Füllstandsüberwachung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Füllstandsüberwachung eines mit einem Dielektrikum, bevorzug Kondensat, füllbaren Sammelbehälters sowie eine zugehörige Überwachungsschaltung für einen Messkondensator, der in Abhängigkeit von einem Füllstand des Sammelbehälters eine sich stetig ändernde Kapazität aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kondensatablassventil und einen Kondensatabieiter.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zur Füllstandsüberwachung bekannt. Kondensatabieiter, die selbsttätig das sich in Dampfleitungen oder Druckleitungen bildende Kondensat in ein Kondensatsammelbehälter ableiten, ohne dass Gas beispielsweise in Form von Wasserdampf oder Druckluft in nennenswertem Umfang aus der Leitung austritt, weisen in der Regel eine Füllstandsüberwachung auf.
In der Drucklufttechnik werden Kondensatabieiter zum Ableiten von Kondensaten aus dem Druckleitungsnetz eingesetzt. Die Kondensate entstehen im Wesentli- chen aus der Feuchtigkeit der Umgebungsluft, die der Druckluftkompressor ansaugt. Es gibt unterschiedliche Bauformen der Kondensatabieiter. Prinzipiell arbeiten sie so, dass ein Ventil geöffnet wird, wodurch das Kondensat aus dem Druckluftnetz durch den darin befindlichen Druck ausgetrieben wird. Unterschieden werden die Geräte nach Art der Ansteuerung des Ventils und ihrer Energie- Versorgung .
Schwimmerabieiter arbeiten mit einem Hohlkörper, der durch dessen Auftriebskraft in dem sich ansammelnden Kondensat angehoben wird und damit ein Ventil betätigt. Dieses Ventil öffnet meist indirekt mittels einer Servosteuerung eine Ablassöffnung, durch die das Kondensat herausgedrückt wird.
Weiterhin sind elektrisch betätigte, zeitgesteuerte Magnetventile bekannt, die in einstellbaren aber vorgegebenen Zeitintervallen öffnen. Nachteilig ist, dass diese Magnetventile füllstandunabhängig auch bei fehlendem Kondensat öffnen, wo- durch hohe Energieverluste durch abgelassene Druckluft entstehen.
Elektronisch niveaugeregelte Ventile hingegen erfassen eine sich ansammelnde Flüssigkeitsmenge über einen elektronischen Sensor, der eine quantitative Füllstandsüberwachung ermöglicht. Wenn eine bestimmte Menge erreicht ist, wird ein Ventil geöffnet und genau diese Menge ohne Druckluftverluste abgelei- tet. Kondensatabieiter mit elektronisch niveaugeregelte Ventilen sind somit aufgrund der geringen Druckluft- und damit Energieverluste besonders vorteilhaft und haben sich als Stand der Technik etabliert.
Besondere Bedeutung haben Kondensatabieiter, die mit kapazitiver Messung für die Füllstandserfassung und insbesondere mit servogesteuerten Membranventilen arbeiten. Die kapazitive Messung erfasst den Füllzustand eines Kondensatsammelbehälters anhand der elektrischen Kapazität, die sich mit dem Füllstand ändert, wenn das Kondensat als Dielektrikum zufließt. Da das Kondensat je nach Betriebs- und Umgebungsbedingungen unterschiedlich mit Öl und/oder Schmutz belastet ist und diese zusätzlichen Inhaltsstoffe in erheblichem Umfang die Kapazität beeinflussen, kann diese aus dem Stand der Technik bekannte Füllstandsüberwachung gegebenenfalls nicht eindeutig in Bezug auf die tatsächliche Füllstandshöhe ausgewertet werden. Die EP 039125081 Bl beschreibt beispielsweise eine Vorrichtung zum Ableiten von Kondensat aus Druckluftsystemen oder dergleichen, mit einer an das Druckluftsystem dauernd angeschlossenen Sammelkammer für Kondensat und mit einem den Auslass der Sammelkammer verschließenden Membranventil, wobei in der Sammelkammer zwei kapazitive unterschiedliche Füllstande erfassende, das Membranventil über eine Elektronik und ein Steuerventil steuernde Sensoren angeordnet sind . Die Sensoren sind in einem senkrecht in die Sammelkammer ragenden, am äußeren Ende geschlossenen Rohr in einem vertikalen Abstand zueinander angeordnet, die mit einem einen Vorsteuerauslass, aus der Sammelkammer steuernden Steuerventil elektrisch verbunden sind .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein den tatsächlichen Füllstand zuverlässiger detektierendes Verfahren und eine Schaltung zur Füllstandüberwachung beziehungsweise Füllstandsregelung zur Verfügung zu stellen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels eines Verfahrens zur Füllstandsregelung eines Sammelbehälters nach Anspruch 1, einer Vorrichtung
zur Füllstandüberwachung eines Sammelbehälters nach Anspruch 6, einem geregelten Kondensatablassventil nach Anspruch 15 sowie einem Kondensatabieiter nach Anspruch 17 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen. Die ein- zelnen Merkmale der beschriebenen Ausgestaltungen sind jedoch nicht auf diese beschränkt, sondern können beliebig untereinander und mit anderen Merkmalen zu weiteren Ausgestaltungen verknüpft werden.
