| WO/2002/006776 | METHOD AND SENSOR FOR MEASURING THE LEVEL OF A LIQUID IN A RECEPTACLE |
| JP3314224 | SUBMERGED PUMP |
| JP2002001916 | DEVICE FOR SUPPLYING INK |
WINKENS, Frank (Mohnstrasse 50, Ludwigshafen, 67067, DE)
| Ansprüche 1. Vorrichtung zur Bestimmung einer physikalischen Größe, welche die Fähigkeit eines kapazitiven Sensors oder Näherungsschalters (330) charakterisiert, eine an einer Behälterwand (320), an der der Sensor oder Näherungsschalter (330) zur Erfassung eines Flüssigkeitsstands in dem Behälter angeordnet ist, anhaftende dünne leitfähige Flüssigkeitsschicht nicht als Flüssigkeitsstand in dem Behälter zu detektieren, gekennzeichnet durch eine Anordnung zur Simulation des elektrischen Widerstands der dünnen Flüssigkeitsschicht mit einem einstellbaren Widerstand (310) und einer an einem plattenförmigen Isolator (320) angeordneten metallischen Schicht (315), deren Fläche größer ist als die aktive Fläche (335) des kapazitiven Sensors oder Näherungsschalters (330), wobei der eine Anschluss des einstellbaren Widerstands (310) mit der metallischen Schicht (315) über eine erste Leitung (311) verbunden ist, wobei der andere Anschluss des einstellbaren Widerstands (310) mit dem Masseanschluss (340) des kapazitiven Sensors oder Näherungsschalter (330) über eine zweite Leitung (312) verbunden ist, und wobei die Fläche des plattenförmigen Isolators (320), die der metallischen Schicht (315) abgewandt ist, eine Auflagefläche für den relativ zum plattenförmigen Isolator (320) verschieblich anordenbaren kapazitiven Sensor oder Näherungsschalter (330) bildet. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der ersten Leitung (311) weniger als 2 cm beträgt. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der zweiten Leitung (312) weniger als 1 m beträgt. 4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der einstellbare Widerstand (310) ein Potentiometer ist. 5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der plattenförmige Isolator (320) eine Plexiglasplatte mit einer Dicke im Bereich üblicher Behälterwandstärken, insbesondere 3 mm, ist. 6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (315) eine Kupferschicht ist. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (315) eine rechteckförmige, insbesondere quadratische Fläche ausbildet, deren Kantenlänge größer ist als der Durchmesser der aktiven Fläche des kapazitiven Sensors oder Näherungsschalters (330). 8. Verfahren zur Bestimmung einer physikalischen Größe, welche die Fähigkeit eines kapazitiven Sensors oder Näherungsschalter (330) charakterisiert, eine an einer Behälterwand, an der der Sensor oder Näherungsschalter (330) zur Erfassung eines Flüssigkeitsstands in dem Behälter angeordnet ist, anhaftende dünne Flüssigkeitsschicht nicht als Flüssigkeitsstand in dem Behälter zu detektieren mit Hilfe einer Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: - der einstellbare Widerstand (310) wird auf einen Wert von 0 Ohm eingestellt, - die aktive Fläche (335) des kapazitiven Sensors oder Näherungsschalters (330) wird so bündig an dem plattenförmigen Isolator (320) auf seiner der metallischen Schicht abgewandten Seite an- geordnet, dass nur eine vorgebbare Teilfläche des kapazitiven Sensors oder Näherungsschalters (330) die metallische Schicht (315) bedeckt, - der Schaltpunkt des kapazitiven Sensors oder Näherungsschalters (330) wird so eingestellt, dass der Sensor oder Näherungsschalter (330) seinen Schaltzustand wechselt, - der kapazitive Sensor oder Näherungsschalter (330) und/oder der plattenförmige Isolator (320) werden relativ zueinander bündig verschoben, bis die aktive Fläche (335) des kapazitiven Sensors oder Näherungsschalters (330) vollständig innerhalb der quadratischen metallischen Schicht (315) liegt, - der Widerstandswert des einstellbaren Widerstands (310) wird kontinuierlich so lange erhöht, bis der kapazitive Sensor oder Näherungsschalter (330) seinen Schaltzustand wechselt, - der dabei eingestellte Widerstandswert wird ausgelesen und als ein Maß der physikalischen Größe herangezogen, die die Fähigkeit des kapazitiven Sensors oder Näherungsschalters (330) charakterisiert, eine an einer Behälterwand anhaftende dünne Flüssigkeitsschicht nicht als Flüssigkeitsstand in dem Behälter zu detektieren. