CH632089A5

CH632089A5 - Filling level measuring probe for an electrically conductive medium

Info

Publication number: CH632089A5
Application number: CH652578A
Authority: CH
Inventors: Johannes Marinus Holsteijn
Original assignee: Alusuisse
Priority date: 1978-06-15
Filing date: 1978-06-15
Publication date: 1982-09-15
Also published as: DE2829857C2; IT1121093B; DE2829857A1; IT7923540A0; NL7904605A

Description

Die Erfindung betrifft eine Füllstandsmessonde für ein elektrisch leitendes Medium mit längs einer geometrischen Achse ausgedehnter Impedanz in einem Mantel zum Einführen in das zu überwachende Medium, welches je nach Füllstand Partien der Impedanz wenigstens nahezu kurzschliesst.

Eine Vorrichtung dieser Art wird durch die DE-PS-675 195 offenbart. Dort ist als Flüssigkeitsanzeiger für Braupfannen ein Widerstandsdraht koaxial in einem beispielsweise aus Metall bestehenden Rohr angeordnet, das an seinem unteren Ende Öffnungen aufweist und mit dem Widerstandsdraht in die Brauwürze - also ein flüssiges Lagermedium, dessen Füllstand zu ermitteln ist - so eingetaucht, dass die Würze durch jene unteren Öffnungen in das Rohr eintritt und den darin gelagerten Widerstandsdraht auf einer dem Füllstand entsprechenden Länge kurzschliesst.

Bei der bekannten Anordnung sind Verschmutzungen und Verkrustungen im Innern des Mantels bzw. am Widerstandsdraht nur mühevoll entfernbar ; der Draht wird erst nach dem Abziehen des Mantels zugänglich. Der Einsatz der beschriebenen Sonde bleibt darüberhinaus auf Flüssigkeiten beschränkt, da allein diese in den Mantel einzudringen vermögen, um die Impedanz zu kontaktieren. So ist beispielsweise die Verwendung dieser Messonde in Kohlesilos praktisch ausgeschlossen, 5 da nicht sichergestellt werden kann, dass die Kohle durch die endwärtigen Öffnungen eindringt sowie im Rohr entsprechend dem Füllstand aufsteigt.

Auch für einen durch die DE-PS-584 673 bekannt gewordenen Wasserstandsanzeiger ist das Einsatzgebiet stark einge-lo schränkt. Die Füllstandshöhe wird hier mit einer Druckmesssonde gemessen, welche einen Kohlewiderstand als druckabhängiges Widerstandselement enthält. Der Einfluss von Luftdruckschwankungen muss mit einer weiteren Druckmessdose kompensiert werden; zur Elimination von Fehlern, welche sich 15 durch temperaturabhängige Veränderungen des Volumens des Füllmediums ergeben, sind mehrere temperaturabhängige Widerstände elektrisch mit der Druckmessdose zur Ermittlung des Füllstandes in Serie geschaltet. Eine Mehrzahl wird deshalb erforderlich, um die mittlere Temperatur im Füllmedium zu de-2otektieren.

Angesichts dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, eine Füllstandsmessonde der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die bei einer Vielzahl von Füllmedien eingesetzt werden kann und mit welcher der Füllstand kontinuierlich 25 oder quasikontinuierlich, einfach und zuverlässig erfasst wird. Zur Lösung dieser Aufgabe führt, dass die Impedanz von einem elektrisch isolierenden, gegenüber dem Medium dichten Aussenmantel umschlossen ist, der im wesentlichen radial ausgerichtete, jeweils galvanische Kontaktflächen zwischen Man-30 telaussenseite und Impedanz bildende galvanische Kontaktpartien entlang seiner axialen Ausdehnung aufweist.

