DE3033343A1

DE3033343A1 - Sonde zum messen der pegelhoehe von leitenden materialien in einem behaelter

Info

Publication number: DE3033343A1
Application number: DE19803033343
Authority: DE
Inventors: Jack G. Lansdale Pa. Benning jun.; Kenneth M. Warminster Pa. Loewenstern; Frederick L. Jenkintown Pa. Maltby
Original assignee: Drexelbrook Controls Inc
Current assignee: Drexelbrook Controls Inc
Priority date: 1979-09-06
Filing date: 1980-09-04
Publication date: 1981-03-26
Also published as: GB2060893B; US4301681A; JPH0325728B2; JPH0271119A; GB2060893A; JPH0141927B2; JPS5696221A

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft die Messung des Zustands von Materialien und insbesondere die Messung der Pegel von leitenden körnigen Materialien sowie die Ermittlung der Trennfläfohe zwischen Materialien, die eine leitende Phase und eine halbleitende Phase haben. Schließlich bezieht sich die Erfindung auf die Messung von leitenden Materialien, die dazu neigen, Sonden zu überziehen.

Es sind bereits leitende Sonden zum Messen der Höhe bzw. des Pegels von leitenden Materialien in leitenden Behältern bekannt. Die bekannten Sonden haben leitende Kerne und isolierende Überzüge und hängen vertikal in Behältern, welche die leitenden Flüssigkeiten enthalten. Die isolierende Umhüllung wirkt als dielektrisches Material zwischen dem leitenden Kern und der leitenden Flüssigkeit, so daß der Teil der Isolierung, der sich in der leitenden Flüssigkeit befindet, dielektrisch oder als Kondensator wirkt. Die Kapazität zwischen dem leitenden Kern der Sonde und dem leitenden Behälter, in dem sich die leitende Flüssigkeit befindet, ist deshalb abhängig von der Tiefe, auf die die Sonde in die leitende Flüssigkeit eingetaucht ist, und kann gemessen werden, wobei man ein Signal erhalt, das proportional zu der Tiefe ist, auf die die Sonde in die leitende Flüssigkeit eingetaucht ist. Dies ist in den US-PSen 3 706 und 4 064 753 beschrieben.

Mit den bekannten Anordnungen läßt sich jedoch die Höhe bzw. der Pegel eines leitenden körnigen Materials in einem Behälter nicht messen. Eine leitende Flüssigkeit, in welche eine Sonde eingetaucht ist, bildet eine Äquipotentialfläche um die isolierende Oberfläche der Sonde bis zu der Tiefe, auf welche die Sonde in die Flüssigkeit eingetaucht ist. Ein leitendes körniges Material, wie Kohle, das in Brocken von 5 bis 10 cm Größe vorliegen kann, berührt jedoch den isolierenden Überzug der Sonde nur an bestimmten Punkten, so daß eine Squipotential-

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fläche zur Ableitung einer genauen Kapazität sich nicht bildet und somit eine genaue Messung nicht möglich ist. Es gibt deshalb bisher keine genaue Einrichtung zum Messen der Höhe eines leitenden körnigen Materials in einem leitenden Behälter nach diesem Kapazitätssondenverfahren.

Wie erwähnt, hat man bereits leitende Sonden zum Messen .des Pegels von leitenden Materialien, meistens Flüssigkeiten, verwendet (US-PS 3 33 9 412). Dieses Grundkonzept wurde durch die Schaltung nach der US-PS 3 706 980 verbessert. Weitere Verbesserungen an der Sonde.sind in der US-PS 4 064 753 beschrieben. In allen Fällen ist das Wirkungsprinzip der Sonde das gleiche, nämlich daß ein leitender Kern mit einem isolierenden Überzug versehen und sich in das zu messende leitende Material erstreckend angeordnet ist. Dabei wird die Kapazität zwischen dem leitenden Kern der Sonde und der Behälterwand gemessen. Durch Vergleich mit einer Bezugskapazität wird ein Signal abgeleitet, welches die Materialhöhe in dem Behälter angibt, soweit die Kapazität über Sonde und Behälter davon abhängt, daß ein Kondensator durch die Äquipotentialfläche an der Außenseite der Isolierung und dem darin befindlichen Kern gebildet wird, wobei die Isolierung das Dielektrikum des Kondensators darstellt.

Diese Anordnung arbeitet sehr genau, wenn das leitende Material, dessen Pegel zu messen ist, so beschaffen ist, daß es gleichförmig die Isolierung der Sonde kontaktiert und eine Äquipotentialfläche bildet. Wenn jedoch das Material eine körnige Feststoffnatur hat, beispielsweise aus Kohle oder anderen verschiedenen Mineralerzen besteht, die zwar leitend sind, jedoch keine ausreichend geringe Größe haben, um die Isolierfläche der Sonde gleichförmig zu kontaktieren, wird keine Äquipotentialfläche gebildet, so daß der gemessene Kapazitätswert keine genaue Darstellung der Materialhöhe im Behälter ist. Auch wenn die signalerzeugende Schaltung so geeicht würde, daß sie ein spezifisches körniges Material genau vermißt, würde jede

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Änderung in der Größe oder Leitfähigkeit des Materials eine Neueichung erfordern.

