DE19645970A1 - Kapazitiver Füllstandsensor zum Erfassen des Füllstandes eines innerhalb eines Behälters befindlichen Fluids - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Füllstandsensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus dem Stand der Technik bekannte Füllstandsensoren weisen ein kapazitives Sensorelement auf, das innerhalb eines Fluids, dessen Füllstand zu erfassen ist, angeordnet ist. Ferner umfassen solche bekannten Füllstandsensoren Auswer­ tungsschaltungen, mittels derer anhand der erfaßten Kapazi­ tät des kapazitiven Sensorelements ein den Füllstand ange­ bendes Signal erzeugt wird.

Bekannte kapazitive Füllstandsensoren umfassen z. B. ein ka­ pazitives Sensorelement, das innerhalb eines Fluids, dessen Füllstand zu erfassen ist, angeordnet ist, und eine Auswer­ tungseinrichtung, die mit dem kapazitiven Sensorelement ver­ bunden ist und den Kapazitätswert erfaßt und abhängig von dem erfaßten Kapazitätswert ein den Füllstand anzeigendes Signal erzeugt, wobei das kapazitive Sensorelement bei­ spielsweise durch ein Flachbandkabel gebildet ist. Ein sol­ cher kapazitiver Füllstandsensor ist beispielsweise aus der DE 195 16 809 C1 bekannt.

Die im Stand der Technik bekannten Füllstandsensoren arbei­ ten im wesentlichen recht zuverlässig, jedoch ergibt sich bei diesen kapazitiven Füllstandsensoren dann ein Problem, wenn beispielsweise der Behälter, in dem sich das Fluid be­ findet, dessen Füllstand zu erfassen ist, geneigt angeordnet ist. Durch die Neigung des Behälters nimmt das Fluid inner­ halb des Behälters eine Lage derart ein, daß die Oberfläche dem Fluids beispielsweise nicht mehr parallel zum Boden des Behälters angeordnet ist. Dies tritt beispielsweise bei Be­ hältern auf, die bewegt werden, wie es beispielsweise in Tankbehältern von Land-, Wasser- oder Luft-Fahrzeugen der Fall ist. Eine ähnliche Problematik tritt bei Behältern für die Medizintechnik, die Chemie, die Verfahrenstechnik und ähnliches auf, wenn diese bewegt werden.

Aufgrund der Neigung des Behälters ist durch die herkömmli­ chen kapazitiven Füllstandsensoren keine gesicherte Aussage hinsichtlich des Füllstandes eines solchen Behälters mög­ lich, da die erfaßten Kapazitätssignale durch die Neigung des Behälters verfälscht sind, so daß sich ein verfälschtes Ausgangssignal der Auswertungsschaltung ergibt, die bei­ spielsweise irrtümlich einen vollen oder leeren Behälter an­ zeigt, wenn der Behälter tatsächlich noch zur Hälfte gefüllt ist. Dies tritt beispielsweise in dem Fall auf, in dem durch die Neigung des Behälters der kapazitive Füllstandsensor ge­ mäß dem Stand der Technik nicht mehr mit dem Fluid in Ver­ bindung ist. In diesem Fall wird ein Signal ausgegeben, das anzeigt, daß der Behälter leer ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen­ den Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Füll­ standsensor zu schaffen, bei dem die Auswirkung einer Nei­ gung des Behälters, in dem das Fluid enthalten ist, dessen Füllstand zu bestimmen ist, weitgehend kompensiert ist.

Diese Aufgabe wird durch einen kapazitiven Füllstandsensor gemäß Anspruch 1 oder gemäß Anspruch 8 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft einen kapazitiven Füll­ standsensor zum Erfassen des Füllstandes eines innerhalb eines Behälters befindlichen Fluids, mit Meßelektroden, die jeweils ein erstes kapazitives Sensorelement und ein zweites kapazitives Sensorelement umfassen, und mit einer Switched Capacitor-Meßschaltung, die mit dem ersten und dem zweiten kapazitiven Sensorelement jeder Meßelektrode verbunden ist und deren Kapazitätswerte erfaßt und abhängig von den er­ faßten Kapazitätswerten ein den Füllstand anzeigendes Signal erfaßt, wobei die Meßelektroden an gegenüberliegenden Ab­ schnitten einer Bewandung des Behälters, der das Fluid ent­ hält, angeordnet sind.

