DE2448205B1

DE2448205B1 - Kapazitive Sonde

Info

Publication number: DE2448205B1
Application number: DE2448205A
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Franz; Werner Rottmar
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1974-10-09
Filing date: 1974-10-09
Publication date: 1975-12-18
Also published as: GB1518818A; DE2448205C2; JPS5164957A; FR2287684A1; FR2287684B1; US4025846A; JPS5435946B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine kapazitive Sonde zur Detektion von Veränderungen des sie umgebenden, mittels einer angeschlossenen elektronischen Schaltung erzeugten elektrischen Feldes bei Annäherung von oder Bedeckung mit einem festen oder flüssigen Medium, mit einer isoliert angeordneten Sondenelektrode, deren Kapazitätsänderungen gegen eine Bezugselektrode durch eine elektronische Auswerteschaltung zur Anzeige und/oder zur Auslösung von Schaltvorgängen ausgenutzt werden.

Kapazitive Sonden dieser Art dienen insbesondere zur Erfassung von Grenzständen in Bunkern, Silos und Behältern; sie können aber auch iur andere Zwecke Anwendung finden, beispielsweise für kapazitive Näherungszünder oder für Alarmanlagen.

Die bisher zur Feststellung des Füllstands in Behäl-

²S tern verwendeten kapazitiven Sonden bestehen üblicherweise aus einem stabförmigen oder rohrförmigen Metallteil, das isoliert durch die Behälterwandung hindurchgeführt ist. Der in den Behälter ragende Teil der Sonde ist häufig mit einem Kunststoffmantel ganz oder teilweise umschlossen. Bei leerem Behälter ist dann am Anschluß der Sonde eine von der Länge und dem Durchmesser des Metallteils sowie von der Art des Einbaus in den Behälter abhängige elektrische Kapazität meßbar. Bei Annäherung von Füllgut an das Metallteil erhöht sich je nach dt Dielektrizitätskonstante des Füllguts die am Sondenanschlußpunkt meßbare elektrische Kapazität; diese Kapazitätserhöhung kann in der elektronischen Auswerteschaltung festgestellt und zur Anzeige des Erreichens eines bestimmten Füllstandes oder auch zur Auslösung eines Schaltvorgangs, beispielsweise durch Erregung eines Relais, ausgenutzt werden. Die Empfindlichkeit der Sonde ergibt sich dabei aus dem Verhältnis der Kapazitätsänderung zur Anfangskapazität. Zur Erzielung einer großen Empfindlichkeit sind deshalb eine möglichst kleine Anfangskapazität und eine möglichst große Kapazitätsänderung bei Annäherung des Füllguts erwünscht.

Bei den bekannten stab- oder rohrförmigen Sonden besteht der Nachteil, daß Füllgut, das sich an der Durchführungsstelle der Sonde im Behälter ansetzt, unerwünschte Kapazitätserhöhungen verursacht; dadurch kann ein Ansprechen der elektronischen Auswerteschaltung hervorgerufen werden, wodurch eine nicht vorhandene Füllung des Behälters vorgetäuscht wird.

Zur Vermeidung dieses Nachteils sind in der Praxis auch kapazitive Sonden anzutreffen, die im Bereich der Durchführung durch die Behälterwand einen Abschirmmantel besitzen, der mit der Behältermasse verbunden ist und verhindert, daß ein Füllgutansatz im Beto reich der Durchführung eine Vergrößerung der Kapazität verursacht. Diese Maßnahme ergibt jedoch den Nachteil, daß der metallische Abschirmmantel die Anfangskapazität der Sonde erhöht, so daß die erzielbare Kapazitätsänderung bei Annäherung von Füllgut, vor

allem von Füllgut mit sehr kleiner Dielektrizitätskonstante, verringert wird, was viel empfindlichere und damit aufwendigere Auswerteschaltungen erforderlich macht. .

Bei einer aus der DT-AS 16 73 841 bekannten kapazitiven Sonde der eingangs angegebenen Art sind zur Vermeidung der Auswirkungen von Füllgutansätzen zusätzlich zu der Sondenelektrode., deren Kapazitätsänderungen den Schwingungseinsatz oder den Schwin- gungsabriß eines Oszillators auslösen, eine gegenphasig mit dem Oszillator verbundene Abschirmelektrode und eine an Masse liegende Elektrode vorgesehen. Dies ergibt nicht nur einen komplizierten Aufbau der kapazitiven Sonde, sondern erfordert auch eine aufwendige Auswerteschaltung.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer kapazitiven Sonde der eingangs angegebenen Art, die bei sehr einfachem Aufbau eine sehr geringe Anfangskapazität hat und bei Annäherung eines Mediums selbst kleiner Dielektrizitätskonstante eine relativ große Kapazitätsänderung am Sondenanschlußpunkt ergibt, und bei der insbesondere Ansatzbildungen an der Sonde keine nachteiligen Wirkungen haben.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Sondenelektrode ein am vorderen Ende eines hohlen Sondenkörpers aus Isoliermaterial angebrachtes Metallteil ist, dessen Abmessung in der Längsrichtung des Sondenkörpers wesentlich kleiner als die Länge des Sondenkörpers ist, daß die Sondenelektrode durch einen im Vergleich zum Außendurchmesser des Sondenkörpers sehr dünnen elektrischen Leiter mit der elektronischen Auswerteschaltung verbunden ist, und daß sich zwischen dem dünnen Leiter und der Wandung des Sondenkörpers Luft befindet.

