WO2019105657A1 - Verfahren zur prozessüberwachung - Google Patents

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WO2019105657A1
WO2019105657A1 PCT/EP2018/079083 EP2018079083W WO2019105657A1 WO 2019105657 A1 WO2019105657 A1 WO 2019105657A1 EP 2018079083 W EP2018079083 W EP 2018079083W WO 2019105657 A1 WO2019105657 A1 WO 2019105657A1
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probe electrode
media
container
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Armin Wernet
Kaj Uppenkamp
Raphael KUHNEN
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Endress and Hauser SE and Co KG
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    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance

Definitions

  • the invention relates to a method for condition monitoring of a device for the capacitive determination and / or monitoring of at least one process variable of at least one medium in a container.
  • the process variable is, for example, a fill level of the medium in the container, the electrical conductivity of the medium or else the permittivity of the medium. In the case of level measurement, it can be both a continuous level determination and the detection of a predefinable limit level.
  • the container is in turn, for example, a container or a pipe.
  • Capacitive level gauges generally have a substantially cylindrical sensor unit with at least one sensor electrode, which is at least partially insertable into a container.
  • a substantially cylindrical sensor unit with at least one sensor electrode, which is at least partially insertable into a container.
  • vertically extending into the container rod-shaped sensor units are widely used.
  • sensor units which can be introduced into the side wall of a respective container have become known.
  • the sensor unit is supplied with a starting signal, generally in the form of an alternating current signal.
  • the filling level can then be determined from the response signal received by the sensor unit. This is dependent on the capacity of the sensor electrode and the wall of the
  • Container or the capacitor formed by the sensor electrode and a second electrode.
  • the medium itself or an insulation of the sensor electrode forms the dielectric of this capacitor.
  • the amount of apparent current flowing through the sensor unit is measured.
  • the apparent current in itself has an active and a reactive component, in the case of a
  • the frequency of the applied AC voltage due to resonance effects, is to be selected the lower, the longer the sensor unit is designed.
  • the influence of deposit formation in particular the approach of a conductive medium, decreases in principle with increasing frequency.
  • the guard electrode is arranged coaxially around the respective sensor electrode and electrically separated from it by an insulation. It is also at the same potential as the sensor electrode.
  • the gain in measurement accuracy by means of an additional guard electrode depends, on the one hand, on the thickness of an attachment layer and on the conductivity of the attachment. Particularly in the case of conductive lugs, resistive components of the lug for lower frequencies of the starting signal dominate the high-impedance measuring impedance determined on the basis of the received signal, by means of which the respective process variable is usually determined.
  • Guard electrode in principle no constant measurement accuracy regardless of the medium and its tendency to form approach can be achieved, if you want to forego high frequencies for the excitation signal.
  • multi-sensors are known from the documents DE102011004807A1, DE102013102055A1 or DE102014107927A1, in which by means of a single measuring device both a capacitive and a conductive determination of a
  • Level has various media-specific properties, such as the electrical conductivity of the medium, or even a dielectric property of the medium, such as
  • the object of the present invention is to expand the field of application of a capacitive measuring probe. This object is achieved by the method according to claim 1, as well as by the device according to claim 13,
  • the object on which the invention is based is achieved by a method for condition monitoring of a device for the capacitive determination and / or monitoring of at least one process variable of at least one medium in a container, comprising the following method step:
  • Impinging a probe electrode with an electrical stimulation signal in the form of a triangular signal Impinging a probe electrode with an electrical stimulation signal in the form of a triangular signal
  • Probe electrode at least based on the received signal
  • a running in the respective container process can be monitored.
  • the process may be directed to a single medium, for example a filling or emptying of the respective container, or to a plurality of media, for example a mixing of at least two media.
  • the probe electrode of a capacitive level gauge is described according to the invention by the measuring capacity and the media Z-attachment resistance.
  • the respective process variable is determined on the basis of the received signal, which has the form of an alternating current.
  • the respective process variable is determined on the basis of the measuring capacity and / or on the basis of the media Zänsaiz resistance.
  • the method according to the invention can be applied to all types of measuring probes which are suitable for the capacitive measuring method.
  • the measuring probe can have both a single probe electrode, one wall of the container representing a second electrode, or else at least two electrodes.
  • one of the further electrodes may, for example, be a
  • the measuring capacity reflects the capacitance between the probe electrode and another electrode or the wall of the container. This measuring capacity is thus in principle the size dependent on the respective process variable.
  • the media Z-attachment resistance again comprises ohmic contributions of the medium and possibly contributions of an approach, if available.
  • the probe electrode is either surrounded by air if there is no attachment. Otherwise, the probe electrode surrounds a media-formed liner layer followed by air and the media / neck resistor $ is composed of these two components. In the case that the probe electrode in contrast
  • the measuring capacitance is determined on the basis of the received signal at a time of a zero crossing excitation signal.
  • the measuring capacity and the M edien- / Asatz-iderstand be determined in a particularly simple manner and in particular independently of each other.
  • An embodiment of the method includes that the measurement capacitance and / or the attachment / media resistance is determined by means of an equivalent circuit of the probe electrode comprising at least one parallel connection of the measurement capacitance and the media / attack resistor.
  • determination equations for the measuring capacity and / or the batch media resistance can then be determined on the basis of the equivalent circuit diagram.
  • a determination equation for determining the measurement capacity does not depend on the batch / media resistance and vice versa.
  • a particularly preferred embodiment includes that a conductivity of the medium is determined based on the media / approach resistance.
  • Another particularly preferred embodiment of the method according to the invention includes that based on the measuring capacity a permittivity, or a
  • the degree of coverage is defined as the ratio of a current that can be tapped off from the probe electrode and a current that can be tapped off at a guard electrode of the respective measuring device.
  • Covering the probe electrode, or on the basis of a time course of at least one of the mentioned variables can advantageously be made a statement about a respective running process, or the respective process, which statfindet in the container, are monitored.
  • the present invention thus enables comprehensive process monitoring beyond the determination of a value of a relevant process variable.
  • the received signal advantageously consists of two sub-signals: a triangular component whose slope is proportional to the reciprocal of the ohmic approach / media resistor, and a rectangular component which is proportional to the measuring capacity.
  • the starting signal is preferably an electrical voltage and the received signal is an electrical current.
  • the media Z-tail resistor is determined on the basis of a slope of the received signal within a predefinable time interval.
  • An embodiment of the method according to the invention includes that a fill level of the medium in the container is determined and / or monitored. For example, it can be determined whether a specifiable fill level of the medium in the container has been reached. In this case, condition monitoring is carried out, for example, when the predefinable fill level has been reached.
  • the specifiable fill level is, for example, a fill level which corresponds to a predefinable coverage of the
  • Probe electrode through the medium preferably a complete coverage of the probe electrode through the medium corresponds.
  • the status indicator is preferably a statement about an approach in at least one partial area of the probe electrode.
  • the status indicator can be a statement about a process in which the device is used.
  • the process is preferably the mixing of at least two media, compliance with a recipe, or a cleaning process.
  • a mixing of at least two media is in particular a mixing operation of at least a first and a second medium.
  • it can be monitored whether at least two media essentially exist are homogeneously mixed, or whether a specifiable ratio of at least the first and the second medium is maintained in the container.
  • Such status monitoring is preferably specified for a specific application and the respective status indicators are specifically adapted to the respective process. In particular, intentional and unwanted changes of media, or changes in the medium in each case in the container can be detected.
