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Beschreibung mit patentansprüchen zur Erfindung Kapazitive Meßsonde
zur Bestimmung der Niveauhöhe von Flüssigkeiten und Festgütern mit begrenzter Ausdehnung
des elektrischen Feldes Beschreibung Die beschriebene Erfindung dient dem Zweck,
die Niveauhöhe von Plüssigkeiten oder Festgütern mittels einer kapazitiven Meßsonde
so zu bestimmen, daß die meßbare Kapazität der Sonde proportional ihrer Bedeckung
mit dem Meßgut und damit bei vertikaler Montage der Niveauhöhe ist. Nach dem Stand
der Technik sind dazu bereits folgende Anordnungen bekannt: 1) Gemäiä Bild 1 wird
ein Stab aus leitendem Material (meist Stahl) vertikal in den das Meßgut aufnehmenden
Behälter eingeführt, dessen Wandung hierbei ebenfalls aus elektrisch leitendem Material
besteht. In verschiedenen Fällbn wird anstelle des Stabes auch ein Seil, welches
durch sein Eigengewicht vertikal hängt, benützt. Die Kapazität zwischen dem Stab
bzw. der Seil sonde und der metallischen Behälterwand ist nun eine Funktion der
Füllhöhe es Meßgutes im Tank, sofern dessen relative lielektrizitätskonstante größer
als 1 ist; dies ist jedoch fast immer erfüllt. Die Anordnung wirkt wie ein teilwelse
mit Dielektrikum gefüllter Kondensator, dessen Kapazität mit bekannten elektrischen
Meßmethoden als Maß für die Niveauhöhe bestimmt wird. Das Verfahren wird für elektrisch
nichtleitende Flüssigkeiten und Festgtiter angewandt.
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2) Das Verfahren nach 1) kann nicht für elektrisch leitendes Meßgut
angewandt werden, wie z,B. Säuren, Basen, Salzlösungen, da dieses den genannten
Kondensator kurzschließen würde.
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In diesen Fällen wird die Stabsonde mit einem elektrisch isolierenden
Stoff überzogen. Als Kondensatorelektroden wirken dann der leitende Stab einerseits
und die leitende Flüssigkeit andererseits, der IsolierstoffEberzug des Stabes wirkt
als Dielektrikum. Der vom Meßgut nicht bedeckte Teil dieser Anordnung wirkt wie
ein Kondensator mit sehr weit entfernter Gegenelektrode (hier der Behälterwand),
der dann zur Gesamtkapazität nicht wesentlich beiträgt. Diese wird nahezu ausschließlich
durch die Kapazität des von Meßgut bedeckten Sondenteiles bestimmt.
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3) Bei einem weiteren kapazitiven Verfahren wird dem in 1) und 2)
genannten Stab eine zweite Elektrode zugeordnet, welche die Gegenelektrode zu ihm
darstellt. Die Anordnung kann dabei so getroffen sein, daß beide Elektroden nebeneinander
oder konzentrisch liegen, jedoch immer elektrisch voneinanker isoliert sind. Weiterhin
können beide Elektroden oder auch nur eine von beiden mit einem isolierenden Stoff
Uberzogen sein. Sie wirken in allen Fällen als die Elektroden eines Kondensators,
dessen Kapazität siuh wieder wie in 1) und 2) nach Maßgabe der Sondenbedeckung durch
das Meßgut ändert.
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Bild 2 zeigt diesen Fall.
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4) Es sind noch weitere Verfahren der Wiveauhöhenmessung bekannt,
die jedoch nicht nach dem kapazitiven Verfahren grteiten und damit nicht mit der
hier beschriebenen Erfindung vergleichbar sind. Diese übrigen Verfahren arbeiten
mit Ultraschall, Röntgenstrahlung, radioaktiver Strahlung, mit Druckmessung der
Meßgutsäule oder anderen nichtkapazitiven ZethAden.
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Den unter 1) bis 3) genannten Verfahren ist gemeinsam, daß die Kapazität
der Meßsonde sehr wesentlich von ihrer Anordnung im Meßgutbehälter abhängt. Die
meßbare Kapazität bei
völlig leerem Behälter wird wesentlich bestimmt
durch die Behältergröße, die Behälterform und den Einbauort der Sonde.
