DE3843339A1 - Anordnung zur kapazitiven fuellstandsmessung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur kapazitiven Füllstandsmessung, die sich zusammensetzt aus einer Oszillator- und Meßschaltung und einer damit verbundenen Meßsonde. Zur Messung werden dabei Kapazitätsänderungen ausgenutzt, die auftreten, wenn die Meßsonde in das zu messende Füllgut eintaucht.

Problematisch war es bei den bisher bekannten Anordnungen zur kapazitiven Füllstandsmessung, eine korrekte Füllstandsanzeige zu erhalten, wenn bei sich wieder senkendem Füllgutpegel an der Meßsonde Anhaftungsrückstände zurückblieben. Dies führte dann häufig zu Fehlmessungen.

Um das korrekte Funktionieren der Meßvorrichtungen zu überprüfen, sind von Zeit zu Zeit Funktionstests notwendig. Funktionstests der Meßvorrichtungen bedingten bisher meistens den Ausbau der ganzen Vorrichtung oder zumindest der Meßsonden, was gerade bei Verwendung der Meßsonde in hohen Behältern oder an unzugänglichen Stellen einen erheblichen Aufwand erforderte.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine kapazitive Meßvorrichtung bereitzustellen, bei der trotz Anhaftungsrückständen des Füllguts korrekte Meßergebnisse erzielt werden. Außerdem müssen bei einer solchen Meßvorrichtung Funktionstests möglich sein, ohne die Meßvorrichtung oder die Meßsonde ausbauen zu müssen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1.

Die Unempfindlichkeit der Meßsonde wird dadurch erreicht, daß nur die Meßfühlerspitze der Meßsonde zur Detektion herangezogen wird und deswegen anhaftende Füllgutüberzüge auf der übrigen Meßfühleroberfläche das Meßergebnis nicht beeinflußen.

Aber auch Anhaftungsüberzüge im Bereich der detektionsempfindlichen Meßfühlerspitze verfälschen durch die besondere Ausgestaltung der Meßsonde und durch die Anordnung der Detektionsflächen das Meßergebnis nicht. Leitfähige Strompfade, die sich auf der Meßfühleroberfläche durch anhaftende Füllgutüberzüge eventuell zwischen den zur Detektion verwendeten Elektroden bilden, werden kapazitiv geerdet und damit abgeleitet. Diese Leckströme belasten damit nur die zur Messung verwendete Oszillatorschaltung, aber sie verfälschen nicht das Meßergebnis.

Das Testen der Meßvorrichtung erfolgt durch eine weitere Elektrode im Inneren der Meßsonde, die durch ihr bloßes Vorhandensein oder durch Verbinden mit der zur Messung verwendeten Oszillatorschaltung einen so großen kapazitiven Meßstrom erzeugt, daß dadurch eine testweise Erregung der Meßschaltung erfolgt. Durch diese zusätzliche Testelektrode erübrigt sich der Ausbau der Meßsonde zu Testzwecken.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsformen des Erfindungsgegenstands.

Es zeigen:

Fig. 1 einen längenreduzierenden Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung und Meßsonde,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den unteren Teil der kapazitiven Meßsonde,

Fig. 3 eine erste Variante des unteren Teils der kapazitiven Meßsonde im Querschnitt und

Fig. 4 eine zweite Variante der Meßvorrichtung und Meßsonde,

Fig. 5 einen Querschnitt des unteren Teils der kapazitiven Meßsonde gemäß Fig. 4.

Wie Fig. 1 zeigt, weist die Meßsonde als mechanisch tragendes Element ein Metallrohr 18 auf, das mit einer Isolationsschicht 20 ummantelt ist.

Im Bereich des Meßfühlerendes 26 der Meßsonde trägt die Isolationsschicht 20 zwei sich diametral gegenüberliegende leitfähige Felder 22 und 34, die z. B. aus dünner Metallfolie bestehen können. Diese Felder umfassen jedoch die Isolation 20 nicht im gesamten Kreisumfang, sondern belassen zwei isolierende Zwischenflächen 40 (Fig. 2). Schließlich ist der bisher geschilderte Aufbau nochmals von einer Außenisolation 32 ummantelt. Das untere Ende der Meßsonde ist durch einen eingeschweißten Abschlußstopfen 28 zur Umgebung hin isoliert.

Im Zentrum des Trägerrohrs 18 befindet sich zumindest auf einer der Längserstreckung der leitfähigen Flächen 22, 34 entsprechenden Strecke ein leitfähiger Voll- oder Hohlzylinder 30. Das Trägerrohr 18 ist im Bereich der leitfähigen Fläche 22 mehrfach von Öffnungen 24 durchdrungen.

Der Übersichtlichkeit halber fehlt in Fig. 1 eine koaxiale Sondenhalterung, innerhalb derer die komplette Meßfühlerbaugruppe mechanisch gelagert ist und die der Montage der Meßsonde in beispielsweise einer Behälterwandung dient.

Die beiden leitfähigen Felder 22 und 34 sind über elektrische Zuleitungen mit einem Oszillator 4 verbunden, der eine hochfrequente Meßwechselspannung erzeugt.

