DE102004035757B3

DE102004035757B3 - Anordnung zur Bestimmung der Höhe eines Flüssigkeitsstandes

Info

Publication number: DE102004035757B3
Application number: DE200410035757
Authority: DE
Inventors: Kurt KÖHLER; Robin Fundinger; Rüdiger Ruf
Original assignee: IMKO Intelligente Micromodule Kohler GmbH
Current assignee: IMKO Micromodultechnik GmbH
Priority date: 2004-07-23
Filing date: 2004-07-23
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2024-07-24

Abstract

Eine Anordnung zur Bestimmung der Höhe eines Flüssigkeitsstandes 16, mit einer Meßleitung 1, welche in die Flüssigkeit 15 eintauchbar ist, und einer Vorrichtung 2, mittels der ein pulsförmiges Signal in die Meßleitung einspeisbar ist und die Zeit zwischen dem Einspeisen des Signals und dem Eintreffen eines Reflexionssignals meßbar ist, wobei die Meßleitung 1 aus drei in einem Abstand zueinander angeordneten Leitern 1a, 1b, 1c besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, zur Bestimmung der Höhe eines Flüssigkeitsstandes, mit einer Meßleitung, welche in die Flüssigkeit eintauchbar ist, und einer Vorrichtung, mittels der ein pulsförmiges Signal in die Meßleitung einspeisbar ist und die Zeit zwischen dem Einspeisen des Signals und dem Eintreffen eines Reflexionssignals meßbar ist, wobei die Messleitung aus drei in einem Abstand zueinander angeordneten elektrischen Leitern besteht.

Eine derartige Anordnung ist beispielsweise aus der US 2004/0036482 A1 bekannt.

Des Weiteren ist aus dem Buch "GeoMeasurements by Pulsing TDR Cables and Probes; Kevin M. O'Connor, Charles H. Dowding; CRC Press" eine Anordnung bekannt, bei der ein beispielsweise aus der EP 0 478 815 A1 bekanntes sogenanntes Time-Domain-Reflectometry (TDR)-Verfahren angewandt wird. Bei diesem Verfahren, welches üblicherweise zur Bestimmung einer Materialfeuchte angewandt wird, wird ein rechteckförmiges Signal auf eine Meßleitung gegeben. Die Pulsdauer des Signals ist größer als die doppelte Laufzeit des Signals auf der Meßleitung. Am Eingang der Meßleitung beziehungsweise am Ausgang des Meßsignalgebers bildet sich daher durch Überlagerung der jeweiligen Amplituden ein aus dem in die Meßleitung eingespeisten Signal und dem auf oder am Ende der Meßleitung reflektierten Signal bestehende Summensignal aus.

Da beim Übergang der Meßleitung von Luft in eine Flüssigkeit wie beispielsweise Wasser eine deutlich erkennbare Reflexion entsteht, läßt sich mittels des TDR-Verfahrens die Dauer der Laufzeit des ausgesandten Signals bis zum Eintritt der Meßleitung in die Flüssigkeit und damit die Länge der Meßleitung bis zum Eintritt in die Flüssigkeit bestimmen. Ist die Länge der Meßleitung bekannt und die Meßleitung in definierter Weise beispielsweise an der Wandung eines Behälters angebracht, läßt sich mittels der bekannten Anordnung die Höhe des Flüssigkeitsstandes in dem Behälter bestimmen. Sehr vorteilhaft hierbei ist es, daß die Laufzeitmessung des TDR-Signals entlang des trockenen Teils der Meßleitung erfolgt. Hierdurch ist ein Einfluß unterschiedlicher Leitfähigkeit der Flüssigkeit wie beispielsweise ein unterschiedlicher Salzgehalt in Wasser ausgeschlossen. Das TDR-Signal, welches unterhalb des Flüssigkeitspegels auf der Meßleitung entlang läuft, wird nicht mehr ausgewertet.

