DE2560645C2

DE2560645C2 - Leitwertmeßsonde zum Messen des Pegels einer in einem Behälter befindlichen Flüssigkeit

Info

Publication number: DE2560645C2
Application number: DE19752560645
Authority: DE
Inventors: Frederick L. Jenkintown Pa. Maltby; Robert J. Bala Cynwyd Pa. Sun
Original assignee: Drexelbrook Controls Inc
Current assignee: Drexelbrook Controls Inc
Priority date: 1974-12-12
Filing date: 1975-12-11
Publication date: 1987-01-15
Also published as: GB1545198A; CA1084117A; GB1545200A; DE2555817A1; GB1545199A; DE2555817C2; JPS5185759A

Description

Die Erfindung betrifft eine Leitwertmeßsonde zum Messen des Pegels einer in einem Behälter befindlichen Flüssigkeit.
Zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Mengenstroms durch einen Strömungskanal ist bereits eine Sonde bekannt (US-PS 32 69 180). Um den Mengenstrom mit dem obersten Pegel einer Flüssigkeit in einem Strömungskanal in eine richtige Wechselbeziehung zu setzen, zeichnet sich die bekannte Sondenelektrode dadurch aus, daß eine Verbindung der Sonde mit einem geeigneten elektronischen Gerät ein Ausgangssignal erzeugt, welches linear zu dem Mengenstrom bzw. zur Strömungsgeschwindigkeit ist.
Bei derartigen Sondenelektroden ist die Ansammlung einer Beschichtung bzw. eine Belagbildung ein sehr ernsthaftes Problem. Wenn sich beispielsweise der Belag an einer Sonde (Fig. b) dort bildet, wo die leitende Unterlage oder der Schutzschild an Masse angeschlossen ist, erfolgt eine Widerstandskoppelung der Kapazität des Belags um die Seiten der Sonde herum mit Masse bzw. mit Erde, wodurch eine falsche Angabe der obersten Höhe und somit des Mengenstroms erzeugt wird.
Ein weiteres sehr bedeutendes Problem bei Sonden dieser Art besteht darin, daß Wasser oder andere leitende Fluide, die durch den Kanal strömen, die Isolation der Sonde durchdringen. Eine solche Durchdringung nimmt im starken Ausmaß mit der Temperatur der Flüssigkeit zu, wenn die Haftverbindung zwischen der Sondenelektrode und der Isolation nicht fest ist, so daß Flüssigkeit die Isolation durchdringt und die Sondenelektrode und die Isolation trennt. Dies erzeugt wiederum Hohlräume oder Luftspalte an der Elektrode, welche die Pegelmessungen nachteilig beeinflussen und ein Verwinden und Verdrehen der Sonde herbeiführen.
Um die Kapazität messenden Sonden gegenüber den Einflüssen einer Belagbildung unempfindlich zu machen, sind bereits Systeme bekannt (US-PS 37 81 672 und 37 06 980), welche ein Schutzschild aufweisen, das den zu messenden Materialien ausgesetzt ist und auf das gleiche Potential wie die Sondenelektrode gebracht wird, um so den angesammelten Belag auf im wesentlichen den gleichen Potential wie die Sondenelektrode zu halten und dadurch Einflüsse auf irgendwelche Kapazitätsmessungen auszuschließen. Das bekannte Schutzelement (Fig. 1b und 1f) gemäß der US-PS 32 69 180 kann jedoch nicht auf das gleiche Potential wie die Sondenelektrode dann gebracht werden, wenn die Sonden an der Wand oder an einem auf andere Weise geerdeten Halterungselement des Strömungskanals angebracht sind, da sonst das Schutzelement geerdet bzw. an Masse gelegt wäre. Selbst wenn es auf das gleiche Potential wie die Sondenelektrode gebracht werden könnte, würde dies nicht die nachteiligen Auswirkungen des Belags beseitigen können, da die auf das Potential gebrachte Schutzelektrode, die sich an der Hinterseite der Sonde befindet, nicht eng mit dem Belag an der Vorderseite der Sonde infolge des Vorhandenseins einer ziemlich starken Isolation von der Rückseite zur Vorderseite der Sonde gekoppelt wäre. Dies würde dazu führen, daß die Kapazität des Belags widerstandsmäßig mit der Wand des Strömungskanals gekoppelt wäre, die wirksam mit der Masse über die leitende Flüssigkeit in dem Strömungskanal gekoppelt ist, und dadurch in die Kapazitätsmessung eingehen würde.
Zum Stand der Technik gehört weiterhin eine gekrümmte Sonde zum Messen der Mengenströme bzw. Strömungsgeschwindigkeit durch einen Strömungskanal (US-PS 37 29 994). Dieser Sonde fehlt jedoch eine leitende Verstärkung oder eine Schutzelektrode mit einem dielektrischen Medium, um die Sondenelektrode gegenüber Kapazitätsänderungen durch die Rückseite der Sonde zu immunisieren. Die Sondenelektrode ist gegenüber der leitenden Flüssigkeit in dem Strömungskanal an der Vorderseite der Sonde durch Polytetrafluoräthylen (Teflon) in ausreichender Stärke isoliert, um ein "Durchschlagen" von in dem Strömungskanal mitströmenden Materialien und Teilchen zu vermeiden. Polytetrafluoräthylen hat jedoch eine relativ niedrige Dielektrizitätskonstante von etwa 2,2, was weniger als die optimale kapazitive Koppelung eines Belags mit einer Schutzelektrode wäre, wenn eine ausreichende Polytetrafluoräthylenstärke zur Vermeidung des "Durchschlagens" benutzt würde.
Die aus der US-PS 37 29 994 bekanntgewordene Sondenelektrode hat ein metallisches gewebtes Drahtnetz, welches in einem plyesterverstärkten Glasfaserleiter eingebettet ist. Die Sondenelektrode wird in das Fiberglas eingebettet, während dieses sich in einem flüssigen Zustand befindet, was beispielsweise durch Aufsprühen erreichbar ist. Eine Wärmeaushärtung der Sonde ist nicht erforderlich. Dies führt dazu, daß die Haftverbindung oder das Fehlen einer Haftverbindung zwischen dem Netz und dem Fiberglas die Bildung winziger Hohlräume ermöglicht, welche Wasser sammeln. In der genannten US-Patentschrift fehlen die Angaben bezüglich der Eigenheiten des Netzes, beispielsweise hinsichtlich der Maschenweite und der Öffnungsgröße.
Eine andere bekannte Sonde (US-PS 28 52 937), welche an der Wand eines Behälters anbringbar ist, dient zum Messen des Pegels der leitenden Flüssigkeit innerhalb des Behälters. Die Sonde hat eine Sondenelektrode und eine Schild- bzw. Abschirmelektrode, die hinter der Sondenelektrode angeordnet ist und sich etwas seitlich nach außen über die seitlichen Enden der Sondenelektrode erstreckt. Die Abschirmelektrode ist jedoch nicht eng kapazitiv mit der leitenden Flüssigkeit gekoppelt. Die Isolierung selbst umfaßt Polytetrafluoräthylen, das in Kombination mit dem Abstand der Abschirmung von der Isolierungsoberfläche im wesentlichen jede enge Koppelung einer Beschichtung bzw. eines Belags mit der Abschirmung ausschließt.
Schließlich ist es bekannt, ein Paar von Isolatorplatten hinter einer Sondenelektrode so anzuordnen, daß sie sich seitlich etwas nach außen über die Sondenelektrode erstrecken (US-PS 33 24 647). Bei dieser bekannten Anordnung wird keine der Isolatorplatten auf das gleiche Potential wie die Sondenelektrode gebracht. Außerdem fehlt eine enge Koppelung zwischen einem Belag auf der Oberfläche der Sonde und den Isolatorplatten.
Andere bekannte Methoden umfassen die Benutzung eines in ein thermoplastisches Material eingebetteten Netzes bzw. Gitters zur Verwendung als Förderband.
Erfindungsgemäß soll nun eine verbesserte Sonde zum Messen des Pegels einer leitenden Flüssigkeit in einem Kessel oder Behälter geschaffen werden. Mit dieser Sonde sollen Pegel oder Mengenströme der leitenden Flüssigkeit oder eines anderen Fluids in einem Behälter oder in einem Strömungskanal, beispielsweise bei einem Wehr oder in einer Rinne, bestimmt werden. Bei der Messung des Pegels des Fluids in einem Behälter soll die die Messung ausführende Sonde bündig mit der Wand des Behälters angeordnet sein, damit eine nachteilige Beeinflussung der Strömung oder der Bewegung des Fluids in dem Behälter durch die Sonde oder umgekehrt ausgeschlossen ist.
Die Sonde soll so an der Wand des Behälters angebracht werden, daß sich aus einem angesammelten Belag des Fluids bzw. aus einer Fluidschicht auf der Sonde keine nachteiligen Auswirkungen ergeben. Änderungen der Dielektrizitätskonstanten des Isolationsmaterials in der Meßsonde sollen die Messung eines Pegels einer leitenden Flüssigkeit nicht nachteilig beeinflussen können. Weiterhin soll die Sonde in der Lage sein, das Vorhandensein eines unerwünschten isolierenden Belags auf der Sonde festzustellen und Einwirkungen dieses Belags auf die Pegelmessung auszuschließen. Die vorstehend erwähnten Maßnahmen sollen erreicht werden, ohne daß die Fähigkeit der Sonde beeinträchtigt wird, einem Abriebseffekt durch die Materialien zu widerstehen, welche durch den Strömungskanal hindurchfließen.
Die erfindungsgemäße Lösung ist in Anspruch 1 gekennzeichnet.
In Übereinstimmung mit diesen und anderen Zielen umfaßt das erfindungsgemäße HF-Sondensystem eine Sonde, die zur Messung des Pegels einer im wesentlichen leitenden Flüssigkeit an einer Oberfläche in einem Behälter anbringbar ist, wobei die Oberfläche, wenn sie mit einem Belag der Flüssigkeit überzogen bzw. beschichtet ist, über die leitende Flüssigkeit wirksam geerdet ist.
