Kapazitiver Fülistandssensor

Die Erfindung geht aus von einem stufenlosen kapazitiven Föilstandssensor mit einer Eiektrodeneinheit nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.

Stand der Technik

Kapazitive Füllstandssensoren können zur Messung von Füllständen flüssiger IVIedien oder von Feststoffen eingesetzt werden. Bei einem kapazitiven

Füllstandssensor zur Messung von Füllständen wird eine Mess-impedanz herausgebildet, deren ohmsche Komponente, insbesondere jedoch deren kapazitive Komponente ein Maß für den Füllstand widerspiegelt.

In einer einfachen Ausgestaltung einer Elektrodeneinheit ist eine Mess-Elektrode vorgesehen, die elektrisch isoliert an der Außenwand eines Behälters oder in einer Tauchsonde benachbart zu einer Gegen-Elektrode positioniert ist.

In der Offenlegungsschrift DE 10 2009 017 011 Ä1 ist ein kapazitiver

Füllstandssensor beschrieben, der eine Messung der Füllhöhe eines Mediums i einem Behälter ermöglicht. Der kapazitive Sensor umfasst eine Mess-Efektrode und eine Gegen-Elektrode, wobei die Gegen-Elektrode die elektrische Schaftungsmasse ist, die dem Erdpotenziai entsprechen kann. Die beiden

Elektroden bilden einen IVless-Kondensaior mit dem Medium als Dielektrikum. Die Kapazität des Mess-Kondensators hängt von der Füllhöhe des Mediums ab. Die Kapazität des Mess-Kondensators wird anhand eines Vergleichs mit der Kapazität eines Referenz-Kondensators gemessen. Beide Kondensatoren sind über jeweils einen Widerstand mit einer Spannungsquelle verbunden. Zur Durchführung der Messung werden beide Kondensatoren durch Einschaltet in zeitlicher Folge kurzgeschlossen und somit entladen. Der Spannungsanstieg an den beiden Kondensatoren nach dem Öffnen der Schafter hängt von de Lade-Widerständen und den Kapazitäten ab. Anhand einer Bewertung der Anstiegszelt oder anhand eine Bewertung des zeitlichen Mittelwerts der an den Kondensatoren liegenden Spannungen könnte die Füllhöhe bestimmt werden. Im gezeigten

Ausführungsbeispiel werden jedoch die zeitlichen Mittelwerte der Spannungen in einem Komparator miteinander verglichen. Am Ausgang des Komparators steht ein Schaltsignal zur Verfügung, welches signalisiert, dass die Fülihöhe ein bestimmtes Maß überschritten hat oder darunter liegt.

In einem Äusführungsbeispie! ist die Mess-Elektrode auf beiden Seiten und auf der Rückseite mit einer Abschirm-Elektrode umgeben, um die elektromagnetische Umgebungseinflüsse zu eliminieren. Bei der Abschirmung handelt es sich um eine aktive Abschirmung, bei welcher das Potenzial der Abschirm-Elektrode- auf dem Potenzial der Mess-Elektrode gehalten wird. Dadurch weist die Kapazität des Kondensators, der von der fvless-Elekirode und der Abschirm-Elektrode gebildet wird, einen Wert von wenigstens näherungsweise null auf.

Aufgrund einer absoluten Messung der Kapazität des von der Mess-Elektrode und der Gegen-Elektrode gebildeten Mess-Kondensators Ist die Elektrödeneinheit fest vorgegebe und muss- im Hinblick auf die Beschaffenheit des Mediums jeweils kalibriert werden. Aus der Offenlegungsschrift DE 199 49 985 A1 geht ein kapazitiver

Füllstandssensor hervor, der im Rahmen eines Oszillationsverfahrens betrieben wird. Die Betriebsfrequenz liegt in einem Bereich von 5 - 10 MHz, Zur

Kompensation der Behälterwandkapazitäf sowie zur Kornpensation eines

Anhaftungsrests des elektrisch festfähigen Mediums im Bereich der Elektroden ist eine weitere Elektrode vorgesehen. Die vergleichsweise hohe Betriebsfrequenz bis 10 MHz stellt entsprechend hohe Anforderunge an die elektrische Abschirmung des kapazitiven Füllsiandssensors zur Erfüllung der E MV- orschriften. Die

Schaltungsanordnung zum Betreiben des beschriebenen Mess-Kondensators erfordert einen absoluten Bezug zum Erdpotenztal. Hierdurch hängt die Funktion des vorbekannten kapazitiven Füllstandssensors von der Ausgestaltung des Behälters ab, in welchem das Medium gelagert ist, dessen Füllhöhe gemessen werden soll.

Die Offenlegungsschrift DE 10 2009 002 674 A1 beschreibt einen kapazitiven Füllstandssensor, bei welchem eine Mess-Eiektrode vorgesehen ist, die mit einer elektrischen Schaltungsmasse als Gegen-Elektrode den Mess- ondensator bildet Der Mess-Kondensator ist Teil eines Serien-Schwingkreises, desse

Schwingfrequenz von der Impedanz des .Mediums abhängt. Die Leitfähigkeit: des Mediums hat einen Einfluss auf die Güte des den Mess-Kondensator enthaltenden Schwingkreises, sodass der Füllstand des Mediums anhand einer Bewertung der Amplitude und der Frequenz des Schwingungssignals ermitielt werden kann. Durch die Einbeziehung der elektrischen Schaltungsmasse kann die vorbekannte

Vorgehensweise nur in Tauchsonde mit geerdetem Metallgehäuse verwendet werden, wobei die Mess-Eiektrode immer nahe der Metaligehäusefläche angeordnet sein muss.

