DE2902471C2 - Anordnung zur Bestimmung eines Flüssigkeitspegels - Google Patents

Description

gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

e) Verwendung einer Wechselspannungsquelle (14), die eine Wechselspannung erzeugt, deren Frequenz so bemessen ist daß der kapazitive Anteil des Stromes zwischen der einen Elektrodenplatte (12) und der anderen Elektrodenplatte (13) im Vergleich zu dem ohmschen Anteil dieses Stromes groß ist,

f) die ändert Elektrodenplatte (13) ist über einen Verstärker (16) mit der Amigeeinrichtung (19, 20) verbunden, und

g) die Elektrodenplatten (Ί2,13- sind an der Wandung des Tanks (11) parallel und mit Abstand zueinander in senkrechter Lage ausgerichtet.

2. Anordnung zur Bestimmung des Flüssigkeitspegels nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen der Elektrode (12, 13) proportional zum jeweiligen Volumen des Tanks (11) dimensioniert sind.

3. Anordnung zur Bestimmung des Flüssigkeitspegels nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Einzelelektrode (12,13) aus mindestens zwei an gegenüberliegenden Flächen des Tanks (11) angeordneten Teilelektroden besteht.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung eine hochfrequente Sinuswelle ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung ein Impulssignal ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung eine Viereckwelle ist.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung eine Rechteckwelle ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung des Flüssigkeitspegels in einem aus einem nichtmetallischem Material bestehenden Tank nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Derartige Anordnungen sind bekannt. Beispielsweise sind aus der DL-PS 41 579 und aus »Grave Elektrische Messung nicht-elektischer Größen« (1962), S. 260 bis 266, insbesondere Abbildung 216, Anordnungen bekannt, bei denen die Flüssigkeit berührende Meßfühler im Inneren eines Tanks angeordnet sind. Ein Nachteil derartiger Anordnungen besteht darin, daß die in der Flüssigkeit angeordneten Meßfühler stark korrodierenden Einflüssen unterliegen und im Falle eines Abwassertanks Auffänger für feste oder halbfeste Materialien

ίο bilden, was zu einer Betriebsstörung der Meßfühler führen kann. Bei der Ablagerung von festen oder halbfesten Materialien an den in Tanks zur Abwasserspeicherung angeordneten Meßfühlern können sich außerdem hygienische Probleme und Geruchsbelästigungen erge-

•i5 be.;. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß es zur Anordnung derartiger Meßfühler in Tanks erforderlich ist. Löcher in den Tankwänden vorzusehen.

Aus der DE-PS 8 91 459 und der DE-AS 2i 51 078 sind kapazitive Meßumformer für Pegelstandsmessungen von flüssigen, festen und hochviskosen Medien in elektrisch isolierenden Behältern bekannt. Bei der ir, der DE-PS 8 91 459 beschriebenen Anordnung sind Elektrodenbeläge an der Außenwandung des Tanks vorgesehen. Dagegen sind bei dem aus der DE-AS 21 51 078 bekannten kapazitiven Füllstandsmeßgerät die Meßelektroden des Meßkondensators an der innenwand einer offenen Rinne vorsehen. Bei den beiden zuletzt genannten bekannten Anordnungen wird die Kapazitätsänderung zwischen den jeweiligen Elektrodenan-Ordnungen zur Anzeige des Flüssigkeitspegels verwendet. Die Anzeige des Flüssigkeitspegels kann bei derartigen Anordnungen jedoch dadurch beeinträchtigt werden, daß sich beispielsweise bei Abwassertanks im Abwasser enthaltene menschliche Abfallstoffe und andere feste oder halbfeste Materialien an den Wänden des Tanks ablagern. Dies hat zur Folge, daß infolge der hohen Leitfähigkeit dieser Abfallstoffe bzw. Materialien die Stärke des zwischen den jeweiligen Elektroden fließenden Signalstromes über den Wert ansteigt, der sich nur aus dem reinen Flüssigkeitspegel im Tank ergeben würde. Insbesondere ergeben sich derartige Ablagerungen an den Tankwänden dann, wenn der Tank bewegt oder aufgefüllt und dann entleert wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Anordnung zur Bestimmung des Flüssigkeitspegels in einem Tank ar/.ugeben, durch die durch Verschmutzungseffekte gestörte Messungen infolge beispielsweise Kriechströme vermeidbar sind.
Diese Aufgabe wird durch eine wie eingangs bereits

so genannte Anordnung gelöst, die durch die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gekennzeichnet ist.

Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß infolge der speziellen Anordnung der beiden Elektroden im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen eine genaue und lineare Pegelanzeige erfolgt.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß keine Meßfühler in das Innere eines Tanks eingeführt werden müssen, Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Anordnung daher insbesondere für Abwassertanks geeignet, wie sie beispielsweise in Campingfahrzeugen verwendet werden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Meßeinrichtung zur Pegelanzeige an einer zentralen Stelle angeordnet werden kann, und daß an die Meßeinrichtung mehrere Tanks angeschlossen werden können. Im folgenden werden die Erfindung und deren Ausge-

staltungen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 2A zum Zwecke der Erläuterung der Betriebsweise ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Teiles der Anordnung der F i g. 1;

Fig.2B ein Ersatzschaltbild der Anordnung der Fig. 2A; und

F i g. 3 verschiedene Wellenformen zur Erläuterung der Funktionsweise der Erfindung.

F i g. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung 10 zur Bestimmung des Flüssigkeitspegels in einem aus einem nichtmetallischen Material bestehenden Tank ti. Der Tank 11 ist mit zwei parallelen, im Abstand voneinander angebrachten Metall- bzw. Elektrodenplatten 12, 13 versehen, die an einer Wandung in senkrechter Lage angebracht sind. Beim Anstieg der Flüssigkeit im Tank 11 befinden sich immer größere Abschnitte der Elektrodenplatten 12, 13 neben der Flüssigkeit. Die Eiektrodenpiatten i2, i3 können an irgendeiner vertikalen Wandung des Tanks 11, sogar an verschiedenen Wandungen desselben angebracht werden. Wie im folgenden noch im einzelnen beschrieben werden wird, nimmt die an den Elektroden platten 12, 13 definierte Kapazität bei einem linearen Anstieg des Flüssigkeitspegels linear zu. Dieser Effekt läßt sich dazu verwenden, ein den Flüssigkeitspegel im Tank kennzeichnendes Ausgangssignal zu erzeugen.

Zur Anordnung 10 gehört ein Oszillator bzw. eine Wechselspannungsquelle 14, die eine auf einem konstanten Wert gehaltene Wechselspannung erzeugt. Der Ausgang der Wechselspannungsquelle 14 ist mit einer der Elektrodenplatten 12 oder 13, beispielsweise mit der Elektrodenplatte 12, verbunden. Die andere der Elektrodenplatten, nämlich die Elektrodenplatte 13, ist über ein abgeschirmtes Kabel 15 an einen der Eingänge entgegengesetzter Polarität eines Verstärkers 16 angeschlossen, der Teil einer Anzeigeeinrichtung der Pegelanzeige ist. Der andere Eingang des Verstärkers 16 ist zusammen mit der Abschirmung 17 des Kabels 15 an den Erdungsanschluß 18 angeschlossen.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 16 ist ein Wechselstromsignal, das den Flüssigkeitspegel im Tank angibt. Das Signal wird an den Eingang eines Wechselstrom-Gleichstrom-Umwandlers 19 angelegt, der das Wechselstromsignal in ein Gleichstromsignal umwandelt, mit dem dann ein bekanntes Anzeigeinstruinent 20 betrieben wird. Das Anzeigeinstrument 20 und der Umwandler 19 sind ebenfalls Bestandteile der Anzeigeeinrichtung.

Das Arbeitsprinzip der Anordnung 10 beruht darauf, das Wasser und andere Flüssigkeiten eine viel größere Dielektrizitätskonstante als Luft aufweisen. Wasser hat beispielsweise eine Dielektrizitätskonstante, die etwa das 70fache der Dielektrizitätskonstanten von Luft ausmacht. Die Wechselspannungsquelle 14 liefert ein Wechselspannungssignal, das im folgenden noch näher beschrieben werden wird. Dieses Signal wird der Elektrodenpiatte 12 zugeführt, die an einer der Randungen des Tanks 11 befestigt ist. Falls sich eine Flüssigkeit im Tank 11 befindet, ist die von den Elektrodenplatten 12, 13 definierte Kapazität verhältnismäßig klein und der Wechselstromwiderstand dementsprechend hoch, wodurch der zwischen den Elektrodenplatten 12, 13 fließende Strom begrenzt wird. Beim Anstieg des Flüssigkeitspegels nimmt die kapazität zwischen den ElektrodenDlattcn 12. 13 zu. da die Dielektrizitätskonstante des Zwischenraumes zwischen den Elektroden platten 12,13 zunimmt Es verringert sich damit der Wechselstromwiderstand zwischen den Elektrodenplatten 12,13 und es kann ein größerer Strom zwischen den Elektrodenplatten 12,13 fließen.

Dieser Strom wird über das abgeschirmte Kabel 15 dem Verstärker 16 zugeführt, dessen Ausgangsspannungsamplitude den zwischen den Elektrodenplatten 12, 13 fließenden Strom kennzeichnet Das Wechselspannungsausgangssignal wird durch den Umwandler 19 in ein Gleichspannungssignal umgewandelt, das dann an das Anzeigeinstrument 20 angelegt wird. Das Anzeigeinstrument 20 liefert eine lineare Anzeige des Flüssigkeitspegels im Tank 11.