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Ausgenommen davon ist hier nur die Sonde nach 3) , bei der zwei konzentrische
Elektroden verwendet werden, von denen die äußere auf elektrischem Massepotential
der Anordnung liegen muß.
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Diese Abhängigkeit der "Leerkapazität" von verschiedenen Parametern
führt dazu, daß sie nach jedem Einbau einer MeX-sonde bei leerem Behälter als eine
Meßanordnungskonstante in den elektrischen Meßkreis einbezogen werden muß. Dies
stößt in allen den Fällen auf Schwierigkeiten, in denen eine Entleerung des Behälters
zu Eichzwecken nicht möglich ist.
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Zur Vermeidung dieser Schwierigkeit kann nur in wenigen Fällen die
genannte Sonde mit konzentrischen Elektroden angewandt werden, da sie nicht leicht
zu reinigen ist und bei zähen Flüssigkeiten oder festen Behälterinhalten dazu führt,
daß der Meßgutstand im konzentrischen Elektrodensystem nicht jeweils gleich dem
Stand im Behälter selbst ist.
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Zwei weitere Gesichtspunkte lassen den Wunsch nach einer verbesserten
kapazitiven Meßsonde entstehen : a) Bei Einbau von Sonden in liegende 2ylindrische
Behälter ist das jeweilige Meßgutvolumen nicnt mehr eine lineare Funktion der Niveauhöhe,
wie Bild 3 verdeutlicht. Nach dem Stand der Technik wird der Zusammenhang zwischen
Niveauhöhe bzw. der hierzu proportionalen Sondenkapazität und dem Meßgutvolumen
durch Skalenumeichung vorgenommen. b) Es wird oft eine Anordnung gewunscht, bei
der die kapazitive Meßsonde nicht in den Behälter eingeführt wird, sondern diesen
umschließen 8011. Dies tritt bei der NiveauhUhenmeesung in Rohren auf, die mit einem
größeren Behälter kommunizierend verbunden sind. Man sucht Eintaucheonden auch dann
zu vermeiden, wenn in aggressiven Stoffen gemessen werden soll.
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Die hier beschriebene erfindung aoll folgende Aufgaben lösens Die
später im einzelnen angegebene kapazitive Sonde zur Bestimmung der Niveauhöhe von
Flüssigkeiten und Festgütern weist eine Eigenkapazität auf, die unabhängig ist von
der Art und der Form sowie dem Material des Behälters, in den sie eingesetzt wird,
ebenso unabhängig von der Einbaustelle in den Behälter. Diese bekannte und konstante
Eigenkapazi tät kann somit vor Einbau der Sonde als Meßgerätekonstante berücksichtigt
werden. Es ist somit hei dieser Sonde nicht notwendig, den Behälter in leerem Bustand
zur Verfügung zu haben, um einen Abgleich durchzuführen. Bei Einbau in einen bereits
ganz oder teilweise gefüllten Behälter nimmt die Sonde eine der Niveauhöhe proportionale
Kapazität an. Diese wird in Beziehung gesetzt zu der beim Einbau vorhandenen, anderweitig
einmalig gemessenen Niveauhöhe, woraus dann für immer eine feste Zuordnung der Niveauhöhenwerte
zur SondenkapazitSt besteht.
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Da die Eigenkapazität der Sonde konstant ist, spielt die Art und das
Material der Behälterwand keine Rolle.
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Eine andere Ausführungsform der neuen kapazitiven Sonde, fedoch auf
dem gleichen Prinzip beruhend, löst die Aufgabe, Niveauhöhen von Flüssigkeiten oder
Festgütern in einem Standrohr von der Außenseite des Rohres her zu messen, ohne
daM das Rohr an irgendeiner Stelle eine elektrische iurchführung von seiner Auzenseite
zu seiner Innenseite benötigen würde, Bei einer dritten Ausführungsform kann erreicht
werden, daß die gemessene Sonuenkapazität linear proportional zum Meggutvolumen
ist, auch wenn kein linearer Zusammenhang zwischen Niveauhöhe und diesem Volumen
besteht, wie z. B. bei der Anordnung in Bild 3.
