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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und 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.
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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.
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Eine
Möglichkeit
zur Messung dieser Kapazität
C ist die so genannte Scheinstrommessung. 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 C fließt. Der
Scheinstrom IS ist allerdings nicht nur
von der Kapazität
C, sondern auch von der Leitfähigkeit σ des zu messenden
Mediums abhängig.
Da die Leitfähigkeit σ vor allem
bei Schüttgütern von
unterschiedlichen Faktoren wie z.B. Temperatur oder Luftfeuchtigkeit
abhängt,
ergeben sich dadurch Ungenauigkeiten.
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Eine
Methode, den Einfluss dieser Parallelleitfähigkeit zu unterdrücken, ist
die Messung bei relativ hohen Frequenzen. Der durch die Kapazität C fließende Anteil
des Scheinstromes IS ist proportional zur
Frequenz, wohingegen der durch die Leitfähigkeit σ verursachte 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
parasitären
Induktivitäten.
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Eine
andere Methode zur Messung der Kapazität C besteht darin, nicht den
Scheinstrom I
S zu messen, sondern den Blindstrom
bei einem Phasenverschiebungswinkel von 90° zwischen Strom und Spannung,
was einer reinen Kapazitätsmessung
entspricht. Dies lässt
sich z.B. mit Hilfe einer Synchrongleichrichterschaltung realisieren
(siehe Patent
DE 42
44 739 C2 ). Dieses Verfahren ist bei einzelnen Medien mit
Nachteilen verbunden. Bei Medien mit kleiner Dielektrizitätskonstante
und großer
Leitfähigkeit,
die mit einer Scheinstrommessung gut messbar sind, ergeben sich
aufgrund des praktisch verschwindenden Blindstromes Schwierigkeiten.
Außerdem sind
derartige konventionelle Synchrongleichrichterschaltungen erfahrungsgemäß empfindlich
gegenüber
elektromagnetischen Störungen.
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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.
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Allgemein
ergibt sich also das Problem, dass die Kapazität C des Kondensators aus Sonde
und Behälterwand/zweiter
Sonde von vielen Prozessgrößen oder
Prozessbedingungen – da
in der vorliegenden Erfindung der Füllstand bestimmt wird, seien
unter Prozessbedingungen alle Prozessgrößen außer 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 Füllstandsmessungen, für welche – unter anderen
Prozessbedingungen – Referenzwerte
für die
Kalibrierung bestimmt worden sind.
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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.
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Die
Aufgabe wird bezüglich
des Verfahrens erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass eine Änderung
mindestens einer Prozessbedingung bestimmt wird, dass in Abhängigkeit
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 Prozessbedingung 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
beispielsweise aus einer Liste von im Messgerät abgelegten Algorithmen wählen oder
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 Rechnerkapazität 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.
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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 Einschränkung
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.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass
das Antwortsignal und/oder ein dazu proportionales Signal in der
Regel-/Auswerteeinheit
digitalisiert wird. Eine solche Digitalisierung des Antwortsignals
für die
kapazitive Füllstandsbestimmung
ist beispielsweise beschrieben in der Patentanmeldung der Anmelderin beim
Deutschen Patent- und
Markenamt unter dem Aktenzeichen 103 22 279.0. Eine solche Digitalisierung
erlaubt es, dass das Antwortsignal der Auswertung optimal zugänglich ist.
Dabei wird nicht das Antwortsignals selbst, welches üblicherweise
ein Stromsignal ist, digitalisiert, sondern das dazu proportionale
Spannungssignal, welches sich über
einen Widerstand aus dem Antwortsignal erzeugen lässt.
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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 – üblicherweise 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 Prozessgröße 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 Ausgestaltung bis
zu zwei zusätzliche
Größen gegeben, über die
weitere und genauere Berechnungen möglich sind. Dies setzt jedoch
voraus, dass das Antwortsignal auch hinsichtlich der Phase ausgewertet
werden kann, was durch die Digitalisierung leicht zu realisieren
ist. Die Auswertung der Phase des Antwortsignals oder eines dazu
proportionalen Signals hat den Vorteil, dass durch die Phase meist
eine große
Dynamik gegeben ist, die oft die Dynamik der Amplitude übertrifft. Dies
ist jedoch abhängig
von den Eigenschaften des Mediums, dessen Füllstand gemessen und/oder überwacht
werden soll.
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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 gleichen Füllstandswert
gewonnen wurden, so kann aus dem Vergleich der Signale eine Aussage über die Änderung
von Prozessbedingungen gewonnen werden. Ist beispielsweise Ansatz
aufgetreten, so kann sich dies in einer unterschiedlichen Phase
niederschlagen. Die Idee ist also, dass bei gleichem Füllstand unterschiedliche
Antwortsignale oder ein Antwortsignal mit vorgegebenen Sollwerten
verglichen wird. Zeigen sich Unterschiede, 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.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass
eine Änderung
eines Ansatzes an der Füllstandssonde
bestimmt wird. Je nach Beschaffenheit 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 solcher Ansatz wirkt dann ähnlich einer
Metallhülle,
die über
die Sonde gezogen wird. Dadurch wird die Sonde quasi abgeschirmt
und es kann sogar dazu kommen, dass der Füllstand keine Kapazitätsänderung mehr
hervorrufen kann. Deshalb ist Ansatz eine sehr wichtige Prozessbedingung,
die vor allem während der Änderung
des Füllstandes,
in Abhängigkeit
von der Temperatur oder auch der Zeit, über welcher der Ansatz an der
Sonde besteht, Änderungen
unterworfen ist.