Dank dieser Massgabe ist das Impedanzelement vor mechanischen Beschädigungen geschützt, zudem sind alle Partien, deren Verschmutzung die Funktionstauglichkeit der Sonde beein-35 trächtigen würde, von aussen ohne weiteres zugänglich. Auch sind keinerlei Bedingungen an die Viskosität des zu überwachenden Mediums mehr zu stellen; die erfindungsgemässe Füllstandsmessonde kann praktisch ohne Einschränkungen bei allen elektrisch leitenden Füllmedien eingesetzt werden. 40 Bezüglich weiterer Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstands wird auf den Inhalt der abhängigen Ansprüche hingewiesen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellter bevorzugter Ausführungsformen erläutert. In der

« Zeichnung zeigt :

Fig. 1 eine schematische Anordnung zur direkten Erfassung der Lagermediumsimpedanz als Funktion des Füllstandes, mit der daraus resultierenden Abhängigkeit von Impedanz und Füllstand,

50 Fig. 2a eine schematische Anordnung zur indirekten Erfassung der Lagermediumsimpedanz in Funktion des Füllstandes, Fig. 2b ein elektrisches Ersatzschaltbild der Anordnung gemäss Fig. 2a sowie die daraus resultierende Abhängigkeit von auftretender Kreisimpedanz und Füllstand,

55 Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Füllstandsmesssonde für die kontinuierliche Füllstandserfassung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Füllstandsmesssonde für die Erfassung des Füllstandes beim Passieren vorgegebener, diskreter Höhen,

60 Fig. 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Messonde gemäss Fig. 4,

Fig. 6 einen Querschnitt durch eine Messonde als bevorzugte Realisationsform der in Fig. 5 schematisch dargestellten Sonde.

65 Gemäss Fig. 1 bietet sich für die Füllstandserfassung eines elektrisch leitenden Mediums 1 in einem Behältnis 3 die Möglichkeit an, die Mediumsoberfläche 5 entsprechend dem Füllstand f (t) mit einer ersten Elektrode 7 zu kontaktieren und im

3

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Lagermedium 1 entsprechend dem noch zu detektierenden minimalen Füllstand, gemäss Fig. 1 beim Füllstand Null, eine Gegenelektrode 9 anzuordnen. Wird an den Elektroden 7 und 9 eine elektrische Spannung u, sei dies nun eine Wechsel- oder Gleichspannung, angelegt, so ergibt sich in Funktion der zwischen den Elektroden vorliegenden Lagermediumsimpedanz ZM ein messbarer Strom i. Bezeichnet man die spezifische Impedanz pro Längeneinheit des Lagermediums mit z^, so ergibt sich eine Abhängigkeit des Stromes i vom Füllstand f(t) zu l =

f(t)-

Die Änderung der Gesamtkreisimpedanz Z pro Längeneinheitsänderung des Füllstandes f(t) ist durch die spezifische Impedanz zm gegeben. In Funktion des Füllstandes f(t) steigt die Kreisimpedanz Z linear, wobei gilt:

-|r-'gY-z..

Da die Elektrode 7 mit der Oberfläche 5 des Lagermediums nachgeführt werden muss, ergeben sich mit dem beschriebenen Verfahren, bei festen, beispielsweise staub- oder sandförmigen Medien, Schwierigkeiten.

In Fig. 2a ist eine Anordnung dargestellt, welche sich auch zur Füllstandsmessung in elektrisch leitenden, festen Medien eignet. Eine vorgegebene Impedanz ZQ mit schematisch dargestellter, nichtisolierter Oberfläche 11, wird stationär, in Richtung der Füllstandsänderung, durch das Lagermedium 1 geführt und zwar über den gesamten interessierenden Füllstandsbereich. Im Ersatzbild gemäss Fig. 2b präsentiert sich diese Anordnung wie folgt, wobei z0 die Impedanz pro Längeneinheit der im Medium angeordneten Impedanz ZQ bezeichnet und 10 die Gesamtlänge der Impedanz Z0, in Fig. 2a beispielsweise gerade dem maximalen Füllstand entsprechend:

Bei einem beliebigen Füllstand f (t) ragt eine Impedanz ZQ1 aus dem Lagermedium heraus.

