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DE4306061A1 - Vorrichtung zur Detektion des Füllstandes eines kapillaren Überlaufkanals - Google Patents

Vorrichtung zur Detektion des Füllstandes eines kapillaren Überlaufkanals

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DE4306061A1
DE4306061A1 DE19934306061 DE4306061A DE4306061A1 DE 4306061 A1 DE4306061 A1 DE 4306061A1 DE 19934306061 DE19934306061 DE 19934306061 DE 4306061 A DE4306061 A DE 4306061A DE 4306061 A1 DE4306061 A1 DE 4306061A1
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Detektion des Füllstandes eines kapillaren Überlaufkanals mittels eines kapazitiven Sensors.
Es ist bekannt, den Füllstand in definierten Volumenräumen mittels eines Plattenkondensators zu detektieren, wobei die zwischen den Platten befindliche Flüssigkeit als Dielektrikum wirkt. In Kanälen sehr geringen Querschnitts ist es aber schwierig, verschiedene Füllzustände elektrisch zu ermitteln, weil die für den Meßvorgang zur Verfügung stehende Kapazitätsdifferenz sehr klein ist.
Die Ermittlung des Füllzustandes ist aber notwendig, um ein Ventil öffnen und schließen zu können, das den Zulauf der Flüssigkeit von einem Reservoir zu einem Flüssigkeitsleitkörper regeln soll.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aufbauend auf einen bestehenden Flüssigkeitsleitkörper auf einfache und preiswerte Weise eine Messung der Flüssigkeit in einem kapillaren Überlaufkanal zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Die Erfindung weist gegenüber dem Bekannten die Vorteile auf, daß sie bei allen Arten von Flüssigkeiten funktionsfähig ist. Wegen ihrer geschlossenen Bauweise ist die Vorrichtung gegen Umwelteinflüsse geschützt. Die Vorrichtung ist kompakt aufgebaut. Genaue Messung eines Flüssigkeitsüberschusses ist gegeben. Auf diese Weise ist die Gewinnung eines ausreichend großen, beispielsweise für einen Dosiervorgang auswertbaren Signals mittels eines Regelgeräts möglich. Die Vorrichtung ist preisgünstig herstellbar.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung hervor.
Die Erfindung wird an Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Grundkörper, zwei Elektroden und einem dazwischenliegenden Isolierkörper, der einen nach innen schraubenförmig gestalteten Überlaufkanal aufweist, sowie ein Regelgerät,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Grundkörper, zwei Elektroden und einem dazwischenliegenden Isolierkörper, der einen nach außen schraubenförmig gestalteten Überlaufkanal aufweist, sowie das Regelgerät,
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Grundkörper und zwei Elektroden, von denen die eine einen nach außen schraubenförmig gestalteten Überlaufkanal bildet, sowie das Regelgerät,
Fig. 4 einen Stromlauf des Regelgeräts.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 (Fig. 1) umfaßt ein kapazitiver Sensor 91 zunächst einen Grundkörper 2 mit einem innenliegenden Kanal 6, der für den Durchfluß einer Flüssigkeit in Richtung eines Pfeils 13 bestimmt ist. Der Kanal 6 ist einerseits mit einem Zulauf 11 und andererseits mit einem Kanal 14 größeren Durchmessers und dieser mit einem Ablauf 12 fluidmäßig verbunden. Der Kanal 6 befindet sich in einem Flüssigkeitsleitkörper 5.
Der Grundkörper 2 ist an seinem einen axialen Ende von einem Zulaufteil 3 begrenzt und an seinem anderen axialen Ende von einem den Ablauf 12 aufweisenden Endteil 4 mindestens zum Teil umschlossen.
Der Grundkörper 2 hat vorzugsweise im wesentlichen zylindrischen Querschnitt.
Der Flüssigkeitsleitkörper 5 sitzt in einer ersten, zylinderförmigen, inneren Elektrode 25 aus Metall. Die innere Elektrode 25 ist von einem ebenfalls zylinderförmigen Isolierkörper 23 umgeben. Dieser weist einen nach innen zunächst offenen und schraubenförmigen Überlaufkanal 7 auf. Letzterer wird von der inneren Elektrode 25 überdeckt. Die darin enthaltene Flüssigkeit wird so einerseits von der inneren Elektrode 25 und andererseits von dem Isolierkörper 23 umschlossen. Eine zweite, äußere Elektrode 24, die auf dem für sie als Stützkörper wirkenden Isolierkörper 23 sitzt, bildet zusammen mit der ersten, inneren Elektrode 25 und dem Isolierkörper 23 einen Kondensator. Der zwischen den Elektroden 24, 25 befindliche Isolierkörper 23 ist das Dielektrikum des Kondensators.
