DE19940259A1

DE19940259A1 - Anordnung zur automatischen Messung des Wasserpegels

Info

Publication number: DE19940259A1
Application number: DE1999140259
Authority: DE
Inventors: Hartmann Hieber; Jost Schueler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-08-23
Filing date: 1999-08-23
Publication date: 2001-03-22

Abstract

Zur automatischen Bestimmung des Wasserpegels in stehenden und fließenden Gewässern wird ein automatisches, digitales Meßsystem auf der Basis eines textilen Schaltungsträgers vorgeschlagen, das eine hohe Meßgenauigkeit und Konstanz der Meßwerte besitzt. Durch die Aneinanderreihung einer Vielzahl von Wasseranwesenheitssensoren auf dem flexiblen Gewebeband des textilen Schaltungsträgers läßt sich ein Pegelmeßsystem beliebiger Länge mit konstanter Auflösung aufbauen. Mit einer einfachen elektronischen Schaltung läßt sich aus den Sensorsignalen der Wasserpegel ermitteln.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur automatischen Messung des Wasserpegels in fließenden und stehenden Gewässern gemäß der Gattung der Patentansprüche. Sie dient bspw. zur Bestimmung des Wasserstandes in Flüssen, Bächen, Seen, Staubecken, Brunnen, Schächten, aber auch zur Ermittlung des Grundwasserspiegels oder des Füllstandes in beliebigen Behältern. Desweiteren kann die Anordnung eingesetzt werden zur Füllstandsmessung in Behältern für beliebige andere wäßrige Medien.

Zur Messung des Wasserpegels sind eine Reihe von Verfahren und Anordnungen bekannt, die in der Praxis Anwendung finden.

Die Bestimmung des Pegelwertes bzw. des Füllstandes in Gefäßen mittels Messung des Schweredrucks (Höhe der Wassersäule) bzw.. mittels kommunizierender Röhren beruht auf den Grundgesetzen der Mechanik deformierbarer Körper (siehe z. B. Gerthsen, Vogel; Physik; Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1997, S. 96, 97). Diese Methoden werden in Pegelmeß- und Füllstandssensoren in vielfältigen Formen eingesetzt. Für fließenden Gewässer sind derartige Meßgeräte nicht geeignet. Die Meßwerte liegen in analoger Form vor und sind mit den bekannten Nachteilen behaftet. Der Meßfehler nimmt mit Verringerung der zu messenden Druckdifferenzen zu. Bei Änderung der Meßbedingungen, z. B. Temperatur oder Luftdruck, verändern sich die Meßergebnisse.

In US 4.389.900 wird die Änderung der Kapazität eines isolierten Drahtes zu einer Grundelektrode zur Bestimmung des Wasserstandes genutzt. Hier handelt es sich ebenfalls um eine Analogmessung. Aufgrund der geringen Kapazitätswerte ist mit einem relativ hohen Meßfehler zu rechnen.

Ein rein mechanisches Prinzip wird in einem Pegelmeßgerät der Firma Vizszin- T Bt. verwendet (Hydroprofi-L; Vizszin-T Bt.; H-2030 Erd, Burgundi u. 19, Hungary, Innovation Leipzig 1997). Ein Schwimmer wird mit einem Gegengewicht durch ein Seil verbunden, das über eine Rolle läuft. Die Bewegung der Rolle dient zur Messung des Wasserpegels. Aufgrund der bewegten Teile ist dieses Meßverfahren sehr störanfällig.