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als vorgebbare Teilfläche des kapazitiven Sensors oder Näherungsschalters (330) die halbe aktive Sensorfläche (335) des kapazitiven Sensors oder Näherungsschalters (330) verwendet wird. 10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (315) durch eine quadratische metallische Schicht, insbesondere eine quadratische Kupferschicht gebildet wird, deren Kantenlänge größer ist als der Durchmesser der aktiven Fläche (335) des kapazitiven Sensors oder Näherungsschalters (330). |
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung einer physikalischen Größe nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche 1 und 8.
Kapazitive Näherungsschalter sind seit Ende der 1960er Jahre bekannt. Sie arbeiten nach dem Grundprinzip der Beeinflussung eines elektrischen Feldes. Basis ist das Prinzip des geometrisch„aufgeweiteten" Plattenkondensators mit einem elektrischen Feld zwischen einer aktiven Messelektrode in Form einer Platte und der Erde bzw. Masse, welche die andere„Platte" darstellt.
Gelangt ein Objekt oder Medium mit einer Dielektrizitätskonstante größer als 1 in den Bereich dieses elektrischen Feldes, wird eine entsprechende Kapazitätserhöhung des Plattenkondensators hervorgerufen. Überschreitet der
Kapazitätswert einen am Näherungsschalter voreingestellten Schwellenwert, so löst dieser ein Schaltsignal aus. Dies kann beispielsweise durch einen
Gegenstand hervorgerufen werden, der in den„aktiven" Bereich des Feldes gelangt (Distanzsensorik) oder das Schaltereignis kann ausgelöst werden durch das Erreichen eines Füllstandes eines Mediums in einem Behälter dann, wenn der Füllstand die Position eines an einer Behälterwand angeordneten kapazitiven Sensors erreicht hat (Füllstandssensorik).
Die Messung von Grenzfüllständen ist ein wesentliches Einsatzgebiet kapazitiver Näherungsschalter. Kapazitive Näherungsschalter sind in der Lage, flüssige, granulat- oder pulverförmige Medien ohne direkte Berührung von außen durch nichtmetallische Behälterwände hindurch zu erfassen. Daneben gibt es auch Anwendungen, in denen der kapazitive Sensor in Kontakt mit den zu erfassenden Medien kommt, indem beispielsweise sein aktiver Bereich in das Medium eintaucht.
Hinsichtlich der kapazitiven Erkennung von Medien sind in Bezug auf die physikalische Wirkungsweise grundsätzlich zwei Arten von Medien zu unterscheiden. Zum einen existieren nicht elektrisch leitfähige Medien (Isolatoren), z.B. Fette, Öle, Kunststoffgranulat und dergleichen, zum anderen existieren leitfähige Medien, wie Wasser, Säuren, Laugen, Blut, Chlorverbindungen und dergleichen.
Isolatoren bewirken lediglich eine Erhöhung des Gesamt-Dielektrikums, indem sie einen Teil der Luftstrecke, den die elektrischen Feldlinien durchlaufen, durch ihr höheres Dielektrikum ersetzen. Bilden sich z.B. beim Ablauf isolierender Medien Filme oder Schäume an der inneren Behälterwand des Behälters, in dem sich das Medium befindet, so sind diese meistens dünn gegenüber dem„kompakten" Füllstand, sodass eine genügend große Luftstrecke in dem Behälter verbleibt, weshalb diese Anhaftungen nicht erkannt werden und deshalb eine Anwendung zur Erfassung von Füllständen von isolierenden Medien nicht stören.