Als naheliegend könnte die Schaffung einer Äquipotentialfläche angesehen werden, indem eine leitende Beschichtung über die isolierende Beschichtung der zentralen Sonde gelegt wird. Dies kann jedoch nicht die Lösung des Problems sein, da eine solche leitende Fläche an allen Punkten längs der Sonde eine Äquipotentialfläche nicht nur längs des Bereichs darstellen würde, an dem sich das leitende körnige Material befindet. Jeder Kontakt der Außenfläche mit dem leitenden Material würde bei dieser Anordnung ein Signal geben, welches anzeigen würde, daß der Behälter voll ist, wodurch jede Vorrichtung oder Bedienungsperson, die ein solches Signal in anderen Prozessen verwenden würde, vollständig- fehlgeleitet wäre.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, eine Sonde zu schaffen, die sich für eine genaue Messung der Höhe .bzw. des Pegels von leitenden körnigen Materialien eignet, wobei die Genauigkeit von der Teilchengröße und einer Abnutzung unbeeinflußt bleiben und die Sonde leicht installierbar, einfach und robust gebaut, betriebssicher und billig sein soll. Die Sonde soll weiterhin sire hohe Kapazität zum Fest-' stellen der Trennfläche zwischen einem leitenden Material und einem halbleitenden Material aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Sonde gelöst, bei welcher eine halbleitende Schicht über dem Isolierüberzug vorgesehen wird, der seinerseits den leitenden Kern umschließt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Kern aus einem genormten Stahlkabel, das flexibel ist und eine Isolierbeschichtung aus natürlichem thermoplastischen Polypropylen und darauf eine weitere Halbleiterbeschxchtung aus mit Ruß gefülltem thermoplastischen Polyurethan aufweist. Auf diese Weise ergibt sich eine Beschichtung, die in geeigneter Weise

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halbleitend ist und im wesentlichen eine Äquipotentialfläche bildet, wenn sie an mehreren Stellen pro Flächeneinheit von einem leitenden körnigen Material kontaktiert wird, die jedoch nicht so stark leitend ist, daß sie ihre ganze Oberfläche zu einer Äquipotentialfläche macht, wenn sie über ein leitendes körniges Material geerdet ist.

Die eingangs genannten Schwierigkeiten werden erfindungsgemäß somit durch eine halbleitende Außenschicht über der Isolierschicht beseitigt, die ihrerseits den leitenden Kern umschließt. Die Leitfähigkeit der äußeren Schicht kann ausgewählt werden, so daß sie eine wesentliche Äquipotentialfläche in dem Bereich bildet, der von leitendem körnigen Material bedeckt ist, wodurch eine "Platte" eines Kondensators gebildet wird, der leitende Kern die andere "Platte" ist und die Isolierung die dazwischen angeordnete dielektrische Schicht zur Bildung eines Kondensators ist. Dieser Kondensator kann dann in einer bekannten Ausgleichsschaltung zur Erzeugung eines Signals verwendet werden, welches die Höhe des leitenden körnigen Materials in einem leitenden Behälter angibt.

Die Erfindung läßt sich auch in der herkömmlichen Weise zur Messung der Höhe von laitenden Flüssigkeiten oder anderen nichtkörnigen leitenden Materialien verwenden- Weiterhin kann die Sonde auch zur Erzeugung eines Signals benutzt werden, das angibt, ob ein leitendes körniges Material an der Sonde vorhanden ist oder nicht. Weiterhin kann ein sich änderndes Signal abhängig von der Höhe des leitenden körnigen Materials längs der Probe erzeugt werden. Schließlich kann eine Reihe solcher Sonden für eine Höhe zur Bestimmung des Niveaus von körnigem Material in einem' Behälter eingesetzt werden.

Gegenstand der Erfindung ist somit eine Sonde zum Messen des Pegels von leitenden Materialien in einem leitenden Behälter, die sich auch zum Messen des Pegels von leitenden körnigen Materialien, wie Kohle, anderer Mineralien oder von Kunststoffen oder pflanzlichen Stoffen eignet, die leitend sind. Be-

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vorzugt hat die Sonde einen leitenden Stahlkern, der mit einer Schicht aus isolierendem Kunststoff überzogen und dann von einer Schicht des halbleitenden Materials umschlossen ist, das vorzugsweise aus einem Kunststoff besteht, der teilweise mit einem leitenden Material, beispielsweise Ruß, gefüllt ist. Die Sonde kann auch eine leitende Platte aufweisen, die von einer Isolierung umschlossen ist, die ihrerseits von einer ähnlichen Halbleiterschicht bedeckt ist. Zur Ermittlung der Pegel mittels der erfindungsgemäßen Sonde werden bekannte Theorien und Schaltungen eingesetzt.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Gesamtansicht einer Sonde in einem leitenden

Behälter für die Aufnahme von körnigen Materialien;

Fig. 2 das obere Ende und die Halteeinrichtungen für eine Sonde;

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Sonde an einer Zwischenstelle;

Fig. 4 einen Abschluß mit Halterung für das untere Ende der Sonde;

Fig. 5 einen zweiten Querschnitt der Sonde an einer Zwischenstelle;

Fig. 6 eine alternative Ausbildung des AbschlußStücks des unteren Sondenendes; und

Fig. 7A bis 7 C die erfindungsgemäße Sonde im Einsatz zum Messen der Pegelhöhen verschiedener Materialien.

