DE2829857A1

DE2829857A1 - Verfahren zur messung von fuellstaenden sowie fuellstandsmessonde

Info

Publication number: DE2829857A1
Application number: DE19782829857
Authority: DE
Inventors: Johannes Marinus Holsteijn
Original assignee: Alusuisse Holdings AG
Current assignee: Alcan Holdings Switzerland AG
Priority date: 1978-06-15
Filing date: 1978-07-07
Publication date: 1980-04-30
Also published as: IT1121093B; NL7904605A; CH632089A5; IT7923540A0; DE2829857C2

Description

Verfahren zur Messung von Füllständen sowie Füllstands-
meßsonde Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Füllständen in Lagerbehältnissen für elektrisch leitende Lagermedien sowie eine Füllstandsmessonde.
Es sind verschiedene mechanische und elektrische Verfahren bekannt, um Füllstände, beispielsweise in Silos, zu erfassen.
Insbesondere wenn eine kontinuierliche resp. quasi- kontinuierliche Füllstandserfassung erwünscht ist, ergeben sich durch die Realisierung bekannter Verfahren ausserordentlich kostspielige Messvorrichtungen, da auch-oft zu berücksichtigen ist, dass die Messvorrichtungen in den Lagerbehältnissen durch das Lagermedium grossen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind.
Die vorliegende Erfindung bezweckt ein Verfahren vorzuschlagen, welches ermöglicht, den Füllstand kontinuierlich oder quasikontinuierlich, einfach und zuverlässig zu erfassen.
Zu diesem Zwecke zeichnet es sich durch den Wortlaut des Anspruchs 1 aus.
Dieses Verfahren wird durch eine konstruktiv äusserst einfache Füllstandsmessonde appliziert, welche durch den Wortlaut des Anspruchs 4 gekennzeichnet ist.
Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Anordnung zur direkten Erfassung der Lagermediumsimpedanz als Funktion des Füllstandes, mit der daraus resultierenden Abhängigkeit von Impedanz und Füllstand, Fig. 2a eine schematische Anordnung zur indirekten Erfassung der Lagermediumsimpedanz in Funktion des Füllstandes, Fig. 2b ein elektrisches Ersatzschaltbild der Anordnung gemäss Fig. 2a sowie die daraus resultierende Abhängigkeit von auftretender Kreisimpedanz und Füllstand, Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Füllstandsmesssonde für die kontinuierliche Füllstandserfassung, Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Füllstandsmesssonde für die Erfassung des Füllstandes beim Passieren Vorgegebener, diskreter Höhen, Fig. 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Messonde gemäss Fig. 4, Fig. 6 einen Querschnitt durch eine Messonde als bevorzugte Realisationsform der in Fig. 5 schematisch dargestellten Sonde.
Gemäss Fig. 1 bietet sich für die Füllstandserfassung eines elektrisch leitenden Mediums 1 in einem Behältnis 3 die Möglichkeit an, die Mediumsoberfläche 5 entsprechend dem Füllstand f(t) mit einer ersten Elektrode 7 zu kontaktieren und im Lagermedium 1 entsprechend dem noch zu detektierenden minimalen Füllstand, gemäss Fig. 1 beim Füllstand Null, eine Gegenelektrode 9 anzuordnen. Wird an den Elektroden 7 und 9 eine elektrische Spannung u, sei dies nun eine Wechsel- oder Gleichspannung, angelegt, so ergibt sich in Funktion der zwischen den Elektroden vorliegenden Lagermediumsimpedanz M ein messbarer Strom i. Bezeichnet man die spezifische Impedanz pro Längeneinheit des Lagermediums mit zm, so ergibt sich eine Abhängigkeit des Stromes i vom Füllstand f(t) zu Die Aenderung der Gesamtkreisimpedanz Z pro Längeneinheitsänderung des Füllstandes f(t) ist durch die spezifische Impedanz Zm gegeben. In Funktion des Füllstandes f(t) steigt die Kreisimpedanz Z linear, wobei gilt: Da die Elektrode 7 mit der Oberfläche 5 des Lagermediums nachgeführt werden muss, ergeben sich mit dem beschriebenen Verfahren, bei festen, beispielsweise staub- oder sandförmigen Medien, Schwierigkeiten.
In Fig. 2a ist eine Anordnung dargestellt, welche sich auch zur Füllstandsmessung in elektrisch leitenden, festen Medien eignet. Eine vorgegebene Impedanz ZO mit schematisch dargestellter, nichtisolierter Oberfläche 11, wird stationär, in Richtung der Füllstandsänderung, durch das Lagermedium 1 geführt und zwar über den gesamten interessierenden Füllstandsbereich. Im Ersatzbild gemäss Fig. 2b präsentiert sich diese Anordnung wie folgt, wobei z die Impedanz pro Längeneinheit 0 der im Medium angeordneten Impedanz ZO bezeichnet und 1 die 0 Gesamtlänge der Impedanz ZO, in Fig. 2a beispielsweise gerade dem maximalen Füllstand entsprechend: Bei einem beliebigen Füllstand f(t) ragt eine Impedanz Z aus dem Lagermedium heraus.
