DE2340845A1

DE2340845A1 - Kapazitaetsmessvorrichtung

Info

Publication number: DE2340845A1
Application number: DE19732340845
Authority: DE
Inventors: Louis Wilbur Erath
Original assignee: Houston Chemical Corp
Current assignee: Houston Chemical Corp
Priority date: 1973-02-16
Filing date: 1973-08-13
Publication date: 1974-08-22
Also published as: FR2218568A1; GB1445764A; JPS49115375A; US3863147A

Description

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TH£R£SJEN3TRASSE München, den 13. August 1973

OWEN F. JENSEN, JR. Post Office Box 13294 Houston, Texas 77023 V. St. Λ.

OWEN F. JENSEN, III Post Office Box 18294 Houston, Texas 77023 V. St. A.

"Kapazitätsmeßvorrichtung"

Die vorliegende Erfindung besieht sich auf eine Kapasitätsmessvorrichtung und insbesondere auf eine Vorrichtung sur 'JTernprüfung und Fernmessung der Ladung eines Kondensators, Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zui' Fernmessung des Wasserpegels in einem Brunnenschacht.

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.-•is ist bekannt, in verschisdenen Anwendungsfällen die Kapazität oder Veränderungen der Kapazität zum Nachweis eines Zustands zu verwenden. So wurden beispielsweise Vorrichtungen für Messungen an Flüssigkeiten vorgeschlagen, mit denen Veränderungen des Flüssigkeitspegels über Veränderungen der Kapazität einer in die Flüssigkeit eingetauchten Kondensatorsonde gemessen werden. In all diesen Fällen ist die Kapazität einer oonde oder eines von der 3onde entfernt gelegenen Kondensators zu nesoen. Diese Messungen massen gewöhnlich über abgeschirmte Kabel vorgenommen v/erden. Da es schwierig ist, die Kapazität eier donde allein zu messen, und da geringe Änderungen in der Kapazität über lange Kabel mit Eigenkapazitäten größer als die zu messenden Kapazitäten nachgewiesen v/erden müssen, wurden verhältnismäßig komplizierte Kapazitäts- oder Impedanzbrücken benutzt oder Differential-Kondensatoren oder Kompensationskondensatoren verwendet. In manchen Fällen war es notwendig, die Elektronik nahe der donde anzubringen, die gelegentlich unter umgünstigen Umgebungsbedingungen betrieben v/erden muss. ITach Kenntnis der Anmelderin sind bisher keine Instrumente zur Fernmessung von Kapazitäten über lange Kabelleiter entwickelt worden, ohne daß dabei verhältnismäßig komplizierte ^lektronikgeräte oder komplizierte Kondensatorsonden gebraucht wurden. Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Instrument zu schaffen, bei dem diese Schwierigkeiten nicht auftreten.

Die Erfindung hat ferner zum Ziel, eine Vorrichtung der

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oben angegebenen Art zu schaffen, die besonders geeignet is!, für Fernmessungen des Flüssigkeitspegels in einem Bohrloch oder einen Brunnenschacht.

Im Falle von Sonden für tiefe Bohrlöcher und insbesondere Y/enn lange Sonden gebraucht "werden, versucht man zu vermeiden, Sonden zu verwenden, die mehr als ein Leitungselenent oder konzentrische Leiter brauchen, da dadurch hohe Kosten entstehen. Mit zunehmender Sondenlänge wird es außerdem immer schwieriger, die Sonde im Schacht richtig auf die ■ schachtv/tlnde auszurichten, und es v/erden darin Sonden benötigt, deren Betrieb nur in geringem Maße von der Lage der ooncle im Bohrloch abhängt. Die Erfindung hat ferner zum Ziel, verbesserte Sonden mit einem einzigen Leiter zu schaffen, die in Vorrichtungen zur- Pegelmessung verwendet werden können und die oben angegebenen Anforderungen erfüllen.

