DE2819731C2 - Anordnung zur kapazitiven Füllstandsmessung in einem Behälter - Google Patents

Description

ten des Niveaus auch bei leitenden, stark anhaftenden Medien ohne die bei sehr hohen Frequenzen im UHF-Bereich auftretenden Schwierigkeiten möglich ist Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a) eine an den einen Pol der Meßspannungs- bzw. Meßstromquelle angeschlossene Meßelektrode und eine an den zweiten Pol der Meßspannungs- bzw. Meßstromquelle angeschlossene Zusatzelektrode;

b) der Meßwandler ist mit seinem einen Eingang an den Pol und mit seinem anderen Eingang an die Bezugselektrode angeschlossen;

c) die Meßsonde besteht aus der Meßelektrode und der zwischen der Bezugselektrode und der Meßelektrode und diesen gegenüber elektrisch isoliert angeordneten Zusatzelektrode

gelöst

Das Prinzip der Erfindung besteht darin, die von der Meßelektrode über den leitenden Überzug fließenden Ströme von der Erfassung in einer Meßeinrichtung auszuschließen. Die nicht zu beseitigenden Ströme über den leitenden Oberzug werden deshalb nicht bei der Müllstandsmessung erfaßt Die Meßelektrode liegt auf dem hohen Potential des einen Polys der Meßspannungs- bzw. Meßstromquelle. Daher fließt ein hoher Blindstromanteil über die Meßelektrode zur Bezugselektrode. Je nach der Stärke des Überzugs und der Leitfähigkeit des Mediums im Behälter sowie der Länge der Zusatzelektrode kann auch der zur Zusatzelektrcde fließende Anteil des Strom groß sein. Dieser Anteil gelangt jedoch nicht zum Meßwandler. Da die Zusatzelektrode nahezu das gleiche Potential wie der zweite Pol der Meßspannungs- bzw. Meßstromquelle hat, ist der von der Zusatzelektrode zur Bezugselektrode fließende Strom, der über den Meßwandler zurückfließt, gegenüber dem auf der Kapazität der Meßelektrode und der Bezugselektrode beruhenden Strom sehr klein. Daher ist der Einfluß des über die Zusatzelektrode zur Bezugselektrode fließenden Strom auf die Messung so gering, daß er für die Genauigkeit nicht ins Gewicht fällt Mit der oben erläuterten, konstruktiven einfachen Anordnung kann somit die Höhe des Füllstands von elektrisch leitenden, eine starke Adhäsion aufweisenden Medien genau festgestellt werden. Eine mit großem Aufwand verbundene Erhöhung der Frequenz ist nicht notwendig, die Anordnung läßt sich deshalb wirtschaftlich herstellen.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist die Bezugselektrode die Behälterwand. Bei Ausnutzung der leitenden Behälterwand als Bezugselektrode ergibt sich eine relativ große Kapazität, deren Änderungen durch unterschiedliche Füllstandshöhen zu entsprechend gro-Ben Stromänderungen führen, die sich leicht feststellen lassen. Für den über den leitfähigen Überzug fließenden Strom ist dabei die Länge der Meßsonde von großer Bedeutung. Durch die Zusatzelektrode und ihre oben dargelegte schaltungstechnische Verbindung wird der Einfluß des durch den Überzug fließenden Stroms auf die Messung so stark reduziert daß auch kurze Sonden, die große Ströme im Überzug hervorrufen, verwendet werden können.

Vorzugsweise sind die Meßelektrode und die Zusatzelektrode von einer elektrisch isolierenden Schicht überzogen. Diese Anordnung eignet sich insbesondere für die Überwachung des Füllstands von Medien, die eine sehr große Leitfähigkeit aufweisen. Weiterhin wird mit dieser Anordnung der von der Meßelektrode über den elektrisch leitenden Überzug zur Bezugselektrode fließende Strom erheblich vermindert Die Größe dieses Stroms hängt nicht nur vom Ohmschen Widerstand des leitenden Überzugs, sondern auch von der Kapazität zwischen der Meßelektrode und dem leitenden Überzug ab.