Die Sonde hat eine leitende Sondenelektrode, die sich in Längsrichtung längs der Sonde angrenzend an ihre Vorderseite erstreckt, und eine leitende Schutzelektrodeneinrichtung, die sich in Längsrichtung längs der Sonde erstreckt. Die Schutzelektrodeneinrichtung hat seitliche Abschnitte, die sich seitlich nach außen über die seitlichen Enden der Sondenelektrode hinaus erstreckt. Dazwischen sind innere Feststoffisolationseinrichtungen angeordnet, welche die Sondenelektrode und den hinteren Abschnitt der Schutzelektrode isolieren. Äußere Feststoffisolationseinrichtungen bedecken die leitende Schutzelektrodeneinrichtung und die leitende Sondenelektrode derart, daß die leitende Flüssigkeit mit der Sondenelektrode an den seitlichen Abschnitten der leitenden Schutzelektrodeneinrichtung kapazitiv eng gekoppelt ist. Vorzugsweise wird die Koppelung zwischen den seitlichen Abschnitten der Schutzelektrode und der leitenden Flüssigkeit dadurch erreicht, daß sich die seitlichen Abschnitte seitlich nach außen um einen Abstand erstrecken können, der um wenigstens das Sechsfache größer ist als die Stärke der Feststoffisolationseinrichtung, welche die Schutzelektrodeneinrichtung bedeckt, geteilt durch die Dielektrizitätskonstante der Feststoffisolationseinrichtung. Das Sondensystem hat weiterhin Einrichtungen, um das Potential der Schutzelektrodeneinrichtung auf im wesentlichen dem gleichen Potential wie die Sondenelektrode zu halten.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die Schutzelektrode einen hinteren Abschnitt, der neben und hinter der Sondenelektrode angeordnet ist.
Damit die Sonde zum Messen des Mengenstroms bzw. der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch einen Strömungskanal verwendet werden kann, kann die Sondenelektrode derart ausgebildet werden, daß sie eine frontale seitliche Abmessung hat, die mit zunehmendem Abstand ausgehend von einem Längsende der Sonde zunimmt. Die seitlichen Abschnitte der Schutzelektrodeneinrichtung erstrecken sich dann seitlich nach außen über die seitlichen Enden der Sondenelektrode um einen größeren Abstand mit abnehmendem Abstand von einem Längsende der Sonde hinaus.
Anhand der beiliegenden Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
Fig. 1 ist eine Draufsicht auf einen Strömungskanal mit einer Verengung und mit in dem Kanal angeordneten Sonden für die Erfassung des Mengenstroms;
Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht des Strömungskanals von Fig. 1;
Fig. 3 ist ein Querschnitt durch eine Ausführungsform einer Sonde zur Erfassung des Mengenstroms bzw. der Strömungsgeschwindigkeit;
Fig. 4 ist eine Ansicht längs der Linie 4-4 von Fig. 3;
Fig. 5a bis 5g zeigen schematisch Sonden und Sondenpotentiale zur Erläuterung der Vorteile einer Sonde gemäß Fig. 3 und 4;
Fig. 6 ist eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform einer Fühlersonde;
Fig. 7 ist eine Ansicht längs der Linie 7-7 von Fig. 6;
Fig. 8 ist eine Schnittansicht einer Führung für die Halterung der Sonde von Fig. 6 und 7;
Fig. 9 ist eine Draufsicht auf die Führung von Fig. 8, die an der Wand eines Strömungskanals angebracht ist;
Fig. 10 zeigt in einer Schnittansicht eine weitere Ausführungsform einer Fühlersonde;
Fig. 11 ist eine Ansicht längs der Linie 11-11 von Fig. 10;
Fig. 12a bis 12e erläutern ein Verfahren zur Herstellung einer Sonde der Fig. 10 und 11;
Fig. 13 zeigt in einer Schnittansicht die Sonde von Fig. 10 und 11 in einer an einem Strömungskanal angebrachten Führung;
Fig. 14 zeigt in einer Schnittansicht die Sonde von Fig. 10 und 11 in einer Führung, die in der Wand eines Strömungskanals ausgebildet ist;
Fig. 14a zeigt die Sonde von Fig. 10 und 11 in einer Führung, die sich von der Wand des Strömungskanals aus erstreckend ausgebildet ist;
Fig. 15 zeigt in einer Schnittansicht die Sonde und Führung von Fig. 13 an einer mechanischen Halterung in einem Strömungskanal;
Fig. 16 zeigt in einer Schnittansicht die Sonde von Fig. 10 und 11 mit einem integralen bzw. ein Stück damit bildenden Heizelement;
Fig. 17 zeigt in einer Schnittansicht die Sonde von Fig. 16 in einer Führung für die Anbringung an der Wand des Strömungskanals;
Fig. 18 zeigt in einer Schnittansicht eine alternative Ausführungsform einer Schutzelektrode für die Sonde der Fig. 10 und 11, die als Heizelement verwendbar ist;
Fig. 19 zeigt in einer Schnittansicht eine Sonde ähnlich der der Fig. 10 und 11 mit einer zusätzlichen Elektrode, welche Änderungen des Dielektrizitätsstroms der Außenisolierung mißt;
Fig. 20 zeigt in einer Schnittansicht Einrichtungen zum Haltern einer Sonde in einer vorkalibrierten Stellung an der gekrümmten Wand eines Strömungskanals;
Fig. 21a und 21b zeigen in schematischen Darstellungen die zweifache Eigenschaft der Sonden, die längs einer gekrümmten Wand eines Strömungskanals angebracht sind;
Fig. 22 und 23 zeigen Schaltbilder, wie sie für die verschiedenen Ausführungen der Sonden verwendbar sind;
Fig. 24 ist ein Blockschaltbild, welches in Verbindung mit einer Sonde der Ausführungsform von Fig. 19 verwendbar ist;
Fig. 25 zeigt schematisch die Bedeutung der hinteren Schutzelektrode.
Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Mengenstrom- bzw. Strömungsgeschwindigkeits-Meßsonden 10 und 12 sind so angeordnet, daß sich die Sondenlängsachse vertikal in die geerdete Flüssigkeit erstreckt, die in einem Strömungskanal 14 mit einer Verengung 16 strömt. Da der Mengenstrom der Flüssigkeit durch den Kanal zunimmt und abnimmt, steigt und fällt die obere Höhe innerhalb des Strömungskanals.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer HF-Leitwert-Meßsonde für die Verwendung als Sonde 12, die an einer geerdeten Wand 15 des Strömungskanals 14 gemäß Fig. 1 anbringbar ist, wird im folgenden anhand der Fig. 3 und 4 beschrieben. Wie in diesen Figuren gezeigt ist, hat die Sonde ein isolierendes Substrat 18 mit einer leitenden Sondenelektrode 20, die sich in Längsrichtung über die Vorderseite der Sonde erstreckt. Die Sonde hat weiterhin eine leitende Schutzelektrode 22, die auf das gleiche Potential wie die Sondenelektrode 20 gesteuert werden kann und die sich in Längsrichtung über die Rückseite der Sonde so erstreckt, daß das Substrat 18 zwischen der Sondenelektrode 20 und der Schutzelektrode 22 liegt.
Entsprechend einem wesentlichen Merkmal der Erfindung erstreckt sich die leitende Schutzelektrode 22 von der Hinterseite der Sondenelektrode 20 an deren gegenüberliegenden seitlichen Enden aus seitlich nach außen und um die Vorderseite der Sonde 12 herum, so daß jeder Belag aus leitender Flüssigkeit, der sich auf der Sonde 12 ansammelt, vollständig auf das Potential der Schutzelektrode 22 gekoppelt wird und eine Widerstandskoppelung des leitenden Belags um die Seiten der Sonde herum mit der Wand 15 des Strömungskanals ausschließt, die wirksam geerdet ist. Die vollständige Koppelung des Belags an den Seiten der Sonde 12 in der Nähe der Schutzelektrode 22 wird dadurch gewährleistet, daß eine äußere Feststoffisolierungseinrichtung 24 in Form einer Hülle bzw. eines Überzugs vorgesehen wird, die mittels Wärmeschrumpfung hergestellt wird, so daß die Kapazität C _g von der Schutzelektrode zur Oberfläche der Sonde bezüglich der Kapazität C _p der Isolierung 22 von der Vorderfläche der Sondenelektrode 20 zur Vorderfläche der Isolierung 24 wesentlich ist, d. h. wenigstens 50% der Kapazität C _p beträgt. Infolge der gleichförmigen Stärke der Isolierung 24 ist die Kapazität über die Isolierung 24 pro Flächeneinheit an der Schutzelektrode 22 gleich der Kapazität über die Isolierung 24 pro Flächeneinheit der Sondenelektrode 20.
Dadurch, daß die Widerstandskoppelung um die Sonde herum beseitigt ist, kann die Kapazität gegenüber Erde bzw. Masse, wie sie von der Sondenelektrode 20 gemessen wird, entsprechend dem Verfahren gemäß der US-PS 37 46 975 gemessen werden, so daß die Einflüsse des Belags, der sich auf der Sonde angesammelt hat, ausgeschlossen sind. Die Basis für diese bekannte Messung besteht darin, daß ein Belag nach einer bestimmten Länge als eine unendliche Übertragungslinie wirkt, deren charakteristische Endimpedanz vorhersagbar ist. Die Widerstands- und Kapazitätskomponenten werden gemessen. Die Auswirkungen des Belags können berechnet und ausgeschlossen werden. Dies stimmt unter der Annahme, daß die Widerstandskoppelung sich in Längsrichtung längs des Meßelementes der Sonde zu der leitenden zu messenden Flüssigkeit erstreckt, anstatt um die Probe herum zu einer geerdeten Wand. Da die leitende Schutzelektrode 22, die mit ihrem frontalen Abschnitt 26 vollständig mit dem Überzug gekoppelt ist, verhindert, daß ein Widerstandsstrom um die Sonde herum fließt, tritt der Überzug bzw. der Belag als ein Modell der unendlichen Übertragungslinie in Erscheinung, die die Verwendung des Verfahrens gemäß der US-PS 37 46 975 ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Sondenelektrode 20 zeichnet sich dadurch aus, daß die seitliche Abmessung der Sondenelektrode mit abnehmendem Abstand von einem Längsende der Sonde aus, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist, abnimmt. Der vordere Abschnitt 26 der Sonde ist so ausgelegt, daß seine seitliche Abmessung mit abnehmendem Abstand von dem Längsende der Sonde zunimmt. Als Ergebnis der charakteristischen Ausbildung des vorderen Abschnitts der Schutzelektrode erhöht sich die Widerstandskoppelung des Belags auf der Sonde, wenn die obere Höhe der Flüssigkeit abnimmt, so daß die Auswirkungen des Widerstandsbelags auf die Kapazitätsmessung weiter verringert werden.
Die Sondenelektrode kann so ausgelegt werden, daß sie genau die Strömung in dem speziellen Kanal, in dem sie angeordnet ist, anzeigt. Diesbezüglich kann die Sonde nach folgender Gleichung ausgelegt werden: °=c:20&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;sb18&udf54;°Kb¤=¤k°kÉ&udf57;°Ka&udf56;°KH°H(&udf57;°Ka&udf56;°k^1)°h@,(1)&udf53;zl&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;eb0&udf54;

