DE102007059669A1

DE102007059669A1 - Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums

Info

Publication number: DE102007059669A1
Application number: DE200710059669
Authority: DE
Inventors: Sergej Dr. Lopatin; Ralf Leisinger
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2007-12-10
Filing date: 2007-12-10
Publication date: 2009-06-25

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens des Füllstandes eines Mediums (1), mit mindestens einer Sondeneinheit (2) und mit mindestens einer Elektronikeinheit (3), welche die Sondeneinheit (2) mit mindestens einem Anregungssignal beaufschlagt und welche von der Sondeneinheit (2) mindestens ein Messsignal empfängt. Die Erfindung beinhaltet, dass die Sondeneinheit (2) mindestens einen Grundkörper (5) aufweist, welcher elektrisch leitfähig ist, dass der Grundkörper (5) zumindest teilweise von einer Zwischenschicht (6) umgeben ist, welche elektrisch leitfähig und mechanisch elastisch ist, und dass die Zwischenschicht (6) zumindest teilweise von einer Isolationsschicht (7) umgeben ist, welche elektrisch isolierend ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens des Füllstandes eines Mediums, mit mindestens einer Sondeneinheit und mit mindestens einer Elektronikeinheit, welche die Sondeneinheit mit mindestens einem Anregungssignal beaufschlagt und welche von der Sondeneinheit mindestens ein Messsignal empfängt. Das Medium befindet sich dabei vorzugsweise in einem Behälter und es handelt sich bei dem Medium beispielsweise um eine Flüssigkeit oder um ein Schüttgut.
Im Stand der Technik ist es bekannt, den Füllstand eines Mediums mittels des kapazitiven Messverfahrens zu bestimmen bzw. zu überwachen. Dabei bilden eine Sondeneinheit und eine elektrisch leitfähige Wandung des Behälters, in welchem sich das Medium befindet, bzw. eine zweite Sondeneinheit in Verbindung mit dem Medium als Dielektrikum einen Kondensator. Die Kapazität dieses Kondensators ist dabei abhängig vom Füllstand des Mediums. Zur Ausmessung der Kapazität wird üblicherweise die Sondeneinheit mit einem elektrischen Anregungssignal beaufschlagt, bei welchem es sich üblicherweise um eine Wechselspannung einer vorgegebenen Frequenz handelt. Als Messsignal wird üblicherweise zumindest der Strom abgegriffen, welcher bei Anlegen des Anregungssignals auftritt bzw. die damit verbundene elektrische Spannung.
Für die Messung ist es erforderlich, dass die Sondeneinheit an sich elektrisch leitfähig ist. Gleichwohl muss, insbesondere wenn es sich um ein zumindest teilweise elektrisch leitfähiges Medium handelt, verhindert werden, dass es einen direkten elektrischen Kontakt zwischen Medium und Sondeneinheit gibt. Daher ist es üblicherweise erforderlich bzw. ist es in vielen Fällen vorgesehen, dass die Sondeneinheit außen, d. h. in Richtung des Mediums elektrisch isoliert ist. Diese elektrische Isolation hat jedoch den Nachteil, dass der Messeffekt reduziert wird. Daher wurde bereits im Stand der Technik vorgeschlagen, eine möglichst dünne Isolation zu verwenden ( DE 10 2005 053 330 ). Als nachteilig bei solchen dünnen Isolationen hat sich jedoch herausgestellt, dass in den meisten Fällen eine geringe mechanische Stabilität der Isolationsschicht gegeben ist bzw. dass es in der Anwendung auftreten kann, dass die Isolationsschicht relativ leicht beschädigt wird. Auch schon kleinste Haarrisse können dazu führen, dass das Medium – beispielsweise Wasser – durch einen Riss in der Isolation hindurchwandert, eine leitfähige Brücke bildet und dadurch einen Gerätausfall verursacht. Ein zweites Problem der dünnen Isolierschichten hängt mit der Diffusion von kleinen Molekülen wie Wasser oder Wasserstoffhalogeniden (HF, HCl) zusammen. Die Feuchtigkeit kann im Grenzbereich zwischen der Isolierschicht und der metallischen Sonde eine Korrosion verursachen, die dazu führt, dass die Isolierschicht von der Sonde abplatzt. Die wegen der Korrosion wachsende Schicht des Metallhydroxids (Rost) kann dabei dünne Isolierschicht von Innen her durchstechen. Auch dies führt zum Gerätausfall in der Anwendung. Je nach der Dicke der Isolierschicht ist die Diffusion mehr oder weniger problematisch, wobei in der Regel dünne Kunststoffschichten eine schlechtere Diffusionssperre als dicken Schichten bieten.
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein kapazitives Messgerät vorzuschlagen, dessen Sondeneinheit nach außen elektrisch isoliert ist, wobei die Isolation gegenüber Anwendungen und mechanischer Belastungen eine hohe Stabilität und eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Diffusionssperre aufweist.
Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, dass die Sondeneinheit mindestens einen Grundkörper aufweist, welcher elektrisch leitfähig ist, dass der Grundkörper zumindest teilweise von einer Zwischenschicht umgeben ist, welche elektrisch leitfähig und mechanisch elastisch ist, und dass die Zwischenschicht zumindest teilweise von einer Isolationsschicht umgeben ist, welche elektrisch isolierend ist. Die Isolationsschicht ist dabei elektrisch isolierend bzw. elektrisch nicht leitend.
Bei der erfindungsgemäßen Sondeneinheit wird somit quasi der Grundkörper nach außen hin durch eine mechanisch elastische Schicht erweitert, welche wiederum mechanische Belastungen auffangen kann und als gute Diffusionssperre dient. Dabei umgibt die Zwischenschicht den Grundkörper vorzugsweise vollflächig. Dies hat weiterhin den Vorteil, dass auch in dem Fall, dass es durch Diffusion oder durch Fertigungsfehler zu einer Ablösung der Zwischenschicht vom Grundkörper kommt, immer noch ausreichend Kontaktbereich zwischen der Zwischenschicht und dem Grundkörper besteht, so dass die elektrischen Eigenschaften der Sondeneinheit sich nicht ändern. Nach außen ist die Zwischenschicht wie im Stand der Technik von einer Isolationsschicht umgeben, welche die elektrische Trennung zwischen der messtechnisch eigentlichen Sondeneinheit und dem elektrisch leitfähigen Medium erzeugt.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Zwischenschicht vorzugsweise im Wesentlichen diffusionsdicht ausgestaltet.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Sondeneinheit im Wesentlichen zylindrisch ausgestaltet ist.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Zwischenschicht und die Isolationsschicht im Wesentlichen aus einem identischen Grundmaterial bestehen. Die Zwischenschicht ist dabei elektrisch leitfähig und die Isolation elektrisch nicht leitend.
