DE102006047780A1

DE102006047780A1 - Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozeßgröße

Info

Publication number: DE102006047780A1
Application number: DE102006047780A
Authority: DE
Inventors: Armin Wernet; Kaj Uppenkamp; Roland Dieterle
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2006-10-06
Filing date: 2006-10-06
Publication date: 2008-04-10
Also published as: ATE491930T1; CN101523166B; CN101523166A; EP2069730B1; US9146145B2; WO2008040746A1; DE502007005984D1; US20100005880A1; EP2069730A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums (1) in einem Behälter (2), mit einer Sondeneinheit (5), welche eine Sensorelektrode (6) und eine Guardelektrode (7) aufweist, und mit einer Elektronikeinheit (8), welche die Sensorelektrode (6) mit einem Ansteuersignal (AS) beaufschlagt und welche die Guardelektrode (7) mit einem Guardsignal (GS) beaufschlagt. Die Erfindung beinhaltet, dass eine Verstärkungseinheit (9) vorgesehen ist, dass ein Begrenzungselement (11) vorgesehen, in Serie zwischen dem Ausgang der Verstärkungseinheit (9) und der Guardelektrode (7) angeordnet ist, wobei die Verstärkungseinheit (9) über das Begrenzungselement (11) die Guardelektrode (7) mit dem Guardsignal (GS) beaufschlagt und wobei die Verstärkungseinheit (9) über das Begrenzungselement (11) die Sensorelektrode (6) mit dem Ansteuersignal (AS) beaufschlagt, und dass eine Auswerteeinheit (15) vorgesehen ist, welche, ausgehend von einem an der Sensorelektrode (6) abgreifbaren Stromsignal (S) und dem Ansteuersignal (AS) und/oder dem Guardsignal (GS), die Prozessgröße bestimmt und/oder überwacht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter, mit mindestens einer Sondeneinheit, welche mindestens eine Sensorelektrode und eine Guardelektrode aufweist, und mit mindestens einer Elektronikeinheit, welche die Sensorelektrode mit einem Ansteuersignal beaufschlagt und welche die Guardelektrode mit einem Guardsignal beaufschlagt. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um den Füllstand.
Im Stand der Technik ist es bekannt, den Füllstand eines Mediums zu überwachen, indem erkannt wird, ob durch das leitfähige Medium ein elektrischer Kontakt zwischen einer Sondenelektrode und der Wandung eines leitfähigen Behälters oder einer zweiten Elektrode besteht. Da es bei vielen Medien zu einem Ansatz an der Sondeneinheit kommen kann, werden sog. Guardelektroden verwendet, welche auf dem gleichen elektrischen Potential wie die Sondenelektrode liegen und die Sondenelektrode umgeben (siehe z.B. DE 32 12 434 C2 ). Je nach Beschaffenheit des Ansatzes ist es jedoch möglich, dass es Schwierigkeiten gibt, das Guardsignal passend zu erzeugen.
Somit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Messgerät vorzuschlagen, bei welchem über einen großen Bereich hinweg eine Unempfindlichkeit gegenüber Ansatz gegeben ist.
Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, dass mindestens eine Verstärkungseinheit vorgesehen ist, dass mindestens ein Begrenzungselement vorgesehen ist, welches in Serie zwischen dem Ausgang der Verstärkungseinheit und der Guardelektrode angeordnet ist, wobei die Verstärkungseinheit über das Begrenzungselement die Guardelektrode mit dem Guardsignal beaufschlagt, und wobei die Verstärkungseinheit über das Begrenzungselement die Sensorelektrode mit dem Ansteuersignal beaufschlagt, und dass mindestens eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, welche ausgehend von einem an der Sensorelektrode abgreifbaren Stromsignal und dem Ansteuersignal und/oder dem Guardsignal die Prozessgröße bestimmt und/oder überwacht. Die Verstärkungseinheit, welche das Guardsignal erzeugt, wird erfindungsgemäß durch ein Beschränkungselement, bei welchem es sich beispielsweise, jedoch nicht notwendigerweise um einen ohmschen Widerstand handelt, beschränkt. Dies bewirkt, dass es beispielsweise keinen Sättigungseffekt geben kann. Dieses derartig in seiner Amplitude beschränkte Signal wird dann als Anregungssignal auf die Sondenelektrode gegeben. Von der Sondenelektrode wird anschließend ein Stromsignal angegriffen, welches in Verbindung mit dem Ansteuersignal oder dem Guardsignal in Hinsicht auf die Prozessgröße ausgewertet wird. Dabei ist eine konduktive oder eine kapazitive Auswertung möglich, wobei ggf. auch die Phase zwischen den beiden Signalen verwendet wird. In einer Ausgestaltung ist das Ansteuersignal identisch mit dem Guardsignal. Weiterhin ist es für die Anwendung des Guards vorteilhaft, wenn die Guardelektrode die Sensorelektrode dort umgibt, wo sich der Ansatz bilden kann. In einer Ausgestaltung ist daher vorgesehen, dass die Guardelektrode die Sensorelektrode im dem Medium zugewandten Bereich der Sondeneinheit koaxial umgibt.