In Fig. 1 ist ein teilweise aufgeschnittener Behälter 4 mit einer Sonde 1 gezeigt. Der Behälter 4 hat leitende Innenwände wenigstens an seinen vertikalen Flächen, wodurch ein Stromweg von den mit einer Sensorschaltung verbundenen Wänden durch das leitende körnige Material zur Oberfläche der äußeren Halbleiterschicht der Sonde 1 gebildet wird, so daß sich ein Kondensator über der dielektrischen Isolierschicht der Sondg

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ignaleingang

ergibt. Der Leiterkern der Sonde 1 kann mit dem Signaleingang der Sensorschaltung verbunden und zur Anzeige der Pegelhöhe des leitenden körnigen Materials im Behälter 4 verwendet werden. Bevorzugt ist die Sonde 1 mit einem unteren Abschluß 2 und einem oberen Abschluß 3 versehen. Das untere Ende 2 kann an einem Brett 5 im Behälter 4 befestigt sein, während das obere Ende der Sonde 1 an der Oberseite 6 des Behälters 4 befestigt sein kann.

Der Behälter 4 kann jede Art von körnigem oder flüssigem leitenden Material enthalten. Die Sonde läßt sich jedoch besonders günstig bei leitenden körnigen Mineralien, wie Kohle, Eisen oder anderen Metallerzen und dergleichen verwenden, obwohl sie auch bei bestimmten organischen Materialien, wie Holz schnitzeln, verwendet werden kann. Bei dieser Anwendung soll die Sonde 1 etwas flexibel sein, so das sie nicht bricht, wenn körniges Material auf sie trifft, daß in manchen Fällen recht schwer sein kann und in den Behälter 4 mit beträchtlicher Geschwindigkeit fällt, so daß eine starre Sonde beschädigt würde. Außerdem ist es schwierig, starre Sonden für große Behälter herzustellen, zu transportieren und zu installieren. Bevorzugt werden deshalb Sonden mit einem Querschnitt wie er in Fig. 3 und 5 gezeigt ist, wobei der Mittelkern 11 aus einem gewöhnlichen Stahlseil besteht. Bei diesen Stahlseilen handelt es sich um genormte Stahlkabel mit einem Durchmesser von etwa 9,5 mm. Das Dielektrikum wird von einem Isolator 12 mit einer Stärke von 1,5 mm gebildet, der aus natürlichem thermoplastischen Polypropylen besteht und von einer halbleitenden Schicht 13 bedeckt ist, die 3,0 mm stark sein kann und aus einem thermoplastischen, mit Ruß gefüllten Polyurethan besteht.· Diese letztere Schicht 13 ist halbleitend, da sie wenigstens teilweise mit Ruß gefüllt ist, bei dem es sich um ein leitendes Material handelt.

Bevorzugt wird ein Ruß mit einem Gewichtsanteil von 25 % Füllung vervrendet, abhängig von dem zu vermessenden Material kann jedoch der Füllmittelgehalt zwischen 10 und.50 % liegen.

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Die Menge des Füllmittels bestimmt natürlich die Leitfähigkeit der Oberflächenschicht, wodurch eine Optimierung hinsichtlich körniger Materialien verschiedener Größen und Arten erreicht werden kann. Es genügt jedoch eine einzige Menge des Füllstoffs für eine breite Vielfalt von körnigen Materialien.

Die halbleitende Schicht 13 macht die kapazitive Sonde geeignet für die Messung der Pegelhöhe von leitenden körnigen Materialien, sie kann jedoch ebenfalls wie die bekannten Sonden zur Bestimmung der Pegelhöhe leitender Flüssigkeiten eingesetzt werden. Der Kern 11 braucht nicht aus einem geflochtenen Metallseil zu bestehen, sondern kann auch aus einem Massivstab oder aus einem Rohr irgendeines leitenden Materials hergestellt sein, wenn die Umstände ein etwas flexibles Metallseil nicht erfordern.

Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des oberen Abschlußstücks 3 der Sonde 1. Die Sonde ist an der Oberseite des Behälters 4 an einem Gewindeflansch gehalten. An der Sonde 1 greift eine Anschlußhülse35 an, die in den Eingriff mit der Sonde 1 durch die Wirkung einer Verjüngung an der Hülse 35 una einer damit zusammenwirkenden konischen Verjüngung an einer Gewindebüchse 42 gedrückt wird, wobei auf die Hülse 35 durch einen Gewindestopfen 34 eingewirkt wird. Wenn der Gewindestopfen 34 auf die Gewindehülse 42 geschraubt wird, wird die Hülse 35 nach oben in die Gewindehülse 42 gedrückt, wodurch die Hülse 35 auf der Sonde 1 festgezogen wird. Auf diese Weise sind die äußere halbleitende Schicht 13 und in innere Isolierschicht 12 mit dem Stahlkern 11 verklemmt. Wenn eine solche Sonde 1 vertikal aufgehängt wird, dehnen sich die schwächeren KunststoffÜberzüge stärker als der Kern. Da die Überzüge an dem Kern mittels der Hülse 35 festgeklemmt sind, halten sie darauf fest entsprechend dem Poisson¹sehen Verhältnis, so daß sie vollständig sowohl elektrisch als auch mechanisch mit dem Kern gekoppelt bleiben. Auf die Außenfläche durch das zu vermessende Material ausgeübte Reibung drückt den Kunststoff noch fest an.

