[002] Kapazitive Messgeräte zur Füllstandsmessung sind seit vielen Jahren bekannt.

Dabei bilden eine in den Behälter ragende Sonde und die Behälterwand oder zwei in den Behälter ragende Sonden einen Kondensator. Dessen Kapazität C ist zumindest abhängig vom Füllstand und der Dielektrizitätskonstante des zu messenden Mediums.

Somit kann aus der Kapazität C der Füllstand bestimmt werden. Es ergeben sich jedoch einige Schwierigkeiten.

[003] Eine Mcglidieit zur Messung dieser Kapazität C ist die so genannte Schein- strommessung. Dabei wird z. B. mittels einer konventionellen Gleichrichterschaltung der Betrag des Wechselstromes gemessen, der bei einer bestimmten Frequenz und Spannung durch den aus Sonde, Medium und Behälterwand gebildeten Kondensator der zu bestimmenden Kapazität Cfließt. Der Scheinstrom 1 ist allerdings nicht nur von s der Kapazität C, sondern auch von der Leitfähigkeit sdes zu messenden Mediums abhängig. Da die Leitfähigkeit s vor allem bei Schüttgütern von unterschiedlichen Faktoren wie z. B. Temperatur oder Luftfeuchtigkeit abhängt, ergeben sich dadurch Ungenauigkeiten.

[004] Eine Methode, den Einfluss dieser Parallelleitfähigkeit zu unterdrücken, ist die Messung bei relativ hohen Frequenzen. Der durch die Kapazität Cfließende Anteil des Scheinstromes 1 ist proportional zur Frequenz, wohingegen der durch die Leitfähigkeit sverursadlte Anteil konstant bleibt. Somit überwiegt bei hohen Frequenzen praktisch immer der kapazitive Anteil. Die Messung bei hohen Frequenzen (>100 kHz) führt allerdings erfahrungsgemäß zu Schwierigkeiten bei langen Sonden mit großen pa- rasitären Induktivitäten.

[005] Eine andere Methode zur Messung der Kapazität C besteht darin, nicht den Sdleinstrom 1 zu messen, sondern den Blindstrom bei einem Phasenversdhie- bungswinkel von 90° zwisdhen Strom und Spannung, was einer reinen Kapazi- tätsmessung entspricht. Dies lässt sich z. B. mit Hilfe einer Synchrongleichrichter- schaltung realisieren (siehe Patent DE 42 44 739 C2). Dieses Verfahren ist bei einzelnen Medien mit Nachteilen verbunden. Bei Medien mit kleiner Dielektrizitäts- konstante und großer Leitfähigkeit, die mit einer Sdheinstrommessung gut messbar sind, ergeben sich aufgrund des praktisdi verschwindenden Blindstromes Schwie- rigkeiten. Außerdem sind derartige konventionelle Syndirongleichridhterschaltungen erfahrungsgemäß empfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen.

[006] Probleme bei den Messungen ergeben sich weiterhin z. B. durch Toleranzen der verwendeten Bauteile und z. B. durch Ansatz, der an der Messsonde durch das zu messende Medium auftreten kann. Dieser Ansatz hat Einfluss auf das Messsignal und somit auch auf den Messwert, d. h. den zu bestimmenden Füllstand.

[007] Allgemein ergibt sich also das Problem, dass die Kapazität C des Kondensators aus Sonde und Behälterwand/zweiter Sonde von vielen Prozessgrößen oder Prozessbe- dingungen-da in der vorliegenden Erfindung der Füllstand bestimmt wird, seien unter Prozessbedingungen alle Prozessgrößen aißer des Füllstands verstanden-abhängig ist : Füllstand, Dielektrizitätskonstante und Leitwert des Mediums, Geometrie der Sonde, Position der Sonde relativ zur Behälterwand oder zur zweiten Sonde, Temperatur und Druck im Behälter usw. Ändert sich eine dieser Prozessbedingungen, so kann sich auch der Kapazitätswert C ändern. Ist also im Prozess nicht sichergestellt, dass sich nur der Füllstand ändert, so sind Änderungen der Kapazität C nicht mehr eindeutig mit Änderungen des Füllstandes verbunden. Dies betrifft ebenfalls Füll- standsmessungen, für welche-unter anderen Prozessbedingungen-Referenzwerte für die Kalibrierung bestimmt worden sind.

[008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Füllstand eines Mediums möglichst genau und zuverlässig kapazitiv zu bestimmen. Dafür sind ein Verfahren und eine Vorrichtung erforderlich.

