DE19728280C2

DE19728280C2 - Kapazitätssonde und dazugehörige Auswerteschaltung

Info

Publication number: DE19728280C2
Application number: DE19728280A
Authority: DE
Inventors: Alfred Haupt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-11-21
Filing date: 1997-07-02
Publication date: 2001-12-20
Anticipated expiration: 2017-07-03
Also published as: DE19728280A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kapazitätssonde und eine dazugehörige Auswerteschaltung, und insbesondere auf eine Sonde zur ka pazitiven kontinuierlichen Füllstandsmessung bzw. Pegelmessung von in ei nem Behälter befindlichen Füllgut bzw. Flüssigkeiten.

Füllstandsmessungen von Flüssigkeiten werden heute üblicherweise auf zwei physikalische Prinzipien zurückgeführt. Das erste Prinzip beruht auf der Tatsache, daß der hydrostatische Druck in einer Flüssigkeit proportional zur Flüssigkeitshöhe ist, wobei die Pegelmessung auf eine Druckmessung zurück geführt wird, die mit beispielsweise piezoresistiven Druckaufnehmern erfolgt. Das zweite Prinzip, auf daß sich die vorliegende Erfindung bezieht, beruht auf der Kapazitätsänderung einer Sonde, die in die zu messende Flüssigkeit ein getaucht wird.

Die kapazitive Füllstandsmessung besitzt den Vorteil, daß sie sowohl in offenen als auch geschlossenen, unter Druck stehenden Behältern angewandt werden kann.

Zur Auswertung der Kapazitätsänderung in derartigen Sonden zur kapa zitiven Füllstandsmessung sind im Wesentlichen drei Auswerteverfahren be kannt:

1. Umwandlung von ΔC in eine Wechselspannungsänderung, die verstärkt und nach Gleichrichtung ausgewertet werden kann.
2. Umwandlung von ΔC in eine Frequenzänderung, wobei von einem Refe renzoszillator und einem durch verstimmbaren ΔC Oszillator die Differenz frequenz gebildet und ausgewertet wird.
3. Umwandlung von ΔC in eine Impulsbreitenänderung mit nachfolgender Integration.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Kapazitäts sonde und dazugehörige Auswerteschaltung, bei der die Kapazitätsänderung der Sonde in eine Impulsbreitenänderung umgewandelt wird.

Weiteres zum Stand der Technik enthalten DE 44 28 616 A1, DE 42 28 591 A1 und DE 28 09 340 A1.

Weil bekannte Sonden Isolationshüllen aus PTFE aufwei sen und daher für hohe Temperaturen (z. B. über 240°C) nicht geeignet sind, schlägt DE 44 28 616 A1 eine neue Sonde vor, worin die Isolationshülle eine Keramikhülse ist, vorzugsweise aus Zirkoniumoxyd, die für einen großen Tempe ratur- und Druckbereich geeignet ist und hohen pH-Werten standhält. Die für die zuverlässige Funktion der Sonde not wendigen elektrischen Isolationseigenschaften werden durch eine zweite Keramikhülse, vorzugsweise aus Aluminiumoxyd, erreicht, die die Sensorelektrode in der ersten, äußeren Keramikhülse umgibt. Die zweite, innen gelegene Keramik hülse kann auf den der zu überwachenden Flüssigkeit ausge setzten Längenbereich der Sonde beschränkt sein. Es wird ein Niveausignal der Sonde erzielt, das auch bei hohen Tem peraturen (z. B 360°C) mit keiner temperaturbedingten Ver fälschung behaftet ist.

Weil den Isolationshüllen (PTFE) bekannter Sonden eine große Wärmedehnung zu eigen ist, wobei in Einsatzfällen mit höherer Betriebstemperatur im unteren Bereich des Behälters ein entsprechender Dehnungsfreiraum für die Isolationshülle erforderlich und eine Mediumüberwachung in diesem unteren Bereich deshalb nicht möglich ist, schlägt DE 42 28 591 A1 eine neue Sonde vor, die auch im unteren Behälterbereich eine Mediumüberwachung ermöglicht. Am oder im Bereich des Elektrodenstabes sind Mittel vorgesehen, die die Längsdeh nung der Isolationshülle hemmen. Mittel können sein: ein äußerer Anschlag; eine auf dem Elektrodenstab axial fixier te Buchse, mit der die Isolationshülle verschweißt ist, oder Vertiefungen bzw. radiale Zacken am Elektrodenstab mit einer steilen Flanke, an die die Isolationshülle ange schmiegt ist.

DE 28 09 340 A1 erläutert ein Verfahren zur Überwachung oder Messung des Pegelstands eines Mediums unter Ausnutzung der pegelstands- bzw. eintauchtiefenabhängigen Kapazität einer in das Medium eintauchenden Meßsonde, dadurch gekenn zeichnet, daß man die Meßsonde als zeitbestimmendes Element in einer Zeitschaltstufe verwendet, welche ein Ausgangssi gnal von der Kapazität der Sonde entsprechender Dauer er zeugt, und daß man die Dauer dieses Ausgangssignals als Maß für den Pegelstand auswertet.

Nachteilig bei den vorstehend genannten herkömmlichen Kapazitätsson den und ihrer dazugehöriger Auswerteschaltung ist zum Einen die starke Ab hängigkeit von parasitären Kapazitäten, die den Meßbereich einengen und verschieben oder die Langzeitstabilität verringern. Darüber hinaus haben her kömmliche sogenannte offene Kapazitätssonden die folgenden Nachteile, weshalb sie für präzise, kontinuierlich messende Füllstandsmessungen unge eignet sind:

- inhomogenes von der Behältergeometrie abhängiges elektrisches Feld und daraus resultierend eine ungenügende Linearität,
- kein Schutz gegen Spritzwasser und bewegter Wasseroberfläche bei starkem Wasserzulauf, daher unruhige Anzeige des Wasserstandes,
- Impulsjitter führt zu Problemen bei digitaler Signalverarbeitung,
- der an der Wasseroberfläche schwimmende Schmutz lagert sich an der Sondenoberfläche ab und muss, wenn auch in großen Abständen, regel mäßig entfernt werden, und
- Interferenzprobleme mit Frequenzen im Rundfunk und Fernsehbereich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sonde zur kapaziti ven Füllstandsmessung und eine dazugehörige Auswerteschaltung zu schaf fen, die universell einsetzbar, leicht zu handhaben und kostengünstig herzu stellen ist, und bei der die oben genannten Nachteile nicht oder nur im gerin gen Maße auftreten. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Sonde vorzusehen, bei der Nichtlinearitäten im Meßer gebnis aufgrund parasitärer Kapazitäten gar nicht oder nur im geringen Maße vorhanden sind.

Diese Aufgabe wird durch die Sonde gemäß Anspruch 1 bzw. durch die Auswerteschaltung gemäß Anspruch 25 er füllt.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Er findung gekennzeichnet.

Insbesondere durch den modularen Aufbau erhält man eine besonders einfach handhabbare und universell einsetzbare Kapazitätssonde, die kosten günstig herzustellen ist und an die unterschiedlichsten Einsatzzwecke ange passt werden kann. Durch die besondere Kompensation der parasitären Ka pazitäten in der Auswerteschaltung entfällt die Notwendigkeit, daß sich der sensitive Teil der Auswerteschaltung unmittelbar an der Sonde befindet. Auf grund der Tatsache, daß der Sondenkopf keine elektronischen Bauteile und damit auch keine Abgleichelemente aufweist, sind die Sonden sehr einfach und kostengünstig herzustellen.

Durch das geführte elektrische Feld mit konstanter Feldliniendichte in der z-Achse wird, unabhängig von der Behältergeometrie und vom Material des Behälters, eine hohe Linearität über die aktive Sondenlänge erreicht.

Darüber hinaus bildet aufgrund des koaxialen Aufbaus der Sonde das äußere Schutzrohr in Verbindung mit dem koaxialen Zuleitungskabel eine durchgehende Abschirmung des Gesamtsystems, wodurch Störungen und der Jitter des Meßimpulssignals auf vernachlässigbare Werte reduziert werden können. Das Außenrohr bietet ferner Schutz gegen Spritzwasser und ermög licht auch bei stark bewegter Wasseroberfläche eine ruhige Anzeige des Füll standes.

Da der Eintritt der Meßflüssigkeit in das Innere der Sonde ausschließlich über die Eintrittsbohrung erfolgt, die bei richtiger Montage immer unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche liegt, kann der an der Oberfläche der Flüssigkeit schwimmende Schmutz nicht in das innere der Sonde gelangen und sich dort ablagern. Insbesondere durch die Verwendung einer kapazitätsarmen innen liegenden Zentrierung können Sonden bis zu einer Länge von 5 m gebaut werden, wobei die Montage sehr einfach ist und die Herstellungskosten gering sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer in einem Behälter einge brachten Sonde,

Fig. 2 eine Schnittansicht des Sondenunterteils gemäß Fig. 1 im Be reich einer Zentrierhülse,

Fig. 3 einen Querschnitt der in Fig. 2 dargestellten dreischichtigen Sonde,

Fig. 4 eine schematische Querschnittsansicht einer koaxial aufgebauten Sonde und dem darin aufgebauten elektrischen Feld,

Fig. 5 eine graphische Darstellung von Cs(z), ΔC(z),

Fig. 6 eine Schnittansicht in Längsrichtung eines befeuchteten Sonden abschnitts bei zu kleinem a,

Fig. 7 eine Schnittansicht der Sonde gemäß einem ersten erfindungs gemäßen Ausführungsbeispiel,

Fig. 8 eine Schnittansicht der Sonde gemäß einem zweiten erfindungs gemäßen Ausführungsbeispiel,

Fig. 9 eine Schnittansicht eines Sondeninnenteils gemäß einem dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,

Fig. 10 eine Schnittansicht eines Sondeninnenteils gemäß einem vierten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,

Fig. 11 eine Schnittansicht in Längsrichtung der Sonde gemäß Fig. 7, die eine Zentrierung darstellt,

Fig. 12 eine Querschnittsansicht der in Fig. 11 dargestellten Zentrie rung,

Fig. 13 eine Schnittansicht in Längsrichtung der Sonde gemäß Fig. 7, die eine weitere Zentrierung darstellt,

Fig. 14 eine Querschnittsansicht der in Fig. 13 dargestellten Zentrie rung,

Fig. 15 eine Querschnittsansicht, die eine herkömmliche innenliegende Zentrierung darstellt,

Fig. 16 eine Schnittansicht in Längsrichtung der herkömmlichen Zentrie rung entlang der Schnittlinie C-D gemäß Fig. 15,

Fig. 17 eine Schnittansicht in Längsrichtung der Sonde mit einer Zentrie rung gemäß Fig. 16, die einen Spalt aufweist,

Fig. 18 eine Schnittansicht in Längsrichtung der Sonde mit einer der Zentrierung gemäß Fig. 16 ähnlichen Zentrierung ohne Spalt,

Fig. 19 eine Querschnittsansicht, die eine weitere innenliegende Zentrie rung darstellt,

Fig. 20 eine Schnittansicht in Längsrichtung der Zentrierung entlang der Schnittlinie A-B gemäß Fig. 19,

Fig. 21 eine Querschnittsansicht, die die innenliegende Zentrierung ge mäß Fig. 20 im eingebauten Zustand darstellt,

