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Die
Erfindung bezieht sich auf eine stabförmige kapazitive
Füllstandsmesssonde für analoge und/oder mehrkanalige
Grenzwert-Füllstandsmessungen.
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Aufgrund
ihrer universellen Anwendbarkeit sind kapazitive Messungen die am
häufigsten eingesetzte Methoden, um Füllstände
verschiedenster Medien in Behältern zu überwachen.
Derartige Füllstandmessungen können sowohl analoge
als auch Grenzwertmessungen mit einem oder mehren Grenzwertschaltstellen
beinhalten. Je nach spezifischer Anforderung werden die hierzu erforderlichen kapazitiven
Messanordnungen unter Verwendung des Zwei-Elektroden-Messprinzips
oder des Drei-Elektroden-Messprinzips konzipiert. Eine unter Verwendung
des Drei-Elektroden-Messprinzips konzipierte Messanordnung ist beispielsweise
aus der
DE 195 28 384 bekannt,
welche eine Anordnung aus einer stabförmige Sonde mit einer
Anzahl von Mess- und Schirmelektroden und einem leitfähigen (Füll-)Behälter
als Gegenelektrode beschreibt.
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Stabförmige
kapazitive Füllstandsmesssonden haben in der Regel direkten
Kontakt zu den zu erfassenden Medien, wobei für die Palette
der zu erfassenden Medien ein breites Spektrum von Stoffen und Produkten
in Betracht kommt, das von rieselfähigen Feststoffen über
Flüssigkeiten zu Stoffgemischen wie Suspensionen reicht.
Darüber hinaus kommen Medien in Betracht, die ihre Aggregatzustände ändern,
und z. B. in Folge auch die Fließeigenschaften in Abhängigkeit
des Aggregatzustands, wobei als Beispiel Heißleime beim
Aufschmelzen und Abkühlen genannt werden.
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Für
die technische Ausführung von Füllstandsmesssonden
bezüglich Geometrie und Materialeigenschaften sind daher
zahlreiche Parameter zu beachten. Dazu gehören sowohl die
Temperaturbereiche, denen die Sonden ausgesetzt sind, als auch Viskositätswerte
von Flüssigkeiten und Rieselverhalten von Feststoffen.
Die Beständigkeit der Sondenoberfläche gegenüber
Chemikalien, wie Säuren, Laugen oder Lösungsmitteln,
stellt eine weitere Herausforderung an die Materialauswahl und den
Aufbau von kapazitiven Messsonden dar.
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Nach
dem derzeitigen Stand der Technik werden üblicherweise
hochlegierte Stähle und/oder Kunststoffe als Oberflächenmaterial
von stabförmigen kapazitiven Füllstandsmesssonden
verwendet, um die zuvor genannten Anforderungen zu erfüllen.
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In
der Praxis erweist sich die mechanische Robustheit als zusätzliche
kritische Anforderung an den Aufbau und die Materialauswahl der
Messsonden. In Zusammenhang mit hohen Befüll- und Entleerungsgeschwindigkeiten
wirken in Abhängigkeit der zu überwachenden Medien
teilweise sehr große Kräfte auf die stabförmigen
Messsonden. Beispielsweise wirken bei Schüttgütern
in einem Silo mit konusförmigen Auslauf, in dem Befüllung
und Leerung gleichzeitig stattfinden können, neben Zugkräften auch
sehr große Querkräfte auf eine stabförmige Sonde,
die auf die sich ständig verändernden Schüttkegeloberflächen
zurückzuführen sind. Diese Querkräfte
können selbst robuste, sogar aus einem Stahlstab gefertigte
Sonden, verformen oder gegebenenfalls auch zerstören. Sehr
große Zugkräfte können z. B. durch stark
an der Oberfläche anhaftende Medien zusätzliche
auf die Sonden wirken, denen durch die Gestaltung der Sondenoberfläche,
insbesondere durch Antihafteigenschaften in Bezug auf die zu überwachenden
Medien entgegengewirkt werden muss. So sind insbesondere bei chemisch
aushärtenden Medien entsprechende Antihafteigenschaften der
Sondenoberfläche zwingend erforderlich.
