprüche an den Analog-Digital-Wandler gestellt werden können. Anschließend können durch Inphasen- und Quadraturkomponenten Betrag und Phase der beiden Signale 112 und 122 berechnet werden.
3 zeigt schematisch ein Füllstandmessgerät 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Ausführungsform durch eine erste Kalibriereinheit 300, die parallel zu der Messsonde 200 an eine Umschaltvorrichtung 250 angeschlossen ist. Damit kann, zur Kalibirierung der Messsonde 200 und/oder weiterer Teile des Füllstandmessgeräts 100, wahlweise eine Impedanz der ersten Kalibriereinheit 300 anstelle der Impedanz des von der Messsonde 200 gemessenen Füllgutes 20 gemessen werden. Dazu ist zwischen Messelektrode 200 und Messbrücke 120 ein Schalter 250 zwischengeschaltet. Dadurch ist es möglich, die Messelektrode 200 von der Messbrücke 120 zu entkoppeln und stattdessen die Messbrücke 120 mit der ersten Kalibriereinheit 300 zu belasten. Dies gestattet, die Sensorelektronikeinheit 100 im laufenden Betrieb neu zu kalibrieren, um etwaige Einflüsse von Umgebungsbedingungen wie zum Beispiel Temperatureinflüsse, zu kompensieren. Grundlage der Messgenauigkeit des Sensors kann eine z.B. werksseitig auf der Oberfläche der Messelektrode 200 durchgeführte Kalibrierung sein, die in einem Speicher der Auswerteeinheit 180 abgelegt wird.
4 zeigt schematisch ein Füllstandmessgerät 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Dabei weist der Messumwandler 190 einen Transimpedanzverstärker 150 auf, der zum Anschluss der Messsonde 200 und zum Ausgeben des Mischsignals 142 eingerichtet ist. Hierbei wird das selbe Messsignal 112 wie z.B. bei 1 verwendet. Das Messsignal 112 wird einerseits direkt durch die Wandlereinheit 170 digitalisiert, andererseits wird die Messsonde 200 damit beaufschlagt. Das Signal 205 ist ein Stromsignal, welches den Stromfluss durch die Messelektrode 200 repräsentiert. Durch die Impedanz der Messsonde 200 wird das Stromsignal 205 in Betrag und Phase geändert. Das Verhältnis aus dem Spannungssignal 112 und dem Stromsignal 205 repräsentiert daher die Impedanz der Messsonde 200. Für eine einfachere Digitalisierung durch die Wandlereinheit 170 wird das Stromsignal 205 durch einen Transimpedanzverstärker 150 in ein proportionales Spannungssignal 142 gewandelt. Die Signalverarbeitungseinheit 185 berechnet anschließend die komplexe Impedanz der Messsonde 200. Wie bei den anderen Ausführungsformen kann es auch hier nützlich sein, die Sensorelektronikeinheit 100 samt Messelektrode 200 zu kalibrieren. Es ist daher vorteilhaft, auch für dieses Verfahren einen elektronischen Schalter 250 und eine Kalibriereinheit 300 zwischen der Signalerzeugungseinheit 110 und der Messsonde 200 vorzusehen. Spezielle ICs wie beispielsweise die Chips AD5933 und AD5934 des Herstellers Analog Devices Inc. beinhalten bereits die Module 170, 185, 110 und 150, wodurch mit Hilfe eines solchen Chips eine einfachere Realisierung dieses Verfahrens möglich ist.
5a zeigt schematisch eine Messsonde 200 gemäß einer Ausführungsform. Die Messsonde 200 weist eine zweite Kalibriereinheit 350 auf, die für eine besonders günstige Wirkung nahe an der Messelektrode 200 platziert werden kann, um parasitäre Effekte gering zu halten. Die zweite Kalibriereinheit 350 weist drei Kalibrierstandards auf: einen Kurzschlussstandard S 352, einen Offenstandard O 354, und/oder einen Laststandard L 356. Diese Kalibrierdaten können werksseitig erfasst und gespeichert werden, damit kann der Beitrag der Messelektrode 200 zur Impedanzmessung bekannt werden. Wenn davon ausgegangen wird, dass Temperatureinflüsse nur einen geringen Einfluss auf die Impedanz der Messelektrode 200 besitzen, kann mittels der zweiten Kalibriereinheit 350 im laufenden Betrieb rekalibriert werden, um die deutlich stärkeren Einflüsse der Sensorelektronik zu kompensieren.
