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Explosion sg eschützte Vorrichtung für die
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kapazitive Füllstandsmessung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur explosionsgeschützten kapazitiven Füllstandsmessung mit einer Meß-Elektrode,
welche abdichtend in einen Behälter eingeführt ist, einem Meß-Fühler-Stab und einer
elektrischen Meßumformer-Baugruppe.
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Bei der bekannten kapazitiven Füllstandsmessung wird eine Meß-Elektrode
in den Behälter, dessen Füllstand gemessen werden soll, eingetaucht und die mit
der Änderung der Füllstandshöhe erfolgenden Kapazitätsänderungen ermittelt.
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Da bei derartigen Füllstandsmessungen auch Behälter mit hochexplosiven
Substanzen vermessen werden und bei der Messung in den Versorgungs- und Auswertegeräten
Spannungen angelegt werden und Ströme fließen, die unter Umständen zu Zündfunken
führen können, müssen besondere Maßnahmen zur Vermeidung von Explosionen getroffen
werden.
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Herkömmlicherweise werden zur Vermeidung von Explosionen der Meß-Fühler
und jene elektrischen Bauteile, die im explosionsgefährdeten Bereich angeordnet
sind, mit so geringen Spannungen bzw.
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Strömen betrieben, daß auch im Störungsfalle keine Zündfunken oder
unzulässig hohe Temperaturen auftreten können. Hierzu sind allerdings auch die Versorgungs-
und Auswerteschaltungen explosionssicher auszugestalten, so daß die Herstellungskosten
der Geräte erheblich ansteigen.
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Ein Keramikröhrchen, in welchem der die Meßelektrode mit den nachgeschalteten
elektronischen Bauelementen (Kapazitätsstromwandler und Trennwandler) verbindende
Kontaktstift eingelötet ist, weist den Nachteil auf, daß die Außenfläche des Keramikröhrchens
durch Änderungen des Feuchtigkeitsgrades und z. B. dadurch bedingte leitfähige Beläge
ihre Leitfähigkeitseigenschaften ändern kann, so daß kapazitive Durchgriffe auf
den Meß-Fühler-Stromkreis auftreten können, welche Fehlmessungen zur Folge haben.
Beispielsweise kann beim Reinigen des Geräts mit einem Wasserstrahl eine solche
Leitfähigkeitsänderung der Außenwandung des Keramikröhrchens auftreten.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße
Vorrichtung zur kapazitiven, explosionsgeschützten Füllstandsmessung derart zu verbessern,
daß eine erhöhte Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messungen erreicht wird.
Dabei soll durch die Erfindung insbesondere auch erreicht werden, daß die Explosions-Schutzmaßnahmen
auf die Meß-Fühler-Anordnung beschränkt werden können, so daß die nachfolgenden
Meßumformer-, Versorgungs- und Auswerteschaltungen keine besonderen Schutzmaßnahmen
mehr erfordern.
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Erfindung sg em äß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Meßelektrode
über einen in einem Keramikröhrchen verlöteten Kontat stift mit den Versorgungs-
und Auswertegeräten verbunden ist und das Keramikröhrchen auf seiner Außenfläche
zumindest abschnittweise eine geerdete Metallbeschichtung aufweist.
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Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Metallisierung der Außenwandung
des Keramikröhrchens wird erreicht, daß keine veränderlichen kapazitiven Durchgriffe
auf den Meß-Fühler-Kreis mehr zu beklagen sind, da evtl. auf der Außenwand auftretende
Potentiale sofort abgeleitet werden bzw. zwischen Kontaktstift und geerdeter Metallisierung
eine unveränderliche Durchführungskapazität besteht.
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Vorteilhafterweise wird das Keramikröhrchen in einer Laterne, einem
Schutzrohr mit Queröffnungen zur Außenluft, angeordnet.
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Mit dieser Anordnung ist es möglich, sämtliche Explosions-Schutzmaßnahmen
auf die Meß-Elektrode zu beschränken, so daß die nachfolgenden Versorgungs- und
Auswerteschaltungen normal, d.h.
