DE10250523B4 - Verfahren zur Erfassung der Kapazität bzw. einer Kapazitätsänderung eines kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes - Google Patents

Verfahren zur Erfassung der Kapazität bzw. einer Kapazitätsänderung eines kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter mit einem kapazitiven Füllstandsmeßgerät, mit einem mehrere Sensorfelder aufweisenden Füllstandssensor, wobei ein Sendeimpuls erzeugt und auf ein Sensorfeld gegeben wird, der Sendeimpuls in Abhängigkeit von der Kapazität des Sensorfeldes einen Stromimpuls generiert und der Stromimpuls innerhalb eines gegenüber dem Sendeimpuls verschobenen Erfassungszeitfensters erfaßt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dauer TS des Erfassungszeitfensters unabhängig von der Frequenz des Sendeimpulses (Taktfrequenz) einen vorgegebenen Wert aufweist, wobei die Dauer TS so gewählt ist, daß das Erfassungszeitfenster so groß ist, daß ein aufgrund von Anhaftungen oder Ablagerungen am Füllstandssensor zeitlich länger ausgedehnter Stromimpuls nicht vollständig innerhalb des Erfassungszeitfensters liegt,
daß die Erfassung des Stromimpulses mit Hilfe eines gesteuerten Gleichrichters erfolgt, und
daß beide Zyklen des Gleichrichters aktiv genutzt werden und jeder Zyklus ein Erfassungszeitfenster und ein Ergänzungszeitfenster aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der Kapazität bzw. einer Kapazitätsänderung eines kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes, bei dem ein Sendeimpuls erzeugt und auf das kapazitive Schaltungs- oder Bauelement gegeben wird, wobei der Sendeimpuls in Abhängigkeit von der Kapazität des kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes einen Stromimpuls generiert und der Stromimpuls innerhalb eines gegenüber dem Sendeimpuls verschobenen Erfassungszeitfensters erfaßt wird. Daneben betrifft die Erfindung auch – als eine bevorzugte Anwendung – das zuvor beschriebene Verfahren zur Bestimmung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter mit einem kapazitiven Füllstandsmeßgerät, wobei das kapazitive Füllstandsmeßgerät einen Füllstandssensor mit mehreren Sensorfeldern aufweist.
  • Im Rahmen der Erfindung ist mit "Kapazität" der Kapazitätswert eines kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes gemeint; eine "Kapazitätsänderung" meint folglich eine Änderung des Kapazitätswertes eines kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes. Mit "Erfassung" der Kapazität bzw. einer Kapazitätsänderung ist im Rahmen der Erfindung sowohl eine nur qualitative Erfassung als auch eine quantitative Erfassung, also eine echte Messung, gemeint. "Kapazitives Schaltungs- oder Bauelement" meint im Rahmen der Erfindung jedes Schaltungselement und jedes Bauelement, das kapazitive Eigenschaften hat, häufig auch als Kapazität bezeichnet wird, wobei dann nicht der Kapazitätswert gemeint ist. Ein "kapazitives Schaltungs- oder Bauelement" ist insbesondere ein Kondensator. Als "kapazitives Schaltungs- oder Bauelement" wird im Rahmen der Erfindung aber auch die Elektrode eines kapazitiven Näherungsschalters oder das kapazitive Sensorfeld eines Füllstandssensors, im Zusammenwirken mit einem Beeinflussungskörper oder Beeinflussungsmedium, bezeichnet.
  • Das eingangs beschriebene Verfahren kann mit einer Vielzahl von Schaltungsanordnungen und bei einer Vielzahl von konkreten Anwendungen eingesetzt werden. Eine mögliche Schaltungsanordnung ist beispielsweise aus der DE 197 44 152 A1 bekannt. Diese Schaltungsanordnung, die zumindest einen Taktgenerator, einen von dem Taktgenerator gesteuerten Umschaltkontakt, einen Speicherkondensator und eine Auswertestufe aufweist, zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß sich die der Schaltungsanordnung anhaftenden parasitären Kapazitäten nicht mehr auswirken, da die Auswertestufe für Stromauswertung geeignet ist und am Umschaltkontakt quasi kein Spannungshub auftritt.
