DE19756159C1 - Sensor zur Erfassung des Vorhandenseins elektrisch isolierender Flüssigkeiten oder Granulate - Google Patents

Description

Der Sensor dient der Erfassung des Vorhandenseins elektrisch isolierender Flüssigkeiten oder Granulate. Er besteht aus einem in eine Wandung einschraubbaren Gehäuse, das vorzugs­ weise aus Metall gefertigt ist, und ist mit einem koaxial­ aufgebauten Anschlußkabel an einen Hochfrequenzoszillator angeschlossen.

Sensoren der eingangs genannten Art werden dazu eingesetzt Füllstände unterschiedlicher Medien innerhalb von Rohrlei­ tungen oder Behältern zu erfassen. Das Funktionsprinzip be­ ruht auf einer in das Medium eintauchenden Elektrode, die als Teil eines Kondensators wirkt, wobei die Elektrode die erste Kondensatorplatte und die vorzugsweise metallische Behälterwandung die zweite Kondensatorplatte bildet. Jedes Medium, das zwischen Elektrode und Behälterwandung tritt, wirkt als Dielektrikum dieses so beschriebenen Kondensators und ändert dessen Kapazität. Es sind unterschiedliche Ver­ fahren bekannt, die diese Kapazitätsänderung ausnutzen um hieraus ein Meßsignal abzuleiten. In den Schriften DE 27 44 820 A1, DE 30 26 342 A1, DE 38 43 339 A1, DE 42 38 992 A1, US 4347741 wird bei Erhöhung der Elektrodenkapazität ein Oszillator beeinflußt, dessen Schwingungen nach Demodulation einer elektri­ schen Auswertung zugeführt werden. In der DE 42 03 638 A1 wird die Änderung der Kapazität einer in eine Flüssigkeit einge­ tauchten und an eine Wechselstromspannungsquelle angeschlos­ senen Nadel ermittelt.

Ein anderes Verfahren besteht darin, daß der Ladestrom der zu erfassenden Kapazität ausgewertet und zu einem Signal ver­ arbeitet wird. Dies ist in der Schrift DE 197 01 899 A1 eingehend beschrieben. Allen bekannten technischen Lösungen ist gemeinsam, daß davon ausgegangen wird, daß der in das Medium eingebrachte Sensor im Verhältnis zu der zu erfassen­ den Flüssigkeitsmenge oder im Verhältnis zu den Behälterabmessungen in den er eingeschraubt ist, klein ist. Auch ist bei den bekannten An­ wendungen die Erfassungselektrode eines beeinflußten Oszillators von einem iso­ lierenden Werkstoff umfaßt, so daß die an einen Verstärker direkt ange­ schlossene Elektrode elektrisch in keinem unmittelbaren Kontakt mit dem zu erfassenden Medium steht.

Solche oben beschriebenen Sensorkonstruktionen versagen, wenn die Dielektrizitätkonstante des Mediums klein ist, wie dies häufig bei elektrisch isolierenden Medien der Fall ist, und wenn der Abstand zwischen Sensorelektrode und Behälter­ wendung klein ist, wenn er nur einen Bruchteil des Elektro­ dendurchmessers beträgt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Sensor zu entwerfen, der bei guter mechanischer Stabilität einen Abstand zwischen Sensorspitze und Behälter­ wandung von nur wenigen Millimetern zuläßt, der elektrisch isolierende Medien mit einer kleinen Dielektrizitätkonstante sicher erfaßt, und der für den Einsatz bei Temperaturen bis 300°C geeignet ist, wobei diese Eignung nicht nur die thermische und mechanische Stabilität umfaßt, sondern wo auch die Drift des elektrischen Signals durch thermische Einflüsse unterdrückt oder zumindest wesentlich reduziert ist.

Die Lösung dieser Aufgabenstellung ist in dem Anspruch 1 dargelegt.