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Verstärkungsfaktor der Verstärkungseinheit einen im Wesentlichen zeitlich konstanten Wert hat. Die Verstärkung ist in einer Ausgestaltung gleich eins eingestellt.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass mindestens ein Messwiderstand vorgesehen ist, über welchen das Stromsignal abgegriffen wird.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass mindestens eine Trennungseinheit vorgesehen ist, deren Eingang mit dem Begrenzungselement und deren Ausgang mit der Sensorelektrode elektrisch verbunden ist, wobei die Trennungseinheit derartig ausgestaltet ist, dass die Trennungseinheit Auswirkungen einer elektrischen Schaltung, welche mit dem Ausgang der Trennungseinheit verbunden ist, auf eine elektrische Schaltung, welche mit dem Eingang der Trennungseinheit verbunden ist, im Wesentlichen verhindert. Die Elektronikeinheit lässt sich funktionell in mindestens zwei Schaltungen oder Teilschaltungen geteilt denken. Zum einen ist dies der Teil der Guardelektrode und zum anderen der Teil der Sensorelektrode. Wie bereits oben beschrieben wird im Wesentlichen zuerst der Guard-Abschnitt mit dem Guardsignal beaufschlagt und dann der Sensor-Abschnitt, der das gleiche Signal erhält. Durch die Trennungseinheit wird sichergestellt, dass die Teilschaltung mit der Sensorelektrode keine Auswirkungen auf die Guardelektroden-Teilschaltung hat, d.h. es wird Rückwirkungsfreiheit erzeugt.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass es sich bei der Trennungseinheit um eine Verstärkungseinheit handelt. In einer Ausgestaltung ist der Verstärkungsfaktor dieses Verstärkers gleich eins gesetzt.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass mindestens ein Sondenstrombegrenzungselement vorgesehen ist, welches zwischen dem Ausgang der Trennungseinheit und der Sensorelektrode angeordnet ist und welches den über die Sensorelektrode fließenden Strom beschränkt.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass der Behälter zumindest teilweise als Masseelektrode ausgestaltet ist. Alternativ ist eine zweite Elektrode als Gegenelektrode vorgesehen, welche entweder zusätzlich in den Behälter eingebracht oder welche ein Teil der Sondeneinheit ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei dem Begrenzungselement um einen ohmschen Widerstand handelt, und/oder dass es sich bei dem Sondenstrombegrenzungselement um einen ohmschen Widerstand handelt.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass mindestens eine Signalquelle vorgesehen ist, welche mit dem Eingang der ersten Verstärkungseinheit verbunden ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei dem Guardsignal und bei dem Ansteuersignal um eine elektrische Wechselspannung handelt.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Auswerteeinheit derartig ausgestaltet ist, dass die Auswerteeinheit mindestens das Guardsignal und/oder das Ansteuersignal digitalisiert. Diese Digitalisierung ermöglicht es beispielsweise, die Phase zwischen dem Ansteuersignal oder dem Guardsignal und dem Stromsignal bzw. einem zum Stromsignal proportionalen Spannungssignal zu bestimmen. Weiterhin ist die Signalverarbeitung deutlich einfacher.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Auswerteeinheit derartig ausgestaltet ist, dass die Auswerteeinheit mindestens ein Amplitudenverhältnis aus dem Guardsignal und/oder dem Ansteuersignal und dem Stromsignal und/oder einem davon abhängigen elektrischen Spannungssignal ermittelt, und dass die Auswerteeinheit aufgrund des Amplitudenverhältnisses die Prozessgröße bestimmt und/oder überwacht.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass es sich bei der Prozessgröße um den Füllstand des Mediums handelt.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
1: eine schematische Darstellung eines Messgerätes gemäß dem Stand der Technik,
2: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Messgerätes, und
3: eine graphische Darstellung der Amplitudenverhältnisse von Signalen bei der Messung von unterschiedlichen Medien.