wobei
b die Breite der Sonde,
k&sub1; eine Konstante
a eine Konstante, die von der Form des Strömungskanals abhängt, und
H die Höhe des Stroms über dem Nullströmungspegel sind.

Die Strömung durch den Kanal kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:
Q = k&sub1;H ^α
Für ein volles Verständis der Bedeutung der Schutzelektrode 22 mit ihrem vorderen Abschnitt 26 und der Einflüsse der Beläge auf die Sondenmessung wird auf die Fig. 5a bis 5g Bezug genommen, in denen Sonden mit Belägen dargestellt sind. Wie aus Fig. 5a zu ersehen ist, ist in einer leitenden Flüssigkeit l eine nicht charakterisierte Sondenelektrode p mit einem isolierten Überzug angeordnet. Wenn der Pegel der leitenden Flüssigkeit l fällt, verbleibt ein Belag c auf der Sondenelektrode p. Wie in Fig. 5a gezeigt ist, ist die Sondenelektrode p in einer Entfernung von der leitenden Wand des Behälters oder des Strömungskanals angebracht, d. h. die Sonde p ist in der Position der Sonde 10 gemäß Fig. 1 installiert.
Wie aus Fig. 5b zu ersehen ist, ist das Potential oder die Spannung des Belags c gemäß Fig. 5a, was durch die Linie v _c dargestellt ist, im wesentlichen konstant über der Breite oder der seitlichen Abmessung der Sonde p und liegt nur etwas, nämlich um einen Potentialabfall d, unterhalb des Potentials oder der Spannung v _p der Sonde selbst. Da die Flüssigkeit leitend ist und sich die Flüssigkeit l in einem geerdeten Behälter oder Strömungskanal befindet, wird der Potentialpegel der Flüssigkeit l durch die Linie v _l dargestellt, die auf Masse bzw. Erde gehalten ist. Aus Fig. 5b sieht man, daß der Belag selbst einen sehr geringen Einfluß auf die Sondenmessung hat, da das Potential, gesehen von der Sondenelektrode p aus, über dem Flüssigkeitspegel l im wesentlichen das gleiche wie das Potential v _p der Sonde selbst ist, solange die Sonde nicht an einer geerdeten Wand oder an einem Abstützteil in dem Behälter oder Strömungskanal befestigt ist.
Fig. 5c zeigt die Befestigung der Sonde p an einer Wand w derart, daß ein Belag der Flüssigkeit l sich über die Sondenelektrode p und längs der Wand w erstreckt. Da der Belag c wiederum leitend ist, bildet der Belag c einen Widerstandsweg zur Erde von der Sondenelektrode p zu der geerdeten Flüssigkeit l.
Wie in Fig. 5d gezeigt ist, erzeugt der Belag c gemäß Fig. 5c, der einen Weg zur Erde bildet, der einen relativ kleinen Widerstand hat, einen sehr wesentlichen Belagfehler, da das Sondenpotential v _p , wie es in Fig. 5d gezeigt ist, das gleiche bleibt, das Überzugspotential v _c jedoch beträchtlich zur Erde an den seitlichen Enden abfällt, nämlich um einen Potentialabfall von 3 d. Dadurch erhält man einen Überzugsfehler, wenn die Sonde längs der Wand des Behälters angebracht ist, der gegenüber dem Fall sehr groß ist, wenn die Sonde von der Wand entfernt angebracht und der Belag c die gleiche Stärke und die Sonde p die gleiche Breite oder seitliche Abmessung haben.
Aus Fig. 5e ergibt sich, daß eine Sonde mit unendlicher Breite längs der Wand des Behälters oder des Strömungskanals angebracht werden kann, ohne daß sich ein wesentlicher Belagsfehler ergibt. Wie in Fig. 5e gezeigt ist, ist das Belagspotential v _c im wesentlichen konstant und liegt nur etwas unter dem Sondenpotential v _p (ein Abfall von d) längs der gesamten Breite der Sonde. Vom praktischen Standpunkt aus ist es jedoch nicht möglich, die Sonde unendlich breit zu machen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Sondenelektrode, wie in Fig. 3 und 4 gezeigt, ausgelegt werden muß, um eine Anzeige des Mengenstroms durch einen Strömungskanal zu erhalten. In diesem Fall wird die Sondenelektrode an ihrem unteren Ende sehr schmal.
Dadurch, daß eine Schutzelektrode g, wie dies in Fig. 5f gezeigt ist, an den seitlichen Enden der Sondenelektrode p und der Wand w vorgesehen wird, erhält man die Vorteile einer relativ breiten Sondenelektrode, ohne daß die Sondenelektrode p selbst übermäßig breit gemacht zu werden braucht. Da die Schutzelektrode g auf im wesentlichen das gleiche Potential wie die Sondenelektrode p gebracht ist, fällt das Potential v _c , wie es in Fig. 5g gezeigt ist, über der ganzen Breite der Sondenelektrode p plus der Schutzelektrode g ab. Der tatsächliche Abfall an den seitlichen Enden der Sondenelektrode p ist jedoch nicht groß, d. h. das Potential v _c an den seitlichen Enden beträgt nicht mehr als 25% des Potentialabfalls zwischen v _c in der Mitte der Sonde p und dem Potential v _p der Sondenelektrode selbst. Wie in Fig. 5g gezeigt ist, ist das Potential v _c an der Sondenelektrode p im wesentlichen konstant und liegt nur etwas unter dem Potential v _p der Sondenelektrode p selbst, wodurch der Belagfehler auf ein Minimum reduziert wird. Vorzugsweise ist die Absenkung, d. h. der Potentialabfall v _c von der Mitte der Sondenelektrode p zu dem seitlichen Ende, geringer als der Spannungsabfall zwischen v _p und v _c an der Mitte der Sonde.
Daraus läßt sich schließen, daß zunächst die Meßsonde oder die Sondenelektrode p so breit wie möglich sein soll, so daß die kapazitive Koppelung über die isolierende Abdeckung der Sondenelektrode so hoch wie möglich ist. Zusätzliche sollte die Schutzelektrode g sich zwischen den seitlichen Enden der Sondenelektrode p und irgendeiner benachbarten Wand so erstrecken, daß sie mit dem Belag so gut wie möglich ohne Belastung bzw. Ladung gekoppelt ist. Erfindungsgemäß wird nun die Schutzelektrode g als vollständig gekoppelt mit der leitenden Flüssigkeit angesehen, wenn die kapazitive Koppelung wenigstens 50% der kapazitiven Koppelung zwischen der Flüssigkeit und der Sondenelektrode p ausmacht. Insgesamt hat sich gezeigt, daß die seitlichen Abschnitte, die sich seitlich nach außen um einen wesentlich größeren Abstand als die minimale Stärke der äußeren Isolation erstrecken, die erforderliche vollständige Koppelung schaffen. Der Abstand ist größer als der Abstand zwischen den seitlichen Abschnitten der Schutzelektrode und der Sondenelektrode plus der Stärke der Schutzelektrode. Vorzugsweise ist der Abstand wenigstens um das Sechsfache größer als die Stärke der Außenisolationsbeschichtung der Schutzelektrode geteilt durch die Dielektrizitätskonstante der Außenisolierung. Bei den in den Fig. 3 und 4 gezeigten Sonden kann sich die seitliche Erstreckung als eine Funktion des Abstandes von dem Ende der Sonde ändern. Der Abstand um das "Sechsfache" ist über der ganzen Meßlänge der Sonde oder wenigstens einem wesentlichen Abschnitt davon anwendbar.