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Darüber
hinaus müssen die verwendeten Sondenmaterialien den elektrischen
Eigenschaften für das kapazitive Messprinzip entsprechen.
Häufig ist es erforderlich, so z. B. bei analogen Messungen oder
bei Grenzwertmessungen mit mehren Grenzwertschaltstellen, dass die
metallischen Messelektroden gegenüber den Medien elektrisch
isoliert sind, welches insbesondere für die Überwachung
elektrisch leitfähiger Medien gilt. Bei einem leitfähigen Medium übernimmt
die Isolation der Messelektroden die Funktion des Kondensator-Dielektrikums,
wobei das leitfähige Medium als eine Kondensatorelektrode wirkt,
die über die Füllstandsänderung und somit über
die Benetzungsänderung ihre Fläche gegenüber
der Messelektrode variiert und in Folge eine Kapazitätsänderung
bewirkt.
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In
Bezug auf gute mechanischen Eigenschaften, wie insbesondere einer
hohen Zugfestigkeit und hervorragendem Elastizitätsverhalten
einschließlich hoher Widerstandfähigkeit gegen
dauerhaftes Verbiegen aufgrund von Querkräften, ist die Verwendung
von Stabsonden aus glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK)
in der Füllstandsmesstechnik bekannt. Stabsonden aus GFK
bieten ferner akzeptable dielektrische Eigenschaften und sind unter
Verwendung von Bindemitteln wie Epoxidharzen oder Vinylestern auch
für höhere Einsatztemperaturen geeignet.
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Nachteilig
ist jedoch, dass die vorgenannten Materialien keine gute Chemikalienbeständigkeit
gegenüber Lösemitteln, Säuren, Laugen
oder ähnlich aggressiven Medien aufweisen. Darüber
hinaus weist die Oberflächenstruktur einen adhäsiven
Charakter auf, so dass keine oder nur sehr geringe Antihafteigenschaften
bezüglich der zu überwachenden Medien realisiert
werden können.
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Kunststoffe
wie PTFE, PVDF oder PEEK beziehungsweise daraus abgeleitete Copolymere
weisen dagegen gute Antihafteigenschaften und Chemikalienbeständigkeiten
auf, besitzen jedoch nur ungenügende mechanische Eigenschaften
bezüglich Zug- und Biegefestigkeiten.
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Mit
einer an sich bekannten Materialkombination durch PTFE-Beschichtung
von Metallen lassen sich zwar weitgehend die Anforderungen an die mechanischen
und chemischen Eigenschaften sowie an die Antihafteigenschaften
erfüllen, jedoch können mit einer solchen Materialkombination
nicht mehrere voneinander isolierende Elektroden in einem Sondenstab
mit hoher Zugfestigkeit, wie es z. B. bei Grenzwertmessungen mit
mehren Grenzwertschaltstellen notwendig ist, realisiert werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es somit, einen gegenüber dem genannten
Stand der Technik neuen und verbesserten stabförmigen kapazitiven
Füllstandsmesssondenaufbau zu realisieren, insbesondere
mit welchem jeweiligen Anforderungen an Zug- und Biegefestigkeit,
Elastizitätsverhalten, Einsatztemperaturbereich, Antihafteigenschaften,
Chemikalien- und Abriebsfestigkeit bei guten dielektrischen Eigenschaften
wirksam entgegengetreten werden kann und zweckmäßig
auch mehrere voneinander isolierte, vorzugsweise auch frei positionierbare
Elektroden beherbergt werden können.
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Die
erfindungsgemäße Lösung ist durch eine Füllstandsmesssonde
nach angehängtem Anspruch 1 gegeben. Bevorzugte bzw. vorteilhafte
Ausführungsformen oder Weiterbildungen sind Gegenstand der
Unteransprüche.
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Die
vorliegende Erfindung stellt somit eine Lösung durch Kombination
verschiedener Werkstoffe für einen Sondenaufbau vor, die
in überraschender Weise die geforderten Eigenschaften ideal
erfüllen.