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Diesen genannten Aufgaben liegt folgender gemeinsamer Lösungsgeaanke
zugrunde: Es wird eine kapazitive Sonde aufgebaut, welche die zwei Elektroden eines
Kondensators enthält, wobei die beiden Elektroden so angeordnet werden, daß die
zwischen ihnen verlaufenden
elektrischen Feldlinien zwar das Meßgut
auf einer hinreichend langen Strecke durchsetzten, daß jedoch das elektrische Feld
in seiner Feldstärke in Richtung von der Sonde weg so stark abfällt, daß es an der
Stelle der Behälterwand oder anderer, nicht zum Meßgut gehörender Körper nur noch
in einer mit den praktischen keXmöglichkeiten nicht mehr feststellbaren Intensität
vorhanden ist. Alle in Bereichen derart kleiner Felistärken liegende Körper können
damit die Kapazität der Sonde nicht mehr beeinflussen.
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Die Realisierung dieses Prinzipes ist in mehreren Ausführungsarten
möglich. Gemeinsames Merkmal dabei ist jedoch, daß tir die genannte notwendige Abnahme
der elektrischen Peldstärke in Richtung weg von der Sondenoberfläche dadurch erzielt
wird, daß sich auf der Oberfläche selbst nebeneinanderliegende, elektrisch leitende
Streifen befinden, die abwechselnd zur einen oder der anderen Blektrode der Sonde
gehören. Die zwischen den flitt jeweils benachbarten Streifen verlaufenden elektrischen
Feldlinien durchsetzen dabei das an die Sondenoberfläche angrenzende Meßgut. Die
Intensität des elektrischen feldes nimmt senkrecht zur Sondenoberfläche annähernd,-bei
ebener Oberfläche sogar exakt-, nach einer Exponentialfunktion ab. Das Maß der Abnahme
ist durch Wahl der Breite und des gegenseitigen Abstandes der elektrisch leitenden
Streifen gegeben.
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Folgende ausführungsbeispiele von Sonden seien angeführt: Nach Bild
liegen auf einer rechteckförmigen Unterlage aus Isolierstoff elektrisch leitende
Streifen, die abwechselnd mit der einen oder der anderen von zwei Sammelelektroden
verbunden sind. Die zwischen diesen meßbare Kapazität setzt sich additiv zusammen
aus einer Grundkapazität und einem Kapazitätsanteil, der der Niveauhöhe von Flüssigkeit
oder Festgut, von welchen die Sonde umgeben ist, proportional ist.
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Eine Abwandlung davon bildet die Anordnung nach Bild 5, bei der gegenüber
von Bild 4 Längs- und Breitseite des Isolierstoffträgers vertauscht sind.
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2) Anstelle des ebenen Trägers aus Isolierstoff für die elektrisch
leitenden Streifen kann auch der Mantel eines Isolierstoffzylinders herangezogen
werden.
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Besonders einfach in der Herstellung wird die Sonde dann, wenn zwei
leitende Bänder mit einer solchen Steigung ur den Zylindermantel gewickelt werden,
daß die Ganghöhe der entstehenden Wendel der doppelten Summe aus Streifenbreite
und Streifenabstand entspricht. Jeder der beiden Streifeh spielt dann die Rolle
einer Elektrode. Bild 6 zeigt die Ausführung.
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Gemaß Bild 7 können die Streifen jedoch auch parallel zu den Mantellinien
des Zylinders liegen und wieder abwechselnd zum einen oder anderen EleXtrodensystem
gehören.
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Wie die Anordnungen nach Bild 4 oder Bild 5 werden auch die nach Bild
6 oder Bild 7 in den Behälter mit dem Meßgut eingetaucht.
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3) Die Streifenanordnungen nach Bild 6 und Bild 7 können anstelle
auf dem mantel eines Vollzylinders auch um ein Rohr aus Isolierstoff gelegt werden.