[009] Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Änderung mindestens einer Prozessbedingung bestimmt wird, dass in Ab- hängigkeit von der sich durch die Änderung ergebenden Prozessbedingung für die Bestimmung des Füllstandes ein derartiger Auswertealgorithmus verwendet wird, dass die sich durch die Änderung ergebende Prozessbedingung minimale Auswirkungen auf die Bestimmung des Füllstandes hat, und dass aus dem Antwortsignal und/oder einem dazu proportionalen Signal über den Auswertealgorithmus der Füllstand des Mediums bestimmt wird. Im einfachsten Fall handelt es sich bei dem Auswertealgorithmus um eine entsprechende Formel, mit der sich aus den Größen des Antwortsignals (z. B.

Phase, Amplitude, Betrag) der Füllstand berechnen lässt. Der Füllstand wird also jeweils mit einer solchen Formel/einem solchen Algorithmus berechnet, die/der möglichst optimal an die herrschenden Prozessbedingungen-Leitwert des Mediums, möglicher Ansatz an der Füllstandssonde, Temperatur, Geometrie der Sonde und auch Position der Sonde in Relation zum Behälter usw. -derartig angepasst ist, dass die Prozessbedingungen möglichst keine Auswirkungen zeigen, insbesondere, dass sie keine Nichtlinearitäten hervorrufen. Die Bestimmung des Änderung einer Pro- zessbedingung kann z. B. durch den Benutzer erfolgen, welcher dann entsprechende Daten an das Messgerät übermittelt. Die Bestimmung erfolgt somit über die Auswertung des vom Benutzers oder von einer zusätzlichen Messstelle eingegebenen Wert bzw. einer damit verbundenen Beschreibung der Prozessbedingungen. Der für die gegebene Situation optimale Auswertealgorithmus/die Formel lässt sich bei- spielsweise aus einer Liste von im Messgerät abgelegten Algorithmen wählen cder es wäre auch eine individuelle Anpassung an die vorherrschenden Prozessbedingungen über eine Optimierung möglich. Dafür kann beispielsweise eine Datenleitung zu einer entfernten Auswerteinheit vorgesehen sein, die ggf. über eine größere Rechner- kapazität verfügt. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass eine begrenzte Auswahl von fest vorgegebenen Auswertealgorithmen/Formeln passend abgelegt ist, aus welcher vom Benutzer oder vom Messgerät selbst ein passender Algorithmus ausgewählt wird. Im Fall, dass es sich bei der überwachten Prozessbedingung um den Ansatz handelt, könnten z. B. ein Modus A für keinen Ansatz bis maximal x mm und Modus B für einen Ansatz zwischen x mm und maximal y mm vorgesehen sein. Ein zu großer Ansatz kann-wie weiter unten ausgeführt ist-durch die Art der Auswertung nicht kompensiert werden, so dass es zwingend erforderlich ist, den Ansatz zu beseitigen, um wieder korrekt messen zu können.

[010] Wären alle Prozessbedingungen konstant, so würde eine einzige optimal angepasste Formel genügen. Um Nichtlinearitäten zu vermeiden, ist es dabei ggf. sinnvoll, den Anwendungsbereich der Messvorrichtung zu beschränken, z. B. in Hinsicht auf die Medien bezüglich ihres Leitwertes. Das Problem besteht jedoch darin, dass die meisten Prozessbedingungen nicht konstant sind, sondern sich ändern. Daher ist die Idee der Erfindung, dass der Auswertealgorithmus/die Formel an die geänderten Bedingungen derartig angepasst wird, dass die geänderte Prozessbedingung möglichst minimale, d. h. im besten Fall keine Auswirkungen auf die Bestimmung des Füllstandes hat. Dabei wird vorzugsweise die Prozessbedingung ausgewählt, die die stärksten Änderungen bzw. den stärksten Einfluss auf die Füllstandsbestimmung aufweist. Es ist weiterhin vorzugsweise die Prozessbedingung, die sich nicht eingrenzen lässt, wie z. B. die Ein- sdhränkung der Anwendung auf bestimmte Medien oder Temperaturbereiche. Ein Beispiel hierfür ist der Ansatz, der sich aus dem Prozess heraus ergibt. Beim Ansatz könnte jedoch auch eine Warnmeldung an den Benutzer ausgegeben werden, wenn der Ansatz zu groß ist, so dass eine Reinigung zwingend erforderlich ist.

[011] Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Antwortsignal und/cder ein dazu proportionales Signal in der Regel- /Auswerteeinheit digitalisiert wird. Eine solche Digitalisierung des Antwortsignals für die kapazitive Füllstandsbestimmung ist beispielsweise beschrieben in der Paten- tanmeldung der Anmelderin beim Deutschen Patent-und Markenamt unter dem Ak- tenzeidhen 103 22 279.0. Eine solche Digitalisierung erlaubt es, dass das Ant- wortsignal der Auswertung optimal zugänglich ist. Dabei wird nicht das Ant- wortsignals selbst, welches üblicherweise ein Stromsignal ist, digitalisiert, sondern das dazu proportionale Spannungssignal, welches sich über einen Widerstand aus dem Antwortsignal erzeugen lässt.