Bei der weiteren Ausführungsform einer Sonde, wie sie in den Fig. 6 und 7 gezeigt ist, hat eine Unterleg-oder Schutzelektrode 32 ein leitendes Substrat, welches gemessen von vorn nach hinten relativ dick ist, verglichen mit einer Sondenelektrode 34 und einem dazwischenliegenden Isolationsmaterial 36. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 und 7 gibt das dicke Schutzelektrodensubstrat der Probe die mechanische Festigkeit, die bei der Sonde gemäß Fig. 3 und 4 von dem dicken isolierenden Substrat 18 aufgebracht wird. Jeder Belag, der sich an der Sonde gemäß Fig. 6 und 7 angrenzend an die vorderen Abschnitte 40 der Schutzelektrode ansammelt, ist vollständig mit dem Potential der Schutzelektrode dadurch gekoppelt, daß die einzige Isolation zwischen dem Überzug und der Schutzelektrode 32 eine Hülle 38 und die vorderen Abschnitte 40 der Schutzelektrode 32 sind. Dies führt dazu, daß die Kapazität C _g über den vorderen Abschnitten 40 nicht wesentlich kleiner ist als die Kapazität C _p der Sondenelektrode 34 durch die Hülle 38 hindurch. Das Schutzelektrodensubstrat hat eine gekrümmte Vorderseite, so daß die Benutzung eines Wärmeschrumpfrohres für die Hülle 38 möglich ist, wodurch die Lufträume zwischen der Schutzelektrode 32 und der Hülle 38 auf ein Minimum reduziert werden.
Die leitende Schutzelektrode 32 hat eine Heizspule 42 zum Erwärmen des gesamten Sondenaufbaus auf eine Temperatur, bei welcher die Bildung eines Belags, beispielsweise aus Fett, auf der Sonde verhindert wird. Wenn die verfügbare Energieversorgung begrenzt ist, braucht das Heizelement 42 nur dann aktiviert zu werden, wenn sich auf der Sonde eine Fettschicht mit vorher festgelegter Dicke angesammelt hat. Dies kann dadurch erreicht werden, daß eine zusätzliche Meßelektrode 44, wie sie in Fig. 7 gezeigt ist, vorgesehen wird, welche von der Hülle 38 abgedeckt wird. Dadurch, daß die Elektrode 44 unter dem Längsende der Sondenelektrode 34 angeordnet wird, befindet sich die Meßelektrode 44 in einer Stellung, in welcher der Aufbau einer Fettschicht auch dann feststellbar ist, wenn der Flüssigkeitspegel des Strömungskanals relativ niedrig ist. Durch periodisches Auflösen irgendeiner Fettansammlung bleiben die Indizes auf der Sonde sichtbar.
Fig. 8 zeigt eine Führung 48 mit einer Oberfläche 46 zum Anbringen an der Wand 15 eines Strömungskanals, wie dies in Fig. 9 gezeigt ist. Die Führung umfaßt eine konkave Ausnehmung 50 für die Aufnahme der Sonde der Fig. 6 und 7. Wenn die Führung derart installiert ist, daß die Längsachse der konkaven Ausnehmung 15 sich vertikal über die Wand 15 des Strömungskanals erstreckt, kann die Sonde gemäß Fig. 6 und 7 vertikal über die Führung bewegt werden, um so die Eichung der Sonde zu erleichtern.
Eine weitere Ausführungsform der Sonde ist in den Fig. 10 und 11 gezeigt. Diese Sonde, die relativ billig herzustellen ist, hat einen Schichtaufbau mit einem inneren Isolationssubstrat 60 mit innenliegenden Klebeschichten 62 und 64, welche eine Sondenelektrode 66 und eine vordere Schutzelektrode 68 an der Vorderseite des Substrats 60 und eine hintere Schutzelektrode 70 an der Hinterseite des Substrats 60 haftend halten. Dieser Aufbau wird dann zwischen zwei Schichten bzw. Folien einer äußeren Isolation 72 und 74 mit äußeren Klebeschichten 62 und 64 sandwichartig eingebracht und dazwischen durch Heißsiegelung längs der Ränder 78 gehalten. Wie aus Fig. 11 zu ersehen ist, ist die Sondenelektrode 66 von der vorderen Schutzelektrode 68 durch einen geringen Abstand 80 getrennt. Eine Sonde dieser Art kann sehr dünn gebaut sein, d. h. mit einer Stärke von weniger als 9,5 mm (3/8&min;&min;) und vorzugsweise weniger als 1,6 mm (1/16&min;&min;).
Im folgenden wird anhand der Fig. 10a bis 10f ein Verfahren zur Herstellung einer Sonde der Fig. 10 und 11 beschrieben. Das bloße Substrat 60, wie es in Fig. 10a gezeigt ist, wird zuerst mit den inneren Klebeschichten 62 und 64, beispielsweise mit einem Polyesterklebstoff lm, beschichtet, wie dies in Fig. 12b gezeigt ist. Danach werden eine Kupferfolie 70 und eine Kupferfolie 67 über die Klebeschichten 62 und 64 gelegt, wie dies in Fig. 12c gezeigt ist. Zu dieser Zeit kann die Folie 67 geätzt werden, um die Sondenelektrode 66 und die vordere Schutzelektrode 68 zu bilden, wie dies in Fig. 12d gezeigt ist. Anschließend werden die Schichten bzw. Bahnen 72 und 74 über die äußeren Klebeschichten 62 und 64 aufgebracht und der Gesamtaufbau unter Wärme und Druck, wie dies in Fig. 12e gezeigt ist, laminiert. Die Ränder der Bahnen 12 und 74 werden abschließend aneinander längs der seitlichen Enden zur Vervollständigung der Sonde durch Heißsiegelung verbunden.
Ein besonderer Vorteil einer Sonde, wie sie in den Fig. 10 und 11 gezeigt ist, ist ihre Flexibilität, so daß sie in einer gekrümmten Führung anbringbar ist, welche der Krümmung der Wand in einem Behälter oder Strömungskanal entspricht, d. h. die sich vertikal und horizontal erstreckt. In diesem Fall kann das Substrat 60 aus Mylar bestehen, einem Polyester auf der Basis von Äthlenglykol und Terephthalsäure. Mylar bietet die erforderliche Flexibilität und Abstützung für den Sondenaufbau und hat gleichzeitig eine ausreichend niedrige Dielektrizitätskonstante, um die Sondenelektrode 66 gegenüber der hinteren Schutzelektrode 70 zu isolieren.
Vorzugsweise haben die äußeren Isolationsfolien bzw. -bahnen 72 und 74 eine hohe Festigkeit, so daß sie dem Abrieb und einem Durchschlagen von strömenden Teilchen widerstehen. Vorzugsweise haben die Schichten bzw. Bahnen 72 und 74 eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante, so daß sie das Potential der vorderen Schutzelektrode 68 wirksam mit dem an der angrenzenden Sonde angesammelten Belag kapazitiv koppeln. In diesem Fall hat sich für die Verwendung als äußere Isolation der Sonde als besonders geeignet ein Fluorkohlenstoffharz erwiesen, beispielsweise ein kristallines Vinylidenfluoridpolymerisat mit hohem Molekulargewicht und einer Dielektrizitätskonstanten, die größer als vier ist. Ein besonders günstiges Material für diesen Zweck ist auch ein Vinylidenfluoridpolymerisat hohen Molekulargewichtes mit einer Dielektrizitätskonstanten von acht und hohen Abriebs- oder Durchschlags- bzw. Durchschneidewiderstandswerten (Kynar).
Der Hauptvorteil des Einsatzes eines hohen Anforderungen genügenden Fluorkohlenwasserstoffes, wie Kynar, in einer Sonde, wie sie in den Fig. 10 und 11 gezeigt ist, ergibt sich dadurch, daß die Kombination der mechanischen und elektrischen Eigenschaften das System in die Lage versetzt, Belagbildungen auf der Sonde zu ignorieren. Das Ausmaß, in welchem die Belagbildungen vernachlässigt werden können, hängt von dem bekannten Meßverfahren (US-PS 37 46 975) ab sowie von der Kapazität der Sondenisolation pro Flächeneinheit. Je höher die kapazitive Koppelung der Sonde ist desto kleiner ist der Fehler aufgrund von Belägen, die sich auf dem Sondenelement abscheiden. Insgesamt kann die Kapazität über das Isolationsmaterial durch folgende Gleichung ausgedrückt werden: °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;H&udf53;vz2&udf54; H&udf53;vu10&udf54;H

