DE2415640A1 - Kapazitiver fuehler zur ermittlung der anwesenheit einer fluessigkeit - Google Patents

Kapazitiver fuehler zur ermittlung der anwesenheit einer fluessigkeit

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Description

Reuben V. G us t a f s ο η
in New York (V.St.A.)
Kapazitiver Fühler zur Ermittlung der Anwesenheit einer Flüssigkeit.
Die Erfindung bezieht sich auf Leckfühler und insbesondere auf ein verbessertes Fühlersystem zur Ermittlung von Leckflüssigkeit auf einer ausgedehnten Fläche.
In großen Anlagen elektronischer Geräte wie Computer o. dgl. sind die Geräte üblicherweise auf einen erhöhten Boden angeordnet, und es laufen die die einzelnen Geräte verbindenden Kabel unterhalb dieses Bodens. Dies erleichtert die Verbindung der verschiedenen Einheiten und das schnelle Eingreifen, wenn Schwierigkeiten auftreten. Derartige Geräte erzeugen im allgemeinen eine bedeutende Wärmemenge und sind daher üblicherweise mit einer Klimaanlage ·und einer Kühlung ausgerüstet.
Unter dem Boden sind dabei neben den Verbindungskabeln häufig Rohrleitungen zu finden, die Flüssigkeiten, z.B. das in den Klimaanlagen benötigte Wasser, transportieren. Ein Leck in einer dieser Rohrleitungen wird von dem Bedienungspersonal wegen des erhöhten Bodens nicht sofort entdeckt werden. Wenn ein derartiges Leck dann doch festgestellt wird, kann es schon dazu geführt haben, daß eine zur Überdeckung der Kabel ausreichende Menge von Wasser sich unter dem Boden angesammelt hat. Dies kann schwerwiegende Probleme hervorrufen und auch die Decke und die
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Geräte' auf dem darunterliegenden Stockwerk beschädigen. Außerdem kann die Flüssigkeit sich einen Weg in die elektronische Ausrüstung bahnen und ernsthafte Schaden hervorrufen. Es ist dahejTwichtig, daß in dem Bereich unterhalb des erhöhten Bodens irgendeine Art von Leckermittlungsvorrichtung installiert wird, die jedes Leck an den flüssigkeitsführenden Rohrleitungen, die dort verlegt sind, ermittelt. Da die in Rede stehenden Anlagen normalerweise recht ausgedehnt sind und ein Leck irgendwo innerhalb des gesamten Bereichs unterhalb des erhöhten Bodens auftreten kann, muß eine solche Fühlereinrichtung in der Lage sein, Lecks in einem ausgedehnten Bereich zu entdecken. Die bekannten Leck- oder Feuchtigkeitsdetektoren konnten nur ein Leck oder Feuchtigkeit auf einer kleinen Stelle feststellen. Es würde natürlich möglich sein,einen ausgedehnteren Bereich durch Einbau einer großen Anzahl derartiger Vorrichtungen zu erfassen. Diese Lösung jedoch ist teuer und schwerfällig. Es besteht daher ein Bedarf für ein einheitliches System, welches Lecks in'ausgedehnten Bereichen feststellen kann.
