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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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1 eine
Prinzipskizze eines kapazitiven Füllstandsmeßgeräts in einem Behälter sowie
ein technisches Ersatzschaltbild, einmal ohne und einmal mit Anhaftungen,
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2 ein
Zeitdiagramm des Stromimpulses, ohne und mit Anhaftungen, entsprechend
einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, und
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3 ein
Zeitdiagramm des Stromimpulses, ohne und mit Anhaftungen, entsprechend
einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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4 eine
Skizze einer Schaltung für
die erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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5 ein
Zeitdiagramm des Stromimpulses, ohne und mit Anhaftungen, entsprechend
einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
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6 eine
Skizze einer Schaltung für
die zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.