Aus einem Reservoir 22 (Fig. 1) gelangt über eine Zulaufleitung 21, ein Ventil 20 und den Zulauf 11 eine Flüssigkeit zum Kanal 6. Vom Kanal 6 führt ein Zulaufkanal 26 zu dem Überlaufkanal 7, der als Puffervolumen wirkt.
Füllt sich der als Puffervolumen wirkende Überlaufkanal 7 (Fig. 1), so ändert sich die Kapazität des Sensors 91, die von einem über Leitungen 17, 18 angeschlossenen Regelgerät 15 registriert wird. Das Regelgerät 15 schließt das Ventil 20. Dementsprechend kann aus dem Reservoir 22 keine Flüssigkeit mehr über die Zulaufleitung 21 dem Kanal 6 des Sensors 91 zufließen.
Leert sich der Überlaufkanal 7 wieder, so ändert sich die Kapazität des Sensors 91 entsprechend, die von dem Regelgerät 15 registriert wird. Das Regelgerät 15 öffnet das Ventil 20. Dementsprechend kann aus dem Reservoir 22 wieder Flüssigkeit über die Zulaufleitung 21 dem Kanal 6 des Sensors 91 zufließen.
Das Regelgerät 15 wird aus einer Batterie 16 mit elektrischer Energie versorgt und steuert das Ventil 20 über Leitungen, von denen in den Zeichnungen nur eine Leitung 19 dargestellt ist.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 31 (Fig. 2) umfaßt ein anderer, kapazitiver Sensor 91 zunächst einen Grundkörper 32 mit einem innenliegenden Kanal 36, der für den Durchfluß einer Flüssigkeit in Richtung eines Pfeils 43 bestimmt ist. Der Kanal 36 ist einerseits mit einem Zulauf 41 und andererseits mit einen Kanal 44 größeren Durchmessers und dieser mit einem Ablauf 42 fluidmäßig verbunden. Der Kanal 36 befindet sich in einem Flüssigkeitsleitkörper 35.
Der Grundkörper 32 ist an seinem einen axialen Ende von einem Zulaufteil 33 begrenzt und an seinem anderen axialen Ende von einem den Ablauf 42 aufweisenden Endteil 34 mindestens zum Teil umschlossen.
Der Grundkörper 32 hat vorzugsweise im wesentlichen zylindrischen Querschnitt.
Der Flüssigkeitsleitkörper 35 sitzt in einer ersten, zylinderförmigen, inneren Elektrode 55 aus Metall. Letztere ist von einem ebenfalls zylinderförmigen Isolierkörper 53 umgeben. Dieser weist einen nach außen zunächst offenen, schraubenförmigen Überlaufkanal 37 auf. Die darin enthaltene Flüssigkeit wird so einerseits von dem Isolierkörper 53 und andererseits von einer zweiten, äußeren Elektrode 54 umschlossen. Von dieser äußeren Elektrode 54, die auf dem auch als Stützkörper wirkenden Isolierkörper 53 sitzt, die innere Elektrode 55 und den Isolierkörper 53 wird ein Kondensator gebildet. Der zwischen den Elektroden 54, 55 befindliche Isolierkörper 53 stellt das Dielektrikum des Kondensators dar.
Aus einem Reservoir 52 (Fig. 2) gelangt über eine Zulaufleitung 51, ein Ventil 50 und den Zulauf 41 eine Flüssigkeit zum Kanal 36. Vom Kanal 36 führt ein Zulaufkanal 56 zu dem Überlaufkanal 37, der als Puffervolumen wirkt.
Füllt sich der als Puffervolumen wirkende Überlaufkanal 37 (Fig. 2), so wird die Kapazität des Sensors 91 verändert und von einem über Leitungen 47, 48 angeschlossenen Regelgerät 45 registriert. Das Regelgerät 45 schließt das Ventil 50. Dementsprechend kann aus dem Reservoir 52 keine Flüssigkeit mehr über die Zulaufleitung 51 dem Kanal 36 des Sensors 91 zufließen.
Leert sich der Überlaufkanal 37 wieder, so ändert sich die Kapazität des Sensors 91 entsprechend, die von dem Regelgerät 45 registriert wird. Das Regelgerät 45 öffnet das Ventil 50. Dementsprechend kann aus dem Reservoir 52 wieder Flüssigkeit über die Zulaufleitung 51 dem Kanal 36 des Sensors 91 zufließen.
