DE2829857C2

DE2829857C2 - Füllstandmeßsonde für ein elektrisch leitendes Medium

Info

Publication number: DE2829857C2
Application number: DE2829857A
Authority: DE
Inventors: Johannes Marinus Spijkenisse Holsteijn
Original assignee: Schweizerische Aluminium AG
Current assignee: Alcan Holdings Switzerland AG
Priority date: 1978-06-15
Filing date: 1978-07-07
Publication date: 1982-06-24
Also published as: DE2829857A1; IT7923540A0; IT1121093B; NL7904605A; CH632089A5

Description

a) die Impedanz (Z₀) ist von einem elektrisch isolierenden, gegenüber dem Medium dichten Außenmantel (23) umschlossen;

b) der Außenmante! weist im wesentlichen radial ii ausgerichtete, jeweils galvanische Kontaktflächen (20, 25, 27) zwischen Mantelaußenseite (23) und Impedanz bildende galvanische Kontaktpartien (19, 20) entlang seiner axialen Ausdehnung auf.

2. Füüstandsmeßsonde nach Anspruch ί, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz eine Mehrzahl je umhüllter Impedanz-Elemente (Z\ — Z_n, Ri-R_n) umfaßt.

3. Füllstandsmeßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung ein doppelwandiges Rohr (29) bildet, dessen Außenwandung (31) mindestens teilweise aus isolierendem Material besteht, während die Innenwandung durch einen formstabilen, vorzugsweise metallischen Körper (45) gebildet ist

4 Füllstandsmeßsonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandung des Rohres (29) ein Metallkern (45) sowie die Impedanz in einer durch das doppelwandige kohr gebildeten, im Querschnitt ringförmigen Kammer (25) angeordnet ist.

5. Füllstandsmeßsonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkern (45), Vorzugsweise aus Stahl, an einer Isolationsschicht (33), vorzugsweise aus Kunststoff, mindestens entlang seiner Axialausdehnung anliegt und die Impedanz (Rt-R_n) in isolierendem Füllmaterial (41), vorzugweise Kunstharz, eingebettet ist.

6. Füllstandsmeßsonde nach Anspruch !.dadurch gekennzeichnet, daß Partien der Impedanz je auf radial im Rohr (29) angeordnete leitende Scheiben (37), vorzugsweise Metallscheiben, geführt sind, welche die Außenwandung (31) des Rohres axial in Segmente unterteilen.

7. Füllstandsmeßsonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Zuführung für einen sondenendständigen Impedanzanschluß durch das Rohr (23, 29) geführt ist.

8 Füllstandsmeßsonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein sondenendständiger Impedanranschluß mit dem eine elektrische Zuführung für den Impedanzanschluß bildenden Kern (45) verbunden ist.

Die Erfindung betrifft öine Füllstandsmeßsonde für ein elektrisch leitendes Medium mit längs einer geometrischen Achse ausgedehnter Impedanz in einem Mantel zum Einführen in das zu überwachende Medium, welches je nach Füllstand Partien der Impedanz wenigstens nahezu kurzschließt.

Eine Vorrichtung dieser Art wird durch die DE-PS 6 75 195 offenbart Dort ist als Flüssigkeitsanzeiger für Braupfannen ein Widerstandsdraht koaxial in einem beispielsweise aus Metall bestehenden Rohr angeordnet, das an seinem unteren Ende öffnungen aufweist und mit dem Widerstandsdraht in die Brauwürze — also ein flüssiges Lagermedium, dessen Füllstand zu ermitteln ist — so eingetaucht, daß die Würze durch jene unteren öffnungen in das Rohr eintritt und den darin gelagerten Widerstandsdraht auf einer dem Füllstand entsprechenden Länge kurzschließt

Bei der bekannten Anordnung sind Verschmutzungen und Verkrustungen im Inneren des Mantels bzw. am Widerstandsdraht nur mühevoll entfernbar; der Draht wird erst nach dem Abziehen des Mantels zugänglich. Der Einsatz der beschriebenen Sonde bleibt darüberhinaus auf Flüssigkeiten beschränkt, da allein diese in den Mantel einzudringen vermögen, um die Impedanz zu kontaktieren. So ist beispielsweise die Verwendung dieser Meßsonde in Kohlesüos praktisch ausgeschlossen, da nicht sichergestellt werden kann, daß die Kohle durch die endwärtigen öffnungen eindringt sowie im Rohr entsprechend dem Füllstand aufsteigt.

