DE2448205C2

DE2448205C2 - Kapazitive Sonde

Info

Publication number: DE2448205C2
Application number: DE2448205A
Authority: DE
Inventors: Werner 7850 Lörrach 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: 1985-08-22
Also published as: DE2448205B1; GB1518818A; JPS5164957A; FR2287684A1; US4025846A; FR2287684B1; JPS5435946B2

Description

nachgeregelt, was einen beträchtlichen Schaltungsaufwand erfordert. In der DD-PS 41 579 ist eine kapazitive Sonde dieser Art beschrieben, bei welcher die Abschirmelektrode auf einem Zwischenpotential liegt, indem ein Wechselstromgenerator zwischen der Abschirmelektrode und Masse angeschlossen ist, während ein Meßverstärker zwischen der Abschirmelektrode und der Sondenelektrode angeschlossen ist, so daß das Potential der Abschirmelektrode das Nullpotential des Meßverstärkers bildet. Diese Ausbildung ist nur dann anwendbar, wenn die Kapazitätsmessung auf der Messung des von einem Wechselstromgenerator über die Meßkapazität zu einem Meßverstärker geschickten Stroms beruht, eignet sich also nicht für den häufigsten Fall, daß die kapazitive Sonde das Schwingungsverhalten eines Oszillators beeinflussen soll. Außerdem muß der Meßverstärker massefrei geschaltet werden.

In der DE-OS 16 73 841 ist eine kapazitive Sonde anderer Art beschrieben, bei der die Sor.denelektrode an der Stirnseite eines rohrförmigen Iscliergehäuses angeordnet ist, das auch den mit der Sondenelektrode verbundenen Oszillator und die elektronische Auswerteschaitung enthält. Zur Vermeidung der Auswirkungen von Füllgutansätzen ist das Isoliergehäuse im Bereich der elektronischen Auswerteschaitung von einem an Masse liegenden Metallrohr umgeben, und unmittelbar neben der Sondenelektrode ist eine Abschirmelektrode angeordnet, die von dem Oszillator gegenphasig zur Sondenelektrode angesteuert wird.

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.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die kennzeichnerien Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei der nach der Erfindung ausgebildeten kapazitiven Sonde liegt die Sondenelektrode in erheblichem Abstand von der Durchführungstelle des Sondenkörpers durch die Behälterwand und von jeder sonstigen metallischen Masre: an der Durchführung! teile ist hinsichtlich der Sondenkapazität nur der im Vergleich zum Außendurchmesser sehr dünne, von Luft umgebene Verbindungsleiter maßgeblich. Dadurch ergibt sich einerseits eine sehr geringe Ai;^fangskapazität und eine entsprechend große Empfindlichkeit der Sonde, und andererseits verursachen Ansatzbildungen an dem hinter der Sondeneiektrode liegenden Teil des Sondenkörpers nur eine geringfügige, für die Messung vernachlässigbare Erhöhung der am Sondenanschlußpunkt meßbaren Anfangskapazität. Dagegen ergibt sich eine große Kapazitätsänderung, 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 möglieh, mit einer weniger aufwendigen Auswerteschaitung .über einen großen Temperaturbereich eine exakte Erfassung von flüssigen oder festen Medien zu erhalten.

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

Ein vorteilhafte Ausgestaltung der Sonde nach der Erfindung besteht darin, daß die Sondenelektrode ein topfförmiges Metallteil mit parallel zur Stirnwand des Sondenkörpers angeordnetem Boden und sich entlang der Innenwand des Sondenkörpers erstreckender 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 Fig.2 angegeben sind.

Die in Fig. 1 der Zeichnung dargesiel.'.e kapazitive Sonde ist für die Feststellung des Erreichens eines bestimmten Füllstandes in einem Behälter ausgebilde* 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 16 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 ßehälterinnere ragt. Dieser Vorsprung Ic ist an der Stirnseite durch eine dünne Stirnwand id abgeschlossen. Der hohle Innenraum Ie des Sondenkörpers 1 verjüngt sich etwa kegelsturnpfförmig von außen nach innen.

Im Innern des Sondenkörpers liegt an der StitTwand id eine metallische Sondenelektrode 4 an. Die Sondeneiektrode 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 aU 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 befindliehen Auswertesehaltung 5 über einen Verbindungsleiter 6 verbunden, dessert &urchmesser gegenüber dem Außendurchmesser des Sondenkörpers 1 sehr klein ist, so daß die Kapazität dieses Verbindungsleiters ge^en die Umgebung vernachlässig-

bar 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 le. Der Hohlraum le ist im übrigen leer, so daß sich zwischen dem Draht 6 und der Wandung des Sondenkörpers 1 nur Luft befindet.

Das der Sondenelektrode 4 entgegensetzte äußere Ende des Hohlraums le des Sondenkörpers 1 ist durch ein Kopfstück 7 abgeschlossen, durch das der Draht 8 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 Auswer tocnhaltitna ^ oplpot

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.