  • Eine bevorzugte Anwendung des eingangs beschriebenen Verfahrens liegt bei einem kapazitiven Füllstandsmeßgerät. Kapazitive Füllstandsmeßgeräte dienen der kapazitiven Erfassung des Füllstandes von Flüssigkeiten, Schüttgütern und anderen Medien in einem – geschlossenen oder offenen – Behälter und sind vielfach bekannt.
  • Bei kapazitiven Füllstandsmeßgeräten wird meßtechnisch die Tatsache ausgenutzt, daß das Medium, dessen Füllstand ermittelt werden soll, die Kapazität des Füllstandssensors bzw. des kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes, d. h. eines Sensorfeldes des Füllstandssensors, beeinflußt, weil die für die Kapazität des Füllstandssensors bzw. des Sensorfeldes des Füllstandssensors auch wesentliche Dielektrizitätskonstante des Mediums sich von der Dielektrizitätskonstanten von Luft unterscheidet. Je nach Ausgestaltung des Füllstandssensors wird dabei die Kapazitätsänderung zwischen einem Sensorfeld und einer Referenzelektrode, zwischen zwei benachbarten Sensorfeldern oder die Änderung der Grundkapazität eines Sensorfeldes, welche im wesentlichen von der Geometrie des Sensorfeldes und der Dielektrizitätskonstanten des das Sensorfeld umgebenden Mediums abhängt, ausgewertet.
  • Insbesondere bei kapazitiven Füllstandsmeßgeräten – grundsätzlich jedoch auch bei anderen kapazitiv arbeitenden Sensoren oder Näherungsschaltern – besteht ein Problem darin, daß es zu Anhaftungen oder Ablagerungen an dem kapazitiven Schaltungs- oder Bauelement bzw. an dem Füllstandssensor kommen kann, wodurch das Meßergebnis verfälscht wird. Bei kapazitiven Füllstandsmeßgeräten, die beispielsweise den Füllstand des Kühlschmierstoffes einer Maschine überwachen, befinden sich im Kühlschmierstoff aufgrund von Verschmutzungen sehr häufig metallische, leitfähige Partikel, die sich am Füllstandssensor ablagern. Während die Auswirkungen dieser Ablagerungen in dem Bereich des Füllstandssensors, der sich im Medium befindet, vernachlässigt werden können, führen die Ablagerungen am Füllstandssensor außerhalb des Mediums zu einer Verfälschung des Meßergebnisses. Dies kann dazu führen, daß das kapazitive Füllstandsmeßgerät einen falschen – zu hohen – Füllstand des zu überwachenden Mediums anzeigt. Bei dem zuvor angesprochenen Beispiel der Überwachung des Füllstandes des Kühlschmierstoffes einer Maschine kann ein solcher falscher Meßwert des Füllstandsmeßgeräts – durch den ein zu niedriger Pegel des Kühlschmierstoffes nicht rechtzeitig erkannt wird – zu einer Beschädigung der Maschine führen.
  • Um derartige Fehler auszuschließen, sind verschiedene Verfahren bekannt, durch die entweder die Anhaftungen bzw. Ablagerung von Schmutzpartikeln am Füllstandssensor verhindert oder deren Auswirkung auf das Meßergebnis unterdrückt werden soll. Aus der DE 100 11 860 A1 ist ein Ölfüllstandssensor bekannt, bei dem die Ablagerung von Verschmutzungen am Sensor dadurch verhindert werden soll, daß das Öl während des Betriebes der Maschine die Meßstrecke des Sensors fortlaufend durchströmt. Die zur Gewährleistung des ständigen Fließens des Öles notwendigen Maßnahmen – insbesondere die Verwendung einer erforderlichen Pumpe – führen jedoch zu einem unverhältnismäßig hohen Mehraufwand bei der Realisierung des Ölfüllstandssensors oder zu einem stark beschränkten Einsatzgebiet des Ölfüllstandssensors.