[012] Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass für die Bestimmung des Füllstandes die Amplitude und/oder die Phase und/oder der Betrag des Antwortsignals benutzt wird/werden. Aus dem Antwortsignal-übli- cherweise ein Stromsignal-bzw. einem dazu proportionalen Signal-aus dem Stromsignal wird üblicherweise über einen Widerstand ein Spannungssignal erzeugt- stehen also bis zu drei Größen zur Verfügung, aus denen auf die Änderung einer Pro- zessgröße geschlossen werden bzw. aus denen der Füllstand berechnet werden kann.

Im Stand der Technik wird üblicherweise nur der Betrag des Antwortsignals ausgewertet, was einen Verlust an Information bedeutet. Somit sind in dieser Aus- gestaltung bis zu zwei zusätzliche Größen gegeben, über die weitere und genauere Be- rechnungen möglich sind. Dies setzt jedoch voraus, dass das Antwortsignal auch hin- sichtlich der Phase ausgewertet werden kann, was durch die Digitalisierung leicht zu realisieren ist. Die Auswertung der Phase des Antwortsignals oder eines dazu pro- portionalen Signals hat den Vorteil, dass durch die Phase meist eine große Dynamik gegeben ist, die oft die Dynamik der Amplitude übertrifft. Dies zist jedoch abhängig von den Eigenschaften des Mediums, dessen Füllstand gemessen und/cder überwacht werden soll.

[013] Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass die Änderung einer Prozessbedingung durch die Auswertung des Antwortsignals bei einem bekannten Füllstandswert des Mediums bestimmt wird. Ist der Füllstand des Mediums bekannt-z. B. über ein zweites Füllstandsmessgerät oder über die Eingabe des Wertes-, so lassen sich Schlussfolgerungen daraus ziehen. Vor allem wenn zwei Antwortsignale gegeben sind, die zu unterschiedlichen Zeiten beim gleidien Füll- standswert gewonnen wurden, so kann aus dem Vergleich der Signale eine Aussage über die Änderung von Prozessbedingungen gewonnen werden. Ist beispielsweise Ansatz aufgetreten, so kann sidi dies in einer unterschiedlichen Phase niedersdilagen.

Die Idee ist also, dass bei gleichem Füllstand unterschiedliche Antwortsignale oder ein Antwortsignal mit vorgegebenen Sollwerten verglichen wird. Zeigen sidi Un- terschiede, so muss dies auf Änderungen der Prozessbedingungen zurückzuführen sein und die Auswertung erfolgt ab diesem Zeitpunkt vorzugsweise mit einem angepassten Algorithmus oder einer angepassten Auswerteformel.

[014] Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass eine Änderung eines Ansatzes an der Füllstandssonde bestimmt wird. Je nadi Be- sdiaffenheit des Mediums kann dieses an der Sonde anhaften. Ansatz tritt dann auf, wenn nach Absinken des Füllstandes das Medium an der Sonde hängt und z. B. antrocknet. Ein soldler Ansatz wirkt dann ähnlich einer Metallhülle, die über die Sonde gezogen wird. Dadurch wird die Sonde quasi abgesdürmt und es kann sogar dazu kommen, dass der Füllstand keine Kapazitätsänderung mehr hervorrufen kann.

Deshalb ist Ansatz eine sehr widitige Prozessbedingung, die vor allem während der Änderung des Füllstandes, in Abhängigkeit von der Temperatur oder audi der Zeit, über welcher der Ansatz an der Sonde besteht, Änderungen unterworfen ist.

[015] Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass aus der Phase des Antwortsignals oder des dazu proportionalen Signals eine Änderung des Ansatzes bestimmt wird. Ansatz ergibt sidi dadurch, dass das Medium an der Sonde hängen bleibt. Somit ergibt sidi also quasi eine Art Absdiirmung um die Sonde herum. Nun erlauben es nicht alle Prozesse, dass die Sonde regelmäßig gereinigt, also von Ansatz befreit wird. Daher sollte in der Füllstandsbestimmung auf den Ansatz eingegangen werden. Eine erste Näherung ergibt, dass der Ansatz zu einer Art von Phasenversdiiebung führt. Somit liegt es nahe, dass für die Beredmung des Füllstandes in erster Näherung eine Formel verwendet wird, die u. a. von der Phase des Antwortsignals einen Phasenwert subtrahiert. Die Phasenverschiebung wird also quasi rückgängig gemacht. Dieser zu subtrahierende Phasenwert ist jedodi abhängig von der Ausdehnung und auch von der sonstigen Beschaffenheit des Ansatzes, z. B. auch ob es sich um Ansatz von oben oder von unten, d. h. vom Medium am Stab nach oben handelt.