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Die Isolierschicht und die halbleitende Schicht brauchen am Kern nicht festgeklemmt zu werden, damit diese Schichten am Kern entsprechend auf die Kraft längs der Sonde festliegen. Der Kern ist eine zweckmäßige Stelle zum Festklemmen beider Schichten gleichzeitig mit einer Klemme, ein eigenes festes Anliegen tritt ein, wenn die Schicht separat oder miteinander an dem gleichen Element oder an verschiedenen Elementen des oberen Abschlußstücks festgeklemmt sind. Die Gewindehülse paßt in einen Gewindestahlstopfen 36, der eine Halterung für die Sonde 1 in der oberen Wand 6 des Behälters 4 bildet. Die Gewindehülse 42 greift auch an einem Gehäuse 30 an, das eine nicht gezeigten elektrischen Draht umschließt, der die Sonde mit der Sensorsehaitung verbindet. Dieser Draht kann mit einem stirnseitigen Außenstück 37 verbunden werden, das direkt mit dem Mittelkern 11 der Sonde 1 mittels einer Stiftschraube oder einer anderen Kontakteinrichtung verbunden werden kann. Der Draht kann von dem stirnseitigen Endabschnitt 37 zu einem Stecker 33 geführt werden. Es kann ein beliebiger elektrischer Stecker zur Verbindung der Sonde mit der Sensorschaltung verwendet werden. Ein oberer Stopfen 41 dient zusammen mit dem stirnseitigen Abschlußstück 37 zum Verschluß der Sonde und hält ihre obere Stirnseite fest an der Isolierhülse 40, die das Abschlußstück 3 der Sonde 1 gegenüber der oberen Wand 6 des Behälters 4 isoliert und somit die Ausbildung eines Kondensators zwischen der Wand des Behälters 4 und dem Kern ermöglicht. In das Gehäuse 30 kann ein zweites Gehäuse 32 geschraubt werden, um einen leichten Zugang zur Steckverbindung 37 zu haben. Zum Verschließen des Endes eines als Gehäuse verwendeten üblichen Paßstücks kann ein Stopfen 31 eingesetzt werden.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Sonde vollständig gegenüber der oberen Wand 6 des Behälters 4 isoliert, die halbleitende Schicht steht jedoch in Kontakt mit dem Gehäuse Bei manchen Ausführungsformen ist diese Schicht mit dem oberen Abschlußstück elektrisch nicht verbunden. Dies kann in einfacher Weise durch eine Anzahl bekannter Hilfsmittel erreicht werden.

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Es würde genügen, die halbleitende Schicht 13 von der Sonde unterhalb des stirnseitigen Stopfens 34 zu entfernen. In diesem Fall steht die Isolierschicht 12 in Kontakt mit den metallischen Verbindungsstücken, beispielsweise mit der Gewindehülse 42. '

Ein bevorzugtes unteres Abschlußstück der Sonde 1 ist in Fig. gezeigt. Die Sonde 1 hat eine halbleitende Schicht 13 und endet in einem eingedrückten Dorn 14, der in das untere Ende des Kabels 11 getrieben ist, um so einen festen massiven Abschluß zu bilden. Der Dorn 14 wird durch ein metallisches Ende 16 gehalten, das zum Befestigen des unteren Endes der Sonde 1 an einem Block 23 dient, der seinerseits in eine Isolierhülse 17 und einen Stopfen 20 paßt und gegen einen Isolierstopfen 22 drückt. Auf diese Weise ist das gesamte Endstück der Sonde 1 gegenüber allen metallischen Elementen isoliert, die für ihre Verbindung mit dem Brett 5 benutzt werden können. Beispielsweise kann eine äußere Hülse 18 leicht in Eingriff mit einem Stopfen 21 gebracht werden, wodurch eine Verbindung mittels eines Bolzens 19 am Brett 5 erreicht wird. Zusätzliches Füllmaterial, wie Epoxymaterial 15 dient zur weiteren elektrischen Isolierung der Sonde gegenüber den leitenden Wänden und dem Brett 5 des Behälters 4. Das untere Abschlußstück kann anstelle der Befestigung am Behälter über das Brett 5 nach Fig. 4 auch freihängend angeordnet werden. Ein unbefestigter unterer Endabschnitt ermöglicht es jedoch, daß sich die Sonde bezüglich der Behälterwände bewegt, was jedoch zu keinem wesentlichen Verlust an 'Meßgenauigkeit führt, da die Außenschicht des Abschnitts der Sonde, die von dem leitenden Material überzogen ist, wirksam durch das leitende Material geerdet wird.

