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Gerät zum An#cigen des Vorhandenseins, der Ann@herung oder der Vergrö#erung
von festen Körpern, Flüssigkeiten oder Gasen DierfindunbeziehtsichaufeinGeratzumAnseilen
des Vorhandensoins, der annäherung oder dr Vergrö#erung von festen förpern, Flüssigkeiten
oder Gasen mittels einer an der Ko@lrollstelle angeordneten, an einen elektrischen
Stromkreis angeschlossenen Nutzelektrode, deren sich beim Verlagern der Körper oder
Kedien in den ansprcchbereich der @utzelekbrode Fndernde Kapazität gegenüber dem
L'a ; *f3epotential als Spannungsänderung sur Anzeige gebracht wird.
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Es sind Geräte zum Anzeigen von Füllständen iu Bchältern beknant,
b@l. denen die @futzelektrode als in den behälter
hineinragendes
Seil oder als in die Behälterwand ein@esetzte Scheibenelektrode ausgebildet und
in eine Brückenschaltung gelegt ist. Die Brückenschaltung ist auf eines der sich
verlagernden Medien abgestimmt und wird beim Füllen des Behälters aus dem Gleinchgewcht
gebracht, wobei die komplexe Widerstandsänderung des Brücke@sweigec für die Füllstandsanzeige
ausgewertet wird. Diese beka@@-ten Messeinrichtungen mit Brückenschaltung mässen
Spe@iell auf das zu überwachende Medium abgestimmt werden und ls@sen sich nicht
universell gleichzeitig auch als berühr@@gelose @fäherungeschalter oder dergl. verwenden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die aufgabe an Grunde, mit geringstem
baulichen Aufwand einen universell einsetzbaren handlichen Sensor zu schaffen, mit
dem sowohl das Vorhandensein als auch die Annäherung und aueh die Vergröf@erung
von festen Körpern oder flässigen bzw. gasförmigen L@edien eiawandfrei angezeigt
werden kann.
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Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemä# darin gesehen, da#
in dem Stromkreis ein räckgekoppelter RC-Oszillator vorgesehen ist, an dem die Nutzelektrode
und eine sie beeinflussende, mit ihrem elektrischen Feld um 180° gegenüber dem @utzelektrodenfeld
phaseverschobene Abschirmelektrode angeschlossen sind, wobei die Kapasitätsänderungen
zwischen Nutzelektrode und Fassepotential den Schwingungseinsatz oder den Schwingungsabri#
des Oszillators auslösen, dessen erzeugte oder unterbrochene Wechselspannung vorzugsweise
über einen Gleichrichter und einen Verstärker das ansprechen eines Auswerters bewirkt.
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Durch die Anordnung einer auf die Nutzolektrode einwirkenden Abschirmeloktrode,
deren elektrisches Feld gegenäber dem Fold der dut@#elekbrode um 180° phasenvervsenverschoben
ist, Lö#t sich die norm@tlerweise allseitig, wirkoude empfindlichkeit der Nutzelektrode
in die gewiinschte Anopreschrichtung
lenken, so da# Fehlanzei gen
durch Beeinflussung der Mutzelektrode aus anderen Richtungen nicht mehr auftreten
können. Diese Abschirmwirkung wird dadurch ermöglicht, da# die von au#en auf die
Abschirmung einwirkenden kapazitiven Beeinflussungen von der Abschirmelektrode selbst
auf-@enom en und durch die 180°0-Phasenverschiebung im entegen-@esetston Sinne wie
die Einwirkungen auf die Nutzelektrode auf de@ Oszillator übertragen werden, So
da# sie als . @ämpfung wirken. Bei der kapazitiven Änderung der Nutzelektrode zum
Massepotential wird diese Dämpfung aufgehoben ; mc aer Oszillator wird zum Schwingungseinsatz
veranla#t.
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Der gemä# der Erfindung vor geschlagene Einbau eines Oszillators mit
direktem Anschlu# der Hutzelektrode ermöglicht die universelle Verwendung des Gerätes
zur Iliontrolle der verschiedensten Medien oder Korper, ohne daR eine jeweilige
Eichung des Gerates, wie es Bur Brückenschaltungen erforderlich ist, notwendig wird.