[016] Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass die Füll- standssonde mit einem Wechselstromsignal als elektrischem Ansteuersignal ansteuert wird, und dass in Abhängigkeit von der sich durch die Änderung ergebende Pro- zessbedingung die Frequenz des Ansteuersignals geändert wird. Je nach der Frequenz des Ansteuersignals ist es mcglich, dass besonders der Ansatz mehr oder weniger Einfluss auf die Bestimmung des Füllstandes hat. Somit ist die Idee dieser Aus- gestaltung, dass in Abhängigkeit vom Bestimmen eines Ansatzes die Frequenz des An- steuersignals verändert, vorzugsweise vergrößert wird. Diese Ausgestaltung ist jedoch limitiert durch den zur Verfügung stehenden Strom und durch das Problem, dass die Füllstandssonde in Abhängigkeit von seiner länge als Antenne funktionieren kann.

Der Auswertealgorithmus baut also bei dieser Ausgestaltung darauf, dass durch eine andere Anregefrequenz negative Folgen z. B. des Ansatzes kompensiert werden.

[017] Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass in dem Fall, dass die sich durch die Änderung ergebende Prözessbedingung außerhalb eines vor- gegebenen Bereiches liegt, ein Alarm ausgegeben wird. Es ist z. B. mcglich, dass ein Ansatz so dick wird, dass eine zuverlässige Messung nicht mehr möglich ist, weil bei- spielsweise das Antwortsignal zu schwach ist. Somit ist es sinnvoller, dass an den Benutzer ein Hinweis ausgegeben wird, dass ein Reinigen der Sonde zwingend er- forderlich ist. Dies gilt jedoch nicht nur für Ansatz, sondern auch für Änderungen der Leitfähigkeit des Mediums, der Temperatur, des Druckes usw.

[018] Die Erfindung gibt ebenfalls eine Vorrichtung zur kapazitiven Bestimmung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter, wobei mindestens eine Füllstandssonde vorgesehen ist, und wobei mindestens eine Regel-/Auswerteeinheit vorgesehen ist, die die Füllstandssonde mit einem elektrischen Ansteuersignal ansteuert, und die ein elektrisches Antwortsignal der Füllstandssonde auswertet.

[019] Die Erfindung löst die Aufgabe bezüglich der Vorrichtung dadurch, dass der Regel- /Auswerteeinheit mindestens eine Speichereinheit zugeordnet ist, in welcher Auswer- tealgorithmen zur Bestimmung des Füllstandes abgelegt sind. Der Regel- /Auswerteeinheit ist also eine Speichereinheit zugeordnet-dabei kann diese Spei- chereinheit Bestandteil der eigentlichen Vorrichtung sein oder über eine Datenkommu- nikationsart (Feldbus, Ethernet usw. ) mit der Vorrichtung verbunden sein-, in der mehrere Auswertealgorithmen oder im einfachsten Fall Auswerteformeln abgelegt sind oder aufgrund anderer abgelegter Daten passend erzeugt werden können. Somit stehen der Bestimmung des Füllstandes mehrere Algorithmen/Formeln zur Verfügung, wobei passend zur Änderung einer Prozessbedingung der optimale Algorithmus oder die optimale Formel verwendet wird.

[020] Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Regel-/Auswerteeinheit derartig ausgestaltet ist, dass sie die Änderung einer Pro- zessbedingung bestimmt und dass sie entsprechend der sich durch die Änderung ergebenden Prozessbedingung einen solchen Auswertealgorithmus zur Bestimmung des Füllstandes verwendet, dass die sich durch die Änderung ergebende Pro- zessbedingung minimale Auswirkungen auf die Bestimmung des Füllstandes hat. Die Regel-/Auswerteeinheit bestimmt also die Änderung einer Prozessbedingung und bestimmt dann den Füllstand mit einem Algorithmus, bei welchem die geänderten und somit neuen Prozessbedingungen möglichst keine Auswirkungen haben, so sollten z. B.

Nichtlinearitäten möglichst vermieden werden. Die Bestimmung der Änderung einer Prozessbedingung kann z. B. über einen zusätzlichen Sensor erfolgen, der eine Pro- zessbedingung überwacht. Eleganter ist es, direkt aus dem Antwortsignal selbst die Änderung einer Prozessbedingung zu bestimmen. Ansatz hat z. B. Auswirkungen auf die Phase in Hinsicht auf Extremwerte und auch in Hinsicht auf den Verlauf der Phase.