Es wird ein Verfahren zur Füllstandsregelung eines Sammelbehälters vorgeschla- gen, wobei der Sammelbehälter mit einem Dielektrikum füllbar ist. Mittels einer Überwachungsschaltung mit einem Messkondensator, dessen Kapazität sich in Korrelation mit dem Füllstand wenigstens über einen Füllstandsbereich des Sammelbehälters stetig ändert, wird ein Füllstand überwacht. Das Verfahren um- fasst folgende Schritte:
· Ermitteln einer Kapazität des Messkondensators;
• Ermitteln der Güte des Messkondensators;
• Bestimmen einer Permittivität des Dielektrikums anhand der Güte des Messkondensators;
• Bestimmung eines Füllstandes des Sammelbehälters anhand der ermittel- ten Kapazität des Messkondensators und der Permittivität des Dielektrikums;
• füllstandabhängiges Ablassen des Dielektrikums aus dem Sammelbehälter, beispielsweise bei einem vorgegebenen Füllstand . Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist eine genauere und zuverlässigere qualitative Füllstandsregelung. Die gemessene Kapazität, die ein Indiz für den tatsächlichen Füllstand sein soll, ist sowohl von dem Füllstand als auch von Permittivität des sich ansammelnden Dielektrikums abhängig . Es hat sich gezeigt, dass aus der gemessenen Güte die Permittivität ableitbar ist und somit durch Bestimmen der zwei Variablen Kapazität und Permittivität eine eindeutige und präzise Ermittlung des Füllstands ermöglicht wird. Da sich aufgrund möglicher unterschiedlicher Zusammensetzungen unterschiedliche Permittivitäten des Dielektrikums ergeben, liefert die Detektion der Kapazität allenfalls für eine fest vorgegebene Zusammensetzung des Dielektrikums eine genaue, das heißt dem tatsächlichen Füllstand entsprechende Füllstandsangabe. Mittels der erfindungsgemäßen Gütebestimmung sind Rückschlüsse auf die Zusammensetzung des
Dielektrikums möglich, so dass die Zuordnung zwischen Kapazität und Füllstand entsprechend korrigiert, beispielsweise skaliert werden kann. Aufgrund der Messung von Kapazitivität und Güte ist ferner eine Plausibilitätsüberprüfung möglich, was die Zuverlässigkeit des Verfahrens steigert. So kann das Über- oder Unter- schreiten vorgegebener Werte einer oder beider Messgrößen eine Funktionsstörung oder einen elektromagnetischen Störeinfluss indizieren.
Erfindungsgemäß kann das Dielektrikum ein beliebiges Material mit beliebigem Aggregatzustand sein, das in den Sammelbehälter gefüllt werden kann. Bevor- zugt handelt es sich um ein Kondensat mit Wasser als dem Hauptbestandteil . Zusätze sind beispielsweise Öle und/oder feste, beispielsweise metallische Partikel.
