DE202010017455U1

DE202010017455U1 - Vorrichtung zur kapazitiven Bestimmung eines Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter

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Publication number: DE202010017455U1
Application number: DE202010017455U
Authority: DE
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2010-06-22
Filing date: 2010-06-22
Publication date: 2011-11-14
Anticipated expiration: 2020-06-23
Also published as: DE102010030362A1

Abstract

Vorrichtung zur kapazitiven Bestimmung eines Füllstandes einer Flüssigkeit (7) in einem Behälter (1), mit einem im Wesentlichen aus einem isolierenden Werkstoff gefertigten Behälter (1), mit einer Sensorelektrode (41), mit mindestens einer Schutzelektrode (42), mit einer Steuereinheit (5), welche die Sensorelektrode (41) mit einem Steuersignal beaufschlagt, und mit einer Auswerteeinheit (6), welche von der Sensorelektrode (41) ein Antwortsignal empfängt und aus dem Antwortsignal den Füllstand bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektrode (41) und die Schutzelektrode (42) in eine Wandung (2) des Behälters (1) eingebracht und/oder auf einer der Flüssigkeit (7) abgewandten Außenfläche (3) der Wandung (2) des Behälters (1) aufgebracht sind, und dass sich die Sensorelektrode (41) und die Schutzelektrode (42) zumindest von einer Höhe eines minimalen Füllstandes bis zu einer Höhe eines maximalen Füllstandes erstrecken, oder dass die Sensorelektrode (41) im Wesentlichen auf einer Höhe eines zu bestimmenden Grenzfüllstands angeordnet ist und dass die Schutzelektrode...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kapazitiven Bestimmung eines Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter, mit einem im Wesentlichen aus einem isolierenden Werkstoff gefertigten Behälter, mit einer Sensorelektrode, mit mindestens einer Schutzelektrode, mit einer Steuereinheit, welche die Sensorelektrode mit einem Steuersignal beaufschlagt, und mit einer Auswerteeinheit, welche von der Sensorelektrode ein Antwortsignal empfängt und aus dem Antwortsignal den Füllstand bestimmt.
Aus dem Stand der Technik sind kapazitive Sonden zur Bestimmung eines Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter bekannt. Das Messprinzip ist das folgende: die Elektroden einer Sonde oder die Elektrode einer Sonde und die Wandung eines elektrisch leitfähigen Behälters bilden die Elektroden eines Kondensators, die Flüssigkeit im Behälter ein Dielektrikum. Die Kapazität des Kondensators ist von der Menge der zwischen den Elektroden eingeschlossenen Flüssigkeit und daher vom Füllstand der Flüssigkeit abhängig. Aus der Kapazität kann somit der Füllstand bestimmt werden. Hierzu wird die Sonde üblicherweise mit einem Steuersignal beaufschlagt, meist in Form einer Wechselspannung. Das Empfangssignal ist meist ein Stromsignal, welches in eine Wechselspannung umgewandelt wird. Um die Sonde unanfälliger für Störsignale oder Ansatzbildung zu gestalten, ist sie häufig mit einer zusätzlichen Schutzelektrode ausgestattet. Diese ermöglicht eine Messung auch bei an der Sonde anhaftendem Ansatz, jedoch nur bis zu einer bestimmten Ansatzmenge. Eine häufige Reinigung bei stark Ansatz bildenden Medien ist daher dennoch notwendig. Dies ist jedoch aufwendig und kostenintensiv.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, kapazitive Füllstandsmessung kostengünstig zu gestalten.
Die Aufgabe wird bezüglich einer Vorrichtung dadurch gelöst, dass die Sensorelektrode und die Schutzelektrode in eine Wandung des Behälters eingebracht und/oder auf einer der Flüssigkeit abgewandten Außenfläche der Wandung des Behälters aufgebracht sind, und dass sich die Sensorelektrode und die Schutzelektrode zumindest von einer Höhe eines minimalen Füllstandes bis zu einer Höhe eines maximalen Füllstandes erstrecken oder dass die Sensorelektrode im Wesentlichen auf einer Höhe eines zu bestimmenden Grenzfüllstands angeordnet ist und dass die Schutzelektrode derart angeordnet ist, dass die Schutzelektrode die Sensorelektrode zumindest teilweise bedeckt.