Bei der Messung des Flüssigkeitspegels im Abwassertank eines Camping-Fahrzeuges oder irgendeines anderen, menschlichen Abfallstoffe enthaltenden Tanks, ergeben sich gewisse Schwierigkeiten. Im Abwassertank enthaltene Flüssigkeit ist stark leitend und enthält ferner feste und halbfeste Substanz? ;, die an den Tankwandungcn haften. Wenn der Tar.k be'vegt oder aufgefüllt und anschließend entleert wird, überziehen sich die Tankwände mit einem Film dieser starkleitenden Substanzen. Der Signalstrom, der zwischen den Elekirodenplatten 12,13 fließen kann, ist deshalb stärker als in dem Fall, in dem sich nur Flüssigkeit ohne Substanzen im Tank 11 befindet. Es wird daher ein zu hoher Wert angezeigt. Das an den Tankwandungen anhaftende Material ist häufig erst nach Stunden odsr Tagen getrocknet, worauf die Anzeige auf den richtigen Wert zurückkehrt

Der Widerstand des an der Tankwandung anhaftenden Materials ist ohmisch und damit weitgehend von der Frequenz unabhängig. Die Leitfähigkeit der im Tank 11 enthaltenen Flüssigkeit ist dagegen sowohl ohmisch als auch kapazitiv.

Die kapazitive Leitfähigkeit ist eine Funktion der Frequenz der Wechselspannungsquelle 14. Wenn erfindungsgemäß der kapazitive Anteil des Stromes groß gegenüber dem ohmschen Anteil gemacht wird, kann ei:. Wert erhalten werden, der dem tatsächlichen Flüssigkeitspegel im Tank 11 entspricht.

F i g. 2A und 2B zeigen eine vereinfachte Darstellung der Anordnung 10 bzw. ihr Ersatzschaltbild 30. In Fig.2B ist mit Cw die Kapazität der Wandungen des Tanks 11 bezeichnet. Cl bezeichnet die Kapazität der Flüssigkeit 31. Rl bezeichnet den Widerstand der Flüssigkeit 31. Ro bedeutet einen kleinen Widerstand, der zur Strommessung dient.

Da der Strom durch einen Kondensator gegeben ist durch

'< ■ ^c "ir·

während der Strom durch einen Widerstand durch

h = -=r

gegeben ist, kann man den Strom durch den Kondensator durch Vergrößerung von dvlat erhöhen, d. h. durch Erhöhung der Frequenz. Dies kann durch das Anlegen einer sehr hochfrequenten Sinuswelle an die Elektrodenplatte 12 erreicht weraen. Ferner ist es möglich, dies durch das Anlegen eines Pulses, vorzugsweise einer Viereck- oder Rechteckwellen, an die Elektrodenplatte 12 zu erreichen, da von einer derartigen Wellenform

leicht eine Ableitung erzielt werden kann. Durch sehr kurze Anstiegs- und Abfallzeiten erreicht man sehr hohe dv/df-Werte. so daß sich ein hoher Impulsstrom durch T_L ergibt. Andererseits ist der Strom durch den Widerstand Ri. anfänglich gleich Null und steigt nur so schnell an, wie die an der Kapazität Cl anliegende Spannung ansteigt. Zunächst fließt also nur Strom durch den Kondensator. Etwas später beginnt auch Strom durch den Widerstand Rl zu fließen. Nach Erreichen eines gewissen Spitzenwertes des Stromes nimmt der Strom beim Aufbau der Spannung an Cw wieder ab. Die an dem Widerstand Ro auftretende Spannung ist damit die Summe dieser beiden Ströme.

Die Vorgänge werden an der in F i g. 3 dargestellten Wellenform erläutert. Eine als Eingangssignal angenommene Viereckwelle 32 hat endliche Anstiegs- und Abfallzeiten. Der Strom durch Ci. ist als Wellenform 33 dargestellt, während der Strom durch Ri. als Wellenform 34 dargesieüi ist. Der Strom durch Ro, der ais wellenform 35 dargestellt ist, entspricht der Summe dieser beiden letzteren Ströme.

Wenn man dv/dt groß machen kann, ist der Spitzenwert Ip des Stromes durch R₀ ausschließlich durch die Kapazitäten C_L und Cw gegeben. Der Strom //> ist damit nur eine Funktion des Weges der Flüssigkeit 31 im Tank 11. Die kapazitive Komponente der an den Wandlungen des Tanks 11 anhaftende Flüssigkeit ist im Vergleich zur Kapazität der Gesamtmenge der Flüssigkeit 11 sehr klein und führt zu einem unbedeutenden Fehler. In ähnlicher Weise ergibt der von R_L herrührende Anteil des Stromes einen unbedeutenden Fehler.