Im Sinne der Erfindung meint die Güte ein Maß für die Dämpfung eines schwing- fähigen Systems, beispielsweise des Messkondensators oder der Überwachungsschaltung . Die Güte beschreibt allgemein, in welchem Maß Energie in Verhältnis zur umgesetzten Verlustenergie in einem schwingfähigem System gespeichert werden kann. In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Güte des Messkondensators durch Bestimmung der Differenz von Ausgangsspannungen der Überwachungsschaltung vor und nach einer Änderung der Schaltungsgüte der Überwachungsschaltung ermittelt wird . Vorzugsweise ist der Messkondensator in einem SC- Element verschaltet. Das SC-Element umfasst in einer Ausgestaltung neben dem Messkondensator zumindest einen vorzugsweise einpoligen Umschalter, der den Messkondensator abwechselnd mit einer Eingangsspannung und mit einem Ausgang verbindet. Zur Bildung eines SC-Elementes können auch zwei oder mehr Schalter vorgesehen sein. Grundprinzip des SC-Elementes ist, dass der Kondensator abwechselnd zwischen Eingangsspannung und Ausgang geschaltet wird.
Switched Capacitor Elemente (SC-Elemente) werden normalerweise in analogen Filterschaltungen verwendet. Durch diese Bauweise kann unter Einhaltung bestimmter Randbedingungen ein Filter aufgebaut werden, dessen Grenzfrequenz beispielsweise nur von der Steuerfrequenz für die SC-Elemente abhängt. Die Verwendung von SC-Elementen in Sensoren ist bisher nicht bekannt.
Es lässt sich zeigen, dass bei einem SC-Element ein gedachter Äquivalent- Widerstand von der Größe des verwendeten Kondensators und der benutzten Schaltfrequenz abhängt. Es lässt sich daher die Kapazität des verwendeten Kondensators aus dem äquivalenten Widerstand und der angelegten Schaltfrequenz zurückrechnen, so dass auf diesem Wege die reine Kapazität des unbekannten Sensor-Kondensators bestimmt werden kann.
Im Sinne der Erfindung ist unter Eingangsspannung die ström- beziehungsweise spannungsquellenseitige Spannung zu verstehen, die am SC-Element anliegt. Dies muss nicht zwangsläufig die Versorgungsspannung für die Schaltung sein . Vielmehr ist in einer Variante vorgesehen, dass dem SC-Element zumindest ein beispielsweise variabler Widerstand vorgeschaltet ist. Vorzugsweise liegt die Eingangsspannung an einem Anschluss des Umschalters an. Im Sinne der Erfindung ist der Ausgang des SC-Elementes der Anschluss des SC- Elementes, respektive des Umschalters, welcher der Eingangsspannung entgegengesetzt ist. Der Kondensator ist beispielsweise am gemeinsamen Mittelan- schluss des Umschalters angeschlossen. In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zur Änderung des Arbeitspunktes oder der Schaltungsgüte jeweils zumindest ein ohmscher Widerstand in Reihe zu dem zumindest einem Schaltbaustein insbesondere des SC-Elementes erhöht wird . Der Widerstand wird in einer Ausgestaltung zugeschaltet oder es wird eine Überbrückung des Widerstandes unterbrochen. In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Wert des Widerstands verändert wird, insbesondere durch Ansteuerung eines Potentiometers. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass dem SC-Element ein variabler oder zuschaltbarer Widerstand vorgeschaltet ist. Durch Veränderung des Widerstandes wird des Arbeitspunkt der Überwachungsschaltung verändert.
Wenn nur physikalisch ideale Bauteile an der Schaltung beteiligt wären, würde eine Verschiebung des Arbeitspunkts der Schaltung entweder durch Verstellen des Puls-/Pausen-Verhältnis der Schaltfrequenz oder durch Einfügen von zusätzlichen Widerständen keine Auswirkung haben. Tatsächlich zeigt sich aber für die realen Bauteile eine signifikante und reproduzierbare Veränderung der Eigenschaften der Schaltung, die eine Korrelation zur Güte des Sensor-Kondensators
zulässt. Die Abweichung ist nicht zwangsläufig nur positiv oder negativ, die tatsächliche Richtung hängt von der Art der Manipulation des Arbeitspunkts der Schaltung ab. Vorzugsweise wird der Unterschied „nominale Kapazität" zu„ermittelter Kapazität bei verschobenem Arbeitspunkt" bewertet. Diese Abweichun- gen lassen sich beispielsweise in einem Kennfeld-Diagramm darstellen. Ein Mik- rocontroller kann in diesem Kennfeld-Diagramm die zugehörige Übereinstimmung finden und vorzugsweise eine Auswertung bezüglich der Güte der Überwachungsschaltung beziehungsweise des Kondensators vornehmen. Da die Güte des Kondensators wiederum mit der Permittivität des Dielektrikums im Sammel- behälter korreliert, kann auf die Permittivität des Dielektrikums geschlossen werden.