  • the object according to the invention is also achieved by a device for the capacitive determination and / or monitoring of at least one process variable comprising at least one medium in a container
  • a sensor unit with at least one probe electrode
  • An electronics unit which electronic unit is designed to perform at least one inventive method.
  • the sensor unit comprises at least two electrodes.
  • it may be a device with two probe electrodes, or with a probe electrode and a ground electrode.
  • Fig. 2 is an exemplary electrical equivalent circuit diagram for the description of
  • Probe electrode based on measurement capacity and media / neck resistance
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the excitation signal and the received signal composed of two partial signals for illustrating the determination of the measuring capacity and the media / neck resistance
  • FIG. 5 shows a schematic illustration for monitoring a cleaning process in a container by means of an embodiment of the method according to the invention.
  • Fig. 1 is a schematic drawing of a typical on the capacitive
  • Measuring principle based field device 1 shown in the prior art shows a sensor unit 2 with two cylindrical electrodes 5, 6, which protrudes from the starting via a process connection 3a from the top into a partially filled with medium 4 container 3. It is understood, however, that numerous embodiments of a capacitive measuring device are known with different numbers of electrodes, all of which fall under the present invention.
  • the present invention is also on front flush sensor units, which substantially complete the Bewand ung the container 3 or such sensor units 3, which be introduced into this via a side wall of the container 3, applicable,
  • the sensor unit 2 itself is composed in the present example of a probe electrode 5 and a sensor electrode 5 coaxially surrounding and isolated from this
  • Electronic unit 7 which is responsible for signal acquisition, evaluation and / or - supply. In particular, it determines and / or monitors
  • At least the probe electrode 5 is acted upon by a start signal A and the process variable is determined on the basis of the receive signal E received by the probe electrode 5, which usually has the form of an alternating current.
  • the guard electrode 6 is preferably, as described for example in DE 32 12 434 C2, operated at the same potential as the sensor electrode 5.
  • Component of the capacitor formed by the probe electrode 5 and a wall of the container 3 or a second electrode which u.a. from the level of the medium 4 in the container 3 depends. Rather, ohmic resistance and numerous other influences also play a role. For example, an approach that forms at least in the region of the probe electrode 5 also contributes to the received signal E, which can lead to a reduction of the measuring accuracy. In the worst case can
  • a level of the medium 4 in the container 3 can no longer be reliably determined and / or monitored.
  • the received signal E itself is not further processed, but the measuring capacitance C mess and / or the media / batch resistor RM, A are further processed to determine a status indicator.
  • the measuring capacitance C mess and / or the media / batch resistor RM, A are further processed to determine a status indicator.
  • the measuring capacitance C mess is a measure of the capacitance between the probe electrode 5 and a further electrode or the wall of the container 3, Ohmic influences of the medium 4 or a possibly existing approach layer in the region of the probe electrode 5, however, contribute to the media / approach Resistance R M, A at.
  • the probe electrode 5 is either surrounded by air when there is no projection. Otherwise, the probe electrode 5 surrounds a media formed from remaining rest layer followed by air and the media / neck resistance R M , A is composed of these two components together.
  • a contribution through the attachment usually does not matter since the probe electrode 5 is already covered with the medium 4.
  • the mutual influence of the capacitance between the probe electrode 5 is advantageous and a further electrode or the wall of the container 3 and the ohmic influences of Medium 4 or a possibly existing approach layer in the region of the probe electrode 5 low, so that the measuring capacitance C mess and the media / Ansatz- resistance RM, A can be readily considered separately.
  • the sensor unit 3 or the probe electrode 5 is acted upon by a start signal Ai in the form of a triangular signal, and receive a receive signal Ei.
  • the received signal Ei is then advantageously composed of two partial signals: a triangular component E IR whose slope is proportional to the reciprocal of the ohmic approach / media resistance RM.A, and a rectangular portion Eie, which is proportional to the measurement capacitance C mess .
  • FIG. 3 shows the triangular excitation signal Ai, the first sub-signal E I R and the sum of the first E 1R and second sub-signal Eicdes the received signal Ei, each as a function of the time t.
  • the second partial signal E 1c flowing through the measuring capacitance C mess is a rectangular signal which is proportional to the measuring capacitance C mess .
  • the measuring capacitance C mess can be determined independently of the batch / media resistance R M, A. The latter can be determined, for example, from the slope of the superposed triangular portion E IR .
  • the measuring probe 2 it is first determined whether the measuring probe 2 is at least partially in contact with the medium 4. For example, it can be checked whether the measuring probe 2 is substantially completely covered by the medium 4. This is advantageous, for example, if a mixing of at least two different media 4 is monitored. Alternatively, it is also possible to check whether the measuring probe 2 is at least partially covered by a thin film of the medium 4. Preferably, in this case, the measuring probe is at least about 50% covered by the medium 4. For condition monitoring or process monitoring, it is then possible for example to record the time profile of at least the electrical conductivity s, or the permittivity e of the at least one medium 4. In addition, the
  • Degree of coverage of the probe electrode 5 are used. With regard to the determination of the electrical conductivity s or the dielectric constant e of a medium 4, reference is made to DE102014107927A1.
  • the degree of coverage B is in turn defined as the ratio of a sensor current tapped off from the sensor electrode 5 and a guard current tapped on the guard electrode 6.
  • FIG. 1 The process to be monitored is a mixing process of a first 4a and a second medium 4b in the container 3.
  • the figure shows a graphic representation of the degree of coverage B, the electrical conductivity s and the permittivity e as a function of the time t.
  • a suitable display element By means of a suitable display element [not shown], such a representation
  • the display unit may be, for example, a graphic slave pointer or logger.
  • the measuring device 1 is configured directly to carry out at least one embodiment of the method according to the invention.
  • the measuring device 1 is configured directly to carry out at least one embodiment of the method according to the invention.
  • the measuring device 1 can also be connected via one, in particular digital,
  • Communication interface for example, an I / O link interface have. Both wired and wireless interfaces are possible in this context. It is conceivable, for example, for the respective method to be carried out in an external unit [not shown], for example a computer. For this purpose, the method may be in the form of a
  • the method can also be implemented on a computer-readable medium
  • the probe electrode 5 is in air.
  • the time M1 becomes a
  • a predeterminable fill level of the first medium 4a in the container 3 is achieved.
  • the predetermined level corresponds in the present example to a substantially complete covering of the probe electrode 5 with the first medium 4a.
  • a second medium 4b is filled into the container and a mixing process of the two media 4a and 4b started.
  • a heating process of the two mixed media 4a and 4b also takes place at the time M3 started and the container 3 is vacuumized.
  • the electrical conductivity s and the consistency of the media 4a and 4b in the container 3 change continuously.
  • a third medium 4c is added to the container 3 and a mixing process within the container 3 is started again. Again, the homogeneity of the mixing can be detected, for example, by means of a constant electrical conductivity s. This is the case in the present example at time M5.
  • a second exemplary condition monitoring is the subject of FIG. 5. This is a cleaning process taking place in the container 3. to
  • the container 3 is usually at least partially filled with a suitable cleaning liquid.
  • a cleaning process comprises several cycles in which one or more cleaning liquids are introduced into the container 3.
  • the cleaning process has not started yet.
  • the electrical conductivity s decreases in proportion to the progress of the cleaning.
  • Cleaning process started. As soon as it is detected at time M3 that the electrical conductivity is substantially constant for a predefinable time period, the cleaning process can be ended. A progress of the cleaning process can thus be monitored by means of a change in the electrical conductivity s, the permittivity e and / or the degree of coverage B. Likewise, it can be monitored on the basis of at least one of these variables, whether after completion of a cleaning cycle
  • Residues of the medium 4 remain in the container 3.
