(19)
(11)EP 3 527 958 B1

(12)EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT

(45)Hinweis auf die Patenterteilung:
09.09.2020  Patentblatt  2020/37

(21)Anmeldenummer: 19166596.7

(22)Anmeldetag:  31.05.2016
(51)Internationale Patentklassifikation (IPC): 
G01F 23/00(2006.01)
G01N 35/10(2006.01)
G01F 23/26(2006.01)

(54)

VERFAHREN ZUR DETEKTION EINER SCHAUMGRENZE UND ENTSPRECHEND AUSGESTATTETE VORRICHTUNG

METHOD FOR DETECTING A FOAM BORDER AND DEVICE PROVIDED WITH SUCH A METHOD

PROCÉDÉ DE DÉTECTION D'UNE LIMITE DE MOUSSE ET DISPOSITIF AINSI ÉQUIPÉ


(84)Benannte Vertragsstaaten:
AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

(30)Priorität: 02.06.2015 CH 7832015

(43)Veröffentlichungstag der Anmeldung:
21.08.2019  Patentblatt  2019/34

(62)Anmeldenummer der früheren Anmeldung nach Art. 76 EPÜ:
16172189.9 / 3101395

(73)Patentinhaber: TECAN TRADING AG
8708 Männedorf (CH)

(72)Erfinder:
  • SCHÖNI, Markus
    8606 Nänikon (CH)
  • OTT, Philipp
    8496 Steg im Tösstal (CH)
  • ZBINDEN, Paul
    8633 Wolfhausen (CH)
  • KAMM, Lars
    9718 Schänis (CH)

(74)Vertreter: OK pat AG 
Industriestrasse 47
6300 Zug
6300 Zug (CH)


(56)Entgegenhaltungen: : 
EP-A1- 2 270 445
US-A1- 2006 207 322
EP-A2- 1 048 953
US-A1- 2007 144 253
  
      
    Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen).


    Beschreibung


    [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion einer Schaumgrenze in einem Behälter. Ausserdem betrifft die Erfindung eine entsprechend ausgestattete Vorrichtung.

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG



    [0002] Es gibt zahlreiche Laborsysteme und medizinische, sowie pharmazeutische Geräte, die präzise Pipettieroperationen erfordern, um zufriedenstellende analytische Genauigkeit zu erhalten. Dafür muss der Füllstand in Reagenzgläsern, Titerplatten und anderen Flüssigkeitsbehältern genau ermittelt werden. Es gibt auch Anwendungen, bei denen es um die Detektion von Schaum-Flüssig-Phasengrenzen und Gas-Schaum-Phasengrenzen geht. Im Folgenden wird der Begriff der Phasengrenze sowohl für Übergänge zwischen gasförmigen und flüssigen Medien (Gas-Flüssig-Phasengrenze), für Gas-Schaum-Phasengrenzen als auch für Übergänge zwischen verschiedenen flüssigen Medien (Schaum-Flüssig-Phasengrenze) verwendet.

    [0003] Besonders wenn es um die Automation von Mess- oder Versuchsabläufen geht, ist eine solche Ermittlung der Phasengrenze von Bedeutung. Die sogenannte Füllstandsermittlung erfolgt typischerweise mittels einer Detektion des Flüssigkeitsniveaus, d.h. es wird die Lage der Phasengrenze zwischen Luft und Flüssigkeit ermittelt. Dieser Vorgang wird auch als "Liquid Level Detection" (LLD) bezeichnet.

    [0004] Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Füllstandsermittlung bekannt, die auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien basieren, wie z.B. auf einer Detektion des von der Oberfläche der Flüssigkeit reflektierten Lichts, oder auf der Messung elektrischer Eigenschaften der Pipetten, wenn sie in Kontakt mit der Flüssigkeit gebracht werden. Da ein Gas und eine Flüssigkeit deutlich unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten besitzen, kann die Gas-Flüssig-Phasengrenze auch über eine Kapazitätsänderung bestimmt werden. US 2006/207322 A1 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen eines Füllstandes in einem Behälter, so dass ein genau vorbestimmtes Flüssigkeitsvolumen aus dem Behälter in eine Sonde gesaugt werden kann. US 2007/144253 A1 offenbart eine Flüssigkeitsoberflächenerfassungsvorrichtung, die eineKapazität misst, um zu beurteilen, ob eine Spitze einer Saugsonde eines automatischen Analysators oder dergleichen eine Oberfläche einer zu saugenden Flüssigkeit berührt oder nicht.

    [0005] Die Liquid Level Detection kommt z.B. in Pipettiergeräten zum Einsatz. Hier soll beim Ansaugen mit einer Pipette die Pipettiernadel so gering wie möglich in die zu pipettierende Flüssigkeit eingetaucht werden, um eine Verschmutzung mit Probenflüssigkeit so gering wie möglich zu halten. Beim Ansaugen wird die Pipettiernadel deshalb typischerweise nur wenige Millimeter unter das Flüssigkeitsniveau eingetaucht. Es muss aber sichergestellt werden, dass die Pipettiernadel genügend weit eingetaucht ist, damit keine Luft angesaugt werden kann. Während des Ansaugvorganges wird die Pipettiernadel dann kontinuierlich dem absinkenden Flüssigkeitsspiegel nachgeführt, damit sie immer gleich tief in Bezug zum Flüssigkeitsniveau eingetaucht bleibt. Nach dem Ansaugen kann z.B. anhand des angesaugten Volumens und der Querschnittsfläche des Flüssigkeitsbehälters berechnet werden, auf welcher Höhe sich die Gas-Flüssig-Phasengrenze befinden sollte. Beim Austauchen der Pipettenspitze kann ein Austauchsignal mit der errechneten Position der Gas-Flüssig-Phasengrenze verglichen werden, um so den Pipettiervorgang zu verifizieren.

    [0006] Einerseits ist also wünschenswert, die Pipettierspitze knapp unter der Flüssigkeitsoberfläche positionieren zu können. Anderseits kann der Füllstand von einem Flüssigkeitsbehälter zu einem anderen stark variieren, weshalb die Pipettierspitze in grossen Bereichen präzise positionierbar sein muss. Dafür ist es äusserst wichtig, die Flüssigkeitsoberfläche richtig und eindeutig detektieren zu können.

    [0007] Die Zuverlässigkeit der Erkennung der Flüssigkeitsoberfläche mit den bekannten Verfahren ist aber in einigen Fällen nicht befriedigend, insbesondere im Fall von Flüssigkeiten, die anfällig sind für Schaumbildung.

    [0008] Daher ist es wichtig, zwischen einer Schaum- und/oder Flüssigkeitskontaktierung eines in einem Behälter zustellbaren Fühlers (z.B. in Form einer Pipette) unterscheiden zu können.

    [0009] Es sind auch Anwendungen denkbar, bei denen es nur um die Detektion einer Schaumgrenze geht.

    AUFGABE DER ERFINDUNG



    [0010] Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Detektion einer Schaumgrenze bereitzustellen, das zuverlässig arbeitet und eine hohe Genauigkeit bietet.

    [0011] Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren für eine Detektion des Übergangs des Fühlers von Schaum zu Flüssigkeit bereitzustellen.

    [0012] Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist das Bereitstellen entsprechender Vorrichtungen.

    OFFENBARUNG DER ERFINDUNG



    [0013] Die oben identifizierte technische Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren gelöst, dessen Merkmale dem Anspruch 1 zu entnehmen sind.

    [0014] Insbesondere geht es um ein Verfahren zum Detektieren einer Schaumgrenze in einem Behälter einer Vorrichtung mittels einer kapazitiv arbeitenden Messvorrichtung mit einem Fühler, der bewegt werden kann, wobei mindestens ein Ausgangssignal durch die Messvorrichtung verarbeitet wird. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte, die während des Ausführens einer Auf- oder Abwärtsbewegung des Fühlers in dem Behälter ausgeführt werden;
    1. a. Durchführen eines Ladevorgangs durch das Vorgeben eines Eingangssignals, das an einer Messkapazität (auch als Gesamtkapazität bezeichnet) einen Ladevorgang bewirkt, wobei sich diese Messkapazität aus dem Fühler, der Luft, dem Schaum und der Flüssigkeit bildet,
    2. b. Bereitstellen eines Ladesignals, das sich während des Ladevorgangs an der Messkapazität ergibt, an einem ersten Vergleicher und an einem zweiten Vergleicher, wobei der erste Vergleicher dazu ausgelegt ist ein erstes Ausgangssignal bereitzustellen, falls das Ladesignal eine erste Referenzspannung erreicht, und wobei der zweite Vergleicher dazu ausgelegt ist ein zweites Ausgangssignal bereitzustellen, falls das Ladesignal eine zweite Referenzspannung erreicht, die grösser ist als die erste Referenzspannung,
    3. c. Entladen der Messkapazität,
    4. d. Wiederholen der Schritte a. bis c.,
    wobei das erste Ausgangssignal und das zweite Ausgangssignal im Rahmen eines Auswerteprozesses miteinander in Bezug gesetzt werden.

    [0015] Insbesondere geht es um das Detektieren einer Gas-Flüssigkeitsgrenze und einer Gas-Schaumgrenze in einem Behälter einer Vorrichtung, die eine im Wesentlichen kapazitiv arbeitende Messvorrichtung umfasst, die das Ladesignal einer Messkapazität verarbeitet und erkennt, ob Flüssigkeit oder Schaum berührt wurde.

    [0016] Durch periodisches Auf- und Entladen der Messkapazität (d.h. durch das Wiederholen der Schritte a. bis c.) geben der erste Vergleicher ein erstes PWM-Signal (auch Vergleicher-Ausgangssignal genannt) und der zweite Vergleicher ein zweites PWM-Signal (auch Vergleicher-Ausgangssignal genannt) aus. PWM steht für Pulsweitenmodulation.

    [0017] Dabei sind die Impulsbreiten dieser beiden Ausgangssignale, insbesondere die Änderung der Impulsbreiten der Ausgangssignale zwischen ausgetauchtem und eingetauchtem Fühler von Interesse. Die Änderung des ersten Ausgangssignals kann mit einem vorgegebenen Faktor so multipliziert werden, dass das Produkt bei rein kapazitivem Verhalten des Mediums der Änderung des zweiten Ausgangssignals entspricht. Dies ist beim Eintauchen des Fühlers in eine einigermassen gut leitende Flüssigkeit der Fall. Befindet sich aber Schaum auf der Flüssigkeit, so kann durch die relativ hohe Impedanz des Schaumes die Flüssigkeitskapazität bei geeigneter Wahl der Entladezeit nicht vollständig entladen werden. Dies führt dazu, dass beim nachfolgenden Ladevorgang zu Beginn ein Rückstrom in die Grundkapazität fliesst. Das Fliessen eines Rückstroms wirkt sich vor allem zu Beginn der Ladekurve aus. Die mit dem vorgegebenen Faktor multiplizierte Impulsbreiten-Änderung des ersten Ausgangssignals kann sich somit im Vergleich zur Impulsbreiten-Änderung des zweiten Ausgangssignals verkürzen. Die Impulsbreiten-Änderung im Vergleich zur Impulsbreite des ausgetauchten Fühlers kann sogar negativ werden. Durch geeignete Wahl der Entladezeit und der Grundkapazität ist es somit möglich, zu unterscheiden, ob der Fühler in Flüssigkeit oder in Schaum eingetaucht ist.

    [0018] Eine Vorrichtung der Erfindung ist als im Wesentlichen kapazitiv arbeitende Vorrichtung ausgelegt, deren Merkmale dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch zu entnehmen sind.