Das füllstandabhängige Ablassen des Dielektrikums im Sinne der Erfindung ist weit auszulegen und umfasst beispielsweise die Dauer, die Menge, der Zeitpunkt und/oder die Häufigkeit des Ablassens in Abhängigkeit des ermittelten Füllstands.
In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Dielektrikum bei Überschreiten eines vorgegebenen Füllstandes im Sammelbehälter aus dem Sammelbehälter abgelassen wird.
Beispielsweise wird das Ablassventil geöffnet, wenn der Füllstand einen definierten Wert überschritten hat. Weiterhin ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass das Ablassventil geschlossen wird, wenn der Füllstand einen bestimmten Wert unterschritten hat. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird ein Öffnungsgrad des Ablassventils, der den Volumenstrom durch das Ablassventil- bestimmt, in Abhängigkeit von dem ermittelten Füllstand bestimmt. Beispielsweise ist das Ablassventil maximal geöffnet, wenn der Füllstand ein definiertes Maximum erreicht hat, und geschlossen, wenn der Füllstand ein definiertes Minimum erreicht hat.
Weiterhin wird eine Überwachungsschaltung zur Füllstandsüberwachung eines Sammelbehälters vorgeschlagen, wobei der Sammelbehälter mit einem Dielektrikum füllbar ist. Die Überwachungsschaltung weist zumindest einen dem Sammelbehälter zugeordneten Messkondensator auf, der eine sich stetig mit dem Füllstand verändernde Kapazität aufweist. Die Überwachungsschaltung ist derart ausgelegt, dass die Kapazität des Messkondensators und die Güte des Messkon-
densators ermittelbar sind, wobei anhand der Güte des Messkondensators auf eine Permittivität des Dielektrikums schließbar und in Abhängigkeit der ermittelten Kapazität des Messkondensators und der ermittelten Permittivität des Dielektrikums ein Füllstand des Sammelbehälters ermittelbar ist. Die Kapazität des Messkondensators variiert einerseits in Abhängigkeit vom Füllstand des Sammelbehälters und andererseits in Abhängigkeit der dielektrischen Eigenschaft des im Sammelbehälter sich sammelnden Dielektrikums. Die Permittivität lässt sich aus der Güte des Messkondensators ermitteln, wodurch der Füllstand genau bestimmbar ist. Erfindungsgemäß wird aus diesem Grund vorgeschlagen, zusätzlich zur Kapazität des Kondensators auch die Permittivität des Dielektrikums zu ermitteln, um aus den gewonnenen Daten den Füllstand bei unterschiedlicher Zusammensetzung des Dielektrikums präzise zu ermitteln. Die vorgeschlagene Füllstandüberwachung ist somit weitgehend unabhängig von der Zusammensetzung des im Sammelbehälter befindlichen Dielektrikums. Beispielsweise handelt es sich um wässriges Kondensat mit unterschiedlichem Ölanteil. Ferner kann das Kondensat metallische Feststoffpartikel als Verunreinigungen aufweisen.
Besonders bevorzugt weist die Überwachungsschaltung ein SC-Element auf, über dem zumindest in Korrelation zum Füllstand und zur Permittivität des Dielektri- kums eine Spannung abfällt. Weiterhin bevorzugt sind Mittel zur Veränderung des Arbeitspunktes vorgesehen, beispielsweise ein variabler oder zuschaltbarer Widerstand, der dem SC-Element bevorzugt vorgeschaltet ist. Ein variabler Widerstand ist beispielsweise ein Potentiometer, bevorzugt ein elektronisches Potentiometer.
In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Überwachungsschaltung zwischen einem ersten und einem zweiten Betriebszustand schaltbar ist, wobei in einem ersten Betriebszustand die Kapazität des Messkondensators und in einem zweiten Betriebszustand die Güte des Messkondensators ermittelbar ist. In einer besonders bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass die Betriebszustände durch die Arbeitspunkte definiert sind, in denen die Schaltung arbeitet. Vorzugsweise wird zwischen den Betriebszuständen durch Zuschaltung oder Abschaltung zumindest eines Widerstandes beziehungsweise Veränderung eines Widerstandes in der Überwachungsschaltung geschaltet.