  • a cleaning process can be reliably monitored both when the probe electrode 5 during the individual cycles substantially completely covered by the cleaning liquid, which corresponds to the monitoring of a cleaning process the respective medium 4, as well as in the case that
  • Probe electrode 5 is covered by a thin film of the cleaning liquid 4. This corresponds to a thin spray film on the probe electrode 5.
  • reference values or Reference curves can be recorded and deposited. These reference values or reference curves then correspond to a correct process. At predeterminable time intervals, or during the performance of the respective process to be monitored, correspondingly measured values or curves, for example for the electrical conductivity s, the permittivity e and / or the degree of coverage B can then be recorded and compared with the reference values or reference curves. If a deviation between the respectively measured values or curves and the respectively associated reference values or reference curves exceeds a predefinable limit value, then it is possible to deduce, for example, an error in the respective process and if necessary generate and output a message.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Vorrichtung zur kapazitiven Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums, umfassend folgende Verfahrensschritte: - Beaufschlagen einer Sondenelektrode mit einem elektrischen Anregesignal in Form eines Dreiecksignals, - Empfangen eines elektrischen Empfangssignals von der Sondenelektrode, - Ermitteln einer Messkapazität und/oder eines Medien-/Ansatz-Widerstands der Sondenelektrode zumindest anhand des Empfangssignals, und - Bestimmen eines Zustandsindikators anhand der Messkapazität und/oder des Medien-Ansatz-Widerstands. Ebenso betrifft die vorliegende Erfindung eine zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung.

Description

Verfahren zur Prozessüberwachung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Vorrichtung zur kapazitiven Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße zumindest eines Mediums in einem Behältnis. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um einen Füllstand des Mediums in dem Behälter, um die elektrische Leitfähigkeit des Mediums oder auch um die Permittivität des Mediums. Im Falle einer Füllstandsmessung kann es sich sowohl um eine kontinuierliche Füllstandsbestimmung als auch um das Erkennen eines vorgebbaren Grenzstands handeln. Bei dem Behältnis handelt es sich wiederum beispielsweise um einen Behälter oder um eine Rohrleitung.
Auf dem kapazitiven Messprinzip beruhende Feldgeräte sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt und werden von der Anmelderin in vielen unterschiedlichen
Ausgestaltungen hergestellt und beispielsweise unter den Bezeichnungen Liquicap, Solicap oder Liquipoint vertrieben. Kapazitive Füllstandsmessgeräte weisen in der Regel eine im Wesentlichen zylindrische Sensoreinheit mit zumindest einer Sensorelektrode auf, welche zumindest teilweise in einen Behälter einbringbar ist. Einerseits sind, insbesondere zur kontinuierlichen Füllstandsmessung, vertikal in den Behälter hineinreichende stabförmige Sensoreinheiten weitverbreitet. Zur Erkennung eines Grenzstandes sind jedoch auch in die Seitenwandung eines jeweiligen Behälters einbringbare Sensoreinheiten bekannt geworden.
Während des Messbetriebs wird die Sensoreinheit mit einem Anregesignal, in der Regel in Form eines Wechselstromsignals, beaufschlagt Aus dem von der Sensoreinheit empfangenen Antwortsignal kann anschließend der Füllstand bestimmt werden. Dieser ist abhängig von der Kapazität des von der Sensorelektrode und der Wandung des
Behälters, oder des von der Sensorelektrode und einer zweiten Elektrode gebildeten Kondensators. Je nach Leitfähigkeit des Mediums bildet entweder das Medium selbst oder eine Isolierung der Sensorelektrode das Dielektrikum dieses Kondensators.
Zur Auswertung des von der Sensoreinheit empfangenen Antwortsignals in Bezug auf den Füllstand kann entweder die sogenannte Scheinstrommessung oder auch die
Admittanzmessung durchgeführt werden. Bei einer Scheinstrommessung wird der Betrag des durch die Sensoreinheit fließenden Scheinstroms gemessen. Da der Scheinstrom jedoch an sich einen Wirk- und einem Blindanteil aufweist, wird im Falle einer
Admitanzmessung neben dem Scheinstrom der Phasenwinkel zwischen dem
Scheinstrom und der an der Sensoreinheit anliegenden Spannung gemessen. Die zusätzliche Bestimmung des Phasenwinkels erlaubt es darüber hinaus, Aussagen über eine mögliche Ansatzbildung zu treffen, wie beispielsweise aus der DE 102004008125A1 bekannt geworden ist. Zur Wahl der Frequenz des Anregesignals sind verschiedene Faktoren zu
berücksichtigen. Zum einen gilt, dass die Frequenz der angelegten Wechselspannung auf Grund von Resonanzeffekten umso geringer zu wählen ist, je länger die Sensoreinheit ausgestaltet ist. Auf der anderen Seite verringert sich jedoch grundsätzlich für alle Sensoreinheiten der Einfluss einer Ansatzbildung, insbesondere Ansatz aus einem leitfähigen Medium, mit zunehmender Frequenz. Hinzu kommen unter anderem noch Einflüsse der elektrischen Leitfähigkeit des jeweiligen Mediums.
Ein wohlbekanntes Problem im Zusammenhang mit kapazitiven Feldgeräten ist die Bildung von Ansatz im Bereich der Sensoreinheit, welcher die jeweiligen Messergebnisse deutlich verfälschen kann. Zur Vermeidung von Ansatz kann einerseits eine möglichst hohe Frequenz für das Anregesignal gewählt werden, da grundsätzlich der verfälschende Einfluss eines Ansatzes mit zunehmender Frequenz des Anregesignals abnimmt Eine Elektronik eines entsprechenden Feldgeräts für hohe Frequenzen passend auszulegen, ist jedoch einerseits mit einem erhöhten Grad an Komplexität verbunden. Darüber hinaus ist der zusätzliche Kostenfaktor für die jeweils benötigten Komponenten nicht
vernachlässigbar.
Alternativ ist es bekannt geworden, eine Zusatzelektrode, insbesondere eine sogenannte Guardelektrode, wie beispielsweise in der DE3212434C2 beschrieben, zu verwenden.
Die Guardelektrode ist dabei koaxial um die jeweilige Sensorelektrode angeordnet und von dieser durch eine Isolierung elektrisch getrennt Sie liegt ferner auf dem gleichen Potential wie die Sensorelektrode. Der Zugewinn an Messgenauigkeit durch eine zusätzliche Guardelektrode hängt jedoch einerseits von der Dicke einer Ansatzsc icht, sowie von der Leitfähigkeit des Ansatzes ab. Insbesondere bei leitfähigen Ansitzen dominieren für niedrigere Frequenzen des Anregesignals resistive Komponenten des Ansatzes die anhand des Empfangssignals ermittelte hochohmige Messimpedanz, anhand derer üblicherweise die jeweilige Prozessgröße bestimmt wird. Außerdem wird die Wirkung der Guardelektrode durch die vergleichsweise hohe Impedanz einer
Isolationskapazität der jeweiligen Messsonde beschränkt. Es kann also durch die
Guardelektrode im Prinzip keine konstante Messgenauigkeit unabhängig vom jeweiligen Medium und dessen Tendenz zur Bildung von Ansatz erreicht werden, sofern auf hohe Frequenzen für das Anregesignal verzichtet werden soll.