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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 sich dadurch, dass das
Medium an der Sonde hängen
bleibt. Somit ergibt sich also quasi eine Art Abschirmung 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 Phasenverschiebung führt. Somit liegt es nahe, dass
für die
Berechnung 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 jedoch 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.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
beinhaltet, dass die Füllstandssonde
mit einem Wechselstromsignal als elektrischem Ansteuersignal ansteuert
wird, und dass in Abhängigkeit
von der sich durch die Änderung
ergebende Prozessbedingung die Frequenz des Ansteuersignals geändert wird.
Je nach der Frequenz des Ansteuersignals ist es möglich, dass
besonders der Ansatz mehr oder weniger Einfluss auf die Bestimmung
des Füllstandes
hat. Somit ist die Idee dieser Ausgestaltung, dass in Abhängigkeit
vom Bestimmen eines Ansatzes die Frequenz des Ansteuersignals 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.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
beinhaltet, dass in dem Fall, dass die sich durch die Änderung
ergebende Prozessbedingung außerhalb
eines vorgegebenen Bereiches liegt, ein Alarm ausgegeben wird. Es
ist z.B. möglich,
dass ein Ansatz so dick wird, dass eine zuverlässige Messung nicht mehr möglich ist,
weil beispielsweise das Antwortsignal zu schwach ist. Somit ist
es sinnvoller, dass an den Benutzer ein Hinweis ausgegeben wird, dass
ein Reinigen der Sonde zwingend erforderlich ist. Dies gilt jedoch
nicht nur für
Ansatz, sondern auch für Änderungen
der Leitfähigkeit
des Mediums, der Temperatur, des Druckes usw.
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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.
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Die
Erfindung löst
die Aufgabe bezüglich
der Vorrichtung dadurch, dass der Regel-/Auswerteeinheit mindestens
eine Speichereinheit zugeordnet ist, in welcher Auswertealgorithmen
zur Bestimmung des Füllstandes
abgelegt sind. Der Regel-/Auswerteeinheit ist also eine Speichereinheit
zugeordnet – dabei kann
diese Speichereinheit Bestandteil der eigentlichen Vorrichtung sein
oder über
eine Datenkommunikationsart (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.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor,
dass die Regel-/Auswerteeinheit derartig ausgestaltet ist, dass sie
die Änderung
einer Prozessbedingung 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 Prozessbedingung
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 Prozessbedingung 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.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor,
dass der Regel-/Auswerteeinheit mindestens ein Analog/Digitalwandler
zugeordnet ist, der mindestens das Antwortsignal und/oder ein dazu
proportionales Signal digitalisiert. Hierüber lässt sich das Antwortsignal – meist ein
Stromsignal – oder
ein dazu proportionales 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 Analog/Digitalwandler.
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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.
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Eine
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beinhaltet, dass die Regel-/Auswerteeinheit derartig ausgestaltet
ist, dass sie aus der Phase des Antwortsignals oder eines dazu proportionalen Signals
eine Änderung
des Ansatzes an der Füllstandssonde
bestimmt. Dies ist die oben angesprochene Ausgestaltung, dass aus
dem Antwortsignal selbst die Änderung
der Prozessbedingung bestimmt wird. Das Antwortsignal wird also
vorzugsweise auf Änderungen
hin überprüft, die
sich nicht durch 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 Möglichkeit
besteht in der Auswertung des zeitlichen oder Füllstandsabhängigen Verlauf der Größen. Vorzugsweise
wird die Phase untersucht, um aus dieser auf den Ansatz zu schließen.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigt:
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1:
einen schematischen Aufbau einer kapazitiven Füllstandsmessung,
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2:
ein Flussdiagramm zu Verdeutlichung des Verfahrens,
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3:
ein Diagramm zur Verdeutlichung der Abhängigkeit der Admittanz des
Antwortsignals von der Leitfähigkeit
und dem DK-Wert des Mediums,
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4:
ein Diagramm zur Verdeutlichung der Wirkung des Ansatzes auf die
Admittanz, und
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5:
ein Diagramm zur Verdeutlichung der Fehler zweier unterschiedlicher
Auswerteformeln.