Eine bekannte Art der Ermittlung der Anwesenheit einer Flüssigkeit wie z.B· Wasser besteht in der Anwendung kapazitiver Fühler. Allgemein gesprochen, wird der kapazitive Fühler an einen Oszillator irgendeiner Art angeschlossen, "-und die Änderungen der Frequenz oder «des Stroms werden ermittelt und liefern ein Ausgangssignal, welches entweder die Anwesenheit einer- Flüssigkeit oder den Feuchtigkeitsgehalt darstellt. Ein typisches System dieser Art ist in der USA-Patentschrift 3 710 244 beschrieben. In diesem System ist ein Hochfrequenzoszillator über einen Transformator an einen kapazitiven Fühler angeschlossen. Es ist eine Anzeigeschaltung vorhanden, die auf ein Anzeigegerät wirkt, um den Feuchtigkeitsgehalt anzuzeigen und ein Signal
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für einen Regler zu liefern, der ein Ventil steuert. Jedoch ist wie in anderen bekannten Systemen auch dieser Fühler von begrenzter Größe und nicht in der Lage, das Problem zu lösen, daß sich bei der Ermittlung von Lecks unter erhöhten Böden stellt. Andere kapazitive Fühlersysteme sind zur Messung von Flüssigkeitsständen verwendet worden. Ein derartiges System wird von der Firma Amiprodux, Inc. in New York, New York geliefert. In einer der vor-. erwähnten USA-Patentschrift ähnlichen Weise ist ein kapazitiver Fühler an einen Hochfrequenzoszillator angekoppelt und mit einer Anzeigeschaltung verbunden, die Strom oder Spannung anzeigt, die sich mit den Kapazitätsänderungen ändern. Die Fühler in derartigen Systemen liefern entweder ein Ausgangssignal für ein Anzeigegerät, welches den Stand eines Flüssigkeitsniveaus anzeigt, oder sie.umfassen eine übliche Auslöseschaltung, 'die bei einer bestimmten Spannung oder einem bestimmten Strom, die einen besonders hohen oder niedrigen Flüssigkeitsstand anzeigen, auslöst. Bei diesem System wie auch bei anderen bekannten Systemen ist der kapazitive Fühler zur Verwendung in vertikaler Anordnung in einem Tank Or dgl. konstruiert und nicht sonderlich für die Entdeckung eines Lecks auf großen Bereichen eines Bodens geeignet. Ersichtlich besteht demnach ein Bedürfnis nach einem Fühlersystem, welches zur Ermittlung von Lecks auf einem Boden o. dgl. dienen kann.
Die vorliegende Erfindung schafft ein kapazitives Fühlersystem, welches wirksan ein Flüssigkeitsleck über große Bereiche entdecken kann. Der Fühler umfaßt zwei parallele Drähte, die mit Kunststoff wie Polyäthylen, Polyvinylchlorid oder Polytetrafluoäthylen umhüllt sind und durch Stegteile auf Abstand^ gehalten werden, die aus dem gleichen Material bestehenj^'sö^daß sich eine flache Kabelanordnung ergibt, die auf einfache und praktische Weise auf
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dem Boden installiert werden kann, auf dem das Leck ermittelt werden soll. Im Betriebszustand wird ein Leck auf dem Boden dazu führen, daß Flüssigkeit die Zwischenräume zwischen den beiden Drähten, wo die Stege nicht vorhanden sind, ausfüllt und somit die dielektrische Konstante zwischen den beiden Drähte verändert und die Gesamtkapazität des Fühlers verändert. Dies führt zu einer Änderung des Stroms durch diesen Kondensator, der von einer üblichen Anzeigeschaltung ermittelt und zur Lieferung eines Alarmsignals verarbeitet wird. Beispielsweise kann bei einem Abstand der Drähte von etwa 19 mm ein Leck in einem Fühler von mindestens 21 m Länge entdeckt werden, wenn der Fühler nur auf einej&änge von ungefähr ■· JO cm " Wasser in den offenen Zwischenräumen hat. Durch geeignete Auswahl des Drahtabstandes als Funktion der Länge sind Fühlerlängen von über 30 m möglich.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Fig. 1 ist ein Blockschaltbild des Fühlersystems der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnittes des Fühlers der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ist ein Grundriß einer typischen Ausführung des Systems mit dem Fühler der Erfindung;
Fig. 4 ist eine" perspektivische Ansicht, aus der die Art und Weise hervorgeht, in der der Fühler der Erfindung auf dem Boden befestigt werden kann; Fig. 5 ist ein Blockschaltbild eines Alarmsystems:
Fig. 1 zeigt in schematischer'Form das Fühlersystem der vorliegenden Erfindung. Ein Radiofrequenzoszillator 11 liegt mit seinem Ausgang in einem Schaltkreis, der durch die umhüllten, Abstand aufweisenden Drähte 13 mit den öffnungen 19 gebildet ist. Die Kapazität zwischen den
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Drähten 13 ist gegeben durch:
KA
worin K = die Elektrizitätskonstante A = Drahtfläche
D = Drahtabstand. .