    [0019] Die Vorrichtung der Erfindung umfasst:
    • einen Behälter,
    • einen Fühler, der in den Behälter hinein und/oder aus dem Behälter heraus bewegbar ist,
    • einen Eingangssignalgenerator, der mit dem Fühler verbindbar ist, um ein Eingangssignal bereitzustellen, das an einer Messkapazität aus dem Fühler, der Luft, dem Schaum und der Flüssigkeit ein Ladesignal erzeugt,
    • eine Messvorrichtung, die mit dem Fühler verbindbar ist, um das Ladesignal als ein Ausgangssignal an dem Fühler abzugreifen.
    Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass
    • durch das Ladesignal die Messkapazität periodisch ladbar und entladbar ist,
    • das Ladesignal einer Lade-/Entladekurve entspricht, die durch das periodische Laden und Entladen der Messkapazität entsteht,
    • sie ein Schaltungsmodul mit zwei Vergleichern umfasst, die dazu ausgelegt sind aus dem Ausgangssignal (respektive aus dem Ladesignal) ein erstes Ausgangssignal und ein zweites Ausgangssignal bereitzustellen und diese miteinander in Bezug zu setzen.


    [0020] Weitere Details sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.

    VORTEILHAFTE WIRKUNGEN



    [0021] Der wichtigste Vorteil der Erfindung ist, dass bei der Zustellung eines Fühlers (z.B. in Form einer Pipette oder Nadel) eine Schaumgrenze sehr zuverlässig und genau detektiert werden kann. Es kann damit sichergestellt werden, dass z.B. eine entsprechend ausgestattete Vorrichtung korrekte Daten liefert, und/oder dass z.B. ein automatisierter Vorgang ohne die Gefahr durchgeführt werden kann, dass nicht aufgrund einer Fehldetektion unvorhersehbare Dinge geschehen oder Aktionen ausgeführt werden, die der Situation nicht angemessen sind.

    [0022] Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass zwischen Schaum- oder Flüssigkeitskontaktierung unterschieden werden kann, wobei sowohl die Detektion einer Schaumgrenze als auch die Detektion einer Flüssigkeitsgrenze nach Messansätzen erfolgt, die mess- bzw. schaltungstechnisch kompatibel sind.

    KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN



    [0023] Das erfindungsgemässe Verfahren wird nun an Hand von schematischen, den Umfang der Erfindung nicht beschränkenden Zeichnungen von beispielhaften Ausführungsformen im Detail erläutert.
    Fig. 1
    zeigt eine schematische Illustration des Detektionsverfahrens gemäss der vorliegenden Erfindung, die eine als Fühler dienende Pipette in drei unterschiedlichen Zustell-Tiefen a), b) und c) zeigt;
    Fig. 2A
    zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer ersten Ausführungsform einer im Wesentlichen kapazitiv arbeitenden Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung;
    Fig. 2B
    zeigt ein schematisches Spannungs-Zeitdiagramm einer Ladekurve, wobei ein Eingangssignalgenerator der Vorrichtung nach Fig. 2A zum Einsatz gekommen ist, der hier ein periodisches rechteckförmiges Eingangssignal vorgibt (Anmerkung: falls die Gesamtkapazität mit einem Konstantstrom aufgeladen werden würde, würde die Ladekurve der Fig. 2B einen linearen Verlauf haben);
    Fig. 3
    zeigt eine schematische Ersatzschaltung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
    Fig. 4
    zeigt ein schematisches Spannungs-Zeitdiagramm in dem der Kurvenverlauf bei nicht in Flüssigkeit eingetauchtem Fühler (hier als gestrichelter Kurvenverlauf K1 dargestellt) und bei einem in Flüssigkeit eingetauchten Fühler (hier als Kurvenverlauf K2 mit durchgezogener Linie dargestellt) gezeigt sind;
    Fig. 5
    zeigt ein schematisches Spannungs-Zeitdiagramm bei nicht in Schaum eingetauchtem Fühler (hier als gestrichelter Kurvenverlauf K3 dargestellt) und bei einem in Schaum eingetauchten Fühler (hier als Kurvenverlauf K4 mit durchgezogener Linie dargestellt) (Anmerkung: bei nicht eingetauchtem Fühler wäre die Verbindung zum Widerstand RF in Fig. 3 unterbrochen);
    Fig. 6
    zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung;
    Fig. 7
    zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, wobei diese Vorrichtung auf dem Prinzip der Fig. 6 aufbaut;
    Fig. 8
    zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, wobei diese Vorrichtung auf dem Prinzip der Figuren 6 und 7 aufbaut.

    DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN



    [0024] Im Folgenden werden vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, wobei es sich um beispielhafte Ausführungsformen handelt. Diese umfassen sowohl verschiedene Ausbildungen der Gesamterfindung, als auch Baugruppen und Einzelteile der Erfindung. Grundsätzlich lassen sich die beschriebenen Baugruppen und Einzelteile der verschiedenen Ausführungsformen miteinander kombinieren, respektive die Baugruppen und Einzelteile einzelner Ausführungsformen lassen sich durch die Baugruppen und Einzelteile anderer Ausführungsformen ersetzen. Die hierbei gebildeten Kombinationen können kleinere, jedem Fachmann geläufige und daher nicht weiter beschriebene Anpassungen bedingen, zum Beispiel um ein Zusammenwirken oder Ineinandergreifen der Baugruppen und Einzelteile zu ermöglichen.

    [0025] Der Begriff Phasengrenze wird verwendet für Grenzen zwischen zwei oder mehr Medien, die unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten besitzen. Speziell geht es um Gas-Schaum-Phasengrenzen 2.1, Schaum-Flüssig-Phasengrenzen 1.1, wie z.B. in Fig. 1 angedeutet, und um Gas-Flüssig-Phasengrenzen.

    [0026] Der Begriff Modul wird hier verwendet, um eine Funktionsgruppe zu umschreiben, die in Hardware, Software oder als Kombination aus Hard- und Software realisiert ist.

    [0027] Der Begriff "Kennung" wird hier verwendet für einen Code, ein Codewort, ein Signal, eine Speichereintragung der vorgenommen wird oder für ein Flag, das gesetzt wird.

    [0028] Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist verschiedentlich von Geräten die Rede. Es handelt sich vorzugsweise um Laborgeräte und um andere Systeme, Anlagen, Apparate, Handhabungszentren und dergleichen, die mit Mitteln zur Ermittlung einer Phasengrenze ausgestattet sind. Die erfindungsgemässe Vorrichtung 100 ist ein Element oder eine Komponente eines solchen Laborgeräts. Ein Laborgerät kann zum Beispiel mehrere identische Vorrichtungen 100 oder mehrere verschiedene Vorrichtungen 100 der Erfindung umfassen.

    [0029] Das erfindungsgemässe Verfahren ist vorzugsweise bei allen Ausführungsformen zum Detektieren der Kontaktierung eines Fühlers 3 (z.B. einer als Fühler dienenden Pipette oder Nadel) mit einem Medium in einem (Flüssigkeits-)Behälter 5 ausgelegt und zum Unterscheiden, ob es sich um eine Kontaktierung mit Flüssigkeit 1 oder mit Schaum 2 handelt. Im Folgenden wird auf die Verwendung von Pipetten Bezug genommen, wobei auch andere (Pipetten-)Spitzen, Nadeln, Röhrchen und dergleichen als Fühler 3 geeignet sind und in allen Ausführungsformen der Erfindung eingesetzt werden können.

    [0030] Im Folgenden wird auf das Ausführen einer Zustellbewegung B Bezug genommen. Eine solche Zustellbewegung B kann eine Abwärts- oder eine Aufwärtsbewegung des Fühlers 3 in dem Behälter 5 beschreiben.

    [0031] Zum Zweck des Detektierens wird vorzugsweise eine Pipette 3 verwendet, die in Richtung einer Schaumgrenze 2.1 und/oder in Richtung einer Flüssigkeitsgrenze 1.1 in den Behälter 5 hinein zustellbar ist.

    [0032] Fig. 1 stellt eine schematische Illustration des Grundprinzips des Detektionsverfahrens der vorliegenden Erfindung dar, worin die Pipette 3 in drei unterschiedlichen Zustell-Tiefen entlang der Zustellrichtung B gezeigt ist, nämlich: a) vor dem Durchstossen der Schaumgrenze 2.1; b) nach dem Durchstossen der Schaumgrenze 2.1; und c) nach dem Durchstossen der Flüssigkeitsgrenze 1.1. Während der Zustellbewegung B der Pipette 3 in Richtung der Schaumgrenze 2.1 und/oder der Flüssigkeitsgrenze 1.1 wird ein periodisches Eingangssignal sin(t) an die Pipette 3 angelegt. Wenn die Spitze der Pipette 3 z.B. die Oberfläche 2.1 von Schaum 2 berührt, bildet der Schaum 2 zusammen mit der Flüssigkeit 1 im Behälter 5 einen Teil des als Messelektrode dienenden Fühlers 3, respektive es ergibt sich eine Messkapazität (auch als Gesamtkapazität bezeichnet) aus der Pipette 3, der Luft, dem Schaum 2 und der Flüssigkeit 1.

    [0033] In Fig. 1 sind auch die grundlegenden Elemente eines ersten beispielhaften Ersatzschaltbilds gezeigt, wobei die gezeigte Ersatzschaltung einen Eingangssignalgenerator E und eine Messvorrichtung M umfasst. Das erwähnte Eingangssignal sin(t) wird durch den Eingangssignalgenerator E bereitgestellt und ergibt an der Pipette 3 ein entsprechendes Ladesignal, während das Ausgangssignal sout(t), das am Fühler 3 abgegriffen wird, durch die Messvorrichtung M verarbeitet wird.

    [0034] Diese Aspekte werden im Folgenden anhand spezifischer Ausführungsformen detailliert beschrieben.

    [0035] Fig. 2A zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer ersten beispielhaften Ausführungsform des Eingangssignalgenerators E und der kapazitiv arbeitenden Messvorrichtung M, die im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen kann. Die Pipette 3 dient als Fühler und bildet einen Kondensator zusammen mit der Schaum/Flüssigkeitsoberfläche, wobei die Luft das Dielektrikum zwischen den Platten dieses Kondensators bildet. Die Spitze der Pipette 3 dient quasi als erster Teil eines Messkondensators mit zwei Kondensatorplatten, die Flüssigkeitsoberfläche 1.1 oder Schaumoberfläche 2.1 (je nach Situation) bildet den zweiten Teil mit einem dazwischen liegenden Luft-Dielektrikum. Beim Verändern der Position der Pipette 3 (durch eine Bewegung B) wird auch der Plattenabstand der Kondensatorplatten verändert. In Fig. 2A ist daher die Pipette 3 durch zwei parallele Kondensatorplatten symbolisiert, und die entsprechende Kapazität wird hier als Serienkapazität CM bezeichnet. Die Kapazität der Flüssigkeit 1, ev. kombiniert mit Schaum 2 in Behälter 5, wird als Kapazität Cliq bezeichnet und ist in Fig. 2A auch durch zwei parallele Kondensatorplatten symbolisiert, die hier unterhalb des Behälters 5 sitzen.

    [0036] Es ergibt sich eine Grundkapazität CB (in Fig. 2A auch durch zwei parallele Kondensatorplatten symbolisiert), die typischerweise die Leitungskapazitäten, die Fühlerkapazität und die Kapazitäten von Schaltungsteilen, die sich im Eingangssignalgenerator E und in der Auswerteschaltung A befinden, umfasst. Die Grundkapazität CB setzt sich hier beispielsweise zusammen aus ca. 100 pF Kabelkapazität, ca. 50 pF Schaltungskapazität und ca. 2 pF Nadelkapazität. Die Gesamtkapazität CT (nicht gezeigt) umfasst sowohl die Grundkapazität CB, die Serienkapazität CM, als auch die kapazitiven Einflüsse (Kapazität Cliq genannt) der Flüssigkeit 1 und/oder des Schaums 2.