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ohne Explosions-Schutzmaßnahmen ausgeführt werden können. Daraus ergeben
sich für die erfindungsgemäße Vorrichtung Vorteile hinsichtlich eines einfachen
Aufbaues, des Preises, der Lagerhaltung, der gestalterischen Freiheit des Konstrukteurs
als auch hinsichtlich der Kombinationsmöglichkeiten mit verschiedenen Auswertegeräten.
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Das Keramikröhrchen stellt sicher, daß keine explosionsgefährlichen
Gase aus dem Behälter in die Nähe der Meßwertumformerschaltungen gelangen können.
Sollten aber infolge einer Beschädigung des Keramikröhrchens trotzdem Gase hindurchdiffundieren,
so gewährleisten die in der Laterne vorgesehenen Öffnungen zur Außenluft, daß die
Gase sofort abgeführt bzw. ihre Konzentration soweit verdünnt wird, daß keine explosionsgefährlichen
Konzentrationen in der Nähe der Meßumformer-Baugruppe auftreten können.
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Vorzugsweise ist das Keramikröhrchen an seinen beiden Stirnflächen
mittels Federn leitend mit der Meßelektrode bzw. der Meßumformer-Baugruppe verbunden.
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Aus Isolationsgründen ist das Keramikröhrchen nicht vollständig mit
einer Metallbeschichtung versehen.
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Die Metallbeschichtung auf der Außenwandung des Keramikröhrchens beeinträchtigt
den Explosionsschutz auch dann nicht, wenn Brüche in der Keramik auftreten, da derartige
Brüche auch zur Zerstörung des äußerst dünnen Metallfilmes führen, so daß die durchdiffundierenden
Gase nach außen treten können.
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Die Genauigkeit der Füllstandsmessung wird auch insbesondere dadurch
gefördert, daß für den eine galvanische Trennung
zwischen Meß-Elektrode
und Versorgungs- und Auswertegeräten vorgesehenen Trennwandler zwei Paare von bifilaren
Wicklungen vorgesehen sind, deren Anfänge und Enden bei den primärseitigen Wicklungen
so geschaltet sind, daß zwischen ihnen jeweils ausschließlich ein statischer Potentialunterschied
besteht.
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Es entspricht dem Stand der Technik, in derartigen Trennwandlern Gegentaktzerhacker
mit zur Reduzierung von Streuinduktivitäten ineinander verschachtelten Wicklungen
vorzusehen. Zur Erzielung optimaler Verkoppelung beider Gegentaktwicklungen untereinander
und damit optimaler Übertragungsvoraussetzungen wäre der Einsatz von Bifilar-Wicklungen
besonders vorteilhaft, welcher allerdings bisher wegen der zwischen den beiden Drähten
zu verzeichnenden hohen Kapazität nicht in Frage kam.
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Durch die erfindungsgemäße Schaltung der Anfänge und Enden der primärseitigen
Wicklungen ist es aber möglich, bifilare Wicklungen einzusetzen, ohne daß von den
Wicklungs-Kapazitäten ausgehende unerwünschte periodisch wiederkehrende kapazitive
Ladeströme entstehen. Durch diese Schaltung ist ausschließlich ein statischer (fester)
Potentialunterschied zwischen den beiden Wicklungen gegeben. Dynamische Potentialdifferenzen,
die kapazitive Umladeströme zur Folge hätten, treten hingegen nicht auf. Auch die
beiden Enden der Wicklungen werden so geschaltet, daß wiederum eine rein statische
Potentialdifferenz der beiden Wicklungsenden zueinander auftritt, so daß auch hier
kapazitive Umladeströme vermieden sind.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben.