Anders verhält es sich bei elektrisch leitfähigen Medien. Hier liegen gänzlich andere physikalische Voraussetzungen vor. Es ist hier weniger das Dielektrikum, sondern die elektrische Leitfähigkeit ausschlaggebend. Kapazitive Näherungsschalter werden generell mit einer Wechselspannung bestimmter Frequenz betrieben. Hierdurch fließt automatisch ein Wechselstrom, der sogenannte Blindstrom, durch die Messkapazität, den Plattenkondensator bzw. das Medium. Erreicht nun der Füllstand in einem Behälter eines leitfähigen Mediums die Bedeckung einer aktiven Messelektrode auf der äußeren Behälterwand, so baut sich ein idealer Plattenkondensator auf, gebildet aus der Messelektrode als der einen Platte und dem Medium als der anderen Platte, welches aufgrund seiner Leitfähigkeit den Blindstrom direkt gegen Erde (z.B. über den Behälterboden) d.h. die Erdkapazität, ableitet (Strömungsfeld). Zwischen diesen„Platten" ist die Behälterwand, die das Dielektrikum bildet, angeordnet. Aufgrund dieser Konstellation des idealen Plattenkondensators wird eine relativ große Kapazitätserhöhung hervorgerufen, wenn der Füllstand bis in den Bereich der Elektrode steigt. Der Füllstand wird durch einen kapazitiven Näherungsschalter leicht erkannt. Große Probleme entstehen jedoch beim Absinken des Füllstandes, wenn das Medium einen geschlossenen Anhaftungsfilm oder Schaum an der Behälterwand hinterlässt. Dieser ist weiterhin elektrisch mit dem Medium verbunden. Er ist leitfähig und wirkt deshalb wie eine„undurchdringliche Platte", über die der Blindstrom abfließt. Dies führt dazu, dass ein an der Behälterwand angeordneter kapazitiver Füllstandssensor trotz abgesunkenen Füllstandes betätigt bleibt und insoweit falsche Angaben über die Füllstandshöhe liefert. Die Unterscheidung zwischen Anhaftungsfilm und realem Füllstand stellt ein häufiges Problem bei der kapazitiven Füllstandserfassung dar. Hieran scheitern sehr viele Anwendungen mit herkömmlichen kapazitiven Näherungsschaltern. Dabei spielt nicht nur die Neigung eines flüssigen Mediums zur Filmbildung eine Rolle, sondern auch die Rauhigkeit der Behälterwand durch Alterung, ständige Benutzung oder Verkalkung. Dies hat zur Folge, dass einige
Füllstandserfassungsvorrichtungen erst nach einer gewissen Betriebszeit versagen und eine bestimmungsgemäße Füllstandserfassung dann nicht mehr möglich ist.
Um diesem Problem zu begegnen, wurden bei aus der DE 19949 985 C2 sowie der DE 102005 057 558 A1 hervorgehenden Verfahren vor- geschlagen, den Blindwiderstand des vorgenannten Plattenkondensators durch höhere Arbeitsfrequenzen oder steile Impulsflanken zu minimieren. Hierdurch wird eine berührungslose Widerstandsunterscheidung ermöglicht und somit eine immer bessere Kompensation leitfähiger Anhaftungen erreicht. Der Grund dafür ist, dass durch die dünnere Struktur eines An- haftungsfilmes den Elektronen ein kleineres Volumen zur Verfügung steht als im kompakten Medium. Hierdurch weist der Film einen größeren elektrischen Widerstand bzw. einen kleineren Leitwert auf als das kompakte Medium selbst.