    [0037] Beim Berühren der Flüssigkeitsoberfläche 1.1 mit der Spitze der Pipette 3 ergibt sich ein detektierbarer Sprung der Gesamtkapazität CT. Dies ist auch beim Berühren der Schaumoberfläche 2.1 der Fall.

    [0038] Die Vorrichtung 100 und/oder der Eingangssignalgenerator E umfasst beispielsweise einen Rechteckspannungsgenerator RG (auch Rechteckimpulsgenerator genannt) zum Erzeugen eines periodischen rechteckförmigen Eingangssignals sin(t). Statt einer Rechteckspannung könnte auch ein anderes Signal, z.B. ein periodisches dreieckförmiges Eingangssignal sin(t) oder aber auch z.B. ein Auf- und Entladen mittels Konstantstrom oder ähnlich verwendet werden.

    [0039] Der Rechteckspannungsgenerator RG kann funktionell als Teil eines Eingangssignalgenerators E betrachtet werden, der das Eingangssignal sin(t) erzeugt. Dieses Eingangssignal sin(t) erzeugt über den Ladewiderstand RL ein entsprechendes Ladesignal an dem Fühler 3 (an der Pipette 3), der bei allen Ausführungsformen als Messelektrode dient. Konkret ausgedrückt, ergibt sich dieses Ladesignal während des Ladevorgangs an der bereits erwähnten Gesamtkapazität CT.

    [0040] Selbstverständlich können auch andere, an sich bekannte Arten von Spannungsgeneratoren oder Stromgeneratoren für das erfindungsgemässe Verfahren verwendet werden, wie z.B. in den Figuren 6, 7 und 8 gezeigt.

    [0041] Es ist nicht unbedingt erforderlich, ein klassisches Rechtecksignal als Eingangssignal sin(t) zu erzeugen. Alternativ kann z.B. auch ein Signal erzeugt werden, das einem Rechtecksignal angenähert ist. Statt Rechteckpulsen können bei allen Ausführungsformen auch andere Sprungsignale eingesetzt werden. Alle diese Signale und Signalformen werden hier zusammenfassend als periodische Eingangssignale sin(t) bezeichnet.

    [0042] Fig. 2A zeigt anhand eines beispielhaften Schaltungsdiagramms, dass während des Ladevorgangs die Gesamtkapazität CT z.B. über den (Lade-) Widerstand RL mittels des Rechteckimpulsgenerators RG periodisch aufgeladen und entladen werden kann.

    [0043] Während das Eingangssignal sin(t) von dem Eingangssignalgenerator E an den Fühler 3, respektive an die Gesamtkapazität CT angelegt wird, wird das Ausgangssignal sout(t) des Fühlers 3 mittels einer Auswerteschaltung A verarbeitet/ausgewertet, wie im Folgenden beschrieben. Von Interesse sind insbesondere Veränderungen der Kurvenform der Ladekurven der Ladesignale an dem Fühler 3, respektive an der Gesamtkapazität CT. Zu diesem Zwecke ist die Auswerteschaltung A bei allen Ausführungsformen schaltungstechnisch mit dem Fühler 3 verbindbar.

    [0044] Die Auswerteschaltung A, respektive die Messvorrichtung M, kann bei allen Ausführungsformen einen Verstärker V zur Verstärkung des Ausgangssignals sout(t) umfassen. Ein Verstärker V kann zum Beispiel bei den Ausführungsformen der Figuren 6, 7 und 8 im Bereich nach dem Tiefpassfilter TP1 zum Einsatz kommen, da der Vergleicher VG1 ein Signal verarbeitet, das deutlich kleiner sein kann als das Signal, das der Vergleicher VG2 verarbeitet. In Fig. 8 ist beispielhaft ein entsprechender Verstärker V gezeigt.

    [0045] In Fig. 2B ist ein schematisches Spannungs-Zeitdiagramm der Ladekurve (des Ladesignals) der Messvorrichtung M mit dem Eingangssignalgenerator E der Fig. 2A dargestellt. Es handelt sich bei der Kurve nach Fig. 2B um die typische Ladekurve eines Kondensators. Das Ladeverhalten, respektive der Zeitverlauf dieser Ladekurve, ist proportional zum Produkt aus der Gesamtkapazität CT und dem Widerstand.

    [0046] Gemäss Erfindung wiederholt sich der Lade- und Entladevorgang mit einer hohen Taktrate. Vorzugsweise ist der Eingangssignalgenerator E bei allen Ausführungsformen dazu ausgelegt das rechteckförmige Eingangssignal sin(t) mit einer Taktrate bereitzustellen, die grösser ist als 10 kHz. Vorzugsweise kann das entsprechende Rechtecksignal eine Frequenz von 100 kHz und mehr haben.

    [0047] Das Auswerten des Ausgangssignals sout(t) im Rahmen einer Flüssigkeitsniveaudetektion (hier als weiterer Auswerteprozess P2 bezeichnet) umfasst die Messung/Ermittlung einer ersten Ladezeit t1 bis zum Erreichen einer ersten Spannung U1 und die Messung/Ermittlung einer zweiten Ladezeit t2 bis zum Erreichen einer zweiten Spannung U2, wie in Fig. 2B gezeigt.

    [0048] Dadurch, dass gemäss Erfindung beispielsweise ein rechteckförmiges Signal sin(t) angelegt wird, kommt es nach dem Ladevorgang (der in Fig. 2B beispielhaft gezeigt ist) zu einem Entladevorgang der Gesamtkapazität CT. Falls sich in dem Behälter 5 nur eine Flüssigkeit 1 befindet, so wird die Gesamtkapazität CT komplett entladen, bevor ein erneuter Ladevorgang beginnt. Dieser erneute Ladevorgang beginnt wiederum bei null.

    [0049] In Fig. 3 ist eine vereinfachte Ersatzschaltung gezeigt, um diese Vorgänge beschreiben zu können. Links ist eine Spannungsquelle U gezeigt, die beim periodischen Betätigen eines Transistors Tr oder eines anderen Entladungsschalters beispielsweise ein periodisches Rechtecksignal erzeugt und anlegt. Die Flüssigkeit 1 wird in dieser vereinfachten Ersatzschaltung durch die Kapazität Cliq gegen Erdung symbolisiert. Der Schaum 2 wird in dieser vereinfachten Ersatzschaltung als ein Serienwiderstand RF dargestellt, der in Reihe zur Flüssigkeitskapazität Cliq und der bereits erwähnten Serienkapazität CM liegt. Falls kein Schaum 2 im Behälter 5 vorhanden ist, so gilt RF = 0. Das Entladen der Gesamtkapazität CT wird durch einen Transistor Tr bewirkt, der als Entladungsschalter dient. Es kann beispielsweise ein Field-Effect Transistor als Transistor Tr zum Einsatz kommen.

    [0050] Beim periodischen Laden und Entladen ergibt sich ein Kurvenverlauf nach Fig. 2B, wobei sich dieser Kurvenverlauf periodisch wiederholt, wie in Fig. 4 angedeutet. Der Kurvenverlauf K1 in Fig. 4 stellt den Verlauf der Lade-EntladeKurve dar, falls sich der Fühler 3 nicht in Flüssigkeit 1 befindet. Die Entladezeit ist mit tE bezeichnet. Falls der Fühler 3 in Flüssigkeit 1 taucht, die sich in dem Behälter 5 befindet, kommt die Flüssigkeitskapazität Cliq zu der Grundkapazität CB hinzu. Rechnerisch sind in diesem Fall die Werte der beiden Kapazitäten wie folgt zu addieren: CT = Cliq + CB. Dadurch ändert sich der Verlauf der Lade-Entlade-Kurve, wie in Fig. 4 schematisch durch den Kurvenverlauf K2 gezeigt. Durch ein geeignetes Auswerten des Unterschiedes der beiden Kurvenverläufe K1 und K2 (z.B. mittels zweier Vergleicher), kann man das Eintauchen des Fühlers 3 in eine Flüssigkeit 1 detektieren. Das Auswerten der beiden Kurvenverläufe K1 und K2 kann zum Beispiel durch das Erzeugen und Vergleichen von pulsweiten-modulierten Signalen erfolgen, wobei das pulsweiten-modulierte Signal bei nicht eingetauchtem Fühler 3 eine andere Pulsweite hat als das pulsweiten-modulierte Signal bei eingetauchtem Fühler 3. Ob die Pulsweite grösser oder kleiner ist, hängt von der Polarität des nachgeschalteten Vergleichers ab.

    [0051] Falls sich in dem Behälter 5 Schaum 2 befindet, so liefert eine Betrachtung der Ladekurven ein Signal wie beispielhaft in Fig. 5 gezeigt. Der Kurvenverlauf K3 in Fig. 5 stellt den Verlauf der Lade-Kurve dar, falls sich der Fühler 3 nicht im Schaum 2 befindet (hier auch als ausgetauchter Zustand bezeichnet). Falls der Fühler 3 in den Schaum 2 taucht (hier auch als eingetauchter Zustand bezeichnet), der sich in dem Behälter 5 befindet (Kurve K4), kommt die Serienschaltung aus dem Schaumwiderstand RF, der Serienkapazität CM (CM kann nach dem Berühren vernachlässigt werden, sie entspricht also einem Kurzschluss) und der Flüssigkeitskapazität Cliq zu der Grundkapazität CB hinzu. Wird die Entladezeit tE genügend kurz gewählt, bleibt wegen des relativ hochohmigen Schaumwiderstands RF nach dem Entladen eine bestimmte Restladung in der Flüssigkeit 1 zurück, während die Grundkapazität CB durch die Schaltung vollständig entladen wird. Zu Beginn der nächsten Aufladung fliesst dadurch zu Beginn ein Strom von der Ladung in Cliq der Flüssigkeit 1 zurück in die Grundkapazität CB der Schaltung. Dieser Strom addiert sich zum Ladestrom von RL. Erst wenn die Ladespannung der Grundkapazität CB den gleichen Spannungspegel wie die Spannung der Flüssigkeitskapazität erreicht (d.h. erst wenn UC = Uliq), fliesst wieder Strom in die Flüssigkeit 1 (Zeitpunkt Tx in Fig. 5).

    [0052] Dieser Effekt wird durch die Erfindung ausgenutzt, indem die Auswerteschaltung A bei allen Ausführungsformen vorzugsweise zwei Vergleicher VG1 und VG2 umfasst. Verglichen mit dem Signal K3 des ausgetauchten Fühlers 3, schaltet der Vergleicher VG1, dessen Schaltschwelle bei U1 liegt, früher und VG2, dessen Schaltschwelle bei U2 liegt, später. Von Interesse sind also die Zeitänderungen Δt1 und Δt2. Der Vergleich dieser Zeitänderungen Δt1 und Δt2 lässt eine Aussage darüber zu, ob das mit dem Fühler 3 berührte Medium nur aus Flüssigkeit 1 besteht, oder ob Schaum 2 berührt wurde.