Die Kapazität ist somit eine Punktion der die Elektrizitätskonstante K des Materials zwischen den beiden Drähten. Die Impedanz des durch die Drähte I3 gebildeten Kondensators ist gegeben durch
Xc =
2-rrfC.
Bei Änderungen der Kapazität werden die Impedanz und der Strom durch den Kondensator ebenfalls geändert. Wenn somit Wasser in die Zwischenräume zwischen&en beiden Drähten gelangt, die davor durch Luft getrennt waren, ändern sich die Dielektrizitätskonstante und damit die Kapazität und mit dieser der durch den Kondensator fließende Strom. Diese ■ Stromänderung wird durch den Detektor und Verstärker 14 festgestellt, der einen Detektorkreis auslöst, der ein Ausgangssignal für die noch zu bezeichnende Alarmvorrichtung 15 liefert. Die Schaltungen der Blöcke 11,14 und 15 sind bekannt und werden daheyhicht beschrieben. Wie schon erwähnt, kann ein die Schaltungen enthaltendes Gerät von der Firma Amiprodux,Ine. in New York bezogen werden.
Die Ausbildung des Fühlers der entsprechenden Erfindurg ist in seiner Grundform in Fig. 2 dargestellt. Die beiden Brähte I3 sind mit Kunststoff (beispielsweise Polyäthylen, Polyvinylchlorid oder Polytetrafluoräthylen) o. dgl. umhüllt, wobei abstandhaltende Stege 17 vorgesehen
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sind, die einen konstanten Abstand der beiden Drähte 13 aufrechterhalten. Der ganze Fühler kann in einem Stück geformt oder extrudiert werden oder aber auch in einer anderen geeigneten Weise hergestellt werden und bildet ein im wesentlichen flaches flexibles Kabel, welches leicht auf die noch zubeschreibende Weise auf dem Boden angebracht werden kann. Die abgelegenen Enden des Fühlers 18 werden isoliert, um einen Stromfluß zwischen den Drähten 13 an den Enden im Fall eines versehentlichen Kurzschlusses zu verhindern. Der Stromfluß in der Schaltung ist gering, und es besteht keine Gefahr für das Bedienungspersonal. Ein Kurzschluß jedoch würde die Alarmvorrichtung auslösen. Wenn keine Flüssigkeit sich auf dem Boden befindet, ist die Kapazität des Fühlers 18, der in jeder beliebiger Länge hergestellt werden kann, durch die Variablen d, d.h. den Abstand zwischen den Drähten IJ, durch A, die Schnittfläche der Drähte 13,und durch die dielektrischen Konstanten der Luft und des Stegmaterials zwischen den Drähten 13 bestimmt. A, die Schnittfläche, ist eine Funktion der Länge des Drahtes und seines Durchmessers. Ersichtlich kann bei längeren Abmessungen des Fühlers 18 die Kapazität durch Erhöhung des Wertes d, d.h. des Abstandes zwischen den beiden Drähten 13, konstant gehalten werden. Nach Anbringung des Fühlers 18 auf einem trockenen Boden, kann der Detektor 14 der Fig. 1 so justiert werden, daß noch kein Alarmsignal geliefert wird. Wenn nun ein Leck auftritt und einige der Zwischenräume 19 der Fig. 2 Wasser enthalten, ändert sich die dielektrische Konstante K und führt eine Änderung der Kapazität herbei, so daß die resultierende Stromänderung durch den Detektor 14 festgestellt und ein Ausgangssignal der Alarmvorrichtung 15 der Fig. 1 zugeleitet werden kann. Wasser hat eine Dielektrizitätskonstante von 81, wogegen Luft eine Dielektrizitätskonstante von 1 aufweist. Die Änderung wird daher beträchtlich sein. Die Ausbildung des
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Fühlers, bei der ein wesentlicher Teil des Zwischenraumes, zwischen den Drähten 13 offen ist, um die Ersetzung der Luft durch Wasser zu gestatten, ist kritisch, falls das System Wasser auf einem -geringen Teil seiner vollen Länge feststellen soll. In ähnlicher Weise ist die Einhaltung des richtigen Abstandes nicht unwichtig, und es sollte ein Minimalabstand von 19 mm verwendet werden, wenn relativ lange Fühler zum Einsatz kommen.