Somit kann z. B. aus der Phase auf den Ansatz rückgeschlossen werden.

[021] Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der Regel-/Auswerteeinheit mindestens ein Analcg/Digitalwandler zugeordnet ist, der mindestens das Antwortsignal und/cder ein dazu proportionales Signal digitalisiert.

Hierüber lässt sich das Antwortsignal-meist ein Stromsignal-oder ein dazu pro- portionales Signal-üblicherweise ein Spannungssignal-digitalisieren und somit optimal auswerten, wozu auch gehört, dass vom Antwortsignal nicht nur die Amplitude, sondern auch die Phase ausgewertet wird. Vorzugsweise ist die Regel- /Auswerteinheit ein Mikroprozessor mit einem entsprechenden Signaleingang zum Analcg/Digitalwandler.

[022] Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass mindestens ein zusätzliches Füllstandsmessgerät zur Bestimmung des Füllstandes des Mediums vorgesehen ist, dessen Messwert von der Vorrichtung zur Bestimmung der Änderung einer Prozessbedingung verwendet wird. Über dieses zusätzliche Füllstandsmessgerät kann die Änderung einer Prozessgröße bestimmt werden, indem z. B. unterschiedliche Antwortsignale beim gleichen Füllstandswert miteinander oder mit entsprechenden Sollwerten verglichen werden. Eine andere Ausgestaltung ist, dass der Benutzer über eine Eingabeeinheit den Füllstandswert der Vorrichtung übermittelt und somit zur Bestimmung der Änderung einer Prozessbedingung beiträgt.

[023] Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass die Regel- /Auswerteeinheit derartig ausgestaltet ist, dass sie aus der Phase des Antwortsignals cder eines dazu proportionalen Signals eine Änderung des Ansatzes an der Füll- standssonde bestimmt. Dies ist die oben angesprochene Ausgestaltung, dass aus dem Antwortsignal selbst die Änderung der Prozessbedingung bestimmt wird. Das Ant- wortsignal wird also vorzugsweise auf Änderungen hin überprüft, die sich nicht durci die Änderung des Füllstandes, sondern der Prozessbedingung ergeben. Eine Möglichkeit ist, dass die minimalen oder maximalen Werte von Phase oder Amplitude überprüft werden. Eine andere Mcglidieit besteht in der Auswertung des zeitlichen oder Füllstandsabhängigen Verlauf der Größen. Vorzugsweise wird die Phase untersucht, um aus dieser auf den Ansatz zu schließen.

[024] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.

[025] Es zeigt : [026] Fig. 1 : einen schematischen Aufbau einer kapazitiven [027] Füllstandsmessung, [028] Fig. 2 : ein Flussdiagramm zu Verdeutlichung des Verfahrens, [029] Fig. 3 : ein Diagramm zur Verdeutlichung der Abhängigkeit [030] der Admittanz des Antwortsignals von der Leitfähigkeit und dem [031] DK-Wert des Mediums, [032] Fig. 4 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Wirkung des [033] Ansatzes auf die Admittanz, und [034] Fig. 5 : ein Diagramm zur Verdeutlichung der Fehler zweier [035] unterschiedlicher Auswerteformeln.

[036] In Fig. 1 bilden die Füllstandssonde 3, die Wand des Behälters 2 und das Medium 3 einen Kondensator, dessen Kapazität C u. a. durch den Füllstand des Mediums 1 bedingt ist. Weitere Größen, von denen die Kapazität C beeinflusst wird, sind u. a. der Leitwert und die Dielektrizitätskonstante (DK-Wert) des Mediums 1, die Temperatur, der Druck. Weiterhin zeigen sich Abhängigkeiten von der Geometrie der Sonde 3, des Behälters 2 und der Positionierung der Sonde 3 und des Behälters 2 zueinander.

Weiterhin kann es je nach Art des Mediums 1 zur Bildung von Ansatz 5 an der Sonde 3 oder der Wandlung des Behälters 2 kommen. Somit ändert nicht nur der Füllstand des Mediums 1 die Kapazität C, sondern auch andere Prozessbedingungen haben Einfluss. Da dies umgekehrt die Bestimmung des Füllstandes erschwert, unsicher oder sogar unmöglich macht, ist die Vorrichtung der Erfindung weiter ausgestaltet. In der Regel-/Auswerteeinheit 4-diese kann direkt ein Bestandteil der Messvorrichtung sein, kann jedoch auch weiter davon entfernt und z. B. über eine Datenleitung mit der Sonde 3 cder einer dazwischen geschalteten Elektronikeinheit verbunden sein-wird zunächst das Antwortsignal der Sonde 3 cder ein dazu proportionales Signal-aus dem Stromsignal lässt sich über einen Widerstand (graphisdi hier nicht dargestellt) ein Spannungssignal gewinnen-durdi einen Analcg/Digitalwandler 11 digitalisiert.