5b zeigt schematisch eine Messbrücke 120 gemäß einer Ausführungsform. Das Ausführungsbeispiel ist als Wheatstonesche Messbrücke aufgebaut, wobei die Messsonde 200 einen der Widerstände ersetzt. Das erste Frequenzsignal 112 wird als Anregungssignal an einem Eingang der Messbrücke 120 angelegt, so dass die Messsonde 200 mit dem ersten Frequenzsignal 112 beaufschlagt wird. Weiterhin weist die Messbrücke 120 Brücke zwei Messpunkte 122a, 122b (die in 1 bis 3 mit dem Bezugszeichen 122 bezeichnet sind) auf, an denen die Signale bzw. das Empfangssignal 122 abgegriffen werden kann. So kann beispielsweise das Signal 122a auf die Empfangsmischereinheit 140 und das Signal 122b auf die Referenzmischereinheit 130 geleitet werden. Weiterhin kann eine Spannungsdifferenz von 122a und 122b beispielsweise über einen Differenzverstärker von differentiell auf single-ended konvertiert werden und der Empfangsmischereinheit 140 zugeführt werden. In diesem Fall wird das Anregungssignal 112 der Referenzmischereinheit 130 zugeführt. Weiterhin ist es je nach Ausführung des Mischers auch möglich, das differentielle Signal 122 (d.h. Signale 122a und 122b) auf den Eingang von 140 zu leiten. Die Ausführungsform von 5b ist nur als Beispiel zu betrachten; es sind auch andere Realisierungen der Messbrücke 120 möglich.
6 zeigt ein Zeit-Frequenz-Diagramm 600 gemäß einer Ausführungsform. Dabei wird ein kontinuierlich veränderlicher Frequenzverlauf 610 über der Zeit gezeigt. Weiterhin zeigt das Diagramm 600 einen gestuft linearen oder stufenweise veränderlichen Frequenzverlauf 620. Es sind auch andere Formen möglich, wie beispielsweise nichtlineare Verläufe.
7 zeigt ein Polardiagramm 700 mit Messungen und/oder Simulationen gemäß einer Ausführungsform. Die horizontale Achse des Polardiagramms 700 zeigt den Realteil (ohmscher Widerstand), die vertikale Achse den Imaginärteil (kapazitiver oder induktiver Widerstand) der Impedanz des Mediums oder Füllguts. Dadurch kann vorteilhafterweise eine Permittivität, z.B. eine relative Permittivität, des Füllguts oder Mediums detektiert werden. In 7 ist dabei exemplarisch eine Auswahl vier unterschiedlicher gemessener Medien, sowie die Simulationskurve eines Ersatzschaltbildes dargestellt. Stark leitende Medien wie der in einer Kurve 710 abgebildete Essigreiniger haben nahezu keine imaginäre Komponente, da das elektromagnetische Feld an den Elektroden nahezu kurzgeschlossen wird und somit kaum Feldenergie ins Medium gelangt. Hier überwiegt der Realteil der Impedanz, und das Verhalten ähnelt einem niederohmigen Widerstand. Anders verhält sich das Medium Glycerin (in Kurve 720), das nur eine sehr geringe Leitfähigkeit besitzt, jedoch eine mittlere relative Dielektrizitätszahl ℇr von etwa 13 hat. Somit wird genügend Blindleistung ins Medium eingetragen, um einen messbaren Stromfluss zu erzeugen. Dieses Verhalten ähnelt einem idealen Kondensator; der Phasenwinkel beträgt im ganzen Frequenzband annähernd -90°. Als drittes Medium in Kurve 730 die Impedanz von Wasser gezeigt, bei dem sich sowohl resistive wie kapazitive Komponenten sichtbar sind. Reines Wasser besitzt eine geringe Leitfähigkeit, hat jedoch eine hohe Dielektrizitätszahl im Bereich von ℇr ≈ 80. Der Impedanzverlauf von Leitungswasser in Kurve 730 konnte mittels eines Ersatzschaltbildes, bestehend aus der Parallelschaltung einer Kapazität von 16 pF und eines Widerstands von 2400 Ω simuliert werden, siehe Kurve 735. In Kurve 740 wird ein