    [0053] Dabei sind die Impulsbreiten des ersten Vergleicher-Ausgangssignals PWM1 und des zweiten Vergleicher-Ausgangssignals PWM2, insbesondere die Änderung Δt1 und Δt2 der Impulsbreiten dieser Vergleicher-Ausgangssignale PWM1, PWM2 beim Berühren des Mediums von Interesse. Die Änderung Δt1 des ersten Vergleicher-Ausgangssignals PWM1 kann mit einem vorgegebenen Faktor k so multipliziert werden, dass das Produkt bei rein kapazitivem Verhalten des Mediums der Änderung Δt2 des zweiten Vergleicher-Ausgangssignals PWM2 entspricht. Dies ist beim Berühren des Fühlers 3 mit einer einigermassen gut leitenden Flüssigkeit 1 der Fall. Befindet sich aber Schaum 2 auf der Flüssigkeit 1, so kann durch die relativ hohe Impedanz des Schaumes 2 die Flüssigkeitskapazität Cliq bei geeigneter Wahl der Entladezeit tE (siehe Fig. 4) nicht vollständig entladen werden. Dies führt dazu, dass beim nachfolgenden Ladevorgang zu Beginn ein Rückstrom in die Grundkapazität CB fliesst. Das Fliessen eines Rückstroms wirkt sich vor allem zu Beginn der Ladekurve aus. Die mit dem vorgegebenen Faktor k multiplizierte Impulsbreiten-Änderung des ersten Vergleicher-Ausgangssignals PWM1 kann sich somit im Vergleich zur Impulsbreiten-Änderung des zweiten Vergleicher-Ausgangssignals PWM2 verkürzen. Die Impulsbreiten-Änderung kann sogar negativ werden. Durch geeignete Wahl der Entladezeit tE und der Grundkapazität CB ist es somit möglich, zu unterscheiden, ob der Fühler 3 in Flüssigkeit 1 oder in Schaum 2 eingetaucht ist.

    [0054] In Fig. 5 sind in einer vergrösserten Ansicht zwei beispielhafte Kurven gezeigt. Der Kurvenverlauf K3 in Fig. 5 stellt den Verlauf der Ladekurve dar, falls sich der Fühler 3 nicht in Schaum 2 befindet (ausgetauchter Zustand). Falls der Fühler 3 jedoch in Schaum 2 eingetaucht ist, so hat die Restladung des vorhergehenden Ladevorgangs in der Gesamtkapazität CT einen Einfluss auf das Verhalten beim nächsten Ladevorgang. Der Verlauf der entsprechenden Kurve K4 ist daher etwas anders als der Verlauf der Kurve K3. Vereinfacht dargestellt, hat die Kurve K4 anfangs eine höhere Steigung als die Kurve K3. Es ergibt sich in einem Bereich X (siehe Fig. 5) ein Schnittpunkt zwischen den beiden Kurven K3 und K4.

    [0055] Aus der Fig. 5 können die folgenden beiden Bedingungen B1 und B2 abgeleitet werden.

    Bedingung B1: das Ausgangssignal sout der in Schaum 2 eingetauchten Pipettiernadel (Kurve K4 in Fig. 5) steigt in einem Anfangsbereich (Zeitfenster kleiner Tx) schneller an als das Ausgangssignal sout der noch nicht eingetauchten Pipettiernadel (Kurve K3 in Fig. 5);

    Bedingung B2: das Ausgangssignal sout der in Schaum 2 eingetauchten Pipettiernadel (Kurve K4 in Fig. 5) steigt in einem Bereich nach dem Anfangsbereich (Zeitfenster grösser Tx) langsamer an als das Ausgangssignal sout der noch nicht eingetauchten Pipettiernadel (Kurve K3 in Fig. 5).



    [0056] Der relative Verlauf der beiden Kurven K3 und K4 kann wie folgt erklärt werden. Zu Beginn eines Aufladezyklus hat die Flüssigkeitskapazität Cliq immer noch eine Restladung von dem zeitlich vorhergehenden Aufladezyklus. Das liegt einerseits an dem relativ grossen Widerstand RF des Schaumes 2 und andererseits daran, dass die Entladezeit bewusst kurz gewählt wurde, um ein komplettes Entladen zu verhindern. Daher wird die Flüssigkeitskapazität Cliq zuerst entladen bis die Spannungen Uc und Uliq dasselbe Spannungsniveau erreichen (d.h. es gilt: UC = Uliq). Dann fliesst der Strom in die positive Richtung. Dadurch ergibt sich der Schnittpunkt X zum Zeitpunkt Tx der beiden Kurven K3 und K4, wie in Fig. 5 gezeigt.

    [0057] Die Erfindung basiert somit auf dem Ansatz, bei einem Schaumaufkommen die Flüssigkeitskapazität Cliq bewusst nicht komplett zu entladen. Mit anderen Worten, der Schaltungsaufbau der Vorrichtung 100 und die beeinflussbaren Parameter (z.B. die Entladezeit) werden so gewählt, dass in der Flüssigkeitskapazität Cliq beim Entladen stets eine Restladung verbleibt, bevor der neue Ladezyklus beginnt. Man nutzt somit bewusst eine Restladung in der Flüssigkeit 1, um beim eingetauchten Fühler 3 in Schaum 2 einen Signalverlauf zu erhalten, der durch die Schaltung A zuverlässig auswertbar ist. Die Restladung der Flüssigkeitskapazität Cliq ist eine Funktion des Widerstands RF und der Entladezeit tE.

    [0058] Die Entladezeit tE ist somit einer der möglichen Parameter, die vorzugsweise bei allen Ausführungsformen der Vorrichtung 100 eingestellt oder anderweitig vorgegeben werden können.

    [0059] Gemäss Erfindung hängt die Wahl der Entladezeit tE von der Leitfähigkeit der Flüssigkeit 1 ab. D.h. bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird das Einstellen oder die Vorgabe der Entladezeit tE unter Berücksichtigung der Leitfähigkeit der Flüssigkeit 1 vorgenommen. Ausserdem kommen vorzugsweise bei allen Ausführungsformen zwei Vergleicher (siehe beispielsweise VG1 und VG2 in Fig. 7) zum Einsatz, um das Vorhandensein von Schaum 2 zuverlässig und reproduzierbar detektieren zu können.

    [0060] Durch den Einsatz von zwei Vergleichern, kann ermittelt werden, dass sich links vom Schnittpunkt X (d.h. im Anfangsbereich t < Tx) eine negative Zeitverzögerung Δt1 und rechts vom Schnittpunkt X (d.h. im Bereich t > Tx) eine positive Zeitverzögerung Δt2 ergeben hat. In Fig. 5 sind diese beiden Zeitverzögerungen Δt1 und Δt2 schematisch eingezeichnet. Die Zeitverzögerung Δt2 wird beispielsweise bei einer Spannung U2 und die Zeitverzögerung Δt1 wird beispielsweise bei einer Spannung U1 ermittelt. D.h. ein Vergleicher VG2 hat eine Vergleichsschwelle bei der Spannung U2 und ein Vergleicher VG1 hat eine Vergleichsschwelle bei der Spannung U1 (siehe auch Fig. 7 und Fig. 8).

    [0061] Aus Fig. 5 kann somit abgeleitet werden, dass Δt1 < 0 und Δt2 > 0 gelten muss, um von einer Schaumdetektion ausgehen zu können. Ausserdem gilt optional bei allen Ausführungsformen der folgende zusätzliche Zusammenhang: Δt1 < Δt2.

    [0062] Die Schaumdetektion, respektive die Auswertung des/der Ausgangssignale sout(t) (bzw. der Vergleicher-Ausgangssignale PWM1, PWM2) wird hier auch als (Schaum-)Auswerteprozess P1 bezeichnet.

    [0063] Aus der Fig. 4 und Fig. 5 ist zu entnehmen, dass sich sowohl beim Eintauchen in Flüssigkeit 1 als auch beim Eintauchen in Schaum 2 stets eine positive Zeitverzögerung Δt2 ergibt (vereinfacht ausgedrückt, da in Fig. 4 die Kurve K1 oberhalb der Kurve K2 und in Fig. 5 die Kurve K3 oberhalb der Kurve K4 liegt), die durch den Vergleicher VG2 ermittelt werden kann. An dem anderen Vergleicher VG1, der bei allen Ausführungsformen zum Zwecke der Schaumdetektion im Rahmen des (Schaum-) Auswerteprozesses P1 zum Einsatz kommt, ist beim Eintauchen des Fühlers 3 in eine Flüssigkeit 1 auch eine positive Zeitverzögerung Δt2 zu messen. Es gilt hier also an den beiden Vergleichern VG1 und VG2 der Zusammenhang: Δt2 > 0 und Δt1 > 0.

    [0064] Beim Eintauchen des Fühlers 3 in Schaum 2 hingegen, gilt an den beiden Vergleichern VG1 und VG2 der Zusammenhang: Δt1 < 0 und Δt2 > 0.

    [0065] Vorzugsweise kommt bei allen Ausführungsformen der Erfindung eine Auswerteschaltung A zum Einsatz, die dazu auslegt ist, um
    • eine sprunghafte Änderung des Kurvenverlaufes (Bemerkung: zwei direkt aufeinanderfolgende Zyklen geben noch keine genügende Messsicherheit) des Ausgangssignals sout(t) von sout1(t) auf sout2(t) oder umgekehrt (Kurven K4 und K3) qualitativ auszuwerten (qualitative Auswertung), und/oder
    • um eine sprunghafte Änderung des Kurvenverlaufes des Ausgangssignals sout(t) von sout1(t) auf sout2(t) oder umgekehrt (Kurven K4 und K3) quantitativ auszuwerten (quantitative Auswertung).


    [0066] Der schaltungstechnische Aufwand ist vor allem bei einer quantitativen Auswertung sehr gross, da es sich um sehr kleine Signaländerungen handelt, die erfasst und ausgewertet werden müssen. Bei einer quantitativen Auswertung kommt erschwerend hinzu, dass es einige Einflussgrössen gibt, die von Detektionsfall zu Detektionsfall zu deutlichen Änderungen der zu messenden und zu vergleichenden Grössen führen.

    [0067] Dieses Auswerten kann bei allen Ausführungsformen in einer Auswerteschaltung A der Vorrichtung 100 erfolgen. Als Ergebnis gibt die Auswerteschaltung A beispielweise eine Kennung Kl heraus, bzw. sie stellt eine Kennung Kl bereit, die von einer anderen Schaltung oder einem Computer abgerufen werden kann. Die Kennung Kl zeigt an, dass eine Phasengrenze zwischen Luft und Flüssigkeit 1 oder zwischen Luft und Schaum 2 detektiert wurde. Flüssigkeit 1 und Schaum 2 kann im Rahmen eines optionalen Auswerteprozesses P1 unterschieden werden. Ein entsprechender Auswerteprozess P1 kann beispielweise eine Kennung Kf herausgeben, wobei Kf = 1 z.B. das Vorhandensein von Schaum 2 und Kf = 0 das NichtVorhandensein von Schaum 2 anzeigt.

    [0068] Vorzugsweise kommt bei allen Ausführungsformen der Erfindung eine Auswerteschaltung A zum Einsatz, die mindestens zwei parallel geschaltete Vergleicher VG1 und VG2 umfasst, die eine qualitative Auswertung ermöglichen, wie bereits angedeutet. D.h. diese parallel geschalteten Vergleicher VG1 und VG2 ermöglichen es, zwei zeitlich auseinanderliegende Ausgangssignale sout1(t) und sout2(t) miteinander in Bezug zu setzen. Alternativ zu der Zeitmessung bis zum Erreichen einer bestimmten Spannung, kann bei allen Ausführungsformen die Auswerteschaltung A so ausgelegt sein, dass diese den zeitlichen Stromverlauf auswertet.

    [0069] In Fig. 6 ist das schematische Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die Vorrichtung 100 umfasst im Falle dieser Ausführungsform eine Messvorrichtung/-schaltung M, in der die Auswerteschaltung A und der Eingangssignalgenerator E zusammengelegt sind.

    [0070] Die Messvorrichtung/-schaltung M umfasst einen gemeinsamen Signalpfad 7, der als Speisung des Fühlers 3 und als Signal-Abgriff des Fühlers 3 dient. Alle Ausführungsformen können einen gemeinsamen Signalpfad 7 umfassen.