Das Regelgerät 45 wird aus einer Batterie 46 mit elektrischer Energie versorgt. Das Regelgerät 45 steuert das Ventil 50 über Leitungen, von denen in den Zeichnungen nur eine Leitung 49 dargestellt ist.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 61 (Fig. 3) umfaßt ein anderer, kapazitiver Sensor 91 zunächst einen Grundkörper 62 mit einem innenliegenden Kanal 66, der für den Durchfluß einer Flüssigkeit in Richtung eines Pfeils 73 bestimmt ist. Der Kanal 66 ist einerseits mit einem Zulauf 71 und andererseits mit einen Kanal 74 größeren Durchmessers und dieser mit einem Ablauf 72 fluidmäßig verbunden. Der Kanal 66 befindet sich in einem Flüssigkeitsleitkörper 65.
Der Grundkörper 62 ist an seinem einen axialen Ende von einem Zulaufteil 63 begrenzt und an seinem anderen axialen Ende von einem den Ablauf 72 aufweisenden Endteil 64 mindestens zum Teil umschlossen.
Der Grundkörper 62 hat vorzugsweise im wesentlichen zylindrischen Querschnitt.
Der Flüssigkeitsleitkörper 65 sitzt in einer zylinderförmigen, inneren Elektrode 85 aus eloxiertem Metall. Diese bildet nach außen einen zunächst offenen, schraubenförmigen Überlaufkanal 67. Eine äußere Elektrode 84 deckt den Überlaufkanal 67 ab. Die in dem Überlaufkanal 67 enthaltene Flüssigkeit wird so einerseits von der inneren Elektrode 85 und andererseits von einer äußeren, ebenfalls aus eloxiertem Metall bestehenden Elektrode 84 umschlossen. Die innere Elektrode 85 und die äußere Elektrode 84 bilden zusammen einen Kondensator.
Aus einem Reservoir 82 (Fig. 3) gelangt über eine Zulaufleitung 81, ein Ventil 80 und den Zulauf 71 eine Flüssigkeit zum Kanal 66. Vom Kanal 66 führt ein Zulaufkanal 86 zu dem Überlaufkanal 67, der als Puffervolumen wirkt.
Füllt sich der als Puffervolumen wirkende Überlaufkanal 67 (Fig. 3), so wird die Kapazität des Sensors 91 verändert und von einem über Leitungen 77, 78 angeschlossenen Regelgerät 75 registriert, welches das Ventil 80 schließt. Dementsprechend kann aus dem Reservoir 82 keine Flüssigkeit mehr über die Zulaufleitung 81 dem Kanal 66 zufließen.
Leert sich der Überlaufkanal 67 wieder, so ändert sich die Kapazität des Sensors 91 entsprechend, die von dem Regelgerät 75 registriert wird. Das Regelgerät 75 öffnet das Ventil 80. Dementsprechend kann aus dem Reservoir 82 wieder Flüssigkeit über die Zulaufleitung 81 dem Kanal 66 des Sensors 91 zufließen.
Das Regelgerät 75 wird aus einer Batterie 76 mit elektrischer Energie versorgt und steuert das Ventil 80 über Leitungen, von denen in den Zeichnungen nur eine Leitung 79 dargestellt ist.
Die Elektroden 24, 25 bzw. 54, 55 bzw. 84, 85 sind vorzugsweise aus Aluminium hergestellt.
Der im wesentlichen durch die Elektroden 24, 25 bzw. 54, 55 bzw. 84, 85 bestehende kapazitive Sensor 91 (Fig. 4) der Vorrichtungen 1 bzw. 31 bzw. 61 ist über die Leitungen 17, 18 bzw. 47, 48 bzw. 77, 78 mit dem Eingang des Regelgeräts 15 bzw. 45 bzw. 75 elektrisch verbunden. Über dessen Ausgang wird mittels der elektrischen Leitungen 19 bzw. 49 bzw. 79 das Ventil 20 bzw. 50 bzw. 80 angesteuert, das in der Zulaufleitung 21 bzw. 51 bzw. 81 liegt, die von dem Reservoir 22 bzw. 52 bzw. 82 kommt und zu dem Zulauf 11 bzw. 41 bzw. 71 des Grundkörpers 2 bzw. 32 bzw. 62 führt. Das Regelgerät 15 bzw. 45 bzw. 75 umfaßt ein an sich bekanntes, elektronisches Modul 90, vorzugsweise in Form einer integrierten Schaltung (IC), das Verstärker- und Regelfunktionen in sich vereinigt.