Melnikov u. a. (Nuclear Engineering and Design (Dez. 1997) Vol. 176, Nr. 3, 225-32) nutzen die Dämpfung von Ultraschallwellen im Wasser zur Bestimmung des Füllstandes von Kühlmittel in Dampferzeugern in Kernkraftwerken. Diese Methode ist geeignet für den Einsatz bei hohen Temperaturen, jedoch mit den gleichen Nachteilen behaftet wie die oben diskutierten Methoden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, die es gestattet, den Wasserstand unabhängig vom Meßbereich immer mit der gleichhohen Genauigkeit zu bestimmen. Außerdem soll diese über einen langen Zeitraum zuverlässig und stabil arbeiten, ohne daß zwischenzeitlich Kalibrierungen notwendig sind. Sie soll keine bewegten Teile aufweisen. Die Meßwerte sollen frei von Drifterscheinungen sein und in digitaler Form vorliegen. Die Anordnung soll sowohl in stehenden als auch in fließenden Gewässern einsetzbar sein.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Meßanordnung wird durch die Kombination eines flexiblen Schaltungsträgers mit einem Sensor zum Nachweis der Anwesenheit des wäßrigen Mediums gebildet. Als Sensor für das wäßrige Medium wird z. B. das Prinzip des direkten elektrochemischen Elektrodenkontaktes mit dem wäßrigen Medium verwendet. Durch die Aneinanderreihung einer Vielzahl derartiger Sensoren, z. B. "offener" Kontakte, sogenannter Bockpole, auf einem flexiblen Schaltungsträger in Bandform gelingt die Schaffung einer digital messenden Anordnung zur direkten Anzeige des Wasserstandes. Kommt ein solcher Bockpol mit dem wäßrigen Medium in Kontakt, ändert sich sein Widerstand von einem sehr hohen Wert (z. B. < 10¹² Ω entsprechend dem Isolationswiderstand des flexiblen Schaltungsträgers und der Passivierungsmaterialien) auf einen Wert zwischen ca. 50 Ω und einigen 100 Ω je nach dem Ionengehalt des Wassers. Bei Anliegen einer Spannung läßt sich der bei Anwesenheit des wäßrigen Mediums fließende Strom leicht nachweisen und dem jeweiligen Bockpol zuordnen und damit der Pegelstand ermitteln, bei dem das Schaltungsträgerband in das wäßrige Medium eintaucht.

Als flexibler Schaltungsträger wird vorzugsweise ein Material verwendet, das auf einer neuartigen Aufbau- und Verbindungstechnik für elektronische Schaltungen auf der Grundlage textiler Gewebe mit Einlage elektrisch leitender Metalldrähte basiert. Die Eigenschaften des textilen Schaltungsträgers, besonders seiner Flexibilität, und der Möglichkeit, sehr lange Gewebebänder herzustellen, erlaubt den Aufbau von Pegelmeßsystemen in beliebiger Länge. Es ist jedoch auch beispielsweise der Einsatz von Polymerfilm in Bandform als flexibler Schaltungsträger für das Pegelmeßsystem möglich.

An Stelle der Bockpole sind z. B. auch offene Kondensatoren als Sensoren für das wäßrige Medium denkbar, aufgrund des großen Unterschiedes der Dielektrizitätskonstanten von Luft und Wasser wird sich bei Anwesenheit des wäßrigen Mediums die Kapazität eines solchen Kondensators deutlich ändern, mit Hilfe einer geeigneten elektronischen Schaltung kann das zur Pegelmessung genutzt werden.

Die erforderliche Wasser- und Feuchtebeständigkeit der Anordnung wird erreicht durch die Anwendung angepaßter Materialien sowie spezieller Aufbau- und Verbindungstechnologien. Das Gewebe bzw. der Film besteht aus wasserbeständigen Polymeren als Basismaterialien und aus korrosionsfesten Metalldrähten bzw. Leiterzügen. Die Kontakte an Drahtüberkreuzungen bei der Gewebevariante und die Bauelementeanschlüsse werden mit leitfähig gefüllten hydrophoben Klebstoffen bzw. durch Löten oder Schweißen hergestellt. Die Verdrahtungen werden mit hydrophoben Lacken flächig und bei Chipaufbauden mit Glob-Top über den ungehäusten Bauelementen passiviert. Die feuchtebeständige Abdichtung der Durchführungen z. B. an den Bockpolen erfolgt durch eine anorganische Haftschicht mit Auftrag einer gefüllten hydrophoben Polymerbeschichtung.