Die vorliegende Erfindung schafft einen kapazitiven Füll­ standsensor zum Erfassen des Füllstandes eines innerhalb eines Behälters befindlichen Fluids mit einer ersten Meß­ elektrode, einer zweiten Meßelektrode, einer dritten Meß­ elektrode, einer vierten Meßelektrode, und einer Switched Capacitor-Meßschaltung, die mit den Elektroden verbunden ist und die Kapazitätswerte zwischen der ersten und der dritten Meßelektrode und zwischen der zweiten und der vierten Meß­ elektroden erfaßt und abhängig von den erfaßten Kapazitäts­ werten ein den Füllstand anzeigendes Signal erzeugt, wobei die erste und die dritte Meßelektrode und die zweite und die vierte Meßelektrode auf gegenüberliegenden Abschnitten einer Bewandung des Behälters, der das Fluid enthält, angeordnet sind.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die kapazitiven Sensorelemente der Meßelek­ troden durch ein fünfadriges Flachbandkabel gebildet, wobei die jeweiligen kapazitiven Sensorelemente durch jeweils zwei Adern des Flachbandkabels gebildet sind, die durch eine mittlere Ader, die mit Masse verbunden ist, entkoppelt sind. Das Flachbandkabel ist mit der Switched Capacitor-Meßschal­ tung verbunden, die jegliche Umgebungseinflüsse auf die Sen­ sorelemente aus dem Sensorsignal entfernt.

Bevorzugte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Anhand der bei liegenden Zeichnungen werden nachfolgend be­ vorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung nä­ her erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Switched Capacitor-Meß­ schaltung;

Fig. 2a bis 2c Querschnittdarstellungen von Flachbandkabeln, die beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung Verwen­ dung finden;

Fig. 3 eine schematische Darstellung, die die Wirkungs­ weise des kapazitiven Füllstandsensors gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 4 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsge­ mäßen Füllstandsensors;

Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsge­ mäßen Füllstandsensors;

Fig. 6 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsge­ mäßen Füllstandsensors;

Fig. 7 ein erstes Anwendungsbeispiel für den erfindungs­ gemäßen Füllstandsensor;

Fig. 8 ein zweites Anwendungsbeispiel des erfindungsge­ mäßen Füllstandsensors; und

Fig. 9 ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen kapazitiven Füllstandsensors.

Bevor nachfolgend auf bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher eingegangen wird, wird zunächst anhand der Fig. 1 die Beschaltung der Switched Capacitor- Meßschaltung, die in dem erfindungsgemäßen Füllstandsensor Verwendung findet, näher beschrieben. Ein erstes kapazitives Sensorelement C1 und ein zweites kapazitives Sensorelement C2 sind mit einer Switched Capacitor-Meßschaltung 102 ver­ bunden. Eine Spannungsquelle 104 ist mit der Meßschaltung 102 verbunden und dient dazu, die jeweiligen Elektroden der Sensorelemente C1 und C2 abwechselnd umzupolen. Dadurch wer­ den die jeweiligen Elektroden der Sensorelemente C1 und C2 durch die Spannungsquelle 104 abwechselnd mit Spannungen un­ terschiedlicher Polarität beaufschlagt. Ferner sind zwei Re­ ferenzkapazitäten CREF1 und CREF2 vorgesehen, die mit der Schaltung 102 verbunden sind. Die jeweiligen Schalterein­ richtungen, die die oben beschriebene unterschiedliche Be­ aufschlagung der Elektroden ermöglichen, sind sowohl in der Spannungsquelle 104 als auch in der Meßschaltung 102 vorge­ sehen. Nachdem es sich hierbei um eine an sich bekannte Kon­ figuration handelt, ist eine noch detailliertere Beschrei­ bung nicht erforderlich. Hinsichtlich eines Beispiels für eine Switched Capacitor-Meßschaltung wird auf die interna­ tionale Patentanmeldung WO 92/18856 verwiesen, deren Offen­ barungsgehalt durch diesen Querverweis aufgenommen wird.

Die Switched Capacitor-Meßschaltung 102 erzeugt an ihrem Ausgang 106 ein Ausgangssignal (Pfeil 108), das den Füll­ stand eines Fluids anzeigt, der aus den Ausgangssignalen der Sensorelemente C1 und C2 abgeleitet wurde.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden für den erfindungsgemäßen kapazitiven Füllstandsensor Sensorelemente verwendet, die durch ein Flachbandkabel gebildet sind. Sol­ che Flachbandkabel sind in Fachkreisen an sich bekannt. In Fig. 1 ist ein Flachbandkabel durch die fünf Leitungen 110, 112, 114, 116 und 118 angedeutet.

In Fig. 2a-c sind mehrere beispielhafte Flachbandkabel 200, 220 und 240 dargestellt.

