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Bezeichnung: Elektrische Füll standsme ße inr ichtung
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Beschreibung: Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erfassen
der Veränderung eines Rauminhaltes, insbesondere zur Messung des Füllstandes von
ionisierbaren Stoffen in Behältern.
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Die Messung von Füllständen in Behältern mit elektrischen Mitteln,
beispielsweise eine Niveaukontrolle einer Füllstandobergrenze oder einer Füllstandmindestgrenze
wurde bisher dadurch bewirkt, daß die Niveaugrenze durch eine auf der Behälterinnenwandung
angeordnete Kontaktelektrode definiert wurde, der eine weitere Kontaktelektorde,
vorzugsweise im Bodenbereich des Behälters zugeordnet war. Beide Elektroden waren
an eine Spannungsversorgung angeschlossen, so daß beim Erreichen des durch die obere
Kontaktelektrode definierten Füllstandes ein Strom fliessen konnte, der dann über
eine entsprechende Signalerfassung eine Anzeige auslösen konnte. Dieses Verfahren
wurde beispielsweise zur Füllstandskontrolle bei sogenannten Wirbe ldüsenbädern
eingesetzt, bei denen
eine Mindestfüllung des Behälters, d.h. der
Wirbeldüsenwanne oberhalb der Düsenmündungen gewährt sein muß.
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Auch bei der Verwendung geringer Stromspannungen und Stromstärken
kann eine Beeinträchtigung des Benutzers nicht ausgeschlossen werden, da bei diesem
Meßverfahren ein ständiger Stromfluß zwischen den beiden Elektroden vorhanden ist.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung
zu schaffen, durch die ein unmittelbarer Stromfluß zwischen den beiden Kontaktelementen
ausgeschlossen ist.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet
durch wenigstens einen flächigen Meßkörper aus einem elektrischleitenden Material,
vorzugsweise einem Metall, der durch ein Dielektrikum gegenüber dem zu messenden
Raum abgeschirmt ist (1. Kontaktelement) und wenigstens eine innerhalb des zu messenden
Raumes angeordnete Elektrode (2. Kontaktelement), einen Generator zur Erzeugung
einer hochfrequenten Wechselspannung, der mit einem der Kontaktelemente, vorzugsweise
der Elektrode in Verbindung steht, sowie einer Meßverstärkereinrichtung, die mit
dem anderen Kontaktelement, vorzugsweise dem Meßkörper in Verbindung steht. Bei
dieser Anordnung wird ein unmittelbarer Stromfluß zwischen den beiden Kontaktelementen
durch die Behälterfüllung, beispielsweise Wasser oder sonstige ionisierbare Stoffe
vermieden. Gleichwohl läßt sich am Meßkörper dann eine elektrische Spannung abgreifen,
wenn der Meßkörper durch die Behälterfüllung wenigstens teilweise überdeckt ist.
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Die Stärke der abzugreifenden Meßspannung ist hierbei abhängig von
dem Grad der Überdeckung des flächigen Meßkörpers, so daß bei entsprechender Eichung
und Verstärkung des Meßsignals ein sich in Abhängigkeit von der Überdeckung änderndes
Meßsignal zur Verfügung steht.
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In ausgestaltung der Erfindung ist hierbei vorgesehen, daß der Meßkörper
bandförmig ausgebildet ist, vorzugsweise aus einem Metallstreifen besteht. Die streifenförmige
Ausbildung des Meßkörpers bietet hierbei zwei grundsätzlich unterschiedliche Anwendungsmöglichkeiten.