Die Vorteile dieser Anordnung gegenüber den bekannten Methoden und Anordnungen zur Pegelmessung sind die gleichbleibende Meßgenauigkeit über einen beliebig großen Meßbereich, das digitale Meßprinzip, die ständige Meßbereitschaft ohne die Notwendigkeit einer Kalibrierung und die hohe Stabilität der Meßwerte ohne Drifterscheinungen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine mögliche Schaltungsvariante der erfindungsgemäßen Anordnung

Fig. 2 die schematische Darstellung des Aufbaus der erfindungsgemäßen Anordnung

Die in Fig. 1 gezeigte beispielhafte Schaltung ermittelt denjenigen offenen Kontakt 1 (Bockpol), der gerade mit Wasser bedeckt ist, d. h. der Wasserpegel 2 wird mit einer Genauigkeit des Abstandes zwischen zwei benachbarten Bockpolen gemessen. Die Ermittlung des mit Wasser bedeckten Bockpols erfolgt dergestalt, daß ein logisches Signal L über den Anschluß 4 an den Eingang des ersten D-Flip-Flops 3 gelegt wird, mittels Clock-Impuls 5 wird dieses Signal L so lange über die Flip-Flop-Kette durchgeschaltet, bis über den ersten durch Wasser geschlossenen Bockpol ein Rücksignal auf den Spannungskomparator 6 gelangt. Mit dessen Ausgangssignal wird der Clock- Impuls-Generator abgeschaltet. Die Zahl der Clock-Impulse, die mit einem Vorwärtszähler registriert wurden, geben bei bekanntem Abstand der Bockpole den Pegelstand an.

Die Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau einer beispielhaften erfindungsgemäßen Anordnung zur Messung des Wasserpegels. Das Meßband 1 besteht aus einem Gewebe in Leinwandbindung aus feuchtebeständigen Polymerfäden 2 und korrosionsfesten Metalldrähten 3 in Kettrichtung. Die Bockpole 4 und ICs 5 werden auf dem langen Gewebestreifen 1 in einer Kette vielfach angeordnet. Durch den Verdrahtungsträger gehen die Versorgungs- und die Busleitungen 3. Die Signalverarbeitung vor Ort reduziert bei einer hohen Zahl von Bockpolen die Zahl der Anschlüsse zum Datentransfer aus dem Meßsystem. Die Drähte werden in Abständen von 300 µm angeordnet. Damit lassen sich die Chips von handelsüblichen ICs montieren und kontaktieren. Die Bockpole unterhalb des Wasserpegels sind überbrückt, die Bockpole oberhalb des Wasserpegels sind offen. Die Länge des Meßbandes ist in weiten Grenzen variierbar (< 10 cm bis < 100 m), die Breite beträgt bei Verwendung von ICs in Chipform ca. 15 mm. Die Meßgenauigkeit wird bestimmt durch den Abstand zwischen den Bockpolen und beträgt bei Verwendung von ICs in Chipform beim aktuellen Integrationsgrad der Schaltkreise minimal 2 mm. Mit Erhöhung des Integrationsgrades läßt sich die Meßgenauigkeit mit diesem Meßprinzip weiter erhöhen. Sie kann über die Länge des Meßbandes unterschiedlich groß eingestellt sein, da der Abstand zwischen den Bockpolen bei der Herstellung des Meßbandes mit ≧ 2 mm frei wählbar ist. Die Wasser- und Feuchtebeständigkeit wird dadurch erreicht, daß das gesamte Meßband mit hydrophoben Polymerlacken flächig und die ungehäusten Bauelemente mittels Glob-Top passiviert werden. Die offenen Kontakte (Bockpole) werden von der Passivierung ausgeschlossen. Die Abdichtung der Durchführungen erfolgt mittels anorganischer Haftschichten.

Am Kopf des Pegelmeßbandes ist die Steuer- und Auswerteeinheit 7 mit der netzunabhängigen Stromversorgung über Solarmodul 8 und Akku, sowie mit der Meßdatenübertragung 9 angeschlossen.

Bezugszeichenliste

Fig.