Die vorstehend geschilderte Problematik nimmt zu mit dem Leitwert des Mediums sowie der Dicke des Anhaftungsfilms. So verursacht z.B. eine Anwendung mit einem Medium geringer Leitfähigkeit und großer Anhaftungs- dicke die gleichen Probleme wie eine Anwendung mit einem Medium hoher Leitfähigkeit und einer geringen Filmdicke, die bis in den μm-Bereich hineinreichen kann. Dieses Problem besteht bei allen Sensoren und deshalb ist es ein Anliegen der Sensorhersteller, die Fähigkeiten ihrer Sensoren anhand von Zahlenwerten beschreiben zu können, um so gewissermaßen eine Klassifikation der Sensoren zu vermitteln und hierdurch wiederum Einsatzmöglichkeiten der kapazitiven Näherungssensoren aufzuzeigen. Problematisch ist es allerdings, dass normierte Messverfahren wie auch Kenngrößen zur eindeutigen Bestimmung dieser wesentlichen sensorischen Qualität bisher nicht existieren.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Messverfahren zu vermitteln, die ein einfaches, schnelles und kostengünstiges Erfassen einer physikalischen Größe ermöglicht, welche die Fähigkeit eines kapazitiven Sensors charakterisiert, eine an einer Behälterwand, an der der Sensor zur Erfassung eines Flüssigkeitsstands in dem Behälter angeordnet ist, anhaftende dünne leitfähige Flüssigkeits- oder Schaumschicht nicht als Flüssigkeitstand in dem Behälter zu detektieren bzw. vom echten Vollzustand zu unterscheiden. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 8.
Grundidee der Erfindung ist es, den anhaftenden Feuchtigkeitsfilm durch einen einstellbaren Widerstand zu simulieren und einen eingestellten Wider- standswert auszulesen und diesen Wert als Maß der physikalischen Größe, die die Fähigkeit des kapazitiven Sensors charakterisiert, eine an einer Behälterwand anhaftende dünne Flüssigkeitsschicht nicht als Flüssigkeitsstand im Behälter zu detektieren, heranzuziehen. Hierdurch entfallen das umständliche Hantieren mit Flüssigkeiten, das Erstellen von langen Tabellen mit Messwerten, z.B. verschiedenen Leitwerten und Filmdicken und dergleichen. Die Vorrichtung und das Verfahren können bei allen kapazitiven Näherungsschaltern zum Einsatz kommen. Die gemessene Kenngröße ermöglicht den direkten Vergleich zwischen den verschiedenen kapazitiven Näherungsschaltern und eine Klassifizierung für das richtige Einsatzgebiet bzw. Medium.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind Gegenstand der auf die unabhängigen Ansprüche jeweils rückbezogenen Unteransprüche.
So sieht beispielsweise eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens vor, als Maß der physikalischen Größe, die die Fähigkeit des kapazitiven Sensors charakterisiert, eine an einer Behälterwand anhaftende dünne leitfähige Flüssigkeitsschicht nicht als Flüssigkeitsstand in dem Behälter zu detektieren, einen Leitwert heranzuziehen. Dieser Leitwert wird im Folgenden kurz als „Kompensationsleitwert" bezeichnet, wobei der Begriff„Kompensationsleitwert" die Eigenschaft des Sensor beschreibt, einen Film einer dünnen
Flüssigkeitsschicht nicht als Flüssigkeitsstand in dem Behälter zu detektieren, also diese Flüssigkeitsanhaftung zu„kompensieren". Die Anordnung zur Simulation des elektrischen Widerstands der dünnen Flüssigkeitsschicht weist einen einstellbaren Widerstand und eine an einem plattenförmigen Isolator angeordnete metallische Schicht auf, deren Fläche größer ist als die aktive Fläche des kapazitiven Näherungsschalters. Der eine Anschluss des einstellbaren Widerstands ist mit der metallischen Schicht über eine erste Leitung verbunden und der andere Anschluss des einstellbaren Widerstands ist mit dem Masseanschluss des kapazitiven Sensors über eine zweite Leitung verbunden. Die Fläche des plattenförmigen Isolators, die der metallischen Schicht abgewandt ist, bildet eine Auflagefläche für den verschieblich anordenbaren kapazitiven Sensor. Durch diese Anordnung ist die Simulation des elektrischen Widerstands der Flüssigkeitsschicht auf einfach zu realisierende und reproduzierbare Weise möglich.