Durch die infolge der Abschirmung zentral gerichtete Ansprechempfindlichkeit der
Nutzelektrode läßt sich das vorgeschlagene Gerät nicht nur zum Anzei gen des Mediumwechsels
auf Ground der unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten, z. B. zum Anzeigen des
Füllstandes in Behältern, sondern gleichzeitig auch als Mäherungsschalter für feste
Körper oder Flüssigkeiten verwenden.
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Wird das erfindungsgemä#e Gerät zum Anzeigen von Füllständen in Behältern
eingesetzt, so läßt es sich häufig nicht vermeiden, da# Schüttguträckstände durch
Feuchtigkeit, Adhäsion oder dergl. an der Oberfläche der Elektroden haften bleiben,
wodurch infolge der Vergrößerung des Dielektrikums das Vorhandensein von Schüttgut
vorgetäuscht werden kann und das Gerät dann fälschlicherweise einen Füllstand meldet.
Um diese Einflüsse mit Sicherheit auszuschaltel, wird in Weiterentwicklung der Erfindung
vorgeschlagen,
au#erbalb der die Nutzelektrode beeinflussenden Abschirmelektrode
noch eine an Masse liegende Elektrode anzuordnen.
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Im Bereich der Abschirm-und N'itzelektrode unterstützt die anhaftende
Schüttgutschicht durch Vergrößerung des Dielektrikums die Wirkung der Abschirmelektrode.
Das zwischen der nasseelektrode und der N'utzelektrode entstehende Feld dagegen
kann sich infolge der größeren Entfernung nicht so ausbilden,-daß es zur Auswirkung
kommt, da fUr dieses Feld nicht das Dielektrikum der anhaftenden Schüttgutschicht,
sondern das wesentlich schlechtere Dielektrikam der im Feldbereich befindlichen
Luft maßgebend ist. Erst wenn sich C11 die dünne Haftschicht durch das aufsteigende
Schüttgut in ihrer I-asse erheblich vergrößert, andert sich auch das Dielektrikum
zwischen Masse- und Nutzelektrode, so daß jetzt das Feld der Abschirmelektrode von
der Kapazität zwischen Masse- und Nutzelektrode überwunden wird und das Gerät ansoricht.
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Weitere Einzelhei ten und Vorzüge der Erfindung werden in der Zeichnung
an Hand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert, und zwar zeigen : Fig. 1
das Anzeigegerät gemä# der Erfindung im Längsschnitt, I'i g. 2 die elektrische Schaltung
des Gerätes nach Fig.1teilweiseinvereinfachterDarstellung, fiv. 3 die Anordnung
der fiutz- und Abschirmelektrode mit au#erhalb liegender Liasseelektrode im Längsshnitt,
Fig. 4 die Elektrodensnordnun ; nach Fig. 3 im Qnerschnitt, Fig. 5 die Nutz-, Abschirm-
und l'asseelektrode in Fig. 5 die Nutz-, Abschirm-und Kasseelektrode in Ringausführung,
Fig.'''-dieAnwendungdeser'tesals..Lherunsschalter fär feste Körper,
Fig.
7 die Anwendung des Gerätes als Näherungsschalter für Flüssigkeiten, Fig. 8 die
Anwendung des Gerätes als Füllstandsanzeiger in Behältern, Fig. 9 die Anwendung
des Gerätes zum Anzei gen unterschiedlicher Oberflächen,.
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Fig. 10 die Anwendung des Gerätes mit besonders ausgebildeten Elektroden
zur genauen Höhenanzeige von Flüssigkeitsspiegeln und Fig. 11 die Elektroden des
Gerätes nach Fig. 10 in vergrößertem Querschnitt.
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Das in Fig. 1 teilweise im Längsschnitt dargestellte Anzeigegerät
1, nachstehend kurz Sensor genannt, ist zylindrisch ausgebildet und besteht aus
einem PVC-Mantelrohr 2, auf das ein metallischer Schutzring 3 aufgeschoben ist,
dessen Oberfläche zur Befestigung einer geeigneten Klemmverbindung für die ortsfeste
Montage des Sensors dient. Das Mantelrohr 2 ist am rückwätigen Ende des Sensors
1 durch eine. ein axial abgehendes Anschlußkabel 4 aufweisende Kappe 5 abgeschlossen.