Bei der nach der Erfindung ausgebildeten kapazitiven Sonde ergibt die im Vergleich zum Durchmesser des Sondenkörpers sehr geringe Dicke des Verbindungsleiters in Verbindung mit der Tatsache, daß sich zwischen dem Verbindungsleiter und der Wandung des Sondenkörpers Luft befindet, die Wirkung, daß Ansatzbildungen an dem hinter der Sondenelektrode liegenden Teil des Sondenkörpers nur eine geringfügige, für die Messung vernachlässigbarer Erhöhung der am Sondenanschlußpunkt meßbaren Anfangskapazität zur Folge haben, daß sich aber eine große Kapazitätsänderung ergibt, wenn das festzustellende Medium sich der Sondenelektrode selbst nähert oder den die Sondenelektrode enthaltenden Teil des Sondenkörpers bedeckt. Mit der so ausgebildeten Sonde ist es daher möglich, mit einer weniger aufwendigen Auswerteschaltung über einen großen Temperaturbereich eine exakte Erfassung von flüssigen oder festen Medien zu erhalten.

Die Sonde hat weiter den Vorteil, daß sie kleine mechanische Abmessungen hat, vollkommen mit Isoliermaterial umgeben ist und eine hohe mechanische Stabilität besitzt. Der hohle Sondenkörper kann aus Kunststoff, Glas oder Keramik bestehen, so daß er auch gegen aggressive Medien beständig ist.

Wenn die Sonde für die Feststellung des Füllstandes in einem Behälter bestimmt ist, wobei der Sondenkörper durch eine öffnung in der Behälterwand hindurchgeführt ist, ist sie vorzugsweise so ausgebildet, daß der Sondenkörper einen ins Innere des Behälters ragenden Vorsprung hat, an dessen Stirnfläche die Sondenelektrode angebracht ist, und daß die Ausdehnung der Sondenelektrode in der Längsrichtung des Sondenkörpers kleiner als die Länge des Vorsprungs ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Sonde nach der Erfindung besteht darin, daß die Sondenelektrode eine topfförmiges Metallteil mit parallel zur Stirnfläche des Sondenkörpers angeordnetem Boden und sich entlang der Innenwand des Sondenkörpers entstehender Seitenwand ist. Diese Ausbildung ergibt die gleichen vorteilhaften Eigenschaften unabhängig davon, ob die Sonde vertikal oder horizontal angeordnet ist, so daß die Sonde beispielsweise auch in der Seitenwand eines Behälters in beliebiger Höhe eingebaut werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine schematische Schnittansicht einer kapazitiven Sonde nach der Erfindung,

F i g. 2 ein Diagramm der Änderungen der Kapazität der Sonde von F i g. 1 in Abhängigkeit vom Füllstand und

F i g. 3 eine schematische Darstellung verschiedener Füllstände, die im Diagramm von F i g. 2 angegeben sind.

Die in F i g. 1 der Zeichnung dargestellte kapazitive Sonde ist für die Feststellung des Erreichens eines bestimmten Füllstandes in einem Behälter ausgebildet. Sie hat einen hohlen zylindrischen Sondenkörper 1 aus einem elektrisch nichtleitenden Material, beispielsweise Kunststoff, Glas oder Keramik. Zum dichten Einsetzen in eine Öffnung der Behälterwand 2 ist der Sondenkörper 1 mit einem zylindrischen Abschnitt la versehen, der ein Außengewinde 3 trägt, das in ein entsprechendes Innengewinde in der Öffnung der Behälterwand 2 eingeschraubt wird. Der außerhalb der Behälterwand 2 liegende Abschnitt \b des Sondenkörpers 1 ist als Sechskant ausgebildet, während sich nach innen an den zylindrischen Abschnitt la ein sich verjüngender Vorsprung Ic anschließt, der in das Behälterinnere ragt. Dieser Vorsprung Ic ist an der Stirnseite durch eine dünne Stirnwand id abgeschlossen. Der hohle Innenraum Ie des Sondenkörpers 1 verjüngt sich etwa kegelstumpfförmig von außen nach innen.

