DE3902107A1

DE3902107A1 - Kapazitive fuellstands- und niveaumesseinrichtung

Info

Publication number: DE3902107A1
Application number: DE19893902107
Authority: DE
Inventors: Hans Hermann Dr Ing Seidel; Franz Dipl Ing Kessler
Original assignee: KESSLER FRANZ 8972 SONTHOFEN DE
Current assignee: KESSLER FRANZ 8972 SONTHOFEN DE
Priority date: 1989-01-25
Filing date: 1989-01-25
Publication date: 1990-08-02

Description

Die Erfindung betrifft eine kapazitive Füllstands- und Niveaumeßeinrichtung für Flüssigkeiten und Schüttgüter in offenen oder geschlossenen Behältern und in Gerinnen, insbesondere in Wasserbrunnen, unter Verwendung eines durch die Füllhöhe des zu messenden Mediums in seinem elektrischen Kapazitätswert beeinflußten Meßkondensators und einer elektronischen Auswerteschaltung zur Wandlung des Kapazitätswertes in ein weiterverarbeitbares elek trisches Signal.

Kapazitive Füllstands- und Niveaumeßeinrichtungen zählen seit langem zum Stand der Technik. Insbesondere der mögliche Verzicht auf bewegte Teile und die Unabhängigkeit des Meß ergebnisses vom Behälterinnendruck und von der Dichte und chemischen Zusammensetzung des Meßmediums sind wesentliche Vorteile kapazitiver Füllstandsmeßeinrichtungen. Nachteilig ist der Umstand, daß ein Meßkondensator über den gesamten zu erfassenden Meßbereich im zu messenden Medium angeordnet sein muß. Besonders bei größeren Meßtiefen führt das zu Problemen.

In der DE- 32 48 449 A1 und in der DE 36 16 395 A1 werden z. B. Rohre und koaxiale stab förmige Meßkondensatoren verwendet, deren Montage in einem Bohrbrunnen beispielsweise zu erheblichen technischen Problemen führen würden. Die DE 32 48 449 A1 sieht ebenso wie andere eine Nutzung des leitfähigen Meßmediums als "negative Elektrode" vor. Diese elektrisch leitende Kontaktierung des Meßmediums führt zu galvanischen Grenzschicht problemen an der Kontaktierungsstelle und zu einer Beeinflussung des Meßergebnisses durch unterschiedliche Ionisierungsgrade der Meßflüssigkeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine galvanische Verbindung des Meßkondensators mit dem Meßmedium und einen starren Meßkondensator zu vermeiden, sowie die meß technischen Eigenschaften eines flexiblen Meßkondensators zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Meßkondensator aus min destens einer Meßelektrode und mindestens einer Masseelektrode und in Form von leitfähigen Drähten, Litzen oder Bändern besteht, die parallel nebeneinander verlaufen und gegeneinander und gegenüber dem zu messenden Medium durch eine dielektrische Isolation getrennt sind und die Meßelektrode(n) und die Masseelektrode(n) mit mindestens einem Relaxationsoszillator oder einer anderen Kapazitätsmeßeinrichtung verbunden sind, dessen Meßkapazität C der Meßkondensator ist und an dessen Ausgang ein dem Füllstand proportionales Signal anliegt. Um einen hohen Einsatzzeitraum zu erreichen, ist es zweckmäßig, daß die dielektrische Isolation aus einem Kunststoff mit besonders hoher Langzeitresistenz gegenüber einer Be einflussung der Dielektrizitätskonstante durch das zu messende Medium und andere Umwelt einflüsse besteht.

Zur Vermeidung von störenden Anhaftungen wird die dielektrische Isolation, an ihrer, dem Meßmedium zugewandten Seite, mit einer Antihaftschicht versehen sein oder selbst aus einem Dielektrium mit Antihafteigenschaften bestehen.

Um den Temperatureinfluß und andere Umwelteinflüsse auf das Meßergebnis zu minimieren, kann ein zweiter Meßkondensator am unteren Ende des ersten Meßkondensators angeordnet, der ebenfalls mit einem Relaxationsoszillator oder einer anderen Kapazitätsmeßeinrichtung verbunden ist und die zwei Ausgänge der Relaxationsoszillatoren mit einer Rechenschaltung verbunden sind, an deren Ausgang ein kompensiertes Signal anliegt.

Damit eine Berührung der flachen Seite des Meßkondensators mit einer leitfähigen Behälter wand vermieden wird, was zu undefinierten Meßfehlern führen könnte, ist die dielektrische Isolation in ihrem Querschnitt als Doppel-T ausgebildet oder besitzt nach außen ragende Abstandshalter.

Eine besonere Ausgestaltung des Dielektrikums garantiert eine hohe Lebensdauer und spezielle Abstandshalter vermeiden Meßfehler, die durch zu enge Berührung des Meßkonden sators z. B. mit der Rohrwand auftreten könnten.

Durch Anordnung mehrerer Meßeinrichtungen vertikal übereinander kann ein größerer Meß bereich in mehrere kleinere Meßbereiche aufgeteilt werden, wodurch eine höhere Gesamt meßgenauigkeit erzielt wird.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß ein galvanischer Kontakt, zum Meßmedium mit allen daraus resultierenden Nachteilen, nicht vorhanden ist und der flexible Meßkondensator sich jeder Behälter-, Rohr- oder Schachtform und -verlauf anpassen kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Meßkondensator einen füllstands proportionalen Kapazitätswert liefert, der mit Hilfe des Relaxationsoszillators ein füllstands zeitproportionales Ausgangssignal liefert, was beispielsweise ohne Verwendung eines A/D-Wandlers sofort durch einen Mikrocomputer weiterverarbeitet werden kann.