Dafür ist z. B. in der Regel-/Auswerteeinheit 4 ein Mikroprozessor vorgesehen. Aus diesem digitalisierten Signal lässt sich dann beispielsweise bestimmen, ob sich Ansatz 5 an der Sonde 3 gebildet, bzw. ob sich die Ausdehnung des Ansatzes 5 geändert hat.

Liegen Änderungen vor-es lassen sich auch andere Prozessbedingungen überwadien ; dafür sind ggf. entsprechende Sensoren erforderlich, falls sich nicht ein von der Pro- zessbedingung eindeutiges Verhalten im Antwortsignal zeigt-, so wird der Füllstand aus dem Antwortsignal mit einer an die neuen Prozessbedingungen angepassten Formel bestimmt. Entsprediende Formeln und Auswertealgorithmen sind dabei in der Speichereinheit 10 hinterlegt. Dort können auch Daten hinterlegt sein, aus denen sich dann eine optimal angepasste Formel oder ein optimaler Algorithmus ergibt. Die Op- timierung besteht hierbei darin, dass die sich durch die Änderung ergebenden Pro- zessbedingungen mcglicist geringen Einfluß auf die Bestimmung des Füllstandes haben, also besonders keine fehlerhafte Werte erzeugen. Die Speichereinheit 10 muss jedoch nicht-wie hier dargestellt-ein Bestandteil der Vorrichtung, bzw. der Regel- /Auswerteeinheit 4 sein. Die Idee der Erfindung ist also, den Auswertealgorithmus/ die Formel zur Bestimmung des Füllstandes und somit die Bestimmung selbst an die herrschenden Prozessbedingungen anzupassen. Dafür ist es jedoch erforderlidl zu erkennen, dass sich die Prozessbedingungen geändert haben. Da sich auch solche Pro- zessbedingungen einstellen können, die außerhalb gewisser Grenzen liegen, die also außerhalb des Bereiches liegen, in dem sinnvolle und verlässlidie Messungen mcglich sind, ist weiterhin in der in der Figur dargestellten Ausgestaltung der Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens eine Anzeigeeinheit 15 vorgesehen, über welche z. B. si- gnalisiert wird, dass der Ansatz so groß ist, dass eine Reinigung der Füllstandssonde 3 vorgenommen werden muss. Die Grenzen der Prozessbedingungen sind dabei ent- sprechend vorzugeben und richten sich audi danadi, welche Prozessbedingungen durdi die Elektronik und die Auswertealgorithmen und Formeln nodi eine Auswertung des Füllstandssignals zulassen. Das Füllstandsmessgerät 20 ist bei- spielsweise ein Füllstandsgrenzschalter, der von der Anmelderin unter der Be- zeidinung"Liquiphant"hergestellt und vertrieben wird. Dieses Messgerät 20 ist bei- spielsweise so relativ zur Sonde 3 positioniert, dass es erkennt, wenn der Füllstand des Mediums 1 so ist, dass die Sonde 3 nicht mehr vom Medium 1 bedeckt wird, wenn die Sonde also frei von Medium sein sollte. Durch Ansatz 5 ist jedoch die Sonde 3 vom Medium 1 auch im eigentlich freien/unbedeckten Zustand vom Medium 1 umgeben.

Da das Füllstandsmessgerät 20 mit der Regel-/Auswerteeinheit 4 verbunden ist, können die Messwerte/Signale des sekundären Messgeräts 20 zur Bestimmung der Änderung einer Prozessgröße-hier vorzugsweise des Ansatzes-herangezcgen werden. Durch den Vergleich von Antwortsignalen, die sich jeweils ergeben, wenn der Füllstand unterhalb des unteren Endes der Sonde befindlich ist, lassen sich-z. B. durdi die Auswertung der Phase-Rücksdilüsse auf den Ansatz 5 ziehen. Anstelle des zusätzlichen Messgerätes 20 ist es auch möglich, dass ein fester Füllstandswert durch eine Interaktion mit einem Benutzer der Regel-/Auswerteeinheit 4 übermittelt wird.

Erforderlich ist allgemein eine Größe, die den Vergleich von Antwortsignalen ermöglicht und die somit die Unsicherheit oder den Fehler, die bzw. der sich durch die Änderung der Prozessbedingung ergibt, ausgleicht.