Im Lagermedium eingebettet, ist die Impedanz Z02 welche mit der Lagermediumsimpedanz ZMtentsprechend dem Füllstand f(t), parallelgeschaltet erscheint, wobei diese Parallelschaltung in Serie zur herausragenden Impedanz Z01 geschaltet ist.
Es ergeben sich folgende Ausdrücke für die frei erwähnten Impedanzen: Zol = <1o - f(t)) . z Z02 = f(t) . zO ZM = f(t) . Zm An Anschlüssen 13 der in das Lagermedium eingebetteten Impedanz ZO ergibt sich eine Gesamtimpedanz Ztot = Zo//zm+ Z01.
Daraus ist ersichtlich, dass die Gesamtimpedanz, abgesehen von einer von den beiden spezifischen Impedanzen Zm und zO abhängigen Konstanten, lediglich vom Füllstand f(t) und der spezifischen Impedanz zO abhängig ist. Wie aus dem Diagramm von Fig. 2e ersichtlich, wird die Steigungyder linearen Abhängigkeit zwischen Füllstand f(t) und Z tot mit tg Y = zO nur von der mediumsunabhängigen, ins Medium eingeführten und vorgebbaren Impedanz abhängig ist. Dies ist ein grosser Vorteil, indem unabhängig von der Leitfähigkeit des zu überwachenden Lagermediums die Sensibilität der Messanordnung vorgegeben werden kann.
Gemäss Fig. 3 kann die Impedanz ZO, welche insbesondere bei ihrer Verwendung in festen Lagermedien, unter Umständen ausserordentlich grossen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt ist, auf einem forstabilen Haltestab 15 als Schicht, beispielsweise als aufgedampfte Widerstandsschicht 17, ausgeführt sein.
In Fig. 4 ist schematisch dargestellt, wie die Impedanz ZO aus einzelnen Impedanzelementen Z1 bis Z aufgebaut ist, won bei herkömmliche, in sich isolierte Bauteile, seriegeschaltet sind, welche jedoch bekannterweise an ihren Anschlussleitungen 19 nicht isoliert sind. Durch diese Anordnung ergibt sich eine diskontinuierliche Füllstandserfassung, indem die erscheinende Gesamtimpedanz nun lediglich eine Funktion davon wird, wieviele der nichtisolierten Verbindungspartien 20 von Anschlussleitungen 19 durch das Medium abgedeckt sind. Durch das Vorsehen einer grösseren Anzahl n von Impedanzelementen Z mit entsprechend kurzer axialer Ausdehnung, kann jedoch x auf diese Art und Weise unter Verwendung handelsüblicher Bauteile eine praktisch kontinuierliche Füllstandserfassung realisiert werden, wobei die Füllstandsunsicherheit, insbesondere bei der Verwendung in grossen Behältnissen wie Silos, mit Bezug auf die erfolgenden Füllstandsveränderungen praktisch vernachlässigbar ist. Die Isolation der Einzelelemente ist in Fig. 4 bei 21 schematisch angedeutet.
Um die Anordnung gemäss Fig. 4 wiederum vor mechanischer Beeinträchtigung zu schützen, werden die einzelnen seriegeschalteten Impedanzelemente Zx(x = 1 ... n) gemäss Fig. 5 in einem Schutz- und Halterungsrohr 23 angeordnet, welches aus einem isolierenden Material, beispielsweise aus Kunststoff, gefertigt ist. Damit das Lagermedium 1 entsprechend seiner Füllstandshöhe f(t), (Fig. 2) Impedanzelemente Z überbrücken x kann, sind sie durch ihre Verbindungsstellen 20 durch metallische Kontaktstücke 25 radial nach aussen an die Aussenperipherie des Rohres 23 geführt, wo sie auf Kontaktflächen 27 münden. Die Kontaktflächen 27 können dabei beispielsweise ringförmig um die Rohrperipherie angeordnete, z.B. eingelassene, Metallstreifen umfassen oder auf das Rohr 23 aufgeklebt oder aufgedampft sein.