Unter einem maximalen/minimalen Füllstand ist hierbei in einer ersten Ausgestaltung ein maximaler/minimaler zu bestimmender Füllstand zu verstehen. Bei dem maximalen/minimalen Füllstand kann es sich somit um den einem vollständig gefüllten/entleerten Behälter entsprechenden Füllstand handeln; dies ist jedoch nicht zwingend der Fall. Die Sensorelektrode, welche sich zumindest zwischen diesen Füllständen erstreckt, ist bevorzugt länglich, d. h. vertikal ausgerichtet. In einer zweiten Ausgestaltung entsprechen der maximale und der minimale Füllstand zwei zur Kalibrierung der Messwerte notwendigen Füllständen, sodass ein dazwischen hegender Füllstand eindeutig einem Messwert zuordbar ist. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind sowohl kontinuierlicher Füllstand als auch ein Grenzfüllstand bestimmbar. in einer alternativen Ausführung, welche nur zur Bestimmung eines Grenzfüllstands dient, ist die Sensorelektrode nicht vertikal, sondern horizontal ausgerichtet oder sie besitzt in vertikaler und horizontaler Richtung im Wesentlichen die gleichen Abmessungen.
Die Schutzelektrode liegt im Wesentlichen auf dem gleichen Potential wie die Sensorelektrode und schützt diese vor äußeren Einflüssen, welche die Kapazität und somit den ermittelten Füllstand beeinflussen würden. Bevorzugt ist die Schutzelektrode derart ausgestaltet und angeordnet, dass sie die Sensorelektrode vollständig bedeckt. Es versteht sich von selbst, dass die Schutzelektrode gegenüber der Sensorelektrode isoliert ist, beispielsweise über eine isolierende Zwischenschicht. Es sind auch Anordnungen mit mehreren Schutzelektroden denkbar, wobei beispielsweise eine zweite Schutzelektrode benachbart zu der Sensorelektrode oder um die Sensorelektrode herum in derselben Schicht angeordnet ist.
Bei dem Behälter handelt es sich bevorzugt um einen Kunststoffbehälter. Die Formgebung ist hierbei beliebig.
Durch die Anbringung der Elektroden auf der Außenfläche der Wandung des Behälters oder in der Wandung selbst ist eine berührungslose Messung möglich. Die Flüssigkeit beeinträchtigt die Lebensdauer der Elektroden daher nicht. Da beispielsweise mit Elektroden aus Kupferfolie beschichtete oder beklebte Kunststoffbehälter sehr günstig herstellbar sind, können die Füllstand messenden Behälter nach Gebrauch entsorgt und ausgetauscht werden. Insbesondere im Bereich der Biowissenschaften oder Life Science, wo Behälter geringer Abmessungen zur Anwendung gelangen, wie beispielsweise so genannte wegwerfbare Bioreaktoren, ist eine derartige Vorrichtung vorteilhaft. Der Austausch bzw. die erforderliche gründliche Reinigung von standardmäßig zum Einsatz kommenden kapazitiven Sonden zur Füllstandsmessung ist deutlich kosten- und arbeitsintensiver.
In einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung ist eine Masseelektrode in die Wandung des Behälters ein- oder auf der Außenfläche der Wandung des Behälters aufgebracht und mit dem Erdpotential verbunden. Die Masseelektrode bildet mit der Sensorelektrode einen Kondensator, dessen Kapazität vom Füllstand der Flüssigkeit abhängt und bestimmt wird.
In einer alternativen Ausgestaltung, im Falle des Vorliegens einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit, ist die Flüssigkeit mit dem Erdpotential leitend verbunden und die Bestimmung des Füllstands erfolgt durch Messung der Kapazität zwischen der Sensorelektrode und der Flüssigkeit. Die Flüssigkeit ist beispielsweise über ein Zulaufrohr zum Behälter geerdet.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Elektroden in die Wandung des Behälters eingespritzt oder in Form einer Folie eingebracht. Mindestens eine Schutzelektrode ist hierbei in radialer Richtung weiter außen als die Sensorelektrode angeordnet, um diese beispielsweise vor Berührung zu schützen, da eine solche die Messung stören könnte.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Elektroden in Form einer Folie auf die Außenfläche der Wandung des Behälters aufgeklebt. Bei der Folie handelt es sich beispielsweise um eine Kupferfolie oder um eine Kunststofffolie mit metallischen Streifen. Die Folie kann auch mehrschichtig sein und sowohl die Elektroden als auch Schichten zur Isolierung enthalten. Eine Isolierung ist beispielsweise zwischen der Sensorelektrode und der Schutzelektrode notwendig. Die Elektrodenstruktur ist beispielsweise durch Ätzen aus einer metallischen Schicht erzeugt.