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 einem 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 Kapazitätswerts 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 -to

F i g. 2 zeigt die Kapazitätsänderung ACm 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 C, 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 Yerbindungsleiter 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 Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kapazitive Sonde zur Feststellung des Füllstandes in einem Behälter aufgrund der Veränderungen des die Sonde umgebenden, mittels einer angeschlossenen elektronischen Schaltung erzeugten elektrischen Feldes bei Annäherung von oder Bedeckung mit einem festen oder flüssigen Medium, mit einem durch eine öffnung in der Behälterwand hindurchgeführten hohlen Sondenkörper aus Isoliermateria! und einer am vorderen Ende des Sondenkörpers angebrachten Sondenelektrode in Form eines Metallteils, das durch einen im Vergleich zum Außendurchmesser des Sondenkörpers sehr dünnen elektrischen Leiter mit einer elektronischen Auswerteschaltung verbunden ist, welche die Kapazitätsänderunfren der Sondenelektrode gegen eine Bezueselektrodi?zur Anzeige und/oder Auslösung von Schaltvorgängen ausnutzt, wobei sich zwischen dem dünnen Leiter und der Wandung des Sondenkörpers Luft befindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenkörper (1) einen ins Innere des Behälters ragenden, durch eine Stirnwand (id) abgeschlossenen Vorsprung (Ic? hat, daß die Sondenelektrode (4) an der Innenseite der Stirnwand (id) des Vorsprungs (Ic)angebracht ist und daß die Ausdehnung der Sondenelektrode (4) in der Längsrichtung des Sondenkörpers (1) wesentlich kleiner als die Länge des Vorsprungs (ic) ist.

2. Kapazilive Sonde nach ,Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da3 die Sondenelektrode (4) ein topfförmiges Metallteil mit par '.!el zur Stirnwand (id) des Sondenkörpers (1) angeordnetem Boden und sich entlang der Innenwand des Sondenkörpers erstreckender Seitenwand ist.

3. Kapazitive Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sondenelektrode (4) in den hohlen Sondenkörper (1) eingepreßt ist.

4. Kapazitive Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem aus Kunststoff bestehenden Sondenkörper (1) die Sondenelektrode (4) mit dem Material des Sondenkörpers (1) umspritzt ist.

5. Kapazitive Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 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.

6. Kapazitive Sonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das der Sondenelektrode (4) entgegengesetzte Ende des hohlen Sondenkörpers (1) durch ein isolierendes Kopfstück (7) verschlossen ist. In dem der Draht (6) zentrisch geführt und straff gespannt ist

7. Kapazitive Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugselektrode durch eine an dem der Sondenelektrode (4)

,^entgegengesetzten Ende desihohlen Sondenkprpers (1) angebrachte ringförmige Metallscheibe (8) gebildet ist, die an das Bezugspotential der Auswerteschaltung (5) gelegt ist.

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

Die Erfindung bezieht sich auf eine kapazitive Sonde gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einer aus der DE-OS 17 73 448 bekannten kapazitiven Sonde dieser Art ist der isolierende Sondenkörper ein Isolierring, der eine die Sondenelektrode bildende scheibenförmige Platte umgibt und seinerseits von einem Metallring mit einem äußeren Befestigungsflansch umgeben ist, der in die Öffnung der Behälterwand eingesetzt ist. Das hintere Ende der Sondenelektrode liegt

to in einer Ebene mit der vorderen Stirnfläche des Metallrings. Der Isolierring ragt geringfügig aus dem Metallring heraus und umgibt einen Teil der Umfangsfläche vier Sondenelektrode, um diese festzuhalten. Die Sondenelektrode liegt somit in unmittelbarer Nähe des Metallrings und der Behälterwand, und sie ist gegen das Innere des Behälters und das darin befindliche Medium nicht isoliert

Andere bekannte kapazitive Sonden, die zur Feststellung des Füllstands in Behältern verwendet werden, bestehen 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.

Die Wirkungsweise von kapazitiven Sonden dieser Art beruht auf folgenden Tatsachen: Bei leerem Behälter ist am Anschluß der Sonde eine von den Abmessungen des Metallteils sowie von der Art des Einbaus in den Behälter abhängige 2lektrische Kapazität meßbar. Bei Annäherung von Füllgut an das Metallteil erhöht sich je nach der Dielektrizitätskonstante des Füllguts die am Sondenanschlußpunkt meßbare elektrische Kapazität; diese Kapazitätserhöhung kann in der elektronischen Auswerteschaltung festgestellt und zur Anzeige des Erreichens eines bestimmten Fuilsiandes oder auch zur Auslösung eines Schaltvorgangs, beispielsweise durch Erregung eines Relais, ausgenutz werden. Die Empfindlichkeit der Sonde ergibt sich üabei au- 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

Da sich bei allen zuvor geschilderten bekannten Sonden das die Sondenelektrode bildende Metallteil bis in die unmittelbare Nähe der Behälterwand erstreckt, die in den meisten Fäller aus Metall besteht und die Gegenelektrode bildet ist die Anfangskapazität beträchtlich groß und die Empfindlichkeit entsprechend gering.

so Ferner besteht bei allen diesen bekannten Sonden 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 auch Kapazitive Sonden bekannt, die im Bereich der Durchführung durch die Behälterwand einen metallischen Abschirmmamel besit-

60, zen, der von der Behälterwand isoliert ist, beliebig weit in den Behälter ragt und an dem im Behälter liegenden Vorderende die Sondenelektrode trägt, die über einen isoliert durch das Innere des Abschirmmantels geführten Leiter mij der elektronischen Aüswerteschaltung verbunden ist Bei einer aus der GB-PS 13 43 134 bekannten kapazitiven Sonde dieser Art wird das Potential der Abschirmelektrode durch eine elektronische Schaltung dauernd dem Potential der Sondenelektrode