Eine weitere Möglichkeit, die kapazitive Bestimmung einer Prozessgröße möglichst unabhängig vom jeweiligen Medium, und insbesondere unabhängig von der jeweiligen Ansatzverträglichkeit durchführen zu können, ist aus der bisher unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 102017115516.3 bekannt geworden. Aus dem von der Sondenelektrode erhaltenen Empfangssignal wird eine Messkapazität oder eine Messkapazität und ein Ansatz-ZMedienwiderstand ermittelt und die jeweilige Prozessgröße zumindest anhand des Wertes für die Messkapazität bestimmt. Auf die genannte Anmeldung wird im Kontext der vorliegenden Erfindung vollumfängfich Bezug genommen. Eine weitere Problematik betrifft die Abhängigkeiten unterschiedlicher Prozessgrößen voneinander. Beispielsweise ist der Füllstand des Mediums abhängig von den
elektrischen Eigenschaften des jeweiligen Mediums. Um eine unabhängige
Prozessgrößenbestimmung mit einem einzigen Messgerät zu ermöglichen, sind aus den Dokumenten DE102011004807A1 , DE102013102055A1 oder DE102014107927A1 sogenannte Multisensoren bekannt geworden, bei welchen mittels eines einzigen Messgeräts sowohl eine kapazitive als auch eine konduktive Bestimmung einer
Messgröße möglich ist, Mittels eines derartigen Multisensors können neben dem
Füllstand verschiedene medienspezifische Eigenschaften, wie die elektrische Leitfähigkeit des Mediums, oder auch um eine dielektrische Eigenschaft des Mediums, wie
beispielsweise dessen Dielektrizitätskonstante, bestimmt werden, wie in der
DE1020131Q4781A1 beschrieben.
Es wäre wünschenswert, wenn auch für eine rein kapazitive Messung ein erweiterter Anwendungsbereich des jeweiligen Messgeräts abgedeckt werden könnte.
Deshalb liegt der vorliegenden Erfindung, ausgehend von dem genannten Stand der Technik, Aufgabe zugrunde, den Einsatzbereich einer kapazitiven Messsonde zu erweitern. Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 , sowie durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 13,
Bezüglich des Verfahren wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Vorrichtung zur kapazitiven Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße zumindest eines Mediums in einem Behältnis, umfassend folgende Verfahrensschrite:
Beaufschlagen einer Sondenelektrode mit einem elektrischen Anregesignal in Form eines Dreiecksignals,
Empfangen eines elektrischen Empfangssignals von der Sondenelektrode, - Ermitteln einer Messkapazität und/oder eines Medien-/Ansatz-Widerstands der
Sondenelektrode zumindest anhand des Empfangssignals,
Bestimmen eines Zustandsindikators anhand der Messkapazität und/oder des
Medien-Ansatz-Widerstands, und
Ermitteln der Messkapazität anhand des Empfangssignals zu einem Zeitpunkt eines Nulldurchgangs des Anregesignals. Anhand des jeweils gewählten Zustandsindikators kann ein in dem jeweiligen Behältnis ablaufender Prozess überwacht werden. Der Prozess kann auf ein einziges Medium gerichtet sein, beispielsweise eine Befüllung oder Entleerung des jeweiligen Behältnisses, oder auf mehrere Medien, beispielsweise eine Durchmischung zumindest zweier Medien.
Die Sondenelektrode eines kapazitiven Füllstandsmessgeräts wird erfindungsgemäß durch die Messkapazität und den Medien-ZAnsatzwiderstand beschrieben. Bei einer üblichen Scheinstrommessung oder Admittanzmessung wird die jeweilige Prozessgröße anhand des Empfangssignals, welches die Form eines Wechselstroms aufweist, ermitelt. Erfindungsgemäß wird die jeweilige Prozessgröße dagegen anhand der Messkapazität und/oder anhand des Medien-ZÄnsaiz-Widerstands ermittelt. Durch dieses Vorgehen ergeben sich mehrere Vorteile: Beispielsweise ist ein Einfluss von im Bereich der Sondenelektrode vorhandenem Ansatz auf die Messkapazität vernachlässigbar. Somit können Einflüsse durch das Vorhandensein eines Ansatzes eliminiert bzw. minimiert werden. Dies führt insbesondere zu einer deutlich verbesserten Messgenauigkeit unabhängig vom jeweiligen Medium.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei auf alle Arten von Messsonden, weiche sich für das kapazitive Messverfahren eignen, angewendet werden. Die Messsonde kann sowohl über eine einzige Sondenelektrode verfügen, wobei eine Wandung des Behälters eine zweite Elektrode darstellt, oder auch über zumindest zwei Elektroden. Im letzteren Falle kann es sich bei einer der weiteren Elektroden beispielsweise um eine
Guardelektrode handeln. Die Messkapazität spiegelt die Kapazität zwischen der Sondenelektrode und einer weiteren Elektrode oder der Wandung des Behälters wieder. Diese Messkapazität ist also im Prinzip die von der jeweiligen Prozessgröße abhängige Größe. Der Medien-ZAnsatz- Widerstand umfasst wiederum ohmsche Beiträge des Mediums und ggf. Beiträge eines Ansatzes, sofern vorhanden. Im Falle, dass die Sondenelektrode nicht mit Medium bedeckt ist, ist die Sondenelektrode entweder von Luft umgeben, wenn kein Ansatz vorhanden ist. Ansonsten umgibt die Sondenelektrode eine aus Medienresten gebildete Ansatzschicht gefolgt von Luft und der Medien-/Ansatz-Widerstand$ setzt sich aus diesen zwei Komponenten zusammen. Im Falle, dass die Sondenelektrode dagegen im
Wesentlichen vollständig vom jeweiligen Medium bedeckt ist, spielt ein Beitrag durch den Ansatz üblicherweise keine Rolle, da die Messsonde ohnehin mit dem Medium bedeckt ist.
Erfindungsgemäß wird die die Messkapazität anhand des Empfangssignals zu einem Zeitpunkt eines Nulldurchgangs Anregesignals ermitelt. Vorteilhaft können auf diese Weise die Messkapazität und der M edien-/A nsatz- iderstand auf besonders einfache Art und Weise und insbesondere unabhängig voneinander bestimmt werden.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet, dass die Messkapazität und/oder der Ansatz-/Medienwiderstand anhand einer Ersatzschaltung der Sondenelektrode umfassend zumindest eine Parallelschaltung der Messkapazität und des Medien-/Ansatz- Widerstands ermitelt wird. Anhand des Ersatzschaltbildes können dann beispielsweise Bestimmungsgleichungen für die Messkapazität und/oder den Ansatz-Medienwiderstand ermittelt werden. Bevorzugt hingt eine Bestimmungsgleichung zur Bestimmung der Messkapazität nicht vom Ansatz-/Medienwiderstand ab und umgekehrt.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass anhand des Medien-/Ansatz- Widerstands eine Leitfähigkeit des Mediums ermittelt wird.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass anhand der Messkapazität eine Permittivität, bzw. eine
Dielektrizitätskonstante, des Mediums ermittelt wird.
Noch eine besonders bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet wiederum, einen
Bedeckungsgrad, bzw. eine Bedeckung, zumindest der Sondenelektrode zu ermitteln.
Der Bedeckungsgrad ist dabei definiert als das Verhältnis eines von der Sondenelektrode abgreifbaren Stroms und eines an einer Guardelektrode des jeweiligen Messgeräts abgreifbaren Stroms.