In der Offenlegungsschrift DE 41 31 582 A1 ist ein kapazitiver Füllstandssensor beschrieben, der eine Mess-Eiektrode, eine hinter der Mess-Eiektrode angeordnete Äbschirm-Elektrode sowie eine ©egen-Elektrode aufweist, wobei die Gegen- Elektrode durch die metallische Behälterwand gebildet wird. Die Mess-Eiektrode und die metallische Behälierwand bilden einen Mess-Kondensator, dessen

Kapazität vom Füllstand des Mediums abhängt.

Das Gebrauchsmuster DE 7138801 U beschreibt einen kapazitiven

Fülistandssensor mit einer in das Medium eintauchenden Elekirodeneinheit, welche eine streifenförmige Mess-Elektrode und eine streifenförmige Gegen-Elektrode enthält. Die beiden Elektroden bilden einen Mess-Kondensator, dessen Kapazität vom Füllstand des Mediums abhängt Die ess- und Gegen-Elektrod sind nebeneinander an einer einseitig mit dem Medium in Berührung stehenden dielektrischen Behälterwand angeordnet. Auf der dem Medium abgewandten Seite der Mess-Elektrode ist eine Abschirra-Elektrode angeordnet Die Mess- Elektrod und die Äbschirm-Eiektrode werden auf demselben Potenzial gehalten, sodass zwischen der Äbschirm-Eiektrode und der Mess-Elektrode kein elektrisches Feld und somit keine Kapazität auftreten kann. Der Mess-Kondensator wird dadurch ausschließlich von der Gegen-Elektrode und der Mess-Elektrode gebildet, wobei nur dasjenige elektrische Feld wirksam wird, welches innerhalb des Mediums verläuft, Jedoch nicht das zwischen der Gegen-Elektrode und der Äbschirm- Eiektrode auftretende elektrische Feld. Das Messergebnis wird dadurch von der zwischen der Gegen-Elektrode und der Abschirmung herausgebiSdefe Kapazität nicht beeinflusst und hängt dadurch wenigstens näherungsweise nur vom Füllstand des Mediums ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Fülistandssensor anzugeben, welcher eine einfache Anpassung an unterschiedliche Füllstands- Messbereiche beziehungsweise unterschiedlich hohe Behälter ermöglicht.

Die Aufgabe wird durch die im unabhängigen Anspruch angegebenen Merkmale gelöst.

Offenbarung der Erfindung Die Erfindung geht von einem kapazitiven Füüstandssensor zur stufenlosen

Messung des Füllstands eines Mediums in einem Behälter aus, der eine

Elektrodeneinheit umfasst, welche eine streifenförmige Mess-Elektrode, eine streifenförmige Gegen-Elekirode sowie eine streifenförmige Abschirm-Elektrode enthält, wobei die Abschirm-Elektrode die Mess-Elektrode zumindest teilweise umgibt.

Der erfindungsgemaße kapazitive Fülistandssensor zeichnet sich zunächst dadurch aus, dass eine erste echseispannungsquelfe mit vorgegebener

Frequenz und Amplitude vorgesehen ist, an welcher die Abschirm-Elektrode angeschlossen ist, sodass ein zwischen der Abschirm-Elektrode und der Mess- Elektrode ausgebildeter Äbschirm-Kondensator eine Abschirm-Kapazität aufweist, die proportional zur Länge der Äbschirm-Eiektrode ist.

Der erfindungsgemäße kapazitive Füllstandssensor zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass eine zweite Wechselspannungsquelle gleicher Frequenz und mit vorgegebener zweiter Amplitude vorgesehen ist, wobei die zweite Amplitude gegenphasig zur ersten Amplitude ist, an welcher die Gegeh-Elektrode

angeschlossen ist, sodass ein zwischen der Gegen-Elektrode und der Mess- Elektrode ausgebildeter Ivless-Kondensator eine Mess-Kapazität aufweist, die proportional zum Füllstand ist.

Die an der Mess-Elektrode abgreifbare Mess-Elektroden-Spannung ist vom

Verhältnis der Abschirm-Kapazität zu Mess-Kapazität abhängig und wird so zur Ermittlung des Füllstands herangezogen. Hierbei kann die Mess-Elektroden- Spannung oder ein daraus abgeleitetes Signal als Ausgangssignal für ein Maß des Füllstands ausgegeben werden. Alternativ kann die Mess-Elektroden-Spannung im Rahmen einer Regelung verwendet werden, wobei eine Regelspannung als Ausgangssignal für ein Maß des Füllstands bereitgestellt werden kann. Der erfindungsgemäße kapazitive Füllstandssensor ist ein hochfiexibier Sensor zur direkten und stufenlosen Umsetzung des Füllstands eines Mediums in einem Behälter in ein korrespondierendes Äusgangssignai. Als Ausgangssignal kann beispielsweise eine analoge Spannung im Bereich vo 0 - 0 V oder

beispielsweise ein eingeprägter Strom im Bereich von 4 - 20 mÄ vorgesehen sein.

Der erfindungsgemäße kapazitive Föllstandssensor wird vorzugsweise auf einer nicht metallischen Außenwand des Behälters angeordnet. Das Äusgangssigna! spiegelt jederzeit ein Maß für die aktuelle Höhe des Füllstands im gesamten essbereich von null, entsprechend dem unteren Ende der Elektrodeneinheit, bis zum Maximalwert, entsprechend dem oberen Ende der Elektrodeneinheit wider.