Bestehen die Zwischenschicht und die Isolationsschicht im Wesentlichen aus dem gleichen Grundmaterial, so ist damit gewährleistet, dass beide Schichten fast die gleichen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen und dass sie sich somit beispielsweise auch unter Druckbelastung oder unter Temperatursprüngen gleich ausdehnen bzw. zusammenziehen. Weil das Grundmaterial gleich ist, lassen dich die beiden Schichten auch in einem Fertigungsprozess ideal vernetzen, wodurch eine Delamination (ein Ablösen) der Isolationsschicht weitgehend ausgeschlossen ist. In dieser Ausgestaltung wird beispielsweise die Zwischenschicht dadurch erreicht, dass das Grundmaterial der Isolationsschicht derartig dotiert wird, dass die elektrische Leitfähigkeit gegeben ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Zwischenschicht und die Isolationsschicht im Wesentlichen den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Zwischenschicht im Wesentlichen die Außenfläche des Grundkörpers vollständig bedeckt.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Isolationsschicht im Wesentlichen die Außenfläche der Zwischenschicht vollständig bedeckt.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Dicke der Isolationsschicht unterhalb einem Millimeter liegt.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
1: eine schematische Darstellung der kapazitiven Füllstandsmessung, und
2: einen Schnitt durch eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sondeneinheit.
In der 1 ist prinzipiell das kapazitive Messprinzip dargestellt. In einem Behälter 4 befindet sich das Medium 1, bei welchem es sich beispielsweise um eine Flüssigkeit handelt. In diesem Behälter ist hier die Sondeneinheit 2 eingebracht, welche elektrisch mit der Elektronikeinheit 3 verbunden ist. Die Sondeneinheit und die Wandung des Behälters 4 bilden dabei die beiden Elektroden eines Kondensators. Die Kapazität dieses Kondensators ist dabei abhängig vom Füllstand des Mediums 1 zwischen diesen beiden Elektroden. In einer weiteren Ausgestaltung ist anstelle der Wandung des Behälters 4 eine zweite Sondeneinheit als Elektrode dieses Kondensators vorgesehen. Die Elektronikeinheit 3 beaufschlagt die Sondeneinheit 2 mit einem Anregungssignal, bei welchem es sich vorzugsweise um eine elektrische Wechselspannung handelt. Gleichzeitig greift die Elektronikeinheit 3 von der Sondeneinheit 2 ein Messsignal ab, bei welchem es sich beispielsweise um einen elektrischen Wechselstrom handelt, welcher beispielsweise in der Elektronikeinheit 3 über einen Ohmschen'Widerstand in eine Wechselspannung übertragen wird. Aus dem gemessenen Strom bzw. der damit einhergehenden Spannung wird dann die Kapazität des Kondensators ermittelt, woraus wiederum beispielsweise anhand hinterlegter Daten auf den Füllstand des Mediums 1 geschlossen werden kann.
In der 2 ist schematisch ein Schnitt durch den vorderen, d. h. der Befestigung bzw. der Elektronikeinheit abgewandten und dem Medium zugewandten Abschnitt einer erfindungsgemäßen Sondeneinheit dargestellt, wobei es sich hier als Beispiel um eine Stabelektrode handelt. Der elektrisch leitfähige Grundkörper 5, welcher beispielsweise aus Edelstahl besteht, ist auf seiner Außenfläche von der Zwischenschicht 6 umgeben. Die Zwischenschicht 6 ist dabei elektrisch leitfähig, so dass quasi der Grundkörper 5 in Bezug auf seine elektrischen Eigenschaften nach außen hin vergrößert wird. Gleichzeitig ist die Zwischenschicht 6 durch ihre mechanische Elastizität ausgezeichnet, welche beispielsweise dadurch erreicht wird, dass die Zwischenschicht 6 aus einem Grundmaterial besteht, bei welchem es sich beispielsweise um ETFE handelt. ETFE ist ein teilfluorierter thermoplastischer Fluorkunststoff mit sehr guter chemischer Beständigkeit und geringer Diffusionsrate, der aus Ethylen-Tetrafluorethylen-Ketten besteht. Mit einem Zusatz von Grafitpulver wird das Material leitfähig. Der leitfähige ETFE ist geeignet für die Zwischenschicht, wobei die Isolierschicht, jedoch ohne den Grafitzusatz, aus gleichem Kunststoff besteht. Mit dem gleichen Grundmaterial – hier ETFE – weisen die beiden Schichten 6, 7 keine Delamination auf und die Sondeneinheit kann in einem Fertigungsprozess preiswert hergestellt werden. Die Außenfläche der Zwischenschicht 6 ist durch die Isolationsschicht 7 bedeckt. Die Isolationsschicht 7 weist eine möglichst geringe Wandstärke auf, welche beispielsweise deutlich unterhalb einem Millimeter, z. B. zwischen 0,1 und 0,05 mm liegt.
Kommt es nun durch eine mechanische Belastung auf eine Einwirkung auf die Isolationsschicht 7, so wird diese Belastung von der mechanisch elastischen Zwischenschicht 6 aufgenommen. Dies verhindert somit, dass die Isolationsschicht 7 reißt, abplatzt oder sich verformen könnte. Die Zwischenschicht 6 kann dabei eine relativ große Wandstärke aufweisen, da dadurch auch die mechanische Elastizität erhöht und damit das Abfangen der Einwirkung auf die Isolationsschicht 7 verhindert bzw. vermindert wird. Wenn die Zwischenschicht 3 vorzugsweise eine Dicke zwischen etwa 0,5 und 2 mm aufweist, bietet sie eine gute Diffusionssperre und Korrosionsschutz. (Die Zwischenschicht ist somit deutlich dicker als die Isolationsschicht.) Dies erhöht die Lebensdauer der Messsonde und verbessert gleichzeitig die Korrosionsbeständigkeit deutlich. Da die Zwischenschicht 6 selbst elektrisch leitfähig ist, zeigt sie somit keine negativen Auswirkungen auf die elektrischen Eigenschaften der Sondeneinheit 2 bzw. auf das Messverhalten des Grundkörpers 5 mit und ohne Ansatz an sich.