In der 1 wird der Füllstand eines Mediums 1 innerhalb eines Behälters 2 überwacht. Bei dem Medium 1 handelt es sich dabei vorzugsweise um eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit. Die Anwendung bei elektrisch nicht-leitfähigen Medien ist ebenfalls möglich. Das Messgerät besteht aus einer Elektronikeinheit 8 und einer Sondeneinheit 5. In der praktischen Ausgestaltung ist die Sondeneinheit 5 dabei vorzugsweise derartig in die Wandung des Behälters 2 eingebaut, dass die Wandung direkt mit ihr abschließt, so dass also die Sonde 5 nicht in den Behälter 2 hineinragt. Diese konstruktive Ausgestaltung ist dabei vorzugsweise auch für das in 2 beispielhaft gezeigte erfindungsgemäße Messgerät vorgesehen. Bei dem Behälter 2 handelt es sich beispielsweise auch um ein Rohr, durch welches das Medium 1 strömt – unter Behälter sei somit jegliche Art von Struktur verstanden, welche ein Medium zumindest zeitweise aufnimmt. Die Wandung des Behälters 2 ist hier als Masseelektrode ausgestaltet, d.h. sie ist elektrisch leitend mit einem Massepotential verbunden. Alternativ wird eine zweite Elektrode in den Behälter 2 eingebracht. Ebenfalls mit Masse ist eine Signalquelle 10 verbunden, welche insbesondere ein elektrisches Wechselspannungssignal als Ansteuersignal AS erzeugt. Dieses Signal AS wird an die Sensorelektrode 6 gegeben. Erreicht das – elektrisch leitfähige – Medium 1 einen Füllstand, der durch die Ausgestaltung der Sondeneinheit 5 und dessen Position innerhalb oder an dem Behälter 2 vorgegeben ist, so wird ein elektrischer Kontakt zwischen der Sensorelektrode 6 und der Wandung des Behälters 2 hergestellt, was dazu führt, dass sich beispielsweise der Strom, welcher sich von der Sensorelektrode 6 abgreifen lässt, ändert. Eine Problematik tritt auf, wenn beispielsweise das Medium 1 sich wieder absenkt und dabei Medium 1 an der Sondeneinheit 5 als Ansatz haften bleibt. Ist beispielsweise die gesamte Wandung des Behälters 2 elektrisch leitend mit Masse verbunden und erstreckt sich der Ansatz von der Sensorelektrode 6 bis zur Wandung, so erfolgt eine Falschanzeige, da immer noch der Bedeckt-Zustand angezeigt wird. Um dieser Ansatzproblematik zu entgehen, ist die sog. Guardelektrode 7 vorgesehen, welche vorzugsweise die Sensorelektrode 6 koaxial zumindest in dem Bereich, in welchem die Sensorelektrode in Kontakt mit dem Medium 1 kommt, umgibt (dies gilt auch für das erfindungsgemäße ausgestaltete Messgerät). Zwischen der Sensorelektrode 6 und der Guardelektrode 7 ist dabei üblicherweise ein Isolator in der Sondeneinheit 5 vorgesehen. Diese Guardelektrode 7 wird hier über eine erste Verstärkungseinheit 9 mit einem Guardsignal GS beaufschlagt. Dabei haben das Ansteuersignal AS und das Guardsignal GS vorzugsweise im Wesentlichen die gleiche Phase und die gleiche Amplitude. Befindet sich Ansatz an der Sondeneinheit 5, so treibt die Guardelektrode 7 einen Wechselstrom zur Gegenelektrode (dies ist hier beispielsweise die geerdete Wandung des Behälters 2 oder in einer alternativen Ausgestaltung eine zweite zusätzliche Elektrode) und hebt den elektroden-bedeckenden Ansatz auf das Guardpotenial. Ein Stromfluss von der Sondenelektrode 6 zur Gegenelektrode 2 wird somit vermieden und ein Frei-Signal wird erzeugt, insofern die Sensorelektrode 6 nicht durch das Medium bedeckt ist. Eine Problematik besteht jedoch im Stand der Technik üblicherweise darin, dass die Verstärkungseinheit 9 durch ihren Innenwiderstand nur begrenzt Strom liefern kann und somit bei leitfähigen Ansätzen das Guardpotential nicht aufrechterhalten kann. Ein Stromfluss von der Sondenelektrode 6 zur Gegenelektrode 2 – dies ist hier die Wandung – ist die Folge und ein Bedeckt-Signal wird erzeugt.