Einer der Vorteile der Verwendung eines Stahlseils für den Kern einer solchen doppelbeschichteten Sonde besteht, wie erwähnt, darin, daß der Kern etwas flexibel ist. Wenn der Kern flexibel sein muß, müssen dies auch die Beschichtungen sein. Dies ist ein Vorteil der Verwendung der genannten Polyurethan- und Polypropylenmaterialien. Ein zweiter Grund für die Verwendung

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von Polyurethan für die Außenschicht ist der Abriebswiderstand. Eine fortlaufend bei Materialien, wie Kohle oder Mineralerzen verwendete Sonde wird einem starken Abrieb ausgesetzt. Polyurethan ist jedoch gegenüber dem Abrieb äußerst widerstandsfähig. Der Zusatz von Kohlenstoff zum Polyurethan erhöht diesen Abriebswiderstand weiter.

Ein zweiter Vorteil der Verwendung eines Stahlseils als Kern besteht darin, daß es Wellungen hat, die dazu dienen, die Kunststoffüberzüge auf seiner Oberfläche zu halten. Ein doppellagiges Drahtseil eignet sich besonders, da seine Stränge zu Bündeln in einer Richtung entgegengesetzt zu der Richtung gewickelt sind, in der die Bündel zum Seil gewickelt sind. Dies hat zwei Vorteile. Wenn das Seil so gedreht wird, daß es sich aufwickelt, werden die einzelnen Bündel fest gewickelt und widerstehen somit dem Aufwickeln. Wenn die Isolierung nicht mit dem Drahtseil verbunden ist, wird die Neigung der Isolierung am Seil entlang zu rutschen durch die Schraubwirkung verringert, da die einzelnen Stränge quer zur Richtung der Schraubwirkung liegen. In diesem Zusammenhang ist das Verfahren zur Herstellung der Sonde von besonderer Bedeutung. Es ist erforderlich, daß keine Luftspalte zwischen der Isolierung und der Sonde oder zwischen der Isolierung und der halbleitenden äußeren Schicht vorhanden sind, da die Sonde dadurch eine zusätzliche variable Kapazität erhalten würde, wodurch die Meßergebnisse etwas ungenau würden. Weiterhin ist erforderlich, daß die überzüge fest aneinanderliegen, so daß eine gute mechanische Kupplung erhalten wird, wodurch aufgrund der Festigkeit des Stahlseilkerns die äußeren etwas schwächeren Kunststoffschichten getragen werden können. Ein geeignetes Verfahren zum Aufbringen der Beschichtungen auf das Seil besteht im Extrudieren der Schichten über das Seil in einem kontinuierlichen Prozeß, wobei die so hergestellte Sonde anschließend auf die gewünschte Länge zugeschnitten und mit geeigneten Abschlußstücken versehen wird.

Eine andere Möglichkeit ist das Aufimprägnieren der isolierten Beschichtung auf das Seil derart, daß die Isolierung in die schmalen Zwischenräume zwischen den verschiedenen Drähten

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strömt, wodurch die Seilstränge aufgefüllt und dann die äußere Lage dieser Beschichtung mit einem leitenden Material, beispielsweise mit Ruß, gefüllt wird. Eine andere Möglichkeit besteht in der Verwendung einer Außenschicht aus einem Material, welches einstückig mit der Isolierschicht verbunden ist. Die genannte Polypropylenisolierschicht kann mit der Polyurethanhalbleiterschicht nicht verbunden werden. Dies ist jedoch für die Bildung eines Stücks im mechanischen Sinn nicht erforderlich. Wie erwähnt, wird durch ein Festklemmen der Kunststoffschichten am Kern und durch ein Aufhängen der Sonde von der Klemme ein Festlegen der Kunststoffschichten an der Sonde nach dem Poisson¹sehen Verhältnis erreicht.

Fig. 5 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Verbessung der mechanischen und elektrischen Kupplung zwischen den Schichten, wobei die Oberfläche der Isolierschicht aufgerauht wird, ehe die Halbleiterschicht 13 aufgebracht wird. Auf diese Weise hat die Zwischenfläche 9 Nuten oder Riefen, die an der später aufgebrachten halbleitenden Schicht angreifen. Ein Verbinden der beiden Schichten miteinander mittels Wärme und Druck kann sehr nützlich sein. So kann beispielsweise eine innere Schicht aus Polytetrafluoräthylen zur Bildung der Isolierschicht 12 verwendet werden, die dann innerhalb eines Rohres aus Polytetrafluoräthylen, das mit einem leitenden Material gefüllt ist, einschlossen wird. Wenn ein Ende des Rohres geschlossen ist und wenn das andere Ende des Rohres mittels einer Vakuumpumpe abgesaugt wird, während Atmosphärendruck und Wärme auf die Sonde einwirken, paßt sich die halbleitende äußere Schicht sehr eng an die innere Schicht an und verbindet sich mit ihr aufgrund des Vorhandenseins von Wärme, so daß sich eine hervorragende mechanische und elektrische Verbindung ergibt.