Fig. 3 zeigt eine typische Anbringungsanordnung mit dem Fühlersystem der Erfindung. Zwei Transmitter 11 (Radiofrequenzoszillatoren) versorgen zwei separate Fühler 21 Und 23, die eine große Fläche unter beispielsweise einem Computerboden erfassen. Die beiden Transmitter 11 sind dann über eine Leitung 25 mit der Detektor- und Alarmschaltung 27 verbunden, die entsprechend der vorbeschriebenen Art und Weise ausgebildet ist.
Fig. 4 zeigt die Art und Weise, in der der Fühler auf dem Boden so befestigt werden kann, daß er elektrisch isoliert und davor geschützt ist, daß während des Einbaus oder der Bewegung von Geräten auf ihn getreten oder er anderweitig beschädigt wird. Der Fühler 29 ist flach auf dem Boden angeordnet. Über ihm ist ein Schutzkanal J>1 vorgesehen, der mit einem offenen Abstand von etwa 6 mm vom Boden ferngehalten ist, wie es durch das Maß 33 angedeutet ist. Sowohl der· Schutzkanal 31 als auch der Fühler 29 werden durch Befestigungsbügel: 39 auf dem Boden niedergehalten, die mit Abstand längs des Schutzkanals 3I und des Fühlers 29 angebracht sind. An jedem Befestigungspunkt ist der Fühler 29 mit einem Streifen 35 aus Kunststoff o. dgl. überdeckt, um ihn flach auf dem Boden zu halten. Zu beiden Seiten des Fühlers 29 ist unter dem Schutzkanal 31 je ein Abstandsstück 37 vorgesehen, welches den Abstand von etwa 6 mm vom Boden aufrechterhält. Der Kunststoffstreifen 35 ist zwischen dem Boden und den Abstandsstücken
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37 festgehalten, die wiederum den Fühler 29 festlegen.
• Die Kanten des Schutzkanals 31 liegen auf einem Teil der Abstandsstücke 35 auf. Über dem Schutzkanal 31 und den Abstandsstücken 37 ist ein Befestigungsbügel 39 angeordnet, der zusammen mit den Abstandsstücken durch Gewindebolzen 41 befestigt ist, die durch Bohrungen in dem Befestigungsbügel 39 und den Abstandsstücken 37 hindurchgreifen und in den Boden eingetrieben oder eingeschraubt sind. Die Abstandsstücke 37, der Schlitzkanal 31 und der Befestigungsbügel 39 können aus Kunststoff oder Metall bestehen. Kunststoff ist vorzuziehen, um Effekte zu vermeiden, die Metall auf den Fühler 29 haben könnte. Obwohl nur ein Satz von Befestigungsgliedern mit den Abstandsstücken 37* dem Befestigungsbügel 39 und den Bolzen 41 dargestellt ist, sollen diese in Abständen vorgesehen sein, um die nötige Abstützung für den Schutzkanal 31 und den Fühler 29 zu liefern. Der offene Abstand 33 in den Abschnitten zwischen dem Befestigungsbügel 39 und den Abs tands stücke η 3? läßt es zu,, das Wasser oder andere Flüssigkeiten, die aus einem Leck auf den Boden fließen, unter den Schutzkanal 31 eindringt und mit dem Fühler 29 in der beschriebenen Weise in Wechselwirkung tritt. Der Schutzkanal 31 und die Befestigungsbügel 39 und Abstandsstücke 37 bilden eine bauliche Abstützung, um den Fühler 29 an Ort und Stelle halten und ihn nach der Anbringung zu schützen.