Diese und andere Ziele der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die bei-gef'igten Zeichnungen und Patentansprüche. Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst mit Hilfe von langen Leitern zum Anschluß eines Kondensators oder einer Sonde, deren Kapazität gemessen werden soll, an an anderer Stelle aufgestellte elektronische Lade- und Anzeige-Instrumente. Bei den Leitern kann es sich um Leiter in einem einzigen abgeschirmten Kabel mit zwei Innenleitern handeln. Ein Leiter wird,dabei zur Zuführung periodischer Ladespannungen an den Kondensator verwendet, während der andere Leiter einen Entladeweg zur Entladung des Konden-

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sators durch die Anzeige-Elektronik darstellt. Die Leiter enden am oder in der Nähe des Kabelendes und sind an einen Anschluß angeschlossen (bei dem es sich nur um eine Lötverbindung handeln braucht), der an den Kondensator oder die Sonde angeschlossen ist, deren Kapazität gemessen werden soll. Eine Isolation, z.B. in Form, einer Diode, ist im ladenden Leiter in der Nähe des oben erwähnten Anschlusses angebracht, um den Stromfluß vom Anschluß an die Ladeschaltung zu sperren, jiin Widerstand wird zweckmaßigerweise in die Entladeleitung am oder in der Nähe des obBn erwähnten Anschlusses eingeschaltet, sodaß er bei der Entladung des Kondensators oder der Sonde als Serienwiderstand wirkt. Ein elektronisches Gatter kann zwischen der Quelle der Ladespannung und der Anzeige-Elektronik eingeschaltet werden, um die ÜHzeige-Elektronik während der Auflaäungsperioden des Kondensators oder der Sonde mit der Ladespannung zu sperren.

Bei der zu messenden Kapazität kann es sich um ein im Quellwasser eingetauchtes, einzelnes leitendes Sondenteil handeln, das mit einem dielektrischen Material umgeben ist, sodaß die Kapazität zwischen dem Sondenteil und dem Umgebungswasser gemessen wird. Diese Kapazität ändert sich bei Veränderungen des Wasserpegels. Das einzelne Sondenteil kann an das Leitungskabel an oder nahe dem Anschluß für die Lade- und Entladeleitungen angeschlossen werden; die zugehörigen Diode und der Widerstand sind in Reihe geschaltet. Kabel, Anschluß, Diode, Widerstand und Sonde können als integrierte Kabfil-Sonden-

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Einheit für den ständigen Einbau in einen Brunnenschacht ausgebildet werden.

Die aus einem Teil aufgebaute Sonde kann Zuleitungen aus verdrillten isolierten Draht haben oder Zuleitungen aus isolierten gerade verlaufenden Drähten, zwischen denen Abstandsstücke eingesetzt sind, um die Drähte von der Schachtverkleidung fernzuhalten und den I¹IuS von Wasser um die Drähte nicht zu behindern. Die Lage der Drähte in Bezug auf die Wände des Bohrlochs spielt dabei nur eine untergeordnete Rolle.

Die Zeichnungen beziehen sich auf vorzugsweise Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; gleichartige Teile 'sind mit gleichartigen Bezugszeichen versehen.

Figur 1 ist eine teilweise schematische Ansicht und ein teilweiser Aufriss eines erfindungsgemäßen Anzeigesystems für den Wasserjiegel in einem Brunnenschacht.

Figur 2 ist eine Seitenansicht einer Ausführungsform der Kapazitätssonde zur Terwendung in dem in Mgur 1 dargestellten System zur Pegelanzeige.

Figur 3 ist eine längs der in Figur 2 mit 3-3 bezeichneten Linie genommene, vergrößerte Ansicht.

Figur 4 ist ein Seitenriß einer anderen Ausführungsform einer Kapazitätssonde zur Verwendung in dem in Figur 1 dargestellten System zur Wasserpegelanzeige.

Figur 5 ist schließlich die Ersatzschaltung des in Figur 1 dargestellten Systems.

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Das in Figur 1 dargestellte System 10 zur Wasserpegelanzeige hat zur Aufgabe, den wechselnden Wasserstand des Wassers W in einem Brunnenschacht 11 anzuzeigen. Der Wasserstand variiert im laufe der Zeit zwischen einem unteren Pegel LWL und einem oberen Pegel TJWL. Zum System 10 gehört eine Kondensatorsonde 12, die über ein Leitungskabel 13 an die Lade- und Anzeige-Elektronik 14 angeschlossen ist. In der Praxis wird Sonde 12 normalerweise für immer zwischen dem Leitungsrohr und der Schachtverkleidung (nicht dargestellt) eingebaut. Das in Figur 1 dargestellte System wird im vorliegenden Fall mit einer Sonde zur Anzeige des Wasserpegels beschrieben, doch kann Sonde 12 stets Bestandteil eines Kondensators sein, dessen Kapazität durch Fernmessung festgestellt werden soll. D*a Prinzip der vorliegenden Erfindung und ihre kennzeichnenden Merkmale können auch in diesem Pail voll zur Anwendung kommen.