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In 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 oder einer dazwischen geschalteten
Elektronikeinheit verbunden sein – wird zunächst das Antwortsignal der
Sonde 3 oder ein dazu proportionales Signal – aus dem
Stromsignal lässt
sich über
einen Widerstand (graphisch hier nicht dargestellt) ein Spannungssignal
gewinnen – durch
einen Analog/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 überwachen;
dafür sind
ggf. entsprechende Sensoren erforderlich, falls sich nicht ein von
der Prozessbedingung eindeutiges Verhalten im Antwortsignal zeigt –, so wird
der Füllstand
aus dem Antwortsignal mit einer an die neuen Prozessbedingungen
angepassten Formel bestimmt. Entsprechende 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 Optimierung besteht
hierbei darin, dass die sich durch die Änderung ergebenden Prozessbedingungen
möglichst
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 erforderlich zu erkennen, dass sich die Prozessbedingungen
geändert
haben. Da sich auch solche Prozessbedingungen einstellen können, die
außerhalb
gewisser Grenzen liegen, die also außerhalb des Bereiches liegen,
in dem sinnvolle und verlässliche
Messungen möglich
sind, ist weiterhin in der in der Figur dargestellten Ausgestaltung der
Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens eine Anzeigeeinheit 15 vorgesehen, über welche
z.B. signalisiert wird, dass der Ansatz so groß ist, dass eine Reinigung
der Füllstandssonde 3 vorgenommen
werden muss. Die Grenzen der Prozessbedingungen sind dabei entsprechend
vorzugeben und richten sich auch danach, welche Prozessbedingungen durch
die Elektronik und die Auswertealgorithmen und Formeln noch eine
Auswertung des Füllstandssignals
zulassen. Das Füllstandsmessgerät 20 ist
beispielsweise ein Füllstandsgrenzschalter,
der von der Anmelderin unter der Bezeichnung „Liquiphant" hergestellt und
vertrieben wird. Dieses Messgerät 20 ist beispielsweise
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 – herangezogen
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. durch
die Auswertung der Phase – Rückschlüsse 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.
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Die
Abbildung 2 zeigt, dass der entscheidende
Punkt der Erfindung der ist, festzustellen bzw. zu bestimmen, ob
sich 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. durch
den Betrieb eines Rührwerks
möglich –, die Temperatur,
den Druck oder um weitere Prozessbedingungen 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 überwachen.
Dabei ist dann jedoch eine Abwägung zwischen
dem Nutzen und dem Aufwand notwendig.
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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.
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Die
Wert in den Abbildungen 3 bis 6 sind
aufgrund von Messergebnissen berechnet und simuliert.
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In
der 3 ist die Abhängigkeit
der Admittanz des Antwortsignals von der Leitfähigkeit σ (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: σ =
1/ρ. Der
DK-Wert (Dielektrizitätskonstane
oder relative Permittivitätszahl) des
Mediums εr dient zur Berechnung der Kapazität C, die
sich aus der Sonde, der zweiten Sonde bzw. der Behälterwand
und dem Medium ergibt: C ~ εr. Gezeigt werden (von unten nach oben) folgende DK-Werte:
DK = 2, 10, 20, 50 und 80. Die Admittanz A oder der Scheinleitwert
ist die Amplitude des Antwortsignals. Aus der Graphik ist zu entnehmen,
dass die Admittanz von den Materialeigenschaften wie Leitfähigkeit
und DK-Wert abhängig
ist. Weiterhin ist auch die Abhängigkeit
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 möglich 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 möglich
ist. Es sind also ggf. auf das spezifische Medium abgestimmt Ausgestaltungen
der kapazitiven Messvorrichtung notwendig.
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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 Dimensionierung des Ansatzes die Temperatur
des Mediums im Ansatz, aber auch der Grad der Trocknung des Ansatzes
starke Auswirkungen auf das Antwortsignal der Sonde haben.
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4 zeigt
die Auswirkungen des Ansatzes. Dargestellt ist die Admittanz in
Abhängigkeit
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 Abhängigkeit
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 μS/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 noch 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 Möglichkeiten
der Messung deutlich erweitert werden.
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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
Leitfähigkeit
soll 5000 μS/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 F1 berechnet: F1 = A sin ϕ +
A cos ϕ cos (ϕ – ϕ0).
A ist dabei die Admittanz und ϕ die Phase des gemessenen
Antwortsignals. ϕ0 ist eine konstante
Phasenverschiebung, die sich durch Optimierung der Auswertekurve
ergibt. Die Kurve 2 wurde mit der Formel F2 berechnet: F2 = A (k1
sin ϕ – k2
cos ϕ). Bei dieser Auswerteformel werden also zwei Konstanten
k1 und k2 verwendet, deren Optimierung eine möglichst gute Anpassung der
Kurve an die Sollwerte ergibt. Wie zu sehen, führt F1 generell zu einer Überschätzung des
Füllstandes.
Die Funktion F2 liefert meist kleinere Fehler, hat jedoch zu Beginn
auch eine Unterschätzung
des Füllstandes
zur Folge.
-
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.
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- 1
- Medium
- 2
- Behälter
- 3
- Füllstandssonde
- 4
- Regel-/Auswerteeinheit
- 5
- Ansatz
- 10
- Speichereinheit
- 11
- Analog/Digitalwandler
- 15
- Anzeigeeinheit
- 20
- Füllstandmessgerät