In Fig. 6 ist eine konkrete Ausführungsform der Füllstandsmessonde, grundsätzlich in Analogie zu der schematisch dargestellten von Fig. 5, aufgezeigt. Wie noch ersichtlich sein wird, weist sie den grossen Vorteil auf, dass beide Impedanzanschlüsse 13 am nicht ins Lagermedium 1 eingeführten Sondenende abgreifbar sind. In einem als Halterungs- und Schutzelement wirkenden doppelwandigen Rohr 29 aus isolierendem Material, vorzugsweise aus Kunststoff, ist in der zwischen äusserer und innerer Rohrwandung 31 resp. 33 aufgespannten Zwischenkammer 35 eine Mehrzahl achsial angeordneter, seriegeschalteter Widerstands elemente R1 bis R angeordnet. Die n Zwischenkammer 35 ist durch eine Mehrzahl zum Rohr koaxial angeordneter, leitender Rircheiben, vorzugsweise Metallringe 37 bis 37n' in einzelne achsiale Kammernsegmente 35a bis 35n a unterteilt. Die Ringscheiben 37x ragen durch die äussere Rohrwandung 31 durch und sind somit von aussen kontaktierbar.
Durch sie wird auch die äussere Rohrwandung 31 in achsiale Wandungssegmente unterteilt. Die Widerstandselemente Rx sind mit ihren Anschlüssen 39 je mit einer der Scheiben 37x verbunden, beispielsweise verlötet, derart, dass durch besagte Scheiben 37x eine elektrische Serieschaltung besagter Widerstandselemente R erstellt ist. Die Widerstandselemente R x x sind in isolierendes Füllgut 41 eingebettet, das in die Zwischenkammer 35 resp. deren Segmente 35 eingebracht ist x und beispielsweise durch eine Kunstharzmasse gebildet ist.
In einer durch das doppelwandige Rohr 29 gebildeten Zentrumskammer 43 ist ein Metallkern, vorzugsweise ein Stahlkern 45, angeordnet. Eine endständige Scheibe 37n ist mittels einer metallischen Verbindungsscheibe 47 elektrisch mit dem Stahlkern 45 verbunden, wobei letzterer, beispielsweise mittels einer Mutter 49, mit dem Rohr 29 verbunden ist. Elektrische Anschlüsse 13 sind einerseits mit dem dem Sondenende 51 entgegengesetzt gelegenen Ende des Stahlkernes 45 und anderseits mit dem gleichgelegenen Anschluss eines ersten Widerstandselementes, beispielsweise R1 verbunden, derart, das eine Serieschaltung von Widerstandselementen Rx, Scheiben 37x, Verbindungsscheibe 47, Stahlkern 45 gebildet wird und die Sonde vom aus der Oberfläche 5 des Füllmediums 1 herausragenden Ende her elektrisch gespiesen werden kann.
Der Stahlkern 45 wirkt als mechanisches Halteelement und gleichzeitig als elektrische Zuleitung für das endständige Widerstandselement R . Dadurch, dass die Widerstandselen mente R in der Zwischenkammer 35 des Rohres 29 angeordnet x sind, sind sie vor mechanischer Beschädigung geschützt, wobei die Scheiben 37 ihre Ueberbrückung durch die dem Füllstand x entsprechenden Mediumsteilimpedanzen, wie dies gestrichelt in Fig. 6 dargestellt ist, ermöglichen.
Die Füllstandsmessonde kann mit Wechselspannung oder Gleichspannung betrieben werden und anstelle der Widerstandselemente als Impedanzsegmente können komplexe Impedanzelemente Verwendung finden. Die Auswertung der Impedanzveränderungen erfolgt in bekannter Art und Weise, beispielsweise durch Spannungsmessung an einem seriegeschalteten Normwiederstandselement. Die hier abgegriffene Spannung kann dann z.B. einer Mehrzahl schwellwertsensitiver Verstärkerelemente, beispielsweise als Schmittrigger geschalteter Operationsverstärker mit unterschiedlichen Schaltspannungspegeln oder einem AID-Wandler zugeführt werden. Durch solche bekannte Elemente werden optische und/oder akustische Anzeigen getrieben, beispielsweise eine LED-Diodenanordnung zur Sichtbarmachung des momentanen Füllstandes. Auf die Ausbildung der Auswerteelektronik wird nicht weiter eingegangen, da sich zu deren Realisation dem Fachmann eine Vielzahl bekannter Möglichkeiten anbietet. Durch die beschriebene Messonde, welche sich auch für die Füllstandserfassung von festen Lagermedien, beispielsweise von Kohle für die Fertigung von Aluminiumelektrolyse-Elektroden eignet, und welche die Füllstandserfassung in grossräumigen Lagerbehältnissen, beispielsweise Silos ermöglicht, wird eine konstruktiv einfache und deshalb auch robuste und relativ preisgünstige Vorrichtung geschaffen. Sie ermöglicht die Erfassung des Füllstandes mit konventioneller Elektronik, so dass auch von diesem Gesichtspunkt her, die Erstellungskosten relativ gering gehalten werden können.