Fig. 5 zeigt in vereinfachter Form eine Alarmvorrichtung, die zusammen mit der Erfindung verwendet werden kann. Der Detektor 14 der Fig. 1 liefert ein Ausgangssignal auf
die Leitung 15* wenn das Vorhandensein von Flüssigkeit ermittelt worden ist. Die Leitung 15 ist über einen Kondensator 51 an ein Verriegelungsrelais 53 gekoppelt, welches in Abhängigkeit von dem Eingangssignal Leistung einer Alarmglocke 55 zuführt. Die Leitung 50 betätigt auch noch ein Relais 57* welches einen Indikator 59 betreibt. Das Relais
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53 ist über einen Schalter 61 geerdet. Wenn ein Leck festgestellt worden ist, schlägt die Alarmglocke 55 an und leuchtet die Lampe 59* die auch in der üblichen Weise als Blinklampe ausgebildet sein kann auf. Eine Betätigung des Schalters 61 schaltet die Alarmglocke 55 ab, doch wird die Lampe 59 anbleiben, bis. der Fühler .getrocknet ist und das Signal auf der Leitung 15 auf seinen normalen Wert zurückkehrt und das Relais 57 abfallen läßt.
In einer Anlage, in der dieses System mit einem Fühler mit 19 mm Drahtabstand und einer Lange von ungefähr 21 m eingesetzt wurde, war das System in der Lage, ein Leck zu entdecken, wenn Wasser auf einem Fühlerabschnitt von etwa 3 Q cm Länge zugegen war. Wie schon erwähnt, sind längere Fühler möglich, wenn der Abstand zwischen den Drähten in dem flachen Fühler erhöht wird.
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Claims (12)

Reuben V. Gustaf son in New York (V.St.A.) Patentansprüche.
1. Kapazitiver Fühler zur Ermittlung der-Anwesenheit einer Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (18,29) ein flaches-Kabel mit zwei von isolierendem Material umhüllten Drähten (13) umfaßt, die durch mehrere Abstand voneinander aufweisende und sich von der Umhüllung des einen Drahtes (I3) zur Umhüllung des anderen Drahtes (13) erstreikende Stege (I7) im wesentlichen parallel zueinander gehalten sind, so daß auf einer wesentlichen Länge des Kabels zwischen den umhüllten Drähten (I3) offene Zwischenräume (I9) bestehen und bei Anwesenheit von Flüssigkeit in den Zwischenräumen (I9) eine Änderung der Kapazität eintritt, und daß die Drähte (13) an einem Ende aus der Umhüllung zum Anschluß an eine auf Kapazitätsänderungen ansprechende Einrichtung hervorstehen, während sie am anderen Ende isoliert sind.
2. Kapazitiver Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung und die Stege (I7) einstückig sind.
3. Kapazitiver Fühler nach Anspruchl oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung und die Stege (17) aus Kunststoff bestehen.
4. Kapazitiver Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Stege (17) dadurch geformt sind, daß bei den umhüllten und durch einen
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durchgehenden Steg verbundenen "'Drähten (13) bestimmte Teile des Steges weggeschnitten sind, um die mehreren Stege (17) mit dazwischen belassenen Zwischenräumen (19) zu bilden. -
5. Kapazitiver Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (I7) untereinander über die Länge des Kabels gleichen Abstand haben.