Das Flachbandkabel 200 in Fig. 2a umfaßt fünf Adern 202, 204, 206, 208, 210. Das kapazitive Sensorelement C1 wird beispielsweise durch die beiden parallel verlaufenden, in der Fig. 2a linksseitig außen liegenden Adern 202 und 204 gebildet, und das kapazitive Sensorelement C2 wird durch die beiden parallel verlaufenden, in der Fig. 2a rechtsseitig außen liegenden Adern 208 und 210 gebildet. Die fünf Adern 202, 204, 206, 208 und 210 sind von einem Schutzüberzug 212 umgeben. Die Ader 206 ist mit Masse verbunden, um die beiden kapazitiven Sensorelemente C1 und C2 voneinander zu entkop­ peln. In Fig. 1 ist dies durch die Masseleitung 110 darge­ stellt.

Das in Fig. 2b dargestellte Flachbandkabel entspricht im we­ sentlichen dem in Fig. 2a dargestellten. Das Flachbandkabel 220 umfaßt fünf Adern 222, 224, 226, 228 und 230. Die Form des Schutzüberzuges 232 ist beim Flachbandkabel 220 an die Adern 222 bis 230 angepaßt.

Das in Fig. 2c dargestellte Flachbandkabel 240 weist eben­ falls fünf Adern 242, 244, 246, 248 und 250 auf. Ein Schutz­ überzug 252 umgibt die Ader 242 bis 250. Bei diesem Flach­ bandkabel 250 sind die Adern 242 bis 250 in den Schutzüber­ zug einlaminiert.

Wenn das Flachbandkabel im Inneren des Behälters in Berüh­ rung mit dem Fluid angeordnet ist, wird der Schutzüberzug des Flachbandkabels derart gewählt, daß an diesem keine Adhäsion oder Anhaftung eines Fluids auftritt, sofern das Flachbandkabel mit dem Fluid, dessen Füllstand zu erfassen ist, in Kontakt tritt, so daß Meßfehler vermieden werden.

Ein bevorzugtes Material für den Schutzüberzug ist Teflon, wobei auch andere Materialien, bei denen keine Adhäsion des Fluids auftritt, als Schutzüberzug verwendbar sind.

Die anhand der Fig. 1 beschriebene Switched-Capacitor-Meß­ schaltung wird verwendet, um Umgebungseinflüsse, wie z. B. Temperaturänderungen, auf die Sensorelemente C1, C2 zu kom­ pensieren. Dies erfolgt auf an sich bekannte Art und Weise durch die Switched Capacitor-Meßschaltung 102, die in Ver­ bindung mit Spannungsquelle 104 die Sensorelemente C1 und C2 abwechselnd mit Spannung in unterschiedlicher Polarität be­ aufschlagt.

Obwohl im Vorhergehenden fünfadrige Flachbandkabel beschrie­ ben wurden, wird darauf hingewiesen, daß die vorliegende Er­ findung nicht auf die Verwendung dieser beschränkt ist, son­ dern daß abhängig von der ausgewählten Konfiguration unter­ schiedliche Flachbandkabel mit unterschiedlicher Aderzahl verwendet werden können.

Ferner ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwen­ dung der oben beschriebenen Flachbandkabel beschränkt, son­ dern vielmehr können auch kapazitive Sensorelemente verwen­ det werden, die nicht in der Form eines Flachbandkabels auf­ gebaut sind.

Anhand der Fig. 3 wird nachfolgend das Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Füllstandsensors näher beschrieben.

In Fig. 3a ist ein Behälter 300 dargestellt, in dem sich ein Fluid 302 befindet, dessen Füllstand zu erfassen ist. In Fig. 3a sei angenommen, daß der Behälter 300 zur Hälfte ge­ füllt sei, wie dies durch die Angabe 50% verdeutlicht ist. Der Behälter 300 befindet sich in seiner normalen Lage, was in Fig. 3a dadurch angezeigt ist, daß die Oberfläche des Fluids 304 mit der Bodenfläche 306 des Behälters 300 paral­ lel ausgerichtet ist. Bei dem in Fig. 3a dargestellten Bei­ spiel sind zwei Meßelektroden 308 und 310 an gegenüberlie­ genden Abschnitten 312, 314 der Gehäusebewandung angeordnet. Wie es bereits im Vorhergehenden beschrieben wurde, können die Meßelektroden durch ein einzelnes Flachbandkabel gebil­ det sein. In diesem Fall erstreckt sich das Flachbandkabel auch noch parallel zum Behälterboden 306, jedoch hat dies keinerlei Einfluß auf das Meßergebnis und wird daher nicht näher beschrieben.

Das Flachbandkabel bzw. die Elektroden 308, 310 sind mit einer Auswertungsschaltung 316 verbunden, die im wesentli­ chen der Schaltung entspricht, die anhand der Fig. 1 be­ schrieben wurde.