Die Schaltbarkeit zwischen den Betriebszuständen erlaubt es, wenigstens teilweise Komponenten der Überwachungsschaltung für zwei unterschiedliche Messaufgaben zu verwenden. Vorteilhafterweise wird bei der Ausgestaltung mit einem veränderlichen Arbeitspunkt der Überwachungsschaltung, vorzugsweise durch Verändern eines dem SC-Element vorgeschalteten Widerstand, ein hoher Integrationsgrad bei gleichzeitiger Kostenreduzierung erreicht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Überwachungsschaltung einen Operationsverstärker auf, der insbesondere als Integrierer verschaltet ist. Bevor- zugt ist der Ausgang des SC-Elementes mit einem vorzugsweise invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verschaltet.
Vorteil der vorgeschlagenen Überwachungsschaltung ist, dass diese sehr empfindlich ist. Je nach Dimensionierung der verwendeten Bauteile können Änderun- gen der Kapazität des Messkondensators im Bereich einiger Femto-Farad erfasst werden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Messkondensatorelektrode des Messkondensators wenigstens teilweise durch den Sammelbehälter, also das das Dielektrikum aufnehmende Behältnis selbst, bereitgestellt ist.
Beispielsweise ist eine erste Kondensatorelektrode des Messkondensators innerhalb des durch den Sammelbehälter definierten Volumens, das der Aufnahme des Dielektrikums dient, angeordnet, beispielsweise zentrisch darin, und die zweite Kondensatorelektrode wird durch den vorzugsweise metallischen Sammelbehälter definiert. Bevorzugt ist der Messkondensator derart aufgebaut, dass die Abstände der Elektroden derart bemessen sind, dass eine nennenswerte Kapillarwirkung auf ein flüssiges zwischen den Kondensatorelektroden befindliches Dielektrikum vermieden wird . Die Abstände sind hinsichtlich des zu erwartenden Dielektrikums bemessen. Bevorzugt weisen die Kondensatorelektroden einen Abstand von mehr als etwa 1 cm, besonders bevorzugt mehr als etwa 5 cm auf.
Der Begriff „etwa" beschreibt einen Toleranzbereich, der auf dem technischen Gebiet für üblich erachtet wird . Insbesondere beschreibt„etwa" ein Toleranz von ± 10%, vorzugsweise ±5%.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Sammelbehälter innen und/oder außen eine metallische Beschichtung aufweist, welche die zweite Kondensatorelektrode bildet. In einer weiteren Ausgestaltung umfasst der Sam- melbehälter Metall oder ist aus Metall ausgebildet.
In einer Variante ist vorgesehen, dass die Überwachungsschaltung folgenden Aufbau aufweist: Ein Umschalter ist mit dem gemeinsamen Mittelanschluss (COM-Anschluss) mit einer Elektrode des Messkondensators verbunden . Ein ers- ter schaltbarer Anschluss ist mit einem variablen Widerstand, beispielsweise einem Potentiometer verbunden . Der zweite schaltbare Anschluss ist mit einem AD-Eingang eines MikroControllers verbunden . Durch Ansteuern des Potentiometers wird der Arbeitspunkt der Überwachungsschaltung verändert. Vorzugsweise befindet sich die Überwachungsschaltung in einem ersten Betriebszustand wenn das Potentiometer niederohmig und in einem zweiten Betriebszustand hochoh- mig . Unter„niederohmig" ist im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass das Potentiometer einen vernachlässigbar kleine Widerstand aufweist, insbesondere etwa dem Leitungswiderstand entsprechend, beispielsweise etwa 1 Ω bis etwa 1 k , weiterhin bevorzugt etwa 1 Ω bis etwa 100 Ω. Unter„hochohmig" ist im Sin- ne der Erfindung zu verstehen, dass das Potentiometer einen Widerstand aufweist, der den Arbeitspunkt der Überwachungsschaltung signifikant ändert. Ein hochohmiger Widerstand hat beispielsweise einen Wert von etwa 1 k oder mehr, bevorzugt mehr als etwa 10 k . In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zumindest im zweiten Betriebszustand Umschaltzeiten des SC-Elementes variiert werden . Im Sinne der Erfindung ist unter der Variation der Umschaltzeiten eine Veränderung der Frequenz und/oder der Pulsweite des das Schaltelement des SC-Elementes ansteuernden Signals zu verstehen . Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass von einem Puls-/Pausenweitenverhältnis von etwa 30 % bis etwa 50 % Pulsweite (High- Pegel) zu etwa 70 % bis etwa 50 % Pausenweite (Low-Pegel), bevorzugt etwa 50 % Pulsweite zu etwa 50 % Pausenweite, zu einem signifikant schmaleren Puls-/Pausenweitenverhältnis von etwa 1 % bis etwa 20 % Pulsweite zu etwa 99 % bis etwa 80 % Pausenweite, bevorzugt etwa 5 % Pulsweite zu etwa 95 % Pausenweite, gewechselt wird . Durch die Variation der Umschaltzeiten kann zumindest die Güte bestimmt beziehungsweise noch präziser bestimmt werden .