Im Lagermedium eingebettet, ist die Impedanz Z02, welche mit der Lagermediumsimpedanz ZM, entsprechend dem Füllstand f(t), parallelgeschaltet erscheint, wobei diese Parallelschaltung in Serie zur herausragenden Impedanz Z01 geschaltet ist.

Es ergeben sich folgende Ausdrücke für die drei erwähnten Impedanzen:

Zoi = (l„-f(t)) • Zo Zq2 = f(t) • z0 ZM = f(t) • zm.

An Anschlüssen 13 der in das Lagermedium eingebetteten Impedanz z„ ergibt sich eine Gesamtimpedanz

Z,ot —

ZfM ' Zv

ZQ2 + Z,

+ Z,

M

'Ol-

Daraus ist ersichtlich, dass die Gesamtimpedanz vornehmlich vom Füllstand f (t) und der spezifischen Impedanz z0 abhängig ist. Wie aus dem Diagramm von Fig. 2e ersichtlich, wird die Steigung y der linearen Abhängigkeit zwischen Füllstand f (t) und Ztot mit tgY = z0

vornehmlich von der mediumsunabhängigen, ins Medium eingeführten und vorgebbaren Impedanz abhängig ist.

Gemäss Fig. 3 kann die Impedanz Z0, welche insbesondere bei ihrer Verwendung in festen Lagermedien, unter Umständen ausserordentlich grossen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt ist, auf einem formstabilen Haltestab 15 als Schicht, beispielsweise als aufgedampfte Widerstandsschicht 17, ausgeführt sein.

In Fig. 4 ist schematisch dargestellt, wie die Impedanz ZQ 5 aus einzelnen Impedanzelementen Z1 bis Zn aufgebaut ist, wobei herkömmliche, in sich isolierte Bauteile, seriegeschaltet sind, welche jedoch bekannterweise an ihren Anschlussleitungen 19 nicht isoliert sind. Durch diese Anordnung ergibt sich eine diskontinuierliche Füllstandserfassung, indem die erschei-10 nende Gesamtimpedanz nun lediglich eine Funktion davon wird, wieviele der nichtisolierten Verbindungspartien 20 von Anschlussleitungen 19 durch das Medium abgedeckt sind. Durch das Vorsehen einer grösseren Anzahl n von Impedanzelementen zx mit entsprechend kurzer axialer Ausdehnung, 15 kann jedoch auf diese Art und Weise unter Verwendung handelsüblicher Bauteile eine praktisch kontinuierliche Füllstandserfassung realisiert werden, wobei die Füllstandsunsicherheit, insbesondere bei der Verwendung in grossen Behältnissen wie Silos, mit Bezug auf die erfolgenden Füllstandsveränderungen 20 praktisch vernachlässigbar ist. Die Isolation der Einzelelemente ist in Fig. 4 bei 21 schematisch angedeutet.

Um die Anordnung gemäss Fig. 4 wiederum vor mechanischer Beeinträchtigung zu schützen, werden die einzelnen serie-25 geschalteten Impedanzelemente Zx(x =1 ... n) gemäss Fig. 5 in einem Schutz- und Halterungsrohr 23 angeordnet, welches aus einem isolierenden Material, beispielsweise aus Kunststoff gefertigt ist. Damit das Lagermedium 1 entsprechend seiner Füllstandshöhe f(t), (Fig. 2) Impedanzelemente Z* überbrücken 30 kann, sind sie durch ihre Verbindungsstellen 20 durch metallische Kontaktstücke 25 radial nach aussen an die Aussenperi-pherie des Rohres 23 geführt, wo sie auf Kontaktflächen 27 münden. Die Kontaktflächen 27 können dabei beispielsweise ringförmig um die Rohrperipherie angeordnete, z.B. eingelasse-35 ne, Metallstreifen umfassen oder auf das Rohr 23 aufgeklebt oder aufgedampft sein.