Als Meßleitung wird bei der bekannten Anordnung entweder ein Koaxialkabel oder ein sogenanntes Twisted Pair Wire Kabel verwendet, wobei dem Koaxialkabel aus elektrotechnischen Gründen der Vorzug gegeben wird.

Das Koaxialkabel muß jedoch so ausgebildet sein, daß die Flüssigkeit, deren Pegelstand gemessen werden soll, in den Raum zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter des Koaxialkabels eintreten kann. Zwar sind derartige Koaxialkabel mit einem Dielektrikum aus Luft im Handel erhältlich, jedoch besteht die Gefahr, daß durch sich in der Flüssigkeit befindliche Schmutzteile der Raum zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter verstopft werden kann. Dies wirkt sich erheblich nachteilig auf die Meßgenauigkeit aus. Die Verwendung von Koaxialkabeln zur Pegelmessung einer Flüssigkeit ist daher problematisch.

Aus der US 2004/0140814 A1 ist ein Pegelmesser bekannt, bei welchem die Messleitung als Rohr ausgebildet ist, in dem drei dreieckförmig angeordnete Leiter vorhanden sind. Über den näheren Aufbau der Messleitung lässt sich der Druckschrift jedoch nichts entnehmen.

Darüber hinaus ist aus der US 4,807,471 ein Pegel-Meßgerät für Speichersilos bekannt, bei welchem eine Messleitung zwei Leiter aufweist, welche in einem Dielektrikum angeordnet sind, mittels welchem ihre Lage zueinander fixiert ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine eingangs genannte Anordnung derart auszubilden, dass sie bei hoher Zuverlässigkeit eine sehr große Genauigkeit hat.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 beziehungsweise 2. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung ist eine Anordnung zur Bestimmung der Höhe eines Flüssigkeitsstandes, mit einer Meßleitung, welche in die Flüssigkeit eintauchbar ist, und einer Vorrichtung, mittels der ein pulsförmiges Signal in die Meßleitung einspeisbar ist und die Zeit zwischen dem Einspeisen des Signals und dem Eintreffen eines Reflexionssignals meßbar ist, wobei die Meßleitung aus drei in einem Abstand zueinander angeordneten Leitern besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter einen Glasfaserkern aufweisen, beziehungsweise dass die Abstandshalter U-förmige Leiteraufnahmen haben, deren Öffnungen die Leiter rastend aufnehmen und in unterschiedliche Richtungen weisen.

Dadurch, daß die Meßleitung aus drei in einem Abstand zueinander angeordneten Leitern, welche in vorteilhafter Weise in einer Ebene angeordnet sind, besteht, ist ein Raum, der durch in der Flüssigkeit befindliche Schmutzpartikel verstopft werden kann, nicht mehr vorhanden. Die Gefahr, daß Meßfehler beziehungsweise Störungen aufgrund von sich in der Flüssigkeit befindlichen Schmutzpartikeln hervorgerufen werden, besteht somit nicht mehr. Durch die Verwendung von drei in einem Abstand zueinander angeordneten Leitern läßt sich des weiteren ein elektrisches Feld erreichen, welches dem Meßfeld eines Koaxialkabels ähnlich ist beziehungsweise sehr nahe kommt und somit außerhalb der drei Leiter nicht mehr besonders stark ist. Hierdurch läßt sich die Meßleitung in einem relativ dünnen Pegelrohr mit beispielsweise einem Durchmesser von einem Zoll anordnen, wobei das Rohr auch aus Metall bestehen kann. Des weiteren verbleibt durch die 3-Leiter-Anordnung genügend Raum im Pegelrohr, so daß noch ein Pegeldetektionssensor an einem Seil herabgelassen werden könnte.