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Im Innern des Rohres 2 ist eine Leiterplatte 6 eirlgebaut, die auf
der einen Seite in geätzter Form die elektrische Schaltung und auf der anderen Seite
einen Teil der elektrischen Bauelemente 7 trägt. An der Stirnseite des Kantelrohres
2 sind zwei Eindrehungen 8 und 9 vorgesehen. In die äu#ere Bindrehun 8 ist die als
runde Scheibe ausgebildete Nutzelektrode 10 eingepreßt. Über einen Luftspalt dahinterliegend
befindet sich in der zweiten Ausdrehung 9 die als Ring ausgebildete Abschirmelektrode
11. Den vorderen Abschluß des Gerätes bildet eine Schutzschicht 12 aus aufgegossenem
Kunststoff.
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Der Hohlraum der ringförmigen Abschirmelcktrode 11 ist als Aufnahmekammer
13 für die Ba@teile 14, 15 und 16 der elektrischen Schaltung ausgebildet, die direkt
an die @utzelektrode 10 angeschlosnen sind. dadurch ergibt sich eino kompakte
Bauweise
und eine leichte Montage des Gerätes. Die fialteplatte 17 aus Leiterplattenmaterial
erleichtert den Einbau der Bauteile 14, 15 und 16 und ist lei-tend id mit dem Abschirmelektrodenring
11 verbunden, so daß sie drch ihre Kupferfolie die Abschirmung nach hinten unterstützt.
Am rückwärti-@ Ende der Leiterplatte 6 ist ein Potentiometer 18 vorgesehen, das
durch eine in der Nappe 5 befindliche, durch eine Sc. hraube 19 verschließbare Öffnung
von außen einstellbar ist.
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Dadurch laßt sich das universelle Gerät beim Einsatz als Näherungsschalter
und dielektrischer Detektor in seiner Ansprechempfindlichkeit, d. h. in seinem Ansprechbereich
verändern.
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Zweckmäßigerweise wird das Innere des Fantelrohres 2 nach Einbau der
Leiterplatte 6 mit einem Kunststoff, insbesondere Polyurethan ausgeschäumt, wodurch
eine feste Fixierung der Bauelemente 7 erreicht wird. In ihrer Wirkungsweise wird
die Schaltung hierdurch nicht beeinträchtigt, da der Schaun infolge seines hohen
Luft- bzw. Gasanteiles keine wesentliche Änderung des Dielektrikums verursacht.
Der Sensor 1 ist wasserdicht ausgebildet und kann deshalb auch in Flüssigkeiten
eingesetzt werden. Zu diesem Zweck ist die Kappe 5 mit dem-Rohr-2 dicht--verklebt.
Diese Verbindung lä#t sich in besonders einfacher leise dadurch herstellen, da#
in das Rohrinnere flüssiger Kunststoff eingegeben und nach Aufsetzen der Kappe 5
der Kunststoff bei senkrechter Stellung des Sensors am rückwärtigen Ende des Rohres
2 in Bereich 20 zur Aushärtung gebracht wird. Hierdurch werden gleichseitig auch
lie Drähte des Anschlu#kabels 4 verlilebt, damit zugentlaatet und abgedichtet. Durch
die strinseitige Schutzschicht 12 und eine Dichtung 21 hinter der schraube 19 ist
die allseitige Abdichtung gewährleistet.
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Die e Fig. 2 lä#t die zusammenschal tung der Bauelemente des Oszillato@s
mit der @utzolektrode 10 und der abschirmelek-I @rode 11 crkennen. Der Trausistor
1@ und die Widerstände 5 und 1 stellen die in die Aufnahmekammer 13 eingebauten
aURle''.ie:T{'edar.DererfindungsgemäßeRC-(resistance
capacitance)-Oszillator wird aus den Bauelerzenten 14, 15 und 16 so,.-. vie aue
dem zweiten Transistor 22 gebildet. In dem Gleichrichter 23 wird die im Oszillator
erzeugte Wechselspaunung gleichgerichtet und über den Verstärker 24 zum An-@ des
Anzsigerelais 25 ausgenutzt. Die Basis des Wra@cistors 14 ist über die Leitung 26
mit der Nutzelektrode 10 und den Widerständen 15 und 16, die gleichzeitig an der
Nutzelektorde angeschlossen sind, verbunden, während die Abschirmelektrode 11 liber
Leitung 27 an den Emitter des Transistors 22 angeschlossen ist. Zwischen den Emittern
beider Transistoren 14 und 22 ist ein Kondensator 28 geschaltet, der in verbindung
mit den übrigen Bauelementen die Frequenz bestimmt. Die Abschirmelektrode 11 umgreift
beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 die Nutzelektrode 10 topfartig, so daß nicht
nur eine sichere Abschirmung der Nutzelektrode nach hinten, sondern gleichzeitig
auch eine seitliche abschirmung @ ist. Das Ansprechfeld der Nutzelektrode kann dadurch
noch straffer gerichtet werden.