Diese Problematik löst ein erfindungsgemäßes Messgerät, wie es in der 2 dargestellt ist. Von der Elektronikeinheit 8 sind hierbei wieder nur die für die Erklärung der Funktion wesentlichen Bestandteile gezeigt. Das Signal der Signalquelle 10 wird hier über die Verstärkungseinheit 9 über ein Begrenzungselement 11 auf die Guardelektrode 7 gegeben. Bei dem Begrenzungselement 11 handelt es sich dabei in der hier gezeigten Ausgestaltung um einen ohmschen Widerstand. Als Beispiel sei genannt, dass die Verstärkungseinheit 9 einen Innenwiderstand zwischen 50 und 200 Ω aufweist. Der Widerstand des Begrenzungselements 11 ist größer als der Innenwiderstand der Verstärkungseinheit 9 zu wählen. Durch das Begrenzungselement 11 wird verhindert, dass der Verstärker 9 in die Begrenzung kommt. Das Guardsignal GS wird für die Auswertung bzw. Bestimmung des Füllstandes der Auswerteeinheit 15 zugeführt, wo das Signal GS beispielsweise durch einen Analog-Digital-Wandler, welcher ggf. auch Bestandteil eines Mikroprozessors ist, digitalisiert wird. Weiterhin wird das Guardsignal GS einer Verstärkungseinheit zugeführt, welche hier als Trennungseinheit 12 zur Verhinderung der Rückwirkung dient. Die Verstärkung dieser Trenneinheit 12 ist beispielsweise gleich Eins gesetzt. Das Guardsignal GS erreicht dann über das Sondenstrombegrenzungselement 13 als Ansteuersignal AS die Sensorelektrode 6. Bei dem Sondenstrombegrenzungselement 13 handelt es sich dabei vorzugsweise auch um einen ohmschen Widerstand, welcher verhindert, dass der Sondenstrom bei sehr leitfähigen Medien zu groß wird und damit beispielsweise außerhalb des Bereichs des Analog/Digitalwandlers liegt. Das Ansteuersignal AS wird ggf. auch der Auswerteeinheit 15 zugeführt, um beispielsweise ebenfalls digitalisiert zu werden. Unterscheiden sich das Guardsignal GS und das Ansteuersignal AS nicht, weil beispielsweise die Trennungseinheit 12 eine Verstärkung von eins hat und auch sonst keine Änderungen am Guardsignal GS vornimmt, so reicht es, wenn nur eins der beiden Spannungssignale GS bzw. AS an die Auswerteeinheit 15 übertragen wird. Bei der Auswertung wird in einer Ausgestaltung das Verhältnis zwischen dem Guardsignal GS bzw. dem Ansteuersignal AS als Referenzsignal und dem Stromsignal S bzw. einer dazu proportionalen Spannung ausgewertet bzw. es wird die Sondenimpedanz bestimmt und verarbeitet. Bei zunehmender Belastung an der Guardelektrode 7 wird zwar die Messspannung an der Sensorelektrode 6 reduziert, jedoch können Grenzstände bzw. Ansätze bis nahezu 0 Ω sicher detektiert werden. Überdies erlaubt eine Digitalisierung auch eine genaue Phasenbestimmung, so dass sich auch konduktive oder kapazitive Messungen durchführen lassen. Somit lässt sich entweder der Real- bzw. Imaginärteil bestimmen. Beide Werte erlauben die Bestimmung des Füllstandes oder das Erreichen bzw. Unterschreiten eines vorbestimmten Füllstandes.
In der 3 sind unterschiedliche Verhältniszahlen zwischen dem Referenzsignal GS und einer zum Sondenstrom S proportionalen Spannung dargestellt. Die Messungen beziehen sich dabei – von links nach rechts – auf Luft, Bedeckung durch Wasser, Wasser-Ansatz ohne Bedeckung, Bedeckung durch Shampoo, Shampoo-Ansatz ohne Bedeckung, Bedeckung durch Senf und Senf-Ansatz ohne Bedeckung.
Die Schaltschwelle ist als dicker Strich auf Höhe eines Verhältnisses von 2,85 angesetzt. Die drei unteren Messpunkte (Rechteck-Symbol) zeigen jeweils das Verhältnis der Werte, wenn das Sensorelement von einem bestimmten Ansatz bedeckt ist. Die drei oberen dreiecksförmigen Messpunkte zeigen die Situation, dass das Medium den Füllstand erreicht hat und die Sensorelektrode bedeckt. Vergleicht man jeweils die einander zugeordneten Punkte (d.h. jeweils Wasser oder jeweils Shampoo), so zeigt sich, dass der Abstand zwischen den Punkten stets ausreichend groß ist, so dass sich bequem eine Schaltschwelle angeben lässt, deren Überschreiten zu einer Anzeige des Erreichens des Füllstands führt. Umgekehrt ist auch das Unterschreiten des Füllstandes gut genug zu erkennen und dies insbesondere auch beim Vorliegen von Ansatz.