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Überwachungsschaltung zwei Schaltbausteine aufweist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass im zweiten Betriebszustand ein erster Widerstand in Reihe zum ersten Schaltbaustein und ein zweiter Widerstand in Reihe zum zweiten Schaltbaustein geschaltet ist. Insbesondere sind im ersten Betriebszustand der erste Widerstand und/oder der zweite Widerstand überbrückt. Vorzugsweise ist der erste Widerstand dem SC- Element vorgeschaltet und der zweite Widerstand dem SC-Element nachgeschaltet.
Weiterhin wird ein geregeltes Kondensatablassventil zur Abführung von Kondensat aus einem Kondensatabieiter vorgeschlagen, wobei das Kondensatablassventil eine oben beschriebene Vorrichtung zur Füllstandüberwachung eines Sammelbehälters, welcher der Aufnahme des Kondensats dient, aufweist. Vorzugsweise weist das Kondensatablassventil ein Membranventil auf. In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mittels der Vorrichtung ein Öffnungsgrad des Kondensatablassventils regelbar ist.
Weiterhin wird ein Kondensatabieiter vorgeschlagen, der zumindest ein Kondensatsammelbehälter und ein Kondensatablassventil umfasst. Beispielsweise kann der Kondensatabieiter in Druckluftsystemen Verwendung finden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus den nachfolgenden Zeichnungen hervor. Die dort dargestellten Weiterbildungen sind jedoch nicht einschränkend auszulegen, vielmehr können die dort beschriebenen Merkmale untereinander und mit den oben beschriebenen Merkmalen zu weiteren Ausgestaltungen kombiniert werden. Des Weiteren sei darauf verwiesen, dass die in der Figurenbeschreibung angegebenen Bezugszeichen den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung nicht beschränken, sondern lediglich auf die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele verweisen. Gleiche Teile oder Teile mit gleicher Funktion weisen im Folgenden die gleichen Bezugszeichen auf. Es zeigen :
Fig. 1 einen Kondensatabieiter;
Fig. 2 eine Vorrichtung zur Füllstandüberwachung des Kondensatabieiters aus Fig. l; und
Fig . 3 eine alternative Vorrichtung zur Füllstandsüberwachung des Kondensatabieiters aus Fig. 1.
Fig. 1 zeigt einen Kondensatabieiter 1 für ein Druckluftsystem in einer Schnittan- sieht. Kondensat 2, das während der Verdichtung der Druckluft anfällt, wird über eine Zuleitung 3 dem Kondensatabieiter 1 zugeführt. Das Kondensat 2 entsteht aus der Feuchtigkeit der Umgebungsluft, die ein hier nicht dargestellter Druckluftkompressor ansaugt. Das Kondensat 2 sammelt sich in einem Kondensatsammelbehälter 4 und wird nach erreichen eines definierten Füllstandes 5 über ein Ablassventil 6 abgelassen. In der in Fig. 1 gezeigten Ausgestaltung ist das Ablassventil 6 als Membranventil ausgestaltet. Ein Sensor 7 ragt in den Kondensatsammelbehälter 4. Der Sensor 7 umfasst zumindest einen Messkondensator 8, der eine in Abhängigkeit vom Füllstand des Kondensates 2 im Kondensatsammelbehälter 4 stetig veränderliche Kapazität aufweist. Die kapazitive Messung erfasst den Füllzustand des Kondensatsammelbehälters 4 durch die Änderung der elektrischen Kapazität, wenn Kondensat 2 als Dielektrikum zufließt. Der Messkondensator 8 weist lediglich eine Kondensatorelektrode auf. Die zweite für die Funktion des Messkondensators 8 erforderliche Elektrode wird zumindest durch einen Teil der Wandung des Kondensatsammelbehälters 4 zur Verfügung gestellt, der entsprechend einer in Fig. 2 oder Fig. 3 beschriebenen Schaltung verschaltet ist.