Fig. 22 eine Schnittansicht in Längsrichtung der Sonde entlang der Schnittlinie A-B gemäß Fig. 21,

Fig. 23 eine Schnittansicht in Längsrichtung der Sonde entlang der Schnittlinie C-D gemäß Fig. 21,

Fig. 24 bis 26 Querschnittsansichten, die weitere innenliegende Zen trierungen darstellen,

Fig. 27 eine graphische Darstellung der Kapazitätskennlinie einer Sonde mit innenliegenden Zentrierungen,

Fig. 28 hin Montagebeispiel einer Sonde gemäß Fig. 7 in einer Zister ne,

Fig. 29 ein Blockschaltbild einer Auswerteschaltung gemäß einem er sten Ausführungsbeispiel,

Fig. 30 ein Erweiterungsblockschaltbild zur Erweiterung des Ausfüh rungsbeispiels gemäß Fig. 29,

Fig. 31 eine schematische Außenansicht des Füllstandsmessers gemäß Fig. 29,

Fig. 32 eine Kurvensignaldarstellung der in Fig. 29 anliegenden Kur vensignale,

Fig. 33 eine Darstellung der ersten logischen Schaltung und des Mini malwertdetektors gemäß Fig. 29,

Fig. 34 eine Darstellung der Störungslogik gemäß Fig. 29,

Fig. 35 eine zweite logische Schaltung und einen Pegel-2-Detektor ge mäß Fig. 29,

Fig. 36 eine Kurvensignaldarstellung zur Verdeutlichung der Arbeits weise bei der Mittelwertbildung,

Fig. 37 eine Kurvensignaldarstellung zur Verdeutlichung der Arbeits weise des Minimalwertdetektors,

Fig. 38 ein Blockschaltbild der Auswerteschaltung gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,

Fig. 39 eine schematische Außenansicht des Zweipunktreglers gemäß Fig. 38,

Fig. 40 eine Kurvensignaldarstellung der in Fig. 38 anliegenden Kur vensignale,

Fig. 41 eine Querschnittsansicht, die eine weitere innenliegende Zentrie rung mit federnden Stegen darstellt, und

Fig. 42 eine Schnittansicht in Längsrichtung der Zentrierung entlang der Schnittlinie A-B gemäß Fig. 41.

Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer in eine Flüssigkeit eingetauchten Sonde zur kapazitiven Füllstandsmessung. Das Bezugszeichen AB bezeichnet hierbei eine Anschlußbuchse und vorzugsweise einer BNC- Buchse, wie sie zum Anschließen von herkömmlichen Koaxialkabeln verwendet wird. Das Bezugszeichen SK bezeichnet einen Sondenkopf, das Bezugszei chen 11 eine Austrittsöffnung, durch die beispielsweise Luft austreten kann, während das Bezugszeichen 14 eine Eintrittsöffnung bezeichnet, durch die das Füllgut (beispielsweise eine Flüssigkeit) in das Sondeninnere eintreten kann.

Die Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht in Längsrichtung des Sondenunter teils im Bereich der Zentrierhülse, während die Fig. 3 eine Querschnittsan sicht der in Fig. 2 dargestellten Sonde zeigt. Der gesamte Sondenaufbau weist einen koaxialen Aufbau auf, wodurch sich eine besonders gute Abschir mung gegenüber elektromagnetischen bzw. elektrischen Störfeldern ergibt.

In den Fig. 2 und 3 bezeichnet das Bezugszeichen 13 ein elektrisch leitendes Außenrohr, das die Außenelektrode der Sonde darstellt und vor zugsweise aus V2A-Stahl besteht. Im Fußbereich der Sonde befindet sich im Außenrohr 13 eine Bohrung 14 durch die das Füllgut ins Innere der Sonde ein treten kann. Das Bezugszeichen 12 bezeichnet ein isolierendes Rohr, daß ei nen elektrisch leitenden Innenstab bzw. ein elektrisch leitendes Innenrohr 9 umgibt. Der Innenstab bzw. das Innenrohr 9 besteht vorzugsweise aus Metall und dient als Innenelektrode der Sonde. Das isolierende Rohr 12 besteht aus Kunststoff, vorzugsweise aus PVC, und besitzt zum Innenstab 9 einen Luftspalt L, der es ermöglicht den Innenstab in das isolierende Rohr 12 einzufüh ren. Zwischen dem isolierenden Rohr 12 und dem Außenrohr 13 befindet sich ein Freiraum F, der über die Eintrittsbohrung 14 mit dem Füllgut (Flüssigkeit) aufgefüllt werden kann. Aufgrund des durch die Luftaustrittsbohrung 11 erzeug ten Druckausgleichs ist der Füllstand innerhalb der Sonde im Wesentlichen gleich dem Füllstand außerhalb der Sonde. Im unteren Bereich der Sonde be findet sich eine Zentrierhülse 15, die den Innenstab 9 mit seinem isolierenden Rohr 12 in einer gegenüber dem Außenrohr 13 zentralen Lage hält. Dadurch ist der Freiraum F auf einen Spalt zwischen der Zentrierhülse 15 und dem iso lierenden Rohr 12 verringert. Der gesamte Bereich der Zentrierhülse bildet den nichtlinearen Bereich, der nicht zur Messung des Füllstandes geeignet ist.

Die Kapazitätssonde kann physikalisch als langgestreckter, in mehreren konzentrischen Schichten aufgebauter Zylinderkondensator betrachtet werden, der in das Füllgut eintaucht. Seine beiden Kapazitätsbeläge werden aus dem in das isolierende Rohr 12 eingebetteten, metallenen Innenrohr 9 und einem äu ßeren, vorzugsweise auf Massepotential liegenden Metallrohr 13 gebildet, das die Bezugselektrode der Sonde darstellt. Zusammen mit dem Füllgut (Meßflüssigkeit) entsteht so eine gleichmäßig verteilte Kapazität, die propor tional zum Pegelstand bzw. Flüssigkeitsstand ist.

Die in Fig. 2 und 3 dargestellte dreischichtige Sonde besteht somit aus unterschiedlichen Schichten mit unterschiedlichen Dielektrika. Von innen be ginnend, ist zunächst eine Luftschicht des Luftspalts L mit einer Dielektrizitäts konstante ε1 vorgesehen, die dadurch zustande kommt, daß fertigungstech nisch bedingt d kleiner als d_j gewählt werden muss. Das isolierende Kunststoff rohr 12 besitzt eine Dielektrizitätskonstante ε2. Da in den Freiraum F das Füll gut bzw. die Meßflüssigkeit eindringt, besteht die Dielektrizitätskonstante ε3 im unteren, eingetauchten Teil aus der Dielektrizitätskonstante der Meßflüssigkeit selbst und im oberen Bereich aus der Dielektrizitätskonstante von Luft.

Zur Berechnung der Kapazität wird ein räumliches Koordinatensystem gemäß Fig. 1 eingeführt, dessen x/y-Achse in die Querschnittsebene und dessen z-Achse in die Längsachse der Sonde fällt. Der Ursprung ist dabei so gewählt, daß er nicht am Fußpunkt der Sonde liegt, sondern am Anfang des linearen Bereiches, über der Zentrierhülsenhöhe h_Z.

Die weiteren in den Fig. 1 bis 3 verwendeten Bezugszeichen bezeich nen hierbei mit C_su die untere, eingetauchte Sondenkapazität in pF, mit C_so die obere Sondenkapazität in pF, mit C_su' den unteren Kapazitätsbelag in pF/m, mit C_so' den oberen Kapazitätsbelag in pF/m, mit C_smin die minimale Sondenkapazität in pF, mit C_K die Kabelkapazität in pF, mit I_a die aktive Son denlänge in m, mit I die Länge der Sonde in m, mit z die Höhe des Füllgutes (Flüssigkeitshöhe) in m, mit d den Durchmesser des Innenstabes in mm, mit d_j den Innendurchmesser des isolierenden Rohrs in mm, mit d_a den Außen durchmesser des isolierenden Rohrs in mm, mit D_j den Innendurchmesser des Außenrohres in mm, mit D_a den Außendurchmesser des Außenrohres in mm, und mit ε0 die absolute Dielektrizitätskonstante 8.855 in pF/m.

Gemäß Fig. 4 sitzt die gesamte elektrische Ladung Q auf den Oberflä chen der Innenelektrode und der Außenelektrode und ist gleichmäßig über die aktive Sondenlänge I_a verteilt, wobei I_a sehr groß gegenüber r sein soll.

Daraus ergibt sich eine konstante Feldliniendichte und damit Feldfreiheit in der z-Achse. Bei der in Fig. 4 angenommenen Ladungsverteilung bilden die Verschiebungslinien (Feldlinien) radiale Strahlen, die von innen nach außen zeigen. Das elektrische Feld ist radial verlaufend und inhomogen. Über die ge samte Sondenlänge I wird der gleiche koaxiale Aufbau und kreisförmige Quer schnitt beibehalten.

Durch den konzentrischen Aufbau entsteht zwischen der inneren und der äußeren zylindrischen Mantelfläche ein inhomogenes, radial gerichtetes elek trisches Feld mit der Feldstärke:

Betrachtet man einen dünnen Hohlzylinder (Fig. 4) mit dem Radius r und der Dicke dr, so ergibt sich dessen Mantelfläche A(r) zu:

Gleichung 2 A(r) = 2rπz.

Auf diesem gedachten Zylinder herrscht an der Stelle r die Feldstärke:

Die Feldstärke E(r) ist eine Funktion von r und nimmt von innen nach au ßen hyperbolisch ab. Die Integration der Feldstärke über alle drei Schichten in r-Richtung liefert die Spannung zwischen dem inneren und äußeren Kondensa torbelag (Fig. 3):

Durch Einsetzen von Gleichung 3 für die verschiedenen Schichten erhält man:

Und nach Ausführung der Integration:

Zwischen der in der Sondenkapazität C_s gespeicherten Ladung Q und der anliegenden Spannung U besteht die Beziehung:

Durch Koeffizientenvergleich findet man schließlich aus Gleichung 6 und 7 die gesuchte Sondenkapazität C_s:

Analog zur Leitungstheorie ist es auch hier vorteilhaft, den Kapazitätsbe lag C_s'(pF/m) einzuführen. Berücksichtigt man, daß ε_r1 und ε_r3 die Dielektrika zweier Luftschichten sind, gilt: ε_r1 = ε_r3 = ε_rL = 1.

Aus Fig. 1 kann man für die obere, nicht eingetauchte Kapazität C_s0 die Beziehung entnehmen:

Für den unteren, eingetauchten Teil der Sonde erhält man als untere Sondenkapazität:

Gleichung 11 C_su = C_su'z.

Bei leitenden Flüssigkeiten, wird der Summand

im Nenner von Gl. 8 null, was zu der Vereinfachung führt:

Gleichung 12 gilt für Regenwasser mit ph-Werten im sauren Bereich (< 7) sowie für mineralhaltiges Leitungs- und Brunnenwasser.