Wie aus Figur 1 ersichtlich, umfaßt Sonde 12 einen einzelnen Draht oder Leiter 15, der von einem den leiter 15 vom Wasser W isolierenden dielektrischen Material 16 umgeben ist. Da das Wasser auf Erdpotential liegt und vom leiter 15 durch das Dielektrikum 16 getrennt ist, wird ein Kondensator mit der Kapazität C in Bezug auf Erde durch Leiter 15 und Wasser W geschaffen. Die Länge des Leiters 15 ist so bemessen, daß bei Veränderungen des Wasserstands zwischen den Pegeln LWl und UV/L beim normalen Brunnenbetrieb der Leiter stets im Wasser eingetaucht bleibt. Sonde 12 kann beispielsweise 30 Meter lang

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sein und einige hundert Meter unter der Erdoberfläche angebracht sein.

Bei Kabel 13 kann es sich um ein normales abgeschirmtes Kabel mit einer Außenschieht aus einem nicht hygroskopischen Isoliermaterial wie beispielsweise Polyäthylen und zwei Innenleitern 17» 18, sowie einer leitenden, um die Leiter 17, 18 angebrachten, geerdeten Abschirmung 19, handeln. Kabel 13 kann dabei die Länge haben, die notwendig ist, um Sonde 12 an Elektronik 14 anzuschließen. Wie in Figur 1 dargestellt, ist der innere Leiter 17 mit seinem dem Brunnenschacht 11 abgelegenen Ende an eine Quelle einer periodisch veränderlichen Spannung, beispielsweise einem Impulsgenerator 20, angeschlossen. Das entsprechende Ende des Innenleiters 18 ist an geeignete Anzeigevorrichtungen oder an eine Anzeige-Elektronik angeschlossen, die ihrerseits eine Torschaltung 21, Kreise 22 für das Anzeigeinstrument, und ein Anzeigeinstrument 23 umfaßt. Die Stromversorgung der Elektronik erfolgt aus einer an sich bekannten Stromversorgungseinheit 24.

An dem mit Sonde 12 verbundenen Ende des Kabels 13 enden Leiter 17 und 16 zusammen an Anschlußpunkt 25, an den das einzelne Leiterteil 15 der Sonde ebenfalls angeschlossen ist. Doch sind eine Diode D und ein Widerstand E mit Leitern 17 bzw. 18 in Reihe geschaltet. Ein Anschluss der Diode D und des Widerstands R ist mit Anschluss 25 verbunden. Diode D stellt eine Isolation dar, die den Stromfluß von Sonde 12 (oder Anschlußpunkt 25) an Impulsgenerator 20 verhindert und damit

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.-,oriels X> ο del· irgendeinsn anderen an Anschlußpunkt 25 angeschlossenen Kondensator zuverlässig von der ladenden Quelle isoliert, abgesehen von dem Fluss des Ladestroms und von der Eabeika-nazitat C_n. des Leiters 17. Widerstand P- stellt eine

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Iri: edanz für die Entladung dar und ist an Leiter 18 angeschlossen, sodaß die auf Jonde 12 angesammelte Ladung durch Widerstand R entladen wird und die Eabelkapasität des Leiters 1 3 einen Teil dor Meßschaltung darstellt, .jedoch auf der anderen Seite des Widerstands E in Bezug auf die Kapazität 0 der oonde 12 gelegen ist. Die Verhältnisse v/erden durch das in "iigur 5 dargestellte Ersatzschaltbild wiedergegeben. Durch Verbindung der Diode J) und des Widerstands R am Anschlußpunkt 25 an oder in der jlähe der; Endes des Zabels 13 kann der messende oder entladende Seil der Schaltung (oonde 12 und Leiter 18) unabhängig vom ladenden Veil der Anordnung aufgeladen werden und die Kapazität der o'onc.e 12 kann leicht durch 'fernmessung ermittelt werden, ohne daß h-ierzu besondere Kreise oder Kompensationskondensatoren eingesetzt werden müssen.