    [0071] Vorzugsweise kommt bei allen Ausführungsformen eine abgeschirmte Leitung als Signalpfad 7 zum Einsatz. Ein erstes Schaltungsmodul 8 dient hier zum periodischen Laden und Entladen des Fühlers 3 und der anderen Kapazitäten der Anordnung. Das Laden und Entladen des Fühlers 3 wird beispielsweise mit einer periodischen Rechtecksignalfolge vorgenommen, wie bereits beschrieben. Diese Rechtecksignalfolge wird hier durch ein Schaltelement Tr erzeugt und über den Signalpfad 7 an den Fühler 3 angelegt (wie in Fig. 3 gezeigt). Das Schaltelement Tr und der (Lade-)Widerstand RL können Teil des Schaltungsmoduls 8 sein. Das Schaltelement Tr wird im gezeigten Ausführungsbeispiel durch ein Triggersignal str(t) gespeist, das z.B. über einen Signalpfad 9 an das Schaltungsmodul 8 angelegt wird. In Fig. 6 ist neben dem Signalpfad 9 ein beispielhaftes Triggersignal str(t) gezeigt. Dieses Signal bewirkt das Schliessen und Öffnen des Schaltelements Tr. Solange das Schaltelement Tr geschlossen ist, besteht ein Kurzschluss gegen Masse, und es kommt zum teilweisen (im Falle einer Schaumdetektion) oder vollständigen (im Falle einer Flüssigkeitsdetektion) Entladen der Kapazitäten, wie bereits beschrieben. Sobald das Schaltelement Tr wieder öffnet, beginnt ein neuer Ladevorgang. Dieser Vorgang wiederholt sich mit einer sehr hohen Taktrate, die im Bereich ≥ 10 kHz und vorzugsweise im Bereich ≥ 100 kHz liegt. Dieser sich periodisch wiederholende Lade- und Entladevorgang erzeugt einen Kurvenverlauf des Ausgangssignals sout(t), wie in Fig. 6 oberhalb des Signalpfades 7 gezeigt.

    [0072] Die Messvorrichtung/-schaltung M umfasst vorzugsweise bei allen Ausführungsformen eine Auswerteschaltung A, die mit zwei parallel geschalteten Vergleichern VG1, VG2 ausgestattet ist. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 6 befinden sich beide Vergleicher in dem zweiten Schaltungsmodul 10. Die Beschaltung der beiden Vergleicher VG1, VG2 in dem zweiten Schaltungsmodul 10 ist so ausgelegt, dass ein relativer Vergleich zweier Ausgangssignale sout1(t), sout2(t) möglich ist. Durch das Miteinander in Bezug setzen, respektive durch das Vergleichen zweier Ausgangssignale sout1(t), sout2(t) wird ermittelt, ob der folgende Zusammenhang vorliegt: Δt1 < 0 (erste Bedingung B1 genannt) und Δt2 > 0 (zweite Bedingung B2 genannt).

    [0073] Die Messvorrichtung/-schaltung M umfasst vorzugsweise bei allen Ausführungsformen ein Kontrollmodul 11, wie in Fig. 6 gezeigt. Dieses Kontrollmodul 11 kann so ausgelegt sein, dass es eine Kennung Kf (Kf ist eine Kennung, um Schaum 2 von Flüssigkeit 1 unterscheiden zu können) ausgibt, falls der beschriebene Zusammenhang vorliegt, d.h. falls die erste Bedingung B1 und die zweite Bedingung B2 erfüllt sind. Diese Kennung Kf kann zum Beispiel an einem Ausgang 6 (wie auch in Fig. 2A) bereitgestellt werden. Die bereits erwähnte Kennung Kl kann auch an dem Ausgang 6 oder an einem anderen Ausgang bereitgestellt werden.

    [0074] Das Kontrollmodul 11 wird vorzugsweise von dem Schaltungsmodul 10 mit einem oder mehreren Signalen versorgt, wie in Fig. 6 durch den Signalpfad 12 symbolisiert.

    [0075] Vorzugsweise ist das Kontrollmodul 11 bei allen Ausführungsformen mit einem Prozessor µP ausgestattet (siehe Fig. 7), um vordefinierte Prozesse abzuarbeiten und um Entscheidungen treffen und Reaktionen auslösen zu können, wie z.B. das Ausgeben der Kennung Kf für die Unterscheidung von Flüssigkeit 1 und Schaum 2 und/oder Kl für die Detektion einer Luft-Flüssigkeit oder einer Luft-Schaum-Grenze.

    [0076] Das Kontrollmodul 11 kann bei allen Ausführungsformen so ausgelegt sein, dass es die Kontrolle des Lade- und Entladevorgangs übernimmt, wie in Fig. 6 durch den Signalpfad 9 und das Triggersignal str(t) gezeigt. Vorzugsweise ist durch das Kontrollmodul 11 die Dauer des Entladevorgangs beeinflussbar, um eine Restladung in der Kapazität Cliq zu halten, die für eine zuverlässige Schaumdetektion erforderlich ist.

    [0077] Die Fig. 7 zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung 100 der vorliegenden Erfindung, wobei diese Vorrichtung 100 auf dem Prinzip der Fig. 6 aufbaut.

    [0078] Das Schaltungsmodul 8 umfasst einen Transistor Tr, der als Schaltelement dient. Dieser Transistor Tr wird hier von dem Triggersignal str(t) geschaltet, das von dem Kontrollmodul 11 bereitgestellt wird. Weiterhin kann das Schaltungsmodul 8 den (Lade-)Widerstand RL umfassen, wie schematisch angedeutet (statt RL wäre es auch möglich eine Konstantstromquelle einzusetzen). Der Signalpfad 7 ist im gezeigten Beispiel bis zum Schaltungsmodul 10 durchverbunden, um dort die beiden Vergleicher VG1 und VG2 parallel zu speisen. D.h. die beiden Vergleicher VG1 und VG2 sind parallel geschaltet. Der erste Vergleicher VG1 vergleicht das Ausgangssignal sout(t) mit einer Spannung U1 (siehe auch Fig. 5) und der zweite Vergleicher VG2 vergleicht das Ausgangssignal sout(t) mit einer Spannung U2, wobei U1 < U2. Nach jedem der Vergleicher kann/können beispielsweise ein Tiefpassfilter und/oder weitere Schaltungsblöcke (z.B. ein Verstärker V) folgen. Auf der Ausgangsseite (in Fig. 7 rechts von den Vergleichern VG1, VG2) wird jeweils ein pulsweiten-moduliertes Signal (PWM1 und PWM2) zur Verfügung gestellt. Diese beiden Vergleicher-Ausgangssignale PWM1, PWM2 werden durch das Kontrollmodul 11 verarbeitet, um zu prüfen, ob die Bedingungen B1 = Δt1 < 0 und B2 = Δt2 > 0 erfüllt sind. Falls diese Bedingungen B1 und B2 erfüllt sind, so gibt das Kontrollmodul 11 z.B. die Kennung Kf = 1 aus, um so die Detektion von Schaum 2 anzuzeigen.

    [0079] Im Folgenden werden weitere Details erläutert, die bei jeder der Ausführungsformen Berücksichtigung finden können. Vorzugsweise wird eine einzelne Ladekurve nicht direkt mit der zeitlich nächsten Ladekurve verglichen. Die Veränderung der Ladekurve und damit die entsprechende Pulsweitenänderung sind nämlich relativ klein. Die kann daher von einem herkömmlichen Prozessor µP (der Teil der Schaltung 11 sein kann) nur mit Aufwand gemessen werden. Zudem ist das Signal-Rausch-Verhältnis unter Umständen ungünstig.

    [0080] Vorzugsweise wird daher bei allen Ausführungsformen eine Mittelung über mehrere Ladekurven vorgenommen, wie im Folgenden beschrieben. Ein entsprechendes Schaltungsbeispiel, das auf den Figuren 6 und 7 aufbaut, ist in Fig. 8 gezeigt. Die Erläuterungen zu den Figuren 6 und 7 sind hier analog anwendbar. Jedes der beiden PWM-Signale PWM1 und PWM2 wird über je einen Tiefpassfilter TP1, TP2 in je ein Analogsignal a1(t), a2(t) gewandelt. Diese Tiefpassfilter TP1, TP2 sitzen im Bereich hinter den Vergleichern VG1 und VG2, wie in Fig. 8 gezeigt. Durch die Tiefpassfilter TP1, TP2 wird auch die Taktfrequenz aus den Signalen vollständig herausgefiltert. Optional kann z.B. nach dem Tiefpassfilter TP1, wie in Fig. 8 durch ein strichliert umrandetes Schaltungssymbol dargestellt, oder nach dem Bandpassfilter BP1 ein Verstärker angeordnet sein. Die so entstandenen Analogsignale a1(t), a2(t) ändern ihren Wert beim Ein- resp. Austauchen des Fühler 3 ebenfalls nur in einem sehr geringen Spannungsbereich so, dass ein direktes Auswerten dieser Änderungen nur mit hochauflösenden Analog-Digital-Wandlern möglich ist.

    [0081] Gemäss Erfindung wird hingegen vorzugsweise die Spannungsänderung ausgewertet/verarbeitet und der Offset ausgeblendet, da dieser - bestimmt durch die Gesamtkapazität CT - viel grösser ist und ein direkt nachgeschalteter Verstärker schon bei geringer Verstärkung übersteuern würde. Daher kann bei allen Ausführungsformen über je ein nachgeschaltetes Bandpassfilter BP1, BP2 der Gleichspannungsanteil der Analogsignale a1(t), a2(t) durch eine in Serie geschaltete Kapazität entkoppelt und das Nutzsignal gleichzeitig verstärkt werden. Vorzugsweise wird das Signal des Vergleichers VG1 um einen fixen Faktor (Faktor k) mehr verstärkt, so dass bei einer reinen Flüssigkeits-Berührung zwei gleich grosse und gleich polarisierte Signale am Ausgang der beiden Bandpassfilter BP1, BP2 entstehen (siehe Fig. 8).

    [0082] Bei der Berührung von Schaum 2 hingegen ist dann aus den schon beschriebenen Gründen das Ausgangssignal a1(t) an BP1, welches der Schaumerkennung dient, meist umgekehrt gepolt.

    [0083] Beim Herabbewegen des Fühlers 3 ändert sich die Gesamtkapazität CT nur sehr langsam. Daher entsteht an den beiden Bandpassfiltern BP1, BP2 kaum ein Ausgangssignal, es sei denn, der Fühler 3 wird sehr schnell bewegt. Sobald aber der Fühler 3 in das Medium eintaucht, ergibt sich eine sehr schnelle Kapazitätsänderung, welche nun mittels der beiden Bandpassfilter BP1, BP2 deutlich erfassbar ist. Für die Bestimmung, ob der Fühler 3 in ein Medium eingetaucht oder aus einem Medium ausgetaucht ist, wird vorteilhaft das Ausgangssignal des Bandpassfilters BP2 ausgewertet, der das Signal PWM2 verarbeitet, das von demjenigen Vergleicher VG2 stammt, der mit der höheren Referenzspannung U2 arbeitet. Das Auswerten des Ausgangssignals des Bandpassfilters BP2 erfolgt indem ermittelt wird, ob dieses Ausgangssignal einen bestimmten Mindestwert (Schwellenwert) erreicht.