Bevorzugt beträgt die Länge der ersten Leitung weniger als 2 cm und die Länge der zweiten Leitung weniger als 1 m. Der einstellbare Widerstand ist vorteilhafterweise ein Potentiometer.
Der plattenförmige Isolator wird auf sehr einfache Weise durch eine Plexiglasplatte mit einer Dicke im Bereich üblicher Behälterwandstärken, insbesondere 3 mm gebildet. Die metallische Schicht auf der Plexiglasplatte kann bevorzugt durch eine Kupferschicht realisiert werden, die eine sehr gute Leitfähigkeit aufweist. Diese metallische Schicht ist vorzugsweise rechteck- förmig ausgebildet, insbesondere quadratisch, wobei die Kantenlänge des Quadrats größer ist als der Durchmesser der aktiven in der Regel kreisrunden Fläche des kapazitiven Sensors.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen. Hierbei können die verschiedenen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 das Prinzip der kapazitiven Füllstandsmessung von leitfähigen Medien in einem Behälter;
Fig. 2 eine kapazitive Füllstandsmessung leitfähiger Medien in einem Behälter bei Anhaftung eines Medienfilms an einer Behälterwand;
Fig. 3 schematisch die Verfahrensschritte zur Bestimmung des
Kompensationsleitwertes mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Nachfolgend wird das Messprinzip der kapazitiven Füllstandserfassung in Behältern mit leitfähigen Flüssigkeiten anhand der Fig. 1 und 2 erläutert, wobei gleiche Elemente in Fig. 1 sowie Fig. 2 mit jeweils den gleichen Bezugszeichen versehen sind.
In Fig. 1 und Fig. 2 ist schematisch ein Behälter 100 gezeigt, in dem sich ein flüssiges leitfähiges Medium 105 befindet. Der Behälter ist aus einem nichtleitenden Material hergestellt. An einer Behälterwand 110 ist ein kapazitiver Näherungsschalter 140 angeordnet, dessen Messelektrode 145 bündig an der Behälterwand 110 anliegt. Diese Messelektrode 145 bildet eine Platte P1 eines Kondensators, wobei die Behälterwand 110 des Behälters als Dielektrikum wirkt und die andere Platte P2 durch das Medium 105 gebildet wird. Über eine Erdkapazität C E ist dieser Plattenkondensator mit der Erde 103 verbunden. In dem Medium bildet sich ein Strömungsfeld 150 aus. Der kapazitive Näherungsschalter wird mit einer Wechselspannung bestimmter Frequenz betrieben. Hierdurch fließt ein sogenannter Blindstrom durch die Messkapazität, den Plattenkondensator bzw. das Medium. Erreicht in dem Behälter 100 der Füllstand des leitfähigen Mediums 105 die Bedeckung der aktiven Messelektrode 145 des kapazitiven Sensors 140, der an der äußeren Behälterwand 110 bündig anliegt, entspricht diese Anordnung einem idealen Plattenkondensator, wie er in Fig. 1 rechts dargestellt ist. Die eine Platte P1 ist die Messelektrode 145, die andere Platte P2 wird durch das Medium 105 selbst gebildet, weil es aufgrund seiner Leitfähigkeit den Blindstrom direkt gegen Erde, z.B. über den Behälterboden 103, ableitet (Strömungsfeld 150). Die Platten stehen sich geometrisch gegenüber, wobei das Dielektrikum, gebildet durch die Behälterwand 110 dazwischenliegend angeordnet ist.