Ein ganz besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen kapazitive

FÜlistandssensors mit der Elektrodeneinheit liegt darin, dass die Länge der Eiektrodeneinheit individuell durch einfaches Abschneiden auf einen vorgegebenen Füllstands- essbereich, entsprechend einer vorgegebenen Höhe des Behälters, angepasst werden kann. Daher kann der erfindungsgemäße kapazitive

Föllstandssensor preiswert beispielsweise als Meterware hergestellt und geliefert werden.

Das Äusgangssignai nutzt unabhängig von der Läng der Elektrodeneinheit stets denselben vorgesehenen elektrischen Bereich aus, der zwischen dem minimalen und den maximalen zu messenden Füllstand Hegt, wobei lediglich vorausgesetzt wird, dass die Dicke der Wand des Behälters sowie insbesondere die elektrischen Eigenschaften des Mediums wenigstens näherungsweise gleich bleiben. So werden ohne weiteren Eingriff in eine signalverarbeitende Anordnung ein

Füllstands-Messbereich bei einem Behälter von beispielsweise 10 cm maximalem Füllstand oder bei einem hohen Behälter von beispielsweise 100 cm maximalem Füllstand auf den gleichen Bereich des Äusgangssignals von den bereits beispielsweise genannten 0 - 10 V oder 4 - 20 mÄ verteilt. Sowohl die ess-Kapazität des Mess-Kondensators als auch die Äbschirrn- Kapazifä! des Abschirm-Kondensators ändern sich sowohl mit der frei wählbaren Länge der Elektrodeneinheit als auch in Abhängigkeit vom Füllstand gleich.

Aufgrund des Gleichlaufs der beiden Kapazitäten bleibt das füilstandsabhängige Verhältnis der Mess-Kapazität bezogen auf die Äbschirm-Kapazität unabhängig von der frei konfigurierbaren Länge der Elektrodenefnheit konstant. Unter der oben genannten Voraussetzung durchläuft das Ausgangsignal somit immer den gleichen Hub beziehungsweise Wertebereich unabhängig davon, ob die Länge der

Elektrodeneinheit beispielsweise nur 10 cm oder beispielsweise 100 cm beträgt.

Aufgrund der gegenphasigen Beaufschlagung der Gegen-Elektrode einerseits und der Äbschirm-Elektrode andererseits mit den von beiden

Wechselspannungsquellen bereitgestellten Wechseispannungen ist das Potenzial der elektrischen Feldlinien in der geometrischen Mitte zwischen der Mess- Elektrode und der Gegen-Elektrode identisch mit dem Erdpotenzial

beziehungsweise der Schaltungsmasse. Die Messergebnisse sind somit unabhängig von den Erdungsverhältnissen am Behälter.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstände jeweils von abhängigen Ansprüchen.

Eine erste Ausgestaltung sieht vor, dass die Äbschirm-Elektrode als eine dritte streifenförmige Äbschirm-Elektrode ausgebildet ist, die auf der hinteren, vom Behälter abgewandte Seite der Mess-Elektrode angeordnet ist und dass die dritte Äbschirm-Elektrode die Mess-Elektrode überdeckt Mit dieser Maßnahme wird nicht nur der Äbschirm-Kondensator gebildet, sondern es wird gleichzeitig ein

elektromagnetische Abschirmung gegenüber ^' Störsignalen aus der Umgebung erzielt.

Eine alternative oder zusätzliche Ausgestaltung sieht vor, dass die Abschirm- Elektrode zusätzlich als eine erste streifenförmige Äbschirm-Elektrode und als eine zweite streifenförmige Äbschirm-Elektrode ausgebildet ist, dass die erste Äbschirm- Elektrode auf der einen Seite neben der ess-Efektrode und die zweite Äbschfrm- Elektrode auf der anderen Seite neben der Mess-Elektrode angeordnet sind und dass die erste, zweite und dritte Äbschirm-Elektrode elektrisch miteinander verbunden sind. Aufgrund der Tatsache, dass die erste und zweite Äbschirm- Elektrode in der gleichen Ebene wie die Mess-Elektrode angeordnet sind, ergibt sich eine einfache Montage de ersten und zweiten Äbschirm-Elektrode.

Im elektrischen Feld zwischen der ersten Äbschirm-Elektrode und der Ivless- Elektrode beziehungsweise zwischen der zweiten Abschirm- Elektrode und der Mess-Elektrode liegt die Wand des Behälters, Der Wert der beiden Teil-Äbschirm- Kapazitäten ist somit vom Dielektrikum der Wand des Behälters abhängig. Mit einer Erhöhung des Dielektrikums der Wand des Behälters erhöht sich nicht nur die Äbschirm-Kapazität, sondern auch di Kopplung beziehungsweise die aus der Kopplung resultierende Spannung an der Mess-Elektrode. Gleichzeitig erhöht sich jedoch auch die Kopplung von der yess-Elektrode hin zum Medium. Der Einfluss des Materials der Wand des Behälters wird auf diese Weise innerhalb gewisser Grenzen kompensiert. Gleiches gilt auch für einen Änhaftungsresi von

schäumenden, an der Innenwand des Behälters anhaftenden Medien, die insbesondere bei einem sinkenden Füllstand auftreten können.

Eine Weiterbildung dieser Ausgestaltung sieht vor, dass die Gegen-Elektrode, die Mess-Elektrode sowie die erste und zweite Äbschirm-Elektrode auf einer

Trägersehieht angeordnet sind, die beispielsweise als Flexplatine realisiert ist.

Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zumindest im Bereich zwischen der dritten Äbschirm-Elektrode einerseits und der Mess-Elektrode, der ersten Äbschirm-Elektrode sowie der zweiten Äbschirm-Elektrode eine Isolierschicht vorgesehen ist. Die Isolierschicht, die vorzugsweise eine niedrige

Dielektrizitätskonstante aufweist, ermöglicht eine einfache Vorgabe der Abschirm- apazität bei der Fertigung bezogen auf die Längeneinheit der Elektrodeneinheit. Vorzugswesse ist die Isolierschicht als ein Schaumstoff-Klebeband realisiert.

Dadurch wird insbesondere eine leichte Anpassung der Elektrodeneinheit an die Krümmung der Außenwand des Behälters möglich.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Rückseite der Efektrodeneinheit, entsprechend der Rückseite der dritten Abschirm-Elektrode und der Gegen- Elektrode mit einer isolierenden Schutzschicht überzogen ist. Dadurch werden die beispielsweise aus Kupferfolie hergestellten Elektroden gegenüber

Umwelteinflüssen geschützt.

Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass auf der dem Behälter zugewandte Seite der Elektrodeneinheit eine Klebeschicht zürn Fixieren der Ejektrodeneinheit auf der Außenwand des Behälters vorgesehen ist. Die Klebeschieht ermöglicht insbesondere eine einfache Montage auf einer gekrümmten Außenwand des Behälters.

Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen kapazitiven Füllstandssensors sieht vor, dass die Mess-Elektrode, die Gegen-Elektrode sowie die Äbschirm- Elektrode unmittelbar auf einer Platine einer ersten Elektronikeinheit

angeschlossen sind, welche direkt am Behälter angeordnet ist. Die Elektroden werden direkt auf der Platine verlötet. Insbesondere kann die Elektronikeinheit eine signalverarbeiiende Anordnung zum Ansteuern der Elektroden sowie die vollständige Auswerteschaltung enthalten, sodass am Ausgang der ersten

Elektronikeinheit ein Ausgangssignal bereitgestellt werden kann, welches den Füllstand widerspiegelt.

Alternativ kann eine von der Etektrodeneinheit getrennte zweite Elektronikeinheit vorgesehen sein.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäSe kapazitiven Füllstandssensors sieht vor, dass die zweite echse!spanRungsqueiie als Invertierer realisiert ist, dessen Eingang an der ersten Wechselspannungsquelle angeschlossen ist. Mit dieser Maßnahme wird die Realisäerung der zweiten WeGhselspannungsquelle besonders preisgünstig, wobei gleichzeitig die Bereitstellung der gegenphasigen

Wechselspannung sichergestellt ist. Der Invertferer wird vorzugsweise auf einen Verstärkungsfaktor von wenigstens näherungsweise eins eingestellt. Durch eine Änderung des Verstärkungsfaktors kann eine Adaption an unterschiedliche

Geometrien der Elektroden ohne besonderen Aufwand erfolgen.

Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass die Frequenz der

Wechselspannungsquelien auf einen Wert zwischen 0,1 MHz und 30 MHz festgelegt ist. Die Auswahl der Frequenzen in dem angegebenen Bereich ermöglicht zum einen eine ausreichende Kopplung der Wechselspannung vo der Absehirm-Elektrode und der Gegen-Elektrode auf die Mess-Elektrode. Zum anderen können die Wechselspannu gen in diesem Frequenzbereich mit einfachen Mitteln realisiert werden. Vorzugsweise wird die Frequenz beispielsweis auf wenigstens näherungsweise 1 MHz festgelegt.

Eine Ausgestaltung sieht einen Gleichrichter zum Gleichrichten der an der Mess- Elektrode auftretende Mess-Elektroden-Spannung vor, wobei di am Ausgang des Gleichrichters anliegende Gleichspannung als Äusgangssignal herangezoge werden kann, welches als ein Ma& für den Füllstand gewertet werden kann.

Aufgrund der erwarteten geringen Kapazitäten und somit hohen Quellenimpedanz des erfindungsgemäßen kapazitiven Füllstandssensors ist zwische der Mess- Elektrod und dem Gleichrichter vorzugsweise ein Impedanzwandier geschaltet, der die yess-Elektrode nur gering belastet und den naohgeschalteten Gleichrichter niederohrmg ansteuern kann.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die erste

Wechselspannungsquelle als gesteuerte Wechselspannungsquelle realisiert ist, deren Ausgangsspannung in Abhängigkeit von einer Regelspannung änderbar ist. Die Regeispannung wird in Abhängigkeit vom Äusgangsssgnal eines Vergleichers festgelegt, der die vom Gleichrichter bereitgestellte Gleichspannung mit einer fest vorgegebenen Referenzspannung vergleicht. Dadurch entsteht ein geschlossener Regelkreis, der die an der Mess-Elektrode abgreifbare ess-Elektroden-Spannung konstant hält. Bei dieser Weiterbildung kann die Regeispannung als

Ausgangsspannung herangezogen werden, welche ein Maß für den Füllstand widerspiegelt. Letztendiich wird auch bei dieser Weiterbildung die an der Mess- Elektrode abgreifbar Mess-Elektroden-Spannung zur Ermittlung eines Maßes für den Füllstand herangezogen, obwohl die Mess-Elektroden-Spannung konstant gehalten wird.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen kapazitiven Füllstandssensors ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.

Äusführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und m der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Kurzbeschreibung der Rgyren

Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen kapazitiven Füllstandssensor, der im Bereich einer Elektrodeneinheit in Höhenrichtung geschnitten ist,

Figur 2 zeigt einen Schnitt in Höhenrichtung durch einen erfindungsgemäßen kapazitiven Füllstandssensor,

Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch eine Elektrodeneinheii eines

erfindungsgemäßen kapazitiven Füllstandssensors,

Figur 4 zeigt ein erstes Äusführungsbeispiel einer signalverarbeitenden Anordnung, Figur 5 zeigt funktionale Zusammenhänge zwischen einem Äusgangssignai der in Figur 4 gezeigten signalverarbeitenden Anordnung und Füllständen,

Figur 8 zeigt ein zweites Äusführungsbeispiel einer signalverarbeitenden

Anordnung und Figur 7 zeigt funktionale Zusammenhänge zwischen einem Ausgangssignal der in Figur 8 gezeigten signalverarbeitenden Anordnung und Füllständen.

Detaillierte Beschreibung der Äusführungsbeisptele

Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen kapazitiven Füllstandssensor 10, der im Bereich einer Elektrodenein heii 12 in Höhenrichtung geschnitten ist. Der kapazitive Föllstandssensor 10 misst den Füllstand H1 , H2 eines in einem Behälter 14 befindlichen Mediums 16 in einem Füllstands-Messbereich H, Im gezeigten Ausführtmgsbeispiei weist das Medium 18 einen ersten Füllstand H1 auf.

Eingetragen ist weiterhin ein möglicher zweiter Füllstand H2.

Die Elektrodeneinheit 12 ist mittels einer Klebeschicht 18 an die Außenwand 20 des Behälters 14 geklebt. Aufgrund der teilweise geschnittenen Darstellung sind eine Wess-Elektrode 22, eine Gegen-Elektrode 24, eine erste Abschirm-Elektrode 28 sowie eine zweite Abschirm-Elektrode 28 sichtbar. Die Elektrodeneinheit 12 ist mit einer ersten Elektronikeinheit 30 verbunden, die im gezeigten

Äusführungsbeispiel am unteren Ende des Behälters 14 angeordne ist. Über eine Leitung 32, die mittels eines Steckverbinders 34 mit der ersten Elektronikeinheit 30 kontaktiert wird, wird ein Ausgangssignal 36 bereitgestellt, welches ein Maß für den Füllstand H1 , H2 bzw. sämtlicher auftretenden Füllstände im Füllsiands- IVlessbereich H des Mediums 16 im Behälter 14 ist.

Der in Figur 2 gezeigte, im Bereich der ess-Efektrode 22 in Höhenrichtung geschnittene erfindungsgemäße kapazitive Füllstandssensor 10, zeigt eine auf der Rückseite der ess-Elektrode 22 angeordnete dritte Abschirm-Elektrode 40.

Diejenigen in Figur 2 gezeigten Teile, die mit de in Figur 1 gezeigten Teilen übereinstimmen, fragen jeweils dieselbe Bezugszeichen. Dies gilt auch für die folgenden Figuren. Die Elektrodeneinheit 12 ist zumindest auf der Rückseite von einer Schutzschicht 42 umgeben. Die Elektroden 22, 24, 28, 28, 40 sind mit einer in. der ersten

Elektronikeinheit 30 angeordneten Platine 44 beispielsweise mitteis Löten kontaktiert. Die erste Elektronikeinheit 30 enthält ein signalverarbeitende

Anordnung 48,

Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch die Elektrodeneinheii 12 des

erfindungsgemäßen kapazitiven Füllstandssensors 10. Die Behälterwand 20 sowi die Elekfrodeneinheit 12 sind geradlinig gezeigt, sodass der erfindungsgemäße kapazitive Föllstandssensor 10 beispielsweise an einem rechteckförmigen Behälter 14 positioniert ist. Bei einem zylindrischen Behälter 14 weist die Außenwand 20 eine Krümmung auf, welcher die Elektrodeneinheit 12 aufgrund ihres nachfolgend detailliert beschriebenen Äufbaus problemlos angepasst werden kann.

Die Elektrodeneinheif 12 wird mit der Klebeschicht 18 auf die nicht metallische Außenwand 20 des Behälters 14 geklebt. Die Klebeschicht 18 ist auf der dem Behälter 14 zugewandten Seite einer Trägerschicht 48, vorzugsweise einer Flexleiterplatte aufgebracht, welche die Gegen-Elektrode 24, die erste Äbschirm- Eiektrode 28, die Mess-Elektrode 22 sowie die zweite Äbsdiirm-Elektrode 28 vorzugsweise als Leiterbahnen enthält. .

Auf der Rückseite der Mess-Elektrode 22 sowie der ersten und zweiten Abschirm- Elektrode 26, 28 ist eine Isolierschicht 50 vorgesehen, die vorzugsweise eine gering Dielektrizitätskonstante autweist. Die Isolierschicht 50 ist beispielsweise aus einem Schaumstoff-Klebeband hergestellt. Die Isolierschicht 50 trennt die Mess-Elektrode 22 sowie die erste und zweite Äbschirm-Eiektrode 26, 28 von der dritten Äbschirm-Eiektrode 40.

Der hintere Bereich der Elektrodeneinheit 12 bezogen auf den Behälter 14 ist mit einer Schutzschicht 42 umgeben, welche die Elektrodeneinheif 12 insbesondere von Umwelteinflössen schützt. Die komplette Elektrodeneinheit 12 ist aus flexiblen Materialien hergestellt, sodass die Elektrodeneinheit 12 problemlos an unterschiedliche Außenwand-Krümmungen von zylindrischen oder ovalen Behältern 14 angepasst werden kann.