    [0084] Dieser Mindestwert (Schwellenwert) wird vorzugsweise bei allen Ausführungsformen abhängig von der Leitfähigkeit der Flüssigkeit 1 gewählt. Der Vergleich, der beim Auswerten erforderlich ist, kann beispielsweise über einen weiteren Vergleicher (nicht gezeigt) erfolgen, oder er kann z.B. durch den Prozessor µP durchgeführt werden. Falls ein solcher weiterer Vergleicher zum Einsatz kommt, so sitzt dieser z.B. auf der Ausgangsseite des Bandfilters BP2. Falls der Prozessor µP das Vergleichen durchführt, so werden das/die Signale über den Signalpfad 12 an den Prozessor µP übermittelt.

    [0085] Erst jetzt, nach dem Erkennen einer Detektion wird nun auch das Ausgangssignal des anderen Bandpassfilters BP1, des mit der tieferen Referenzspannung erzeugten PWM-Signals PWM1 ausgewertet, um dieses mit dem anderen Ausgangssignal des Bandpassfilters BP2 zu vergleichen. Ist dieses gegenphasig, so kann klar davon ausgegangen werden, dass es sich um eine Schaumdetektion handelt. Ist es gleichphasig, aber deutlich kleiner, so kann ebenfalls auf eine Schaumdetektion gedeutet werden. Dies kann z.B. bei sehr gut leitenden Flüssigkeiten 1 der Fall sein, wo der Kreuzungspunkt X unterhalb von beiden Komparator-Pegeln U1 und U2 (siehe Fig. 5) liegt. Sehen hingegen beide Ausgangssignale nahezu gleich aus, kann von einer reinen Flüssigkeitsberührung ausgegangen werden.

    [0086] Die Vorrichtung 100 kann bei allen Ausführungsformen beispielsweise eine Kennung Kl und/oder Kf ausgeben, bzw. sie kann eine Kennung Kl und/oder Kf bereitstellen, die von einer anderen Schaltung oder einem Computer abgerufen werden kann. Das Bereitstellen der entsprechenden Kennungen ist in Fig. 2A und in den Figuren 6, 7 und 8 durch einen Pfeil 6 mit dem Bezugszeichen Kl/Kf symbolisiert. Je nach Aufbau kann die Vorrichtung 100 auch unterscheiden, ob der Fühler 3 in Flüssigkeit 1 oder in Schaum 2 eingetaucht wurde. In diesem Fall kann die Vorrichtung 100 bei allen Ausführungsformen beispielsweise eine Kennung Kf = 0 für Flüssigkeit 1 und Kf = 1 für Schaum 2 ausgeben, bzw. sie kann eine entsprechende Kennung Kl bereitstellen. Das Bereitstellen der entsprechenden Kennung Kf ist optional.

    [0087] Diese Kennungen können bei allen Ausführungsformen an einem gemeinsamen Ausgang 6 oder auch an separaten Ausgängen der Vorrichtung 100 bereitgestellt werden.

    [0088] Die Vorrichtung 100 kann bei allen Ausführungsformen eine analoge elektrische Schaltung und/oder eine digitale Schaltung mit einem Prozessor beinhalten.

    [0089] Falls die Kontaktierung des Fühlers 3 mit Schaum 2 erkannt wurde, kann optional bei allen Ausführungsformen eine weitere "Untersuchung" folgen während der Fühler 3 weiter in die vorherige Richtung bewegt wird, um eine nachfolgende (beim Abwärtsbewegen unterhalb des Schaumes 2 liegende oder beim Aufwärtsbewegen oberhalb des Schaumes 2 liegende) Flüssigkeitsgrenze 1.1 erkennen zu können.

    [0090] Bei allen Ausführungsformen der Erfindung kann das Schaltungsprinzip, das allen Schaltungen gemäss der Figuren zu Grunde liegt, auch umgekehrt werden. In diesen Figuren liegt jeweils der Flüssigkeitsbehälter 5 auf Masse, und es werden Signale (Eingangssignale (sin(t) genannt) an den Fühler 3 angelegt. Beim Umkehren des Schaltungsprinzips würde der Fühler 3 auf Masse gelegt, und es werden Signale (Eingangssignale (sin(t) genannt) an den Flüssigkeitsbehälter 5 angelegt. In diesem Fall bedarf es unter Umständen gewisser Anpassungen auf Seiten der Schaltungen E und A.

    [0091] Alternativ sind auch Schaltungen möglich, die sich nicht auf Masse beziehen, wie oben beschrieben. Eine solche alternative Schaltung kann beispielsweise einen kapazitiven Spannungsteiler in Form einer Messbrücke umfassen. Es sind auch Schaltungen möglich, die bei einem rechteckförmigen Eingangssignal sin(t) den Verlauf einer Stromkurve auswerten, oder die eine Spannungskurve bei einem vorgegebenen Strom auswerten. Weiterhin ist es möglich die Restspannung in der Gesamtkapazität CT nach jeder Entladung und vor der jeweils nachfolgenden erneuten Aufladung auszuwerten. Auch derartige Schaltungen dienen der Realisierung bzw. Implementierung der vorliegenden Erfindung.
    BEZUGSZEICHEN
    Flüssigkeit 1
    Flüssiggrenze 1.1
    Schaum 2
    Schaumgrenze 2.1
    Fühler 3
       
    (Flüssigkeits-)Behälter 5
    Ausgang 6
    Signalpfad 7
    erstes Schaltungsmodul 8
    Signalpfad 9
    zweites Schaltunqsmodul 10
    Kontrollmodul 11
    Signalpfad 12
       
    Vorrichtung 100
       
    Auswerteschaltung A
    Analoqsiqnale a1(t), a2(t)
    Bewequnq B
    erster Bandpassfilter BP1
    zweiter Bandpassfilter BP2
    erste Zeitverzögerung / Änderung des ersten Ausgangssignals Δt1
    zweite Zeitverzögerung / Änderung des zweiten Ausgangssignals Δt2
    Eingangssignalgenerator E
    Kapazität der Flüssigkeit Cliq
    Grundkapazität CB
    Serienkapazität CM
    Gesamtkapazität CT
    Faktor K
    Kurven, Kurvenverläufe K1, K2, K3, K4
    Kennung für Luft-Flüssigkeit und Luft-Schaum Kl
    Kennung zur Unterscheidung von Schaum und Flüssigkeit Kf
    Messvorrichtung/-schaltung M
    (Schaum-)Auswerteprozess P1
    Weiterer Auswerteprozess P2
    pulsweiten-modulierte Signale / Verqleicher-Ausqanqssiqnale PWM1, PWM2
    Rechteckspannungsgenerator RG
    Schaum-Widerstand RF
    (Lade-)Widerstand RL
    Eingangssignal sin(t)
    Ausgangssignal (allgemein) sout(t)
    erstes Ausgangssignal (für eingetauchten Fühler) sout1(t)
    zweites Ausgangssignal (für ausgetauchten Fühler) sout2(t)
    Triggersignal str(t)
    Zeit t
    erste Ladezeit t1
    zweite Ladezeit t2
    Entladezeit tE
    erster Tiefpassfilter TP1
    zweiter Tiefpassfilter TP2
    Transistor (FET) Tr
    Zeitpunkt am Schnittpunkt X Tx
    Spannungsquelle U
    erste Spannung / erstes Referenzsiqnal U1
    zweite Spannung / zweites Referenzsiqnal U2
    Spannung an der Kapazität Uc
    Spannung an der Flüssigkeits-Kapazität Uliq
    Spannung zum Zeitpunkt Tx am Schnittpunkt X Ux
    Prozessor µP
    Verstärker V
    erster Vergleicher VG1
    zweiter Vergleicher VG2
    Schnittpunkt X



    Ansprüche

    1. Verfahren zum Detektieren einer Schaumgrenze (2.1) in einem Behälter (5) einer Vorrichtung (100) mittels einer kapazitiv arbeitenden Messvorrichtung (M) mit einem Fühler (3), der bewegt werden kann, wobei mindestens ein Ausgangssignal (sout(t)) durch die kapazitiv arbeitende Messvorrichtung (M) verarbeitet wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst, die während des Ausführens einer Auf- oder Abwärtsbewegung (B) des Fühlers (3) in dem Behälter (5) ausgeführt werden;

    a. Durchführen eines Ladevorgangs durch das Vorgeben eines Eingangssignals (sin(t)), das an einer Gesamtkapazität (CT) einen Ladevorgang bewirkt, wobei sich die Gesamtkapazität (CT) aus dem Fühler (3), Luft, Schaum (2) und Flüssigkeit (1), welche sich im Behälter (5) befindet, bildet,

    b. Bereitstellen des mindestens einen Ausgangssignals (sout1(t), sout2(t)) an einem ersten Vergleicher (VG1) und an einem zweiten Vergleicher (VG2), wobei der erste Vergleicher (VG1) dazu ausgelegt ist, ein erstes Vergleicher-Ausgangssignal (PWM1) bereitzustellen, falls das mindestens eine Ausgangssignal (sout1(t), sout2(t)) eine erste Referenzspannung (U1) erreicht, und wobei der zweite Vergleicher (VG2) dazu ausgelegt ist, ein zweites Vergleicher-Ausgangssignal (PWM2) bereitzustellen, falls das mindestens eine Ausgangssignal (sout1(t), sout2(t)) eine zweite Referenzspannung (U2) erreicht,

    c. Entladen des Fühlers (3),

    d. Wiederholen der Schritte a. bis c.,
    dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Referenzspannung (U2) grösser ist als die erste Referenzspannung (U1), und dass das erste Vergleicher-Ausgangssignal (PWM1) und das zweite Vergleicher-Ausgangssignal (PWM2) im Rahmen eines Auswerteprozesses (P1) in Bezug gesetzt werden, um zu ermitteln,

    B1. ob das Ausgangssignal (sout1) des Fühlers (3) in eingetauchtem Zustand in einem Anfangsbereich (t < Tx, Uc < Ux) schneller ansteigt als das Ausgangssignal (sout2) des Fühlers (3) in ausgetauchtem Zustand, und

    B2. ob das Ausgangssignal (sout1) des Fühlers (3) in eingetauchtem Zustand in einem Bereich nach dem Anfangsbereich (t > Tx, UC > Ux) langsamer ansteigt als das Ausgangssignal (sout2) des Fühlers (3) in ausgetauchtem Zustand, und

    falls beide Bedingungen B1. und B2. erfüllt sind, eine Detektion (Kf) einer Schaumgrenze (2.1) ausgegeben wird, wobei das Ausgangssignal (sout1) des Fühlers (3) in eingetauchtem Zustand und das Ausgangssignal (sout2) des Fühlers (3) in ausgetauchtem Zustand zu einem Zeitpunkt (t = Tx) am Ende des Anfangsbereichs denselben Wert (Ux) aufweisen.
     
    2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Entladezeit (tE) des Entladevorgangs in Abhängigkeit einer Leitfähigkeit der Flüssigkeit (1) vorgegeben bzw. eingestellt wird.
     
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schritte a. bis d. während des Ausführens der Auf- oder Abwärtsbewegung (B) des Fühlers (3) mehrfach durchlaufen werden, bis die Bedingungen B1. und B2. erfüllt sind.
     
    4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Schritte a. bis d. mit einer Taktrate wiederholt werden, die grösser ist als 10 kHz und vorzugsweise grösser ist als 100 kHz.
     
    5. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das erste Vergleicher-Ausgangssignal (PWM1) und das zweite Vergleicher-Ausgangssignal (PWM2) durch den Einsatz zweier parallel geschalteter Vergleicher (VG1, VG2) bereitgestellt und durch ein Kontrollmodul (11) in Bezug gesetzt werden.
     
    6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, wobei es sich bei dem ersten Vergleicher-Ausgangssignal (PWM1) und dem zweiten Vergleicher-Ausgangssignal (PWM2) um pulsweiten-modulierte Signale handelt, die durch weitere Schaltungsblöcke, die auf der Ausgangsseite der Vergleicher (VG1, VG2) angeordnet sind, schaltungstechnisch in Bezug gesetzt werden.
     