  • Bei einem von der Anmelderin vertriebenen kapazitiven Füllstandsmeßgerät der Serie "LK" wird das eingangs beschriebene Verfahren angewandt, wobei der Stromimpuls phasenverschoben, nämlich um 90° phasenverschoben ausgewertet wird. Hierdurch kann jedoch nicht gewährleistet werden, daß Anhaftungen zuverlässig von Füllstand unterschieden wird.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein eingangs beschriebenes Verfahren zur Erfassung der Kapazität bzw. einer Kapazitätsänderung eines kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes anzugeben, mit dessen Hilfe, insbesondere bei einem kapazitiven Füllstandsmeßgerät, Störeinflüsse, insbesondere Anhaftungen oder Ablagerungen am kapazitiven Schaltungs- oder Bauelement, erkannt werden bzw. eine Auswirkung der Störeinflüsse auf das Meßergebnis verhindert wird. Darüber hinaus soll das Verfahren einfach durchgeführt werden können, so daß es insbesondere bei einem kapazitiven Füllstandssensor ohne großen Aufwand angewendet werden kann.
  • Diese Aufgabe ist bei dem eingangs beschriebenen Verfahren zur Erfassung der Kapazität bzw. einer Kapazitätsänderung eines kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes nun zunächst und im wesentlichen dadurch gelöst, daß die Dauer TS des Erfassungszeitfensters unabhängig von der Frequenz des Sendeimpulses einen vorgegebenen Wert aufweist. Diese frequenzunabhängige Dauer des Erfassungszeitfensters gegenüber dem Sendeimpuls beruht auf der Erkenntnis, daß eine Anhaftungen bzw. eine Ablagerung am kapazitiven Schaltungs- oder Bauelement zu einer Verbreiterung des auszuwertenden Stromimpulses im Vergleich zur Breite des Stromimpulses ohne Anhaftungen führt. Dies ist durch die in erster Linie ohmsche Eigenschaft der Anhaftungen begründet. Durch eine entsprechende Wahl der Dauer TS des Erfassungszeitfensters ist es somit möglich, das Erfassungszeitfenster so groß bzw. klein zu wählen, daß der breitere, d. h. zeitlich länger ausgedehnte Stromimpuls bei Anhaftungen nicht vollständig in das Erfassungszeitfenster "paßt", während der schmalere, d. h. zeitlich kürzere Stromimpuls ohne Anhaftungen vollständig innerhalb des Erfassungszeitfensters liegt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Erfassung des Stromimpulses mit Hilfe eines gesteuerten Gleichrichters. Bevorzugt werden dabei beide Zyklen des Gleichrichters aktiv genutzt. Die Auswertung des Stromimpulses mit Hilfe eines Gleichrichters ist besonders einfach zu realisieren, wobei durch die Ausnutzung beider Zyklen des Gleichrichters Störeinflüsse aufgrund von Bauteiltoleranzen oder Temperaturdrift kompensiert werden können.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Sendeimpuls ein möglichst reiner Rechteckimpuls verwendet. Ein solcher, eine steile Anstiegsflanke und eine steile Abstiegsflanke aufweisender Rechteckimpuls als Sendeimpuls führt – wenn keine Anhaftungen vorhanden ist – zu einem sehr schmalen – idealerweise dirac-stoßförmigen – Stromimpuls. Je schmaler der Stromimpuls ist, desto kürzer kann die Dauer TS des Erfassungszeitfensters gewählt werden, bei der dennoch der Stromimpuls vollständig innerhalb des Erfassungszeitfensters abklingt.
  • Weiter vorteilhaft ist es, wenn das erfindungsgemäße Verfahren derart ausgebildet ist, daß die Dauer TS des Erfassungszeitfensters einstellbar, steuerbar oder regelbar ist. Dadurch besteht die Möglichkeit, das Erfassungszeitfenster optimal an die jeweiligen Einsatzbedingungen, insbesondere an das jeweilige Medium, anzupassen. Darüber hinaus kann durch mehrere Messungen mit unterschiedlichen Zeitdauern TS des Erfassungszeitfensters eine genaue Analyse des jeweiligen Mediums durchgeführt werden.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter mit einem kapazitiven Füllstandsmeßgerät, mit einem mehrere Sensorfelder aufweisenden Füllstandssensor, bei dem erfindungsgemäß ebenfalls die Dauer TS des Erfassungszeitfensters unabhängig von der Frequenz des Sendeimpulses einen vorgegebenen Wert aufweist, ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß das Füllstandsmeßgerät einen Mikroprozessor aufweist und der Mikroprozessor in Abhängigkeit von dem zu messenden Medium die Frequenz des Sendeimpulses bestimmt. Dabei durchläuft die Frequenz des Sendeimpulses beispielsweise bei der Inbetriebnahme des kapazitiven Füllstandsmeßgeräts einen Frequenzbereich von beispielsweise 50 kHz bis 5 MHz, wobei dann in Abhängigkeit von dem zu messenden Medium die Frequenz des Sendeimpulses ausgewählt wird, bei der ein möglichst großes Ausgangssignal zur Verfügung steht. Die Auswahl kann dabei einfach mit Hilfe eines Schwellwertes erfolgen.
  • Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren zur Erfassung der Kapazität bzw. einer Kapazitätsänderung eines kapazitiven Schaltungs- oder Bauelements bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter mit einem kapazitiven Füllstandsmeßgerät auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 10 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
  • 1 eine Prinzipskizze eines kapazitiven Füllstandsmeßgeräts in einem Behälter sowie ein technisches Ersatzschaltbild, einmal ohne und einmal mit Anhaftungen,
  • 2 ein Zeitdiagramm des Stromimpulses, ohne und mit Anhaftungen, entsprechend einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, und
  • 3 ein Zeitdiagramm des Stromimpulses, ohne und mit Anhaftungen, entsprechend einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 4 eine Skizze einer Schaltung für die erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 5 ein Zeitdiagramm des Stromimpulses, ohne und mit Anhaftungen, entsprechend einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
  • 6 eine Skizze einer Schaltung für die zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 1 zeigt sowohl in 1a als auch in 1b jeweils auf der linken Seite schematisch ein kapazitives Füllstandsmeßgerät 1, mit einem mehrere Sensorfelder aufweisenden Füllstandssensor 2, wobei der Füllstandssensor 2 in das Innere eines Behälters 3 hineinragt. Im Inneren des Behälters 3 befindet sich ein Medium 4, beispielsweise ein Schmiermittel für eine Werkzeugmaschine, dessen Füllstand mit dem kapazitiven Füllstandsmeßgerät 1 überwacht werden soll. Das kapazitive Füllstandsmeßgerät 1 kann beispielsweise entsprechend der DE 100 08 093 A1 ausgebildet sein. Grundsätzlich ist jedoch das erfindungsgemäße Verfahren unabhängig von der konkreten Realisierung des kapazitiven Füllstandsmeßgeräts 1.
  • Der Unterschied zwischen den 1a und 1b besteht zum einen darin, daß bei dem Beispiel gemäß 1a das Medium 4 einen höheren Füllstand als das Medium 4 bei dem Beispiel gemäß 1b aufweist. Darüber hinaus ist bei dem in 1b dargestellten Beispiel der Füllstandssensor 2 in einem Bereich oberhalb des Mediums 4 mit Anhaftungen 5 bedeckt, wobei hier zur Verdeutlichung die Menge der Anhaftungen 5 stark übertrieben dargestellt ist. In der Praxis handelt es sich bei den Anhaftungen 5 beispielsweise um eine dünne Schicht von Metallspänen, die sich als Verschmutzung im Medium 4 befinden und am Füllstandssensor 2 ablagern.
  • Die jeweils rechte Seite der 1a und 1b zeigt ein – stark vereinfachtes – technisches Ersatzschaltbild der jeweiligen Füllstandssituation. Das Ersatzschaltbild weist einem Gleichrichter 6 zur Erfassung des Stromimpulses I auf, wobei die Amplitude des Stromimpulses I zum einen von der Amplitude des Sendeimpulses, ansonsten aber im wesentlichen von der Höhe und der Dielektrizitätskonstanten des Mediums 4 abhängt. Der Einfluß des Mediums 4 auf den Stromimpuls I ist in dem Ersatzschaltbild in Verbindung mit einem Kondensator 7 dargestellt. Das Vorhandensein der Anhaftungen 5 in dem in 1b dargestellten Beispiel ist in dem entsprechenden Ersatzschaltbild durch einen Widerstand 8 berücksichtigt, der in Reihe zu dem Kondensator 7 geschaltet ist.