Soll die Einrichtung zur Kontrolle eines Füllstandsgrenzwertes eingesetzt werden,
so ist erfindungsgemäß wenigstens ein bandförmiger Meßkörper horizontal jeweils
in der zu erfassenden Niveauhöhe am Behälter angebracht. Bei diesem Anwendungsfall
wird ein Meßsignal erst dann ausgelöst, wenn das Niveau der Behälterfüllung den
die Füllstandshöhe bzw. den Füllstandsgrenzwert definierenden bandförmigen Meßkörper
überdeckt. Mit diesem System läßt sich nicht nur eine Maximal- oder Minimalwertanzeige
erzielen, sondern auch bei einer entsprechend gestuften Anordnung von Meßkörpern
jedes beliebige Zwischenniveau anzeigen.
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Wird jedoch erfindungsgemäß der bandförmige Meßkörper vertikal ausgerichtet
am Behälter angebracht, wobei er sich beispielsweise über die gesamte Behälterhöhe
erstrecken kann, so läßt sich mit Hilfe der erfindungsgemäßen Einrichtung eine kontinuierliche
Füllstandsmessung erzielen, da sich mit jeder Veränderung des Füllstandes auch die
Uberdeckung des bandförmigen Meßkörpers und damit auch das Meßsignal ändert.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Meßkörper mit
einer Umhüllung aus einem dielektrischen Material versehen ist und im Behälterinnenraum
angeordnet ist. Diese Ausführungsform erlaubt es, die erfindungsgemäße Meßeinrichtung
auch bei Metallbehältern zu verwenden.
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Hierzu wird beispielsweise ein Metallstreifen mit einer dichten Kunststoffumhüllung
versehen und an der Behälterinnenwandung befestigt oder aber auch als "Meßstab"
frei im Behälterinnenraum angeordnet, und zwar je nach dem gewünschten Meßverfahren
vertikal oder horizontal ausgerichtet.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung, insbesondere für die
Anwendung bei Wirbeldüsenwannen, die aus Kunststoff hergestellt sind, wird der Meßkörper
auf der Außenwandung des Behälters angeordnet. Bei diesem Anwendungsfall dient die
Behälterwandung selbst bereits als Dielektrikum, so daß hier der Meßkörper unmittelbar
auf die Außenwandung des Behälters aufgebracht werden kann, beispielsweise aufgeklebt
werden kann. Diese Ausführungsform erlaubt beispielsweise bei Wirbeldüsenwannen
eine einfache Nachrüstung bereits vorhandener Wannen, da der Meßkörper einfach auf
die Außenwandung aufgeklebt werden kann, während als Elektrode der Wannenabfluß,
der üblicherweise durch eine Metallrosette gebildet wird, benutzt werden kann. Der
Vorteil besteht hierbei darin, daß der Spannungsgenerator an den Wannenabfluß und
somit unmittelbar geerdet angeschlossen werden kann, so daß bei Fehlern im System
keine Fehlerströme auftreten können, die den Benutzer gefährden würden.
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Für einen anderen Anwendungsfall ist erfindungsgemäß der Meßkörper
aus einer auf eine Platte aus einem dielektrischen Stoff, insbesondere Glas, aufgedampften
Metallschicht hergestellt. In dieser Ausführungsform eignet sich die erfindungsgemäße
Meßeinrichtung auch als Einbruchsicherung, da beispielsweise eine Zerstörung der
Glasscheibe unmittelbar zu einer Veränderung der wirksamen Meßfläche führt, so daß
dann durch die Anderung der Meßspannung bei einer entsprechenden Schaltung ein Signal
ausgelöst wird. Bei entsprechender Auslegung der an dem einen Kontaktelement anliegenden
hochfrequenten Spannung einerseits und der mit dem anderen Kontaktelement verbundenen
Meßverstärkerschaltung andererseits, die die "Empfindlichkeit" des Meßsystems bewirken,
kann das System auch so ausgelegt werden, daß bereits ein Berühren der als Meßkörper
ausgelegten Glasscheibe ein Signal auslöst.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles
näher schrieben und zwar für die Anwendung als Niveaukontrolle an einer Wirbeldüsenwanne.