Bei dem in Fig. 3a dargestellten Fall erzeugt die Meßelek­ trode 308 ein Ausgangssignal, das anzeigt, daß der Behälter zu 50% gefüllt ist. Genauso gibt die Meßelektrode 310 ein Ausgangssignal aus, das anzeigt, daß der Behälter zu 50% ge­ füllt ist.

In der Auswertungsschaltung 316 werden diese beiden Signale addiert und anschließend durch zwei dividiert, wodurch sich der Füllstand des Fluids in dem Behälter ergibt. Bei dem Beispiel in Fig. 3a würde sich ergeben:

50 + 50 = 100 : 2 = 50

In Fig. 3b ist der Behälter 300 in einer geneigten Position dargestellt, in der die Oberfläche 304 des Fluids 302 nicht mehr parallel zum Behälterboden 306 ist. Die Meßelektrode 308 gibt in dem in Fig. 3b dargestellten Fall ein Meßsignal aus, das anzeigt, daß der Behälter zu 90% gefüllt ist, wo­ hingegen die Elektrode 310 ein Signal ausgibt, das anzeigt, daß der Behälter nur noch zu 10% gefüllt ist. Durch die Aus­ wertungsschaltung 316 werden die beiden Ausgangssignale der Meßelektroden addiert und anschließend durch zwei dividiert. Im Fall der Fig. 3b ergibt sich:

90 + 10 = 100 : 2 = 50

Wie aus der obigen Gleichung zu erkennen ist, ergibt sich für eine Neigung des Behälters 300 durch den erfindungsge­ mäßen Füllstandsensor der korrekte Füllstand, nämlich 50%.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der kapazi­ tive Füllstandsensor Meßelektroden, im Fall Fig. 3 z. B. zwei Meßelektroden, aufweist, die jeweils ein erstes kapazitives Sensorelement und ein zweites kapazitives Sensorelement um­ fassen. Ferner ist eine Switched Capacitor-Meßschaltung 316 vorgesehen, die mit dem ersten und mit dem zweiten kapazi­ tiven Sensorelementen jeder Meßelektrode verbunden ist und de­ ren Kapazitätswerte erfaßt und abhängig von den erfaßten Ka­ pazitätswerten einen Füllstand anzeigendes Signal erzeugt. Um die Neigung des Behälters 300 zu kompensieren sind die Meßelektroden an gegenüberliegenden Abschnitten der Bewan­ dung des Behälters 300, der das Fluid 302 enthält, angeord­ net.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele des er­ findungsgemäßen Füllstandsensors sowie zwei Anwendungsbei­ spiele des kapazitiven Füllstandsensors näher beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, daß in der nachfolgenden Be­ schreibung der Fig. für gleiche Bauteile die gleichen Be­ zugszeichen verwendet werden.

Anhand der Fig. 4 wird nachfolgend ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen kapazitiven Füll­ standsensors näher beschrieben. In Fig. 4 ist ein Behälter 300 dargestellt, in dem ein Fluid enthalten sein kann, des­ sen Füllstand zu erfassen ist. Aus Gründen der Übersicht­ lichkeit wurde in Fig. 4 auf eine Darstellung des Fluids verzichtet.

Auf zwei gegenüberliegenden Bewandungen 312 und 314 des Be­ hälters 300 sind eine erste Meßelektrode 308 und eine zweite Meßelektrode 310 angeordnet. Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Meßelektroden durch ein Flach­ bandkabel gebildet, das fünf Adern aufweist, wie es bei­ spielsweise anhand der Fig. 2 beschrieben wurde. Die ver­ größerte Ausschnittdarstellung in Fig. 4 zeigt die Meßelek­ trode 310 im Detail. Diese ist durch ein Flachbandkabel 400 gebildet, das fünf Adern 402, 404, 406, 408 und 410 auf­ weist. Die kapazitiven Sensorelemente sind gemäß dem Aus­ führungsbeispiel der Fig. 4 zum einen durch die Adern 402 und 404 gebildet, welche das kapazitive Sensorelement C1 bilden und zum anderen durch die Adern 408 und 410 des Flachbandkabels 400 gebildet, welche das kapazitive Sensor­ element C2 bilden. Die Ader 406, die zwischen den Sensorele­ menten C1 und C2 angeordnet ist, ist mit Masse verbunden (siehe Fig. 1) und dient zur Entkopplung der kapazitiven Sensorelemente C1 und C2.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die erste und die zweite Meßelektrode durch ein Flachbandkabel gebildet, wie es durch die gestrichelte Verbindung zwischen den Meßelektroden 308 und 310 dargestellt ist. Das Flach­ bandkabel und damit die Meßelektroden bzw. deren kapazitive Sensorelemente sind mit der Auswertungsschaltung 316 verbun­ den. Die Meßelektroden 308, 310, die in Fig. 4 dargestellt sind, können abhängig von der Struktur bzw. dem Material aus dem der Behälter 300 besteht und abhängig von dem in dem Be­ hälter 300 befindlichen Fluid entweder auf einer Außenseite der Bewandung des Behälters oder auf einer Innenseite des Behälters angeordnet sein. Ebenso ist es möglich, die Meß­ elektroden innerhalb der Bewandung des Behälters 300 einzu­ betten. Um unerwünschte Beeinflussungen des von den Meßelek­ troden erfaßten Signals durch Umgebungseinflüsse zu vermei­ den, kann auf der dem Fluid abgewandten Seite der Meßelek­ troden zusätzlich eine Abschirmung vorgesehen sein (in Fig. 4 nicht dargestellt).