Diese Betrachtungen sind nur richtig, falls R₀ klein gegenüber dem kapazitiven Kondensators Cw und des in Reihe geschalteten Kondensators Cl ist. Die an A₀ auftretende Spannung entspricht somit der Summe der Ströme, die durch das in F i g. 2A dargestellte Netzwerk

pi»IUn F?¹¹' ^D *«ι>· ~-~n :-. .-:.. j:. c: 11- ο

auf und die Schaltung funktioniert nicht. Mit anderen Worten muß die an Ro auftretende Spannung proportional zu dv/df sein, was bedeutet, daß die Schaltung eine Differenzierstufe sein muß.

Es wurde empirisch festgestellt, daß bei hinreichend kleinem R₀, d. h. bei R₀-Werten von 20 bis 30 Ohm im Falle von Tanks in Camping-Fahrzeugen, die Anzeige praktisch unverzögert stattfindet. Bei wesentlich größeren Äo-Werten ergeben sich lange, zeitliche Verzögerungen.

Dem Fachmann ist bekannt, daß es zahlreiche Schaltungen gibt, die die Ableitung eines Eingangssignales erzeugen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können alle diese Schaltungen verwendet werden, da es wesentlich ist. daß die kapazitive Komponente des Signalstromes gemessen wird, wobei die Widerstandskomponente eliminiert wird. In diesem Fall wird dann eine sofortige Anzeige des Flüssigkeitspegels in einem Tank aus einem nichtmetallischem Material, der menschliche Abfallstoffe enthält, erhalten, wozu außen am Tank befestigte leitende Elektrodenplatten verwendet werden.

Durch die Anordnung eines Paares von parallelen Elektrodenplatten 12,13 an der Außenfläche des Tanks mit im wesentlichen vertikaler Orientierung kann vorteilhafterweise eine genaue, lineare Ausgangsanzeige, die den Pegel der Flüssigkeit 31 im Tank angibt, erhalten werden, wobei de·- Anstieg der Flüssigkeit ins Tank die neben der Flüssigkeit befindliche Fläche der Elektrodenplatten 12,13 zunimmt Da das von den Elektrodenplatten 12, 13 erhaltene Signal proportional den Flächen ist, die von der Flüssigkeit 31 bedeckt sind, sind auch Messungen bei Tanks mit unregelmäßigen Formen möglich. Die Elektrodenplatten 12, 13 werden dann so geformt, daß die beim Anstieg von der Flüssigkeit abgedeckten Flächen dem zunehmenden Flüssigkeitsvolumen entsprechen. Dies läßt sich sehr leicht erreichen, da die Elektrodenplatten 12, 13 aus Aluminiumfolie mit einem scharfen Messer oder einer Schere ausgeschnitten werden können.

Es kann ferner erreicht werden, daß der Betrieb mit den Elektrodenplatten 12, 13 nicht von der ebenen Stellung des Tanks Il abhängt. Wenn die Platten an einem Ende des Tanks oder in einer Ecke desselben angebracht werden, ändert sich die Anzeige des Anzeigeinstrumentes 20 stark, wenn der Tank 11 gekippt wird. Wenn dagegen Elektrodenplatten an allen vier Ecken des Tanks 11 angebracht werden, und jeweils zwei Elektrodenplatten an die Wechselspannungsquelle 14 und die beiden anderen Eiektrodenpiatten an den Verstärker 16 angeschlossen werden, ergibt sich automatisch eine Korrektur beim Verkippen des Tanks, da die auf einer Elektrodenplatte beim Verkippen nicht mehr abgedeckte Fläche automatisch durch eine entsprechende Vergrößerung der Abdeckung der anderen Elektrodenplatte kompensiert wird. Es können auch Elektrodenplatten zu beiden Seiten der Mitte des Tanks 11 angebracht werden. Wenn der Tank 11 in der einen Richtung verkippt wird, wird eine größere Fläche der einen Elektrodenplatte freigegeben, während eine größere Fläche der anderen Platte von der Flüssigkeit im Tank abgedeckt wird. In der anderen Richtung bleibt der Pegel hierbei unverändert.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Bestimmung des Flüssigkeitspegels

a) in einem aus einem nichtmetallischen Material bestehenden Tank (t l)_r

b) mit zwei Elektrodenplatten (12, 13), die an der Außenfläche der Wandung des Tanks (11) angeordnet sind, wobei beim Ansteigen der Flüssigkeit im Tank die neben der Flüssigkeit gelegenen Flächen der Platten und die Kapazität zwischen den Platten zunehmen,

c) mit einer mit einer der beiden Elektrodenplatten (12) verbundenen Wechselspannungsquelle (14), und

d) mit einer Anzeigeeinrichtung (16, 19, 20) zur Pegelanzeige,