1: Medium
2: Behälter
5: Sondeneinheit
6: Sensorelektrode
7: Guardelektrode
8: Elektronikeinheit
9: Verstärkungseinheit
10: Signalquelle
11: Begrenzungselement
12: Trennungseinheit
13: Sondenstrombegrenzungselement
15: Auswerteeinheit
16: Messwiderstand
AS: Ansteuersignal
GS: Guardsignal
S: Stromsignal

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums (1) in einem Behälter (2), mit mindestens einer Sondeneinheit (5), welche mindestens eine Sensorelektrode (6) und eine Guardelektrode (7) aufweist, und mit mindestens einer Elektronikeinheit (8), welche die Sensorelektrode (6) mit einem Ansteuersignal (AS) beaufschlagt und welche die Guardelektrode (7) mit einem Guardsignal (GS) beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Verstärkungseinheit (9) vorgesehen ist, dass mindestens ein Begrenzungselement (11) vorgesehen ist, welches in Serie zwischen dem Ausgang der Verstärkungseinheit (9) und der Guardelektrode (7) angeordnet ist, wobei die Verstärkungseinheit (9) über das Begrenzungselement (11) die Guardelektrode (7) mit dem Guardsignal (GS) beaufschlagt, und wobei die Verstärkungseinheit (9) über das Begrenzungselement (11) die Sensorelektrode (6) mit dem Ansteuersignal (AS) beaufschlagt, und dass mindestens eine Auswerteeinheit (15) vorgesehen ist, welche ausgehend von einem an der Sensorelektrode (6) abgreifbaren Stromsignal (S) und dem Ansteuersignal (AS) und/oder dem Guardsignal (GS) die Prozessgröße bestimmt und/oder überwacht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungsfaktor der Verstärkungseinheit (9) einen im Wesentlichen zeitlich konstanten Wert hat.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Messwiderstand (16) vorgesehen ist, über welchen das Stromsignal (S) abgegriffen wird.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Trennungseinheit (12) vorgesehen ist, deren Eingang mit dem Begrenzungselement (11) und deren Ausgang mit der Sensorelektrode (6) elektrisch verbunden ist, wobei die Trennungseinheit (12) derartig ausgestaltet ist, dass die Trennungseinheit (12) Auswirkungen einer elektrischen Schaltung, welche mit dem Ausgang der Trennungseinheit (12) verbunden ist, auf eine elektrische Schaltung, welche mit dem Eingang der Trennungseinheit (12) verbunden ist, im Wesentlichen verhindert.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Trennungseinheit (12) um eine Verstärkungseinheit handelt.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sondenstrombegrenzungselement (13) vorgesehen ist, welches zwischen dem Ausgang der Trennungseinheit (12) und der Sensorelektrode (6) angeordnet ist und welches den über die Sensorelektrode (6) fließenden Strom beschränkt.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (2) zumindest teilweise als Masseelektrode ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Begrenzungselement (11) um einen ohmschen Widerstand handelt, und/oder dass es sich bei dem Sondenstrombegrenzungselement (13) um einen ohmschen Widerstand handelt.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Signalquelle (10) vorgesehen ist, welche mit dem Eingang der ersten Verstärkungseinheit (9) verbunden ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Guardsignal (GS) und bei dem Ansteuersignal (AS) um eine elektrische Wechselspannung handelt.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (15) derartig ausgestaltet ist, dass die Auswerteeinheit mindestens das Guardsignal (GS) und/oder das Ansteuersignal (AS) digitalisiert.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (15) derartig ausgestaltet ist, dass die Auswerteeinheit (15) mindestens ein Amplitudenverhältnis aus dem Guardsignal (GS) und/oder dem Ansteuersignal (AS) und dem Stromsignal (S) und/oder einem davon abhängigen elektrischen Spannungssignal ermittelt, und dass die Auswerteeinheit (15) aufgrund des Amplitudenverhältnisses die Prozessgröße bestimmt und/oder überwacht.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Prozessgröße um den Füllstand des Mediums (1) handelt.