Bei allen nichtleitenden Flüssigkeiten kann diese Vereinfachung nicht gemacht werden; es ergeben sich kleinere Werte für C_su':

Da bei einer eingetauchten Kapazitätssonde immer beide Kapazitäten wirksam sind, wird der Ansatz gemacht:

C_s(z) = C_su ^'z + C_so ^'(la - z) = (C_su ^' - C_so ^')z + C_so ^'l_a

Daraus erhält man die allgemeine Gleichung einer Kapazitätssonde:

Gleichung 14 C_s(z) = ΔC(z) + C_sl

mit: ΔC(z) = (C_su' - C_so')z und C_sl = C_so'l_a

Der erste Teil (ΔC) ist proportional der Flüssigkeitshöhe z und wird zu Null bei z = 0.

Der zweite Teil (Csl) ist konstant und bildet die Leerkapazität der trocke nen Sonde; er hat aber, wie noch gezeigt wird, nur eine fertigungstechnische Bedeutung. Man kann daher das Ersatzschaltbild einer Kapazitätssonde aus der Parallelschaltung von Csl und ΔC(z) angeben.

Die Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung von C_s(z) und ΔC(z) in Ab hängigkeit vom Füllstand z.

Aus konstruktiven Gründen steckt der untere Teil des Kunststoffinnenroh res 12 in einer Zentrierhülse (15), die ebenfalls aus Kunststoff besteht (Fig. 2). Der dazwischen liegende zylinderförmige Spalt ist immer mit Flüssig keit gefüllt. Auch dann, wenn der Flüssigkeitsspiegel unter der Zentrierhülsen höhe hz liegt, steigt infolge der Kapillarwirkung Flüssigkeit nach oben und füllt diesen aus.

Bei leitender Flüssigkeit sind in diesem Bereich keine Kapazitätsänderun gen vorhanden. Ist die Flüssigkeit nichtleitend, sind die Verhältnisse durch eine zusätzliche Schicht komplexer und sollen hier nicht näher untersucht werden.

Hinzu kommt noch, daß innerhalb der Zentrierhülse auch der metallene Innenstab der Sonde endet und damit das elektrische Feld in diesem Bereich auch in der z-Achse in Erscheinung tritt.

Zur Vereinfachung wird der gesamte Bereich der Zentrierhülse als nichtli nearer Bereich definiert und scheidet als Meßbereich aus. Als minimaler Flüs sigkeitsstand (z = 0) wird die Oberkannte der Zentrierhülse festgelegt.

Bei Nullpunkthöhe ergibt sich deshalb eine Minimalkapazität C_smin, die immer größer sein muß, als C_sl.

Im Folgenden wird deshalb für die Sondenkapazität Cs(z) immer die

Gleichung 15 Cs(z) = Csmin + ΔC(z)

verwendet,
mit ΔC (Csu_' - C_so')z.

In der Praxis ist es völlig ausreichend, die Sondenkapazität als variablen Kondensator darzustellen, dessen Kapazität sich zwischen Csmin und Csmax ändern kann, die Differenz ist dann ebenfalls ΔC(z).

Aus Fig. 5 erkennt man, daß der Graph der Sondenkapazität Cs paral lelverschoben über dem der theoretischen Sondenkapazität C_sth liegt.

Hinsichtlich der kleinsten Sondenabmessung ist eine physikalische Gren ze durch die Größe der Flüssigkeitstropfen gegeben, die sich durch Konden sation an allen, über der Flüssigkeit liegenden Oberflächen bilden. Die Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt durch einen nassen Sondenabschnitt mit zu kleinem a. Größere Tropfen im unteren Bereich haben sich berührt, sind zusam mengeflossen und haben Brücken gebildet.

Gleichung 16 a = (Di - da)/2

Bei der Dimensionierung muß daher darauf geachtet werden, daß a grö ßer als der doppelte maximale Tropfendurchmesser gewählt wird.

Ausführungsbeispiele

Die Sonden zur kapazitiven Füllstandsmessung wurden ursprünglich für die kontinuierliche Wasserstandsmessung in Zisternen und die Wasserstands regelung in Druckbehältern, die nach dem Windkesselprinzip arbeiten, entwic kelt.

Die nachfolgend beschriebenen Sonden für kapazitive Füllstandsmes sung sind jedoch nicht auf diese Einsatzgebiete beschränkt, sondern können für viele leitende und nicht leitende Flüssigkeiten verwendet werden, wenn diese dünnflüssig sind und das Sondenmaterial nicht angreifen.

Für die Füllstandsmessung in offenen Behältern werden lange, drucklose Kapazitätssonden gebraucht, die durchaus mehrere Meter lang sein können. Bei der Pegelmessung in Druckbehältern (beispielsweise Hauswasseranlagen mit Druckbehältern, die nach dem Windkesselprinzip arbeiten) ist es sinnvoll die Pumpe in Abhängigkeit vom Wasserstand zu steuern, wobei die Mess werterfassung von einer relativ kurzen aber druckfesten Kapazitätssonde vor genommen wird.

Ausgehend von diesen zwei unterschiedlichen Anforderungen wurden zwei Sondentypen entwickelt, die den gleichen inneren Aufbau haben und sich, abgesehen von der Länge, nur in der Ausführung des Sondenkopfes unter scheiden.

Dies ist zum Einen die Sonde zur kapazitiven Füllstandsmessung gemäß Fig. 7 (drucklose Sonde) und zum Anderen die Sonde gemäß Fig. 8 (druckfeste Sonde).

Erstes Ausführungsbeispiel

Die Fig. 7 zeigt eine Sonde zur kapazitiven Füllstandsmessung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, die insbesondere in offenen Behältern ver wendet wird und eine Länge von bis zu 5 Metern aufweisen kann.

Die Sonde zur kapazitiven Füllstandsmessung gemäß Fig. 7 besteht im Wesentlichen aus einem Sondenaußenteil, einem Sondeninnenteil und einem Sondenkopfteil, wobei das Sondeninnenteil auswechselbar innerhalb des Son denaußenteils angeordnet und im Sondenkopfteil zentriert und befestigt ist.

Das Sondenkopfteil umfasst eine Anschlußbuchse 1, einen Deckel 2, ein Kopfoberteil 3, eine Gewindehülse 4 und ein Kopfunterteil 6. Die Anschluß buchse 1 besteht vorzugsweise aus einer BNC-Buchse zum Anschließen eines herkömmlichen Koaxialkabels. Der Deckel 2, das Kopfoberteil 3, die Gewinde hülse 4 und das Kopfunterteil 6 bestehen aus einem elektrisch leitenden Mate rial und sind mit einem Anschluß der Anschlußbuchse 1 leitend verbunden.

Das Sondenaußenteil besteht aus einer Anschlagschulter 10, dem Au ßenrohr 13 und der Zentrierhülse 15. Die Anschlagschulter 10 und das Außenrohr 13 sind hierbei elektrisch leitend. Das Außenrohr 13 besitzt im Fußbereich der Sonde die Eintrittsbohrung 14 für das Eintreten des Füllguts bzw. der Flüssigkeit, während sie im Kopfbereich eine Luftaustrittsbohrung aufweist, durch die die Luft aus dem Freiraum F entweichen kann.

Das Sondeninnenteil besteht im Wesentlichen aus einer isolierenden Kupplungsbuchse 7, die in ihrer Mitte einen Radialbund aufweist und in der, der aus den Fig. 1 bis 3 bekannte Innenstab 9 mit seinem isolierenden Rohr 12 eingepasst ist. Am fußseitigen Ende des Sondeninnenteils befindet sich ein Endstück 17, das in das isolierende Rohr 12 eingepasst ist und wie das isolierende Rohr 12 vorzugsweise aus PVC besteht. Durch das End stück 17 wird das isolierende Rohr abgedichtet. Darüber hinaus erhöht es die Stabilität und mechanische Festigkeit des Rohres 12 im Sondenfußbereich.

Gemäß Fig. 7 wird der elektrisch leitende Innenstab bzw. das elektrisch leitende Innenrohr 9 über ein Federelement 16 mit einem Kontaktelement bzw. einen Kontaktstift 18 elektrisch verbunden, welches unter Ausnutzung der Fe derkraft des Federelements 16 auf den zweiten Anschluß der Anschlußbuch se 1 drückt und diese dadurch kontaktiert. Das Federelement 16 besteht vor zugsweise aus einer elektrisch leitenden Spiralfeder, kann jedoch durch jedes andere Federelement ersetzt werden, das auf den Kontaktstift 18 und den In nenstab 9 eine Federkraft ausübt und diese miteinander elektrisch verbindet.

Der besondere Vorteil der Sonde gemäß Fig. 7 liegt in ihrem modularen Aufbau, wobei auf einfache Weise das Sondenkopfteil vom Sondenaußenteil abgeschraubt bzw. entfernt und das Sondeninnenteil zum Reinigen oder bei Defekt ausgewechselt werden kann. Das Kopfoberteil kann, wie in Fig. 7 dar gestellt, mit dem Kopfunterteil verschraubt werden, oder über jeden anderen Verschluss mit diesem verbunden werden. Ein derartiger Verschluss kann bei spielsweise ein Bajonettverschluss, Schnappverschluss oder sonstiger Ver schluss sein.

Der Auswechselvorgang wird durch die im Sondenfuß befindliche Zen trierhülse 15 erleichtert, die zur leichteren Einführung des Innenteils eine An senkung aufweist. Die Zentrierhülse zentriert das Sondeninnenteil im Sonden fußbereich, wodurch man einen in radialer Richtung äquidistanten Abstand zum Außenrohr bzw. zur Außenelektrode erhält. Im Sondenkopfbereich wird diese Funktion durch die Anschlagschulter 10 und die daran angepasste Kupplungsbuchse 7 erreicht, wobei der Radialbund der Kupplungsbuchse 7 auf der Anschlagschulter 10 aufliegt. Zur Abdichtung wird zwischen der An schlagschulter 10 und dem Radialbund der Kupplungsbuchse 7 ein Dichtungs ring 8 verwendet. Da die Sonde nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 eine Länge bis zu 5 Metern aufweisen kann, erweist es sich als vorteilhaft, daß zur Verwirklichung eines stabilen Aufbaus eine oder mehrere Zentrierungen in Längsrichtung angeordnet sind.

Die Fig. 11 bis 26 zeigen Beispiele für derartige Zentrierungen, die am Außenrohr 13 angebracht sind und die Innenelektrode in einer zentralen Lage halten. Insbesondere verhindern diese Zentrierungen die Berührung zwischen dem Innenrohr 12 und dem Außenrohr 13 der Sonde, wobei sie jedoch Störstellen in der verteilten Kapazität bilden und die Linearität der Sonde mehr oder weniger beeinträchtigen.

Die in den Fig. 11 bis 14 dargestellte außenliegende Dreipunkt-Zen trierung, die bei langen Sonden verwendet wird, führt beispielsweise nur zu kleinen Störungen des Kapazitätsbelages. Gemäß Fig. 11 bis 14 besteht die Zentrierung aus drei sich im Außenrohr befindlichen Zentrierelementen 29, die sich entweder als Zentrierschrauben in Gewindebuchsen 30 befinden oder unmittelbar als Senkkopfschrauben in das Außenrohr 13 eingelassen sind. Die Gewindebuchsen 30 sind hierbei nur bei äußerst dünnwandigen Au ßenrohren 13 erforderlich, während die Zentrierschrauben 29 bei dicken Au ßenrohren unmittelbar in die Bohrung eingeschraubt werden können.