In Fig. 6 ist eine konkrete Ausführungsform der Füllstandsmessonde, grundsätzlich in Analogie zu der schematisch dargestellten von Fig. 5, aufgezeigt. Wie noch ersichtlich sein wird, 40 weist sie den grossen Vorteil auf, dass beide Impedanzanschlüsse 13 am nicht ins Lagermedium 1 eingeführten Sondenende abgreifbar sind. In einem als Halterungs- und Schutzelement wirkenden doppelwandigen Rohr 29 aus isolierendem Material, vorzugsweise aus Kunststoff, ist in der zwischen äusserer und 45 innerer Rohrwandung 31 resp. 33 aufgespannten Zwischenkammer 35 eine Mehrzahl achsial angeordneter, seriegeschalteter Widerstandselemente Rx bis Rn angeordnet. Die Zwischenkammer 35 ist durch eine Mehrzahl zum Rohr koaxial angeordneter, leitender Ringscheiben, vorzugsweise Metallringe 37a bis 50 37n) in einzelne achsiale Kammernsegmente 35a bis 35n unterteilt. Die Ringscheiben 37x ragen durch die äussere Rohrwandung 31 durch und sind somit von aussen kontaktierbar.Durch sie wird auch die äussere Rohrwandung 31 in achsiale Wandungssegmente unterteilt. Die Widerstandselemente Rx sind mit 55 ihren Anschlüssen 39 je mit einer der Scheiben 37x verbunden, beispielsweise verlötet, derart, dass durch besagte Scheiben 37x eine elektrische Serieschaltung besagter Widerstandselemente Rx erstellt ist. Die Widerstandselemente Rx sind in isolierendes Füllgut 41 eingebettet, das in die Zwischenkammer 35 resp. 60 deren Segmente 35x eingebracht ist und beispielsweise durch eine Kunstharzmasse gebildet ist. In einer durch das doppelwan-dige Rohr 29 gebildeten Zentrumskammer 43 ist ein Metallkern, vorzugsweise ein Stahlkern 45, angeordnet. Eine endständige Scheibe 37n ist mittels einer metallischen Verbindungs-65 scheibe 47 elektrisch mit dem Stahlkern 45 verbunden, wobei letzterer, beispielsweise mittels einer Mutter 49, mit dem Rohr 29 verbunden ist. Elektrische Anschlüsse 13 sind einerseits mit dem dem Sondenende 51 entgegengesetzt gelegenen Ende des

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Stahlkernes 45 und anderseits mit dem gleichgelegenen An-schluss eines ersten Widerstandselementes, beispielsweise Rj verbunden, derart, dass eine Serieschaltung von Widerstandselementen Rx, Scheiben 37x, Verbindungsscheibe 47, Stahlkern 45 gebildet wird und die Sonde vom aus der Oberfläche 5 des Füllmediums 1 herausragenden Ende her elektrisch gespiesen werden kann. Der Stahlkern 45 wirkt als mechanisches Halteelement und gleichzeitig als elektrische Zuleitung für das endständige Widerstandselement Rn. Dadurch, dass die Widerstandselemente Rx in der Zwischenkammer 35 des Rohres 29 angeordnet sind, sind sie vor mechanischer Beschädigung geschützt, wobei die Scheiben 37x ihre Überbrückung durch die dem Füllstand entsprechenden Mediumsteilimpedanzen, wie dies gestrichelt in Fig. 6 dargestellt ist, ermöglichen.

