Messelektronik für konduktiven Füllstandsensor

Messelektronik für konduktiven Füllstandsensor

Simon Kathriner

Problemstellung
Die Firma Reed Electronics AG stellt Geräte zur Füllstanderfassung von flüssigen Medien her und möchte mit einem kontinuierlichen Sensor mit konduktivem Messprinzip das bestehende Sortiment ausbauen. Konduktive Messsysteme erfassen den Leitwert zwischen Elektroden, die in das Medium eingetaucht sind. Dabei soll der Effekt ausgenutzt werden, dass dieser proportional mit der Füllhöhe ansteigt. Es war eine Messelektronik zu entwickeln, welche diese Leitwerte aufnimmt, verarbeitet und daraus den Füllstand ermittelt.

Lösungskonzept
Um die Messung von Medien mit Leitfähigkeiten von 10μS/m bis 100mS/m bis zu einer Füllhöhe von 0.5m zu ermöglichen, muss ein grosser Messbereich abgedeckt werden können. Dieser wurde in einem ersten Schritt mittels Comsol-Simulationen bestimmt. Das Medium wird mit einer Wechselspannung angeregt, um einerseits elektrochemisch Migration zu verhindern und zusätzlich den Einfluss der Doppelschichtkapazität, die sich an den Materialübergängen zwischen dem Metall der Elektrode und der Flüssigkeit bildet, zu minimieren. Der Strom durch das Medium wird mittels der Auto-Balancing Bridge Methode in eine Spannung im gewünschten Messbereich umgewandelt und von einem Analog-Digital Converter erfasst. Ein Microcontroller übernimmt anschliessend die Auswertung und berechnet den Füllstand anhand empirisch erfasster Kalibrationswerte.

Realisierung
Bei der Umsetzung der Konzeptionierung in die definitive Messchaltung musste festgestellt werden, dass die Dimensionierung der Komponenten komplizierter ist als ursprünglich angenommen. Da die Messung von sowohl grossen als auch kleinen Impedanzen ermöglicht werden musste, waren mehrere iterative Schritte notwendig, um Störgrössen wie Leckströme und Übergangswiderstände so zu minimieren, dass die Messung des Füllstandes mit einer Genauigkeit von ± 1% möglich sein sollte.

Ergebnisse
Die erfasste Sensorkennlinie hat gezeigt, dass besonders bei niedriger Leitfähigkeit des Mediums der Füllstand noch nicht mit der geforderten Genauigkeit gemessen werden kann. Insgesamt konnte aber aufgezeigt werden, dass das erstellte Messkonzept und die daraus entwickelte Elektronik zu grossen Teilen wie gewünscht funktionieren.

Studienbetreuer Dr. Patric Eberle
Preisstifter Reed Electronics AG

Prinzip der Auto-Balancing Bridge Methode
Inbetriebnahme der realisierten Messschaltung
Messaufbau für die Erfassung des Füllstandes

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