Anhand der Fig. 5 wird nachfolgend ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher be­ schrieben.

In Fig. 5 ist ein Behälter 300 dargestellt, der zwei Meß­ elektroden 308, 310 aufweist, wie sie bereits anhand der Fig. 4 beschrieben wurden. Der Unterschied gegenüber dem Ausführungsbeispiel aus der Fig. 4 besteht darin, daß die einzelnen Adern des gemäß der Fig. 5 verwendeten Flachband­ kabels der einzelnen Meßelektroden nicht direkt miteinander verbunden sind, sondern vielmehr über Kreuz verbunden sind, wie dies in Fig. 5 beim Bezugszeichen 500 dargestellt ist. Genauer gesagt ist das erste kapazitive Sensorelement C1 der Meßelektrode 308 mit dem zweiten kapazitiven Sensorelement C2 der zweiten Meßelektrode 310 verbunden, und das zweite kapazitive Meßelement C2 der ersten Meßelektrode ist mit dem ersten kapazitiven Sensorelement der zweiten Meßelektroden verbunden. Die in Fig. 5 dargestellte gestrichelte Linie ist die Symmetrieachse des Flachbandkabels, die auch gleichzei­ tig mit der mittleren Ader, die auf Masse liegt, zusammen­ fällt, so daß vereinfacht gesagt werden kann, daß die Anord­ nung der jeweiligen kapazitiven Sensorelemente bezüglich der Meßelektroden 308 und 310 um diese Symmetrieachse gespiegelt angeordnet sind. Die in Fig. 5 dargestellte Verschaltung der einzelnen Sensorelemente der Meßelektroden dient dazu, die Querneigungsempfindlichkeit des kapazitiven Füllstandsensors zu reduzieren. Durch die Verschaltung gemäß der Fig. 5 wird eine Neigung des Behälters 300 in die Richtung C-D (siehe Fig. 5) reduziert, ohne daß die Empfindlichkeit in die Rich­ tung A-B (siehe Fig. 5) beeinträchtigt wird. Mit anderen Worten ist es gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 mög­ lich eine Neigung des Behälters 300 hauptsächlich in die Richtung A-B zu erfassen, wohingegen Neigungen in die Rich­ tung C-D das Meßergebnis nicht beeinflussen, da durch die spiegelverkehrte bzw. gekreuzte Verschaltung der einzelnen Sensorelemente eine Kompensation einer solchen Neigung er­ folgt.

Anhand der Fig. 6 wird nachfolgend ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher be­ schrieben.

In Fig. 6 ist ein Behälter 300 dargestellt, der mit insge­ samt vier Meßelektroden versehen ist. Die zwei Meßelektroden 308 und 310 sind auf gegenüberliegenden Seiten des Behälters 300 angeordnet ebenso wie die Meßelektroden 600 und 602. Mittels des kapazitiven Füllstandsensors gemäß der Fig. 6 ist es möglich, die Neigung des Behälters in zwei Richtungen bei der Messung des Füllstandes zu berücksichtigen. Bei dem in Fig. 6a dargestellten Ausführungsbeispiel sind die ein­ zelnen Elektroden ebenfalls als Flachbandkabel ausgeführt, die im wesentlichen mit dem Flachbandkabel übereinstimmen, das bereits anhand der Fig. 4 näher beschrieben wurde. Der Übersichtlichkeit halber wurde der Anschluß zur Auswertungs­ schaltung in der Fig. 6a weggelassen.