Dabei zeigt: Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur kapazitiven,
explosionsgeschützten Füllstandsmessung im Bereich der Meßelektrode und Fig. 2 ein
Schaltbild eines erfindungsgemäßen Trennwandlers.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Meß-Elektrode
49 ist ein Führung steil 29 in die Behälterwand (nicht gezeigt) mittels eines Gewindes
45 einschraubbar. An der Druckschraube 21 ist eine Belüftungslaterne 17 ausgeformt,
entlang deren Mittelachse ein Keramikröhrchen 13 angeordnet ist. Der Meß-Fühler
43 ist fest im Führungsteil 29 verankert und nur ansatzweise gezeigt. Zwischen Meß-Fühler
43 und Führungsteil 29 befindet sich eine Isolationsschicht 39 aus PTFE. Die PTFE-Isolationsschicht
39 weist einen Längenbereich von etwa 40 mm auf, welche ausreicht, um einen flammendurchschlagsicheren
Spalt 41 zu bilden, so daß eine evtl. außen auftretende Zündung sich nicht in das
Innere des Behälters (nicht gezeigt) fortpflanzen kann. Mittels des Kunststoffringes
25, des Stabhalters 27 und der Druckschraube 21 erhält der Meß-Fühler 43 (über die
Isolationsschicht 39 hinaus) eine zweite Lagerung. Innerhalb des einschraubbaren
Führungsteiles 29 ist die Isolationsschicht 39 in einen Kragen 37 aufgeweitet. Wird
die Druckschraube 21 angezogen, so wird über die Druckscheibe 31 und die abgestufte
Kunststoffhülse 33 auf die untere Stabhalterschulter 35 ein Druck ausgeübt, so daß
sich das Kunststoffmaterial des Kragens 37 in die konusförmige Aufnehmung in dem
Führungsteil 29 einpreßt und somit eine Dichtung bildet.
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Zwar verhindert die Dichtung mittels des Kragens 37 das Auslaufen
von Flüssigkeiten, doch muß bei bestimmten Stubstanzen mit der Diffusion von Gasen
durch den Kunststoff gerechnet werden. Die durchdiffundierten Gase können sich in
dem Raum 47 für die Meßumformer-Bauteile sammeln, so daß es dort zu Explosionen
kommen kann, falls keine weiteren Maßnahmen getroffen sind.
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Damit keine explosiven Gase in den Raum 47 gelangen können, weist
die Druckschraube 21 eine angeformte Belüftungslaterne 17 auf, welche entlang ihrer
Mittelachse von dem Keramikröhrchen 13 durchsetzt wird. Das Keramikröhrchen 13 ist
innen vollständig metallisiert, so daß der Kontaktstift 15 vollständig abdichtend
in
dem Röhrchen verlötet werden kann. Die Metallbeschichtung 14
auf der Außenseite des Keramikröhrchens 15 ist mit dem geerdeten Führungsteil 29
leitend verbunden, so daß es zu keinen statischen Aufladungen auf der Oberfläche
des Keramikröhrchens 13 kommen kann. Die Laterne 17 ist ringsum mit Öffnungen 16
versehen, so daß bei Störungen durch das Keramikröhrchen 13 austretende bzw.
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diffundierende Gase durch die Öffnungen 16 in die Außenluft abtreten
und somit eine Verdünnung der Konzentration der Gase eintritt, welche die Explosionsgefahr
mindert. Es hat sich gezeigt, daß dann, wenn das Keramikröhrchen 13 Bruchstellen
aufweist, auch die äußerst dünne Metallschicht auf der Außenwandung Öffnungen aufweist,
so daß die Gase frei durchtreten können. Das Keramikröhrchen 13 wird mit zwei 0-Ringen
11 und 19 in der Laterne 17 fest eingespannt und gegen Flüssigkeitsdurchtritt abgedichtet.