Werden die Elektroden auf die Außenfläche der Wandung des Behälters aufgebracht, ist es möglich, einen beliebigen aus einem elektrisch isolierenden Material bestehenden Behälter nachträglich mit den Elektroden zur Füllstandsmessung auszustatten.
In Abhängigkeit davon, ob eine leitfähige oder nicht leitfähige Flüssigkeit vorliegt, wird die Kapazität zwischen der Sensorelektrode und der Flüssigkeit oder zwischen der Sensorelektrode und einer Masseelektrode bestimmt, wobei die Masseelektrode in die Wandung des Behälters eingebracht oder auf die Außenfläche der Wandung des Behälters aufgebracht und mit dem Erdpotential verbunden ist.
Bei einem Abgleich werden ein dem maximalen Füllstand zugehöriger erster Messwert aus einem ersten Antwortsignal und ein dem minimalen Füllstand zugehöriger zweiter Messwert aus einem zweiten Antwortsignal aufgenommen und an Hand des ersten Messwertes und des zweiten Messwertes dazwischen liegende Messwerte einem entsprechenden Füllstand zugeordnet. Anhand dieses Abgleichs ist allen zwischen dem ersten und dem zweiten Messwert liegenden Messwerten ein Füllstand eindeutig zuordbar, sodass eine kontinuierliche Füllstandsmessung ermöglicht ist oder beliebige Grenzfüllstände überwachbar sind.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figur näher erläutert. 1 zeigt eine Vorrichtung zur kapazitiven Füllstandsmessung, bei welcher die Elektroden auf eine Außenfläche einer Wandung eines Behälters aufgebracht sind,
2 zeigt schematisch eine zur Grenzstandmessung geeignete Elektrodenstruktur,
2a zeigt schematisch einen Schnitt durch eine mehrlagige Folie mit einer Elektrodenstruktur nach 2.
In 1 ist ein Behälter 1 aus einem isolierenden Material dargestellt, auf dessen Wandung 2 die Sensorelektrode 41, die Schutzelektrode 42 und die Masseelektrode 43 aufgebracht sind. Bei den Elektroden 41, 42, 43 handelt es sich bevorzugt um flexible Streifen, beispielsweise in Form von Kupferfolie, welche auf die der Flüssigkeit 7 abgewandten Außenfläche 3 der Wandung 2 aufgeklebt sind. Die Schutzelektrode 42 ist hierbei derart angeordnet, dass sie die Sensorelektrode 41 auf der dem Behälter abgewandten Seite bedeckt und ist von der Sensorelektrode 41 durch eine Isolierung 44 getrennt. Die Schutzelektrode 42 dient zur Abschirmung der Sensorelektrode 41 vor äußeren Einflüssen, welche eine Störung der kapazitiven Messung und somit eine fehlerhafte Füllstandsangabe zur Folge hätten. Beispielsweise ist die Sensorelektrode 41 auf diese Weise vor Berührung geschützt. Bevorzugt ist die Schutzelektrode 42 ebenfalls von einer Isolierung 44 bedeckt. Die Isolierung 44 stellt gleichzeitig einen Korrosionsschutz dar. Die Elektroden 41, 42 können bereits in eine mehrlagige Folie mit dem beschriebenen Schichtaufbau integriert sein, sodass nur eine Folie auf dem Behälter 1 aufgebracht werden muss. Ein Aufbau aus einzelnen Schichten ist ebenfalls möglich. Die vertikale Abmessung der Sensorelektrode 41 entspricht der Höhe des Behälters 1 oder ist zumindest so gewählt, dass die Höhe eines maximalen und eines minimalen zu erfassenden Füllstandes von der Sensorelektrode 41 erreicht werden. Der maximale/minimale Füllstand muss hierbei nicht einem vollen/leeren Behälter 1 entsprechen, sondern kann beliebige Höhen in dem Behälter 1 bezeichnen.