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Die
neuartige Sonde weist ein äußeres Rohr und ein
inneres Rohr auf, wobei das innere Rohr auf einem glasfaserverstärktem
Kunststoff basiert und auf der Außenseite mit Elektroden
versehen ist, und das äußere Rohr, in welches
das innere Rohr eingebracht ist, einseitig geschlossen ist und aus
einem eine elektrisch isolierende Außenhülle bereitstellenden
Kunststoffmaterial ist, welches vorgegebene Charakteristika hinsichtlich
Chemikalienbeständigkeit, Antihafteigenschaften und Temperaraturbeständigkeit
erfüllt, wie insbesondere PTFE oder artverwandtes Kunststoffmaterial.
Das Innenrohr und das Außenrohr sind durch Gießharz
miteinander verbunden.
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Das
Innenrohr erfüllt somit gleichzeitig mehrere Aufgaben.
Der glasfaserverstärkte Kunststoff gewährleistet
die für die auftretenden mechanischen Beanspruchungen die
notwendige Zug- und Biegefestigkeit der Messsonde. Darüber
hinaus dient das GFK-Innenrohr als Träger für
eine Anzahl von Elektroden, insbesondere von frei positionierbaren
Mess- und/oder Schirmelektroden.
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Zweckmäßiger
Weise sind durch das Innenrohr führende Öffnungen
eingebracht, durch welche die mit Elektroden verbundenen Anschlusskabel,
in der Regel Koaxialkabel, in dass Innere des GFK-Rohres und dort
in Richtung der zur Messung notwendigen weiteren Elektronik geführt
werden. Für hohe Einsatztemperaturen können Kabel
mit entsprechend geeigneten Isolationsmaterialien wie Silikongummi,
PTFE oder ähnlichen Materialien ausgewählt werden.
Die Öffnungen ermöglichen ferner einen im Wesentlichen
ungehinderten Übergang des Gießharzes während
der Verschlussphase zwischen Außenrohr und Innenrohr und
dem Inneren des Innenrohrs.
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Für
die auf der Außenseite des Innenrohres angeordneten Messelektroden
sind Bereiche einer dünnen, elektrisch leitfähigen
Schicht ausreichend. Diese sind vorzugsweise durch eine Kupfergalvanik-Technologie
bereitgestellt. Bei ganzflächiger Aufbringung einer Kupfergalvanikschicht
auf der Außenseite des GFK-Rohres und anschließend
eingebrachten, radial umlaufenden, die Galvanikschicht durchtrennenden
Nuten sind die einzelnen Elektrodenbereiche elektrisch voneinander
isoliert und an im Wesentlichen beliebigen Positionen frei anordenbar, so
dass die Messsonde für die jeweiligen Messaufgaben mit
entsprechend geforderten Mess- und Schirmelektroden strukturiert
ist.
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Ist
im Sondeninneren zusätzlich ein Temperaturfühler
angeordnet, muss dieser lediglich auf das Potential einer Schirmelektrode
gelegt werden.
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Das
Außenrohr der Messsonde besteht vornehmlich aus PTFE, PVDF
oder vergleichbaren Kunststoffen, die entsprechend ihren bekannten
Materialeigenschaften zu den zu überwachenden Medien ausgewählbar
sind. Das zu einem Ende hin verschlossene Außenrohr schützt
das Sondeninnere und gewährleistet, dass über
die die offene Rohrseite die Anschlussleitungen der Elektroden heraufführbar sind.
Die zuvor genannten Kunststoffe der rohrförmigen Außenhülle weisen
eine hervorragende Beständigkeit gegenüber Chemikalien
wie Lösungsmittel oder Säuren und Laugen auf.
Darüber hinaus wirken zwischen Kunststoffoberfläche
und flüssigen beziehungsweise festen Medien nur geringe
Adhäsionskräfte, so dass sich hieraus die gewünschte
Antihafteigenschaft der Sondenoberfläche in Bezug auf die Medien
ergibt.