Im Innern des Sondenkörpers liegt an der Stirnwand id eine metallische Sondenelektrode 4 an. Die Sondenelektrode hat die Form einer Metallscheibe mit einem um einen bestimmten Betrag hochgezogenen Rand, so daß sie topfförmig ist, wobei der Boden des Topfes an der Stirnwand id und die Seitenwand des Topfes an der kegelstumpfförmigen Innenfläche des Sondenkörpers anliegt. Die Seitenwand des Topfes erstreckt sich nur über etwa die Hälfte der Länge des Vorsprungs Ic, so daß ein wesentlicher Teil des Vorsprungs Ic frei von der Sondenelektrode ist. Die Ausdehnung der Sondenelektrode 4 in der Längsrichtung des Sondenkörpers 1 (d. h. in F i g. 1 in der vertikalen Richtung) ist also wesentlich kleiner als die Länge des Sondenkörpers 1 und auch wesentlich kleiner als die Länge des Vorsprungs Ic. Die Sondenelektrode kann in den Sondenkörper 1 eingepreßt oder, falls der Sondenkörper 1 aus Kunststoff besteht, vorzugsweise mit diesem Kunststoff umspritzt sein.

Die Sondenelektrode 4 ist mit der außerhalb des Sondenkörpers 1 befindlichen Auswerteschaltung 5 über einen Verbindungsleiter 6 verbunden, dessen Durchmesser gegenüber dem Außendurchmesser des Sondenkörpers 1 sehr klein ist, so daß die Kapazität dieses Verbindungsleiters gegen die Umgebung vernachlässigbar klein ist und praktisch nur längenabhängig ist. Der Verbindungsleiter 6 ist vorzugsweise durch einen dünnen Kupfer- oder Stahldraht gebildet, der mit der Sondenelektrode 4 durch Löten, Schweißen oder Kleben leitend verbunden ist. Der Draht 6 verläuft koaxial zu dem Sondenkörper 1 durch dessen Hohlraum Ie. Der Hohlraum Ie ist im übrigen leer, so daß sich zwischen dem Draht 6 und der Wandung des Sonden-

körpers 1 nur Luft befindet.

Das der Sondenelektrode 4 entgegengesetzte äußere Ende des Hohlraums Ie des Sondenkörpers 1 ist durch ein Kopfstück 7 abgeschlossen, durch das der Draht 6 hindurchgeführt ist. Das Kopfstück 7 ist so ausgebildet, daß der Verbindungsleiter 6 darin zentrisch geführt ist und straff gespannt wird.

Auf die äußere Stirnfläche des Sondenkörpers 1 ist eine ringförmige Metallscheibe 8 aufgeschraubt, die zugleich das Gehäuse 9 der Auswerteschaltung mit dem Sondenkörper verbindet. Die Metallscheibe 8 ist durch die Verbindung 10 an das Bezugspotential der Auswerteschaltung 5 gelegt.

Die Auswerteschaltung 5 ist so ausgeführt, daß sie auf Änderungen der Kapazität zwischen der Sondenelektrode 4 und einer Bezugselektrode anspricht und beispielsweise durch Erregung eines Relais einen Schaltvorgang auslöst, wenn diese Kapazität einen bestimmten Wert erreicht.

Wenn die Sonde in einen Behälter eingebaut wird, dessen Behälterwand 2 aus nichtleitendem Material besteht, stellt die Metallscheibe 8 die Bezugselektrode dar. Bei Einbau in einen metallischen Behälter bildet die Behälterwand 2 die Bezugselektrode.

Bei leerem Behälter besteht zwischen der Sondenelektrode 4 und der Bezugselektrode eine bestimmte Kapazität. Wenn sich bei Füllung des Behälters das Füllgut der Sonde nähert, verändert sich diese Kapazität in Abhängigkeit von der Dielektrizitätskonstante des Füllguts, und bei Erreichen eines bestimmten Kapazitätswertes spricht die Auswerteschaltung 5 an, so daß sie entweder ein Signal erzeugt oder einen Schaltvorgang auslöst, der beispielsweise die Zufuhr weiteren Füllguts in den Behälter sperrt. Die Sonde wird in der dem gewünschten Füllstand entsprechenden Höhe in den Behälter eingebaut.