[037] Die Abbildung Fig. 2 zeigt, dass der entscheidende Punkt der Erfindung der ist, festzustellen bzw. zu bestimmen, ob sidi eine Prozessbedingung geändert hat. Dabei kann es sich um den Ansatz, den Leitwert, die Geometrie, die Position von Sonde relativ zur Behälterwand-Änderungen sind hier z. B. durdi den Betrieb eines Rührwerks mcglici-, die Temperatur, den Druck oder um weitere Prozessbe- dingungen handeln. Meist wird der Fokus auf einer bestimmten Prozessbedingung liegen, die den größten Änderungen unterworfen ist, bzw. die die größten Änderungen auf die Bestimmung des Füllstandes zeigt. Dabei handelt es sich beispielsweise um einen Ansatz z. B. des Mediums an der Sonde. Es ist jedoch auch möglich, mehrere Prozessbedingungen zu überwadien. Dabei ist dann jedoch eine Abwägung zwischen dem Nutzen und dem Aufwand notwendig.

[038] Das Verfahren ist wie folgt : Liegt keine Änderung vor, so wird weiter der Füllstand bestimmt. Liegt eine Änderung des Füllstandes vor, ist z. B. der Ansatz größer geworden, so wird für die weitere Bestimmung des Füllstandes ein Algorithmus oder eine Formel benutzt, der/die an die neue Prozessbedingung angepasst ist. Die sich aus der Änderung der Prozessbedingung ergebende Prozessbedingung ist also die neue oder aktuelle Prozessbedingung, wobei die Änderung einer Bedingung auch Einfluss auf andere Prozessbedingungen haben kann. So bewirkt beispielsweise die Änderung der Temperatur auch den Einfluss des Ansatzes auf das Antwortsignal, weil der Ansatz austrocknen kann. Mit dem neuen Algorithmus wird dann ebenfalls der Füllstand bestimmt. Die Änderung einer Prozessbedingung kann z. B. aus einem Extremwert im Antwortsignal bestimmt werden, oder z. B. aus der Untersuchung des Verlaufs einer Reihe von Messungen.

[039] Die Wert in den Abbildungen Fig. 3 bis Fig. 6 sind aufgrund von Messergebnissen beredinet und simuliert.

[040] In der Fig. 3 ist die Abhängigkeit der Admittanz des Antwortsignals von der Leit- fähigkeit s (X-Achse) und dem DK-Wert (die einzelnen Kurven) des Mediums dargestellt. Die Leitfähigkeit oder conductivity des Mediums ist der reziproke spezifische Widerstand des Mediums : s = 1/r. Der DK-Wert (Dielektrizitätskonstane oder relative Permittivitätszahl) des Mediums e dient zur Berechnung der Kapazität C, r die sich aus der Sonde, der zweiten Sonde bzw. der Behälterwand und dem Medium ergibt: C # er. Gezeigt werden (von unten nach oben) folgende DK-Werte: DK = 2, 10, 20, 50 und 80. Die Admittanz A oder der Scheinleitwer ist die Amplitude des Ant- wortsignals. Aus der Graphik ist zu entnehmen, dass die Admittanz von den Materia- leigenschaften wie Leitfähigkeit und DK-Wert abhängig ist. Weiterhin ist auch die Ab- hängigkeit von der Frequenz des Anregungssignals dargestellt : Diese beträgt für die durchgezogenen Linien 33 kHz und bei den gestrichelten Linien 1 MHz. Durch die Frequenz lässt sich also eine Verschiebung erzielen, die in bestimmten Bereichen quasi einer Veränderung der Leitfähigkeit des Mediums entspricht. Dies zeigt also, dass es durch die Ausgestaltung der Messung bzw. der Messparameter mglich ist, auf die gegebenen Bedingungen zu reagieren. Jedoch ist es nicht immer möglich, die Frequenz beliebig zu setzen, da dies auch abhängig von der zur Verfügung stehenden Energie ist und da darauf geachtet werden muss, dass die Sonde nicht zu einer strahlenden Antenne umfunktioniert wird, dass also nicht die Resonanzfrequenz der Sonde erreicht wird. Die Abhängigkeit der Admittanz von den Eigenschaften des Mediums führt jedoch auch dazu, dass der Anwendungsbereich der kapazitiven Füllstandsbestimmung nicht bei allen Medien direkt mqglich ist. Es sind also ggf. auf das spezifische Medium abgestimmt Ausgestaltungen der kapazitiven Messvorrichtung notwendig.