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Für
mechanische Stabilität zwischen dem Außenrohr,
welches über einen etwas größeren Innendurchmesser
verfügt als der Außendurchmesser des GFK-Innenrohres
beträgt, sorgt das Gießharz, mit welchem der verbleibende
Hohlraum ausgefüllt ist. Bekanntermaßen stehen
auch für einen Messeinsatz bei hohen Temperaturen entsprechend
geeignete Gießharze zur Verfügung.
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Um
mögliche unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen GFK-Innenrohr und Kunststoffaußenrohr zu kompensieren,
insbesondere auch in Verbindung mit den zuvor beschriebenen Antihafteigenschaften
des Außenrohmaterials, welches zu erschwerten Bedingungen
für eine stabile Verbindung zwischen Innen- und Außenrohr
darstellt, sieht die Erfindung weitere zweckmäßige
Maßnahmen vor. Auf der Innenseite des Außenrohres
ist hierzu bevorzugt ein Profil aufgebracht, beispielsweise in Form
eines Gewindes, dass die Oberfläche für das Gießharz
wesentlich erhöht und damit für eine Formschlüssigkeit
sorgt. Ergänzend oder alternativ ist es von Vorteil, dass
die Außenseite des metallbeschichteten GFK-Innenrohres
durch technologische Schritte aufgerauht ist, so dass die Hafteigenschaften
des Gießharzes auch auf dem Innerrohr der Sonde erhöht
werden. Hierzu ist zwckmäßig die für
den Galvanikprozess auf einem nicht leitfähigen Material
notwendige, insbesondere mittels Vakuumbedampfung auf der GFK-Oberfläche
aufgebrachte Startschicht anschließend mechanisch aufgerauht.
Durch darauf folgendes elektrolytisches Aufkupfern vergrößert
sich die Oberflächenrauhigkeit, so dass sich eine gute Haftung
zum Gießharz ergibt.
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Durch
eine oder mehrere dieser vorgenannten Maßnahmen können
somit negative Auswirkungen unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten vermieden
werden.
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Um
extremen Zugkräften wirksam entgegenzuwirken, hat sich
darüber hinaus eine Verjüngung der Oberfläche
der äußeren Außenhülle als vorteilhaft
erwiesen.
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Eine
erfindungsgemäße Stabsonde wird nachfolgend anhand
der in der beigefügten 1 dargestellten
Ausführungsform lediglich als Beispiel und nicht einschränkend
beschrieben.
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1 stellt
schematisch eine teilweise geschnittene Ansicht einer Stabsonde
zur Füllstandsüberwachung von Heißleimen
mittels kapazitivem Messprinzip dar. Die dargestellte Stabsonde
verfügt über drei Elektrodenbereiche 3,
die gemäß vorstehender Beschreibung durch radial
umlaufende Nuten 5 voneinander elektrisch isoliert sind.
Die zusätzlich mit 3a und 3b gekennzeichneten
Elektrodenbereiche sind elektrisch mit den Anschlussleitern eines
Sensorkabel 4, im dargestellten Fall eines PTFE-isolierten
Koaxialkabels, verbunden. Der Elektrodenbereich 3b ist
hierbei eine Messelektrode und der Elektrodenbereich 3a eine
darüberliegende Schirmelektrode. Die Nuten 5 sind
derart eingebracht, dass die Messelektrode 3b z. B. Grenzwertmessungen
mit einer Grenzwertschaltstelle von einigen mm oberhalb der Sondenspitze 9 ermöglicht.
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Ergänzend,
jedoch aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt,
kann eine weitere Messelektrode für einen zweiten Grenzwert
oberhalb des elektrisch angeschlossenen Elektrodenpaares 3a, 3b auf
einer entsprechend langen Stabsonde, z. B. in einem Abstand von
300 mm von der Sondenspitze 9 bei einer 400 mm lagen Stabsonde,
plaziert werden. Sind außerhalb der Messelektroden über
die gesamte Länge Schirmelektrodenbereiche 3a bereitgestellt, also
zweckmäßig auch an dem zur Sondenspitze 9 nächstliegenden
Elektrodenbereich, sind diese Bereiche beispielsweise bei Anwendung
des Drei-Elektrodenmessprinzip inaktiv und führen zu einer
scharfen Begrenzung der Wirkungsbereiche der Messelektroden. Auch
bei stark anhaftenden Medien ist hierdurch ein optimales Schaltverhalten
gewährleistet.