    7. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das erste Vergleicher-Ausgangssignal (PWM1) einem ersten Tiefpass-Filter (TP1) und das zweite Vergleicher-Ausgangssignal (PWM2) einem zweiten Tiefpass-Filter (TP2) zugeführt werden, um ein erstes Analogsignal (a1(t)) und ein zweites Analogsignal (a2(t)) zu erhalten.
     
    8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das erste Analogsignal (a1(t)) mittels eines ersten Bandpass-Filters (BP1) und das zweite Analogsignal (a2(t)) mittels eines zweiten Bandpass-Filters (BP2) verarbeitet und die Ausgangssignale dieser Bandpass-Filter (BP1, BP2) schaltungstechnisch in Bezug gesetzt werden.
     
    9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei im Rahmen des Auswerteprozesses (P1) eine Restspannung nach einer jeden Entladung und vor dem jeweils nachfolgenden erneuten Ladevorgang ausgewertet wird.
     
    10. Vorrichtung (100) zur Detektion einer Schaumgrenze (2.1) in einem Behälter (5) umfassend

    - den Behälter (5),

    - einen Fühler (3), der in den Behälter (5) hinein und/oder aus dem Behälter (5) heraus bewegbar ist,

    - einen Eingangssignalgenerator (E), der mit dem Fühler (3) verbindbar ist, um ein Eingangssignal (sin(t)) bereitzustellen, das an dem Fühler (3) einen Lade-Entladevorgang erzeugt,

    - eine kapazitiv arbeitende Messvorrichtung (M), die mit dem Fühler (3) verbindbar ist, um während des Lade-Entladevorgangs mindestens ein Ausgangssignal (sout(t), sout1(t), sout2(t)) an dem Fühler (3) abzugreifen,
    wobei

    - der Fühler (3) während des Lade-Entladevorgangs periodisch ladbar und entladbar ist,

    - das mindestens eine Ausgangssignal (sout(t), sout1(t), sout2(t)) dem Zeitverlauf einer Lade-/Entladekurve (K1, K2) entspricht, die durch das periodische Laden und Entladen einer Gesamtkapazität (CT) entsteht, wobei sich die Gesamtkapazität (CT) aus dem Fühler (3), Luft, Schaum (2) und Flüssigkeit (1), in welche der Fühler (3) im Behälter (5) eintauchbar ist, bildet,

    - die Vorrichtung (100) ein Schaltungsmodul (10, 11) mit zwei Vergleichern (VG1, VG2) umfasst, die dazu ausgelegt sind, aus dem mindestens einen Ausgangssignal (sout(t), sout1(t), sout2(t)) ein erstes Vergleicher-Ausgangssignal (PWM1) und ein zweites Vergleicher-Ausgangssignal (PWM2) bereitzustellen, wobei die beiden Vergleicher (VG1, VG2) parallel geschaltet sind, und wobei der erste Vergleicher (VG1) dazu ausgelegt ist, das erste Vergleicher-Ausgangssignal (PWM1) bereitzustellen, falls das mindestens eine Ausgangssignal (sout(t), sout1(t), sout2(t)) eine erste Referenzspannung (U1) erreicht, und wobei der zweite Vergleicher (VG2) dazu ausgelegt ist, das zweite Vergleicher-Ausgangssignal (PWM2) bereitzustellen, falls das mindestens eine Ausgangssignal (sout(t), sout1(t), sout2(t)) eine zweite Referenzspannung (U2) erreicht,
    dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Referenzspannung (U2) grösser ist als die erste Referenzspannung (U1), und dass das Schaltungsmodul (10, 11) dazu ausgelegt ist, das erste Vergleicher-Ausgangssignal (PWM1) und das zweite Vergleicher-Ausgangssignal (PWM2) im Rahmen eines Auswerteprozesses (P1) in Bezug zu setzen, um zu ermitteln,

    B1. ob das Ausgangssignal (sout1) des Fühlers (3) in eingetauchtem Zustand in einem Anfangsbereich (t < Tx, Uc < Ux) schneller ansteigt als das Ausgangssignal (sout2) des Fühlers (3) in ausgetauchtem Zustand, und

    B2. ob das Ausgangssignal (sout1) des Fühlers (3) in eingetauchtem Zustand in einem Bereich nach dem Anfangsbereich (t > Tx, UC > Ux) langsamer ansteigt als das Ausgangssignal (sout2) des Fühlers (3) in ausgetauchtem Zustand, und

    falls beide Bedingungen B1. und B2. erfüllt sind, eine Detektion (Kf) einer Schaumgrenze (2.1) auszugeben, wobei das Ausgangssignal (sout1) des Fühlers (3) in eingetauchtem Zustand und das Ausgangssignal (sout2) des Fühlers (3) in ausgetauchtem Zustand zu einem Zeitpunkt (t = Tx) am Ende des Anfangsbereichs denselben Wert (Ux) aufweisen.
     
    11. Vorrichtung (100) nach Anspruch 10, wobei eine Entladezeit (tE) des Entladevorgangs in Abhängigkeit einer Leitfähigkeit der Flüssigkeit (1) vorgebbar bzw. einstellbar ist.
     
    12. Vorrichtung (100) nach Anspruch 10 oder 11, wobei jeder der beiden Vergleicher (VG1, VG2) zum Bereitstellen je eines pulsweiten-modulierten Vergleicher-Ausgangssignals (PWM1, PWM2) ausgelegt ist und dass diese pulsweiten-modulierte Vergleicher-Ausgangssignale (PWM1, PWM2) durch ein Kontrollmodul (11) in Bezug setzbar sind.
     
    13. Vorrichtung (100) nach Anspruch 10 oder 11, wobei jeder der beiden Vergleicher (VG1, VG2) zum Bereitstellen je eines pulsweiten-modulierten Vergleicher-Ausgangssignals (PWM1, PWM2) ausgelegt ist und dass diese pulsweiten-modulierte Vergleicher-Ausgangssignale (PWM1, PWM2) durch weitere Schaltungselemente (TP1, TP2, BP1, BP2) in Bezug setzbar sind.
     
    14. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der Eingangssignalgenerator (E) dazu ausgelegt ist das Eingangssignal (sin(t)) mit einer Taktrate bereit zu stellen, die grösser ist als 10 kHz und die vorzugsweise grösser ist als 100 kHz.
     
    15. Vorrichtung (100) nach Anspruch 10, wobei sie einen kapazitiven Spannungsteiler in Form einer Messbrücke umfasst.
     


    Claims

    1. Method for detecting a foam boundary (2.1) in a container (5) of a device (100) by means of a capacitively operating measuring device (M) having a sensor (3) which can be moved, wherein at least one output signal (sout(t)) is processed by the capacitively operating measuring device (M), wherein the method comprises the following steps which are carried out during the execution of an up or down movement (B) of the sensor (3) in the container (5);

    a. performing a charging operation by predetermining an input signal (sin(t)) which causes a charging operation at a total capacitance (CT), wherein said total capacitance is formed from the sensor (3), air, foam (2) and liquid (1), which is in the container (5),

    b. providing the at least one output signal (sout1(t), sout2(t)) at a first comparator (VG1) and at a second comparator (VG2), wherein the first comparator (VG1) is adapted to provide a first comparator output signal (PWM1) if the at least one output signal (sout1(t), sout2(t)) reaches a first reference voltage (U1), and wherein the second comparator (VG2) is adapted to provide a second comparator output signal (PWM2) if the at least one output signal (sout1(t), sout2(t)) reaches a second reference voltage (U2),

    c. discharging the sensor (3),

    d. repeating steps a. to c.,
    characterized in that the second reference voltage (U2) is greater than the first reference voltage (U1), and that the first comparator output signal (PWM1) and the second comparator output signal (PWM2) are put in relation to each other within the framework of an evaluation process (P1) in order to determine

    B1. whether the output signal (sout1) of the sensor (3) in immerged state rises faster in an initial range (t < Tx, UC < Ux) than the output signal (sout2) of the sensor (3) in emerged state, and

    B2. whether the output signal (sout1) of the sensor (3) in immerged state rises more slowly in a range after the initial range (t > Tx, UC > Ux) than the output signal (sout2) of the sensor (3) in emerged state, and

    if the conditions B1. and B2. are fulfilled outputting a detection (Kf) of a foam limit (2.1), wherein the output signal (sout1) of the sensor (3) in immerged state and the output signal (sout2) of the sensor (3) in emerged state have the same value (Ux) at a point in time (t = Tx) at the end of the initial range.
     
    2. Method according to claim 1, wherein the discharge time (tE) of the discharge process in provided or adjusted dependent on a conductivity of the liquid (1).
     
    3. Method according to claim 1 or 2, wherein steps a. to d. are repeated several times during the execution of the up or down movement (B) of the sensor (3) until the conditions B1. and B2. are fulfilled.
     
    4. Method according to claim 3, wherein steps a. to d. are repeated with a clock rate which is greater than 10 kHz and preferably greater than 100 kHz.
     
    5. Method according to one of the preceding claims, wherein the first comparator output signal (PWM1) and the second comparator output signal (PWM2) are provided by the use of two comparators (VG1, VG2) connected in parallel and are correlated by a control module (11).
     
    6. Method according to claim 1 or 4, wherein the first comparator output signal (PWM1) and the second comparator output signal (PWM2) are pulse-width-modulated signals which are correlated in respect of circuitry by further circuit blocks which are arranged on the output side of the comparators (VG1, VG2).
     
    7. Method according to one of the preceding claims, wherein the first comparator output signal (PWM1) is fed to a first low-pass filter (TP1) and the second comparator output signal (PWM2) is fed to a second low-pass filter (TP2) to obtain a first analog signal (a1(t)) and a second analog signal (a2(t)).
     
    8. Method according to claim 7, wherein the first analog signal (a1(t)) is processed by means of a first bandpass filter (BP1) and the second analog signal (a2(t)) is processed by means of a second bandpass filter (BP2), and the output signals of these bandpass filters (BP1, BP2) are correlated in terms of circuitry.
     
    9. Method according to one of claims 1 to 3, wherein a residual voltage is evaluated within the framework of the evaluation process (P1) after each discharge and before the respective subsequent new charging process.
     
    10. Device (100) for detecting a foam boundary (2.1) in a container (5), comprising

    - the container (5),

    - a sensor (3) movable into and/or out of the container (5),

    - an input signal generator (E) connectable to the sensor (3) to provide an input signal (sin(t)) that generates a charge-discharge operation at the sensor (3),

    - a measuring device (M) connectable to the sensor (3) to pick up at least one output signal (sout(t), sout1(t), sout2(t)) from the sensor (3) during the charge-discharge process,
    wherein

    - the sensor (3) is periodically chargeable and dischargeable during the charge-discharge process,

    - the at least one output signal (sout(t), sout1(t), sout2(t)) corresponds to the time course of a charge/discharge curve (K1, K2) resulting from the periodic charging and discharging of a total capacitance (CT), wherein said total capacitance is formed from the sensor (3), air, foam (2) and liquid (1), into which the sensor (3) is immergeable in the container (3),

    - the device (100) comprises a circuit module (10, 11) with two comparators (VG1, VG2) designed to provide a first comparator output signal (PWM1) and a second comparator output signal (PWM2) from the at least one output signal (sout(t), sout1(t), sout2(t)), wherein the two comparators (VG1, VG2) are connected in parallel, and wherein the first comparator (VG1) is designed to provide the first comparator output signal (PWM1) if the at least one output signal (sout(t), sout1(t), sout2(t)) reaches a first reference voltage (U1), and wherein the second comparator (VG2) is designed to provide the second comparator output signal (PWM2) if the at least one output signal (sout(t), sout1(t), sout2(t)) reaches a second reference voltage (U2),
    characterized in that the second reference voltage (U2) is greater than the first reference voltage (U1), and that the circuit module (10, 11) is designed to evaluate the first comparator output signal (PWM1) and the second comparator output signal (PWM2) are put in relation to each other within the framework of an evaluation process (P1) in order to determine

    B1. whether the output signal (sout1) of the sensor (3) in immerged state rises faster in an initial range (t < Tx, UC < Ux) than the output signal (sout2) of the sensor (3) in emerged state, and

    B2. whether the output signal (sout1) of the sensor (3) in immerged state rises more slowly in a range after the initial range (t > Tx, UC > Ux) than the output signal (sout2) of the sensor (3) in emerged state, and

    if the conditions B1. and B2. are fulfilled outputting a detection (Kf) of a foam limit (2.1), wherein the output signal (sout1) of the sensor (3) in immerged state and the output signal (sout2) of the sensor (3) in emerged state have the same value (Ux) at a point in time (t = Tx) at the end of the initial range.
     