wobei
K _α eine Konstante
A die Oberfläche der Isolation
K&sub3; die Dielektrizitätskonstante und
t die Stärke der Isolation sind.

Da Kynar ein sehr zähes Material ist, d. h. widerstandsfähig gegenüber Abrieb und "Durchschneiden", kann es sehr dünn sein. So kann beispielsweise das Kynar weniger als halb so stark wie Teflon sein und trotzdem den gleichen Widerstand gegenüber "Durchschneiden bzw. Durchschlagen" haben. Zusätzlich ermöglicht die hohe Dielektrizitätskonstante von acht für Kynar verglichen mit etwa 2,2 für Teflon eine Kapazitätskopplung bei Kynar, welche 3,6mal größer ist als bei der gleichen Teflonstärke. Die kombinierte Wirkung der verringerten Stärke bei Kynar, verglichen mit der von Teflon, und der größeren Dielektrizitätskonstanten bei Kynar, verglichen mit Teflon, gibt bei einer mit Kynar beschichteten Sonde eine Koppelungskapazität, die wenigstens um das Sieben- bis Achtfache höher ist als bei einer mit Teflon beschichteten Sonde. Da die gesteigerte Fähigkeit der Sonde, Belagbildungen zu ignorieren, gleich der Quadratwurzel der Steigerung der Koppelungskapazität ist, werden bei einer Sonde, bei welcher Kynar eingesetzt ist, die Fehler aufgrund der Belagbildung um mehr als ein Drittel der Fehler reduziert, die bei einer Sonde, welche Teflon benutzt, auftreten.
Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die Sonde selbst besonders dünn sein soll, damit Störungen der Strömung oder der Flüssigkeitsbewegung in einem Behälter vermieden werden. Eine dünne Sonde ist jedoch sehr schwierig zu installieren, da sie so flexibel sein kann, daß die sich nicht selbst abstützen kann, d. h. keinen Widerstand gegen Biegung hat, wenn sie um rechte Winkel bezüglich der Strömung oder der Flüssigkeitsbewegung in dem Behälter gedreht wird. Dieser Nachteil besteht im allgemeinen dann, wenn das Verhältnis der Sondenbreite zur Stärke größer als 20 : 1 ist. Zusätzlich möchte man gewöhnlich die Sonde so installieren, daß ihr Entfernen für ein Ersetzen, eine Reparatur und die Kalibrierung einfach ist.
Hinsichtlich der Installierungsanforderungen kann die flexible Sonde gemäß Fig. 10 und 11 in eine Führung bzw. Spur 82 so eingeführt werden, wie es in Fig. 13 gezeigt ist.
Die Führung hat eine Öffnung 84 die insgesamt der Form der entfernbaren Sonde entspricht. Die Führung 82 kann dann an der Wand 15 des Strömungskanals auch dann angebracht werden, wenn die Wand 15 gekrümmt ist, da die Führung ebenso wie die Sonde flexibel sein kann. Die Öffnung 84 in der Führung 82 wird im wesentlichen von der Sonde ausgefüllt,so daß irgendwelche Risse und Ritzen, in welchen sich Material ansammeln kann, vermieden sind.
Es ist auch möglich, eine ausgesparte Führung 86 in der Wand 15, wie dies in Fig. 14 gezeigt ist, auszubilden, wobei die Öffnung 88 durch die Führung der Form der entfernbaren Sonde entspricht. Alternativ kann die Wand 15 selbst so ausgebildet oder durch Formen hergestellt werden, daß sie eine Öffnung 88 aufweist, welche als ausgesparte Führung für die Sonde dient, wie dies in Fig. 14a gezeigt ist. Bei den Ausführungsformen von Fig. 14 und 14a möchte man insbesondere die Stärke der Sonde beschränken, wenn die Wand 15 relativ dünn ist. Wie in Fig. 15 gezeigt ist, ist die Führung 82 an einem mechanischen Abstützelement 90 in einem Kessel oder Behälter installiert. Da die entfernbare Sonde Schutzelektroden aufweisen würde, kann das Abstützelement 90 wirksam wie im Falle der Wand 15 bei der Ausführungsform der Fig. 13 und 14 geerdet werden. Das mechanische Halterungselement 90 verjüngt sich an seinen Enden, so daß der Einfluß des Halterungselementes 90 auf die Strömung durch einen Strömungskanal auf ein Minimum reduziert ist.
Fig. 16 zeigt eine Sonde der Ausführungsform gemäß Fig. 10 und 11, mit der Ausnahme, daß ein gesondertes Heizelement 92 in dem Schichtaufbau hinter der Schutzelektrode 70, jedoch zwischen den Isolierschichten 72 und 74 eingeschlossen ist. Wenn das Heizelement 92, welches ein geeignetes Widerstandsheizelement sein kann, flexibel ist, kann der gesamte in Fig. 16 gezeigte Aufbau in die Führungen 82 und 86 gemäß Fig. 13, 14 und 15 eingeführt werden, wie dies in Fig. 17 gezeigt ist. Alternativ kann das Heizelement 92 außerhalb und hinter dem laminierten Sondenaufbau in der Längsöffnung 94 einer Führung 96 angeordnet werden.
Also weitere Variante kann die hintere Schutzelektrode 70 der Sonde gemäß Fig. 10 und 11 insgesamt schlangenförmig ausgebildet sein, so daß man für die Sonde eine Schutzelektroden- und Heizelementkombination erhält. Eine solche schlangenförmige Schutzelektrode 94 ist in Fig. 18 in Verbindung mit einer Wechselstromquelle 96 gezeigt, die mit der Schutzelektrode 94 über einen Isolationsumformer 97 mit einer niedrigen Kapazitätskoppelung gekoppelt ist. Die Schutzelektrode 94 ist weiterhin mit einer gezeigten Schutzpotentialquelle verbunden. Bei dieser Anwendung soll eine niedrige kapazitive Koppelung eine kapazitive Koppelung mit einer Impedanz bedeuten, die bezüglich der Impedanz der Schutzklemme hoch ist, mit welcher die Schutzelektrode verbunden ist.
Die Kapazität über die Außenisolation einer erfindungsgemäßen Sonde soll der Kapazität entsprechen, die von der Sonde gemessen wird, da die Flüssigkeit oder die Materialien, deren Pegel zu messen ist, im wesentlichen leitend sind. Somit erzeugt jede Änderung der Dielektrizitätskonstanten der Isolation abhängig von der Temperatur einen Fehler. Um dies zu vermeiden, haben die in den Fig. 10 und 11 gezeigten Sonden eine Kompensationselektrode 98, die unter dem unteren Ende der Sondenelektrode 66 angeordnet und gegenüber der Schutzelektrode durch einen geeigneten Abstand isoliert ist, was durch ein entsprechendes Ätzen der leitenden Folie erreicht werden kann, welche die vorderen Schutzelektroden und die Sondenelektrode 66 bildet. Durch Messen der Änderung der Dielektrizitätskonstanten der Außenisolation 72, die in Fig. 19 nicht gezeigt ist, und durch Verwendung dieses Ergebnisses derart, daß die Messung der Kapazität über die Isolation 72, die neben der Sondenelektrode 66 unter dem Pegel der leitenden Flüssigkeit liegt, kompensiert und korrigiert wird, kann man genaue Messungen des Flüssigkeitspegels erhalten. Die Kompensationselektrode 98 ist in einer Stelle angeordnet, die immer unter der Flüssigkeit in dem Behälter oder Strömungskanal bleibt.