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Die
dargestellte kapazitive Messsonde besitzt ein Innenrohr 1 aus
glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) auf dem die Elektrodenbereiche 3 aufgebracht
sind. Das Innenrohr hat z. B. einen Innendurchmesser von beispielsweise
5 mm und eine Außendurchmesser von 10 mm.
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Für
die Elektrodenbereiche 3 ist auf der Außenfläche
eine rauhe Kupferschicht aufgebracht, die mehrstufig durch zuvor
beschriebene Aufdampf-, Aufrauh- und anschließendem Galvanikprozess
erzeugt worden ist. Durch Einbringen der Isolationsnuten 5 sind
die Elektrodenbereiche 3 frei positionierbar und an gewünschten
Stellen aus der zuvor aufgebrachten Kupferschicht durch entsprechende
Strukturierung erzeugt. Oberhalb der Messelektrode 3b befindet
sich eine Bohrung 8, durch die das Koaxialkabel 4 gesteckt
und über das Rohrinnere nach außen bis zur Messelektronik
geführt ist.
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Als
Außenhülle 2 dient ein einseitig verschlossenes
Kunststoffrohr, im vorliegenden Fall aus PTFE, mit einem Innendurchmesser
von 13 mm und einem Außendurchmesser von 16 mm. Die Verbindung
zwischen Innenrohr 1 und Außenrohr 2 erfolgt über
in den Raum zwischen Innenrohr 1 und Außenrohr 2 eingelassenes
Gießharz 6, welches über die Bohrung 8 auch
in das Innere des Innenrohres dringen kann.
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Für
eine verbesserte stabile formschlüssige Verbindung mit
dem Gießharz 6 verfügt das Außenrohr über
eine nicht näher dargestellte Profilierung, z. B. in Form
eines Innengewindes mit einer Tiefe von 0,6 mm. Im einfachsten Fall
ist das Innenrohr lediglich in das Außenrohr gesteckt und
schließt mit diesem zweckmäßig bündig
ab, wobei an dem offenen Ende des Außenrohres ein Deckel
mit Kabeldurchführung und Knickschutz vorgesehen sein kann.
Die verbleibenden Hohlräume, inklusive dem Inneren des
GFK-Rohres, sind somit mit dem Gießharz 6, bevorzugt
mit einem temperaturbeständigen Harz, vergossen. Eine eventuell
exzentrische Lage des Innerohres hat auf die Funktion der Stabsonde
nur eine vernachlässigbare Auswirkung. Die Sonde erfüllt
somit in idealer Weise alle Anforderungen für den Einsatz
zur Füllstandsüberwachung von Heißleimen
und ist bis zu 250°C Dauertemperatur bei hoher Zug und Biegefestigkeit
und guten Antihafteigenschaften einsetzbar.
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Das
Außenrohr ist über seine Außenlänge beziehungsweise über
einen Teil seiner Außenlänge konisch verjüngt 7.
Diese Verjüngung reduziert vor allem Zugkräfte,
die durch abkühlende und erstarrende Heißleime
auf die Stabsonde einwirken. Durch die Volumenreduktion wandert
eine jeweils beim Abkühlen des Heißleimes entstehende
kreisförmige Abrissfläche am oberen Benetzungspunkt
mit dem Absinken der Erstarrungsebene nach unten in Richtung Sondenspitze 9.
Zur Reduktion der Zugkräfte ist bereits eine geringe Verjüngung
der Stabsonde, z. B. von 0,1 mm auf 10 mm Länge, ausreichend.
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Ferner
kann auf einfache Weise zusätzlich vorgesehen sein, z.
B. in Anlehnung an die
DE 198 50
291 , dass im Sondeninneren ein in
1 nicht dargestellter
Temperaturfühler angeordnet ist, wobei dessen Außenmantel
dann lediglich auf das Potential einer Schirmelektrode zu legen
ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19528384 [0002]
- - DE 19850291 [0033]