In Figur 3 sind die einzelnen Komponenten de Elektrodeneinheit 12 zur

Verdeutlichung des Aufbaus erheblich vergrößert dargestellt. Beispielhaft können folgende Abmessungen vorgesehen sein: Die Breiten der Mess-Elektrode 22 sowie der ersten und zweiten Abschirm-Elektrode 28, 28 können beispielsweise 3,5 mm betragen, während die Breite der dritten Abschirm-Elektrode 40 beispielsweise zwischen 8 - 13 mm liegen kann. Die Breite der Gagen-Elektrode 24 liegt beispielsweise bei 8 mm. Die Dicke der Isolierschicht 50 beträgt beispielsweise 1 mm. Die Dicken der Klebeschicht 18, der Elektroden 22, 24, 26, 28, 40 sowie der Schutzschicht 42 liegen im Mikrometer-Bereich, Die Dicke des Trägermaterials 48, das beispielsweise als Flex-Plailne realisiert ist, liegt beispielsweise im. oberen Mikrometerbereich,

Ein wesentlicher Vorteil des Äufbaüs des erfindungsgemäßen kapazitiven

Füllstandssensors 10 mit der gezeigten Elektrodeneinheit 12 liegt darin, dass die Elektrodeneinheit 12 vom Anwender auf einfachste Weise an unterschiedliche Füilstahds- essbereiche H entsprechend unterschiedliche Höhen von Behältern 14 angepasst werden kann, indem die Elektrodeneinheit 12 beispielsweise mittels einer Schere auf die erforderliche Länge gekürzt wird. Daher kann der

erfindungsgemäße kapazitive Füilstandssensor 10 beispielsweise als Meterware hergestellt und angeboten werden.

Die Elektroden 22, 28, 28, 40 bilden gewissermaßen eine halbkoaxiale Struktur, bei welcher die Mess-Elektrode 22 vergleichbar ist mit dem Innenlester einer Koaxial- Leitung, die zur Außenwand 20 des Behälters 14 hin offen ist, jedoch an den Seiten von der ersten und zweiten Abschirm-Elektrode 28, 28 und nach hinten von der dritten Abschirm-Elektrode 40 abgeschirmt ist. Bei dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeisplel ist die erste

Elektronikeinheit 30 am unteren Ende der Elektrodeneinheit 12 positioniert. In einer anderen, nicht näher gezeigten Ausführung kann die erste E!ektronikeinheii 30 an einer beliebigen Höhenposition der Elektrodeneinheit 12 montiert und mit der Elektrodeneinheit 12 kontaktiert werden.

In einer weiteren Ausgestaltung ist anstelle der ersten, unmittelbar mit der

Elektrodeneinheit 2 verbundenen Eiektronikeinheit 30 eine nicht näher gezeigte zweite Eiektronikeinheit vorgesehen, die räumlich getrennt von der

Elektrodeneinheit 12 angeordnet ist. In diesem Fall wird die Elektrodeneinheit 12 mit einem mindestens 5-adrigen, vorzugsweise steckbaren Kabel mit der zweiten Elektronikeinheit verbunden.

Die Platine 44, die innerhalb eines Gehäuses der ersten Eiektronikeinheit 30 liegenden Enden der Elektroden 22, 24, 20, 28, 40, die signalverarbeitende

Anordnung 46 sowie die wetteren Komponenten der ersten Elektronikeinheit 30 können mit einem Füllmaterial, beispielsweise Gießharz umgeben werden, sodass die erste Elektronikeinheit 30 insbesondere vor Umwelteinflüsse geschützt ist.

Aufgrund des Aufbaus der Elektrodeneinheit 1 wird zwischen der Mess-Elektrode 22 und der Gegen-Eiektrode 24 ein Mess-Kondensator 52 gebildet, der eine füllstandsabhängige Ivless-Kapazität aufweist. Die Mess-Kapazität weist einen kleinen Grundbetrag auf, der linear abhängig von dem Füllstands-Messbereich H ist. Insbesondere weist die Mess- apazität jedoch einen füllstandsabhängigen Wert auf, der proportional zum Füllstand H1 , H2 des Ivlediums 16 im Behälter 14 ist.

Zwischen der ersten Äbschirm-Elektrode 28 und der Mess-Elektrode 22 wird ein erster Äbschirm-Kondensator 54, zwischen der Mess-Elektrode 22 und der zweiten Äbschirm-Elektrode 28 ein zweiter Äbschirm-Kondensator 56 und zwischen der Mess-Elektrode 22 und der dritten Abschirm-Eiektrode 40 ein dritter Abschirm- Kondensator 58 herausgebildet. Die Kapazitäten der Abschirm-Kondensatoren 54, 56, 58 sind ausschließlich abhängig und proportional zum Füllstands-Messbereich H, entsprechend der Länge der Elektrodeneinheit 12. Die Abschirrn-Kapazitäten steigen demnach linear mit der Länge der Elektrodeneinheit 12 an.

In Figur 4 ist ein Äusführungsbeispiel der^ignalverarbeiienden Anordnung 46 gezeigt, welche zum Betreiben der Elektrodeneinheit 12 vorgesehen ist.

Die signalverarbeitende Anordnung 46 enthält eine erste Wechselspannungsquelle 60, die zwischen einer Schaltungsrnasse 62 und die elektrisch miteinander verbundenen Abschirrn-Elektroden 26, 28, 40, entsprechend den Äbschirm- Kondensatoren 54, 56, 58 geschaltet ist. Die erste WechselspannungsqueSle 60 stellt eine erste, vorzugsweise sinusförmige Wechselspannung 64 bereit, deren Frequenz beispielsweise im Bereich von 0,1 -30 MHz liegt. Vorzugsweise wird die Frequenz der ersten Wechselspannung auf 1 MHz festgelegt. Die Frequenz ist derart festzulegen,, dass einerseits nur eine geringe unerwünschte Abstrahlung des Signals stattfindet und dass andererseits jedoch mit Blick auf die vergleichsweise geringen auftretenden Kapazitäten, die im Picofarad- Bereich liegen, ein

ausreichend hoher Signalpegel an der ess-Elektrode 22 auftritt.