Bei Impulsgenerator 20 kann es sich um einen an sich bekannten Impulsgenerator handeln, der beispielsweise Ausgangsimpulse mit einer Länge von einer Millisekunde, einer Amplitude von 100 Volt, und einer Folgefrequenz von 100 Impulsen pro Sekunde liefert. Torschaltung 21 umfaßt einen Transistor Q₁, der die Kreise 22 für das Anzeigeinstrument und die Entladeleitung der Sonde 12 an Erde legt, sodaß bei Durchlässigkeit des Transistors Q₁ die Kapazität C durch Transistor Q₁

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und nicht durch Anzsigeinstrument 23 entladen wird. Die 3asi;3 des transistors Q₁ ist an den Ausgang des Impulsgenerator über einen Widerstand angeschlossen, sodaB bei einer hohen Ausgangs spannung des Impulsgenerators 20 Transistor Q.- leitend ist und das Instrument 23 blockiert ist und damit keine iintladeströme anzeigt. Zwischen den von Impulsgenerator 20 gelieferten Impulsen ist Transistor Q₁ abgeschaltet und die Kapazität C wird durch Anzeigeinstrument 23 entladen, das den iCntladestrom oder einen ihm proportionalen Wert anzeigt, wobei letztere Größen wiederum proportional zur Kapazität 0 sind. .Ein nicht dargestelltes Potentiometer kann in die Kreise

22 des Anzeigeinstruments eingesetzt werden, um das Instrument

23 auf Hull zu stellen. Beim Einbau der Sonde 12 wird mit diesem Potentiometer die Nullstellung des Instruments auf den Pegel LWL oder einen anderen gewünschten Pegel durchgeführt.

Wenn Sonde 12 zum lachweis des Wasserpegels in einem Brunnenschacht oder zum nachweis eines anderen -Plüssigkeitspegels verwendet wird, kann Sonde 12 in. der in Figuren 2, 3 und 4 dargestellten Form konstruiert werden, sodaß das Wasser Sonde 12 völlig umgibt. Diese Konstruktxonsform muß besonders dann verwendet werden, wenn Sonde 12 an einer Metallwand oder Auskleidung anliegen kann, sodaß die Kapazität zwischen Leiter 15 und der Auskleidung bedeutend größer ist als die Kapazität zwischen Leiter 15 und dem Umgebungswasser. In diesem Pail würden dann die geringen durch Änderungen des v/asserpe-

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gels erzeugten Kapazitätsänderungen nicht nachgewiesen. In i'iguren .-- und 3 wird Sonde 12 über einen einzigen isolierten Draht 15 versorgt, der verdrillt ist und gleichzeitig die Rückleitung darstellt. Selbst wenn die Sonde an einer Metallwanä anliegt, fließt noch genügend wasser um die Metallband herum, um nachweisbare Kapazitätsänderungen zu ergeben. Bei dieser Anordnung der oonde 12 läßt sich eine lange Sonde in einen Brunnenschacht einsetzen, ohne daß es dabei darauf ankommt, daß sich die Sonde in der Mittelstellung zwischen der Auskleidung und dem in der Mitte gelegenen Leitungsrohr des Brunnens befindet.

In der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform sind Abstandsstücke an geeigneten Punkten längs der Sonde 12 eingesetzt, um den Kontakt der Sonde mit den sie umgebenden Wandungen zu verhindern.

Aus obiger Beschreibung ergibt sich, daß die erfindungsgemäße Anordnung den Anschluß einer einfachen, aus einem einzigen Draht bestehenden Sonde von bei Bedarf großer länge an eine einfache Lade- und Anzeige-Elektronik über verhältnismäßig lange Kabel ermöglicht. Dabei wird eine zuverlässige, genaue Anzeige der Kapazität der äonde oder eines anderen Kondensators erhalten. Die Erfindung schafft damit einen Wassarpegel-Anzeiger, der wegen seiner einfachen Ausführung und verhältnismäßig niedrigen Kosten für immer in einen Brunnenschacht eingebaut werden kann, um den Wasserpegel im Bohr-

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loch ständig anzuzeigen. Der Fachmann kann ferner bei Bedarf zusätzliche, nicht dargestellte Schaltungen anbringen, die automatisch eine Pumpe abschalten, wenn der Wasserpegel unter einen gewissen rfert fällt, der vom Instrument 23 angezeigt wird.

Die erfindungsgemäße Torrichtung löst damit die gestellte Aufgabe im vollen Haß und ergibt andere Vorteile, die offensichtlich dieser Art von Vorrichtung eigen sind.

Gewisse Merkmale und Unteranordnungen sind zweckmäßig und können benutzt werden, ohne Bezugnahme auf andere Kennzeichen und TJnteranordnungen. Derartige Abänderungen sind im Rahmen der Erfindung möglich.