Auch für einen durch die DE-PS 5 84 673 bekanntgewordenen Wasserstandanzeiger ist das Einsatzgebiet stark eingeschränkt Die Füllstandshöhe wird hier mit einer Druckmeßsonde gemessen, welche einen Kohlewiderstand als druckabhängiges Widerstandselement enthält Der Einfluß von Luftdruckschwankungen muß mit einer weiteren Druckmeßdose kompensiert werden; zur Elimination von Fehler, welche sich durch temperaturabhängige Veränderungen des Volumens des Füllmediums ergeben, sind mehrere temperaturabhängige Widerstände elektrisch mit der Druckmeßdose zur Ermittlung des Füllstandes in Serie geschaltet Eine Mehrzahl wird deshalb erforderlich, um die mittlere Temperatur im Füllmedium zu detektieren.

Angesichts dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, eine Füllstandsmeßsonde der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die bei einer Vielzahl von Füllmedien eingesetzt werden kann und mit welcher der Füllstand kontinuierlich oder quasikon tinuierlich, einfach und zuverlässig erfaßt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt, daß die Impedanz von einem elektrisch isolierenden, gegenüber dem Medium dichten Außenmantel umschlossen ist. der im wesentlichen radial ausgerichtete, jeweils galvanische Kontaktflächen zwischen Mantelaußenseite und Impedanz bildende galvanische Kontaktpartien entlang seiner axialen Ausdehnung «iiifweist.

Dank dieser Maßgabe ist das Impedanzelement vor mechanischen Beschädigungen geschützt, zudem sind alle Partien, deren Verschmutzung die Funktionstauglichkeit der Sonde beeinträchtigen würde, von außen ohne weiteres zugänglich Auch sind keinerlei Bedingungen an die Viskosität des zu überwachenden Mediums mehr zu stellen, die erfindungsgemäße Füllstandsmeßsonde kann praktisch ohne Einschränkungen bei allen elektrisch leitenden Füllmedien eingesetzt werden.

Bezüglich weiterer Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstands wird auf den Inhalt der Unleransprüche hingewiesen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellter bevorzugter Ausfühfungsformen erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig.) eine schematische Anordnung zur direkten Erfassung der Lagermediumsimpedanz als Funktion des Füllstandes, mit der daraus resultierenden Abhängigkeit von Impedanz und Füllstand,

F i g. 2a eine schematische Anordnung zur indirekten Erfassung der Lagermediumsimpedanz in Funktion des Füllstandes,

F i g. 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,

F i g. 4 eine schematische Darstellung einer Füllstandsmeßsonde für die Erfassung des Füllstandes beim Passieren vorgegebener, diskreter Höhen,

F i g. 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Meßsonde gemäß F i g. 4,

Fig.6 einen Querschnitt durch eine Meßsonde als bevorzugte Realisationsform der in Fig.5 schematisch dargestellten Sonde.

Gemäß F i g. 1 bietet sich für die Füllstan Jserfassung eines elektrisch leitenden Mediums 1 in einem Behälter 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 F i g. 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 Zm ein meßbarer Strom i. Bezeichnet man die spezifische Impedanz pro Längeneinheit des Lagermediums mit z_m so ergibt sich eine Abhängigkeit des Stromes / vom Füllstand f(t) zu

/(O · 2_m

Die Änderung der Gesamtkreisimpedanz Z pro Längeneinheitsänderung des Füllstandes f(t) ist durch die spezifische Impedanz z_m gegeben. In Funktion des Füllstandes /f/,)steigt die Kreisimpedanz Zlinear, 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 F i g. 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 der im Medium angeordneten Impedanz Zo bezeichnet und l_o die Gesamtlänge der Impedanz Za in F i g. 2a beispielsweise gerade dem maximalen Füllstand entsprechend:

Bei einem beliebigen Füllstand f(t) ragt eine Impedanz Zo ι aus dem Lagermeiium heraus.

Im Lagermedium eingebettet, ist die Impedanz
welche mit der Lagermediumsimpedanz Zm, entsprechend dem Füllstand f(t), parallelgeschaltet erscheint, wobei diese Parallelschaltung in Serie zur herausragens den Impedanz Zo ι geschaltet ist

Es ergeben sich folgende Ausdrücke für die frei erwähnten Impedanzen:

Z₀₁ =(l_o-f(t))-z₀

Zo2 = f(t) ■ Z₀

Zs, = f(t) ■ z_m

An Anschlüssen 13 der in das Lagermedium eingebetteten Impedanz Zo ergibt sich eine Gesamtimpedanz

Ztoi ~ZqII Zm + Zo ι.