  • 2 zeigt ein Zeitdiagramm des Stromimpulses 9 "ohne Anhaftungen" (2a) entsprechend dem Beispiel in 1a bzw. des Stromimpulses 9' "mit Anhaftungen" (2b) entsprechend dem Beispiel in 1b. Darüber hinaus ist in 2 – ebenso wie in den 3 – korrespondierend zum zeitlichen Verlauf des Stromimpulses 9 bzw. 9' der zeitliche Verlauf des Sendeimpulses 10 sowie der Umschaltimpuls 11 des Gleichrichters 6 dargestellt. 2 zeigt dabei ein Verfahren gemäß dem Stand der Technik, bei dem der Stromimpuls 9, 9' um 90° phasenverschoben zum Sendeimpuls 10 ausgewertet wird. Wie aus 2 erkennbar ist, ergeben sich dadurch vier Zeitfenster 12, 13, 14 und 15, die jeweils eine gleiche Dauer aufweisen. Dabei bilden die Zeitfenster 12 und 14 die Erfassungszeitfenster, innerhalb derer der Stromimpuls 9 gemessen werden soll.
  • In 2a ist der Verlauf des Stromimpulses 9 für die in 1a dargestellte Situation gezeigt, bei der sich das gerade ausgewertete Sensorfeld des Füllstandssensors 2 im Medium 4 befindet. In dieser Situation weist der Stromimpuls 9 eine betragsmäßig relativ große Amplitude und eine relativ geringe Breite auf.
  • 2b zeigt den Verlauf des Stromimpulses 9' für die in 1b dargestellte Situation, bei der sich das gerade ausgewertete Sensorfeld des Füllstands sensors 2 außerhalb des Medium 4 befindet und mit Anhaftungen 5 bedeckt ist. Durch die ohmsche Eigenschaft der Anhaftungen 5 ergibt sich ein Stromimpuls 9' mit einer betragsmäßig kleineren Amplitude und einer größeren Breite verglichen mit dem Stromimpuls 9 gemäß 2a. Da meßtechnisch das Integral des Stromimpulses 9 bzw. 9' innerhalb des Erfassungsfensters 12 bzw. 14 ausgewertet wird und das Integral des Stromimpulses 9 gleich dem Integral des Stromimpulses 9' ist, ist eine Unterscheidung zwischen den beiden in 1a und 1b dargestellten Situationen – innerhalb des Mediums 4 bzw. außerhalb des Mediums und mit Anhaftungen 5 bedeckt – nicht möglich.
  • Eine Unterscheidung zwischen der in 1a bzw. 2a und 1b bzw. 2b dargestellten Situation "Medium" bzw. "Anhaftungen" ist somit nur dann möglich, wenn durch die Wahl einer entsprechend hohen Frequenz des Sendeimpulses 10 und damit auch des Umschaltimpulses 11 die Zeitfenster 12 bis 15 soweit verkürzt werden, daß der Stromimpuls 9' nicht mehr vollständig in das Erfassungsfenster 12 bzw. 14 "hineinpaßt". Eine derartige Erhöhung des Sendeimpulses 10 ist jedoch mit verschiedenen Nachteilen verbunden. Zunächst steigt mit der Frequenz auch die Störabstrahlung des Füllstandssensors 2, so daß zum einen zusätzliche Maßnahmen zur Verhinderung der Störabstrahlung in die Umgebung vorgesehen werden müssen, zum anderen der Füllstandssensor 2 nur eine relativ begrenzte Stablänge aufweisen darf. Beide Maßnahmen schränken jedoch die gewünschte universelle Einsetzbarkeit des kapazitiven Füllstandsmeßgeräts 1 stark ein. Außerdem ist das kapazitive Füllstandsmeßgerät 1 bei einer entsprechend hohen – erforderlichen – Frequenz nicht mehr für beliebige Medien gleichermaßen einsetzbar.
  • Anhand von 3 soll nun eine erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert werden, bei dem die Dauer TS des Erfassungszeitfensters 12 bzw. 14 unabhängig von der Frequenz des Sendeimpulses 10 einen vorgegebenen Wert aufweist. Wie in 2a so ist auch in 3a der Verlauf des Stromimpulses 9 bei der in 1a dargestellten Situation – das aktuell ausgewertete Sensorfeld des Füllstandssensors 2 ist von Medium 4 jedoch nicht von Anhaftungen 5 bedeckt – gezeigt, während 3b den zeitlichen Verlauf des Stromimpulses 9' bei der in 1b dargestellten Situation – das aktuell ausgewertete Sensorfeld des Füllstandssensors 2 ist von Anhaftungen 5, nicht jedoch vom Medium 4 bedeckt – zeigt. Die 3c und 3d zeigen entsprechend den 2c und 2d den zeitlichen Verlauf des Sendeimpulses 10 bzw. des Umschaltimpulses 11.