Da verschiedene Ausführungsformen im Rahmen der Erfindung sμr Verwendung kommen können, sind die beschriebenen oder in den Figuren dargestellten Ausführungsformen nur als Beispiele, nicht aber als Einschränkungen des Erfindungsgegenstandes aufzufassen.

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Claims

TAIIoP R υ C H E

©Vorrichtung zur Fernmessung von Kapazitäten, gekennzeichnet durch eine Quelle periodischer Ladespannungen; eine Anzeigevorrichtung (22, 23) zur Abgabe einer nachweisbaren Anzeige der Kapazität des Kondensators; einen Anschlußpunkt (-:5) zur Verbindung mit dem auf hohem Potential liegenden i'eil eines zu messenden Kondensators; einen ersten, mit einem jinde mit dem Anschlußpunkt und mit dem anderen Ende mit der Ladespannungsquelle verbundenen Leiter (17) zur Zuführung periodischer οpannungsimpulse an den Anschlußpunkt (25); einen «weiten, mit einem j'Jnde an den Anschlußpunkt und mit dem anderen .:inde an die Anzeigevorrichtung angeschlossenen Leiter (io) zur üchaixunß eines Entladewegs vom Anschlußpunkt (25); Abschirmungen (19) des ersten und zweiten Leiters (17, 16); eine im ersten Leiter (17) in der itfähe des Anschlußpunkts eingesetzte Isolierung, um den otromfluS vom Anschlußpunkt an das anclsre ,-.näe des ersten Leiters zu verhindern; und eine an den zweiten Leiter (1^;j) angeschlossene ^ntladeimpedanz, um den En ti adekreifc vom Anschlußpunkt (25) durch die Anzeigevorrichtung zu schließen und eine Anzeige zu liefern, die von der Kapazität des gemessenen Kondensators abhängt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen als Sntladeimpedanz verwendeten Widerstand (R), der im zweiten Leiter (10) eingesetzt ist und an den Anschlußpunkt (25) an- £eschlo~£en ist.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oäer 2, gekennzeichnet durch eine Torschaltung (21), die zwischen der Quelle der periodischen Spannung (20) und der Anzeigevorrichtung (22, 23) eingesetzt ist, um den Betrieb der Anzeigevorrichtung (22, 25) beim Auftreten der periodischen Impulse zu blockieren.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigevorrichtung (22) ein Instrument (23) zur visuellen Anzeige der gemessenen Kapazität umfasst.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Leiter (17, 1β) die Innenleiter eines einzigen abgeschirmten Kabels (13) sind, daß die Isolierung aus einer mit dem ersten Leiter (17) an einem Ende des Kabels (13) in Reihe geschalteten Diode (D) .besteht, daß die Entladeimpedanz aus einem mit dem zweiten Leiter (18) an einem Ende des Kabels (13) in Reihe geschalteten Widerstand (R) besteht, und daß die Diode (D) und der Widerstand (R) an dein Kabelende miteinander verbunden sind, um den Anschlußpunkt (25) zum Endpunkt des Kabels und des Kabelendes zu machen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine längliche, einstückige, isolierte Sonde (12), die mit den Anschlußpunkt (25) verbunden ist und in eine Flüssigkeit zur Messung des Flüssig^eitspegels-in einem Bohrloch (11) eintaucht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Leiter (17, 18) die Innenleiter eines einzigen abgeschirmten Kabels (13) sind, daß die Isolie-

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rung durch eine mit dein ersten Leiter (1?) an einen Kabelende in it eine geschaltete Diode (O) gebildet wird, daß die Entladeimpedanz aus einem mit dem zweiten Leiter (13) an dem einen P^abelende in Heine geschalteten Widerstand (R) besteht, daß der Widerstand (R) und die Diode (D) zusammengeschaltet sind, um den Anschlußpunkt (25) als Endpunkt des Kabels ara Kabelende 3u haben, und daß die oonde (12) an den Anschlußpunkt (25) angeschlossen ist, sodaß sich eine zusammengehörige Kabel-Sonden-Sinheit zur Messung des ZLüssigkeitspegels in einem Bohrloch oder Brunnenschacht (11) ergibt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch, gekennzeichnet, daß die Sonde (12) aus zwei verdrillten Drähten besteht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch an der Sonde (12) angebrachte Abstandsstücke (26), um die Sonde von der benachbarten Rohrwandung fernzuhalten.

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