Auch bei starker Verschmutzung, beispielsweise durch Rost aus den Druckluftleitungen oder Öl aus den Druckluftkompressoren, ist die gezeigte Vorrichtung sehr zuverlässig. Der Sensor 7 ist in seinem Durchgang durch den Kondensatsammelbehälter 4 in einer sauberen Zone 9 angeordnet, um Fehlmes- sungen zu vermeiden, die beispielsweise durch Beläge verursacht werden, die zu einem messtechnischen Kurzschluss führen können.
Die saubere Zone 9 wird definiert durch eine taucherglockenähnliche Vorrichtung 11, die um den Sensor 7 angeordnet ist. Bei beliebig hohem Füllstand - also auch über den maximal vorgesehenen Füllstand 5 hinaus - kann in die saubere Zone 9 beziehungsweise in die taucherglockenähnliche Vorrichtung 11 kein Kon-
densat 2 eindringen. Da kein Kondensat 2 den oberen Teil des Sensors 7 erreicht, wird Belag durch Schmutz im Kondensat an diesem Teil des Sensors verhindert. Weist der Belag leitende Materialien, wie zum Beispiel Rostpartikel auf, bildet sich auf dem Sensor 7, sowie auf der Innenseite des Kondensatsammelbehälters 4 eine leitende Schicht. Durch die saubere Zone 9 wird jedoch eine galvanische Verbindung über den leitenden Belag und somit ein messtechnischer Kurzschluss zwischen der dem Sensor 7 und dem Kondensatsammelbehälter 4 verhindert. Die saubere Zone 9 ist auch erforderlich für eine Versorgung des servogesteuerten Ablassventils 6. Ein Magnetventil 10 wird verwendet, um einen Hilfsdruck oberhalb der Ventilmembrane 6.1 aufzubauen oder abzubauen, um es zu schließen oder zu öffnen. Die Versorgung aus der beschriebenen sauberen Zone 9 des Kondensatabieiters 1 erfolgt mit Druckluft.
Fig. 2 zeigt eine Überwachungsschaltung 15, die beispielsweise zur Auswertung des Füllstandes des Kondensatabieiters 1 aus Fig. 1 verwendet werden kann. Der Messkondensator 8 ist mit einem Umschaltern S5 zu einem SC-Element 20 verschaltet. Der Umschalter S5 wird durch den MikroController 12 angesteuert. Ver- bindet der Umschalter S5 den Messkondensator 8 mit der Eingangsspannung, die hinter dem Potentiometer PI anliegt, lädt sich der Messkondensator 8 mit der Ladung Q=C-U auf. In der anderen Schaltstellung gibt der Messkondensator 8 die gleiche Ladung wieder ab. Der sich so ausbildende Stromfluss ist abhängig von der Kapazität und der Schaltfrequenz: I = U-C-f, mit dem Strom I, der Eingangs- Spannung U, der Kapazität des Messkondensators C und der Schaltfrequenz f. Da I = U - R gilt, mit R als Äquivalenzwiderstand des SC-Elementes ist R= l/(C-f).
Die über den dem SC-Element nachgeschalten Widerstand R5 abfallende Spannung wird mittels des Kondensators C5 integriert und vom AD-Wandler-Eingang 21 des MikroControllers 12 ausgelesen. Über die ausgelesene Spannung kann bei niederohmigen PI im ersten Arbeitspunkt der Überwachungsschaltung 15 auf die Kapazität des Messkondensators 8 rückgeschlossen werden. In einem weiteren Schritt wird PI hochohmig geschaltet, so dass der Arbeitspunkt der Überwachungsschaltung 15 signifikant verschoben wird . Aus der definierten Umschal- tung von PI und dem ermittelten Unterschied zwischen nominaler Kapazität im ersten Arbeitspunkt und ermittelter Kapazität bei verschobenem Arbeitspunkt
wird die Güte beziehungsweise die Permittivität des Dielektrikums bewertet. Diese Abweichungen sind vorzugsweise in einem Kennfeld im MikroController hinterlegt. Aufgabe des MikroControllers ist es unter Anderem, in diesem Kennfeld die zugehörige Übereinstimmung zu finden und vorzugsweise eine entsprechende Anpassung des ermittelten Füllstandes vorzunehmen .