Aufgrund dieser Konstellation eines idealen Plattenkondensators erhält man eine relativ große Kapazitätserhöhung, wenn der Füllstand in den Bereich der Elektrode des Kapazitätssensors steigt. Der Füllstand wird so durch einen kapazitiven Näherungsschalter leicht erkannt. Probleme entstehen nun beim Absinken des Füllstandes, wenn das Medium einen geschlossenen An- haftungsfilm oder Schaum an der Behälterwand hinterlässt, wie es anhand einer Anhaftung 106 in Fig. 2 links schematisch dargestellt ist. Der An- haftungsfilm ist leitfähig und wirkt aus diesem Grunde wie eine„undurchdringliche Platte", über welche der Blindstrom abfließt, was anhand des
Strömungsfeldes 150' schematisch in Fig. 2 angedeutet ist. Aufgrund dieser Anhaftungen scheitern eine Vielzahl von Anwendungen herkömmlicher kapazitiver Näherungsschalter. Hierbei spielt nicht nur die Neigung des flüssigen Mediums zur Filmbildung eine Rolle, sondern auch die Rauhigkeit der Behälterwand durch Alterung, ständige Benetzung oder Verkalkung. Da dies mit der Zeit zunehmende Erscheinungen sind, tritt bei einigen
Füllstandserfassungsvorrichtungen ein Defekt in Form eines Ausfalls der Füllstandserfassung erst nach einer gewissen Zeit auf. Rein prinzipiell könnte nun dem Problem dadurch begegnet werden, dass ein größerer elektrischer Widerstand bzw. ein kleinerer Leitwert als das kompakte Medium durch eine Minimierung des Blindwiderstandes des Plattenkondensators mittels höherer Arbeitsfrequenzen oder steileren Impulsflanken vorgenommen wird, wodurch eine immer bessere Kompensation leitfähiger Anhaftungen erreicht werden kann, wie dies beispielsweise aus der DE 10 2005 057 558 A1 oder der DE 19949 985 C2 hervorgeht, auf die insoweit verwiesen wird. Dies ist jedoch nicht unbegrenzt möglich. Das Problem kann hierdurch nicht gelöst werden, und es nimmt zu mit dem Leitwert des Mediums und der Dicke des An- haftungsfilms. So verursacht z.B. die Messung des Flüssigkeitswerts mit einem Medium geringer Leitfähigkeit und großer Anhaftungsdicke die gleichen Probleme wie die Messung des Füllstands eines Mediums mit hoher Leitfähigkeit und einer geringen Filmdicke, die sogar im μm-Bereich liegen kann. Um kapazitive Füllstandssensoren zuverlässig einsetzen zu können, ist es erforderlich, eine Aussage über ihre Einsatzfähigkeit bei unterschiedlichen Medien zu treffen. Rein prinzipiell könnten hierzu eine Vielzahl von
Messungen an unterschiedlichen Medien und die Aufnahme der Messwerte in entsprechende Datenblätter in Erwägung gezogen werden. Ein solches Verfahren ist jedoch zeitaufwendig, da eine Vielzahl von Versuchsreihen durchgeführt werden müssen. Problematisch ist, dass hierbei keine einheitliche Größe oder ein einheitlicher Standard eines derartigen Näherungsschalters angegeben werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren ermöglichen die Angabe einer Größe, durch welche schnell und kostengünstig eine Aussage über die Eigenschaften eines kapazitiven Sensors getroffen werden kann, eine an einer Behälterwand, an der der Sensor zur Erfassung des Flüssigkeitsstands in dem Behälter angeordnet ist, anhaftende dünne leitfähige Flüssigkeitsschicht im Gegensatz zum echten Vollzustand nicht als Flüssigkeitsstand in dem Behälter zu detektieren. Hierdurch kann das umständliche Hantieren mit unterschiedlichen Flüssigkeiten und Erstellen von langen Tabellen mit Messwerten bei unterschiedlichen Filmdicken vermieden werden. Die Vorrichtung und das Verfahren werden nachfolgend in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben.