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An einer aus Kunststoff, beispielsweise Acrylglas hergestellten Wirbeldüsenwanne
1 ist auf der Außenseite ein bandförmiger Kupferstreifen 2 als Meßkörper aufgeklebt
und zwar in der Höhe des zu überwachenden Füllungsniveaus, das durch die Höhe der
hier nicht näher dargestellten, in einer Wand der Wanne angeordneten Wirbeldüsen
vorgegeben ist. Der Kupferstreifen weist beispielsweise eine Breite von 5 mm und
eine Länge von 1000 mm auf, so daß eine ausreichend große Fläche zur Erzeugung des
Meßsignals zur Verfügung steht, gleichwohl jedoch eine Niveaugrenze mit genügender
Genauigkeit festgelegt wird.
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An die metallische Abflußarmatur 3, die elektrisch geerdet ist, ist
ein elektrischer Frequenzgenerator 4 angeschlossen, der eine hochfrequente Wechselspannung
von beispielsweise 12 Volt und 85 kHz erzeugt.
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Sobald nun beim Füllen der Wanne mit Wasser das durch die Lage des
horizontal aufgeklebten Kupfer streifens 2 vorgegebene Niveau 5 erreicht wird, d.h.
die durch den Kupferstreifen 2 definierte Fläche wenigstens teilweise durch Wasser
überdeckt wird, wird aufgrund der an der Abf lußarmatur anstehenden hochfrequenten
Spannung zwischen dem Kupfer streifen 2 und dem Massepol seinerseits ein entsprechendes
Spannungspontential erzeugt.
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Dieses Spannungspotential wird auf eine Verstärkerschaltung 6 aufgeschaltet.
Je nach dem verwendeten elektrischen Meßverfahren kann nun von der Verstärkerschaltung
6 eine Spannung oder ein Strom abgegriffen werden, der dem am Kupferstreifen 2 anliegenden
Potential proportional ist. Spannung oder Strom können dann je nach dem gewünschten
Einsatzfall zur Auslösung eines Signals eines Steuer-oder Regeleingriffs in einer
entsprechenden Schaltung 7 verwerten werden.
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Versuche haben gezeigt, daß der verhältnismäßig schmale, aber lange
Kupfer streifen bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Signal ausreichender
Sträke erzeugt, wenn der Wasserstand in der Wanne die Höhe des Meßbandes erreicht
hat. Bei dieser Geometrie des Meßbandes wird auch bei bewegter Oberfläche der zu
messenden Flüssigkeit ein reproduzierbarer Meßwert erzeugt, da sich praktisch automatisch
ein Mittelwert einstellt.
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Das vorstehend beschriebene Meßsystem kann auch für Behälter aus Metall
verwendet werden. Hierzu ist es dann lediglich erforderlich, den Kupfer streifen
flüssigkeitsdicht in eine Kunststoffumhüllung einzubetten und diesen kunststoffumhüllten
Kupferstreifen auf der Innenseite der Wandung zu befestigen.
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Während bei der vorstehend beschriebenen Niveaukontrollmessung eine
Spannung mit dem Augenblick an ansteht, an dem der Füllstand die Höhe des horizontal
angebrachten Kupferstreifens erreicht hat, läßt sich das System in gleicher Weise
auch zur kontinuierlichen Anzeige sich ändernder Füllstände, d.h. als Pegelstandsmessung
einsetzen. Hierzu ist es lediglich erforderlich, den bandförmigen Meßkörper vertikal
ausgerichtet an der Behälterwandung anzubringen und zwar so, daß sein unteres Ende
in der Höhe der interessierenden Mindestfüllung und sein oberes Ende in der Höhe
der Maximalfüllung endet.
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Bei dieser Anwendung ändert sich das am Meßkörper abzugreifende Pontential
proportional zu der vom Behälterinhalt "überdeckten" Fläche des Meßkörpers. Der
jeweilige Meßwert kann nun bei entsprechender Auslegung und Eichung der Meßverstärkerschaltung
in einer Längeneinheit als Füllstandshöhe, in einer Raumeinheit als Volumen oder
aber auch in Prozent als Füllstandsänderung angezeigt werden.