Die Füllstandsmessonde kann mit Wechselspannung oder Gleichspannung betrieben werden und anstelle der Widerstandselemente als Impedanzsegmente können komplexe Impedanzelemente Verwendung finden. Die Auswertung der Impedanzveränderungen erfolgt in bekannter Art und Weise, beispielsweise durch Spannungsmessung an einem seriegeschalteten Normwiderstandselement. Die hier abgegriffene Spannung kann dann z.B. einer Mehrzahl schwellwertsensitiver Verstärkerelemente, beispielsweise als Schmittrigger geschalteter Operationsverstärker mit unterschiedlichen Schaltspan-nungspegeln oder einem AID-Wandler zugeführt werden. Durch solche bekannte Elemente werden optische und/oder akustische Anzeigen getrieben, beispielsweise eine LED-Di-s odenanordnung zur Sichtbarmachung des momentanen Füllstandes. Auf die Ausbildung der Auswerteelektronik wird nicht weiter eingegangen, da sich zu deren Realisation dem Fachmann eine Vielzahl bekannter Möglichkeiten anbietet. Durch die beschriebene Messonde, welche sich auch für die Füllstands-io erfassung von festen Lagermedien, beispielsweise von Kohle für die Fertigung von Aluminiumelektrolyse-Elektroden eignet, und welche die Füllstandserfassung in grossräumigen Lagerbehältnissen, beispielsweise Silos ermöglicht, wird eine konstruktiv einfache und deshalb auch robuste und relativ preisgünstige 15 Vorrichtung geschaffen. Sie ermöglicht die Erfassung des Füllstandes mit konventioneller Elektronik, so dass auch von diesem Gesichtspunkt her, die Erstellungskosten relativ gering gehalten werden können. Je nachdem, ob beispielsweise gemäss Fig. 6 bezüglich ihres Widerstandswertes gleiche Widerstands-2c elemente Rx gewählt werden, oder deren Werte entsprechend abgestuft werden, kann die erfasste Ausgangsgrösse, beispielsweise der Sondenstrom, in Abhängigkeit des Füllstandes mehr oder weniger linearisiert werden.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

632 089 PATENTANSPRÜCHE

1. Füllstandsmessonde für ein elektrisch leitendes Medium mit längs einer geometrischen Achse ausgedehnter Impedanz in einem Mantel zum Einführen in das zu überwachende Medium, welches je nach Füllstand Partien der Impedanz wenigstens nahezu kurzschliesst, gekennzeichnet durch:

a) die Impedanz (Zo) ist von einem elektrisch isolierenden, gegenüber dem Medium dichten Aussenmantel (23) umschlossen,

b) der Aussenmantel weist im wesentlichen radial ausgerichtete, jeweils galvanische Kontaktflächen (20,25,27) zwischen Mantelaussenseite (23) und Impedanz bildende galvanische Kontaktpartien (19,20) entlang seiner axialen Ausdehung auf.

2. Füllstandsmessonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz eine Mehrzahl umhüllter Impedanz-Elemente (Zj -Zn; Rt - Rn) umfasst.

3. Füllstandsmessonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung ein doppelwandiges Rohr (29) bildet, dessen Aussenwandung (31) mindestens teilweise aus isolierendem Material besteht, während die Innenwandung durch einen formstabilen, vorzugsweise metallischen Körper (45) gebildet ist.

4. Füllstandsmessonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Zentrumsraum des Rohres (29) ein Metallkern (45) angeordnet ist und die Impedanz in einer durch das doppelwandige Rohr gebildeten, im Querschnitt ringförmigen Kammer (25) angeordnet ist.

5. Füllstandsmessonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallkern (45), vorzugsweise aus Stahl, an einer Isolationsschicht (33), vorzugsweise aus Kunststoff, mindestens entlang seiner Axialausdehnung anliegt und die Impedanz (Rx - Rn) in isolierendem Füllmaterial (41), vorzugsweise Kunstharz, eingebettet ist.

6. Füllstandsmessonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Partien der Impedanz je auf radial im Rohr (29) angeordnete leitende Scheiben (37), vorzugsweise Metallscheiben, geführt sind, welche die Aussenwandung (31) des Rohres axial in Segmente unterteilen.

7. Füllstandsmessonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Zuführung für einen sondenend-ständigen Impedanzanschluss durch das Rohr (23,29) geführt ist.

8. Füllstandsmessonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein sondenendständiger Impedanzanschluss mit dem eine elektrische Zuführung für den Impedanzanschluss bildenden Kern (45) verbunden ist.