Je nachdem, ob beispielsweise gemäss Fig. 6 bezüglich ihres Widerstandswertes gleiche Widerstandselemente R gewählt x werden, oder deren Werte entsprechend abgestuft werden, kann die erfasste Ausgangsgrösse, beispielsweise der Sondenstrom, in Abhängigkeit des Füllstandes mehr oder weniger linearisiert werden. Bei der Ausbildung gemäss den Fig. 2 bis 6 ergibt sich weiter der grosse Vorteil, dass die Aenderung der impedanzabhängigen, erfassten elektrischen Grösse pro Füllstandsänderung unabhängig von der spezifischen Impedanz des Lagermediums wird.

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Messung von Füllständen in Lagerbehältnissen für elektrisch leitende Lagermedien, dadurch gekennzeichnet, dass man eine mindestens von der Lagermediumsimpedanz (ZM) in Richtung des Füllstandes (f(t)) abhängige Impedanz (Z; Ztot) zur Füllstandsdetektion erfasst.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man mindestens eine durch den Füllstand (f(t)) bewirkte Aenderung einer mit zunehmendem Füllstand abnehmenden Impedanz (Z01) erfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Lagermediumsimpedanz (ZM) einer sich mit dem Füllstand (f(t)) verändernden Impedanz (Z01) parallelschaltet und diese Parallelschaltung einer sich durch den Füllstand dazu entgegengesetzt verändernden Impedanz (Z01) serieschaltet.
4. Füllstandsmessonde zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine in einer geometrischen Achse ausgedehnte Impedanz (ZO; 17; Z1 bis n; R1 bis Rn) umfasst, deren Oberfläche in Achsrichtung mindestens in Abschnitten (11; 19, 20; 37x' 39) isolationsfrei ist, derart, dass ins Lagermedium eingetauchte Impedanzpartien durch das Lagermedium elektrisch überbrückbar sind.
5. Füllstandsmessonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz eine Mehrzahl in sich isolierter, seriegeschalteter Impedanzelemente (Zl bis Zn; R1 bis R n umfasst, deren Verbindungspartien (19, 20; 37x' , 39) isolationsfrei sind.
6. Füllstandsmessonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur mechanischen Stabilisierung und/oder als mechanischer Schutz der Impedanz, mindestens ein Montageelement (15; 23; 29, 45) vorgesehen ist, woran die Impedanz angeordnet ist, wobei die isolationsfreien Impedanzpartien elektrisch von aussen frei abgreifbar sind.
7. Füllstandsmessonde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Montageelement ein achsial ausgedehntes, isolierendes Rohr (23; 29) umfasst, worin die Impedanz (Z1 bis Zn; ; R1 bis Rn) angeordnet ist, wobei die isolationsfreien Abschnitte (19, 20; 37x' 39) leitend mit an der Rohr aussenwandung vorgesehenen Kontaktpartien (27, 37x) verbunden sind.
8. Füllstandsmessonde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz (17) auf der Aussenseite eines Montageelementes (15) angeordnet, beispielsweise aufgeklebt oder aufgedampft ist.
9. Füllstandsmessonde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Montageelement ein doppelwandiges Rohr (29) umfasst, dessen Aussenwandung (31) mindestens teilweise aus isolierendem Material besteht, während dessen Innenwandung durch einen formstabilen, vorzugsweise metallischen Körper (45) gebildet ist.
10. Füllstandsmessonde nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwandung des Hohlrohres durch einen Metallkern (45) gebildet ist, und dass die Impedanz in der durch das doppelwandige Hohlrohr (29) gebildeten, im Querschnitt kreisringförmigen Kammer (35) angeordnet ist.
11. Füllstandsmessonde nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern, vorzugsweise aus Stahl, an einer Isolationsschicht (33), vorzugsweise aus Kunststoff, mindestens entlang seiner Achsialausdehnung anliegt, und dass die Impedanz (Rlbis \)in isolierendem Füllmaterial (41), vorzugsweise Kunstharz, eingebettet ist.
12. Füllstandsmessonde nach den Ansprüchen 5 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungspartien der Impedanzelemente (R1 bis Rn) je auf radial im Hohlrohr (29) angeordnete, leitende Ringscheiben (37x)' vorzugsweise Metallscheiben, geführt sind, welche die Aussenwandung (31) achsial in Segmente unterteilen.
13. Füllstandsmessonde nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Zuführung für einen sondenendständigen Impedanzanschluss durch das Rohr (23; 29) geführt ist.
14. Füllstandsmessonde nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein sondenendständiger Impedanzanschluss mit dem Kern (45) verbunden ist, der so eine elektrische Zuführung für besagten Impedanzanschluss bildet.
15. Füllstandsmessonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzelemente durch Widerstände gebildet sind.