    11. Device (100) according to claim 10, wherein the discharge time (tE) of the discharge process in provided or adjusted dependent on a conductivity of the liquid (1).
     
    12. Device (100) according to claim 10 or 11, wherein each of the two comparators (VG1, VG2) is designed to provide a respective pulse-width-modulated comparator output signal (PWM1, PWM2) and that these pulse-width-modulated comparator output signals (PWM1, PWM2) can be correlated by a control module (11).
     
    13. Device (100) according to claim 10 or 11, wherein each of the two comparators (VG1, VG2) is designed to provide a respective pulse-width-modulated comparator output signal (PWM1, PWM2) and that these pulse-width-modulated comparator output signals (PWM1, PWM2) can be correlated by further circuit elements (TP1, TP2, BP1, BP2) .
     
    14. Device (100) according to one of claims 10 to 13, wherein the input signal generator (E) is adapted to provide the input signal (sin(t)) at a clock rate which is greater than 10 kHz and preferably greater than 100 kHz.
     
    15. Device (100) according to claim 10, wherein it comprises a capacitive voltage divider in the form of a measuring bridge.
     


    Revendications

    1. Procédé pour détecter une limite de mousse (2.1) dans un récipient (5) d'un dispositif (100) au moyen d'un dispositif de mesure à fonctionnement capacitif (M), comprenant une sonde (3) pouvant être déplacée, au moins un signal de sortie (Sout(t)) étant traité par le dispositif de mesure à fonctionnement capacitif (M), le procédé comprenant les étapes suivantes, lesquelles sont réalisées pendant l'exécution d'un mouvement de montée ou de descente (B) de la sonde (3) dans le récipient (5) ;

    a. réaliser un processus de chargement en fixant un signal d'entrée (Sin(t)) qui déclenche un processus de chargement à une capacité totale (CT), la capacité totale (CT) se formant à partir de la sonde (3), de l'air, de la mousse (2) et du liquide (1) qui se trouve dans le récipient (5),

    b. fournir le au moins un signal de sortie (Sout1(t), Sout2(t)) à un premier comparateur (VG1) et à un deuxième comparateur (VG2), le premier comparateur (VG1) étant conçu pour fournir un premier signal de sortie de comparateur (PWM1) dans le cas où le au moins un signal de sortie (Sout1(t), Sout2(t)) atteint une première tension de référence (U1), et le deuxième comparateur (VG2) étant conçu pour fournir un deuxième signal de sortie de comparateur (PWM2) dans le cas où le au moins un signal de sortie (Sout1(t), Sout2(t)) atteint une deuxième tension de référence (U2),

    c. décharger la sonde (3),

    d. répéter les étapes a. à c.,
    caractérisé en ce que la deuxième tension de référence (U2) est supérieure à la première tension de référence (U1), et en ce que le premier signal de sortie de comparateur (PWM1) et le deuxième signal de sortie de comparateur (PWM2) sont mis en rapport dans le cadre d'un processus d'analyse (P1) pour déterminer

    B1. si le signal de sortie (Sout1) de la sonde (3) à l'état immergé monte plus rapidement dans une zone de départ (t < Tx, UC < Ux) que le signal de sortie (Sout2) de la sonde (3) à l'état non immergé, et

    B2. si le signal de sortie (Sout1) de la sonde (3), à l'état immergé, monte plus lentement dans une zone après la zone de départ (t > Tx, UC > Ux) que le signal de sortie (Sout2) de la sonde (3) à l'état non immergé, et

    dans le cas où les deux conditions B1. et B2. sont remplies, il est émis une détection (Kf) d'une limite de mousse (2.1), le signal de sortie (Sout1) de la sonde (3) à l'état immergé, et le signal de sortie (Sout2) de la sonde (3) à l'état non immergé présentant à un instant (t = TX) à la fin de la zone de départ la même valeur (Ux).
     
    2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel il est défini ou réglé un temps de déchargement (tE) du processus de déchargement en fonction de la conductivité du liquide (1).
     
    3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les étapes a. à d. sont effectuées plusieurs fois pendant l'exécution du mouvement de montée et descente (B) de la sonde (3) jusqu'à ce que les conditions B1. et B2. soient réunies.
     
    4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel les étapes a. à d. sont répétées à une fréquence supérieure à 10 kHz, et de préférence supérieure à 100 kHz.
     
    5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le premier signal de sortie de comparateur (PWM1) et le deuxième signal de sortie de comparateur (PWM2) sont fournis par l'utilisation de deux comparateurs (VG1, VG2) montés en parallèle, et sont mis en rapport par un module de contrôle (11).
     
    6. Procédé selon la revendication 1 ou 4, dans lequel le premier signal de sortie de comparateur (PWM1) et le deuxième signal de sortie de comparateur (PWM2) sont des signaux à largeur d'impulsion modulée qui sont mis en rapport par technique de circuit par d'autres blocs de circuit qui sont agencés sur le côté sortie des comparateurs (VG1, VG2).
     
    7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le premier signal de sortie de comparateur (PWM1) est amené à un premier filtre passe-bas (TP1), et le deuxième signal de sortie de comparateur (PWM2) à un deuxième filtre passe-bas (TP2), pour obtenir un premier signal analogique (a1(t)) et un deuxième signal analogique (a2(t)).
     
    8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel le premier signal analogique (a1(t)) est traité à l'aide d'un premier filtre passe-bande (BP1) et le deuxième signal analogique (a2(t)) à l'aide d'un deuxième filtre passe-bande (BP2), et dans lequel les signaux de sortie de ces filtres passe-bande (BP1, BP2) sont mis en rapport selon une technique de circuit.
     
    9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel, dans le cadre du processus d'analyse (P1), on analyse une tension résiduelle après chaque déchargement et avant chaque nouveau processus de chargement à suivre.
     
    10. Dispositif (100) pour détecter une limite de mousse (2.1) dans un récipient (5) comprenant

    - le récipient (5),

    - une sonde (3) pouvant être entrée et/ou sortie du récipient (5),

    - un générateur de signal d'entrée (E) qui peut être raccordé à la sonde (3) pour fournir un signal d'entrée (Sin(t)) qui produit au niveau de la sonde (3) un processus de chargement/déchargement,

    - un dispositif de mesure à fonctionnement capacitif (M) qui peut être raccordé à la sonde (3) pour prélever, pendant le processus de chargement/déchargement, au moins un signal de sortie (Sout(t), Sout1(t), Sout2(t)) au niveau de la sonde (3),
    dans lequel

    - la sonde (3) peut être chargée et déchargée périodiquement pendant le processus de chargement/déchargement,

    - le au moins un signal de sortie (Sout(t), Sout1(t), Sout2(t)) correspond au tracé temporel d'une courbe de chargement/déchargement (K1, K2) qui est donnée par le chargement et déchargement périodique d'une capacité totale (CT), la capacité totale (CT) se formant à partir de la sonde (3), de l'air, de la mousse (2) et du liquide (1) dans lequel la sonde (3) peut être immergée dans le récipient (5),

    - le dispositif (100) comprend un module de circuit (10, 11) avec deux comparateurs (VG1, VG2) qui sont conçus pour, à partir du au moins un signal de sortie (Sout(t), Sout1(t), Sout2(t)), fournir un premier signal de sortie de comparateur (PWM1) et un deuxième signal de sortie de comparateur (PWM2), les deux comparateurs (VG1, VG2) étant montés en parallèle, et le premier comparateur (VG1) étant conçu pour fournir le premier signal de sortie de comparateur (PWM1) dans le cas où le au moins un signal de sortie (Sout(t), Sout1(t), Sout2(t)) atteint une première tension de référence (U1), et le deuxième comparateur (VG2) étant conçu pour fournir le deuxième signal de sortie de comparateur (PWM2) dans le cas où le au moins un signal de sortie (Sout(t), Sout1(t), Sout2(t)) atteint une deuxième tension de référence (U2),
    caractérisé en ce que la deuxième tension de référence (U2) est supérieure à la première tension de référence (U1), et en ce que le module de circuit (10, 11) est conçu pour mettre en rapport le premier signal de sortie de comparateur (PWM1) et le deuxième signal de sortie de comparateur (PWM2) dans le cadre d'un processus d'analyse (P1) pour déterminer

    B1. si le signal de sortie (Sout1) de la sonde (3) à l'état immergé monte plus rapidement dans une zone de départ (t < Tx, UC < Ux) que le signal de sortie (Sout2) de la sonde (3) à l'état non immergé, et

    B2. si le signal de sortie (Sout1) de la sonde (3) à l'état immergé monte plus lentement dans une zone après la zone de départ (t > Tx, UC > Ux) que le signal de sortie (Sout2) de la sonde (3) à l'état non immergé, et

    dans le cas où les deux conditions B1. et B2. sont remplies, il est émis une détection (Kf) d'une limite de mousse (2.1), le signal de sortie (Sout1) de la sonde (3) à l'état immergé et le signal de sortie (Sout2) de la sonde (3) à l'état non immergé présentant à un instant (t = TX) à la fin de la zone de départ la même valeur (Ux).
     
    11. Dispositif (100) selon la revendication 10, dans lequel le temps de déchargement (tE) du processus de déchargement peut être déterminé ou réglé en fonction de la conductivité du liquide (1).
     
    12. Dispositif (100) selon la revendication 10 ou 11, dans lequel chacun des deux comparateurs (VG1, VG2) est conçu pour fournir un signal de sortie de comparateur à largeur d'impulsion modulée (PWM1, PWM2), et en ce que ces signaux de sortie de comparateur à largeur d'impulsion modulée (PWM1, PWM2) peuvent être mis en rapport par un module de contrôle (11).
     
    13. Dispositif (100) selon la revendication 10 ou 11, dans lequel chacun des deux comparateurs (VG1, VG2) est conçu pour fournir un signal de sortie de comparateur à largeur d'impulsion modulée (PWM1, PWM2), et en ce que ces signaux de sortie de comparateur à largeur d'impulsion modulée (PWM1, PWM2) peuvent être mis en rapport par d'autres éléments de circuit (TP1, TP2, BP1, BP2).
     
    14. Dispositif (100) selon l'une des revendications 10 à 13, dans lequel le générateur de signal d'entrée (E) est conçu pour fournir le signal d'entrée (Sin(t)) à une fréquence supérieure à 10 kHz, et de préférence supérieure à 100 kHz.
     
    15. Dispositif (100) selon la revendication 10 comprenant un diviseur de tension capacitif sous la forme d'un pont de mesure.
     




    Zeichnung


























    Angeführte Verweise

    IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE



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