F i g. 2 zeigt die Kapazitätsänderung Δ C in Abhängigkeit vom Füllstand bei senkrechtem Einbau der Sonde, wobei die Abszissenpunkte A, B, Q D den in F i g. 3 dargestellten Füllständen entsprechen. Es ist zu erkennen, daß sich die Kapazität bei Annäherung des Füllguts an die Stirnwand der Sonde zwischen den Füllständen A und B nur langsam ändert, daß zwischen dem Füllstand B, bei dem das Füllgut die Stirnfläche der Sonde gerade berührt, und dem Füllstand Q bei dem der die Sondenelektrode 4 enthaltende Teil des Sondenkörpers gerade bedeckt ist, ein starker Kapazitätsanstieg erfolgt, und daß bei weiterer Erhöhung des Füllstandes-bis zur Höhe D wieder nur ein verhältnismäßig langsamer Kapazitätsanstieg erfolgt. Die steile Kapazitätsänderung zwischen den Füllständen B und C ermöglicht ein genaues Ansprechen der Auswerteschaltung in einem verhältnismäßig engen Bereich. Wegen der geringen Kapazitätsänderung zwischen den Punkten C und D ergibt dagegen eine Ansammlung von Füllgut in diesem Bereich des Sondenkörpers 1 nur eine geringfügige, für die Messung vernachlässigbare Erhöhung der am Sondenanschlußpunkt meßbaren Anfangskapazität der Sonde. Diese vorteilhafte Wirkung ergibt sich daraus, daß der Verbindungsleiter 6 sehr dünn ist und der Raum zwischen dem Verbindungsleiter 6 und dem Sondenkörper 1 mit dem Dielektrikum Luft angefüllt ist.

Die topfförmige Ausbildung der Sondenelektrode 4 ergibt den Vorteil, daß auch bei waagrechtem Einbau der Sonde eine relativ starke Kapazitätszunahme erst erfolgt, wenn der Füllstand in den Bereich der Sondenelektrode 4 steigt. Es ist dadurch möglich, die gleiche Sonde nicht nur in der oberen Abschlußwand des Behälters senkrecht einzubauen, sondern auch waagrecht in der Seitenwand in beliebiger Höhe.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kapazitive Sonde zur Feststellung von Veränderungen des sie umgebenden, mittels einer angeschlossenen elektronischen Schaltung erzeugten elektrischen Feldes bei Annäherung von oder Bedeckung mit einem festen oder flüssigen Medium, mit einer isoliert angeordneten Sondenelektrode, deren Kapazitätsänderungen gegen eine Bezugselektrode, durch eine elektronische Auswerteschaltung zur Anzeige und/oder zur Auslösung von Schaltvorgängen ausgenutzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Sondenelektrode (4) ein am vorderen Ende eines hohlen Sondenkörpers (2) aus Isoliermaterial angebrachtes Metallteil ist, dessen Abmessung in der Längsrichtung des Sondenkörpers (1) wesentlich kleiner als die Länge des Sondenkörpers (1) ist, daß die Sondenelektrode (4) durch einen im Vergleich zum Außendurchmesser des Sondenkörpers (1) sehr dünnen elektrischen Leiter (6) mit der elektronischen Auswerteschaltung (5) verbunden ist, und daß sich zwischen dem dünnen Leiter (6) und der Wandung des Sondenkörpers (1) Luft befindet.

2. Kapazitive Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Feststellung des Füllstandes in einem Behälter, wobei der Sondenkörper durch eine Öffnung in der Behälterwand hindurchgeführt ist, der Sondenkörper (1) einen ins Innere des Behälters ragenden Vorsprung (Ic) hat, an dessen Stirnfläche (Id) die Sondenelektrode (4) angebracht ist, und daß die Ausdehnung der Sondenelektrode (4) in der Längsrichtung des Sondenkörpers (1) kleiner als die Länge des Vorsprungs (Ic) ist.

3. Kapazitive Sonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sondenelektrode (4) ein topfförmiges Metallteil mit parallel zur Stirnfläche (id) des Sondenkörpers (1) angeordnetem Boden und sich entlang der Innenwand des Sondenkörpers entstehender Seitenwand ist.

4. Kapazitive Sonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sondenelektrode (4) in den hohlen Sondenkörper (1) eingepreßt ist.

5. Kapazitive Sonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem aus Kunststoff bestehenden Sondenkörper (1) die Sondenelektrode (4) mit dem Material des Sondenkörpers (1) umspritzt ist.

6. Kapazitive Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne elektrische Leiter (6) ein Draht ist, der straff gespannt in der Achsrichtung durch den hohlen Sondenkörper (1) zu der außerhalb des Sondenkörpers (1) angeordneten Auswerteschaltung (5) geführt ist.

7. Kapazitive Sonde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das der Sondenelektrode (4) entgegengesetzte Ende des hohlen Sondenkörpers (t) durch ein isolierendes Kopfstück (7) verschlossen ist, in dem der Draht (6) zentrisch geführt und straff gespannt ist.

8. Kapazitive Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugselektrode durch eine an dem der Sondenelektrode (4) entgegengesetzten Ende des hohlen Sondenkörpers (1) angebrachte ringförmige Metallscheibe (8) gebildet ist, die an das Bezugspotential der Auswerteschaltung (5) gelegt ist.

9. Kapazitive Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Sondenkörper (1) aus Kunststoff, Glas oder Keramik besteht.