Der Sensor besteht aus einem in eine Behälterwandung ein­ schraubbaren Gehäuse, das mediumseitig einen metallischen Stift aufweist, der in das Medium eintaucht. Das Gehäuse ist an der dem Medium abgewandten Seite offen ausgeführt, wobei in diese Öffnung ein koaxiales Kabel eingeführt ist. Die Kabeleinführung wird vorzugsweise durch eine geeignete Kabelverschraubung abgeschlossen. Das koaxiale Kabel weist einen inneren Leiter auf, der elektrisch mit der metallischen Fühlerspitze verbunden ist. Der Innenleiter des koaxialen Kabels ist von einem ersten Schirm umgeben, der seinerseits isoliert von einem zweiten Schirm umfaßt ist. Ist das Sensor­ gehäuse metallisch ausgeführt, so ist der zweite Schirm elektrisch mit dem Sensorgehäuse verbunden. Die dem Medium zugewandte offene Seite des Sensorgehäuses ist mit einem Gewinde versehen, in das ein hochtemperaturfester Kunstoff- oder Keramik-Einsatz eingeschraubt ist. In diesem Einsatz ist die metallische Sensorspitze vorzugsweise über ein Ge­ winde verankert. Der erste Schirm des koaxialen Kabels ist innerhalb des Einsatzes in die Nähe der Verbindungsstelle zwischen Sensorspitze und innerem Leiter des koaxialen Kabels herangeführt, jedoch nicht mit ihm verbunden. Diese Konstruktion unterdrückt parasitäre Kapazitäten, die auf die metallische Sensorspitze innerhalb des Sensorgehäuses einwirken. Der hochfeste Werkstoff des Einsatzes verhindert, daß bei mechanischer Belastung der Sensorspitze die Ver­ bindung zwischen Innenleiter des koaxialen Kabels und der Sensorspitze ermüdet, abreißt oder beschädigt wird. Da­ durch, daß die Sensorspitze gegenüber dem zu erfassenden Medium elektrisch nicht isoliert ist, kann ein die Sensor­ spitze umspülendes Medium, bei einer Spaltbreite der Sensor­ spitze zu der sie umgebenden Behälterwandung von wenigen Millimetern, z. B. 1,5 mm, sicher erfaßt werden. Eine sichere Er­ fassung ergibt sich auch dann, wenn die Sensorspitze nur einseitig einen kleinen Abstand zur Behälterwandung, z. B. 1 mm aufweist.

Durch den stabilen Aufbau des Sensors, können auch bei hohen Temperaturen bis 300°C keine Verbiegungen des Sensorsystems auftreten, so daß eine Drift der erfaßten Kapazität unterdrückt ist. Die Drift der elektrischen Aus­ wertung kann vorzugsweise dadurch wesentlich reduziert werden, daß ein von einem Oszillator periodisch umge­ schalteter Schalter vorhanden ist, der den Eingang des auswertenden Hochfrequenzoszillators periodisch mit dem Innenleiter des koaxialen Kabels und einer mit dem Masse­ punkt verbundenen Vergleichskapazität verbindet. Dieses System ist so abgeglichen, daß bei nichterfaßtem Medium und eingebautem Sensor der Vergleichskondensator gerade so bemessen ist, daß der Hochfrequenzoszillator seine Frequenz während des Umschaltvorganges nur unwesentlich ändert. Erhöht sich die Kapazität der Sensorspitze beim Eintauchen in ein Medium, so liegt am Ausgang des Oszillatorverstärkers eine periodische Frequenzänderung vor. Diese Frequenzänderung wird in dem dem Hochfrequenz­ oszillatorausgang nachgeschalteten Frequenzdemodulator in ein auswertbares Signal umgesetzt.

Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein in eine Behälterwandung einschraubbares Sensorteil 1. Es hat ein Gewindeteil 2, das die Abdichtung des Behälterinnenraumes gegen den Außenraum gewährleistet. Mediumseitig ist in das Gehäuse 1 ein hochtemperaturfester, elektrisch isolierender Einsatz 3 eingeschraubt. In diesen Einsatz ist die Sensorspitze 4 stirnseitig eingelassen, vorzugsweise eingeschraubt.

Die Sensorspitze 4 ist mit dem inneren Leiter des koaxialen Kabels 5 elektrisch verbunden. Der erste Schirm 12 ist bis dicht an die Verbindungsstelle des Innenleiters mit der Sensorspitze herangeführt, jedoch elektrisch mit diesen nicht verbunden. Der zweite Schirm 13 ist elektrisch isoliert von dem ersten Schirm in das Gehäuse 1 eingeführt und mit diesem elektrisch verbunden 6. Das koaxiale Kabel 5 ist durch eine Kabelverschraubung (hier nicht dargestellt) in das Gehäuse 1 eingeführt. Der verbleibende Innenraum zwischem koaxialem Kabel und dem inneren Teil des Gehäuses 1 ist mit einem hochtemperaturfesten Medium, z. B. Keramik, ausgefüllt.

Die Fig. 2 zeigt den elektrischen Anschluß des oben be­ schriebenen Sensorteils an die elektrische Auswertung. Der Innenleiter des koaxialen Kabels 11 ist direkt an den inver­ tierenden Eingang eines Hochfrequenzoszillators 8 ange­ schlossen. Der Ausgang des Hochfrequenzoszillators 8 ist mit dem ersten Schirm verbunden. Die Phasenlage des Hochfrequenz­ oszillators zwischen den Punkten 11 und 12 beträgt annähernd 180°. Der zweite Schirm 13 ist mit dem Massepunkt des Hoch­ frequenzoszillators verbunden. Der Ausgang des Oszillators ist mit einem Demodulator 9 verbunden, der das demodulierte Signal an einen auswertenden Verstärker 10 weiterleitet, der sowohl einen schaltenden wie auch einen analogen Ausgang aufweisen kann.