Dadurch, daß die Meßleitung aus drei Leitern besteht, läßt sich mit der Meßleitung neben der Bestimmung der Höhe des Flüssigkeitspegels noch eine Messung der Temperatur der Flüssigkeit vornehmen. Die Temperaturmessung kann auf herkömmliche Weise mittels einer Gleichspannungstemperaturmessung erfolgen.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, dass die Leiter einen Glasfaserkern aufweisen. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß die Leiter eine große Steifheit haben, wodurch sie einen sehr geradlinigen Verlauf haben. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß der Abstand zwischen den Leitern sehr konstant ist. Des weiteren ist es durch den Glasfaserkern möglich, den Abstand zwischen zwei Abstandshaltem groß zu wählen, wodurch relativ wenige Abstandshalter benötigt werden. Dies wirkt sich einerseits vorteilhaft auf die Kosten aus und andererseits wirkt sich die geringe Zahl von Abstandshaltem sehr vorteilhaft auf die Meßgenauigkeit aus. Darüber hinaus läßt sich die Meßleitung sehr gut aufwickeln, was insbesondere beim Transport sehr vorteilhaft ist.

Sehr vorteilhaft ist es ebenfalls, dass die Abstandshalter U-förmige Leiteraufnahmen haben, deren Öffnungen die Leiter rastend aufnehmen und in unterschiedliche Richtungen zeigen. Hierdurch wird erreicht, daß die Leiter in den Abstandshaltem zuverlässig angeordnet sind und insbesondere beim Biegen der Meßleitung von den Abstandshaltem gehalten werden.

Die Abstandshalter können sich nach außen erstreckende Distanzelemente oder eine dickere Wandung aufweisen. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß die Abstandshalter und damit auch die in ihnen befestigten Leiter sich beispielsweise der Wandung eines Pegelrohrs nur bis auf einen durch die Distanzelemente beziehungsweise die dickere Wandung bestimmten Mindestabstand nähern können. Dies wirkt sich ebenfalls sehr vorteilhaft auf die elektrischen Verhältnisse der Meßleitung aus.

Als besonders vorteilhaft hat sich eine Ausführungsform der Erfindung herausgestellt, bei der der Raum zwischen den Leitern leer ist und der Abstand der Leiter zueinander mittels Abstandshalter gebildet ist. Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, daß sie sehr unempfindlich gegen Verschmutzungen ist. Einerseits können sich zwischen den Leitern keine großen Verschmutzungen ausbilden und andererseits haben durch die Luft zwischen den Leitern Verschmutzungen beziehungsweise Ablagerungen an den Leitern keinen großen Einfluß mehr. Des weiteren ist hierbei die Reflexion an der Eintrittsstelle in die Flüssigkeit sehr ausgeprägt.

Durch die Abstandshalter, welche abhängig von der Ausbildung der Leiter in Abständen von etwa fünfzig Zentimeter bis zwei Meter angeordnet sein können, wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß der Abstand zwischen den Leitern über die gesamte Länge der Meßleitung im wesentlichen konstant gehalten wird. Es hat sich gezeigt, daß Abstandshalter aus einem Material niederer Dielektrizitätskonstante und mit geringer Wasseraufnahme einen sehr geringen Einfluß auf die elektrischen Verhältnisse der Meßleitung ausüben.

Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Glasfaserkern eine Umhüllung aus Kunststoff hat, welche von einem Geflecht oder einer Folie aus elektrisch leitendem Material umschlossen ist. Durch die Umhüllung aus Kunststoff erhält man eine Seele, welche von dem den elektrischen Leiter bildenden Geflecht umschlossen ist, mit relativ großem Durchmesser, obwohl der Durchmesser des Glasfaserkerns sehr klein gewählt werden kann. Der Glasfaserkern läßt sich somit unabhängig von dem für das Geflecht erforderlichen Durchmesser bestimmen. Er kann somit ausschließlich im Hinblick auf die gewünschte Steifheit festgelegt werden.

Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das Geflecht von einer Isolierung aus Polyolefine, insbesondere Teflon, umschlos sen ist. Hierdurch wird einerseits eine elektrische Isolierung der Leiter erreicht, wodurch die Leiter insbesondere in einer Flüssigkeit galvanisch getrennt sind, so daß ein Stromfluß zwischen den Leitern nicht stattfinden kann. Insbesondere ist die Bildung von galvanischen Elementen ausgeschlossen. Des weiteren hat die Isolierung aus Polyolefine den Vorteil, daß sie kein Wasser aufnimmt, was sich sehr vorteilhaft auf die Meßgenauigkeit auswirkt. Die Dielektrizitätskonstante der Isolierung soll in vorteilhafter Weise nicht von der Temperatur und der Feuchtigkeit abhängen.