Die Leitfähigkeitskonstante und die Dielektrizitätskonstante der beiden Schichten, die auf den leitenden Kern aufgebracht werden, ist wichtig im Hinblick auf die Optimierung der Leistung und Genauigkeit der Messung der Sonde. Wesentlich ist, daß die

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Isolierschicht gesättigt ist. Das heißt, daß die halbleitende Schicht ausreichend leitend gemacht werden muß, damit sie, wenn sie in Kontakt mit den leitenden körnigen Materialien kommt, eine Äquipotentialfläche wie eine Kondensatorplatte bildet, wobei der zentrale Kern die andere Platte ist. Die Sättigung ergibt sich, wenn der Widerstand zwischen der Außenseite der Isolierschicht und Masse, gewöhnlich den Behälterwänden, bezüglich des Widerstands der Isolierschicht niedrig genug ist, damit kleine Änderungen des Widerstands bzw. der Impedanz zwischen der Außenseite der Isolierschicht und Masse bzw. Erde einen geringen Einfluß auf den Widerstand bzw. die Impedanz zwischen Sonde und Masse bzw. Erde haben. Auf diese Weise wird nur der Isolationsscheinwiderstand des Abschnitts der Sonde gemessen, der von dem zu verwendenden Material bedeckt ist. Um eine Sättigung zu erhalten, wenn zu vermessende Materialien eingesetzt werden, die eine niedrige Leitfähigkeit, also eine hohe Impedanz haben, wird eine Isolation mit einer hohen Impedanz, d.h. einer niedrigen Kapazität, verwendet. Dies kann durch Verwendung einer Isolation mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante oder dadurch erreicht werden, daß das Verhältnis von Außen- zu Innendurchmesser der Isolation großgemacht wird. Eine hohe Isolationsimpedanz ergibt sich auch, wenn die Messung bei einer niedrigen Frequenz ausgeführt wird. Es hat sich gezeigt, daß geeignete Sonden zum Messen der Pegelhöhe eines Materials, wie Kohle, eine Außenschicht mit einer Leitfähigkeit von O,5 bis 2 μίΖ/cm und eine Kapazität von etwa 230 pF/m haben sollen, wenn eine Sättigung vorliegt und der Einsatz bei einer Frequenz von 50 kHz erfolgt. Eine solche Sonde saturiert mit einem Material mit einer Leitfähigkeit von 2 μίΐ/cm in Behältern üblicher Abmessungen.

Weiterhin soll die äußere halbleitende Schicht stark genug sein, um einen Abrieb auszuhalten. Je stärker die Schicht ist, desto mehr Verschleiß ist möglich und desto langer kann die Sonde richtig arbeiten. Je leitender diese Schicht ist, desto besser verbindet sie die Kontaktpunkte mit einem körnigen Material, wodurch eine Äquipotentialfläche erzeugt wird. Je leitender

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die Schicht ist, desto größer wird jedoch auch der von ihr erzeugte, in der US-PS 4 064 753 beschriebene "Beschichtungsfehler". Dieser ergibt sich, weil die Beschichtung selbst etwas leitend ist oder eine daran haftende Schicht aus leitendem Material hat, wodurch ein zusätzlicher Stromweg zur Masse von einem Bereich aus erzeugt wird, der sich nicht innerhalb des Höhenpegels des zu vermessenden Materials befindet, wodurch ein Fehler in die Messung eingeführt wird. Zur Beseitigung dieses BeSchichtungsfehlers kennt man mehrere Möglichkeiten, zu denen nach der US-PS 4 064 753 die Verwendung einer zweiten Elektrode gehört, deren Ausgangssignal mit der Sondeneiektrode verglichen werden kann, wodurch der Effekt des zu vermessenden Materials, das an der Sondenelektrode haftet, beseitigt werden kann. Dieses Verfahren ist jedoch bei der Erfindung nicht anwendbar.

Der genannte Faktor kann dadurch berücksichtigt werden, daß zwei Signale erzeugt werden, wobei eines proportional zur Konduktanz von Sonde zu Masse und das andere proportional zur Suszeptanz von Sonde zu Masse ist. Durch Abziehen dieser Werte voneinander ergibt sich ein Ausgangssignal, das nur noch proportional zu der Pegelhöhe des zu vermessenden Materials ist. Im einzelnen ist dies in der US-PS 3 746 975 beschrieben.

Die erfindungsgemäße Sonde eignet sich zum Messen der Pegelhöhe von leitenden Materialien unabhängig davon, ob diese aus großen oder kleinen Körnern oder. Flüssigkeit bestehen. Wie in Fig. 7A gezeigt ist, ist die Sonde 50 in einem Material 75 in.einem Behälter 70 eingetaucht und mit einer admittanzempfindlichen Schaltung 60 verbunden. Es können jedoch auch einfache Ein-Aus-Signalsonden verwendet werden, also Sonden, die sich nicht über eine große Distanz erstrecken und nur das Vorhandensein oder das Fehlen von Material auf einer speziellen Höhe anzeigen. Eine Reihe solcher Sonden kann zur Erzielung einer ' Anzeige einer Pegelhöhe verwendet werden, wenn sie in einer vertikalen Reihe in einem Behälter im Abstand angeordnet sind. Eine zweite Möglichkeit sieht die Verwendung von Sonden vor,

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die in Schienen in 4en Behälterwänden gleiten. Schließlich kann auch eine Schutzschildelektrode nach der US-PS 4 064 verwendet werden.