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Di e Wirkungsweise der Oszillatorschaltung ergibt sich aus der Spannungsänderung
an der Basis des Transistors 14. Diese Spannungsänderung wird dadurch erreicht,
da# sich die Kapazität zwischen der Nutzelektrode 10 und der an Massepotential 2S
liegenden Schaltmasse 30 bei Annäherung verändert. Die I) eviirkt die Durchschaltung
des Transistors 14, wodurch der Schwingungseinsatz des Oszillators und damit die
Anzeige ausgelost wird. Bedingt durch den Anschluß der Leitung 27 an den Emitter
des Transistors 22 ergibt sich fUr das Feld der Abschirmelektrode 11 eine Phasenverschiebung
von 180°. Infolge dieser Phasenverschiebung und der damit verbundenen Abschirmung
wird für die iTutzelelctrod e 10 das zur Schaltmasse 30 hin erzeugte Feld 31 gerichtet
und eingeengt.
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In den Fig. 3 und 4 ist eine Elektrodenanordnung insbesondere für
den Einsatz des Gerätes zur Füllstandskontrolle in
Behältern dargestellt,
bei der au#erhalb der die Nutzelektrode 10 beeinflu#enden Abschirmelektrode 11 noch
eine an Tasse liegende Elektrode 32 angeordnet ist, damit eine an den Blektroden
anhaftende dünne Schüttgutschiclit nicht zur Fehlanzeige filhren= kann. Die drei
Elektroden 10, 11 und 32 sind konzentrisch zueinander in einer Ebene angeordnet,
wobei die als Rundscheibe ausgebildete Wu. tzelektrode 10 zunächst von dem Abschirmring
11 und diese beiden Elektroden wiederum von dem großeren rassering 32 umschlossen
sind. Diese Anordnung in einer Ebene erlaubt die Herstellung der drei Elektroden
aus einer Trägerplatte mit leitender Folie, aus der die Elektroden in der gewünschten
Form ausgeätzt sind. Die die Stirnflache des Gerätes bildende Oberfläche der drei
Elektroden ist wie bei der Ausführung nach Figo 1 durch eine Kunststoffschicht 12
abgedichtet, die-zweckmäßigerweise aus einem Polytetrafluoräthylen-Kunststoff,z.B.Teflon
besteht, der feuchtigkeitsabstoßend ist und infolge-desseneine Veränderung der Dielelctrizitätskonstante
und damit eine Falschschaltung mit Sicherheit verhindert. Durch seine schlechte
Adhäsionseigenschaft verhindert Teflon außerdem weitgehend das Anhaften von Feingutschichten.
Wird das ganze Gerät von Teflon umhüllt, kann es auch zur Überwachung direkt in
aggressive Medien eingesetzt werden.
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Die Elektrodenanordnung nach den Fig. 3 und 4 ist nicht nur vorteilhaft
Sür die, Füllstandskontrolle in Behältern, sondern eignet sich auch zur Kontrolle
leitender, nahezu masseloser Korper, wie z. B. Feinstdraht. Wird ein solcher Draht
in die Uähe der Elektroden 10 11 und 32 gebracht, so wird durch die Lasseelektrode
ein elektrisches Feld auf diesen Draht übertragen. Dieses elektrische Feld wird
durch den Draht zur Nutzelektrode 10 weitergeleitet und von dieser aufgenommen,
wodurch die Auslösung des Schaltvorganges erfolgt. Ist der Draht unterbrochen, findet
kein Schaltvorgang statt.