Anhand der Leitfähigkeit des Mediums, der Permittivität des Mediums, oder der
Bedeckung der Sondenelektrode, oder anhand eines zeitlichen Verlaufs zumindest einer der genannten Größen kann vorteilhaft eine Aussage über einen jeweils ablaufenden Prozess gemacht werden, bzw. der jeweilige Prozess, welcher in dem Behälter statfindet, überwacht werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht so über die Ermitlung eines Wertes einer relevanten Prozessgröße hinaus eine umfassende Prozessüberwachung.
Es versteht sich von selbst, dass auch weitere Prozessparameter, wie beispielsweise die Temperatur oder der Druck des Mediums in dem Behälter, ermittelt und zur Überwachung des Prozesses herangezogen, können.
Indem erfindungsgemäß ein Anregesignal in Form eines Dreiecksignals gewählt wird, setzt sich vorteilhaft das Empfangssignal aus zwei Teilsignalen zusammen: einem dreieckförmigen Anteil, dessen Steigung proportional zum Kehrwert des ohmschen Ansatz-/Medien-Widerstands ist, und einem rechteckförmigen Anteil, welcher proportional zur Messkapazität ist. Bevorzugt handelt es sich bei dem Anregesignal um eine elektrische Spannung und bei dem Empfangssignal um einen elektrischen Strom.
Es ist entsprechend von Vorteil, wenn der Medien-ZAnsatz-Widerstand anhand einer Steigung des Empfangssignals in einem vorgebbaren Zeitintervall zu ermiteln.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass ein Füllstand des Mediums in dem Behältnis bestimmt und/oder überwacht wird. Beispielsweise kann ermitelt werden, ob ein vorgebbarer Füllstand des Mediums in dem Behälter erreicht ist, Die Zustandsüberwachung wird in diesem Falle beispielsweise dann ausgeführt, wenn der vorgebbare Füllstand erreicht ist. Bei dem vorgebbaren Füllstand handelt es sich beispielsweise um einen Füllstand, welcher einer vorgebbaren Bedeckung der
Sondenelektrode durch das Medium, vorzugsweise einer vollständigen Bedeckung der Sondenelektrode durch das Medium, entspricht. Alternativ kann ebenfalls ermittelt werden, ob die Sondenelektrode zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig durch einen dünnen Film des zumindest einen Mediums bedeckt ist. Es wird also beispielsweise ermitelt, ob ein Rückstand des Mediums im Bereich der Sondenelektrode vorhanden ist
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung lassen sich verschiedenste Zustandsindikatoren zur Prozessüberwachung definieren. Der jeweilige Zustandsindikator hängt dabei entscheidend vo jeweiligen Prozess, insbesondere vom jeweiligen Medium ab. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit sind im Folgenden einige mögliche, bevorzugte
Zustandsindikatoren genannt. Bezüglich der Überwachung eines Prozesses sei ferner auf die bisher unveröffentlichte deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen verwiesen, auf welche im Rahmen der vorliegenden Erfindung ebenfalls vollständig Bezug genommen wird. Auch wenn sich die dort beschriebene Lehre an vielen Stellen auf einen Multisensor, wie er in der Beschreibungseinleitung bereits erwähnt wurde, bezieht, lassen sich die dort beschriebenen Ausführungen mutatis mutandis auch auf eine
erfindungsgemäße rein kapazitive arbeitende Vorrichtung übertragen.
Bet dem Zustandsindikator handelt es sich erfindungsgemäß bevorzugt um eine Aussage über einen Ansatz in zumindest in einem Teilbereich der Sondenelektrode.
Weiterhin kann es sich bei dem Zustandsindikator um eine Aussage über einen Prozess handelt, in welchem die Vorrichtung eingesetzt wird. Bei dem Prozess wiederum handelt es sich bevorzugt um die Durchmischung von zumindest zwei Medien, die Einhaltung einer Rezeptur, oder einen Reinigungsprozess. im Falle einer Durchmischung zumindest zweier Medien handelt es sich insbesondere um einen Mischvorgang zumindest eines ersten und eines zweiten Mediums. Hierbei kann beispielsweise überwacht werden, ob Hie zumindest zwei Medien im Wesentlichen homogen gemischt sind, oder ob ein vorgebbares Mengenverhältnis zumindest des ersten und des zweiten Mediums in dem Behältnis eingehalten wird.
Im Falle, dass die Einhaltung einer Rezeptur überwacht wird, kann insbesondere eine Aussage darüber getroffen werden, ob alle Medien korrekt und in der richtigen Menge und/oder zum richtigen Zeitpunkt zugefügt wurden.
Im Falle eines in dem Behältnis stattfindenden Reinigungsprozesses wiederum ist es von Vorteil, wenn anhand einer Änderung der elektrischen Leitfähigkeit, der Perm ittivitSt und/oder der Bedeckung erkannt wird, wie weit der Reinigungsprozess fortgeschriten ist, oder ob nach Abschluss des Reinigungsprozesses Rückstände des zumindest einen Mediums in dem Behältnis verblieben sind.
Eine derartige Zustandsüberwachung wird bevorzugt für eine bestimmte Anwendung spezifiziert und die jeweiligen Zustandsindikatoren gezielt auf den jeweiligen Prozess angepasst. Es können insbesondere gewollte und ungewollte Medienwechsel, oder Veränderungen des sich jeweils in dem Behältnis befindlichen Mediums festgestellt werden.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Vorrichtung zur kapazitiven Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße zumindest eines Mediums in einem Behältnis umfassend
- eine Sensoreinheit mit zumindest einer Sondenelektrode, und
- eine Elektronikeinheit, welche Elektronikeinheit dazu ausgestaltet ist, zumindest ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen.
In einer Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst die Sensoreinheit zumindest zwei Elektroden. Beispiefweise kann es sich um eine Vorrichtung mit zwei Sondenelektroden, oder mit einer Sondenelektrode und einer Masseelektrode handeln.
Eine weitere Ausgestaltung beinhaltet, dass es sich bei einer der Elektroden um eine Guardelektrode handelt
Es sei darauf verwiesen, dass die in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Ausgestaltungen sich mutatis mutandis auch auf die erfindungsgemäße Vorrichtung anwenden lassen und umgekehrt.