Bei einer günstigen Ausführungsform weist die Meßelektrode gegenüber der Zusatzilektrode eine geringere Längenausdehnung auf. Mit dieser Anordnung können Grenzwerte von Füllständen genau überwacht werden. Der Grenzwert ist jeweils durch die Höhe der Zusatzelektrode festgelegt

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Meß- und die Zusatzelektrode als Hohlzylinder von gleichem Durchmesser ausgebildet sind und daß die aus Meß- und Zusatzelektrode bestehende zylindrische Meßsonde an einem Ende der Zusatzelektrode in die Behälterwand eingeschraubt ist Diese Anordnung zeigt einen kostruktiv einfachen Aufbau. Die Sonde läßt sich daher wirtschaftlich herstellen.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Meßelektrode als Massiv- und die Zusatzelektrode als Hohlzylinder ausgebildet und die derartige zylindrische Meßsonde ist an einem Ende der Zusatzelektrode in die Behälterwand eingeschraubt Auch diese Anordnung ist konstruktiv einfach gebaut und daher wirtschaftlich herstellbar.

Vorzugsweise sind der erste und zweite Pol der Meßspannungs- bzw. Meßstromquelle die Enden der Sekundärwicklung eines Übertragers, dessen Primärwicklung von einem Oszillator gespeist wird. Mit dem Übertrager kann die Größe der Spannung bzw. des Stroms in dem die Meßelektrode enthaltenden Stromkreis den Impedanzen und den vom Meßwandler abhängigen Bedingungen angepaßt werden.

Vorzugsweise ist der Meßwandler ein Stromwandler. Mit dem Stromwandler kann die Änderung des von der Füllstandshöhe abhängigen Stroms auf einfache Weise genau festgestellt werden. Der Innenwiderstand des Stromwandlers ist dabei sehr klein.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Es zeigen:

F i g. 1 eine Anordnung zur kapazitiven Füllstandsmessung in einem Behälter mit einer Sonde im Längsschnitt und den elektrischen Verbindungen der Sonde,

F i g. 2 die in F i g. 1 dargestellte Anordnung, wobei die elektrischen Kopplungen zwischen den einzelnen Teilen durch Symbole für Widerstände und Kondensatoren erläutert sind,

F i g. 3 ein Schaltbild der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Anordnung mit Symbolen gemäß F i g. 2 in übersichtlicher Form unter Weglassung der mechanischen Einzelteile der Sonde.

Eine Anordnung zur kapazitiven Füllstandsmessung in einem Behälter enthält eine Meßsonde 10, die in eine Behälterwand 12 eingesetzt ist Die Meßsonde 10 besteht aus einer Meßelektrode 14 und einer Zusatzelekirode 16. Die Meß- und die Zusatzelektrode sind hohlzylindrisch ausgebildet und weisen gleiche Durchmesser auf. Die Meßsonde 10 ist nahe an einem Ende der Zusatzelektrode 16 an der Behälterwand 12

befestigt. Vor dem der Behälterwand 12 abgewandten Ende der Zusatzelektrode 16 ist die Meßelektrode 14 angeordnet, deren Stirnfläche von der Stirnfläche der Zusatzelektrode 16 durch eine nicht näher bezeichnete, elektrische isolierende Schicht getrennt ist. Die äußeren Oberflächen der beiden Elektroden 14 und 16 sind ebenfalls von einer elektrisch isolierenden Schicht Ϊ8 bedeckt.

Die Meßelektrode 14 ist über eine Leitung 20 mit dem einen Pol 22 einer hochfrequenten Meßspannungs- bzw. Meßstromquelle verbunden. Die Leitung 20 verläuft entlang der Längsachse der Zusatzelektrode 16. Der zweite Pol 24 der Meßspannungs- bzw. Meßstromquelle ist über eine Leitung 26 an die Zusatzelektrode 16 angeschlossen. Mit dem Pol 24 ist auch der eine Eingang eines Meßwandiers 28 verbunden, dessen anderer Eingang an eine Bezugselektrode angeschlossen ist. Als Bezugselektrode dient die Behälterwand 12, wobei angenommen ist, daß die Behälterwand 12 elektrisch leitend ist. Das zylindrische eine'Ende der Zusatzelektrode 16 ist von einer Verschraubung 30 umgeben, die aus Metall bestehen kann. Von der Zusatzelektrode 16 ist die Verschraubung durch die Isolierschicht 18 getrennt Die Verschraubung 30 ist in eine Gewindebohrung der Behälterwand 12 eingesetzt

Der Meßwandler 28 ist als Stromwandler mit kleinem Innenwiderstand ausgebildet, d.h. er erzeugt einen Gleichstrom bzw. eine Gleichspannung, der bzw. die der Amplitude der seinem Eingang zugeführten Wechselströme proportional ist Die Größe der Ausgangsgleichspannung des Stromwandlers 28 zeigt die Füllstandshöhe in dem nur teilweise dargestellten Behälter an.