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Ein weiterer Vorteil dieses Systems besteht darin, daß die jeweils
gewünschten Füllstände frei wählbar sind, ohne daß es hierzu erforderlich ist, Veränderungen
an
dem einmal aufgebrachten Meßkörper vorzunehmen. Hierzu ist es
lediglich erforderlich, in der elektrischen Meßverstärkerschaltung den jeweils gewünschten
Füllstandshöhen eine entsprechende Vergleichsspannung zuzuordnen, bei deren Erreichen
durch die Meßspannung ein entsprechender Impuls zur Auslösung von Signal, Steuer-
oder Regeleinrichtungen ausaelöst wird.
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Aus den beschriebenen Ausführungsbeispielen läßt sich ferner erkennen,
daß hiermit auch andere Anwendungsfälle, bei denen eine Veränderung der Uberdeckung
einer Meßfläche zur Anzeige gebracht werden soll, lösbar sind, da jeder Unterschied
des Meßwertes bei unbeeinflußter Meßfläche gegenüber dem Meßwert bei beeinflußter,
d.h. überdeckter Meßfläche zur Anzeige gebracht werden kann. Die Veränderung der
Meßfläche kann hierbei sowohl in einer Verkleinerung der wirksamen Meßfläche, beispielsweise
bei Zerstörung einer metallbedampften Glasplatte als auch bei einer Uberdeckung
der Meßfläche auftreten, wenn ein stofflicher Körper in unmittelbare Nähe zur Meßfläche
gebracht wird.
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Die vorbeschriebenen Systeme können auch miteinander kombiniert werden.
So ist es beispielsweise möglich, eine Pegelstandsmessung mit vertikal ausgerichtetem
bandförmigen Meßkörper zu kombinieren mit einer zusätzlichen Füllhöhen- bzw. Maximal-
oder Minimalanzeige mit Hilfe eines horizontalen bandförmigen Meßkörpers, beispielsweise
als Sicherheitsabschaltung.
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Die vom Generator erzeugte, an der Elektrode anzulegende Wechselspannung
in weitem Bereich, je nach Einsatzfall variiert werden. Die Wechselspannung kann
Werte zwischen 5 und 10 Volt sowie Frequenzen zwischen 20 und 100 kHz aufweisen.
Die Elektrode kann hierbei auch als Kontaktelektrode ohne Erdung in den Behälter
innenraum hineinragen. Hierbei kann jedoch durch den Behälterinhalt ein
entsprechender
Strom fließen, wenn der Behälterinhalt mit einem Massepol elektrisch leitend verbunden
ist.
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In allen Fällen, in denen der Behälterinhalt unmittelbar von Menschen
oder Tieren berührt werden kann, ist es zweckmäßig, die Elektrode als Massepol zu
schalten. In diesen Fällen ist es zweckmäßig, eine möglichst geringe Wechselspannung
mit möglichst hoher Frequenz einzusetzen, so daß bei einer Berührung über den "skin-effect"
eine Schädigung ausgeschlossen ist.
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Für meßtechnische Zwecke reicht schon ein geringer Spannungshub aus,
der bei einer Uberdeckung des flächigen Meßkörpers durch den ionisierbaren Stoff
auftritt, da hier mit den modernen elektronischen Mitteln die für meßtechnische
und/oder signaltechnische Zwecke notwendige Verstärkung einfach zu bewerkstelligen
ist.
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Die Abstimmung des Systems kann außer über Spannung und/oder Frequenz
auch über die Größe und/oder Geometrie der Meßfläche erfolgen, so daß jede notwendige
Anpassung an die elektrischen Eigenschaften des ionisierbaren Stoffes und/oder des
Dielektrikums möglich ist.