Der Anschluß 2 des Oszillators 4 ist direkt mit der leitfähigen Fläche 34 verbunden. Der andere Oszillatoranschluß ist geerdet und zugleich über einen Meßwandlerwiderstand 10 mit der anderen leitfähigen Fläche 22 verbunden. Das tragende Metallrohr 18 ist ebenfalls geerdet.

An den Meßwandlerwiderstand 10 ist über eine Diode 14 ein Verstärker 12 angeschlossen, dessen Ausgang mit einem Schaltrelais 6 verbunden ist.

Der Oszillatoranschluß 2 ist über einen Schalter 38 mit dem im Innern der Meßsonde befindlichen leitfähigen, gegenüber dem Trägerrohr 18 isolierten, Voll- oder Hohlzylinder 30 verbunden.

Die nur symbolisch eingezeichnete Meßkapazität C _M verkörpert die Streukapazität zwischen den beiden leitfähigen Platten 22 und 34.

Im normalen Meßbetrieb fließt ein kapazitiver Strom vom Oszillator 4 über dessen Anschluß 2 zur leitfähigen Fläche 34 und von dort über das außerhalb des Meßfühlers verlaufende elektrostatische Streufeld (angedeutet durch die Kapazität C _M) zur leitfähigen Fläche 22, weiter über den Anschluß 16, den Meßwandlerwiderstand 10 und zurück zum erdseitigen Oszillatoranschluß.

Wenn der Meßfühler vom Füllgut unbedeckt ist, fließt nur ein geringfügiger Strom und daher ist der am Meßwandlerwiderstand 10 auftretende Spannungsabfall klein. Die symbolisch mit _CM angedeutete Meßkapazität bleibt im Falle des unbedeckten Meßfühlers relativ klein.

Wird der Meßfühler hingegen vom Füllgut umgeben, so steigt der durch die höhere Dielektrizitätskonstante bestimmte kapazitive Streustrom an. Die symbolisch mit C _M angedeutete Meßkapazität ist nun gestiegen. Mit dem gestiegenen Strom steigt auch der Spannungsabfall am Meßwandlerwiderstand 10. Er ist nun so groß, daß er nach Gleichrichtung durch die Diode 14 und nach Verstärkung durch den Verstärker 12 ausreicht, das Schaltrelais 6 zu erregen.

Um den unbedeckten Meßfühler zu testen, kann entweder periodisch wiederkehrend (z. B. im Sekundentakt) oder manuell nach Bedarf der Schalter 38 geschlossen werden. Dadurch gelangt die Meßwechselspannung an den Innenzylinder 30. Durch die Bohrungen 24 - auch als C _T symbolisiert - greifen kapazitive Testströme auf die sensierende leitfähige Schicht 22 durch und führen zur testweisen Erregung des Schaltrelais 6.

Leitfähige Anhaftungsüberzüge durch beispielsweise hängengebliebenes Füllgut im Bereich 36 zwischen der Meßspitze und der nicht gezeigten koaxialen, den Meßfühler außen umgebenden Sondenhalterung sind von der Meßstrombildung ausgeschlossen. Sie belasten nur den Meßoszillator, aber sie führen zu keinem Spannungsabfall am Meßwandlerwiderstand 10.

In gleicher Weise können auch Anhaftungsüberzüge im Bereich des Meßfühlerendes 26 keinen (oder einen lediglich auf unkritische Werte reduzierten) Meßstrombeitrag leisten. Leitfähige Strompfade, die auf der Meßfühleroberfläche vom leitfähigen Flächenareal 34 zum leitfähigen Flächenareal 22 verlaufen, müssen die dazwischenliegenden nicht leitfähigen Areale 40 durchqueren. Dadurch werden die Ströme kapazitiv zum geerdeten Trägerrohr 18 abgeleitet. Der Grad dieses kapazitiven Erdschlusses läßt sich einerseits durch das Flächenverhältnis der leitfähigen Felder 22; 34 zum isolierenden Zwischenfeld 40 und andererseits durch die Meßfrequenz beeinflußen. Je höher die Meßfrequenz gewählt wird, um so wirkungsvoller gelingt der angestrebte kapazitive Erdschluß.

Fig. 3 zeigt eine Meßsonde, bei der das Trägerrohr 18 und die leitfähigen Segmente 22 und 34 in einer abgewandelten Form angeordnet sind. Das Trägerrohr 18 bildet hierbei kein durchgehend umlaufendes Rohr, sondern es besteht aus zwei einzelnen zu Rohrsegmenten gebogenen Flächen 18.

Zwischen diesen Rohrsegmenten 18 sind auf dem gleichen Kreisdurchmesser die leitfähigen Elektrodenflächen 22 und 34 so angeordnet, daß sie zu den Rohrsegmenten 18 Abstände aufweisen.