Verlauf eines Mediums mit Anhaftung wiedergegeben. Es handelt sich hierbei um Hautcreme, dessen Impedanzkurve 740 den bedeckten Zustand abbildet und in Kurve 745 die Änderung nach Abziehen der Messsonde aus dem Vorratsbehälter, also in einem nicht-bedeckten Zustand, zeigt. Bei einer realen Füllstand- und/oder Grenzstandsonde kann - z.B. wegen der Zähflüssigkeit des Füllgutes Hautcreme - noch ein Teil des Füllgutes an dem Sensor haften bleiben. Wird nur der Betrag der Impedanz gemessen, können diese Anhaftungen zu einem verfälschten oder zumindest zweifelhaften Ergebnis führen, d.h. in zumindest einigen Fällen wird der Zustand „nicht-bedeckt“ nicht eindeutig erkannt. Bei Verwendung der hier beschriebenen Geräte bzw. Messmethoden ist eine deutliche Verschiebung der Kurve erkennbar; d.h. nachdem das Medium nur noch in einer dünnen Anhaftung die Messelektrode umgibt, wird das Verhalten kapazitiver, d.h. der Blindanteil oder der Beitrag des Imaginärteils steigt, was im nicht-bedeckten Zustand zu einer Kurve 745, die klar von der Kurve 740 unterschieden werden kann.
Es wird deutlich, dass durch das oben und/oder nachfolgend beschriebene Verfahren sehr gut zwischen gänzlich bedeckter Messelektrode und Anhaftungen auf der Elektrode unterschieden werden kann. Dadurch können Grenzstandschalter also vorteilhafterweise mit einer verbesserten Zuverlässigkeit und vielseitigeren Anwendbarkeit aufweisen. Neben dem Einsatz als Grenzstandschalter bietet das beschriebene Verfahren eine Anwendbarkeit zur Medienanalyse und/oder Medienüberwachung.
8 zeigt mehrere Impedanzverläufe 800, die mittels eines Füllstandmessgeräts gemäß einer Ausführungsform gemessenen wurden. Dabei ist in einer Messkurve 840 der gemessene Impedanzverlauf von Leitungswasser dargestellt, und in einer Kurve 845 ein simulierter Verlauf des entsprechenden Ersatzschaltbildes. Soll nun die Leitfähigkeit des Wassers - die bei dieser Messung mit 410 µs/cm ermittelt wurde - innerhalb eines Toleranzbandes von beispielsweise ± 5% überwacht werden, so können die Grenzkurven direkt aus dem Ersatzschaltbild hergeleitet werden. Kurve 860 zeigt eine Erhöhung des Realteils von + 5% an, Kurve 820 zeigt entsprechend eine Verringerung um - 5% an. Hierbei kann die genaue Kenntnis der Energieverteilung zwischen Wirk- und Blindleistung nützlich sein, wie sie sich aus dem berechneten Ersatzschaltbild ergibt. Eine Änderung des kapazitiven Anteils (εr -Wert) vom Wasser würde eine völlig andere Kurvenform erzeugen; daher wäre bei einer rein betragsmäßigen Messung bzw. Auswertung der Impedanz nicht die wirkliche Ursache der Mediumsänderung erkennbar. Dies ist ein signifikanter Vorteil der vektoriellen Messung, weil hiermit die Einflüsse der verschiedenen Komponenten separat betrachtet werden können.
9 zeigt ein Flussdiagramm 900 mit einem Verfahren zum Messen einer Impedanz eines Füllgutes gemäß einer Ausführungsform. In einem Schritt 902 wird eine Messsonde 200 (siehe 10) in einem Füllgut 20 innerhalb eines Behälters 10 angeordnet. In einem Schritt 904 wird ein Füllstandmessgerät 100 an die Messsonde 200 angeschlossen. In einem Schritt 906 wird die Messsonde 200 mit einem ersten Frequenzsignal mit veränderlicher Frequenz 112 beaufschlagt. In einem Schritt 908 wird ein Amplituden-Phasen-Verlauf des von der Messsonde 200 gemessenen Füllgutes 20, mittels einer Phasen- und Amplitudendifferenz auf Basis der veränderlichen Frequenz des ersten Frequenzsignals 112, bestimmt.