Fig . 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Überwachungsschaltung 15 zur Füllstandüberwachung des Kondensatabieiters 1 aus Fig . l . Durch die Überwachungsschaltung 15 lässt sich die durch äußere physikalische Einflüsse, hier im speziellen das Ansteigen eines Flüssigkeitsspiegels im Kondensatsammelbehälter 4, veränderte elektrische Kapazität des Messkondensators 8 erfassen, der in dem elektronisch gesteuerten Ablassventil 6 zur Ableitung von Kondensat 2 aus Druckluftanlagen einzusetzen ist. Das Grundprinzip der Überwachungsschaltung 15 ist, die Impedanz der veränderlichen Kapazität so zu vermessen, dass sich der Kapazitätswert und die Güte des Messkondensators 8 ergibt.
In Fig . 3 ist die allgemeine Struktur eines MikroControllers 12 dargestellt. Der MikroController 12 verfügt über einen hoch auflösenden AD-Wandler 13 und einen Timer 14. Der Timer 14 kann derart gesteuert werden, dass sich zwei ge- genphasige zeitlich gleich lange Pulse ohne Überlappung einstellen lassen, mit denen die Schaltbausteine Si und S2 angesteuert werden . Die Überwachungsschaltung 15 weist den Messkondensator 8, dessen eine Elektrode 8.1 durch zumindest einen Teil der Wandung des Kondensatsammelbehälters 4 gebildet ist, sowie die Schalter Sl und S2 auf. Der Messkondensator 8 und die Schalter Sl und S2 bilden ein SC-Element. Weiterhin sind ohmsche Widerstände Rl und R2 in Reihe zu den Schaltbausteinen Sl und S2 angeordnet. Die Widerstände Rl und R3 sind mittels der Schaltbausteine S3 und S4 überbrückbar. Die Überwachungsschaltung 15 umfasst des Weiterein einen Operationsverstärker 16, der als Integrierer verschaltet ist.
Die Basis des Verfahrens ist aus der Arbeitsweise der Switched Capacitor Filter - auch als SC-Filter bezeichnet - entnommen . Es ist zu erkennen, dass die Überwachungsschaltung einen invertierenden Integrator mit virtuellem Massepunkt
darstellt, solange die Schalter S3 und S4 geschlossen sind . Wird die Überwachungsschaltung so betrieben, dass S3 und S4 dauerhaft geschlossen sind und immer entweder Sl oder S2 geschlossen wird, so wird sich an dem Ausgang der Operationsverstärkers - relativ zu einer virtuellen Masse am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers - ein dem Verhältnis zwischen der zu vermessenden Kapazität und der Integrations-Kapazität proportionale Spannung einstellen. Auf diese Art kann der absolute Wert der unbekannten Kapazität des Messkondensators 8 bestimmt werden. Soll nun die Güte des Messkondensators 8 bestimmt werden, so werden S3 und S4 dauerhaft geöffnet. Dadurch verändert sich die Güte der Schaltung so, dass der Güte-Anteil des Messkondensators 8 relevant zur Güte der Schaltung wird . Aus der Veränderung der Ausgangsspannung gegenüber dem Betrieb mit geschlossenen Schaltern S3 und S4 lässt sich nun die Güte des Messkondensators 8 bestimmen.
Der Messkondensator 8 mit Öl als Dielektrikum zwischen den Kondensatorelektroden erzielt eine wesentlich schlechtere Güte als wenn der Raum zwischen den Kondensatorelektroden mit Wasser gefüllt ist. Dies liegt an der unterschiedlichen Beweglichkeit der Moleküle und führt zu unterschiedlich großen Verlusten der Anordnung bei der Ausrichtung der Moleküle gemäß dem angelegten elektrischen Feld .
Der Mikrokontroller 12 bewertet zusätzlich zur Kapazität des Messkondensators 8 die Güte und kann auf den Anteil von Öl im Kondensatsammelbehälter 4 beziehungsweise auf die Permittivität des Dielektrikums schließen. Mit Hilfe dieser Angabe kann ein diskreter Wert zur Darstellung des Füllgrads des Kondensatsammelbehälters 4 gewonnen werden, der unabhängig von der Art der Befüllung ist.