Die Erfindung wird nun anhand der nachfolgenden Figuren Fig. 1 bis Fig. 5 genauer beschrieben. Es zeigt; Fig. 1 eine schematische Darstellung eines kapazitiven Füllstandsmessgeräts gemäß Stand der Technik,
Fig. 2 ein exemplarisches elektrisches Ersatzschaltbild zur Beschreibung der
Sondenelektrode anhand der Messkapazität und anhand des Medien-/Ansatz- Widerstands,
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Anregesignals und des aus zwei Teilsignalen zusammengesetzten Empfangssignal zur Illustrierung der Bestimmung der Messkapazität und des Medien-/Ansatz-Widerstands,
Fig. 4: eine schematische Darstellung zur Überwachung der Durchmischung zweier Medium mittels einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
Fig. 5: eine schematische Darstellung zur Überwachung eines Reinigungsprozesses in einem Behälter mittels einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In Fig. 1 ist eine schematische Zeichnung eines typischen auf dem kapazitiven
Messprinzip beruhenden Feldgeräts 1 gemäß Stand der Technik gezeigt. Das Beispiel zeigt eine Sensoreinheit 2 mit zwei zylinderförmig ausgestalteten Elektroden 5, 6, welche von der über einen Prozessanschluss 3a von der Oberseite ausgehend in einen teilweise mit Medium 4 gefüllten Behälter 3 hineinragt Es versteht sich jedoch von selbst, dass zahlreiche Ausgestaltungen für ein kapazitives Messgerät mit unterschiedlicher Anzahl von Elektroden bekannt sind, welche allesamt unter die vorliegende Erfindung fallen. Neben solchen Messgeräten, bei welchen die Sensoreinheit 2, wie in Fig. 1 dargestellt, von oben in den Behälter hineinragen, ist die vorliegende Erfindung auch auf frontbündige Sensoreinheiten, welche im Wesentlichen mit der Bewand ung des Behälters 3 abschließen oder solche Sensoreinheiten 3, welche über eine Seitenwandung des Behälters 3 in diesen eingebracht werden, anwendbar,
Die Sensoreinheit 2 selbst setzt sich im vorliegenden Beispiel aus einer Sondenelektrode 5 und einer die Sensorelektrode 5 koaxial umgebenden und von dieser isolierten
Guardelektrode 6 zusammen. Beide Elektroden 5,6 sind elektrisch mit einer
Elektronikeinheit 7 verbunden, weiche zur Signalerfassung, -auswertung und/oder - Speisung verantwortlich ist. Insbesondere bestimmt und/oder überwacht die
Elektronikeinheit 7 anhand des von der Sensoreinheit 2 empfangenen Antwortsignals den Füllstand des Mediums 4 im Behälter 3. Eine zusätzliche Guardelektrode 6 ist für die Zwecke der vorliegenden Erfindung jeweils keineswegs notwendig. Zur Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße wird zumindest die Sondenelektrode 5 mit einem Anregesignal A beaufschlagt und die Prozessgröße wird anhand des von der Sondenelektrode 5 empfangenen Empfangssignals E ermittelt, welches üblicherweise die Form eines Wechselstroms hat. Die Guardelektrode 6 wird dabei bevorzugt, wie beispielsweise in der DE 32 12 434 C2 beschrieben, auf dem gleichen Potential wie die Sensorelektrode 5 betrieben.
Nun ist es so, dass unabhängig von der Verwendung einer Guardelektrode 6
verschiedene Komponenten zum Empfangssignal E beitragen und nicht nur die
Komponente des durch die Sondenelektrode 5 und eine Wandung des Behälters 3 oder eine zweite Elektrode gebildeten Kondensators, welcher u.a. vom Füllstand des Mediums 4 im Behälter 3 abhängt. Vielmehr spielen auch ohmsche Widerstände und zahlreiche weitere Einflüsse eine Rolle. So trägt beispielsweise auch ein sich zumindest im Bereich der Sondenelektrode 5 bildender Ansatz zum Empfangssignal E bei, was zu einer Verringerung der Messgenauigkeit führen kann. Im schlimmsten Falle kann
beispielsweise ein Füllstand des Mediums 4 im Behälter 3 nicht mehr zuverlässig bestimmt und/oder überwacht werden.
Erfindungsgemäß wird nun nicht das Empfangssignals E, selbst weiterverarbeitet, sondern die Messkapazität Cmess und/oder der Medien-/Ansatz-Widerstand RM,A zur Ermittlung eines Zustandsindikators weiterverarbeitet. In einem elektrischen
Ersatzschaltbild kann die Sondenelektrode 5 beispielweise durch eine Parallelschaltung aus der Messkapazität Cmess und dem Medien-/Ansatz-Widerstand RM,A dargestellt werden, wie in Fig. 2 gezeigt. Es sei darauf verwiesen, dass es sich bei dem gezeigten Ersatzschaltbild lediglich um ein mögliches Beispiel handelt. Viele weitere Möglichkeiten sind denkbar und fallen ebenfalls unter die vorliegende Erfindung.
Die Messkapazität Cmess ist ein Maß für die Kapazität zwischen der Sondenelektrode 5 und einer weiteren Elektrode oder der Wandung des Behälters 3, Ohm'schen Einflüsse des Mediums 4 bzw. eine möglicherweise vorhandenen Ansatzschicht im Bereich der Sondenelektrode 5 tragen dagegen zum Medien-/Ansatz-Widerstand RM,A bei. Im Falle, dass die Sondenelektrode 5 nicht mit Medium 4 bedeckt ist, ist die Sondenelektrode 5 entweder von Luft umgeben, wenn kein Ansatz vorhanden ist. Ansonsten umgibt die Sondenelektrode 5 eine aus Medien resten gebildete Ansatzschicht gefolgt von Luft und der Medien-/Ansatz-Widerstand RM,A setzt sich aus diesen zwei Komponenten zusammen. Im Falle, dass die Sondenelektrode 5 dagegen im Wesentlichen vollständig vom jeweiligen Medium 4 bedeckt ist, spielt ein Beitrag durch den Ansatz üblicherweise keine Rolle, da die Sondenelektrode 5 ohnehin mit dem Medium 4 bedeckt ist Vorteilhaft ist der wechselseitige Einfluss der Kapazität zwischen der Sondenelektrode 5 und einer weiteren Elektrode oder der Wandung des Behälters 3 und der ohm'schen Einflüsse des Mediums 4 bzw. einer möglicherweise vorhandenen Ansatzschicht im Bereich der Sondenelektrode 5 gering, sodass die Messkapazität Cmess und der Medien-/Ansatz- Widerstand RM,A ohne Weiteres getrennt voneinander betrachtet werden können.
Zur Bestimmung der Messkapazität Cmess und/oder des Medien-/Ansatzwiderstands RM,A sind ebenfalls viele verschiedene Möglichkeiten denkbar, welche allesamt unter die vorliegende Erfindung fallen. Erfindungsgemäß wird die Sensoreinheit 3, bzw. die Sondenelektrode 5 mit einem Anregesignal Ai in Form eines Dreiecksignals beaufschlagt, und ein Empfangssignal Ei empfangen. Das Empfangssignal Ei setzt sich dann vorteilhaft aus zwei Teilsignalen zusammen: einem dreieckförmigen Anteil EI R, dessen Steigung proportional zum Kehrwert des ohmschen Ansatz-/Medien-Widerstands RM.A ist, und einem rechteckförmigen Anteil Eie, welcher proportional zur Messkapazität Cmess ist.
Gemäß des in Fig. 2 gezeigten Ersatzschaltbildes ist bei einem Anregesignal A1 in Form einer Spannung A1=U(t) das Empfangssignal Ei ein Stromsignal Ei=l(t). Das durch den Ansatz-/Med i en-Wi derstan d RM,A fließende Teilsignal gegeben durch EiR=l(t)=U(t)/ RM,A , und das durch die Messkapazität Cmess fließende Teilsignal durch Eic=S*dU(t)/dt. Diese Zusammenhänge sind anhand von Fig. 3 illustriert.
Fig, 3 zeigt das dreieckförmige Anregesignal Ai, das erste Teilsignal EIR sowie die Summe des ersten E1R und zweiten Teilsignals Eicdes Empfangssignals Ei, jeweils als Funktion der Zeit t. Bei dem zweiten, durch die Messkapazität Cmess fließenden Teilsignal E1c handelt es sich um ein Rechtecksignal, welches proportional zur Messkapazität Cmess ist. Somit kann, beispielsweise im Nuildurchgang des Anregesignals Ai die Messkapazität Cmess unabhängig vom Ansatz-/Medien-Widerstand RM,A bestimmt werden. Letzterer lässt sich beispielsweise aus der Steigung des überlagerten dreieckförmigen Anteils EI R ermiteln.