  • Ein Vergleich der 2 und 3 zeigt zunächst, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß 3 die Zeitfenster 12 bis 15 unterschiedliche Zeitdauern TS bzw. TA aufweisen, wobei die Erfassungszeitfenster 12 und 14 eine kürzere Dauer TS und die Ergänzungszeitfenster 13 und 15 eine längere Dauer TA haben. Da der Sendeimpuls 10 und der Umschaltimpuls 11 – gewollt – dieselbe Frequenz aufweisen, entspricht die Dauer TS des Erfassungszeitfensters 12 bzw. 14 und die Dauer TA des Ergänzungszeitfensters 13 bzw. 15 zusammen der halben Periodenlänge des Sendeimpulses 10 bzw. des Umschaltepultes 11.
  • Durch die Wahl einer geeigneten – kurzen – Dauer TS des Erfassungszeitfensters 12 bzw. 14 wird nun erreicht, daß einerseits der Stromimpuls 9 vollständig in das Erfassungszeitfenster 12 bzw. 14 "hineinpaßt", andererseits der Stromimpuls 9' – aufgrund seiner durch die Anhaftungen 5 bedingten größeren Breite – nicht vollständig in das Erfassungszeitfenster 12 bzw. 14 "hineinpaßt". Dies führt nun dazu, daß bei der Integration des Stromimpulses 9 bzw. 9' während des Erfassungszeitfensters 12 bzw. 14 das Integral des Stromimpulses 9' kleiner als das Integral des Stromimpulses 9 ist. Dadurch ist eine Unterscheidung des Zustandes "Medium vorhanden" (entsprechend 1a) von dem Zustand "Anhaftungen vorhanden" (entsprechend 1b) möglich.
  • Gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auch der Stromimpuls 9 bzw. 9' innerhalb des Ergänzungszeitfensters 13 bzw. 15 durch Integration erfaßt. Bei einer entsprechend 3 geeigneten Wahl der Dauer TS des Erfassungszeitfensters 12 bzw. 14 ist innerhalb des Ergänzungszeitfensters 13 bzw. 15 der Stromimpuls 9 gleich Null, d. h. der Stromimpuls 9 ist so kurz, daß er vollständig innerhalb des Erfassungszeitfensters 12 bzw. 14 abklingt. Dagegen ist bei der in 1b bzw. 3b dargestellten Situation "Anhaftungen vorhanden" der Stromimpuls 9' so breit, daß der Stromimpuls 9' innerhalb des Ergänzungszeitfensters 13 bzw. 15 einen Wert ungleich Null aufweist.
  • Der Stromimpulses 9' innerhalb des Ergänzungszeitfensters 13 bzw. 15, der nachfolgend als Reststromimpuls 16 bezeichnet werden soll, beruht auf dem Vorhandensein von Anhaftungen 5 am Füllstandssensor 2. Durch das Umschalten des Gleichrichters 6 vom Erfassungszeitfenster 12 zum Ergänzungszeitfenster 13 bzw. vom Erfassungszeitfenster 14 zum Ergänzungszeitfenster 15 kann der Reststromimpuls 16 vom Stromimpuls 9' subtrahiert werden, wodurch der Unterschied des Integrals des Stromimpulses 9 vom Integral des Stromimpulses 9' innerhalb des Erfassungszeitfensters 12 bzw. 14 weiter erhöht wird, so daß zwischen der Situation "Medium vorhanden" und der Situation "Anhaftungen vorhanden" noch deutlicher unterschieden werden kann.