Eine Sonde, wie sie in den Fig. 10 und 11 gezeigt ist, kann außerhalb des Strömungskanals vorgeeicht und dann in den Strömungskanal zurückgebracht und an der geeigneten Stelle leicht montiert werden. Wie aus Fig. 20 zu ersehen ist, hat eine Installiervorrichtung an der Wand des Strömungskanals eine Basisplatte 100, welche einen Haltebügel 102 an einem Gewindezapfen 104 trägt. Der Bügel 102, der mittels einer geeigneten Einrichtung an dem oberen Ende der Sonde 106 befestigt ist, kann von dem Zapfen 104 durch Entfernen einer Flügelmutter 108 leicht abgenommen werden. Wenn die Sonde 106 aus dem Strömungskanal einmal entfernt ist, kann sie in jedem geeigneten Eichbehälter so eingebracht werden, daß ein geeigneter Null-Pegel eingestellt wird. Die Sonde 106 mit dem Haltebügel 102 kann dann auf den Zapfen 104 zurückgebracht und auf dem geeigneten Null-Pegel dadurch positioniert werden, daß die Muttern 110 in die entsprechende Stellung auf dem Zapfen 104 gebracht werden. Dann kann die Flügelmutter 108 an dem Zapfen 104 so befestigt werden, daß der Bügel 102 in der entsprechenden Stellung festgeklemmt wird. Um das Positionieren der Sonde 106 in der Null-Pegel- Position zu erleichtern, können geeignete Indizes, wie sie an der Sonde der Fig. 4 und 7 gezeigt sind, benutzt werden. Die Basisplatte 100 der Halterungseinrichtung kann an der Wand 15 durch geeignete Einrichtungen, beispielsweise durch einen Gewindebolzen 112 befestigt werden. Die Sonde 106 erstreckt sich in eine Führung 114 mit einer gekrümmten Längsnut. Die Sonde 106 muß deshalb flexibel genug sein, um dieser Nut folgen zu können, wenn sie in die Führung eingebracht wird. Um zu gewährleisten, daß die Sonde 106 bezüglich der Wand 15 nicht angehoben oder abgesenkt wird, ist eine Drahtsicherung vorgesehen, die sich zwischen dem Bügel 102 und der untersten Mutter 110 sowie durch Öffnungen in dem Bügel 102 erstreckt.
Wie vorstehend erwähnt, ist eine Sonde oft so anzubringen, daß sie der Krümmung einer Wand in einem Strömungskanal oder einem anderen Behälter entspricht. Wenn die Sonde jedoch der Krümmung der Wand in einem Strömungskanal folgt, muß die Sonde gegenüber einer Sonde, die sich vertikal erstreckt, anders ausgebildet sein. So ist beispielsweise eine spezielle Ausbildung einer Sonde erforderlich, die bündig an der Wand eines kreisförmigen Rohres angebracht ist, wie dies in Fig. 21a gezeigt ist. Die Sonde 120 erstreckt sich dabei über eine Hälfte des Rohres 122. Die Höhe H der Flüssigkeit in dem Rohr entspricht der untergetauchten Länge H&sub1;. Der Radius des Rohres ist R. Der Mengenstrom durch das Rohr kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden: °=c:20&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;sb18&udf54;&udf53;eb0&udf54;°KQ¤=¤°KK°kÈ°KH°H&udf57;°Ka&udf56;°h@,(4)&udf53;zl&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;eb0&udf54;wobei K&sub4; eine Konstante ist und die Breite der Sonde durch folgende Gleichung ausgedrückt werden kann:
b = K&sub5;H ^a-1
wobei K&sub5; eine Konstante ist und die Beziehung zwischen H und H&sub1; für ein kreisförmiges Rohr gilt: °=c:50&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz4&udf54; &udf53;vu10&udf54;
In ähnlicher Weise kann bei einem sogenannten "Leopold Logco"- Gerinne, wie es in Fig. 21b gezeigt ist, wobei H die Höhe des Stroms über dem Null-Pegel und H&sub1; die Länge der von dem Strom bedeckten Sonde darstellt, der Mengenstrom durch folgende Gleichung ausgedrückt werden: °=c:20&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;sb18&udf54;&udf53;eb0&udf54;°KQ¤=¤K°kÎ°KH°k°H1,547°h@,(6)&udf53;zl&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;eb0&udf54;wobei K&sub6; eine Konstante ist und die Breite der Sonde durch folgende Gleichung ausgedrückt werden kann:
b = K&sub7;H ^0,547
wobei K&sub7; eine Konstante ist und für die Höhe H&sub1; unter den geraden Wänden des Gerinnes gilt: °=c:50&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz4&udf54; &udf53;vu10&udf54;
Nimmt man an, daß der halbkreisförmige Teil des Gerinnes einen Radius von 7,5 cm (3&min;&min;) und die Breite b der Sonde 2,5 cm (1&min;&min;) bei einer Höhe H von 12,5 cm (5&min;&min;) hat, so ergeben sich für die Sonde folgende Werte: &udf53;vu10&udf54;H@&udf53;ta:10:18:0:5:10:15:18&udf54;&udf53;tw,4&udf54;&udf53;tz5&udf54; &udf53;sg8&udf54;\°KH°kÉ in\ °KW°kÉ in\ mm\ (inch)\ mm\ (inch)&udf53;tz5,5&udf54; &udf53;tw,4&udf54;&udf53;sg9&udf54;&udf53;ta:5:10:15:18&udf54;\O\ (O)\ O\ (O)&udf53;tz&udf54; \ÆÆ7,62\ (0,30)\ Æ3,61\ (0,142)&udf53;tz&udf54; \Æ14,99\ (0,59)\ Æ6,91\ (0,272)&udf53;tz&udf54; \Æ28,45\ (1,12)\ 10,34\ (0,407)&udf53;tz&udf54; \Æ41,66\ (1,64)\ 13,11\ (0,516)&udf53;tz&udf54; \Æ54,61\ (2,15)\ 14,78\ (0,582)&udf53;tz&udf54; \Æ67,31\ (2,65)\ 17,37\ (0,684)&udf53;tz&udf54; \Æ80,01\ (3,15)\ 19,23\ (0,757)&udf53;tz&udf54; \105,41\ (4,15)\ 21,59\ (0,85)&udf53;tz&udf54; \130,81\ (5,15)\ 25,40\ (1,0)&udf53;tz&udf54; @&udf53;te&udf54;&udf53;vu10&udf54;
Dies kann mit der Charakterisierung einer geraden Sonde in einem sogenannten Leopold Logco-Gerinne ausgehend von folgenden Werten verglichen werden: &udf53;vu10&udf54;H@&udf53;ta:10:18:0:5:10:15:18&udf54;&udf53;tw,4&udf54;&udf53;tz5&udf54; &udf53;sg8&udf54;\°KH°k in\ °KW°k in\ mm\ (inch)\ mm\ (inch)&udf53;tz5,5&udf54; &udf53;tw,4&udf54;&udf53;sg9&udf54;&udf53;ta:5:10:15:18&udf54;\O\ (O)\ O\ (O)&udf53;tz&udf54; \ÆÆ6,35\ (0,25)\ Æ4,93\ (0,194)&udf53;tz&udf54; \Æ12,70\ (0,5)\ Æ7,19\ (0,283)&udf53;tz&udf54; \Æ25,40\ (1,0)\ 10,52\ (0,414)&udf53;tz&udf54; \Æ38,10\ (1,5)\ 13,14\ (0,517)&udf53;tz&udf54; \Æ50,80\ (2,0)\ 15,37\ (0,605)&udf53;tz&udf54; \Æ63,50\ (2,5)\ 17,37\ (0,684)&udf53;tz&udf54; \Æ76,20\ (3,0)\ 19,22\ (0,757)&udf53;tz&udf54; \101,60\ (4,0)\ 21,59\ (0,85)&udf53;tz&udf54; \127,00\ (5,0)\ 25,40\ (1,0)&udf53;tz&udf54; &udf53;te&udf54;&udf53;vu10&udf54;