In dem die Meßelektrode 14, die Zusatzelektrode 16, den Meßwandler 28 und die Behälterwand 12 enthaltenen Stromkreis ist als Meßspannungs- bzw. Meßstromquelle die Sekundärwicklung 32 eines Übertragers vorgesehen, dessen Primärwicklung 34 von einem Oszillator 36 gespeist wird, der hochfrequente Ströme bzw. Spannungen erzeugt

Die in F i g. 1 gezeigte Anordnung dient zur Grenzwertüberwachung eines nicht näher dargestellten, elektrisch leitenden Mediums im Behälter. Das Medium hat eine große Adhäsion, so daß nach dem Absinken des Behälterinhalts auf ein niedrigeres Niveau an den einmal vom Medium bedeckten Teilen Oberzüge aus dem Medium haften bleiben. Ein solcher Überzug auf der Meßsonde 10 ist mit 40 bezeichnet Da die Sonde 10 einen Grenzwert des Füllstands überwachen soll, ist die Länge der Meßelektrode 14 nur gering. Die Zusatzelektrode 16 ist demgegenüber länger als die Meßelektrode 14.

Der Überzug 40 aus deir. leitenden Medium bedeckt sowohl die Meßelektrode 14 als auch die Zusatzelektrode 16. Er erstreckt sich bis zur Verschraubung 30 und der Behälterwand IZ Für die von der Meßelektrode 14 über den Oberzug 40 zur Behälterwand 12 fließenden Ströme stellt der Oberzug einen Wiederstand dar, der in Fig.2 symbolisch durch die Reihenschaltung von Ohmschen Widerständen 42 dargestellt ist Infolge der Isolierschicht 18 besteht keine galvanische, sondern eine kapazitive Kopplung zwischen der Meß- bzw. Zusatzelektrode 14, 16 und dem Überzug 40. Die kapazitive Kopplung ist in F i g. 2 symbolisch durch eine Reihe von Kondensatoren 44 dargestellt Diese Kondensatoren 44 sind jeweils mit den Elektroden 14, 16 und den Widerständen 42 verbunden.

Die Meßelektrode 14 bildet mit der Behälterwand 12 einen mit 46 bezeichneten Kondensator, dessen Kapazität infolge der veränderlichen Füllstandshöhe ebenfalls veränderlich ist. Darüber hinaus liegt zwischen der Zusatzelektrode und der Behälterwand 12 eine kapazitive Kopplung vor, die durch einen Kondensator 48 dargestellt ist. Zwischen der Leitung 20 und der Zusatzelektrode 16 ergibt sich eine durch einen Kondensator 50 dargestellte Kapazität

Der von der Sekundärwicklung 32 ausgehende Strom fließt über die Leitung 20 zur Meßelektrode 14 bzw.

ίο über den Kondensator 50 zur Zusatzelektrode. Der vom Kondensator 50 bestimmte Teil des Stroms gelangt von der Zusatzelektrode 16 über den Pol 24 zurück zur Wicklung 32. Die Messung beeinflußt dieser Teil des Stroms nicht Der über die Meßelektrode 14 fließende Anteil des Stroms spaltet sich auf. Ein erster Teilstrom gelangt über der. Kondensator 46 zur Bezugselektrode, der Behälterwand 12. Dieser Teilstrom fließt über die Behälterwand 12 und den Meßwandler 28 zurück zum Pol 24 und zur Wicklung 32. Die Höhe des Füllstands im Behälter beeinflußt die Größe des über den Kondensator 46 fließenden Teilstroms. Eine sehr starke Änderung der Kapazität des Kondensators 46 tritt ein, wenn das Medium die Meßelektrode 14 bzw. deren Isolierung berührt. Diese starke Änderung kann mit einem konstruktiv einfach aufgebauten Meßwandler 28 erfaßt und für eine Meldung benutzt werden.

Der Pol 24 ist über den Meßwandler 28 niederohmig an die Behälterwand 12 angeschlossen. Am Meßwandler 28 fällt nur eine sehr geringe Spannung ab. Daher hat die mit dem Pol 24 verbundene Zusatzelektrode 16 nahezu das Potential der Behälterwand 12. Der zwischen der Zusatzelektrode 16 und der Behälterwand 12 über die Kondensatoren 44 und 18 und die Widerstände 42 fließende Strom, der einen Meßfehler verursacht, ist in seinem Einfluß auf die Messung daher unbedeutend.