Die Innenelektrode 30 kann in Form eines durchgehenden Voll- oder Hohlzylinders ausgebildet sein oder auch nur in Form eines oder mehrerer Kreissegmente. Wenn die Innenelektrode 30 Segmentform aufweist, ist sie so angeordnet, daß sie der leitfähigen Fläche 22 gegenüberliegt oder daß zwei Segmente jeweils der leitfähigen Fläche 22 und der leitfähigen Fläche 34 gegenüberliegen.

Die physikalische Funktionsweise der Sonde ändert sich durch diese geänderte Anordnung der Rohrsegmente und Elektroden nicht.

Die Fig. 4 und 5 zeigen eine Meßsonde, die der in Fig. 3 dargestellten Meßsonde prinzipiell entspricht.

Als Innenzylinder 30 wird ein Hohl- oder Vollzylinder verwendet, der leitfähig ist oder zumindest eine Dielektrizitätskonstante aufweist, die der des Füllguts entspricht. Dieser Zylinder 30 ist nicht über einen Schalter mit dem Oszillator 4 verbindbar, sondern er ist isoliert aufgehängt. Außerdem ist dieser Zylinder 30 vertikal beweglich, d. h., man kann ihn in die Meßsonde hineinschieben und auch wieder aus ihr herausziehen.

Im normalen Meßbetrieb ist dieser Zylinder 30 aus der Meßsonde herausgezogen. In diesem Fall existiert nur ein geringer kapazitiver Streufluß zwischen den Elektroden 34 und 22. Die Funktionsweise der Sonde entspricht der schon beschriebenen Art und Weise.

Für die Testphase wird nun der Zylinder 30 in die Meßsonde hineingeschoben. Dadurch steigt die Kapazität zwischen den Elektroden 34 und 22 stark an, womit auch der kapazitive Strom ansteigt und damit am Meßwiderstand 10 eine so große Spannung abfällt, daß das Relais 6 angesteuert wird.

Werden anstelle des Testzylinders 30 zwei sich diametral gegenüberliegende Rohrsegmente verwendet, so läßt sich die testweise Kapazitätserhöhung besonders einfach durch Verdrehen der Test- Rohrsegmente um die Mittelachse im Winkel von 90° erreichen.

Claims (9)

1. Anordnung zur kapazitiven Füllstandsmessung mit einer an einer Behälterwand befestigbaren Meßsonde, die durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:

• - ein inneres geerdetes Trägerrohr (18), das auch aus mehreren Einzelsegmenten bestehen kann, und an seiner Außenwandung mit einer Isolationsschicht (20) versehen ist;
• - zwei sich diametral gegenüberliegende leitende Flächen (22, 34), die außerhalb der Isolationsschicht (20) des Trägerrohrs (18) angeordnet und durch isolierende Zwischenflächen (40) voneinander getrennt sind, oder die zwischen den Trägerrohrsegmenten in isolierenden Abständen zu diesen angeordnet sind, wobei Trägerrohrsegmente (18) und leitende Flächen (22, 34) zum Sondeninneren mit einer Isolationsschicht (20) versehen sind;
• - eine die ganze Sonde umgebende Isolationsschicht (32, 28);
• - ein in das Innere der Meßsonde einbringbarer Voll- oder Hohlzylinder (30) oder ein Zylindersegment (30), der bzw. das aus leitfähigem Material oder aus Material mit einer Dielektrizitätskonstante ε _r <1 besteht;
• - eine Oszillator- und Meßschaltung, die mit den leitfähigen Flächen (22, 34) verbunden ist und auch mit dem inneren Zylinderelement (30) verbunden werden kann.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillator- und Meßschaltung aus einem Oszillator (4) besteht, dessen erdseitiger Anschluß über einen Meßwandlerwiderstand (10) mit einer der leitenden Flächen (22) der Meßsonde verbunden ist, während der entgegengesetzte Anschluß (2) des Oszillators (4) direkt mit der anderen leitenden Fläche (34) der Meßsonde verbunden ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwandlerwiderstand (10) über eine Gleichrichterdiode (14) mit einer Verstärkerschaltung (12) verbunden ist, deren Ausgang mit einem Schaltrelais (6) verbunden ist.

4. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerrohr (18) im Bereich einer der leitfähigen Flächen (22, 34) Öffnungen (24) aufweist.

5. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Testphase der Innenzylinder (30) über einen Schalter (38) mit dem Anschluß (2) des Oszillators (4) verbunden wird, während im normalen Meßbetrieb der Schalter (38) geöffnet ist.

6. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Testphase der Innenzylinder (30) sich im Innern der Meßsonde befindet, während im normalen Meßbetrieb der Innenzylinder (30) aus der Meßsonde herausgezogen ist, wobei in beiden Fällen der Innenzylinder (30) nicht mit dem Oszillator (4) verbunden ist.

7. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines segmentförmigen Elementes als Innenzylinder (30), dieses gegenüber einer der leitenden Flächen (22, 34) angeordnet ist.

8. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung zweier segmentförmiger Elemente als Innenzylinder (30), diese gegenüber je einer der leitenden Flächen (22, 34) angeordnet sind.

9. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung zweier segmentförmiger Elemente als Innenzylinder (30), diese um 90 Winkelgrade um die Zylinderlängsachse verdrehbar sind.