Sehr vorteilhaft ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Isolierung eine gleichmäßige Dicke hat. Durch die gleichmäßige Dicke wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß ein Meßfehler, der durch die elektrische Isolierung hervorgerien wird, über die gesamte Länge der Meßleitung konstant ist, wodurch er auf einfache Weise mittels einer Rechenoperation eliminiert werden kann. Als vorteilhaft hat sich eine Dicke von etwa zwei Zehntel Millimeter herausgestellt.

Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Meßleitung an ihrem Ende einen Abschlußwiderstand aufweist. Durch den Ab schlußwiderstand kann die Meßleitung am Ende impedanzmäßig optimal abgeschlossen werden, wodurch am Ende der Meßleitung keine Reflexionen erzeugt werden. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise die Pulsdauer verringert werden, was zu einem geringeren Stromverbrauch und damit einer längeren Batterielebensdauer führt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines besonderen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

Es zeigt
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung,
2 einen Abschnitt der Meßleitung mit einem Abstandshalter von vorne,
3 einen Abstandshalter in der Draufsicht und
4 einen Querschnitt durch einen elektrischen Leiter.
Wie 1 entnommen werden kann, ist in einem Pegelrohr 8, welches beispielsweise eine Länge von vier Meter bis fünfzehn Meter haben kann, eine an einem Seil 2a aufgehängte Vorrichtung 2 angeordnet, welche eine Elektronik zum Einspeisen eines pulsförmigen Signals in eine mit der Vorrichtung 2 verbundene Meßleitung 1 und zum Erfassen der Zeit zwischen dem Einspeisen des Signals und dem Eintreffen eines Reflexionssignals enthält. Die Meßleitung 1 besteht aus drei Leitern 1a, 1b, 1c, welche in Abstandshaltem 4 angeordnet sind, wodurch sie in einem Abstand zueinander verlaufen.
Die Abstandshalter 4 sind in einem Abstand von etwa einem Meter angeordnet. Am Ende der Meßleitung 1 ist ein Gewicht 14 angeordnet, mittels welchem die Meßleitung 1 unter einer mechanischen Spannung gehalten wird. In dem Gewicht 14 sind zwei Abschlußwiderstände 13a, 13b angeordnet, mittels dem die Meßleitung 1 an ihrem Ende optimal abgeschlossen ist. Es wäre aber auch ein aktiver Abschluß möglich.
Wie 3 entnommen werden kann, weist die Wandung der Abstandshalter einen verdickten Bereich 4a auf. Hierdurch ist gewährleistet, daß die Leiter 1a, 1c stets einen Mindestabstand zu der Wandung des Pegelrohrs 8 aufweisen.
Innerhalb des Pegelrohrs 8 befindet sich im unteren Bereich eine Flüssigkeit 15, in die die Meßleitung 1 teilweise eingetaucht ist.
Das auf die Meßleitung 1 gegebene pulsförmige Signal wird an der Stelle, an der die Meßleitung 1 in die Flüssigkeit 15 eintritt, (Eintrittsstelle 16) reflektiert. Die Laufzeit des reflektierten Signals bildet ein Maß für die Länge der Meßleitung 1 bis zur Eintrittsstelle 16. Durch eine definierte Anordnung der Meßleitung 1 in dem Pegelrohr 8 läßt sich somit die Höhe des Flüssigkeitsstandes 16 bestimmen.
Wie insbesondere den 2 und 3 entnommen werden kann, sind die Leiter 1a, 1b, 1c in einer Ebene angeordnet. Dies wird insbesondere durch die Abstandshalter 4 erreicht, welche U-förmige Leiteraufnahmen 5, 6, 7 haben, deren Öffnungen 5a, 6a, 7a die Leiter 1a, 1b, 1c rastend aufnehmen und in unterschiedliche Richtungen zeigen. Die Leiter 1a, 1b, 1c lassen sich somit rastend in die Öffnungen 5a, 6a, 7a der Leiteraufnahmen 5, 6, 7 einbringen. Durch die Abstandshalter wird erreicht, daß der Raum 3 zwischen den Leitern 1a, 1b, 1c leer ist. Das heißt, das Dielektrikum zwischen den Leitern 1a, 1b, 1c ist Luft. Insbesondere dadurch, daß die beiden äußeren Leiter 1a, 1c von außen umfaßt werden, ist der Einfluß der Abstandshalter auf die Meßleitung 1 sehr gering, was sich sehr vorteilhaft auf die Meßgenauigkeit der Vorrichtung auswirkt.
Wie 4 entnommen werden kann, weisen die Leiter 1a, 1b, 1c einen Glasfaserkern 9 auf, welcher von einer Umhüllung 10 aus Kunststoff umschlossen ist. Der Durchmesser des Glasfaserkerns 9 beträgt etwa 1,5 Millimeter; die Dicke der Kunststoffumhüllung 10 beträgt etwa 0,6 Millimeter. Auf der Kunststoffumhüllung 10 ist ein Geflecht 11 aus einem elektrisch leitenden Material wie beispielsweise Kupfer angeordnet. Statt eines Geflechts 11 könnte auf der Kunststoffumhüllung 10 auch eine Folie aus elektrisch leitendem Material angeordnet sein. Das Geflecht 11 ist von einer Isolierung 12, welche aus Teflon besteht, umschlossen. Die Isolierung 12 hat über den gesamten Umfang des Leiters 1a, 1b, 1c sowie über die gesamte Länge des Leiters 1a, 1b, 1c eine gleichmäßige Dicke von etwa ein bis zwei Zehntel Millimeter.