Anhand der Fig. 6b ist die Verschaltung der einzelnen Flach­ bandkabel gemäß dem in dieser Figur dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel näher beschrieben. Wie es in Fig. 6b zu sehen ist, kreuzen sich die einzelnen Meßelektroden im Punkt 604 (siehe auch Fig. 6a). In dem Kreuzungspunkt 604 sind die einzelnen Flachbandkabel 308, 310, 600, 602 derart verschal­ tet, daß die Adern 402 und 404 der Meßelektrode 308 mit den Adern 402' und 404' der Meßelektrode 602 verbunden sind. Die Adern 408 und 410 der Meßelektrode 308 sind mit den Adern 402' und 404' der Meßelektrode 600 verschaltet. Die Adern 402 und 404 der Meßelektrode 310 sind mit den Adern 408' und 410' der Meßelektrode 602 verbunden, wohingegen die Adern 404 und 410 der Meßelektrode 310 mit den Adern 408' und 410' der Meßelektrode 600 verbunden sind. Ferner sind die Masse­ adern 406 und 406' vorgesehen. Wie es durch die gestrichel­ ten Linien im Zentrum der Fig. 6b dargestellt ist, sind die Verbindungspunkte der oben angeführten Adern wie nachfolgend verschaltet. Der Verbindungspunkt 610 und der Verbindungs­ punkt 612 sind mit dem Verbindungspunkt 614 bzw. 616 verbun­ den. Zwischen den Punkten 614 und 616 wird die Kapazität C1 herausgeleitet, wie es durch die Pfeile dargestellt ist. Die Verbindungspunkte 618 und 620 sind mit den Verbindungspunk­ ten 622 bzw. 624 verbunden, und zwischen den Punkten 622 und 624 wird die Kapazität C2 herausgezogen.

Die oben beschriebene Anordnung der Meßelektroden und die Verschaltung der einzelnen Adern gemäß dem Ausführungsbei­ spiel aus der Fig. 6 ermöglicht es, den Füllstand in einem Behälter 300 sicher zu messen, wobei in diesem Fall der Ein­ fluß einer Neigung des Behälters 300 in eine oder in zwei Richtungen sicher kompensiert wird.

Nachfolgend wird anhand der Fig. 7 und 8 jeweils ein Verwen­ dungsbeispiel für den erfindungsgemäßen kapazitiven Füll­ standsensor beschrieben.

In Fig. 7a ist eine Querschnittdarstellung eines Tankbehäl­ ters 700 dargestellt, wie er sich beispielsweise bei Motor­ rädern findet. In dem Behälter 700 befindet sich die Treib­ stofflüssigkeit 702, deren Füllstand mittels des erfindungs­ gemäßen Füllstandsensors zu erfassen ist. Der Behälter bzw. Tankbehälter 700 weist eine erste Begrenzungswand 706 sowie eine zweite Begrenzungswand 708 auf. Benachbart zu diesen seitlichen Begrenzungswänden ist jeweils eine Meßelektrode 710 und 712 angeordnet. Die Meßelektroden 710 und 712 sind in einer Vertiefung der Behälterwand 706 bzw. 708 angeord­ net, wie dies nachfolgend anhand der Fig. 7b näher beschrie­ ben wird. Die Anschlüsse der Meßelektroden 710 bzw. 712 zu der Auswertungseinrichtung sind in Fig. 7 nicht dargestellt.

Anhand der Fig. 7b wird die Anordnung der Meßelektrode 712 in der Tankwand 708 näher und schematisch dargestellt. Die Fig. 7b stellt vereinfacht einen Ausschnitt der rechten Tankwand aus Fig. 7a dar. Benachbart zu der Tankwand 708 ist das Sensorelement 712 in einem dafür vorgesehenen Hohlraum oder einer Ausnehmung angeordnet, und ferner ist eine Iso­ lierung 714, die beispielsweise aus Polyurethan besteht, vorgesehen. Um das Sensorelement 712 von unerwünschten Um­ weltbeeinflussungen abzuschirmen, ist eine Abschirmung 716 an der Seite der Meßelektrode 712 angeordnet, die dem Fluid abgewandt ist. Dadurch wird sichergestellt, daß keinerlei Meßfehler durch etwaige Umgebungseinflüsse in das Meßsignal einfließen und nur der Füllstand in dem Tankbehälter 700 er­ faßt wird.

Anhand der Fig. 8 wird nachfolgend ein zweites Verwendungs­ beispiel für den erfindungsgemäßen kapazitiven Füllstandsen­ sor beschrieben.

In Fig. 8 ist ein Behälter 800 dargestellt, der beispiels­ weise zum Transport im Bereich der Medizintechnik, Chemie, Verfahrenstechnik oder ähnlichem dient. Der Behälter 800 weist eine erste Ausnehmung 802 und eine zweite Ausnehmung 804 auf, die sich von einem Bodenabschnitt 806 des Behälters bis zu einem oberen Abschnitt 808 des Behälters 800 er­ streckt. In diese Ausnehmungen ist eine Griffstruktur 810 eingelassen, die im wesentlichen U-förmig ist. Die Griff­ struktur 810 dient als Transport- und/oder Versteifungsbügel für den Behälter 800.