Bei der in Fig. 7B gezeigten Anwendung wird die Höhe der Zwischenfläche zwischen zwei nichtvermischbaren Flüssigkeiten 76 und 77 in einem Behälter 70 gemessen. Eine Sonde 50, die mit einer auf Admittanz ansprechenden Schaltung 60 verbunden ist, hat dabei eine solche Isolationsimpedanz, daß sie durch die eine Flüssigkeit saturiert wird, nicht jedoch durch die andere. Wenn die Zwischenfläche sich zwischen dem leitenden Material und einem halbleitenden Material befindet, muß eine Sonde mit hoher Isolationkapazität verwendet werden, um die Sättigung der halbleitenden Phase zu verhindern. Diese hohe Isolationskapazität kann durch Verwendung einer sehr dünnen Isolierung erreicht werden. Die Verwendung einer sehr dünnen Isolierung auf einem leitenden Kern führt jedoch zu folgenden Problemen. Es ist wahrscheinlich, daß sie mehr Poren als eine dicke Isolierung aufweist, so daß leitende Flüssigkeiten Zutritt haben und die Sonde erden. Eine dünne Isolierung reißt leichter als eine dicke Isolierung. Wenn die Isolierung teilweise verschlissen oder erodiert ist, ergibt sich eine prozentual größere Änderung der Sättigungskapazität als wenn eine dicke Isolierung in der gleichen Weise verschleißt. Diese Probleme werden durch Einsatz des ZweiSchichtverfahrens gelöst. Die äußere halbleitende Schicht verhindert, daß Material in die Poren in der inneren Schicht eintritt, und schützt die innere Schicht vor Beschädigungen. Der Verschleiß tritt nur an der äußeren Schicht auf und hat dadurch einen vernachlässigbaren Einfluß auf die Messung. Die Mittel zur Herstellung einer solchen Sonde sind die gleichen wie vorher beschrieben, mit der Ausnahme, daß in diesem Fall eine hohe Isolationskapazität mit einer äußeren Schicht mit hoher Leitfähigkeit verwendet wird, so daß die Füllmenge der äußeren Kunststoffschicht und die Stärke der inneren Schicht nach etwas unterschiedlichen Kriterien bestimmt werden. Eine solche Sonde hat als leitenden Kern zweckmäßigerweise einen Metallstab oder ein Rohr, wodurch

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sich ein konstanter Innendurchmesser für die isolierende Innenschicht ergibt, wobei die Flexibilität gewöhnlich keinen Vorteil bei der Messung von Flüssigkeiten bietet. Sine solche Sonde wird am unteren Ende, wie in Fig. 6 gezeigt, abgeschlossen, wobei die Isolierschicht 12 sich über¹ das Ende des leitenden Kerns 11 hinaus erstreckt. Der sich ergebende Raum wird mit einem Isolierstopfen 43 ausgefüllt, der aus dem gleichen Material wie die Isolierschicht 12 besteht, so daß die Verbindung zwischen der Isolierschicht 12 und dem Stopfen 43 durch Hitze verschweißt werden kann. Dann kann die halbleitende Schicht 13 über die Isolierschicht

12 aufgebracht werden. Die Halbleiterschicht 13 kann so aufgebracht werden, daß sie mit dem unteren Ende der Isolierschicht 12 in der gezeigten Weise bündig ist, oder in einer mit dem Abschluß der Isolierschicht ähnlichen Weise, wobei sie sich über das untere Ende der Isolierschicht 12 und den Stopfen 43 erstreckt. Der sich ergebende Raum wird mit einem Stopfen aus gleichem Material wie die Halbleiterschicht

13 gefüllt. Die Isolierschicht 12 kann auch bündig zu dem unteren Ende des leitenden Kerns 11 sein, wobei sich die halbleitende Schicht 13 über die Isolierschicht 12 hinaus erstreckt und der sich ergebende Raum mit einem Stopfen gefüllt wird, der aus Jem Basismaterial der halbleitendeii Schicht 13 ohne leitendes Füllmaterial hergestellt und mit der halbleitenden Schicht 13 durch Wärme verschweißt wird. Eine weitere Anwendung einer solchen zweilagigen Sonde mit hoher Kapazität besteht in der Messung von leitenden Materialien, wie Aufschlämmungeri, die Beschichtungen an einer Sonde lassen. Wie in Fig. 7C gezeigt ist, führt dies zu einer fälschen Anzeige der Pegelhöhe der Aufschlämmung 78 an der Sonde 50, wenn diese wie üblich an die auf die Admittanz ansprechende Schaltung 60 für die zu messende Pegelhöhe der Aufschlämmung 78'im Behälter 70 angeschlossen ist. Die Schichten auf einer Sonde haben den geringsten Einfluß auf eine Pegelhöhenmessung, wenn das Verfahren nach der US-PS 3 746 975 verwendet wird, wobei die Sondenisolationsimpedanz niedrig zu sein hat. Wenn diese niedrige Isolationsimpedanz durch Verwendung einer dünnen Isolierschicht erreicht wird, ergibt sich eine merkliche Steigerung

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der Steifigkeit, ohne daß die Fähigkeit verlorengeht, die sich bildende Aufschlämmungsschicht zu vernachlässigen, wenn die dünne Isolierung mit einer dickeren Halbleiterschicht überzogen wird.