Auf der der Sensorelektrode 41 gegenüberliegenden Seite des Behälters 1 ist die Masseelektrode 43 angeordnet. Zum Schutz vor Korrosion ist die Masseelektrode 43 mit einer Isolierung 44 beschichtet. Eine Schutzelektrode 42, wie sie für die Sensorelektrode 41 vorgesehen ist, ist für die Masseelektrode 43 nicht notwendig. Aus Fertigungstechnischen Gründen kann es jedoch vorteilhaft sein, den gleichen Schichtaufbau wie für die Sensorelektrode 41 aufzubringen, insbesondere wenn es sich um eine mehrlagige Folie handelt, welche in einem Schritt auf der Außenfläche 3 der Wandung 2 aufbringbar ist. Die Schutzelektrode 42, welche die Masseelektrode 43 bedeckt, ist dann ebenfalls mit dem Erdpotential verbunden.
In einer alternativen Anordnung sind die Elektroden 41, 42, 43 in die Wandung 2 des Behälters 1 eingebracht. Eine Isolierung ist nicht notwendig, da der Behälter 1 aus einem isolierenden Material wie Kunststoff oder Glas besteht. Die Elektroden 41, 42, 43 werden bei der Herstellung des Behälters 1 in Hohlräume eingespritzt oder in Form von Metallfolien eingebracht.
Zur Bestimmung des Füllstandes der Flüssigkeit 7 mit der in der 1 gezeigten Vorrichtung wird die Kapazität des aus der Sensorelektrode 41 und der Masseelektrode 43 gebildeten Kondensators bestimmt. Die Flüssigkeit 7 ist hierbei ein dazwischen liegendes Dielektrikum, sodass dessen Füllstand den Wert der Kapazität bestimmt. Durch eine Abgleichsmessung bei vollständig entleertem Behälter 1 und bei vollständig befülltem Behälter 1 ist jeder Kapazitätswert eindeutig einem entsprechenden Füllstand zuordbar. Die dargestellte Anordnung kann sowohl zur kontinuierlichen Füllstandsmessung als auch zur Überwachung eines Grenzfüllstands verwendet werden.
Die Steuereinheit 5 beaufschlagt die Sensorelektrode 41 mit einem Steuersignal, welches beispielsweise eine Wechselspannung ist. Die Auswerteeinheit 6 empfängt von der Sensorelektrode 41 ein Antwortsignal und bestimmt daraus die Kapazität. Bei der Auswerteeinheit 6 und der Steuereinheit 5 kann es sich auch um eine gemeinsame Elektronikeinheit handeln.
In einer alternativen – nicht dargestellten – Ausgestaltung der Vorrichtung ist keine Masseelektrode 43 in oder auf die Wandung 2 des Behälters 1 ein- oder aufgebracht. Stattdessen ist die Flüssigkeit 7 leitend mit dem Erdpotential verbunden, beispielsweise über eine Flüssigkeitszu- oder Ableitung. Die Vorraussetzung dafür, dass auf die Masseelektrode 43 verzichtet werden kann, ist selbstverständlich, dass die Flüssigkeit 7 elektrisch leitfähig ist. Es wird dann die Kapazität des aus der Flüssigkeit 7 und der Sensorelektrode 41 gebildeten Kondensators bestimmt, wobei die Wandung 2 des Behälters 1 das Dielektrikum darstellt.
In 2 ist eine Elektrodenstruktur dargestellt, welche die Bestimmung bzw. Überwachung eines Grenzfüllstands erlaubt. Die Elektrodenstruktur befindet sich auf einer isolierenden Trägerfolie und ist beispielsweise durch Ätzen aus einer metallischen Beschichtung hervorgegangen. Die Folie wird von außen auf die Wandung 2 des Behälters 1 aufgebracht, wobei die Position der Sensorelektrode 41 entsprechend der zu überwachenden Füllstandshöhe im Behälter 1 gewählt wird.
Die Sensorelektrode 41 ist derart ausgebildet, dass sie bezogen auf ihre spätere Position am Behälter 1 eine beliebige horizontale Abmessung aufweist, vertikal aber nur schmal ist, sodass sie nur für einen bestimmten Füllstand mit einem von der vertikalen Abmessung der Sensorelektrode 41 abhängigen Toleranzbereich sensitiv ist. In einer alternativen Ausgestaltung ist die Sensorelektrode 41 nicht länglich, sondern ist in horizontaler und vertikaler Richtung im Wesentlichen gleich lang. Beispielsweise ist sie kreisrund oder quadratisch.