1: Medium
2: Sondeneinheit
3: Elektronikeinheit
4: Behälter
5: Grundkörper
6: Zwischenschicht
7: Isolationsschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005053330 [0003]

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens des Füllstandes eines Mediums (1), mit mindestens einer Sondeneinheit (2) und mit mindestens einer Elektronikeinheit (3), welche die Sondeneinheit (2) mit mindestens einem Anregungssignal beaufschlagt und welche von der Sondeneinheit (2) mindestens ein Messsignal empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass die Sondeneinheit (2) mindestens einen Grundkörper (5) aufweist, welcher elektrisch leitfähig ist, dass der Grundkörper (5) zumindest teilweise von einer Zwischenschicht (6) umgeben ist, welche elektrisch leitfähig und mechanisch elastisch ist, und dass die Zwischenschicht (6) zumindest teilweise von einer Isolationsschicht (7) umgeben ist, welche elektrisch isolierend ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sondeneinheit (2) im Wesentlichen zylindrisch ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (6) und die Isolationsschicht (7) im Wesentlichen aus einem identischen Grundmaterial bestehen.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (6) und die Isolationsschicht (7) im Wesentlichen den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (6) im Wesentlichen die Außenfläche des Grundkörpers (5) vollständig bedeckt.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (7) im Wesentlichen die Außenfläche der Zwischenschicht (6) vollständig bedeckt.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Isolationsschicht (7) unterhalb einem Millimeter liegt.