  • 4 zeigt schematisch einen Teil einer Schaltung zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens, bei dem die Erfassung des Stromimpulses I mit Hilfe eines Gleichrichters erfolgt. Hierzu wird der Stromimpuls I über einen zweipoligen Schalter 17 mit den beiden Anschlüssen 18, 19 der Stromauswertung 20 verbunden. Im ersten Zyklus des Umschaltsignals 11, in dem der Schalter 17 mit dem Anschluß 18 verbunden ist, werden der Stromimpuls 9 bzw. 9' im Erfassungszeitfenster 14 und der Reststromimpuls 16 im Erfassungszeitfenster 13 gemessen, während im zweiten Zyklus des Umschaltimpulses 11, bei dem der Schalter 17 mit dem Anschluß 19 verbunden ist, der Stromimpuls 9 bzw. 9' im Erfassungszeitfenster 12 und der Reststromimpuls 16 im Erfassungszeitfenster 15 erfaßt werden. Bei dem in den 3 und 4 dargestellten Verfahren wird somit während der Dauer des Ergänzungszeitfensters 13 bzw. 15 der Reststromimpuls 16 erfaßt und der Betrag des Reststromimpulses 16 jeweils vom Betrag des Stromimpulses 9 bzw. 9' subtrahiert.
  • Bei dem in 3b gezeigten zeitlichen Verlauf des Stromimpulses 9' kann es je nach Art und Menge der Anhaftungen 5 zu einer Situation kommen, bei der das Integral des Reststromimpulses 16 größer als das Integral des Stromimpulses 9' ist, so daß die zuvor beschriebene Subtraktion des Reststromimpulses 16 vom Stromimpuls 9' zu einem "negativen" Sensorsignal führen würde.
  • Um diesen Zustand zu verhindern bzw. eine dadurch erforderliche aufwendigere Auswerteschaltung zu vermeiden, ist gemäß einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, daß der Betrag des Reststromimpulses 16 über die Dauer TA des Ergänzungszeitfensters 13 bzw. 15 nach Masse 21 abgeleitet wird. In 5 ist ein entsprechendes Zeitdiagramm des Stromimpulses 9 bzw. 9' und in 6 eine entsprechende Skizze einer Schaltung dargestellt. Wie auch in den 3a bis 3d sind in den 5a bis 5d jeweils der Verlauf des Stromimpulses 9 bzw. 9' sowie der zeitliche Verlauf des Sendeimpulses 10 und der zeitliche Verlauf eines Taktsignals 22 dargestellt. Der zeitliche Verlauf des Taktsignals 22 entspricht dabei dem zeitlichen Verlauf des Umschaltimpulses 11 gemäß 3d. Zusätzlich ist in 5e noch der zeitliche Verlauf eines Schaltsignals 23 dargestellt.
  • Bei der in 6 dargestellten Schaltung wird nun der Schalter 17 nicht nur zwischen den beiden Anschlüssen 18 und 19 sondern zusätzlich auch noch zwischen einem dritten Anschluß 24 umgeschaltet, wobei der dritte Anschluß 24 mit Masse 21 verbunden ist. Entsprechend der Schaltung gemäß 4 werden die beiden Zyklen, in denen der Schalter 17 mit den Anschlüssen 18 und 19 verbunden ist, aktiv genutzt. In diesen beiden Zyklen wird entweder der Stromimpuls 9 bzw. 9' im Erfassungszeitfenster 12 oder der Stromimpuls 9 bzw. 9' im Erfassungszeitfenster 14 gemessen. Im Unterschied zu der Schaltung gemäß 4 ist der Schalter 17 bei der Schaltung gemäß 6 jedoch über die Dauer der Ergänzungszeitfenster 13 bzw. 15 mit dem dritten Anschluß 24 verbunden, so daß der Reststromimpuls 16 nach Masse 21 abgeleitet wird. Im Unterschied zu der Schaltung gemäß 4, bei der die Gleichrichtung des Stromimpulses I mit einem zweipoligen Schalter 17 erfolgt, erfolgt bei dieser Ausführung die Gleichrichtung mit einem dreipoligen Schalter 17. Selbstverständlich kann auch ein mehrpoliger Schalter, beispielsweise ein vierpoliger Schalter, verwendet werden.
  • Dies hat zur Folge, daß das Ausgangssignal stets positiv ist, wobei ein kleines Signal einer kleinen Kapazität entspricht. Dadurch, daß der Reststromimpuls 16 stets nach Masse 21 abgeleitet wird, kann die Dauer TS des Erfassungszeitfensters noch weiter verkürzt werden, was sich positiv auf die Störfestigkeit eines entsprechenden Sensors auswirkt.