Weiterhin Ist eine zweite Wechselspannungsquefle 86 vorgesehen, die Im gezeigten Ausführungsbeispiel als Invertierer realisiert ist. Die zweite

Wechselspannungsquelle 68 ist mit der Gegen-Elektrode 24 verbunden. Die zweite Wechselspannungsquelle 66 stellt eine zweite Wechselspannung 88 bereit, weiche die gleiche Frequenz wie die erste Wechselspannung 84 aufweist, weiche jedoch um 180° phasenverschoben, also gegenphaslg zur ersten Wechseispannung 64 liegt.

Gegebenenfalls besteht eine Abgleichsmöglichkeit für die Amplitude der ersten oder der zweiten Wechselspannung 84, 68, um zumindest eine Wechselspannung 64, 88 an unterschiedliche Geometrien der Elektroden 22, 24, 28, 28, 40 anpassen zu können. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird, davon ausgegangen, dass die als Invertierer realisierte zweite Wechselspannungsqueiie 68 de

Verstärkungsfaktor 1 aufweist, sodass die Amplitude der ersten Wechselspannung 64 wenigstens näherungsweise gleich der Amplitude der zweiten

Wechselspannung 68 ist.

Die Mess-Elektrode 22 ist vorzugsweise an. einem Impedanzwandler 70 angeschlossen, der die Mess-Elektrode 22 nur gering belastet, eine an der Mess- Elektrode 22 auftretende IViess-Eiektroden-Spannung 72 jedoc niederohmig an einen naehgeschalteten Gleichrichter 74 weitergibt. Der Gleichrichter 74 steiit eine Gleichspannung UDC bereit, welche der gleichgerichtete IVfess-Elektroden- Spannung 72 entspricht

Der IVIess-Kondensator 52 einerseits und die parallel liegenden Abschirm- Kondensatoren 54, 56, 58 andererseits bilden einen kapazitiven Spannungsteiler. An der Mess-Elektrode 22 tritt eine geteilte, fütlstandsabhängige Mess-Elektroden- Spannung 72 auf. Den Bezug bildet die Summe der Abschim -Kapazitäten der Abschirm-Kondensatoren 54, 56, 50. ivTii steigendem Füllstand des Mediums 16 steigt die Kapazität des Mess- Kondensators 52 gegenüber der gleich bleibenden Abschirm-Kapazität der Abschirm-Kondensatoren 54, 56, 58 an. Die Mess-Elektroden-Spannung 72 sinkt bei wachsendem Füllstand H1 , H2 des Mediums 18 ab, weil sich die Spannungen umgekehrt zu den Kapazitäten der Kondensatoren 52, 54, 56, 58 verhalten.

In Figur 4 sind die erste Wechselspannung 64 sowie die zweite Wechselspannung 68 jeweils mit konstanter Amplitude und die Mess-Elektroden-Spannung 72 mit zwei unterschiedlichen Amplituden eingetragen, wobei bei einem kleineren Füllstand H1 die höhere Amplitude (durchgezogene Linse) und bei einem höheren Füllstand H2 die niedrigere Amplitude (strieftfiniert) auftritt. Die Iviess-Elektroden-Spannung 72 könnte bereits unmittelbar als ein Maß für den Füllstand H H2 herangezogen werden, wobei die höchste Mess- Elektroden- Spannung 72 beim niedrigsten messbaren Füllstand H1 , H2 und die niedrigste Mess-Elektroden-Spannung 72 beim höchsten messbaren Füllstand Hl H2 auftritt. Vorzugsweise wird jedoch bei diesem Äusführungsbelspiel die Gleichspannung UPC anstelle unmittelbar der Mess-Elektroden-Spannung 72 als Maß für den Füllstand Hl , H2 herangezogen und als Ausgangssignals 36 bereitgestellt. Bei diesem Äusführungsbeispiel der signalverarbeitenden Anordnung 46 wird die variable Ivless-Elektroden-Spannung 72 als ein Maß zur Ermittlung des Füllstands H1 , H2, eines Mediums 18 In einem Behälter 14 herangezogen.

Figur 5 zeigt funktionale Zusammenhange zwischen der Gleichspannung UDO für zwei unterschiedlichen Füiihöhen-Messbereiche H, Η', die für zwei unterschiedlich hohe Behälter 14 vorgesehen sind. Die Gleichspannung UDC entspricht der Ausgangsspannung 3ö des kapazitiven Füllstandssensors 10.

Mittels weiterer nicht gezeigter Funktionsblöcke kann die Gleichspannung UDC in einen vorgegebenen Bereich des Ausgangssignais 36 umgesetzt werden.