In Fig. 3 ist eine Messanordnung gezeigt, umfassend einen einstellbaren Widerstand 310, eine Plexiglasplatte 320, an deren dem Sensor 330 abgewandten Seite eine metallische Schicht 315, beispielsweise eine Kupferschicht in Form eines Quadrats angeordnet ist. Der Widerstand 310 ist über eine erste sehr kurze Leitung 311 mit der metallischen Schicht 315 ver- bunden und er ist über eine weitere Leitung 312 mit dem Minus- oder Masse- anschluss 340 verbunden. Der kapazitive Sensor 330 liegt mit seiner Messfläche 335 bündig an der Plexiglasplatte 320 an. Er ist ebenfalls über seinen Minus-Anschluss mit der Masse 340 verbunden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben, wobei ein Flüssigkeitsfilm, der an der Behälterwand 110 anhaftet, durch den einstellbaren Widerstand 310 simuliert wird. Zu bemerken ist noch, dass die metallische Schicht 315 beispielsweise in Form einer selbstklebenden Kupferfolie auf der Plexiglasscheibe 320 realisierbar ist. Die quadratische Fläche 315 der metallischen Schicht ist größer als die aktive kreisrunde Fläche 335 des kapazitiven Sensors 330. Generell muss sichergestellt sein, dass die Fläche der metallischen Schicht, die bevorzugt eine quadratische Fläche ist, etwas größer ist als die aktive Fläche des zu vermessenden Sensors, beispielsweise kann die Fläche bei einem Sensor der Bauform M30 35 mm x 35 mm betragen. Die erste Leitung 311 , mit der die Fläche mit einem Anschluss des einstellbaren Widerstands 310 verbunden ist, muss möglichst kurz ausgebildet sein und insbesondere sollte sie kleiner als 2 cm sein. Die zweite Leitung, mit der der einstellbare Widerstand 310 mit dem Masseanschluss 340 des Prüflings, d.h. des zu vermessenden kapazitiven Sensors 330, verbunden ist, sollte ebenfalls möglichst kurz ausgebildet sein und ihre Länge sollte kleiner als 1 m sein. Der einstellbare Widerstand 310 ist beispielsweise ein Trimmpotentiometer oder ein
Potentiometer mit Kunststoffachse. Das Bauteil sollte kapazitätsarm sein bzw. eine geringe Baugröße aufweisen.
Zur Bestimmung der physikalischen Messgröße, in diesem Fall des sogenannten Kompensationsleitwertes, wird zunächst der Widerstand 310 auf 0 Ohm bzw. Kurzschluss eingestellt. Der kapazitive Sensor wird so bündig an der der metallischen Schicht 315 abgewandten Seite der Plexiglasscheibe 320 verschoben und eingestellt, dass er genau bei halber Bedeckung der Metallfläche 315 schaltet. Der exakte Schaltpunkt kann dabei durch Hin- und Herschieben des Sensors 330 verifiziert werden. Dies ist schematisch in Fig. 3 links dargestellt. Sodann wird der kapazitive Sensor 330 so verschoben, dass seine aktive Fläche 335 durch die metallische Fläche 315 vollkommen überdeckt ist (in Fig. 3 rechts dargestellt). Der Sensor 330 ist nun dauerbetätigt. Nun wird der variable Widerstand 310 langsam vergrößert, bis der Sensor 330 in seine zweite Schaltposition übergeht, d.h. ausschaltet. Hierbei dürfen weder die Metallfläche 315 noch die Achse des Drehwiderstands 310 direkt berührt bzw. kapazitiv belastet werden. Es sollte daher das
Potentiometer - wie bereits erwähnt - eine Kunststoffachse aufweisen oder es müsste mit Hilfe eines nichtmetallischen Schraubendrehers die Einstellung vorgenommen werden. Wenn ein Abschalten des Prüflings (Sensors 330) nicht erreicht werden kann, muss der Wert des einstellbaren Widerstands 310 vergrößert werden. Der eingestellte„Abschaltwert" des Widerstands 310, der Widerstandswert, an dem der kapazitive Sensor abschaltet, wird anschließend mit Hilfe beispielsweise eines an sich bekannten üblichen Ohmmeters 316 erfasst und ausgelesen. Dieser Widerstandswert ist ein Maß für die zu bestimmende physikalische Größe, die die Fähigkeit des kapazitiven Sensors 330 charakterisiert, eine an einer Behälterwand anhaftende dünne leitfähige Flüssigkeitsschicht nicht als Flüssigkeitsstand in dem Behälter zu detektieren. Eine einfache Lösung sieht dabei vor, den Kehrwert des„Abschaltwiderstands" zu verwenden und die so gewonnene Kenngröße, also den Leitwert in Siemens oder Millisiemens als sogenannten„Kompensationsleitwert" zu speichern. Dieser Kompensationsleitwert stellt eine Größe dar, welche die Eigenschaft des kapazitiven Sensors charakterisiert, einen anhaftenden Flüssigkeitsfilm zu kompensieren.