Claims

Anordnung zur Bestimmung der Höhe eines Flüssigkeitsstandes (16) einer Flüssigkeit (15) mit einer Meßleitung (1), welche in die Flüssigkeit (15) eintauchbar ist, und einer Vorrichtung (2), mittels der ein pulsförmiges Signal in die Meßleitung (1) einspeisbar ist und die Zeit zwischen dem Einspeisen des Signals und dem Eintreffen eines Reflexionssignals meßbar ist, wobei die Meßleitung (1) aus drei in einem Abstand zueinander angeordneten elektrischen Leitern (1a, 1b, 1c) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (1a, 1b, 1c) einen Glasfaserkern (9) aufweisen.
Anordnung zur Bestimmung der Höhe eines Flüssigkeitsstandes (16) einer Flüssigkeit (15) mit einer Meßleitung (1), welche in die Flüssigkeit (15) eintauchbar ist, und einer Vorrichtung (2), mittels der ein pulsförmiges Signal in die Meßleitung (1) einspeisbar ist und die Zeit zwischen dem Einspeisen des Signals und dem Eintreffen eines Reflexionssignals meßbar ist, wobei die Meßleitung (1) aus drei in einem Abstand zueinander angeordneten elektrischen Leitern (1a, 1b, 1c) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (4) U-förmige Leiteraufnahmen (5, 6, 7) haben, deren Öffnungen (5a, 6a, 7a) die Leiter (1a, 1b, 1c) rastend aufnehmen und in unterschiedliche Richtungen zeigen.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (1a, 1b, 1c) in einer Ebene angeordnet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (1a, 1b, 1c) einen Glasfaserkern (9) aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Glasfaserkern (9) eine Umhüllung (10) aus Kunststoff hat, welche von einem Geflecht oder einer Folie (11) aus elektrisch leitendem Material umschlossen ist.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Geflecht oder die Folie (11) von einer Isolierung (12) umschlossen ist.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung (12) eine gleichmäßige Dicke hat.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßleitung (1) an ihrem Ende elektrisch abgeschlossen ist.