Um auf einfache Weise zu erkennen, daß die Eigenschaften verschieden sind, kann die Beziehung zwischen H und W und H&sub1; und W&sub1; wie nachstehend gezeigt normalisiert werden: &udf53;ta:10:18:0:5:10:15:18&udf54;&udf53;tw,4&udf54;&udf53;tz5&udf54; &udf53;sg8&udf54;\°KH°k in\ °KW°k in\ mm\ (inch)\ mm\ (inch)&udf53;tz5,5&udf54; &udf53;tw,4&udf54;&udf53;sg9&udf54;&udf53;ta:5:10:15:18&udf54;\O\ (O)\ O\ (O)&udf53;tz&udf54; \Æ1,27\ (0,050)\ Æ4,91\ (0,194)&udf53;tz&udf54; \Æ2,54\ (0,100)\ Æ7,19\ (0,283)&udf53;tz&udf54; \Æ5,08\ (0,200)\ 10,52\ (0,414)&udf53;tz&udf54; \Æ7,62\ (0,300)\ 13,14\ (0,517)&udf53;tz&udf54; \10,16\ (0,400)\ 15,37\ (0,605)&udf53;tz&udf54; \12,70\ (0,500)\ 17,37\ (0,684)&udf53;tz&udf54; \15,24\ (0,600)\ 19,22\ (0,757)&udf53;tz&udf54; \20,32\ (0,800)\ 21,59\ (0,850)&udf53;tz&udf54; \25,40\ (1,00)\ 25,40\ (1,000)&udf53;tz10&udf54; &udf53;te&udf54;&udf53;vu10&udf54;H@&udf53;ta:10:18:0:5:10:15:18&udf54;&udf53;tw,4&udf54;&udf53;tz5&udf54; &udf53;sg8&udf54;\°KH°kÉ in\ °KW°kÉ in\ mm\ (inch)\ mm\ (inch)&udf53;tz5,5&udf54; &udf53;tw,4&udf54;&udf53;sg9&udf54;&udf53;ta:5:10:15:18&udf54;\O\ (O)\ O\ (O)&udf53;tz&udf54; \Æ1,47\ (0,058)\ Æ3,61\ (0,142)&udf53;tz&udf54; \Æ2,92\ (0,115)\ Æ6,91\ (0,272)&udf53;tz&udf54; \Æ5,51\ (0,217)\ 10,34\ (0,407)&udf53;tz&udf54; \Æ8,08\ (0,318)\ 13,11\ (0,516)&udf53;tz&udf54; \10,59\ (0,417)\ 14,78\ (0,582)&udf53;tz&udf54; \13,08\ (0,515)\ 17,37\ (0,684)&udf53;tz&udf54; \15,54\ (0,612)\ 19,23\ (0,757)&udf53;tz&udf54; \20,71\ (0,806)\ 21,59\ (0,850)&udf53;tz&udf54; \25,40\ (1,00)\ 25,40\ (1,000)&udf53;tz&udf54; &udf53;te&udf54;&udf53;vu10&udf54;
Fig. 22 zeigt eine Schaltung, in welcher die Kapazität zwischen den Sondenelektroden, beispielsweise zwischen der Sondenelektrode 66 der Fig. 10 und 11, und Erde bzw. Masse gemessen wird. Die Schaltung hat einen HF-Oszillator 130 mit fester Frequenz, der eine Brückenschaltung 132 über einen Transformator 134 steuert, dessen Sekundärwicklung eine Seite der Brücke 132 bildet. Die von der Sondenelektrode erfaßte Kapazität wird durch einen variablen Kondensator 136 dargestellt, der zwischen einen Kondensator 138 und Masse bzw. Erde geschaltet ist. Jede Änderung an dem Kondensator 136, welche die Änderung des zu messenden Flüssigkeitspegels darstellt, erzeugt ein Signal parallel zu einem Spann- bzw. Überbrückungskondensator 140. Das Signal parallel zu diesem Kondensator 140 kann einem Verstärker 142 zur Erzeugung eines Schutzpotentials und einer Ausgangsklemme 144 zugeführt werden, wobei dieses Potential gleich dem Potential der Sondenelektrode ist.
In manchen Fällen kann die Schutzelektrode auf ein Potential gesteuert werden, welches nicht zu jedem Zeitpunkt gleich dem Potential der Sondenelektrode ist. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Verbindung des Überbrückungskondensators 140 und der Sekundärwicklung des Transformators 134 mit der Schutzelektrode an einer Ausgangsklemme 148 verbunden werden. Das Potential an der Klemme 148 ist gleich dem Potential an der Sondenelektrode, wenn sich die Brücke im Gleichgewicht befindet. Bei der in Fig. 23 gezeigten Schaltung erhält man das Potential für die Schutzelektrode an der Ausgangsklemme 150 eines Verstärkers 152, der parallel zur Sondenelektrode 136 geschaltet ist.
Wenn die Sonde eine Kompensationselektrode 98, wie sie in der Sonde von Fig. 19 gezeigt ist, aufweist, muß eine zusätzliche Schaltung vorgesehen werden, damit man ein kompensiertes Ausgangssignal erhält. Eine solche Schaltung ist in Fig. 24 gezeigt, in welcher eine Sondeneinheit 154 die in Fig. 22 gezeigte Schaltung darstellt. Das Ausgangssignal aus der Sondeneinheit 154 stellt das Signal parallel zum Überbrückungskondensator 140 dar. Eine ähnliche Schaltung, bei welcher die gemessene Sondenkapazität 136 durch die Kapazität zwischen der kompensierenden Elektrode 98 der Sonde von Fig. 19 und Masse ersetzt wird, ist als kompensierende Einheit 156 in Fig. 24 gezeigt. Das Ausgangssignal aus der Sondeneinheit 154 und das Ausgangssignal der kompensierenden Einheit 156 werden dann einem Teiler 158 zugeführt, der ein kompensiertes Ausgangssignal erzeugt, welches von Änderungen der Dielektrizitätskonstanten der äußeren Sondenisolation nicht beeinträchtigt ist.
Im vorstehenden wurde die Bedeutung der vorderen Schutzelektroden oder frontalen Abschnitte der Schutzelektrode herausgestellt. Die hintere Schutzelektrode oder der hintere Abschnitt der Schutzelektrode ist jedoch ebenfalls von beträchtlicher Bedeutung, wie aus dem nachstehenden Zahlenbeispiel für die Sonde gemäß Fig. 25 hervorgeht. Die Sonde hat eine äußere Isolation 160 mit einer Kapazität C _a. Die Isolierung 160 deckt die Sondenelektrode 162 ab. Die Innenisolation 164 trennt die Sondenelektrode 162 von einer Schutzelektrode 166, wobei die Kapazität C _b die Kapazität über der Isolation 164 darstellt. Eine hintere Isolation 168 bedeckt die Schutzelektrode 166. Wie in Fig. 25 ebenfalls gezeigt ist, beträgt die Stärke über der Isolation 160 d _a und die Stärke über der Isolation 164 d _b.
Die Sonde von Fig. 25 soll Flüssigkeitspegel in einem Parshall-Gerinne messen. Die Sonde hat eine aktive Länge von etwa 610 mm (24&min;&min;). Die Sonde ist gerade und hat eine Breite von 25,4 mm (1&min;&min;).
Für eine solche Sonde ergibt sich eine Kapazität zu &udf53;vu10&udf54;&udf53;sb18&udf54;°KC°k¤=¤@W:°KK°kÌ°KAK°k`:°Kd°k&udf54;¤=¤6,97¤@W:°KAK°k`:°Kd°k&udf54;¤(0,235&dlowbar;&dlowbar;)@,(8)&udf53;zl10&udf54;&udf53;eb0&udf54;