Beispielsweise kann das Ausgangssignal 36 auf den Bereic von 0 - 10 V oder den Bereich von 4 - 20 mA umgesetzt und ausgegeben werden.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel Ist die kleinste Gleichspannung UDC, die dem höheren Füllstand H2 entspricht, nicht auf den Wert null festgelegt, in

Abhängigkeit von der gewünschten Ausgestaltung kann der kleinste Wert der Gleichspannung UDC selbstverständlich auf den Wert null festgelegt werden.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen kapazitiven Füiistandssensors 10 liegt darin, dass die Elektrodeneinheit 12 vom Anwender selbst auf den

erforderlichen Füllsiands-Messbereich H, H ^! durch einfaches Kürzen der länger gelieferten Elektrodeneinheit 12 angepasst werden kann. Die in Figur 5 gezeigten funktionalen Zusammenhänge Sassen unmittelbar einen weiteren Vorteil des erfindungsgemäßen kapazitiven Füllstandssensors 10 erkennen, der darin liegt, dass ohne weiteres Zutun des Anwenders jeder passend zugeschnittene kapazitive Föllstandssensor 10 denselben Spannungsbereich der Gleichspannung UDC beziehungsweis denselben Spannungsbereich des Ausgangssignais 36 i Abhängigkeit vom jeweiligen Fölistands-iVlessbereich H, H ^s bereitstellt. Die Skalierung für unterschiedliche Füllstands-Messberetehe H, H' ist unabhängig von der Länge der Elektrodeneinheit 12, Der kleinere Füllstands- essbereich H mit den exemplarisch gezeigten Füllständen H1 , H2 nutzt den gesamten zur Verfügung siehenden Spannungsbereich der Gleichspannung UDC beziehungsweise des Ausgangssignais 38 aus genauso wie der größere

Fölistands-iVlessbereich H' mit den exemplarisch gezeigten Füllständen Η1 ^! , H2'. Bei wenigstens näherungsweise gleichen Medien 16 sind hierzu keine Eingriffe in die signalverarbeitende Anordnung 46 erforderlich.

In Figur 6 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der signalverarbeitenden

Anordnung 46, welche ein Ausgangssignal 36 bereitstellt, das proportional zum Füllstand H1 , H2 des Mediums 16 ist, das heißt, dass das Äusgangssignal 36 be steigendem Füllstand H1 , H2 ebenfalls ansteigt.

Die erste WechseispannungsqueSle 60 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als steuerbare erste Wechselspannungsquelle 60 ausgestaltet., wobei die Amplitude der ersten Wechselspannung 64 mittels einer Regelspannung UR veränderbar ist. Die Amplitude der ersten Wechseispannung 64 wird demnach durch die

Regelspannung UR vorgegeben. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Gleichspannung UDC einem Vergleicher 84 zur Verfügung gestellt, der die Gleichspannung UDC mit einer von einer Referenzspan nungsqueile 86

bereitgestellten Referenzspannung URef vergleicht und in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis die Regelspannung UR bereitstellt Dle Referenzspannung URef liegt beispielsweise bei 1 V. Der Vergleicher 84 ist beispielsweise ais hochverstärkender Differenzverstärker realisiert, sodass das Ausgangssigna! proportional zur Differenz zwischen der Gleichspannung UDC und der Referenzspannung URef ist Gegebenenfalls kann als Vergleichet- 84 auch ein Komparaior eingesetzt werden. In diesem Fall muss dafür gesorgt werden, dass der entstehende Regelkreis ausreichend gedämpft ist, um Regelschwingungen zu vermeiden.

Der entstehende Regelkreis sorgt dafür, dass die erste Wechselspannung 64 und somit die zweite Wechselspannung 68 auf eine Amplitude eingeregelt werden, bei welcher die ess-Efektroden-Spannung 72 und entsprechend die daraus resultierende Gleichspannung UDC konstant gehalten werden, und zwar auf dem Wert der Referenzspannung URef In Figur 8 sind daher die erste

Wechselspannung 64 sowie die zweite Wechselspannung 68 mit einer höhen Amplitude (durchgezogene Linie), entsprechend einem höheren Füllstand H2 und mit einer niedrigeren Amplitude (strichliniert), entsprechend einem niedrigeren Füllstand H1 dargestellt, während die IVIess-Eiektroden-Spannung 72 als konstant dargestellt ist.

Bei diesem Äusführungsbeispiei der signalverarbeitenden Anordnung 46 kann die Regelspannung UR als Ausgangssignal 36 herangezogen werden, die proportional zum Füllstand H1 , H2; H1 ^! , H2 ¹ des Mediums 16 im Behälter 14 ist. Auch bei diesem Äusführungsbeispiei der signalverarbeitenden Anordnung 46 wird letztendlieh die Mess-Efektroden-Spannung 72, die bei diesem Äusführungsbeispiei konstant gehalten wird, als ein Maß zur Ermittlung des Füllstands H1 , H2; H , H2' eines Mediums 16 in einem Behälter 14 herangezogen.

In Figur 7 sind zwei funktionale Zusammenhänge zwischen der Regelspannung UR und den Füllständen H1 , H2; H1\ H2' für zwei ^■ unterschiedliche Füllstands- Messbereiche H, H' gezeigt. Die Regelspannung UR entspricht der

Ausgangsspannung 36 des kapazitiven Füllstandssensors 10. Selbstverständlich skaliert auch bei diesem Äusführungsbeispäel der

erfindungsgemäßen signaiverarbeiienden Anordnung 46 das Ausgangssignal 36 ohne Eingriff in die signalverarbeitende Anordnung 46 durch den Anwender auf den gesamten vorgegebenen Bereich von beispielsweise 0 -· 10 V oder

beispielsweise 4 - 20 mA unabhängig von der zugeschnittenen Länge der

Elekirodeneinhe.it 12 und somit unabhängig vom festgelegten Füllstands- Messbereich H, H\

Aus Figur 7 ist ersichtlich, dass einem niedrigen Pegel der Regelspannung UR beziehungsweise des Ausgangssignals 38 ein niedriger Füllstand H1 , H und einem höheren Pegel der Regeispannung UR des Ausgangssignals 36 ein höherer Füllstand H2, H2' entsprechen. Exemplarisch sind wieder zwei verschiedene Füllstande H1, H2; ΗΓ H2 ^! eingetragen, die bei zwei unterschiedlichen Füflstands- Berefchen H, H' auftreten können.