Bei der in Fig. 13 und Fig. 14 dargestellten Zentrierung werden die Senkkopfschrauben nicht in das Außenrohr eingeschraubt, sondern von einer über dem Außenrohr anliegenden Manschette gehalten bzw. nach innen ge drückt. Diese Ausführungsform der Zentrierung eignet sich für besonders dünnwandige Außenrohre und bietet darüber hinaus den Vorteil einer einfa chen Herstellung. Die Zentrierschrauben 29 bestehen vorzugsweise aus einem nicht leitenden Kunststoff wie beispielsweise Nylon. Sie können jedoch auch aus jedem anderen Material bestehen. Ferner können auch 4 oder mehr Zen trierelemente im Umfangsbereich des Außenrohres 13 angeordnet werden.

Diese Art von außenliegender Zentrierung gemäß Fig. 11 bis 14 besitzt jedoch den Nachteil, daß die Zentrierelemente in Öffnungen bzw. Bohrungen des Außenrohres eingebracht werden müssen, wodurch sich die Zeitdauer für die Montage verlängert und die Herstellungskosten für die Sonde erhöhen.

Demgegenüber sind in den Fig. 15 bis 18 innenliegende Zentrierun gen dargestellt, die auf einfache Weise montiert werden können und geringe Herstellungskosten aufweisen.

Die Fig. 15 bis 18 zeigen jeweils eine Querschnittsansicht sowie eine Schnittansicht in Längsrichtung einer herkömmlichen innenliegenden Zentrie rung, die aus Kunststoff besteht und meist einen drei- oder vierstrahligen Stern bildet, wie er in Fig. 15 dargestellt ist. Je nach Ausführung entsteht dabei im gesamten Bereich der Berührungshöhe immer ein mehr oder weniger großer Spalt, der die Form eines dünnwandigen Hohlzylinders hat oder bei aufge klebter Zentrierung eine zusätzliche Isolierschicht ohne Spalt.

Die Fig. 17 zeigt einen Sondenabschnitt, bei dem eine leitende Flüssig keit den unteren Rand der Zentrierung erreicht hat, aufgrund der Kapillar wirkung in den Spalt aufgestiegen ist und diesen vollständig ausgefüllt hat. Nachteilig ist bei derartigen innenliegenden Zentrierungen daher, daß über die gesamte Höhe h_B1 der Zentrierung keine oder nur geringe Kapazitätsände rungen möglich sind. Dieser Bereich wird daher auch als nichtlinearer Bereich bezeichnet und verursacht die in Fig. 27 dargestellte Sprungstelle in der Kapa zitätskennlinie.

Die Fig. 18 zeigt eine Schnittansicht in Längsrichtung der Sonde mit ei ner der Zentrierung gemäß Fig. 15 bzw. 16 ähnlichen Zentrierung, wobei diese Zentrierung jedoch keinen Spalt aufweist, sondern beispielsweise durch eine Klebeverbindung realisiert ist. Da über die gesamte Berührungshöhe h_B2 immer ein zusätzliches Dielektrikum ε4 wirksam ist, ergibt sich in diesem Be reich ein gegenüber der Zentrierung nach Fig. 17 kleinerer Kapazitätsbelag und damit eine kleinere Steigung der Kennlinie einer Kapazitätssonde, wie sie in Fig. 27 dargestellt ist und später im einzelnen beschrieben wird. Hierbei ist festzustellen, daß durch das immer wirkende zusätzliche Dielektrikum ε4 erst am oberen Rand der Zentrierung der Kapazitätswert Cs(z) parallel verschoben wieder in die ursprüngliche Steigung der Kapazitätskennlinie der Sonde über geht.

In beiden Fällen entsteht ein meßbarer Linearitätsfehler L(%), der zwar meistens toleriert werden kann, bei hochgenauen Füllstandsmessungen aber störend ist. Er kann bei leitenden Flüssigkeiten und Sonden mit kleinen Kapa zitätsbelägen Werte von mehreren % erreichen und nach folgender Gleichung berechnet werden:

wobei ΔC_F die größte fehlerhafte Kapazitätsänderung bezeichnet, die sich durch die vorstehend beschriebenen Zentrierungen ergibt.

Die Fig. 19 bis 23 zeigen Längs- und Querschnittansichten einer neu entwickelten kapazitätsarmen innenliegenden Zentrierung, bei der ΔC_F soweit verringert ist, daß es nicht mehr oder nur mit hohem Meßaufwand nachweisbar ist. Sie besteht aus einem zylindrischen Kunststoff-Drehkörper DK, der in axialer Richtung neben der Mittenbohrung MB noch vier weitere, um 90° ver setzte Bohrungen SB aufweist, die die Flüssigkeit bei fallendem Pegel gut ab leiten. Die zwischen den Bohrungen SB liegenden Stege werden durch zwei, jeweils an den Stirnseiten angebrachte, weit hineingehende 60°-Ansenkungen auf vier kleine Restflächen begrenzt. Sie bilden die eigentlichen Berührungs flächen mit dem Innenrohr und werden in der z-Achse durch die Berührungs höhe h_B3 gemäß Fig. 20 dargestellt, die ebenso einen nichtlinearen Bereich kennzeichnet.

Die in den Fig. 19 bis 23 dargestellte innenliegende Zentrierung kann jedoch auch durch einen zylindrischen Drehkörper realisiert werden, der min destens drei oder mehrere um jeweilige Winkel rotationssymetrisch versetzte Bohrungen SB aufweist, die die Flüssigkeit gut ableiten und die Berührungs fläche bei weiterhin sehr guter Zentrierfähigkeit verringern. Ferner kann auch die 60°-Ansenkung gemäß den Fig. 19 bis 23 durch eine geeignete Win kelansenkung mit unterschiedlicher Form, beispielsweise linear, konvex oder konkav, verwendet werden, solange weiterhin eine Stützung des Innenrohrs durch die Zentrierung gewährleistet ist. Bei geeigneter Dimensionierung der Bohrungen und der Ansenkung läßt sich sogar eine federnde Wirkung der Zentrierung realisieren, wie sie in den Fig. 41 und 42 dargestellt ist.

Die Tiefe der Ansenkungen legt hierbei die Höhe h_B3 der Berührungsflä chen mit dem Sondeninnenteil fest. Sie liegen hierbei mit einigen Quadratmilli metern pro Berührungsfläche im Größenbereich der an den Sondenflächen anhaftenden Flüssigkeitstropfen und verursachen daher keinen meßbaren Einfluß auf die Linearität der Sonde. Die Kapazitätskennlinie kann gemäß Fig. 27 bei Verwendung derartiger Zentrierungen im Bereich von h_B3 als durchge hend linear betrachtet werden.

Die Zentrierung wird mit Übermaß gefertigt und im letzten Arbeitsgang seitlich geschlitzt. Durch die Ausbildung dieses Längsschlitzes LS ist eine un ter Federkraft des Umfangsbereichs wirkende Einpassung in das Außenrohr möglich, so daß die einmal eingesetzte Zentrierung an ihrer vorbestimmten Stelle verbleibt, auch wenn das Innenrohr beispielsweise zu Reinigungszwec ken herausgenommen wird.

In den Fig. 24 bis 26 sind Querschnittansichten von drei weiteren mehrstrahligen kapazitätsarmen Zentrierungen dargestellt, die an Stelle der Seitenbohrungen SB Seitenschlitze RS aufweisen. Hierbei handelt es sich um eine drei-, vier- und fünfstrahlige Zentrierung mit stirnseitig angebrachten 60°- Ansenkungen. Der drei- bzw. vierstrahligen Zentrierung sollte bei Flüssigkeiten mit hoher Oberflächenspannung (Wasser) der Vorzug gegeben werden, da sich mit zunehmender Anzahl der Seitenschlitze RS die Schlitzbreite verringert. Eine kleinere Schlitzbreite führt dann aber leichter zu einer Brückenbildung durch Kondensat und würde die Linearität drastisch verschlechtern. Fünf- und mehrstrahlige Zentrierungen können dagegen bei filmbildenden Flüssigkeiten (Benzin, Dieselöl, Kerosin, . . . .) durchaus verwendet werden. Sie haben in Son den für die Füllstandsmessung von Kraftstofftanks in Fahrzeugen, Schiffen, Flugzeugen und überall dort, wo mit Erschütterungen, Stößen und hohen Be schleunigungswerten zu rechnen ist, sogar Vorteile, wenn die einzelnen Berüh rungsflächen noch ausreichend groß gehalten werden.

Die Ansenkungen der Zentrierung in Verbindung mit dem angefasten un teren Ende des Innenrohrs machen ein problemloses Einführen auch sehr lan ger gebogener Innenrohre möglich, da die Anordnung selbstzentrierend ist. Die vorstehend beschriebenen innenliegenden Zentrierungen sind vorzugsweise als Drehteile ausgebildet, wobei die Öffnungen in der Mitte und an den Seiten vorzugsweise durch Bohrungen ausgebildet werden. Diese Zentrierungen kön nen jedoch auch auf andere Art und Weise, z. B. durch Spritzgußverfahren, hergestellt werden, solange die in den Fig. 19 bis 26 dargestellte grund sätzliche Form beibehalten wird. So können die Seitenschlitze RS bzw. Seiten bohrungen SB auch durch Öffnungen mit ovaler oder sonstiger Form ersetzt werden.

Die Fig. 27 zeigt die Kennlinie einer Kapazitätssonde mit den vorste hend beschriebenen drei Ausführungsarten der innenliegenden Zentrierung. Hierbei ergibt sich bei der innenliegenden Zentrierung mit Spalt ein Kennlini ensprung mit der Höhe h_B1, der durch die bereits beschriebene Kapillarwirkung des Spalts hervorgerufen wird. Die Verwendung der sternförmigen innenlie genden Zentrierung (h_B2) erzeugt, wie bereits beschrieben, durch das immer vorliegende zusätzliche Dielektrikum ε4 eine Verminderung der Kennlinienstei gung und damit eine Verschiebung der Kennlinie parallel zur Kennlinie einer Sonde ohne Zentrierungen. Nur die Zentrierungen gemäß Fig. 19 bis 26 haben keinen meßbaren Einfluß auf die Kennlinie, da sowohl die Berührungs höhe h_B3 als auch die Berührungsfläche sehr klein sind.

Zweites Ausführungsbeispiel

Die Fig. 8 zeigt eine Sonde zur kapazitiven Füllstandsmessung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, wie sie insbesondere in Druckbehältern verwendet wird. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in Fig. 8 die gleichen oder entsprechende Bauteile wie in Fig. 7, weshalb auf ihre Beschreibung verzichtet wird.

Die Sonde gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von der Sonde gemäß Fig. 7 dadurch, daß sie insbesondere für unter Druck stehende Behälter verwendet wird und eine relativ kleine bzw. eine relativ kurze Bauform aufweist. Insbesondere besitzt das Kopfunterteil 6 der Sonde ein zölliges Außengewinde in den gängigen Abstufungen, durch das es in ei nen Druckbehälter druckfest eingeschraubt werden kann. Aufgrund der Tatsa che, daß das Kopfoberteil 3 mit seiner Gewindehülse 4 vom Kopfunterteil los gelöst werden kann, ist es auch bei diesem Ausführungsbeispiel auf einfache Weise möglich das Sondeninnenteil auszuwechseln, während das Sondenau ßenteil im Druckbehälter verbleibt.

Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 ist bei diesem Ausführungsbeispiel das Federelement 16 im Fußbereich der Sonde angeord net, wobei das Federelement 16 einerseits gegen das Endstück 17 drückt und andererseits den Innenstab 9, der in diesem Fall als Kontaktelement 18 wirkt, nach oben zur Anschlußbuchse 1 drückt. Es sei an dieser Steile darauf hinge wiesen, daß das Federelement 16 auch in gleicher Weise wie in Fig. 7 an geordnet werden kann und umgekehrt. Der relativ kurze Innenstab 9 kann beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 vorzugsweise aus Messing bestehen und an seinem oberen Ende einen Zinnkrater aufweisen, wodurch ein dauerhafter, niedriger Übergangswiderstand zur Anschlußbuchse 1 erzeugt wird. Der In nenstab 9 kann jedoch auch aus jedem anderen leitenden Material bestehen, das die vorstehend beschriebene Kontaktierung zur Anschlußbuchse 1 zuver lässig ermöglicht.

Die geschlitzte Gewindehülse 4 wird mit einem entsprechenden Werk zeug in das Kopfunterteil geschraubt und angezogen. Sie übt über dem Ra dialbund der Kupplungsbuchse eine axiale Druckkraft auf die darunter liegende Dichtung aus und sorgt so für eine druckfeste Abdichtung zwischen Flüssig keitsraum und dem Innenraum des Sondenkopfes. Der obere Teil des Außen gewindes dient zur Aufnahme des Kopfoberteils.

Zwischen dem Kopfoberteil 3 und dem Kopfunterteil 6 des Sondenkopf teils wird ein weiterer Dichtungsring 5 verwendet, der die Sonde zusätzlich nach außen hin abdichtet.

Drittes Ausführungsbeispiel

Die Fig. 9 zeigt eine Schnittansicht eines Sondeninnenteils gemäß ei nem dritten Ausführungsbeispiel, das in Verbindung mit dem Sondenkopfteil sowie Sondenaußenteil gemäß Fig. 7 oder 8 verwendet werden kann.

Bei größeren Kapazitätssonden kann es vorteilhaft sein, das metallene Innenrohr bzw. den metallenen Innenstab entfallen zu lassen und durch eine leitende Flüssigkeit zu ersetzen, da dadurch Material und damit Kosten eingespart werden. Dabei wird die Kapazität der inneren Flüssigkeitssäule gegen die umgebende äußere Flüssigkeit gemessen.

Da zwischen d und d_j kein Unterschied mehr besteht (d = d_j), wird

Nimmt man diesen Sondentyp wieder für Regen- oder normales Lei tungswasser, vereinfachen sich die vorstehend beschriebenen Gleichungen 10 und 12 weiter zu:

Dieses Ergebnis macht ihn aber auch gerade für kleine Sonden interes sant, denn durch Wegfall der inneren Luftschicht werden wesentlich höhere Kapazitätsbeläge erzielt. Je nach Durchmesserunterschied können diese das zwei- bis vierfache der Werte betragen, die mit der Standardversion möglich sind.

In Fig. 9 bezeichnen gleiche Bezugszeichen wie in den Fig. 7 und 8 gleiche oder entsprechende Bauteile, weshalb auf ihre Beschreibung an dieser Stelle verzichtet wird.

Wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 drückt ein Federelement 16 einen Kontaktstift 18 in Richtung zur Anschlußbuchse, wobei der Kontakt stift 18 beispielsweise aus Messing mit einem Zinnkrater besteht. Der Kon taktstift 18 und das Federelement 16 liegen in einer Zylinderkopfschraube 19, die vorzugsweise ebenfalls aus Messing besteht und an der dem Kontakt stift 18 gegenüberliegenden Seite mit einem Leiterelement 23 mechanisch und elektrisch verbunden ist. Das Leiterelement 23 besteht vorzugsweise aus ei nem dünnen V2A-Stab und ist mit der Zylinderkopfschraube 19 verlötet. Zwischen Zylinderkopfschraube 19 und der Kupplungsbuchse 7 mit ihrem Radial bund ist vorzugsweise eine Dichtung 20 vorgesehen, die aus einem Kunststoff, wie beispielsweise Nylon oder Teflon, besteht.

An der dem Kontaktstift 18 gegenüberliegenden Seite ist in der Kupp lungsbuchse 7 ein isolierendes Rohr 24 eingebracht. Das isolierende Kunst stoffrohr 24 besteht vorzugsweise aus PVC und ist mit der Kupplungsbuchse 7 kaltverschweißt bzw. verklebt.

Im Kunststoffrohr 24 befindet sich ein leitendes Füllgut 22, vorzugsweise eine Flüssigkeit, die durch das Leiterelement 23 elektrisch auf gleichem Poten tial gehalten wird und die Innenelektrode der Sonde darstellt.

Am Fußbereich der Sonde ist das isolierende Rohr 24 mit einem isolie renden Endstück 25 abgedichtet, wodurch ein Austreten des leitenden Füllguts bzw. der Flüssigkeit 22 verhindert wird. Das Endstück 25 besteht vorzugsweise aus PVC und ist mit dem isolierenden Rohr 24 kaltverschweißt bzw. verklebt.

Sonden, deren Innenteil einen Aufbau gemäß Fig. 9 aufweisen (Flüssigkeitsversion) haben, wegen der fehlenden Luftschicht L, gegenüber den entsprechenden Standardversionen gemäß Fig. 7 und 8 einen um das zwei- bis vierfach verbesserten Kapazitätsbelag. Sie können bei ausreichender Steifigkeit des Innenrohrs 24 problemlos anstelle des Innenteils gemäß Fig. 7 verwendet werden und bieten neben einer höheren Kapazität bei größeren Durchmessern Kostenvorteile.

Wie vorstehend beschrieben enthält der Innenteil eine hermetisch abge schlossene, leitende Flüssigkeit und ist oben durch eine Messingschraube 19 mit einer Dichtung 20 aus Teflon oder Nylon verschlossen. Durch das in Höhe des Radialbundes der Kupplungsbuchse 7 vorhandene Luftvolumen 21 werden temperaturbedingte Volumenänderungen aufgefangen und der Einsatz in Druckbehältern möglich.

Viertes Ausführungsbeispiel

Die Fig. 10 zeigt eine Schnittansicht eines Sondeninnenteils gemäß ei nem vierten Ausführungsbeispiel.

Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder entsprechende Bauteile wie in den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen. Bei den Sonden mit einem Innenteil gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel entfällt das Kunst stoffinnenrohr 12 bzw. 24. Demgegenüber wird für die, das Dielektrikum bil dende, isolierende Schicht in einem speziellen Verfahren wie z. B. einem Wir belsinterverfahren eine geeignete Kunststoffbeschichtung 28 direkt auf den Metallstab bzw. -rohr 27 aufgebracht. Zur Kupplungsbuchse 7 hin ist der Me tallstab mit einem Gewinde versehen, das am Ende hinterdreht und mit der Kupplungsbuchse 7 verschraubt ist. Die Kupplungsbuchse 7 ist so aufgebohrt, daß ein ringförmiger Spalt ausreichender Breite entsteht, der mit einer aus Epoxydharz bestehenden Vergussmasse 26 ausgegossen wird. Wenn die Ver gussmasse 26 auch die Hinterdrehung und den Gewindespalt ausfüllt, entsteht so eine druckfeste, zuverlässige Abdichtung. Die Kontaktierung erfolgt in die sem Ausführungsbeispiel ebenso durch ein innenliegendes Federelement 16, das mit dem Kontaktstift 18 und dem Metallstab 27 elektrisch leitend verbun den, beispielsweise verlötet ist. Durch die Hinterdrehung des Gewindes ist dies möglich, ohne daß die Kunststoffbeschichtung 28 beim Löten schmilzt.

Da auch bei diesem Sondeninnenteil die innere Luftschicht L fehlt und zudem die Schichtdicke (S) der Kunststoffbeschichtung 28 sehr dünn ausge führt werden kann, ergeben sich hohe Werte für ΔC, die mehrere nF/m betra gen. Ein weiterer Vorteil, der sich aus der fehlenden inneren Luftschicht ergibt, liegt darin, daß die Sonden gemäß diesem Ausführungsbeispiel für höhere Drücke gebaut werden können als dies mit dünnwandigen Kunststoffrohren möglich wäre.

Für die meisten Anwendungen genügt eine Beschichtung aus Polyamid. Für erhöhte Temperaturanforderungen oder bei Verwendung von aggressiven Flüssigkeiten kann der hochwertige Kunststoff HALAR ECTFE eingesetzt wer den. HALAR ECTFE ist ein Ethylen/Chlortrifluorethan-Copolymer der Firma Ausimont USA und wird von der Firma Gotek GmbH in Frankfurt verarbeitet. Bei diesem vierten Ausführungsbeispiel kann vollständig auf PVC verzichtet werden, wobei die Kupplungsbuchse 7 aus einem anderen geeigneten Kunst stoff oder aus einem keramischen Werkstoff bestehen kann.

Somit kann auf äußerst einfache Weise entsprechend den jeweils vorlie genden Erfordernissen eine optimale Sonde mit einem jeweils am Besten ge eigneten Sondeninnenteil modular aufgebaut werden.

Die Fig. 28 zeigt ein Montagebeispiel einer Sonde gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer Zisterne.

Das Bezugszeichen 29 bezeichnet hierbei ein in einem Schutzrohr verleg tes handelsübliches Koaxialkabel, das Bezugszeichen 30 eine Schrumpf schlauchabdichtung, das Bezugszeichen 31 eine Halteschelle, und das Be zugszeichen 34 eine Kapazitätssonde gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel mit einer maximalen Länge von 4 bis 5 Metern. Das Bezugszeichen 33 be zeichnet einen Saugschlauch mit Fußventil, das Bezugszeichen 32 die Zisterne und das Bezugszeichen 35 den Deckel der Zisterne.

Auswerteschaltung

Da die vorstehend beschriebenen Sonden einen besonders einfachen Aufbau aufweisen, und insbesondere in ihrem Sondenkopf keinerlei Auswerte elektronik besitzen, wird für diese Kapazitätssonden eine besondere Auswerte schaltung verwendet.

Die Fig. 29 zeigt ein Blockschaltbild einer Auswerteschaltung gemäß ei nem ersten Ausführungsbeispiel. Die Fig. 32 zeigt eine Kurvensignaldarstel lung der in dieser Auswerteschaltung anliegenden Kurvensignale.

Die Auswerteschaltung gemäß Fig. 29 besteht aus einem Quarzoszilla tor zum Erzeugen von Triggerimpulssignalen O1. Diese Triggerimpulssignale O1 werden den Zeitgeberschaltungen Timer A, Timer B und Timer C zugeführt. Wie eingangs bereits erwähnt, liegt dem Meßverfahren das Prinzip der Um wandlung von ΔC in einen Impuls mit variabler impulsbreite Δt zugrunde (Pulsbreitenmodulation). ΔC liegt dabei mit allen parasitären Kapazitäten, d. h. der Kabelkapazität C_k und der Sondenkapazität C_smin im zeitbestimmenden Glied der Zeitgeberschaltung Timer A. Dieser Zeitgeber Timer A erzeugt den Realimpuls O3 mit der Impulsbreite:

τ_A = 1,1 . R_A(C_A + ΔC)

mit C_A = C_k + C_smin und R_A = 150 Kiloohm (des RC-Gliedes).