wobei
C die Kapazität in pF
K&sub8; eine Konstante
A die Fläche in mm² (sq inch)
d der Abstand in mm (inch)
K&sub9; die Dielektrizitätskonstante der Isolierung sind.

Die Dielektrizitätskonstante K&sub9; des Materials soll 2,5, die Stärke d _a und d _b der Isolation 160 und 164 0,508 mm (0,020&min;&min;) betragen. Aus dem vorstehenden läßt sich die Kapazität C _a durch folgende Gleichung berechnen: °=c:20&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;sb18&udf54;°KC°T°Ka°t¤=¤29,4¤°KL°k@,(9)&udf53;zl10&udf54;&udf53;eb0&udf54;wobei L die Länge der Sonde ist, die von der Flüssigkeit in dem Gerinne bedeckt wird.
Die Sonde soll für einen Maximalpegel von 100 mm (4&min;&min;) benutzt werden, was einer vollen Skalenablesung von °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;sb18&udf54;°KC°T°Ka°t¤=¤(29,4)¤´¤(4)¤=¤117,5¤pF@,(10)&udf53;zl10&udf54;&udf53;eb0&udf54;entspricht. Durch ähnliche Berechnungen erhält man für diese Kapazität C _b°=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;sb18&udf54;°KC°T°Kb°t¤=¤@W:(0,235)¤´¤(2,5)¤(1)¤´¤(24):0,020&udf54;@,(11)&udf53;zl10&udf54;&udf53;eb0&udf54;oder °=c:20&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;sb18&udf54;°KC°T°Kb°t¤=¤705¤pF@,(12)&udf53;zl10&udf54;&udf53;eb0&udf54;
C _b ist die stehende Kapazität der Sonde und größer als C _a , wie dies vorstehend berechnet wurde, da 610 mm (24&min;&min;) der Sonde zu C _b betragen, während nur 100 mm (4&min;&min;) zu C _a beitragen.
Nimmt man an, daß die Dielektrizitätskonstante K&sub9; der Isolierung 164 sich um 5% innerhalb eines Temperaturbereichs von 39°C (70°F) ändert, liegt die Änderung von C _b bei 35,3 pF, was einer Verschiebung von 30% im Null-Niveau des Systems entsprechen würde. Wenn man den Fehler infolge der stehenden Kapazität auf 3% halten möchte, müßte die Isolationsstärke d _b zehnmal größer sein, so daß C _b = 70,5 pF würde. Eine 5%ige Änderung der Dielektrizitätskonstanten K&sub9; würde einen Fehler von 3,5 pF ergeben, was einen Fehler der stehenden Kapazität von etwa 3% darstellen würde.
Wenn deshalb die Schutzelektrode 166 auf Massenpotential gebracht wird, gibt es eine Grenze, wie dünn die Sonde gemacht werden kann. Bei dem vorstehenden Zahlenbeispiel würde die Sonde auf eine Stärke von 6,35 mm (0,25&min;&min;) begrenzt sein. Wenn die aktive Länge der Sonde größer wäre, müßte darüber hinaus die Sonde auch dicker sein. Eine Stärkenzunahme der Sonde ist jedoch dann unerwünscht, wenn die Sonde bündig an der Wand eines Gerinnes oder eines Behälters angebracht werden soll, um so die Störung der Strömung durch den Behälter oder das Gerinne auf ein Minimum zu reduzieren. Duch Steuern der Schutzelektrode 166 auf das Schutzpotential fällt jedoch die Kapazität C _b aus der Meßgleichung heraus und die Sonde kann so dünn gemacht werden, wie dies die spezielle Anwendung erfordert. Die Verwendung einer hinteren Schutzelektrode ist dann besonders wichtig, wenn der Schutz entfernbar in einer Führung angeordnet ist, da es nicht möglich ist, ein Ansammeln von Flüssigkeit hinter der Sonde in einer solchen Führung zu verhindern.

Claims

1. Leitwertmeßsonde zum Messen des Pegels einer in einem Behälter befindlichen Flüssigkeit
gekennzeichnet durch die Kombination der Merkmale:

a) eine leitende Sondenelektrode (20), die sich in Längsrichtung über die Vorderseite der Sonde erstreckt;

b) eine leitende Schutzelektrode (22), die sich in Längsrichtung über die Rückseite der Sonde erstreckt;

c) ein inneres, festes Isoliersubstrat (18), das zwischen der Sondenelektrode (20) und der rückseitigen Schutzelektrode (22) angeordnet ist und die Sondenelektrode mit der Schutzelektrode einstückig verbindet;

d) eine äußere, feste Isolierung (24), die die Sondenelektrode (20) aufnimmt.

2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde in Längsrichtung flexibel ausgebildet ist.

3. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seitliche Schutzelektrodenabschnitte (26) vorgesehen sind, die sich von der Sonde seitlich nach außen und in Längsrichtung der Sonde erstrecken, wobei die äußere Isolierung (24) auch die seitlichen Schutzelektrodenabschnitte (26) aufnimmt.

4. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sondenelektrode (20) der Gleichung
b = Kah (a-1)
genügt, wobei

b die seitliche Abmessung der Sondenelektrode,

K eine Konstante,

a eine Konstante, die von der Krümmung der Wand in dem Strömungskanal abhängt, und

h die Höhe ist, mit welcher sich die Sondenelektrode über den Null-Strömungspegel in dem Strömungskanal erstreckt.