Aus der Messkapazität Cmess und dem Ansatz-/Medien-Widerstand RM.A lassen sich wiederum beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit s des Mediums 4 sowie die
Permittivität e des Mediums 4 ermitteln und zur Durchführung einer
Zustandsüberwachung eines Prozesses in dem jeweiligen Behältnis verwenden.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zuerst ermittelt, ob die Messsonde 2 zumindest teilweise mit dem Medium 4 in Kontakt ist. Beispielsweise kann überprüft werden, ob die Messsonde 2 im Wesentlichen vollständig vom Medium 4 bedeckt ist. Dies ist beispielsweise von Vorteil, wenn eine Durchmischung von zumindest zwei unterschiedlichen Medien 4 überwacht wird. Alternativ ist es ebenfalls möglich, zu überprüfen, ob die Messsonde 2 zumindest teilweise von einem dünnen Film aus dem Medium 4 bedeckt ist. Vorzugsweise ist in diesem Falle die Messsonde zumindest zu etwa 50% von dem Medium 4 bedeckt. Zur Zustandsüberwachung bzw, Prozessüberwachung kann dann beispielsweise der zeitliche Verlauf zumindest der elektrischen Leitfähigkeit s, oder die Permittivität e des zumindest einen Mediums 4 aufgezeichnet werden. Außerdem kann der
Bedeckungsgrad der Sondenelektrode 5 herangezogen werden. Bezüglich der Ermittlung der elektrischen Leitfähigkeit s oder der Dielektrizitätskonstanten e eines Mediums 4 sei auf die DE102014107927A1 verwiesen. Der Bedeckungsgrad B ist wiederum definiert als das Verhältnis eines von der Sensorelektrode 5 abgreifbaren Sensorstroms und eines an der Guardelektrode 6 abgreifbaren Guardstroms. Eine erste beispielhafte und unter die vorliegende Erfindung fallende
Zustandsüberwachung ist in Fig. 2 illustriert. Bei dem zu überwachenden Prozess handelt es sich um einen Mi sch Vorgang eines ersten 4a und eines zweiten Mediums 4b im Behälter 3. Die Abbildung zeigt eine grafische Darstellung des Bedeckungsgrades B, der elektrischen Leitfähigkeit s und der Permittivität e als Funktion der Zeit t. Mittels eines geeigneten Anzeigeelements [nicht gezeigt] kann eine derartige Darstellung
beispielsweise direkt am Messgerät 1 sichtbar gemacht werden. Bei der Anzeigeeinheit kann es sich beispielsweise um einen grafischen Schleppzeiger bzw. Logger handeln, ln diesem Falle ist das Messgerät 1 direkt dazu ausgestaltet, zumindest eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Beispielsweise kann die
Elektronikeinheit 7 über geeignete Mittel, wie zum Beispiel eine Recheneinheit und/oder eine Speichereinheit, verfügen.
Alternativ kann das Messgerät 1 auch über eine, insbesondere digitale,
Kommunikationsschnittstelle [ebenfalls nicht gezeigt], beispielsweise eine I/O Link Schnittstelle, verfügen. Sowohl drahtgebundene als auch drahtlose Schnittstellen sind in diesem Zusammenhang möglich. Es ist beispielsweise denkbar, dass das jeweilige Verfahren in einer externen Einheit [nicht gezeigt], beispielsweise einem Computer durchgeführt sein. Hierzu kann das Verfahren beispielsweise in Form eines
Computerprogramms implementiert sein. Alternativ kann das Verfahren auch auf einem computerlesbaren Medium implementiert sein,
Zum Zeitpunkt MO ist die Sondenelektrode 5 an Luft. Zum Zeitpunkt M1 wird ein
Füllvorgang des Behälters 3 mit einem ersten Medium 4a gestartet. Zum Zeitpunkt M2 wird ein vorgebbarer Füllstand des ersten Mediums 4a im Behälter 3 erreicht. Der vorgebbare Füllstand entspricht im vorliegenden Beispiel einer im Wesentlichen vollständigen Bedeckung der Sondenelektrode 5 mit dem ersten Medium 4a. Zum
Zeitpunkt M2 wird ein zweites Medium 4b in den Behälter eingefüllt und ein Mischvorgang der beiden Medien 4a und 4b gestartet. Sobald zum Zeitpunkt M3 eine vollständige und im Wesentlichen homogene Durchmischung der beiden Medien 4a und 4b erreicht ist, bleibt der jeweils aufgezeichnete Messwert konstant. Im gezeigten Beispiel in Fig, 2 wird zum Zeitpunkt M3 ferner ein Heizvorgang der beiden durchmischten Medien 4a und 4b gestartet und der Behälter 3 vakuumisiert. In diesem Zeitraum zwischen den Zeitpunkten M3 und M4 ändern sich die elektrische Leitfähigkeit s und die Konsistenz der Medien 4a und 4b im Behälter 3 kontinuierlich. Zum Zeitpunkt M4 wird ein drites Medium 4c in den Behälter 3 zugegeben und erneut ein Mischvorgang innerhalb des Behälters 3 gestartet. Wieder kann die Homogenität der Durchmischung beispielsweise anhand einer konstant bleibenden elektrischen Leitfähigkeit s nachgewiesen werden. Dies ist im vorliegenden Beispiel zum Zeitpunkt M5 der Fall.
Eine zweite beispielhafte Zustandsüberwachung ist Gegenstand von Fig. 5. Hierbei handelt es sich um einen in dem Behälter 3 ablaufenden Reinigungsprozess. Zur
Reinigung des Behälters 3 wird üblicherweise der Behälter 3 zumindest teilweise mit einer geeigneten Reinigungsflüssigkeit gefüllt. Üblicherweise umfasst ein Reinigungsprozess mehrere Zyklen, in denen jeweils eine oder mehrere Reinigungsflüssigkeiten in den Behälter 3 eingebracht werden. Zum Zeitpunkt M1 hat der Reinigungsprozess noch nicht begonnen. Im hier gezeigten Beispiel sinkt die elektrische Leitfähigkeit s proportional zum Fortschritt der Reinigung. Zum Zeitpunkt M2 wird ein zweiter Zyklus des
Reinigungsprozesses gestartet. Sobald zum Zeitpunkt M3 detektiert wird, dass die elektrische Leitfähigkeit für eine vorgebbare Zeitdauer im Wesentlichen konstant ist, kann der Reinigungsprozess beendet werden. Ein Fortschritt des Reinigungsprozesses kann also anhand einer Änderung der elektrischen Leitfähigkeit s, der Permittivität e und/oder des Bedeckungsgrades B überwacht werden. Ebenso kann anhand zumindest einer dieser Größen überwacht werden, ob nach Abschluss eines Reinigungszyklus
Rückstände des Mediums 4 in dem Behälter 3 verblieben sind. In diesem Falle hat beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit s des Mediums 4 bzw. der
Reinigungsflüssigkeit 4, noch kein Plateau erreicht.
Ein Reinigungsprozess kann dabei sowohl dann zuverlässig überwacht werden, wenn die Sondenelektrode 5 während der einzelnen Zyklen im Wesentlichen vollständig von der Reinigungsflüssigkeit, welche für die Überwachung eines Reinigungsprozesses dem jeweiligen Medium 4 entspricht, bedeckt ist, als auch in dem Fall, dass die
Sondenelektrode 5 von einem dünnen Film der Reinigungsflüssigkeit 4 bedeckt ist. Dies entspricht einem dünnen Sprühfilm auf der Sondenelektrode 5.