Ein zweite Zeitgeberschaltung Timer B liefert ein Referenzimpulssignal O2 mit der Impulsbreite:

τ_B = 1,1 . R_B . C_B

mit C_B = C_A und R_B = Level 1-Potentiometer (50 KOhm) + R_V = 120 KOhm

In vergleichbarer Weise liefert eine weitere Zeitgeberschaltung Timer C ein weiteres Referenzimpulssignal 04, welches einem weiteren Füllstandspe gel entspricht und in gleicher Weise wie bei der Zeitgeberschaltung Timer B durch das Level 2-Potentiometer eingestellt werden kann.

Eine erste logische Schaltung Logik 1 erzeugt aus dem Realimpulssi gnal 03 und dem Referenzimpulssignal 02 das eigentliche Meßimpulssi gnal 08 mit der Breite Δt = τ_A - τ_B und gewährleistet, daß auch bei τ_A < τ_B kein Meßimpuls O8 erzeugt wird.

Δt = 1,1 . R_AΔC + 1,1(R_AC_A - R_BC_B)

Durch Abgleich von R_B wird R_AC_A = R_BC_B und somit:

Δt = 1,1 . R_AΔC = 1,1 . R_A(C_su' - C_so') . z.

Der Abgleich wird bei minimalem Flüssigkeitsstand (0%-Füllstand) vorge nommen, wodurch ΔC und damit Δt zu Null werden. Das Meßimpulssignal 08 verschwindet, was durch eine LED (zero indicator) in einem Anzeigegerät ge mäß Fig. 31 angezeigt wird.

Nach dem sogenannten Nullabgleich werden sowohl die Kabelkapazität C_K, als auch alle parasitären Kapazitäten eliminiert. Es ist ein pulsbreiten-mo dulierter Impuls 08 entstanden, dessen Breite Δt nur noch proportional zur Flüssigkeitshöhe z ist, der nachfolgend ausgewertet und angezeigt wird.

An dieser Stelle wird deutlich, daß das Auswerteverfahren theoretisch un abhängig von der Kabellänge macht, da bei jeder Kabellänge für jeden zu de tektierenden Füllstandspegel ein Nullabgleich durchgeführt werden kann,
wenn die Bedingung

C_{A(z = 0)} = C_B = C_K + C_smin
(0%-Level, Level 1)

oder bei weiteren Füllstandspegeln

C_A(z) = C_C = C_K + C_smin + ΔC_(z=C)
(Nachspeiselevel, Level 2)

C_A(z) = C_D = C_K + C_smin + ΔC_(z=D)
(Level 3)

erfüllt und die Kabelkapazität C_K konstant ist.

Da der Kapazitätsbelag eines Kabels aber nicht konstant ist, sondern eine geringe Temperaturabhängigkeit besitzt, ist auch C_K damit behaftet und ver fälscht das Meßergebnis. Je nach zulässigem Meßfehler wird hier eine flie ßende obere Grenze der Kabellänge gesetzt. Mit hochwertigen Koaxialkabeln, wie sie in der Nachrichtentechnik verwendet werden, sind jedoch Kabellängen von mehreren hundert Metern zwischen Sonde und Auswerteeelektronik mit vertretbarem temperaturbedingten Fehler zulässig.

An einem Beispiel soll gezeigt werden, wie die Dimensionierung vorzu nehmen ist:
Es soll eine Sonde in einer Zisterne mit C_smin = 200 pF, C_smax = 1200 pF über ein 100 m langes Koaxialkabel mit C_u' = 68 pF/m mit der abge setzten Auswerteschaltung verbunden werden.

C_K = 68 pF/m × 100 m = 6800 pF

C_A = C_B = C_K + C_smin = 6800 pF + 200 pF = 7000 pF = 7 nF

Dieser Wert entspricht exakt dem minimalen Wasserstand (0%).

ΔC = C_smax ~ C_smin = 1200 pF ~ 200 pF = 1000 pF

Dem maximalen Wasserstand (100%) entspricht der Wert ΔC = 1000 pF oder zusammen mit C_A der Wert 8000 pF. Durch Anfertigen von sogenannten Kalibrierkapazitäten mit den Werten 7000 pF (0%) und 8000 pF (100%), die in BNC-Steckergehäusen eingelötet und vergossen werden, sind später beide Werte jederzeit reproduzierbar.

Ab einer gewissen Breite Δt ist eine digitale Signalverarbeitung sinnvoll. Das Meßimpulssignal O8 kann hierbei direkt als Gateimpulssignal für einen nachgeschalteten Digitalzähler verwendet werden, wobei anschließend die An zahl der während der Gatezeit in den Zähler eintreffenden Impulssignale, die proportional zu Δt ist, gemessen und angezeigt wird.

Dadurch ergibt sich bei einer maximalen Anzeige von 100,0% mit einer Auflösung von 0,1% und einer maximalen Impulsbreite von Δt = 100 µs, wie sie von längeren Sonden der 1/2-, 3/4- oder 1-Zoll-Sondenversion leicht erreicht wird, eine Taktfrequenz von 10 MHz.

Sonden mit kleineren Kapazitätsbelägen erreichen nur kleine Werte für ΔC und Δt. Bei einem Δt von 10 µs müßte bei gleicher Auflösung schon eine Frequenz; von 100 MHz gewählt werden, was aufwendige Abschirmmaß nahmen zur Folge hätte.

Um Interferenzstörungen mit Frequenzen im Rundfunk- und Fernsehbe reich auszuschließen, wurde anstelle einer digitalen Auswertung das Meßim pulssignal 08 zur Erzeugung einer Meßspannung U_m auf analoge Weise inte griert.

Gemäß Fig. 29 schwingt der Quarzoszillator bei einer Frequenz von f₀ = 32768 Hz. Durch Teilung und Differenzierung dieser Oszillatorfrequenz werden die Triggerimpulssignale O1 mit einer Frequenz von < 2 KHz gewon nen, die zur Triggerung der Zeitgeberschaltungen Timer A, Timer B und Ti mer C dienen.

In der in Fig. 33 dargestellten ersten logischen Schaltung Logik 1 wird mittels EXOR- und NAND-Gattern sowie Invertierern aus dem Realimpulssignal 03 und dem Referenzimpulssignal 02 das Meßimpulssignal 08 sowie das invertierte Meßimpulssignal 07 erzeugt. Wie vorstehend beschrieben, sind diese Impulssignale Pulsbreiten-moduliert und werden ab einem 0%-Füllstand er zeugt, während sie für einen geringeren Füllstand nicht existieren.

Für die Anzeige des Füllstands wird eine analoge Signalauswertung ge mäß Fig. 36 durchgeführt, wobei durch Integration der Meßimpulssignale 08 mit einer hohen Zeitkonstante der arithmetische Mittelwert und damit die Meß spannung U_m gebildet wird, die an einem Digitalvoltmeter zur Anzeige ge bracht wird.

Für eine Anzeige von 0 bis 100 Prozent des Füllstandes mit einer Auflö sung von 0,1% genügt ein 3 1/2-steiliges Digitalvoltmeter und eine Meßspan nung Um von 100 mV.

Durch Integration und Einsetzen der auf Seite 25 gefundenen Beziehung für Δt erhält man schließlich die Meßspannung U_m:

und mit Δt = 1.1R2ΔC

Um = fU_B1.1R2ΔC

Bemerkenswert ist hierbei, daß die Meßspannung nur proportional zu ΔC ist und sofern die Zeitkonstante des Integrationsnetzwerkes (RC) viel größer als T gewählt wird, auch unabhängig von den Werten der jeweiligen Wi derstände R und C ist. Ferner bleiben Temperatur- sowie alterungsbedingte Änderungen dieser Komponenten ohne Auswirkung auf die Meßspannung U_m.

Daraus ergibt sich auch, daß dieses Auswerteverfahren auch noch bei sehr kleinen ΔC-Werten von einigen 10 pF geeignet ist, eine Meßspannung U_m von mehreren 100 mV zu erzeugen, da Um auch von den Parametern f, U_B und R₂ abhängt und die Frequenz f des Triggerimpulssignals auf einfache Weise durch beispielsweise Setzen eines Jumpers leicht geändert werden kann. Für kleine Werte von ΔC ist das gewählte Verfahren einer digitalen Aus wertung nicht nur gleichwertig sondern überlegen.

Während die Meßspannung U_m durch Integration des Meßimpulssignals O8 gewonnen wird, erfolgt die Erfassung des 0%-Füllstandes und eines Pe gel 2- oder Pegel 3-Wertes für eine Nachspeiseautomatik digital. Durch diese Aufteilung wird eine gute Langzeitstabilität der eingestellten Werte bei äußerst geringer Temperaturabhängigkeit erreicht.

Minimalwertdetektor

Die Fig. 33 zeigt einen Minimalwertdetektor zum Erfassen eines 0%- Füllstandes. Der Minimalwertdetektor besteht im Wesentlichen aus einem In vertierer, einem Schmitttrigger, und einem nachtriggerbaren monostabilen Mul tivibrator. Der Minimalwertdetektor erfasst das Verschwinden des Meßimpuls signales O8 in der Weise, daß nach Ausbleiben dieses Signals die Ausgänge des monostabilen Multivibrators nach Ablauf der Eigenzeit ihren Status ändern.

Wie in Fig. 37 dargestellt, nimmt, bedingt durch die endliche Steigzeit von t_a ≦ 100 ns, bei sinkendem Flüssigkeitsstand in Nullpunktnähe die Im pulsbreite Δt des Meßimpulssignals 08 und damit die Amplitude des ver schwindenden Nadelimpulses stetig ab. Die Amplitude des Nadelimpulses ist nicht konstant, sondern weist unregelmäßige Änderungen auf. Insbesondere nach einem Pumpenstop neigt der Impuls dazu wieder anzuwachsen, wodurch sich eine unstabile Minimalwerterfassung ergibt. Dies liegt daran, daß bei der Entnahme von Flüssigkeit in der Sonde und im Behälter nasse Oberflächen zurückbleiben, wobei sich die an diesen Oberflächen ablaufende Flüssigkeit ansammelt und wieder zu einem winzigen Anstieg von z und damit von ΔC führt. Die dadurch hervorgerufene Zunahme der Impulsbreite Δt des Impuls signals O8 führt daher zu einem Anwachsen der Amplitude des Nadelimpulses, wie er in Fig. 37 dargestellt ist.

Ein weiteres Problem stellen die unregelmäßigen Amplitudenänderungen des Nadelimpulses dar. Sie haben ihre Ursache darin, daß durch Kondensation an den Sondenoberflächen oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche ständig Trop fen entstehen. Sie sammeln sich beim Ablaufen und verursachen so kleinste Kapazitätsänderungen, die zu den vorstehend beschriebenen Schwankungen führen.

Zur sicheren Erfassung des Minimalwerts bzw. 0%-Füllstands wird daher durch den in Fig. 33 dargestellten Minimalwertdetektor eine obere sowie eine untere Schaltschwelle erzeugt. Bei Unterschreitung des unteren Schwellwerts wird über den monostabilen Multivibrator die Pumpe abgeschaltet und über eine aus dem Transistor Q1 und dem Kondensator C15 gebildete Rückkopp lungsschleife der Nadelimpuls in seiner Amplitude stark gedämpft. Diese Maßnahme kommt einer Vergrößerung der Hysterese gleich und bewirkt eine sichere Abschaltung der Pumpe bei Erreichen des Minimalwertes. Erst nach Überschreitung der oberen Schaltschwelle gemäß Fig. 37 wird die Pumpe wieder freigegeben. Die Hysterese entspricht exakt dem low water-Bereich, der durch die in der Ansicht gemäß Fig. 31 dargestellten LED low water angezeigt wird.