Es gilt also:
Kompensationsleitwert = 1 /Abschaltwiderstand.
Die Fähigkeit eines kapazitiven Näherungsschalters, Anhaftungen, Filme und Schäume einer leitfähigen Flüssigkeit auf die beschriebene Weise kompensieren zu können, nimmt mit der Höhe des Kompensationsleitwertes zu.
So liegen die Kompensationsleitwerte herkömmlicher handelsüblicher kapazitiver Näherungsschalter der Bauformen M18 bis M30 im Bereich von ca. 10 μS bis 33 μS. Diese Werte entsprechen Kompensationsleitwerten, bei denen nicht einmal die Kompensation von Leitungswasser mit etwas Spülmittel möglich ist. Sensoren mit der aus der DE 19949 985 C2 hervorgehenden sogenannten Smart-Level-Technologie erreichen dagegen schon Kompensationsleitwerte (KL-Werte) von 100 μS bis 700 μS. Damit sind seifige Wasserfilme einflusslos. Es können Füllstandsüberwachungen mit diversen Chemikalien wie Laugen, Säuren und dergleichen durchgeführt werden. Mit kapazitiven Füllstandsmeldern mit der sogenannten Impulstechnologie, wie sie aus der DE 10 2005 057 558 A1 hervorgehen und die KL-Werte bis zu 2000 μS erreichen, lassen sich sogar Flüssigkeitsstände von hochleitfähigen Chlorverbindungen bis 100 mS/cm trotz dünner Filmbildung erfassen.
Der KL-Wert repräsentiert zusammengefasst den Leitwert eines Anhaftungs- filmes, der von dem entsprechenden Füllstandsmelder noch kompensiert werden kann. Der Leitwert des zugehörigen, kompakten Arbeitsmediums (in S/cm) kann 10 bis 1000 mal höher liegen.„Kompaktes" Medium bedeutet dabei und in der gesamten obigen Darstellung ein Medium, welches das Behältnis bis zu einem Flüssigkeitsstand vollständig ausfüllt, d.h. ein gefülltes Behältnis. Unter der Voraussetzung gleicher, durchschnittlicher Filmdicken sind die Kompensationsleitwerte und der Leitwert des Arbeitsmediums miteinander verknüpft. Durch den KL-Wert kann der Anwender erstmals in Kenntnis des Leitwerts seines Arbeitsmediums den richtigen
Füllstandsmelder auswählen. Als einfache Faustformel kann dabei gelten: KL-Wert • 100 = max. Leitwert des Arbeitsmediums. Es ist an dieser Stelle zu bemerken, dass der KL-Wert als weitere Normgröße zur Charakterisierung von Füllstandsgebern in Form von kapazitiven
Sensoren rein prinzipiell herangezogen werden kann.
Next Patent: METHOD FOR OPERATING A MAGNETIC ACTUATOR