6. Kapazitives Fühlersystem mit einem kapazitiven Fühler nach den Ansprüchen 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß bei einem auf einem Boden zur Ermittlung auf den Boden entweichender Flüssigkeit angebrachten Fühler (29) über dem Fühler (29) ein Schutzkanal (3I) angebracht ist, der den Fühler (29) am Boden hält und am Boden durch eine Anzahl von Befestigungsgliedern (37*39*41) angebracht ist, die den Schutzkanal (31) vom Boden fernhalten, so daß Flüssigkeit den Fühler (29) erreichen kann.
7· Kapazitives Fühlersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsgiieder auf den einander gegenüberliegenden Seiten des Fühlers (29) angebrachte Abstandsstücke (57) umfassen, auf .denen der Schutzkanal (31) aufliegt, daß Befestigungsbügel (39) vorgesehen sind, die den Schutzkanal (31) übergreifen und auf den Abstandsstücken (37) aufliegen, und daß Befestigungsmittel vorgesehen sind, die auf jeder Seite die Befestigungsbügel (39) und die Abstandsstücke (37) durchgreifen und in den Boden eingreifen sowie die-Befestigungsbügel (39), die Abstandsstücke (37) und den Schutzkanal (3I) festlegen.
8. Kapazitives Fühlersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsmittel Schraubbolzen (41) sind.
9· Kapazitives Fühlersystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Streifen (35) aus dünnem Kunststoff vorgesehen ist, der sich zwischen dem ersten Abstandsstück (37) und dem Boden, tfcer den Fühler. (29) und
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zwischen dem zweiten Abstandsstück (37) und dem Boden erstreckt und den Fühler (29) festlegt.
10. System"zur Ermittlung des Vorhandenseins einer Flüssigkeit, gekennzeichnet durch folgende Merkmaler
a) eine auf Kapazitätsänderungen ansprechende Einrichtung (14), die bei einer vorbestimmten Änderung ein eine Alarmvorrichtung (15) in Gang setzendes Ausgangssignal liefert;
b) ein kapazitiver Fühler (18,29) mit zwei Drähten
(13) die von isolierendem Kunststoff umhüllt sind, die sich außerdem in Abständen auch zwischen den Umhüllungen der Drähte (13) erstreckt und diese im wesentlichen parallel zueinander hält, so daß sich ein flaches Kabel mit/offenen Zwischenräumen (I9) zwischen den umhüllten Drähten (I3) ergibt, wobei die Drähte (I3) an einem Ende aus den Umhüllungen vorstehen und an die auf Kapazitätsänderungen ansprechende Einrichtung (14) angeschlossen sind;
c) Mittel (31;37,39,4l), die das flache Kabel im wesentlichen flach auf dem Boden halten, so daß Leckflüssigkeit in mindestens einige der offenen Zwischenräume (19) des Kabels eintritt und dessen Kapazität ändert, was von der auf Kapazitätsänderungen ansprechenden Einrichtung
(14) festgestellt wird und zu einem das Leck anzeigenden Alarm führt.
11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Fühler (18,29) auf einem unteren Boden unter einem erhöhten Boden angeordnet ist, auf welch letzterem elektronische Geräte aufgebaut sind, deren Verbindungskabel auf dem unteren Boden aufliegen.
12. System nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Alarmvorrichtung eine akustische Alarmvorrichtung (55)* eine optische Alarmvorrichtung (59) sowie eine Einrichtung (53>6l;57) umfaßt, mittels deren die akustische Alarmvorrichtung (55) abgeschaltet'werden kann,
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während die optische Alarmvorrichtung in Betrieb bleibt, bis der Fühler (18,29) trocken ist.
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DE2415640A 1973-04-02 1974-03-30 Kapazitiver Fühler zur Ermittlung der Anwesenheit einer Flüssigkeit und entsprechende Befestigungsanordnung Expired DE2415640C2 (de)

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