In die Griffstruktur 810 ist der erfindungsgemäße Füllstand­ sensor integriert eingebaut, einschließlich der Auswertungs­ schaltung.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Griffstruktur 810 mit einer beispielsweise digitalen Anzeige 812 versehen, die wirksam mit der Auswertungseinrichtung verbunden ist, und auf das Ausgangssignal dieser reagiert, um den Füllstand anzuzeigen. Dadurch wird sichergestellt, daß ein Träger oder Benutzer des Behälters 800 zu jedem Zeitpunkt sicher weiß, wie voll bzw. wie leer der Behälter 800 ist.

Obwohl die vorhergehende Beschreibung der bevorzugten Aus­ führungsbeispiele des erfindungsgemäßen kapazitiven Füll­ standsensors im wesentlichen anhand von Meßelektroden er­ folgte, die durch Flachbandkabel gebildet sind, ist es für einen Fachmann offensichtlich, daß anstelle der beschrie­ benen Flachbandkabel auch andere Elektrodenkonfigurationen, die zumindest zwei kapazitive Sensorelemente pro Meßelek­ trode bilden, möglich sind.

Anhand der Fig. 9 wird nachfolgend ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. In Fig. 9 ist ein Behälter 900 dargestellt, in dem sich eine Flüssigkeit 902 befindet, deren Füllstand innerhalb des Be­ hälters 900 zu erfassen ist. Der Behälter 900 ist auf zwei gegenüberliegenden Bewandungen 904 und 906 mit einer Mehr­ zahl von Elektrodenleitungen oder -platten versehen, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 908 bzw. 910 versehen sind.

Wie es in der Fig. 9 dargestellt ist, wird durch die Elek­ trodenplatten 912 und 914 eine Kapazität C1 definiert, wobei der Zwischenraum zwischen den Platten 912 und 914 anteilig durch die zu messende Flüssigkeit 902 und durch Luft gebil­ det ist. Auf ähnliche Weise ist die Kapazität C2 durch die Elektrodenplatten 916 und 918 gebildet. Zur Entkopplung der so gebildeten Kapazitäten C1 und C2 sind jeweils Masseelek­ troden 920 und 922 zwischen den Elektroden 912 und 916 bzw. 914 und 918 vorgesehen. In Fig. 9 ist die Auswertungsschal­ tung der Einfachheit halber nicht dargestellt, jedoch ist durch die Darstellung der Kapazitäten C1 und C2 angedeutet, daß die Kapazitätswerte zwischen den entsprechenden Elek­ troden an diese Auswertungsschaltung, d. h. an die Switched Capacitor-Meßschaltung angelegt werden, um ein Ausgangssi­ gnal dieser Schaltung zu erzeugen, das den Füllstand der Flüssigkeit 902 in dem Behälter 900 anzeigt, wobei auch hier, wie in den vorhergehend beschriebenen Ausführungsbei­ spielen, eine Neigung des Behälters 900 keinerlei Einfluß auf das Meßergebnis hat, so daß auch bei diesem Ausführungs­ beispiel sichergestellt ist, daß im wesentlichen immer der korrekte Füllstand erfaßt wird.

Obwohl anhand der Fig. 9 die Bildung der Kapazitäten C1 und C2 anhand von Elektrodenplatten beschrieben wurde, ist es offensichtlich, daß anstelle dieser auch die bereits oben beschriebenen Flachbandkabel verwendet werden können, wobei in diesem Zusammenhang jedoch darauf hingewiesen wird, daß bei der Verwendung von Flachbandkabeln die Kapazitäten durch einzelne Adern auf gegenüberliegenden Seiten des Behälters gebildet werden, und daß zur Entkopplung der so gebildeten Kapazitäten zwischen den einzelnen Adern, die solche Kapazi­ täten bilden, Masseleitungen vorzusehen sind. Als Beispiel sei in diesem Zusammenhang noch einmal auf Fig. 4 Bezug ge­ nommen, in der im Detail die Struktur eines fünfadrigen Flachbandkabels dargestellt ist. Für eine Anwendung als Elektrode auf einer der beiden Oberflächen des Behälters 900 müßte dieses Flachbandkabel lediglich anders verschaltet werden, nämlich dahingehend, daß die Adern 402, 406 und 410 als Elektroden der Kapazität dienen, wohingegen die Adern 404 und 408 als Masseadern zur Abschirmung der einzelnen Ka­ pazitäten dienen. Um dies zu verdeutlichen muß man sich in der Fig. 9 die dort beschriebenen Elektroden 912 bis 918 le­ diglich als einzelne Adern eines Flachbandkabels beispiels­ weise eine dreiadrigen Flachbandkabels, vor Augen halten, wobei die mittlere Ader auf Masse liegt und die beiden äuße­ ren Adern zur Bildung der Kapazitäten herangezogen werden.