Während der über die Zusatzelektrode 16 zur Behälterwand 12 abfließende Strom wegen des geringen Potentialunterschieds und der vorhandenen

4n hohen Impedanzen vernachlässigbar klein ist, treibt der zwischen Meß- und Zusatzelektrode 14 bzw. 16 vorhandene größere Potentialunterschied einen entsprechend größeren Strom über die Kondensatoren 44 und die Widerstände 42 zur Zusatzelektrode 16. Dieser Strom gelangt von der Zusatzelektrode 16 über die Leitung 26 zum Pol 24 und zur Wicklung 32. Von besonderer Bedeutung ist hierbei, daß die Ströme, die von der Meßelektrode 14 zur Zusatzelektrode 16 fließen und über die Leitung 26 zum Pol 24 geleitet werden,

so keinen Einfluß auf die Messung mittels des Stromwandlers 28 ausüben.

Die durch den Stromwandler 28 fließenden Meßströme nehmen deshalb nahezu vollständig ihren Weg über den Kondensator 46 und unterliegen dem Einfluß des Füllstands auf die Kapazität Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip ist somit darin zu sehen, die über den leitenden Oberzug 40 fließenden Ströme möglichst von der Erfassung im Stromwandler 28 auszuschließen. Obwohl ein Stromfluß durch den leitenden Oberzug 40 nicht zu vermeiden ist, hat die oben erläuterte Anordnung infolge der Beseitigung des Einflusses dieser Ströme auf die Messung eine hohe Genauigkeit

In Fig.3 ist in übersichtlicher Form ein Schaltbild

dargestellt, aus dem die einzelnen Wege der Teilströme zu entnehmen sind. Es sind nicht alle Widerstände 42 und Kondensatoren 44 aus der F ig. 2 in die Fig.3 übernommen worden. Aus der F i g. 3 geht aber infolge

der Weglassung der konstruktiven Einzelheiten der Sonde 10 klarer als aus Fig.2 hervor, daß der Widerstand des leitenden Überzugs 40 als ein durch hintereinander geschaltete Widerstände gebildeter Spannungsteiler betrachtet werden kann, wobei die Kapazität an die zwischen der Zusatzelektrode 16 und dem Überzug 40 durch an die Verbindungsstellen der

Widerstände angeschlossene Kondensatoren 44 gebildet ist. Von der Meßelektrode 14 fließen Teilströme über diese Widerstände 42 und Kondensatoren 44 zur Zusatzelektrode 16 und zum Pol 24, so daß unmittelbar am Einschraubteil 30 nahezu kein Potential gegen die Behälterwand 12 und daher auch kein Fehlerstrom zur Behälterwand 12 existiert.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur kapazitiven Füllstandsmessung in einem Behälter, der Medien von starker Adhäsion enthält, mit einer Bezugselektrode und einer Meßsonde, die eine von einer hochfrequenten Meßspannungs- bzw. Meßstromquelle gespeiste Meßelektrode aufweist, wobei die Kapazität zwischen Meß- und Bezugselektrode durch den Füllstand des Mediums verändert wird und die von der Kapazitätsänderung hervorgerufene Änderung des über die Meßelektrode fließenden Stroms mittels eines Meßwandlers erfaßt wird, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a) eine an den einen Pol (22) der Meßspannungs- bzw. Meßstromquelle (32) angeschlossenen Meßelektrode (14) und eins an den zweiten Pol (24) der Meßspannungs- bzw. Meßstromquelle (32) angeschlossene Zusatzelektrode (16);

b) der Meßwandler (28) ist mit seinem einen Eingang an den Pol (24) und mit seinem anderen Eingang an die Bezugselektrode (12) angeschlossen;

c) die Meßsonde (10) besteht aus der Meßelektrode (14) und der zwischen der Bezugselektrode (12) und der Meßelektrode (14) und diesen gegenüber elektrisch isoliert angeordneten Zusatzelektrode (16).

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugselektrode (12) die Behälterwand ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektrode (14) und die Zusatzelektrode (16) von einer elektrisch isolierenden Schicht (18) überzogen sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektrode (14) gegenüber der Zusatzelektrode (16) eine geringere Längenausdehnung aufweist.