10 zeigt einen Behälter 10 mit einem Füllstandmessgerät 100, aufweisend ein Gerät 190 und eine Messsonde 200, gemäß einer Ausführungsform. In dem gezeigten Behälter 10 sind zwei Füllstandmessgeräte 100 mit Messsonden 200 gezeigt, z.B. zum Messen einer vordefinierten oberen und unteren Grenze eines Füllstands 25 eines Füllguts oder Mediums 20 in dem Behälter 10. Darüber hinaus kann mit dem Füllstandmessgerät 100, wie oben und/oder nachfolgend beschrieben, auch eine Impedanz des Füllguts oder Mediums 20 bestimmt werden. Es kann auch nur eine Messsonde 200 in dem Behälter 10 angeordnet sein, oder auch mehrere Messsonden 200, um sonstige Füllstände 25 und/oder Impedanzen erfassen zu können.
Bezugszeichenliste

100: Füllstandmessgerät
110: Signalerzeugungseinheit
112: Frequenzsignal / Messsignal
114: Lokaloszillatorsignal
120: Messbrücke
122, 122a, 122b: Empfangssignal
130: Referenzmischereinheit
132: Referenzsignal / Inphasenkomponente
134: Referenzsignal / Quadraturkomponente
136: Signal
140: Empfangsmischereinheit
142: Mischsignal / Inphasenkomponente
144: Mischsignal / Quadraturkomponente
146: Zwischenfrequenzsignal
150: Transimpedanzverstärker
170: Phasendifferenzmesseinheit / Wandlereinheit
180: Auswerteeinheit / Steuereinheit
185: Signalverarbeitungseinheit
190: Messumwandler
200: Messsonde
205: Messsignal
220: Messelektrode
240: Mantelelektrode
250: Umschaltvorrichtung / Schalter
300: erste Kalibriereinheit
350: zweite Kalibriereinheit
352: Kurzschlussstandard S
354: Offenstandard O
356: Laststandard L
600: Diagramm
610,620: Frequenzverlauf
700: Polardiagramm
710 - 745: Impedanzkurven
800: Impedanzverläufe
820, 840, 845, 860: Kurven
900: Flussdiagramm
902 - 908: Schritte

Claims

Füllstandmessgerät (100) zur Füllstand- und/oder Grenzstandbestimmung und zum Messen einer Impedanz eines Füllgutes (20) in einem Behälter (10), aufweisend: eine Messsonde (200), eingerichtet zum Messen der Impedanz des Füllgutes (20); eine Signalerzeugungseinheit (110), eingerichtet zum Erzeugen eines ersten Frequenzsignals mit veränderlicher Frequenz (112), wobei die Messsonde (200) mit dem ersten Frequenzsignal (112) beaufschlagt wird und ein Messsignal (205) ausgibt; einen Messumwandler (190), eingerichtet zum Umwandeln des Messsignals (205) in ein Mischsignal (142), wobei das Mischsignal (142) gegenüber dem ersten Frequenzsignal (112) eine Phasen- und Amplitudendifferenz aufweist; und eine Phasendifferenzmesseinheit (170), eingerichtet zum Bestimmen eines Amplituden-Phasen-Verlaufs des von der Messsonde (200) gemessenen Füllgutes (20), mittels der Phasen- und Amplitudendifferenz zwischen dem ersten Frequenzsignal (112) und dem Mischsignal (142), auf Basis der veränderlichen Frequenz des ersten Frequenzsignals (112).
Füllstandmessgerät (100) nach Anspruch 1, wobei die Signalerzeugungseinheit (110) weiterhin zum Erzeugen eines zweiten Frequenzsignals mit veränderlicher Frequenz (114) eingerichtet ist, wobei das zweite Frequenzsignal (114) eine konstante Frequenzdifferenz zu dem ersten Frequenzsignal (112) aufweist; und wobei der Messumwandler (190) aufweist: eine Referenzmischereinheit (130), eingerichtet zum Mischen des ersten Frequenzsignals (112) mit dem zweiten Frequenzsignal (114), um ein erstes Referenzsignal (132) zu erzeugen; eine Empfangsmischereinheit (140), eingerichtet zum Mischen des zweiten Frequenzsignals (114) mit einem Ausgang der Messbrücke (120), um das Mischsignal (142) zu erzeugen, wobei die Messbrücke (120) mit der Messsonde (200) verbunden ist.