Pegel 2-Detektor

Für den Fall, daß beispielsweise zur Versorgung einer Toilettenanlage aus einer Zisterne immer eine gewisse Restmenge an Wasser vorhanden sein muss, kann ein Pegel 2-Detektor mit einer entsprechenden zweiten logischen Schaltung eingesetzt werden. Der Pegel 2-Detektor mit seiner zweiten logi schen Schaltung erfaßt hierbei einen zweiten Pegel, der oberhalb des 0%-Füllstands liegt und bewirkt beispielsweise, daß der Zisterne bzw. dem Behälter solange über ein Ventil Leitungswasser zugeführt wird, bis der zweite Füllstandspegel erreicht ist. Erst mit Erreichen des zweiten Füllstandspegels wird das Ventil geschlossen und die Zufuhr des Leitungswassers unterbrochen. Dadurch wird sichergestellt, daß immer eine gewisse Restmenge an Wasser im Behälter verbleibt.

Die Fig. 35 zeigt ein Blockschaltbild der entsprechenden zweiten logi schen Schaltung Logik 2 und des Pegel 2-Detektors, der anhand eines zweiten Referenzimpulssignals 04 und dem Realimpulssignal 03 ein Triggersignal 011 für den Pegel 2-Detektor erzeugt, daß bei Erreichen des Pegels 2 zu Null wird. Die Fig. 32 zeigt die entsprechenden Kurvensignale 09, 010 und 011 der zweiten logischen Schaltung Logik 2.

Der Pegel 2-Detektor besteht aus einem nachtriggerbaren Monoflop und erfasst das Verschwinden des Triggerimpulses 011 bei Erreichen des Pegels 2 (Level 2). Die zweite logische Schaltung Logik 2 erzeugt diesen Impuls nur bis zum Pegel 2 (Level 2). Darüber hinaus fehlt er, was zu einem Rücksetzen ei nes Flipflops des Pegel 2-Detektors und damit zum Schließen des Ventiles sowie zur Freigabe der Pumpe führt.

Diese somit realisierte Nachspeiseautomatik kann über einen in der An sicht gemäß Fig. 31 dargestellten Schalter aktiviert werden. Dadurch wird sichergestellt, daß immer eine Mindestmenge Wasser zur Verfügung steht. Sobald der Wasserstand den 0%-Füllstand (Minimalwert) erreicht, wird somit das Flipflop des Pegel 2-Detektors gesetzt, das Magnetventil geöffnet und die Pumpe abgeschaltet. Trinkwasser wird nunmehr solange nachgespeist bis der Pegel 2-Detektor zurückgesetzt wird und dadurch das Ventil geschlossen und die Pumpe wieder freigegeben wird. Vorzugsweise sollte der Pegel 2 mit dem Level 2-Potentiometer in einem Bereich von 1 bis 3 Prozent des Zysternenvo lumens eingestellt werden, damit ein möglichst großes Volumen für Regenwas ser erhalten bleibt.

Die Fig. 31 zeigt eine Wasserstandsmessung mit Nachspeiseautomatik, die als fertiges, Gerät die Bezeichnung WSMN95 trägt.

Störungslogik

Die Fig. 34 zeigt ein Blockschaltbild der in der Auswerteschaltung ge mäß Fig. 29 verwendeten Störungslogik. Im Schaltbild gemäß Fig. 34 be zeichnet U5C einen Schmitttrigger dem eine Fehlerspannung Uf zugeführt wird. Im Normalbetrieb liegt die durch ein RC-Glied integrierte Fehlerspannung Uf unterhalb der Schaltschwelle dieses Schmitttriggers. Im Falle eines Sondende fektes durch Wassereintritt oder Kurzschluß des Sondenkabels an irgendeiner Stelle steigt diese Fehlerspannung Uf stark an und triggert den Schmitttrigger U5C. Beides führt dazu, daß sowohl das Öffnen des Nachspeiseventiles als auch das Einschalten der Pumpe sicher verhindert wird. Dieser Zustand wird durch die in der Ansicht gemäß Fig. 31 dargestellte LED "Sondendefekt" und eine "over load"-Anzeige des Displays angezeigt.

Bei einer Unterbrechung des Sondenkreises oder einem abgezogenen Sondenkabel wird ohne Verzögerung das Flipflop U8B der Störungslogik ge setzt, während das Flipflop U8A des Pegel 2-Detektors zurückgesetzt wird. Auch in diesem Fall wird die Pumpe abgeschaltet, das Ventil geschlossen ge halten und die LED "Sondendefekt" eingeschaltet. Die LED "low water" bleibt jedoch aus, obwohl die Anzeige des Displays der Anzeigevorrichtung gemäß Fig. 31 verzögert auf Null geht.

Dadurch können unterschiedlichste Arten von Fehlfunktionen sicher er kannt werden.

Die Fig. 30 zeigt eine Erweiterungsschaltung der Auswerteschaltung gemäß Fig. 29 zum Erfassen eines dritten Pegels. Die jeweiligen Blöcke der Fig. 30 entsprechen hierbei den Blöcken des Zeitgebers Timer C, der zweiten logischen Schaltung Logik 2 und des Pegel 2-Detektors, weshalb auf ihre Be schreibung an dieser Stelle verzichtet wird.

Zweipunktregler

Die Fig. 38 zeigt eine Auswerteschaltung gemäß einem zweiten Ausfüh rungsbeispiel, nie sich insbesondere auf einen Zweipunktregler bezieht. Der in Fig. 38 dargestellte Zweipunktregler beruht im Wesentlichen auf den gleichen Prinzipien wie die in Fig. 29 dargestellte Wasserstandsmessung mit Nach speiseautomatik. Sie ist jedoch insbesondere für die Regelung des Füllstands im Druckbehälter einer Hauswasseranlage ausgelegt.

In diesem Fall dient als Meßwertaufnehmer eine kurze, druckfeste Kapa zitätssonde wie sie beispielsweise anhand von Fig. 8 beschrieben wurde.

In Fig. 38 bezeichnen gleichbenannte Schaltungsblöcke gleiche oder entsprechende Schaltungen wie in Fig. 29, weshalb nachfolgend auf ihre Be schreibung verzichtet wird.

Der Zweipunktregler gemäß Fig. 38 besteht im Wesentlichen aus dem Pegel 2-Detektor, dem Pegel 3-Detektor mit den jeweiligen vorbereitenden zweiten und dritten logischen Schaltungen Logik 2 und Logik 3 sowie einem Flipflop. Der Pegel 2-Detektor und der Pegel 3-Detektor bilden gemeinsam einen Fensterdiskriminator (FDSK), der mit den Pegel 2- und Pegel 3-Detektoren das Verschwinden der von den logischen Schaltung Logik 2 und Logik 3 er zeugten Impulssignale 011 und 014 erfasst. Die Fig. 40 zeigt eine Kurvensi gnaldarstellung des in Fig. 25 dargestellten Zweipunktreglers. Die in Fig. 40 dargestellten Kurvensignale entsprechen im Wesentlichen den in Fig. 32 dar gestellten Kurvensignalen, weshalb auf ihre Beschreibung nachfolgend ver zichtet wird.

Die Fig. 39 zeigt eine Außenansicht eines entsprechenden Zwei punktreglers, der als fertiges Gerät die Bezeichnung ZPR95 trägt.

Der Pegel 2-Detektor kann beispielsweise bei einem unteren Wasser stand von 33% das Flipflop setzen und die Pumpe einschalten. Der Wasser stand im Druckbehälter steigt daraufhin bis zu einem Pegel 3 von 67% des Füllstandes. Sobald dieser Wert erreicht ist, setzt der Pegel 3-Detektor das Flipflop zurück und schaltet die Pumpe wieder aus.

Aufgrund der kleinen Zeitkonstanten sind die Detektoren in der Lage, schnellen Pegeländerungen zu folgen, wie dies bei leistungsstarken Pumpen notwendig ist. Durch den Fensterdiskriminator wird in Verbindung mit den logi schen Schaltungen Logik 2 und Logik 3 und der besonderen Anschaltung des Flipflops eine hohe Störsicherheit und damit Betriebssicherheit erreicht.

Wie in dem gemäß Fig. 29 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Meßspannung Um unabhängig von den Pegel 2- und Pegel 3-Detektoren er zeugt und einer Anzeigevorrichtung gemäß Fig. 29 zugeführt. Die Meßspan nung Um ist dabei proportional dem Wasserstand im Druckbehälter und kann über das Digitalvoltmeter gemäß Fig. 29 als Wasserstand in Prozent ange zeigt werden. Der Meßbereich erstreckt sich von 0 bis 100 Prozent mit einer Auflösung von 0,1%. Wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 29 kann anstel le dieser analogen Auswertung des Meßimpulssignales 08 auch eine digitale Auswertung und Anzeige des Impulsbreiten modulierten Meßimpulssignals 08 erfolgen.

Als zusätzliche optische Anzeigevorrichtung dienen gemäß Fig. 11 LEDs, die durch ihr Erlöschen den jeweiligen Schaltpunkt Pegel 2 (Level 2) oder Pegel 3 (Level 3) exakt anzeigen. Die Störungslogik des Zweipunktreglers gemäß Fig. 32 ist in gleicher Weise aufgebaut wie die Störungslogik des Wasserstandsanzeigers mit Nachspeiseautomatik gemäß Fig. 23 und stellt eine schnell ansprechende Schutzschaltung für Sondenbruch, Kurzschluss oder Unterbrechung des Sondenkreises an irgendeiner Stelle dar. Im Fehler falle wird die Pumpe sofort abgeschaltet und der Zustand über eine LED "Sondendefekt" angezeigt.

Die vorstehend beschriebene Auswerteschaltung ermöglicht eine beson ders einfache und präzise Überprüfung des Füllstandes bei 0% und 100% des Füllstandes im Behälter. Durch Messung von C_K + C_smin und C_K + C_smax können sogenannte Kalibrierkapazitäten gefertigt werden, die anstelle der Ge samtkapazität bestehend aus Koaxialkabel plus Sonde an der Auswerteschal tung aufgesteckt werden. Dadurch kann der einmal durchgeführte Grundab gleich des Gerätes jederzeit überprüft werden bzw. neu eingestellt werden. Dies bietet für die Praxis einen besonderen Vorteil, da das zeitintensive Befül len bzw. Entleeren des Behälters zwecks Überprüfung der Kalibrierung entfal len kann. Bei Verwendung von standardisierten Koaxialkabeln und Sondenin nenteilen mit festen Kapazitätsbelägen wird dadurch der flexible Einsatz der vorstehend beschriebenen Kapazitätssonde mit dazugehöriger Auswerteschal tung noch verbessert.

Claims

1. Sonde zur kapazitiven Füllstandsmessung, wobei die Sonde aus den folgenden wesentlichen Modulen besteht:
einem Sondenaußenteil mit einer Außenelektrode,
einem Sondeninnenteil mit einer Innenelektrode, und
einem Sondenkopfteil mit einer Anschlußbuchse zum Anschließen der Innen- und Außenelektrode an eine externe Auswerteschaltung, wobei
das Sondeninnenteil auswechselbar innerhalb des Sondenaußenteils angeordnet und durch das Sondenkopfteil befestigbar ist.