Die Schutzelektrode 42 umgibt die Sensorelektrode 41 vollständig. Weitere Ausgestaltungen sind möglich, in denen die Schutzelektrode 42 die Sensorelektrode 41 nur teilweise umgibt. Die Masseelektrode 43 umgibt die Schutzelektrode 42 konzentrisch. In diesem Ausführungsbeispiel sind Schutzelektrode 42 und Masseelektrode 43 als konzentrische Rechtecke ausgebildet, diese Form stellt aber lediglich ein Beispiel und keine Beschränkung dar. In einer anderen Ausführungsform weist die Schutzelektrode 42 mindestens eine Unterbrechung auf, über welche die Sensorelektrode 41 z. B. über eine Leiterbahn, kontaktierbar ist. Gleichermaßen kann die Masseelektrode 43 mindestens eine Unterbrechung aufweisen, über welche die Schutzelektrode 42 kontaktierbar ist.
2a stellt einen Schnitt durch einen Schichtaufbau einer mehrschichtigen Folie zum Aufbringen auf einen Behälter 1 dar, welche in einer Schicht die in der 2 beschriebene Elektrodenstruktur enthält. Die mit der Wandung 2 des Behälters 1 in Kontakt stehende Schicht ist eine Isolierung 44. Auf dieser ist die Elektrodenstruktur aufgebracht, welche aus der zentralen Sensorelektrode 41 und der in Form von konzentrischen Rechtecken um diese herum angeordneten Schutzelektrode 42 und Masseelektrode 43 besteht. Diese Elektrodenstruktur ist durch eine weitere Isolierung 44 von einer weiteren Schutzelektrode 42 getrennt. Die weitere Schutzelektrode 42 ist flächig ausgebildet und überdeckt die Sensorelektrode 41 zumindest teilweise. Bevorzugt überdeckt die weitere Schutzelektrode 42 die gesamte darunter liegende Elektrodenstruktur. Den Abschluss nach außen bildet eine weitere Isolierung 44, sodass bei Berührung der Folie kein elektrischer Kontakt hergestellt wird.
Bezugszeichenliste

1: Behälter
2: Wandung
3: Außenfläche
41: Sensorelektrode
42: Schutzelektrode
43: Masseelektrode
44: Isolierung
5: Steuereinheit
6: Auswerteeinheit
7: Flüssigkeit

Claims

Vorrichtung zur kapazitiven Bestimmung eines Füllstandes einer Flüssigkeit (7) in einem Behälter (1), mit einem im Wesentlichen aus einem isolierenden Werkstoff gefertigten Behälter (1), mit einer Sensorelektrode (41), mit mindestens einer Schutzelektrode (42), mit einer Steuereinheit (5), welche die Sensorelektrode (41) mit einem Steuersignal beaufschlagt, und mit einer Auswerteeinheit (6), welche von der Sensorelektrode (41) ein Antwortsignal empfängt und aus dem Antwortsignal den Füllstand bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektrode (41) und die Schutzelektrode (42) in eine Wandung (2) des Behälters (1) eingebracht und/oder auf einer der Flüssigkeit (7) abgewandten Außenfläche (3) der Wandung (2) des Behälters (1) aufgebracht sind, und dass sich die Sensorelektrode (41) und die Schutzelektrode (42) zumindest von einer Höhe eines minimalen Füllstandes bis zu einer Höhe eines maximalen Füllstandes erstrecken, oder dass die Sensorelektrode (41) im Wesentlichen auf einer Höhe eines zu bestimmenden Grenzfüllstands angeordnet ist und dass die Schutzelektrode (42) derart angeordnet ist, dass die Schutzelektrode (42) die Sensorelektrode (41) zumindest teilweise bedeckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Masseelektrode (43) in die Wandung (2) des Behälters (1) ein- oder auf der Außenfläche (3) der Wandung (2) des Behälters (1) aufgebracht und mit dem Erdpotential verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle des Vorliegens einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit (7) die Flüssigkeit (7) mit dem Erdpotential leitend verbunden ist und die Bestimmung des Füllstands durch Messung der Kapazität zwischen der Sensorelektrode (41) und der Flüssigkeit (7) erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (41, 42, 43) in die Wandung (2) des Behälters (1) eingespritzt oder in Form einer Folie eingebracht sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (41, 42, 43) in Form einer Folie auf die Außenfläche (3) der Wandung (2) des Behälters (1) aufgeklebt sind.