Die e'rfindungsgemäße Sonde arbeitet auch als übliche Kapazitätssonde trotz des Zusatzes der halbleitenden Schicht, und kann zum Messen von Pegeln nichtleitender Materialien verwendet werden.

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Claims

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MARIAHILFPLATZ 2*3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O, D-8000 MÖNCHEN 95

DREXELBROOK CONTROLS, INC..

ALSO PROf=ESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFPICE

KARL LUOWIS SCHIFF (19Θ4-197Β)

DIPL, CHEM. DR. ALEXANDER V. FUNER

DIPL. INQ. PETER STREHL

DIPL. CHEM. DR. URSULA SCHÜBEL-HOPF

DIPL. INS. DIETER EBBINGHAUS

DR. INQ. DIETER FINCK

TELEFON (089)48 2064

TELEX 5-23 565 AURO D

TELEGRAMME AUROMARCPAT MÜNCHEN

4. September 1980 DEA/G-20497

Sonde zum Messen der Pegelhöhe

von leitenden Materialien in einem Behälter

Patentansprüche

Sonde zum Messen der Pegelhöhe von leitenden Materialien in einem Behälter mit einem leitenden Kern und einem isolierenden Überzug auf dem Kern, gekennzeichnet durch eine halbleitende Beschichtung (13) auf der Isolierung (12), wobei die Halbleitende Beschichtung (13) eine Äquipotentialfläche bezüglich des Kerns (11) wird, wenn sie mit leitenden Materialien bedeckt ist.

2. Sonde nach Anspruch 1, insbesondere zum Feststellen der Anwesenheit von leitenden Materialien, gekennzeichnet durch eine leitende Elektrode, einen Isolierüberzug auf der Elektrode, der einen Kontakt der Elektrode mit den leitenden Materialien verhindert und durch einen halbleitenden Überzug auf der Isolierschicht, wodurch die halbleitende Isolierschicht eine Äquipotentialfläche bezüglich der Elektrode wird, die von den leitenden Materialien bedeckt ist.

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3. Sonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (11) ein Stahlseil ist.

4. Sonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Beschichtung in das Seil imprägniert ist.

5. Sonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die halbleitende Schicht (13) dadurch erzeugt ist, daß die Oberfläche der isolierenden Schicht (12), die sich nicht in Kontakt mit der Sonde befindet, mit einem leitenden Füllmaterial imprägniert ist.

6. Sonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial Ruß ist.

7. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennz eichnet,- daß die isolierende Beschichtung (12) Polypropylen ist.

8. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die halbleitende Beschichtung (13) mit Ruß gefülltes Polyurethan ist.

9. Sonde nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ruß 10 bis 50 % der halbleitenden Schicht (13) betragt.

10. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Sondenelement und ein oberes und unteres Endstück, wobei das Sondenelement einen leitenden Kern hat, der von einer Isolierschicht und dann weiterhin von einer halbleitenden Schicht bedeckt ist, der leitende Kern elektrisch von den leitenden Materialien und elektrisch von der Außenumgebung des oberen

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Endstücks isoliert und mit einem elektrischen Anschluß an eine elektrische Klemme versehen ist, die mit einer Sensorschaltung verbindbar ist, um ein Signal für die Pegelhöhe der leitenden Materialien im Behälter zu erzeugen.

11. Sonde nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern ein Stahlkabel aufweist.

12. Sonde nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht einen Kunststoff aufweist. »

13. Sonde nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die halbleitende Schicht einen Kunststoff aufweist, der wenigstens teilweise mit einem leitenden Material gefüllt ist.

14. Sonde nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Schicht Kunststoff aufweist und die halbleitende Schicht eine Schicht aus einem isolierenden Material aufweist, das mit einem leitenden Material gefüllt ist.

15. Sonde nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Schicht vor dem Aufbringen der jhalbleitenden Schicht aufgerauht ist.

16. Sonde nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende und die halbleitende Schicht miteinander durch gleichzeitige Anwendung von Wärme und Druck verbunden sind.

17. Sonde nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die halbleitende und die isolierende Schicht an dem Kern am oberen Endstück verklemmt sind.

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18. Sonde nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die halbleitende Schicht und
die Isolierschicht am oberen Endstück angeklemmt sind.

19. Sonde nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Endstück Mittel zum
Festlegen des unteren Endes im Behälter aufweist, die
elektrisch vom Kern isoliert sind.

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