2. Sonde nach Patentanspruch 1, wobei die Außenelektrode und die Innenelektrode zylindrisch sind.

3. Sonde nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei das Sondeninnenteil und das Sondenaußenteil einen durchgehenden konzentrischen, koaxialen Aufbau aufweisen, und zumindest in einem Mittenbereich der Außenelektrode eine Zentriervorrichtung vorgesehen ist, die die Innenelektrode von der Außenelektrode in Längsrichtung äquidistant beabstandet, wobei die Zentriervorrichtung kapazitätsarm im Vergleich zur Sondenkapazität ist.

4. Sonde nach Patentanspruch 3, wobei die Zentriervorrichtung aus einem einstückigen zylindrischen Körper (DK) besteht, der im Inneren der Au ßenelektrode angeordnet ist und eine axiale Mittenöffnung (MB) und zumindest drei radial nach innen weisende Radialstege aufweist, die zur Achse hin verjüngt sind.

5. Sonde nach einem der vorstehend genannten Patentansprüche 1 bis 4, wobei die Außenelektrode eine auf Masse liegende Bezugselektrode darstellt und die Innenelektrode die sensitive Elektrode darstellt.

6. Sonde nach einem der vorstehend genannten Patentansprüche 1 bis 5, wobei das Sondenaußenteil aus einem die Außenelektrode darstellenden Außenrohr (13), einer am Fußende des Außenrohres (13) eingebrachten Zen trierhülse (15) und einer am Kopfende des Außenrohres (13) eingebrachten radialen Anschlagschulter (10) besteht und die Zentrierhülse (15) sowie die Anschlagschulter (10) der Aufnahme des Sondeninnenteils dient.

7. Sonde nach Patentanspruch 6, wobei die Zentrierhülse (15) des Außenteils an der zum Sondenkopf hinzeigenden Seite angesenkt ist.

8. Sonde nach einem der vorstehend genannten Patentansprüche 1 bis 7, wobei das Sondeninnenteil aus
einer Kupplungsbuchse (7) mit einem Radialbund, die kopfseitig mit der Innenelektrode verbunden ist und zur Aufnahme im Sondenaußenteil entspre chend ausgestaltet ist,
einem Kontaktelement (18) und
einem Federelement (16) besteht, wobei das Kontaktelement (18) ge meinsam mit dem Federelement (16) einen elektrisch leitenden Kontakt der In nenelektrode zur Anschlußbuchse (1) herstellt.

9. Sonde nach einem der vorstehend genannten Patentansprüche 1 bis 8, wobei das Sondenkopfteil (SK) aus der Anschlußbuchse (1), einem Sonden kopfoberteil (2, 3, 4) und einem Sondenkopfunterteil (6) besteht.

10. Sonde nach einem der vorstehend genannten Patentansprüche 1 bis 9, wobei die Anschlußbuchse (1) eine BNC-Buchse für ein Koaxialkabel ist.

11. Sonde nach einem der vorstehend genannten Patentansprüche 9 oder 10, wobei das Sondenkopfunterteil (6) ein Außengewinde zum Befestigen in einem Behälter aufweist.

12. Sonde nach einem der vorstehend genannten Patentansprüche 9 bis 11, wobei die Sondenkopfteile (3, 4, 6) und das Sondenaußenteil Außen- bzw. In nengewinde zum gegenseitigen Befestigen aufweisen.

13. Sonde nach einem der vorstehend genannten Patentansprüche 8 bis 12, wobei ein Dichtungsring (8) zwischen der radialen Anschlagschulter (10) des Sondenaußenteils und dem Radialbund der Kupplungsbuchse (7) des Sondeninnenteils vorgesehen ist.

14. Sonde nach einem der vorstehend genannten Patentansprüche 6 bis 13, wobei das Außenrohr (13) am Sondenfußende in unmittelbarer Nähe der Zen trierhülse (15) Eintrittsöffnungen (14) für das zu messende Medium und am Sondenkopfende unmittelbar bei der radialen Anschlagschulter (10) Austritts öffnungen (11) aufweist.

15. Sonde nach Patentanspruch 4, wobei die Radialstege durch drei oder mehrere von der Mittenöffnung (MB) radial nach außen gerichtete Radial schlitze (RS) ausgebildet werden.

16. Sonde nach Patentanspruch 4 oder 15, wobei die Radialstege durch zwei oder mehrere Seitenöffnungen (SB) ausgebildet werden, die in gleichen Win kelabständen konzentrisch um die Mittenöffnung angeordnet sind und diese berühren.

17. Sonde nach Patentanspruch 16, wobei die Mittenöffnung (MB) und die Seitenöffnung (SB) durch Bohrungen ausgebildet sind.

18. Sonde nach einem der Patentansprüche 2 oder 15 bis 17, wobei der Körper (DK) zumindest eine zur Mittenöffnung (MB) reichende Ansenkung aufweist.

19. Sonde nach einem der Patentansprüche 4 oder 15 bis 18, wobei der Körper (DK) in seinem Umfangsbereich einen Axialschlitz (LS) aufweist, wodurch ein in Umfangsrichtung federnder Körper gebildet wird.

20. Sonde nach einem der Patentansprüche 4 oder 15 bis 19, wobei der Körper (DK) aus Kunststoff oder einem anderen nichtleitenden Material besteht und als Dreh- oder Gußteil ausgebildet ist.

21. Sonde nach einem der vorstehend genannten Patentansprüche 1 bis 20, wobei die Innenelektrode des Sondeninnenteils aus einem elektrisch isolieren dem Rohr (12), einem darin eingeschobenen Metallstab (9) und einem isolie renden Endstück (17) besteht, mit dem das Rohr (12) am fußseitigen Sonden ende abgedichtet wird.

22. Sonde nach Patentanspruch 21, wobei der Metallstab (9) aus einem Rohr besteht, das am unteren Ende im Fußstück und am oberen Ende die Kontak telemente (18, 16) trägt.

23. Sonde nach einem der vorstehend genannten Patentansprüche 1 bis 22, wobei die Innenelektrode des Sondeninnenteils aus einem leitenden Stab (27) besteht, der eine mittels Wirbelsinterverfahren aufgebrachte Kunststoffbe schichtung (28) aufweist.

24. Sonde nach einem der vorstehend genannten Patentansprüche 1 bis 23, wobei die Innenelektrode des Sondeninnenteils aus einem elektrisch isolieren den Rohr (24) besteht, das am Fußende mit einem isolierenden Endstück (25) abgedichtet ist und in dem sich eine elektrisch leitende Flüssigkeit (22) befin det, die durch ein darin angeordnetes Leiterelement (23) mit dem Kontaktele ment (18) elektrisch leitend in Verbindung steht.

25. Sonde nach einem der vorstehend genannten Patentansprüche 8 bis 24, wobei sich das Federelement (16) des Sondeninnenteils im Bereich des Son denfußes befindet.

26. Sonde nach einem der vorstehend genannten Patentansprüche 8 bis 25, wobei sich das Federelement (16) des Sondeninnenteils im Bereich des Son denkopfteils befindet.

27. Auswerteschaltung für eine Sonde nach einem der vorstehend genannten Patentansprüche 1 bis 26, mit
einer Oszillatorschaltung zum Erzeugen von Triggerimpulssignalen (O1)
einem Referenzimpulsgenerator (Timer B) zum Erzeugen eines Refe renzimpulssignals (02) mit einer vorbestimmten Länge, die proportional zu ei nem 0%-Füllstand ist,
einem Realimpulsgenerator (Timer A) zum Erzeugen eines Realimpuls signals (03) mit einer variablen Länge, die proportional zum 0%-Füllstand und einem augenblicklichen Füllstand ist, und
einer ersten logischen Schaltung (LOGIK 1), die aus dem Referenzim puls- und Realimpulssignal ein Meßimpulssignal (08) erzeugt, dessen Impuls breite (t) nur proportional zum augenblicklichen Füllstand ist.

28. Auswerteschaltung nach Patentanspruch 27, mit einem Digitalzähler und einer Anzeigevorrichtung, wobei das Meßimpulssignal (08) als Torsignal für den Digitalzähler dient und die Anzeigevorrichtung den digitalen Zählwert an zeigt.

29. Auswerteschaltung nach Patentanspruch 28, mit einer analogen Schaltung zur Bildung eines Mittelwertes (Um) des Meßimpulssignals (08), wobei eine Anzeigevorrichtung den analogen Mittelwert anzeigt.

30. Auswerteschaltung nach einem der vorstehend genannten Patentansprü che 27 bis 29, mit einem Minimalwertdetektor zum Erfassen eines 0%-Füllstands, und einer Pumpenschaltung, die eine Pumpe beim Erreichen des 0%-Füllstands abschaltet, wobei der Minimalwertdetektor eine vergrößerte EIN/AUS-Schalt-Hysterese der Pumpenschaltung aufweist.

31. Auswerteschaltung nach einem der vorstehend genannten Patentansprü che 27 bis 30, mit einer zweiten logischen Schaltung (LOGIK 2) und einem Pe gel-2-Detektor zum Erfassen eines Nachspeise-Füllstands, bei dem über ein Ventil ein Nachspeisen der Flüssigkeit abgebrochen und eine Pumpe zum Ab pumpen der Flüssigkeit freigegeben wird.

32. Auswerteschaltung nach Patenanspruch 31, wobei der Pegel-2-Detektor einen nachtriggerbaren monostabilen Multivibrator und ein Flipflop aufweist.

33. Auswerteschaltung nach einem der vorstehend genannten Patentansprü che 27 bis 32, mit einer Störungsschaltung, die einen Sondendefekt oder eine Unterbrechung des Sonderkreises in Abhängigkeit von einer Sondenfehler spannung (Uf) oder vom Meßimpulssignal (08) erfaßt und diese über eine An zeigevorrichtung (LED-Sondendefekt) anzeigt, die Pumpe abschaltet und das Ventil schließt.

34. Auswerteschaltung nach einem der vorstehend genannten Patentansprü che 27 bis 31, mit einer zweiten und dritten logischen Schaltung (LOGIK 2, LOGIK 3), und einem Pegel 2- und Pegel 3-Detektor zum Erfassen eines zweiten und dritten Pegels, wodurch ein Fensterdiskriminator geschaffen wird.

35. Auswerteschaltung nach Patentanspruch 34, wobei der Wasserstand in einem Druckbehälter zwischen Pegel 2 und Pegel 3 geregelt wird (Zweipunktregler).

36. Auswerteschaltung nach einem der vorstehend genannten Patentansprü che 27 bis 35, wobei die Oszillatorschaltung bei einer Frequenz von 32768 Hz arbeitet und das Triggerimpulssignal eine Frequenz von kleiner 2 kHz aufweist.

37. Auswerteschaltung nach einem der vorstehend genannten Patentansprü che 27 bis 36, wobei zum Abgleichen der Schaltung auf einen 0%- und 100%- Füllstand anstelle der Sonde externe Kalibrierkapazitäten aufsteckbar sind, die jeweils der Sondenkapazität bei 0% und 100% des Füllstands entsprechen.