Füllstandmessgerät (100) nach Anspruch 2, wobei die Referenzmischereinheit (130) und/oder die Empfangsmischereinheit (140) als doppelt balancierter Mischer oder als Quadraturdemodulator ausgeführt ist.
Füllstandmessgerät (100) nach Anspruch 1, wobei der Messumwandler (190) einen Transimpedanzverstärker (150) aufweist, der zum Anschluss der Messsonde (200) und zum Ausgeben des Mischsignals (142) eingerichtet ist.
Füllstandmessgerät (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Frequenzsignal (112) und das optionale zweite Frequenzsignal (114) eine kontinuierlich veränderliche Frequenz (610) aufweisen.
Füllstandmessgerät (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste Frequenzsignal (112) und das optionale zweite Frequenzsignal (114) eine stufenweise veränderliche Frequenz (620) aufweisen.
Füllstandmessgerät (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend eine erste Kalibriereinheit (300), wobei die erste Kalibriereinheit (300) parallel zu der Messsonde (200) an eine Umschaltvorrichtung (250) angeschlossen ist, so dass wahlweise eine Impedanz der ersten Kalibriereinheit (300) anstelle der Impedanz des von der Messsonde (200) gemessenen Füllgutes (20) gemessen wird.
Füllstandmessgerät (100) nach Anspruch 7, wobei die Kalibriereinheit (300) mindestens einen von folgenden Kalibrierstandards aufweist: einen Kurzschlussstandard (S), einen Offenstandard (O), und/oder einen Laststandard (L).
Füllstandmessgerät (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Frequenzsignal (112) und das zweite Frequenzsignal (114) eine Frequenz zwischen 50 Hz und 500 kHz, beispielsweise zwischen 5 kHz und 300 kHz, aufweist, und/oder das erste Frequenzsignal (112) und das zweite Frequenzsignal (114) eine konstante Frequenzdifferenz zwischen 10 Hz und 50 kHz, beispielsweise zwischen 1 kHz und 10 kHz, aufweist.
Füllstandmessgerät (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend eine Auswerteeinheit (180), wobei die Auswerteeinheit (180) zum Bestimmen eines Typs des Füllgutes (20) eingerichtet ist.
Messsonde (200), eingerichtet zum Anordnen in einem Füllgut (20) innerhalb eines Behälters (10), die Messsonde (200) aufweisend: eine Messelektrode (220); und eine Mantelelektrode (240), wobei die Messelektrode (220) zumindest teilweise innerhalb einer Außenkontur der Mantelelektrode (240) angeordnet ist, und wobei die Messsonde (200) zum Anschluss an ein Füllstandmessgerät (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
Messsonde (200) nach Anspruch 10, weiterhin aufweisend eine zweite Kalibriereinheit (350), wobei die zweite Kalibriereinheit (350) parallel zu der Messsonde (200) angeschlossen ist, so dass von einem Füllstandmessgerät (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 wahlweise eine Impedanz der zweiten Kalibriereinheit (350) anstelle der Impedanz des von der Messsonde (200) gemessenen Füllgutes (20) gemessen werden kann.
Verfahren zum Messen einer Impedanz eines Füllgutes (20), mit den Schritten: Anordnen einer Messsonde (200) nach Anspruch 10 oder 11 in einem Füllgut (20) innerhalb eines Behälters (10); Anschließen eines Füllstandmessgeräts (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 an die Messsonde (200); Beaufschlagen der Messsonde (200) mit einem ersten Frequenzsignal mit veränderlicher Frequenz (112); und Bestimmen eines Amplituden-Phasen- des von der Messsonde (200) gemessenen Füllgutes (20), mittels einer Phasen- und Amplitudendifferenz auf Basis der veränderlichen Frequenz des ersten Frequenzsignals (112).
Verwendung eines Füllstandmessgeräts (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder einer Messsonde (200) nach Anspruch 10 oder 11 zur Grenzstandbestimmung, zur Überwachung oder zur Messung von Medieneigenschaften eines Füllgutes (20) und zum Messen eines Amplituden-Phasen-Verlaufs des Füllgutes (20) in einem Behälter (10), auf Basis der veränderlichen Frequenz des ersten Frequenzsignals (112).