Mit der vorliegenden Erfindung lassen sich also qualitative Informationen über
verschiedene Prozesse in der Automatisierungstechnik erhalten. Es sei darauf verwiesen, dass die vorliegende Erfindung keineswegs auf die genannten möglichen
Zustandsüberwachungen beschränkt ist Vielmehr lässt sich die vorliegende Erfindung individuell auf eine Vielzahl verschiedener Prozesse an passen. Ebenfalls sei darauf verwiesen, dass für eine bestimmte Zustandsüberwachung neben einer graphischen Auswertung, wie in den Figuren Fig. 4 und 5 gezeigt, auch Referenzwerte oder Referenzkurven aufgenommen und hinterlegt werden können. Diese Referenzwerte oder Referenzkurven entsprechen dann einem korrekt ablaufenden Prozess. In vorgebbaren Zeitintervallen, oder während der Durchführung des jeweils zu überwachenden Prozesses können dann entsprechend gemessene Werte oder Kurven, beispielsweise für die elektrischen Leitfähigkeit s, die Permittivität e und/oder den Bedeckungsgrad B aufgezeichnet und mit den Referenzwerten oder Referenzkurven verglichen werden. Wenn eine Abweichung zwischen den jeweils gemessenen Werten oder Kurven und den jeweils zugehörigen Referenzwerten oder Referenzkurven einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet, kann dann beispielsweise auf einen Fehler in dem jeweiligen Prozess rückgeschlossen und ggf. eine Meldung generiert und ausgegeben werden.
Bezugszeichenliste
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Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Vorrichtung (1) zur kapazitiven Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße zumindest eines Mediums (4) in einem Behältnis (3), umfassend folgende
Verfahrensschrite;
- Beaufschlagen einer Sondenelektrode (5) mit einem elektrischen Anregesignal (Ai) in Form eines Dreiecksignals,
- Empfangen eines elektrischen Empfangssignals (Ei) von der Sondenelektrode (5),
- Ermitteln einer Messkapazität (Cmess) und/oder eines Medien-/Ansatz-Widerstands (RM,A) der Sondenelektrode (5) zumindest anhand des Empfangssignals (Ei), Bestimmen eines Zustandsindikators anhand der Messkapazität (Cmess) und/oder des Medien-Ansatz-Widerstands (RM.A),
- Ermitteln der Messkapazität (Cmess) anhand des Empfangssignals (Ei) zu einem
Zeitpunkt eines Nulldurchgangs Anregesignals (Ai).
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
wobei die Messkapazität (Cmess) und/oder der AnsatzVMedienwiderstand (RM,A) anhand einer Ersatzschaltung der Sondenelektrode (5) umfassend zumindest eine Parallelschaltung der Messkapazität (Cmess) und des Medien-/An$atz- Widerstands (RM,A) ermittelt wird.
3. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
wobei anhand des Med ien-/An satz-Widersta nds (RM.A) eine Leitfähigkeit (s) des
Mediums (4) ermitelt wird.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
wobei anhand der Messkapazität ( Cmess) eine Permittivität (e) des Mediums (4) ermitelt wird.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
wobei ein Bedeckungsgrad (B) zumindest der Sondenelektrode (5) ermittelt wird.
6. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
wobei der Medien-/Ansatz-Widerstand (RM,A) anhand einer Steigung des
Empfangssignals (Ei) in einem vorgebbaren Zeitintervall ermittelt wird.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Füllstand des Mediums (4) in dem Behältnis (3) bestimmt und/oder überwacht wird.
8. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
wobei es sich bei dem Zustandsindikator um eine Aussage über einen Ansatz in zumindest in einem Teilbereich der Sondenelektrode (5) handelt.
9. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
wobei es sich bei dem Zustandsindikator um eine Aussage über einen Prozess handelt, in welchem die Vorrichtung (1) eingesetzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
wobei es sich bei dem Prozess um die Durchmischung von zumindest zwei Medien (4a, 4b), die Einhaltung einer Rezeptur, oder einen Reinigungsprozess handelt
11. Vorrichtung (1) zur kapazitiven Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße zumindest eines Mediums (4) in einem Behältnis (3) umfassend
- eine Sensoreinheit (2) mit zumindest einer Sondeneiektrode (5), und
- eine Elektronikeinheit (7), welche Elektronikeinheit (7) dazu ausgestaltet ist, zumindest ein Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 ,
wobei die Sensoreinheit (2) zumindest zwei Elektroden (5,6) umfasst.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12,
wobei es sich bei einer der Elektroden um eine Guardelektrode (6) handelt.
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DE102017128420.6 2017-11-30

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DE (1) DE102017128420A1 (de)
WO (1) WO2019105657A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114502966A (zh) * 2019-09-16 2022-05-13 恩德莱斯和豪瑟尔欧洲两合公司 用于确定介电值的测量装置

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102023127823A1 (de) * 2023-10-11 2025-04-17 Endress+Hauser SE+Co. KG Vorrichtung zur Bestimmung eines Messwerts einer Leitfähigkeit

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3212434C2 (de) 1982-04-02 1984-06-14 Endress U. Hauser Gmbh U. Co, 7867 Maulburg Fuellstandsgrenzschalter fuer elektrisch leitende fuellgueter
US4820973A (en) * 1986-11-21 1989-04-11 Alvarez Jose A Impedance measuring system
DE102004008125A1 (de) 2004-02-18 2005-09-01 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Verfahren und Vorrichtung zur kapazitiven Füllstandsbestimmung
DE102008043412A1 (de) * 2008-11-03 2010-05-06 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums
DE102011004807A1 (de) 2011-02-28 2012-08-30 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Sondeneinheit
DE102013102055A1 (de) 2013-03-01 2014-09-18 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung eines vorgegebenen Füllstands eines Mediums in einem Behälter
DE102013104781A1 (de) 2013-05-08 2014-11-13 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Verfahren zur Überwachung zumindest einer medienspezifischen Eigenschaft eines Mediums
DE102014107927A1 (de) 2014-06-05 2015-12-17 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011003158A1 (de) * 2011-01-26 2012-07-26 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Vorrichtung und Verfahren zur kapazitiven Füllstandsmessung
DE102014113545A1 (de) * 2014-09-19 2016-03-24 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Vorrichtung und Verfahren zur Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums
DE102017115516A1 (de) 2017-07-11 2019-01-17 Endress+Hauser SE+Co. KG Kapazitives Füllstandsmessgerät

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3212434C2 (de) 1982-04-02 1984-06-14 Endress U. Hauser Gmbh U. Co, 7867 Maulburg Fuellstandsgrenzschalter fuer elektrisch leitende fuellgueter
US4820973A (en) * 1986-11-21 1989-04-11 Alvarez Jose A Impedance measuring system
DE102004008125A1 (de) 2004-02-18 2005-09-01 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Verfahren und Vorrichtung zur kapazitiven Füllstandsbestimmung
DE102008043412A1 (de) * 2008-11-03 2010-05-06 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums
DE102011004807A1 (de) 2011-02-28 2012-08-30 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Sondeneinheit
DE102013102055A1 (de) 2013-03-01 2014-09-18 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung eines vorgegebenen Füllstands eines Mediums in einem Behälter
DE102013104781A1 (de) 2013-05-08 2014-11-13 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Verfahren zur Überwachung zumindest einer medienspezifischen Eigenschaft eines Mediums
DE102014107927A1 (de) 2014-06-05 2015-12-17 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114502966A (zh) * 2019-09-16 2022-05-13 恩德莱斯和豪瑟尔欧洲两合公司 用于确定介电值的测量装置

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