Claims (10)

1. Kapazitiver Füllstandsensor zum Erfassen des Füllstan­ des eines innerhalb eines Behälters (300; 700; 800) be­ findlichen Fluids (302; 702) mit
Meßelektroden (308, 310; 600, 602; 710, 712), die je­ weils ein erstes kapazitives Sensorelement (C1) und ein zweites kapazitives Sensorelement (C2) umfassen; und
einer Switched Capacitor-Meßschaltung (102; 316), die mit dem ersten und dem zweiten kapazitiven Sensorele­ ment jeder Meßelektrode verbunden ist und deren Kapazi­ tätswerte erfaßt und abhängig von den erfaßten Kapazi­ tätswerten ein den Füllstand anzeigendes Signal er­ zeugt;
dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßelektroden an gegenüberliegenden Abschnitten einer Bewandung (312, 314; 706, 708) des Behälters (200; 700; 800), der das Fluid (302; 702) enthält, an­ geordnet sind.

2. Kapazitiver Füllstandsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektroden auf der Außenseite oder auf der Innenseite des Behälters (300) angeordnet sind.

3. Kapazitiver Füllstandsensor nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Meßelektroden durch ein Flachbandkabel (400) gebildet sind, wobei das erste kapazitive Sensorelement (C1) und das zweite kapazitive Sensorelement (C2) der Meßelektroden jeweils durch zwei Adern des Flachbandka­ bels mit mindestens fünf Adern gebildet sind, wobei die fünfte Ader (406) zwischen den Adern (402, 404, 408, 410) verläuft, die die kapazitiven Sensorelement (C1, C2) bilden, und mit Masse verbunden ist.

4. Kapazitiver Füllstandsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste kapazitive Sensorelement (C1) der ersten Meßelektrode (308) mit dem zweiten kapazitiven Sensor­ element (C2) der zweiten Meßelektrode (310) und das zweite kapazitive Sensorelement (C2) der ersten Meß­ elektrode (308) mit dem ersten kapazitiven Sensorele­ ment (C1) der zweiten Meßelektrode (310) verbunden ist.

5. Kapazitiver Füllstandsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Switched Capacitor-Meßschaltung (316) mit einer Anzeigevorrichtung (812) verbunden ist, die auf das den Füllstand anzeigende Signal reagiert, um den Füllstand anzuzeigen.

6. Kapazitiver Füllstandsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektroden (710, 712) in der Bewandung des Behälters (700) eingebettet sind.

7. Kapazitiver Füllstandsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Fluid (702) abgewandten Seite der Meß­ elektroden (712) eine Abschirmung (716) angeordnet ist.

8. Kapazitiver Füllstandsensor zum Erfassen des Füllstan­ des eines innerhalb eines Behälters (900) befindlichen Fluids (902) mit
einer ersten Meßelektrode (912),
einer zweiten Meßelektrode (916),
einer dritten Meßelektrode (914),
einer vierten Meßelektrode (918), und
einer Switched Capacitor-Meßschaltung, die mit den Elektroden verbunden ist und die Kapazitätswerte (C1, C2) zwischen der ersten und der dritten Meßelektrode (912, 914) und zwischen der zweiten und der vierten Meßelektroden (916, 918) erfaßt und abhängig von den erfaßten Kapazitätswerten ein den Füllstand anzeigendes Signal erzeugt;
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste und die dritte Meßelektrode (912, 914) sowie die zweite und die vierte Meßelektrode (916, 918) auf gegenüberliegenden Abschnitten einer Bewandung des Behälters (900), der das Fluid (902) enthält, angeord­ net sind.

9. Kapazitiver Füllstandsensor nach Anspruch 8, gekenn­ zeichnet durch
eine erste Masseelektrode (920), die zwischen der er­ sten und der zweiten Meßelektrode (912, 916) angeordnet ist, und
eine zweite Meßelektrode (922), die zwischen der drit­ ten und der vierten Meßelektrode (914, 918) angeordnet ist.

10. Kapazitiver Füllstandsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste und zweite Meßelektrode und die erste Masseelektrode durch Adern eines ersten Flachbandkabels gebildet sind; und
daß die dritte und vierte Meßelektrode und die zweite Masseelektrode durch Adern eines zweiten Flachbandka­ bels gebildet sind.