Die elektrischen Feldlinien durchsetzen dann durch die Rohrwand hindurch auch evtl.
im Rohr stehendes Meßgut, sodaß die Sondenkapazität sich linear proportional mit
der Niveauhöhe im Rohr ändert. Zweckmäigerweise werden dabei die von der Rohraußenfläche
nach außen verlaufenden elektrischen Feldlinien durch einen in geeignetem Abstand
angebrachten Metallzylinder nach außen hin abgeschirmt.
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Die Isolierstoffebenen als Träger für die elektrisch leitenden Streifen
müssen nicht ausschließlich wie in Bild 4 und Bild 5 rechteckige Form haben. Wird
eine Form der Isolierstoffe ebene gemäß Bild 8 gewählt, welche dann wie dort mit
eingetragen, mit leitenden Streifen zu belegen ist, dann ist die Änderung der Kapazität
der Sonde nicht mehr linear der Niveauhöhe proportional, sondern eine von der Form
des Isolierstoff~ trägers abhängige Funktion. Auf diese Weise ist es möglich, durch
geeignete Wahl jener Form die Kapazitätsänderung der Sonde proportional zur Volumenänderung
des Behälters werden zu u lassen, welche Ja nicht immer linear von der Niveauhöhenänderung
abhängt.
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Um beispielsweise die Kapazitätsänderung proportional zur Volumen
änderung in einem liegenden zylindrischen Behälter zu machen, müßte der Isolierstoffträger
eine zum Behälter querschnitt affine Form aufweisen, in diesem Fall also als Ellipse
ausgebildet werden.
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Die Anwendung der Erfindung liegt auf allen den Gebieten, wo Niveauhöhen
gemessen werden sollen, wie in der chemischen Industrie, Mineralölindustrie, in
der Schiffahrt, in Silos, bei der Wasserstndsmessung von Flußläufe und anderen ähnlichen
Anwendungsfällen.
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Der Fortschritt, welcher mit der beschriebenen kapazitiven Meßsonde
gegenüber den bisher bekannten giii erzielt wird, wird darin gesehen: 1) Die Eigenkapazität
der Sonde ist unabhängig von der Umgebung, sofern diese eine durch Dimensionierung
der Sonde wählbare Mindestentfernung von der Sonde aufweist. Damit ist sie auch
unabhängig von der Art und vom Material des Behälters, in den sie eingebaut wird.
Auch die Einbaustelle beinflubt sie nicht. Es entfällt damit im Gegensatz zu den
bekannten kapazitiven Niveauhöhensonden ein Abgleich der Meßeinrichtung bei leerem
Behälter, was besonders dann von Vorteil ist, wenn der Behälter beim Einbau nicht
entleert werden kann.
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2) Die beschriebene Sonde ist auch in solchen Behältern verwendbar,
die aus nichtleitendem Material bestehen und eine elektrisch nichtleitende Flüssigkeit
beinhalten. Jedoch ist dadurch die Sonde auch gleichermaßen in Verbindung mit elektrisch
leitenden Flüssigkeiten verwendbar, wenn ein elektrisch isolierender Uberzug vorgesehen
wird.
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3) Die Sonae ist auch zur Niveauhöhenmessung in Rohren geeignet, welche
das Meßgut enthalten, ohne daß eine Verbindung von der Rohraußen- zur Rohrinnenseite
erfolgen meiste.
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4) Durch geeignete Formgebrung des Sondenkörpers, in diesem Falle
des Isolierstoffträgers für die elektrisch leitenden
Streifen, ist
es möglich, die Kapazitätsänderung der Sonde nicht proportional zur Niveauhöhe,
sondern proportional zur Volumenänderung zu machen, gleichgültig, wie der Behälterqurrschnitt
geformt ist.
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Patentansprüche 1) Kapazitive Meßsonde zur Niveauhöhenmesseung von
Flüssigkeiten oder Festgütern dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung des elektrischen
Sondenfeldes durch den speziellen Aufbau der Sonde als System nebeneinander liegender,
elektrisch leitender Streifen, welche abwechselnd mit der einen oder anderen Elektrode
der Sonde verbunden sind, begrenzt wird; damit wird die Eigenkapazität der Sonde,
welche mit der Leerkapazität beim Einbau in Behälter identisch ist, unabhängig von
der Art, dem Material und der Form des Behälters sowie dem Einbauort der Sonde.