1

Bockpol ("offener" Kontakt)

2

Wasserpegel

3

Standard-Logik-Schaltkreis - D-Flip-Flop

4

Anschluß für Startsignal

5

Anschluß für Clock-Impuls

6

Integrierter Schaltkreis - Operationsverstärker

Fig.

2

1

Pegelmeßband - Gewebe aus Polymerfasern und Metalldrähten

2

Polymerfäden

3

Metalldrähte

4

Bockpole ("offene" Kontakte)

5

Integrierte Schaltkreise - D-Flip-Flops

6

Wasserpegel

7

Steuer- und Datenerfassungseinheit

8

Photovoltaic-Modul

9

Datenfernübertragung

Claims

1. Anordnung zur Messung des Pegels wäßriger Medien unter Anwendung eines Sensors zur Ermittlung der Anwesenheit des wäßrigen Mediums und eines flexiblen Schaltungsträgers für elektronische Komponenten, dadurch gekennzeichnet, daß

- auf einem langen Band des flexiblen Schaltungsträgers eine Vielzahl dieser Sensoren aneinandergereiht sind,
- die Sensoren dergestalt verschaltet sind, daß nur wenige Versorgungs- und Busleitungen über die Länge des Schaltungsträgerbandes erforderlich sind,
- im Ergebnis der elektronischen Signalverarbeitung der Sensorsignale der Pegelstand jeder Zeit als digitaler Datensatz vorliegt und
- das Schaltungsträgerband und die elektronischen Schaltungskomponenten mittels geeigneter Materialien und Techniken gegen Beeinflussung durch das wäßrige Medium passiviert sind.

2. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als flexibler Schaltungsträger ein textiles Gewebe aus Polymerfäden und Metalldraht verwendet wird.

3. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als flexibler Schaltungsträger ein Polymerfilm verwendet wird.

4. Anordnung gemäß Anspruch 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensoren für die Anwesenheit des wäßrigen Mediums offene Kontakte, sogenannte Bockpole, verwendet werden, die durch das Medium elektrisch leitend verbunden werden.

5. Anordnung gemäß Anspruch 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensoren für die Anwesenheit des wäßrigen Mediums offene Kondensatoren verwendet werden, deren Kapazität sich durch das Medium deutlich vergrößert.

6. Anordnung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3 und 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Material zur Passivierung des flexiblen Schaltungsträgers und der elektronischen Komponenten ein hydrophobes Epoxidharz verwendet wird.

7. Anordnung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3 und 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Material zur Passivierung des flexiblen Schaltungsträgers und der elektronischen Komponenten ein Silikonlack verwendet wird.

8. Anordnung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3 und 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Material zur Passivierung des flexiblen Schaltungsträgers und der elektronischen Komponenten eine Kombination aus hydrophobem Epoxidharz und Silikonlack verwendet wird.

9. Anordnung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, 4 oder 5 und 6, 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierung der elektronischen Komponenten mit den Metalldrähten des textilen Gewebes und der Verbindungsdrähte untereinander oder die Kontaktierung auf dem Polymerfilm mittels hydrophobem Leitkleber erfolgt.

10. Anordnung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, 4 oder 5 und 6, 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierung der elektronischen Komponenten mit den Metalldrähten des textilen Gewebes und der Verbindungsdrähte untereinander oder die Kontaktierung auf dem Polymerfilm mittels Löten erfolgt, wobei zum Löten von Chips die Flip-Chip-Technik angewendet wird.

11. Anordnung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, 4 oder 5 und 6, 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierung der elektronischen Komponenten mit den Metalldrähten des textilen Gewebes und der Verbindungsdrähte untereinander oder die Kontaktierung auf dem Polymerfilm mittels Schweißen/Bonden erfolgt.

12. Anordnung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, 4 oder 5 und 6, 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierung der elektronischen Komponenten mit den Metalldrähten des textilen Gewebes und der Verbindungsdrähte untereinander oder die Kontaktierung auf dem Polymerfilm mittels Kombination aus den Verbindungstechnologien Kleben mit hydrophobem Leitkleber, Löten und/oder Schweißen/Bonden erfolgt.