DE102008015052A1 - Stabförmige kapazitive Füllstandsmesssonde - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung beschreibt eine stabförmige kapazitive Füllstandsmesssonde für analoge und/oder mehrkanalige Grenzwert-Füllstandsmessungen, welche eine elektrisch isolierende rohrförmige Außenhülle aus einem einseitig verschlossenen Kunststoffrohr und ein Rohr aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) im Sondeninneren, auf dessen Außenseite Elektroden angeordnet sind, aufweist, wobei Innen- und Außenrohr durch Gießharz miteinander verbunden sind.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine stabförmige kapazitive Füllstandsmesssonde für analoge und/oder mehrkanalige Grenzwert-Füllstandsmessungen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die erfindungsgemäße Lösung ist durch eine Füllstandsmesssonde nach angehängtem Anspruch 1 gegeben. Bevorzugte bzw. vorteilhafte Ausführungsformen oder Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die vorliegende Erfindung stellt somit eine Lösung durch Kombination verschiedener Werkstoffe für einen Sondenaufbau vor, die in überraschender Weise die geforderten Eigenschaften ideal erfüllen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ist im Sondeninneren zusätzlich ein Temperaturfühler angeordnet, muss dieser lediglich auf das Potential einer Schirmelektrode gelegt werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Durch eine oder mehrere dieser vorgenannten Maßnahmen können somit negative Auswirkungen unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten vermieden werden.
  • Um extremen Zugkräften wirksam entgegenzuwirken, hat sich darüber hinaus eine Verjüngung der Oberfläche der äußeren Außenhülle als vorteilhaft erwiesen.
  • Eine erfindungsgemäße Stabsonde wird nachfolgend anhand der in der beigefügten 1 dargestellten Ausführungsform lediglich als Beispiel und nicht einschränkend beschrieben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 19528384 [0002]
    • - DE 19850291 [0033]

Claims (9)

  1. Stabförmige kapazitive Füllstandsmesssonde für analoge und/oder mehrkanalige Grenzwert-Füllstandsmessungen, gekennzeichnet durch eine elektrisch isolierende rohrförmige Außenhülle aus einem einseitig verschlossenen Kunststoffrohr und einem Rohr aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) in Sondeninneren, auf dessen Außenseite Elektroden angeordnet sind, wobei Innen- und Außenrohr durch Gießharz miteinander verbunden sind.
  2. Messsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhülle je nach Anforderungen an die Chemikalienbeständigkeit, die Abriebfestigkeit und den Antihafteigenschaften in Bezug auf die zu überwachenden Medien aus PTFE, PVDF, PE oder PEEK bzw. einem daraus abgeleiteten Copolymere besteht.
  3. Messsonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die rohrförmige Außenhülle in Richtung der verschlossenen Rohrseite verjüngt.
  4. Messsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite des Außenrohres mit einem Profil für eine stabile formschlüssige Verbindung zwischen Kunststoffrohr und Gießharz versehen ist.
  5. Messsonde nach einem der Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Außenseite des Innenrohrs aus GFK eine Anzahl von elektrisch leitfähigen Bereichen aufgebracht ist, welche die Elektroden definieren, und durch die Außenseite des Innenrohres Öffnungen eingebracht sind, durch welche mit den Elektroden elektrisch verbundene Anschlusskabel in das Innere des Innenrohrs und dort in Richtung Elektronik geführt sind.
  6. Messsonde nach einem der Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine auf der Außenseite des Innenrohres durch Vakuumbeschichtung aufgebrachte, elektrisch leitfähige Startschicht, auf welcher eine Anzahl von elektrisch leitfähigen Bereichen, welche die Elektroden definieren, mittels Kupfergalvanik aufgebracht ist.
  7. Messsonde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Startschicht aufgerauht ist.
  8. Messsonde nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von elektrisch leitfähigen Bereichen, welche Elektroden definieren, durch eine gemeinsame elektrisch leitfähige Schicht und anschließend eingebrachten, die Schicht radial durchtrennende Nuten bereitgestellt ist.
  9. Messsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen im Sondeninneren angeordneten Temperaturfühler.
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