Daraus ist ersichtlich, daß die Gesamtimpedanz, abgesehen von einer von den beiden spezifischen Impedanzen z_m und z_o abhängigen '' onstan.ten, lediglich vom Füllstand f(t) und der spezifischen Impedanz Z₀ abhängig ist Wie aus dem Diagramm von Fig.2e ersichtlich, wird die Steigerung /der linearen Abhängigkeit zwischen Füllstand f(t) und Z,_ot mit

tg/= 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 F i g. 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 Ii .pedanz Zo aus einzelnen Impedanzelementen Z\ bis Z_n aufgebaut ist, wobei 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 η von Impedanzelementen Z_x mit entsprechend kurzer axialer Ausdehnung, kann jedoch auf diese Art und Weise unter Verwendung handelsüblicher Bauteile eine praktisch kontinuierliche Füllstandserfassung realisiert werden, wobei die Füllstpr.dsunsicherheit, 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 schüUen, werden die einzelnen seriegeschalteten Irtipedanzelemefite Z_x(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 cntspechend seiner Füll-

Standshöhe f(t). (F i g. 2) Impedanzelemenle Z_x überbrücken kann, sind sie durch ihre Verbindungsstellen 20 durch metallische Kontaklstücke 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 Füllstandsmeßsonde, 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 axial angeordneter, seriegeschalteter Widerstandselemente R\ bis R_n angeordnet. Die Zwischenkammer 35 ist durch eine Mehrzahl zum Rohr koaxial angeordneter, leitender Ringscheiben, vorzugsweise Metallringe 37_a bis 37_Λ in einzelne axiale Kammernsegmente 3S₁ bis 35„ unterteilt. Die Ringscheiben 37, ragen durch die äußere Rohrwandung 31 durch und sind somit von außen kontaktierbar. Durch sie wird auch die äußere Rohrwandung 31 in axiale Wandungssegmente unterteilt. Die Widerstandselemenmte Λ, sind mit ihren Anschlüssen 39 je mit einer der Scheiben 37, verbunden, beispielsweise verlötet, derart, daß durch besagte Scheiben 37, eine elektrische Serieschaltung besagter Widerstandselemente R, erstellt ist. Die Widerstandselemente R_x sind in isolierendes Füllgut 41 eingebettet, das in die Zwischenkammer 35 resp. deren Segmente 35, eingebracht ist 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 37„ 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 andererseits mit dem gleichgelegenen Anschluß eines ersten Widerstandselementes, beispielsweise /?i verbunden, derart, daß eine Serieschaltung von Widerstandselementen R_n Scheiben 37,, 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 svirkt als mechanisches Halteelement und gleichzeitig als elektrische Zuleitung für das endständige Widerstandselement R_n- Dadurch, daß die Widerstandselemenle R_x in der Zwischenkammer 35 des Rohres 29 angeordnet sind, sind sie vor mechanischer Beschädigung geschützt, wobei die Scheiben 37, ihre Überbrückung durch die dem Füllstand entsprechenden Mediumsteilimpedanzefi, wie dies gestrichelt ifi Fig.6 dargestellt ist, ermöglichen.

Die Füllsiandsmeßsonde kann mil Wechselspannung oder Gleichspannung betrieben werden und an Stelle 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 Normwiderstandselement. Die hier abgegriffene Spannung kann dann z. B. einer Mehrzahl schweiiwertsensiiiver Ver Stärkerelemente, 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 Auswerteeleklronik wird nicht weiter eingegangen, da sich zu deren Realisation dem Fachmann eine Vielzahl bekannter Möglichkeiten anbietet. Durch die beschriebene Meßsonde, 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 konventioneuer 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_x gewählt 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 F i g. 2 bis 6 ergibt sich weiter der große Vorteil, daß die

Änderung der impedanzabhängigen, erfaßten elektrischen Größe pro Füllstandsänderung unabhängie von der spezifischen Impedanz des Lagermediums wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspräche:

1. Füllstandsmeßsonde für ein elektrisch leitendes Medium mit längs einer geometrischen Achse ausgedehnter Impedanz in einem Mantel zum Einführen in das zu überwachende Medium, welches je nach Füllstand Partien der Impedanz wenigstens nahezu kurzschließt,
gekennzeichnet durch:

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