[041] Die Prozessbedingung Ansatz liegt vor, wenn das Medium an der Füllstandssonde haften bleibt. Der Ansatz hat dann die Wirkung, als ob ein metallischer Schlauch über die Sonde gestülpt worden wäre. Dies führt dann dazu, dass das Medium außerhalb des Ansatzes nicht mehr richtig gemessen werden kann. Die Sonde wird also quasi durch den Ansatz abgeschirmt. Dabei hat sich gezeigt, dass außer der rein geometrischen Di- mensionierung des Ansatzes die Temperatur des Mediums im Ansatz, aber auch der Grad der Trocknung des Ansatzes starke Auswirkungen auf das Antwortsignal der Sonde haben.

[042] Fig. 4 zeigt die Auswirkungen des Ansatzes. Dargestellt ist die Admittanz in Ab- hängigkeit von der Leitfähigkeit des Mediums. Der DK-Wert des Mediums beträgt dabei 59 und die Füllstandshöhe 60% (0% entspricht einer vom Medium nicht bedeckten Sonde und 100% einer vollständig bedeckten Sonde ; die absoluten Werte hängen somit von der Länge der Sonde und der Position des Endes der Sonde relativ zum Boden des Behälters ab). Die Kurve Nr. 1 zeigt den Verlauf der Admittanz in Ab- hängigkeit von der Leitfähigkeit bei einer Frequenz von 250 kHz ohne Ansatz. Durch den Ansatz an der Sonde ergibt sich die Kurve Nr. 2. Bei Kurve 2 ergibt sich ab einer Leitfähigkeit von 1000 mS/cm ein dramatische Anstieg der Admittanz durch den Ansatz. Durch den Ansatz ergibt sich also eine zu hohe Admittanz und umgekehrt wird aus der Admittanz auf einen zu hohen Füllstand geschlossen, der nicht gegeben ist.

Durch Ansatz an der Sonde wird in diesem Beispiel also der Füllstand überschätzt. Die gestrichelte Kurve Nr. 3 zeigt die Auswirkung der Verwendung einer höheren Frequenz von 1 MHz bei Ansatz. Durch die höhere Anregungsfrequenz erfolgt die Überschätzung des Füllstandes durch Ansatz erst bei höheren Leitfähigkeiten. Somit ist durch die Änderung der Frequenz ein größerer Bereich für Medien gegeben, die sich trotz Ansatz noch zuverlässig messen lassen. Die Kurve Nr. 4 verwendet zur Auswertung die Formel F2 (mehr dazu gleich), wobei jedoch die Anregungsfrequenz immer nah 250 kHz beträgt. Zu sehen ist also, dass sich durch die Auswerteformel ebenfalls eine Verschiebung ergibt, die der Verwendung einer höheren Frequenz nahe kommt. Durch die Art der Auswertung können also die Mcglictkeiten der Messung deutlich erweitert werden.

[043] Fig. 5 zeigt den relativen gemessenen Füllstand (m für gemessen ; H für die Höhe und L für die Länge der Sonde ; somit H/Lm) zum relativen Ist-Füllstand (H/L). Die gestrichelte Gerade stellt somit den optimalen Verlauf der Messungen dar. Die Leit- fähigkeit soll 5000 mS/cm betragen und die Ansatzdicke sei 1 mm bei einer Stablänge L von 500 mm. Der Ansatz ist hier so gerechnet, dass er die gesamte Sonde bedeckt.

Die Länge des Ansatzes ist also 500 mm. Dabei ist noch zu bemerken, dass die Auswirkung der Variation der Dicke des Ansatzes davon abhängt, wie lang die Sonde ist. Die Anregungsfrequenz ist 250 kHz. Die Kurve 1 wurde mit der Auswerteformel FI berechnet : FI = A sin f + A cos f cos (f-f). A ist dabei die Admittanz und f die o Phase des gemessenen Antwortsignals. f0 ist eine konstante Phasenverschiebung, die sich durch Optimierung der Auswertekurve ergibt. Die Kurve 2 wurde mit der Formel F2 berechnet : F2 = A (kl sin f-k2 cos f). Bei dieser Auswerteformel werden also zwei Konstanten kl und k2 verwendet, deren Optimierung eine möglichst gute Anpassung der Kurve an die Sollwerte ergibt. Wie zu sehen, führt FI generell zu einer Über- schätzung des Füllstandes. Die Funktion F2 liefert meist kleinere Fehler, hat jedoch zu Beginn auch eine Unterschätzung des Füllstandes zur Folge.

[044] Es wird also offensichtlich, dass je nach Auswahl der Auswerteformeln oder allgemein des Auswertealgorithmen die Messwerte besser und genauer ausgewertet werden können und dass es möglich ist, widrige Prozessbedingungen wie z. B. den Ansatz durch die Art der Auswertung zu kompensieren.