Bei einem Ausführungsbeispiel (Fig. 4) des Regelgeräts 15 bzw. 45 bzw. 75 wurde als elektronisches Modul 90 ein integrierter Schaltkreis Typ NE 555 verwendet, wie ihn beispielsweise die Firmen Siemens, Neumüller und andere herstellen. Ein Widerstand 92 hatte 10 kΩ, ein Widerstand 93 hatte 100 kΩ, ein Widerstand 94 hatte 4,7 kΩ, ein Kondensator 95 hatte 820 pF, ein Kondensator 96 hatte 0,1 µF und als Diode 97 wurde eine Zenerdiode Typ ZPD 3,9 verwendet. Das Modul 90 ist ein an sich bekannter Timerbaustein, mit dem durch die aus Fig. 4 hervorgehende Beschaltung als astabiler Multivibrator eine von der Kapazität des Sensors 91 abhängige Frequenz erzeugt wird. Ein über eine Leitung 98 nachgeschalteter, an sich bekannter Frequenzauswerter 100 dient der Generierung eines Schaltsignals zur Ansteuerung des betreffenden Ventils 20 (Fig. 1) bzw. 50 (Fig. 2) bzw. 80 (Fig. 3) über Leitungen, von denen jeweils nur eine Leitung 19 bzw. 49 bzw. 79 (Fig. 1, 2, 3, 4) dargestellt ist.
Die beschriebene Vorrichtung kann zur Trennung des Tuschevorratsbehälters beispielsweise bei Plotterstiften, Registriergeräten, Medizingeräten oder Geräten in der Prozeßtechnik zur Anwendung kommen.

Claims (17)

1. Vorrichtung zur Detektion des Füllstandes eines kapillaren Überlaufkanals mittels eines kapazitiven Sensors, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kanal (6; 36; 66) mit dem Überlaufkanal (7; 37; 67) fluidmäßig in Verbindung steht, und der kapazitive Sensor (91) aus einer inneren Elektrode (25; 55; 85) und einer äußeren Elektrode (24; 54; 84) gebildet ist, die als ineinandergesteckter, im wesentlichen zylinderförmiger Körper ausgebildet sind und zwischen sich den Überlaufkanal (7; 37; 67) einschließen, und daß der Überlaufkanal (7; 37; 67) schraubenförmig gestaltet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (6; 36; 66) und der Überlaufkanal (7; 37; 67) zusammen mit einem Zulaufkanal (26; 56; 86) im Längsschnitt U-förmig miteinander verbunden sind.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flüssigkeitsleitkörper (5; 35; 65) den Kanal (6; 36; 66) und einen Teil des Zulaufkanals (26; 56; 86) bildet.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Grundkörper (2; 32; 62) den Flüssigkeitsleitkörper (5; 35; 65) und die innere Elektrode (25; 55; 85) sowie die äußere Elektrode (24; 54; 84) umfaßt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der äußeren Elektrode (24; 54) und der inneren Elektrode (25; 55) ein Isolierkörper (23; 53) als Stützkörper angeordnet ist, der den Überlaufkanal (7; 37) bildet.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (23) einen nach innen schraubenförmigen Überlaufkanal (7) aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (53) einen nach außen schraubenförmigen Überlaufkanal (37) aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Elektrode (85) als Stützkörper für die äußere Elektrode (84) aufgebaut ist, der einen nach außen schraubenförmig gestalteten Überlaufkanal (67) bildet.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Elektrode (85) aus eloxiertem Metall besteht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Elektrode (84) aus eloxiertem Metall besteht.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens jeweils die eine Elektrode (24, 25; 54, 55; 84, 85) aus Metall besteht.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (2; 32; 62) an seinem einen axialen Ende durch ein Zulaufteil (3; 33; 63) begrenzt ist und an seinem anderen axialen Ende von einem Endteil (4; 34; 64) mit einem daran befindlichen Ablauf (12; 42; 72) mindestens zum Teil umschlossen ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regelgerät (15; 45; 75) vorgesehen ist, an dessen Eingang der Sensor (91) angeschlossen ist, und an dessen Ausgang ein in der von einem Reservoir (22; 52; 82) kommenden Zulaufleitung (21; 51; 81) liegendes Ventil (20; 50; 80) angeschlossen ist, das im Zulauf (11; 41; 71) des Grundkörpers (2; 32; 62) des Sensors (91) liegt.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelgerät (15) ein elektronisches Modul (90) als Timerbaustein umfaßt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Modul (90) eine integrierte Schaltung (IC) ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Modul (90) als astabiler Multivibrator geschaltet ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß dem elektronischen Modul (90) ein Frequenzauswerter (100) zur Generierung eines Schaltsignals für die Ansteuerung des Ventils (20; 50; 80) nachgeschaltet ist.
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