  • Ein in der Praxis geeigneter Wert der Dauer TS des Erfassungszeitfensters 12 bzw. 14 liegt zwischen 10 ns und 500 ns, insbesondere zwischen 100 ns und 500 ns. Dadurch, das erfindungsgemäß die Dauer TS des Erfassungszeitfensters 12 bzw. 14 unabhängig von der Frequenz des Sendeimpulses 10 gewählt wird, kann die Frequenz des Sendeimpulses 10 des kapazitiven Füllstandsmeßgeräts 1 in Abhängigkeit von dem zu messenden Medium 4 gewählt werden. So ist ein kapazitives Füllstandsmeßgerät 1 realisierbar, das universell bei unterschiedlichen Medien 4 eingesetzt werden kann.
  • Beispielsweise kann dasselbe kapazitive Füllstandsmeßgerät 1 dann, wenn es den Füllstand von Wasser (εr ≈ 81) überwachen soll, mit einem Sendeimpuls mit einer Frequenz von 100 kHz arbeiten, während dasselbe kapazitive Füllstandsmeßgerät 1 dann, wenn es den Füllstand von Öl (εr ≈ 2) überwachen soll, einen Sendeimpuls 10 mit einer Frequenz von 2 MHz verwendet. In beiden Fällen kann dabei die Dauer TS des Erfassungszeitfensters 12 bzw. 14 beispielsweise 130 ns betragen, wobei dann das Erfassungszeitfenster 12 bzw. 14 ausreichend kurz ist, so daß die Situation "Medium vorhanden" von der Situation "Anhaftungen vorhanden" sicher unterschieden werden kann. Bei einer – gemäß dem bisherigen Stand der Technik – um 90° phasenverschobenen Auswertung des Stromimpulses 9 gegenüber dem Sendeimpuls 10 müßte zur Erreichung eines Erfassungszeitfensters 12 bzw. 14 mit einer Dauer TS von ebenfalls 130 ns ein Sendeimpuls 10 mit einer Frequenz von 1,92 MHz verwendet werden, so daß das kapazitive Füllstandsmeßgerät 1 dann zur Überwachung des Füllstandes von Wasser nicht mehr geeignet wäre.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Bestimmung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter mit einem kapazitiven Füllstandsmeßgerät, mit einem mehrere Sensorfelder aufweisenden Füllstandssensor, wobei ein Sendeimpuls erzeugt und auf ein Sensorfeld gegeben wird, der Sendeimpuls in Abhängigkeit von der Kapazität des Sensorfeldes einen Stromimpuls generiert und der Stromimpuls innerhalb eines gegenüber dem Sendeimpuls verschobenen Erfassungszeitfensters erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer TS des Erfassungszeitfensters unabhängig von der Frequenz des Sendeimpulses (Taktfrequenz) einen vorgegebenen Wert aufweist, wobei die Dauer TS so gewählt ist, daß das Erfassungszeitfenster so groß ist, daß ein aufgrund von Anhaftungen oder Ablagerungen am Füllstandssensor zeitlich länger ausgedehnter Stromimpuls nicht vollständig innerhalb des Erfassungszeitfensters liegt, daß die Erfassung des Stromimpulses mit Hilfe eines gesteuerten Gleichrichters erfolgt, und daß beide Zyklen des Gleichrichters aktiv genutzt werden und jeder Zyklus ein Erfassungszeitfenster und ein Ergänzungszeitfenster aufweist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromimpuls über die Dauer des Erfassungszeitfensters bzw. der innerhalb des Ergänzungszeitfensters erfaßte Reststromimpuls über die Dauer des Ergänzungszeitfensters integriert wird und daß der Betrag des Reststromimpulses vom Betrag des Stromimpulses subtrahiert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromimpuls über die Dauer des Erfassungszeitfensters integriert und der innerhalb des Ergänzungszeitfensters erfaßte Reststromimpuls über die Dauer des Ergänzungszeitfensters nach Masse abgeleitet wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllstandsmeßgerät einen Mikroprozessor aufweist und der Mikroprozessor in Abhängigkeit vom zu messenden Medium die Frequenz des Sendeimpulses bestimmt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Sendeimpulses zwischen 50 kHz und 5 MHz, insbesondere zwischen 100 kHz und 2,5 MHz liegt.
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