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Soll das Gerät bei Verwendung als Fiillstandsanzeiger in Behältern
für Schüttgut mit besonders niedriger Dielektrizitätskonstante,
z.
B. für PVC-Pulver verwendet werden, so empfiehlt es sich, die drei Elektroden 10,
11 und 32 gemä# Fig. 5 als auf den Mante 2 des Gerates 1 aufgeschobene Ringe auszubilden.
Auch hierbei ist es zweckmäßig, die Elektrodenringe mit einer Kunststoffschicht,
vorzugsweise aus Teflon, zu überziehen. Durch die axiale, hintereinanderliegende
Anordnung des llutzelektrodenringes 10, des Ringpaares 11 der Abschirmelektrode
und des außenliegenden Ringpaares 32 der Masseelektrode ergibt sich die gleiche
elektrische Abschirmung wie bei der Ausführung nach den Fig. 3 und 4, jedoch wird
hierbei die Schaltfunktion ausgelost, wenn das elektrische Feld zwischen den Elektroden
10 und 32 durch das Dielektrikum der Schaltmasse, z.B. Pulver, genügend verstärkt
ist. Bei dielektrisch gutleitenden Medien kann diese Verstärkung schon erreicht
werden, wenn nur ein Ring des Masseelektrodenpaares 32 bis zum Nutzelektrodenring
10 hin von Pulver umgeben ist.
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In den lie.. 6 bis 11 sind verschiedene Anwendungsmogl-ichkeiten des
erfindungsgemäßen universellen Sensors dargestellt. So zeiat Fig. 6 den Einsatz
des Sensors 1 als Näherungsschalter zur berührungslosen Kontrolle oder Zählung von
auf einem Förderband 33 wandernden, den Sensor 1 passierenden Fertigteilen 34. Beim
Eintreten eines Fertigteiles 34 in den Ansprechbereich des Sensors 1 wird die Anzeige
ausgelost. Sie wird wieder aufgehoben, sobald das Fertigteil 34 die Ansprechzone
verlassen hat.
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Die Fig. 7 zeigt die Verwendung des Sensors 1 zum Anzeigen der FUllhöhe
in Flaschen 35. Der Schaltimpulsdes Sensors 1 erfolgt, sobald der Flüssigkeitsspiegel
in den Ansprechbereich des Sensors eindringt und kann zum Abschalterl des Füllventils
der Abfüllanlage benutzt werden.
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Bei der Füllstandskontrolle von Schüttgut in Behältern gemäß Fig.
8 wird der Sensor 1 in der gewänschten Ansprechhöhe im Behälter 36 angebracht. Eine
Verbindung mit der Behalterwand 36
ist bei dem erfindungsgemäßen
Gerät nicht erforderlich, wenn ein Sensor mit drei Elektroden eingesetzt wird.
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Bei dem Anwendungsfall nach Fig. 9 wird der Sensor 1 zum Anzeigen
unterschiedlicher Flächen 37 und 38 benutzt. So kann z. B. hierdurch in der Verpackungsindustrie
kontrolliert werden, ob die zum Verkleben von Kartons vorgesehenen Klebflächen ausreichend
mit Klebemittel beschichtet sind. Die Nutzelektrode 10 ist hierbei der Große der
zu kontrollierenden Leimflächen 37 und 38 anzupassen.
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Ein durchgehender Leimstreifen läßt sich mit dem erfindungsgemäßen
Gerät auch dadurch kontrollieren, daß in einiger Entfernung vom Sensor 1 ein an
Masse liegender leitender Sörper über dem Leimstreifen angeordnet ist, der das elektrische
Feld über die Feuchtigkeit des Leimstreifens zur Nutzelektrode weiterleitet. Bei
Unterbrechung des Leimstreifens wird die gewünschte Schallt unktion ausgelost.
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In den Fige 10 und 11 ist der Einsatz eines besondersexakt schaltenden
Sensors 1 dargestellt. Dieser Sensor besitzt die spezielle Elektrodenanordnung nach
Fig. 11, bei der die Nutzelektrode 10 als schmaler Streifen ausgebildet ist. Dadurch
kann der Flüssigkeitsspiegel 39 mit kleinsten Toleranzen erfaßt werden.