Mittels des Sprengringes 7 und der unterliegenden Wellscheibe 9 wird das Keramikröhrchen
13 im Oberteil der Laterne 17 fixiert. In dem mit dem Bezugszeichen 5 markierten
Bereich weist das Keramikröhrchen 13 einen reduzierten Durchmesser auf und ist zur
Isolation nicht mit einer Metallschicht versehen. Die Kontaktfedern 1 und 23 stellen
die elektrischen Anschlüsse des Kontaktstiftes 15 einerseits zum Meß-Fühler 43 und
andererseits zu der Meßumformer-Baugruppe her. Die obere Feder 1 wird von einer
mit dem Kontaktstift 15 verlöteten Kontakthülse 3 aufgenommen, während die untere
Feder 23 unmittelbar vom Kontaktstift 15 selbst geführt wird.
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Der in Fig. 2 dargestellte Trennwandler 50 weist im wesentlichen die
beiden Zerhackertransistoren 51 und 71, den Gegentaktübertrager 77 und die Gleichrichterdioden
79 und 85 auf.
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Das Rechteck-Steuersignal gelangt zum Gate-Anschluß 57 des Transistors
51 sowie über den Kondensator 59 zum Gate-Anschluß 65 des Transistors 71. Die beiden
Widerstände 53 und 67 legen das Arbeitspotential für das Gate des Transistors 71
fest. Sie sind so
hochohmig, daß der Kondensator 59 sein Ansteuersignal
ungehindert dem Gate-Potential aufprägen kann. Der Transistor 51 schaltet das Ende
73 der Wicklung 61 des Gegentaktübertragers 77 im Rhythmus des Rechtecksteuersignales
zur Minus-Leitung 55 durch. Der Anfang 89 der Wicklung 61 bleibt ständig mit der
Plus-Leitung 69 verbunden. Der Transistor 71 schaltet das Ende 75 der Wicklung 63
im gleichen Rhythmus des Steuersignales zur Plus-Leitung 69 durch, jedoch derart
phasenverschoben, daß der Transistor 71 stets dann leitet, wenn der Transistor 51
gerade sperrt. Der Anfang 87 der Wicklung 63 bleibt ständig mit der Minus-Leitung
55 verbunden.
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Auf diese Weise werden im Ubertrager Induktionen mit wechselnder Polarität
erzeugt, die von den Sekundärwicklungen 81 und 83 in Spannungen rückgewandelt und
von den Dioden 79 und 85 gleichgerichtet werden. Zwischen den Anfängen 87 und 89
der Wicklungen 61 und 63 tritt keine Wechselspannung auf, so daß auch keine kapazitiven
Umladeströme entstehen können. Auch die Wicklungsenden 73 und 75 weisen relativ
zueinander nur eine rein statische Potentialdifferenz auf, obwohl sie in Bezug auf
die Plus- und Minus-Leitungen Rechteckwechselspannungen aufweisen.
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Im Gesamtverlauf der miteinander bifilar gewickelten Wicklungen ist
also das Auftreten verlustbringender Kapazitätsumladeströme völlig unterbunden.
Die Wicklungen 61 und 63 sind in nicht dargestellter Weise als Parallel-Drahtwicklungen
innerhalb einer Kammer eines Zwei-Kammer-Spulenkörpers untergebracht, während die
Wicklungen 81 und 83 als Parallel-Drahtwicklung in der zweiten Kammer des gleichen
Spulenkörpers angeordnet sind.
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Die vorliegende Schaltung gestattet also die vorteilhafte Speisung
eines bifilar gewickelten Gegentaktübertragers, wobei eine einfache und wenig aufwendige
Ansteuerung der beiden Zerhackertransistoren gegeben ist. Einer der beiden Transistoren
kann ohne Zwischenschaltung von Bauelementen direkt angesteuert werden, während
der andere als komplementärer Transistor lediglich über einen Zusatzkondensator
59 bei Zwischenschaltung zweier Widerstände 53, 67 ansteuerbar ist.
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Die zuvor anhand der Primärseite erläuterten Bedingungen gelten sinngemäß
auch für die Übertrager-Sekundärwicklung. Dort übernehmen Dioden 79 und 85 die Schaltfunktionen
der primärseitig wirkenden Transistoren.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung
zum Ausdruck kommenden Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in
beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.