Eine Weiterbildung der auswertenden Elektronik ist in Fig. 3 dargestellt. Der Eingang 11 des auswertenden Hochfrequenz­ oszillators 8 ist an einen Schalter 22 angeschlossen, der periodisch von einen zweiten Oszillator 21 angesteuert ist.

Der Schalter verbindet abwechselnd den Innenleiter des koaxialen Kabels 5 und den auf Massepotential liegenden Kondensator 23 mit dem Eingang 11 des Oszillators 8. Der Kondensator 23 ist so abgestimmt, daß bei nicht erfaßtem Medium die sich ergebende Frequenzänderung des Oszillators während des Umschaltvorganges klein ist. Erhöht sich die Kapazität der Sensorspitze durch Kontakt mit dem Medium, ist die Frequenzänderung des Oszillators größer, so daß periodische Frequenzänderungen des Oszillators 8 vorliegen. Der Ausgang des Oszillators 8 ist mit einem Frequenzde­ modulator verbunden, der die Frequenzänderung vorzugsweise in ein analoges Signal umsetzt. In einer Weiterbildung der elektrischen Auswertung ist der Demodulator 9 als Frequenz­ spannungswandler ausgebildet, an dessen Ausgang ein Schalt­ kreis 25 angeschlossen ist, der eine Differenzbildung der elektrischen Spannungen bewirkt, die an seinem Eingang an­ liegen. An den Ausgang des Schaltkreises 25 ist vorteilhaft ein Integrator 26 angeschlossen. Die Bildung der Differenz­ spannung wird in dieser Darstellung dadurch bewirkt, daß ein zweiter Schalter 24 von dem zweiten Oszillator angesteuert ist und dieser Schalter mit den beiden Eingängen des Schalt­ kreises 25 einerseits und dem Demodulator 9 andererseits ver­ bunden ist. Der erste Schalter 22 und der zweiter Schalter 24 sind synchron vom dem Oszillator, der auch als Taktgeber ausge­ bildet sein kann, angesteuert, so daß die Kapazität der Sensor­ spitze 4 zu ihrer Umgebung und die Kapazität 23 wechselseitig die Frequenz des Hochfrequenzoszillators 8 bestimmen. Diese Anordnung ist insbesondere auch deshalb von großem Vorteil, weil Gleichtaktsignale, die den Zuleitungen zu beiden Kapa­ zitäten überlagert sind, nach Demodulation und Integration mit umgekehrten Vorzeichen addiert und damit wesentlich re­ duziert sind.

Claims (8)

1. Sensor zur Erfassung des Vorhandenseins elektrisch iso­ lierender Flüssigkeiten oder Granulate, mit einem in eine Behälterwandung einschraubbaren Gehäuse (1), mit einem elek­ trisch isolierenden Kunststoffeinsatz (3), mit einer in den Kunststoffeinsatz (3) eingelassenen, metallischen Sensor­ spitze (4), die bei Erfassung in unmittelbarem Kontakt mit dem zu erfassenden Medium ist, mit einem koaxial aufgebauten Anschlußkabel (5), dessen Innenleiter (11) mit der Sensor­ spitze (4) elektrisch verbunden ist, wobei der Innenleiter (11) und die erste, innere Abschirmung (12) des Anschlußkabels (5) elektrisch voneinander isoliert sind und bis dicht an den Anschlußpunkt des Innenleiters (11) an die Sensorspitze (4) herangeführt sind und mit einem Hochfrequenzoszillator (8), an dessen invertierendem Eingang der Innenleiter (11) und an dessen Ausgang die erste Abschirmung (12) sowie ein Demodu­ lator (9) angeschlossen sind.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hoch­ frequenzoszillator (8) aus einem die Oszillatoramplitude er­ zeugenden und einem die Amplitude invertierenden Teil besteht.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Oszillator (21) vorgesehen ist, der einen ersten Schalter (22) betätigt, der periodisch den Innenleiter (11) und einen mit einem Massepunkt des Hochfrequenzoszillators verbundenen Kondensator (23) mit dem Eingang des Hochfre­ quenzoszillators (8) verbindet.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Demodulator (9) ein Frequenzdemodulator ist.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) aus Metall besteht und der zweite Schirm (13) mit dem Gehäuse elektrisch verbunden ist.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) aus Kunststoff besteht und daß der Kunst­ stoffeinsatz (3) zusammen mit dem Gehäuse (1) einteilig gefer­ tigt ist.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Schalter (24) vorgesehen ist, der von einem zweiten Oszillator (21) gesteuert ist und der mit den elek­ trischen Eingängen eines differenzbildenden Schaltkreises (25), vorzugsweise mit dem invertierenden und dem nicht inver­ tierenden Eingang eines Operationsverstärkers, einerseits und dem Ausgang des Demodulators (9) andererseits verbunden ist.

8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der De­ modulator (9) als Frequenz-Spannungswandler ausgebildet ist.