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und die Schirmelektrode (14, 16) als Hohlzylinder von gleichem Durchmesser ausgebildet sind und daß die aus Meß- und Zusatzelektrode bestehende zylindrische Meßsonde (10) an einem Ende der Zusatzelektrode in die Behälterwand (12) eingeschraubt ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- bzw. die Zusatzelektrode (14, 16) als Massivbzw. Hohlzylinder von gleichem Durchmesser ausgebildet sind und daß die aus Meß- und Zusatzelektrode bestehende zylindrische Meßsonde (10) an einem Ende der Zusatzelektrode in die Behälterwand (12) eingeschraubt ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Pol (22, 24) der Meßspannungs- bzw. Meßstromquelle die Enden der Sekundärwicklung (32) eines Übertragers sind, dessen Primärwicklung (36) von einem Oszillator (38) gespeist wird.

8. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwandler (28) ein Stromwandler ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur kapazitiven Füllstandsmessung in einem Behälter, der Medien von starker Adhäsion enthält, mit einer Bezugselektrode und einer Meßsonde, die eine von einer hochfrequenten Meßspannungs- bzw. Meßstromquelle gespeiste Meßelektrode aufweist, wobei die Kapazität zwischen Meß- und Bezugselektrode durch den Füllstand des Mediums verändert wird und die von der Kapazitätsänderung hervorgerufene Änderung des

ίο Ober die Meßeiektrode fließenden Stroms mittels eines Meßwandlers erfaßt wird.

Eine derartige Anordnung ist dem Buch von Dr. Ing. Hans F. Graue »Elektrische Messung nichtelektrischer Größen«, erschienen bei der Akademischen Verlagsge-Seilschaft Geest & Portig KG (Leipzig 1962) in § 42 b) zu entnehmen. Hier findet sich der Hinweis, daß bei gut leitenden Flüssigkeiten mit einer erheblichen Fehlanzeige zu rechnen ist, wenn nach Fallen des Flüssigkeitsspiegels ein Film auf der Elektrode zurückgeblieben ist.

Daher wird die Arbeitsweise von Füllstands-Grenzwertmeldern, die auf kapazitiver Basis arbeiten, durch Medien beeinträchtigt, die einerseits elektrisch leitend sind und andererseits durch Adhäsion an den Sondenoberflächen anhaften. Auf einer mit dem entsprechenden Medium in Berührung gekommenen Sonde bleibt auch nach dem Absinken des Mediums unter die Sonde eine leitfähige Schicht zurück, über die ein wesentlicher Teil des hochfrequenten Meßstroms zur Bezugselektrode abliebt Je nach dem Leitwert des Mediums, der Abmessung der Sonde und der Stärke der Schicht kann dieser Teil des Stroms gegenüber demjenigen Teil, der über den von der Meßelektrode und der Bezugselektrode gebildeten Kondensator fließt, so groß werden, daß sich die Änderung des von der Füllstandshöhe abhängigen Teils nicht mehr oder nur mit sehr großem

Aufwand erfassen läßt Der Füllstands-Meßwertgeber

ist in einem solchen Fall für die Feststellung eines

Niveaugrenzwerts nicht mehr geeignet

Eine Möglichkeit die mit dem leitfähigen Überzug

zusammenhängenden Schwierigkeiten zu vermindern, besteht in der Verwendung einer Meßspannung bzw. eines Meßstroms von möglichst hoher Frequenz. Die US-PS 32 13 439 zeigt eine derartige Füllstandsmeßsonde, die im UHF-Bereich (300 MHz bis 3 GHz) betrieben wird. Bei so hoher Frequenz nimmt der über den ohmschen Widerstand des leitenden Überzugs fließende Anteil des Stroms gegenüber dem über die Meßelektrode zur Bezugselektrode fließende Anteil stark ab. Der apparative Aufwand steigt jedoch bei einer solchen

so Vorrichtung relativ stark an, wie aus der US-PS 32 13 439 hervorgeht So müssen beispielsweise bei Temperaturschwankungen, die die Abmessungen der im UHF-Bereich erforderlichen Resonatoren beeinflussen und damit die Frequenz, zwei Hohlraumresonatoren innerhalb des UHF-Generators vorhanden sein. Bei üblichem Gehalt an Feuchtigkeit im Bereich der Resonatoren treten bereits Abweichungen von der vorgesehenen Frequenz auf. Ferner läßt sich die Frequenz nicht beliebig steigern. Eine Grenze für die Frequenz ist einerseits durch die verfügbaren elektronischen Bauteile oder die zur Erzielung der Wirtschaftlichkeit geeigneten Bauteile und andererseits durch die bei sehr hohen Frequenzen entlang der Meßelektrode entstehende Stromverteilung gegeben, bei der im

Abstand der Wellenlänge Stromknoten auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebene Anordnung derart weiterzuentwickeln, daß eine kapazitive Erfassung von Grenzwer-