Durch einen zusätzlichen Maßstab auf dem Meßkondensator kann die gesamte Meßeinrichtung leicht kalibriert und in ihrer Funktion überwacht werden.

Wenn mehrere Masseleitungen verwendet werden, so können diese ohne daß die Meßein richtung in ihrer Funktion beeinträchtigt wird als elektrische Leiter für Betriebsspannungen und niederfrequente Signale verwendet werden, wie z. B. für Temperatur- und Drucksensoren oder andere elektrische Signale.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel an Hand von Zeichnungen näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 Kapazitive Füllstands- und Niveaumeßeinrichtung im Gesamtaufbau,

Fig. 2 Meßkondensator im Querschnitt mit einseitiger Meßelektrode,

Fig. 3 Meßkondensator im Querschnitt mit symmetrischer Anordnung der Meßelektroden,

Fig. 4 Meßkondensator im Querschnitt mit zwei Masse- und einer Meßelektrode,

Fig. 5 Meßkondensator im Querschnitt mit einer Masse- und einer Meßelektrode,

Fig. 6 Meßkondensator im Querschnitt mit Doppel-T-Profil bzw. Abstandshaltern,

Fig. 7 Meßkondensator im Querschnitt hintereinander liegenden Elektroden.

Die Füllstandsmeßeinrichtung besteht aus dem Meßkondensator mit den Masseelektroden 1 und 3, der Meßelektrode 2 und dem Dielektrikum 4, das die Elektroden allseitig gegenüber dem Meßmedium und untereinander isoliert. Die Elektroden 1, 2 und 3 sind mit dem Re laxationsoszillator oder einer Kapazitätsmeßeinrichtung 5 mit dem Signalausgang 6 verbunden. Die Kapazität zwischen Meßelektrode 2 und Masseelektrode 1 und 3 setzt sich aus der Kapazität zwischen den Elektroden direkt und aus der Streukapazität über das Dielektrikum nach außen über das Medium (z. B. Luft oder Wasser) und über das Dielektrikum zur Gegen elektrode zusammen. Diese Streukapazität ist um so größer, je weiter der Meßkondensator in das Meßmedium hineinragt bzw. je höher der Füllstand ist. Der Meßeffekt ist bei leit fähigen Medien wie z. B. Wasser größer als bei isolierenden Medien wie z. B. Benzin oder Öl. Aber auch bei diesen isolierenden Meßmedien ist durch die unterschiedliche Dielektrizitäts konstante zwischen dem Meßmedium und der darüberliegenden Gasphase ein praktikabler Meßeffekt vorhanden.

Die flache Masseelektrode 1 besteht aus einem mit einem Maßstab bedruckten Stahlband. Zur Füllstandsmessung in engen Rohren ist ein Meßkondensator wie er in Fig. 4 und 5 gezeigt ist, sinnvoll. Eine zusätzliche Formgebung des Dielektrikums, wie das in Fig. 5 gezeigt ist, verhindert eine zu enge Berührung des Meßkondensators mit Metallwänden, wodurch eine Verzerrung des Streufeldes und damit Meßfehler vermieden werden.

Für die Funktion der Meßeinrichtung ist es unerheblich, ob die Masseelektroden unmittelbar mit der Schaltungsmasse des Relaxationsoszillators verbunden sind, oder ob diese im Vergleich zur Meßkapazität über viel größere Kondensatoren nur kapazitiv mit der Schaltungs masse des Relaxationsoszillators oder der Kapazitätsmeßeinrichtung verbunden sind und somit als Stromleiter für Versorgungsspannungen oder andere quasistatische Signale genutzt werden.

Claims

1. Kapazitive Füllstands- und Niveaumeßeinrichtung für Flüssigkeiten und Schüttgüter in offenen oder geschlossenen Behältern und in Gerinnen, insbesondere in Wasserbrunnen, unter Verwendung eines durch die Füllhöhe des zu messenden Mediums in seinem elektrischen Kapazitätswert beeinflußten Meßkondensators und einer elektronischen Aus werteschaltung zur Wandlung des Kapazitätswertes in ein weiterverarbeitbares elektrisches Signal, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkondensator aus mindestens einer Meß elektrode (2) und mindestens einer Masseelektrode (1, 3) in Form von leitfähigen Drähten, Litzen oder Bändern besteht, die parallel zueinander verlaufen und gegeneinander und gegenüber dem zu messenden Medium durch eine dielektrische Isolation (4) getrennt sind und die Meßelektrode(n) und die Masseelektrode(n) mit mindestens einem Relaxations oszillator (5) verbunden sind, dessen periodendauerbestimmende Kapazität C der Meß kondensator ist und an dessen Ausgang (6) ein der Meßgröße proportionales Impuls zeitsignal anliegt.

2. Kapazitive Füllstands- und Niveaumeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Relaxationsoszillators (5) eine andere Kapazitätsmeßeinrichtung angeordnet ist, deren Eingangskapazität C der Meßkondensator ist und an dessen Ausgang (6) ein der Meßgröße entsprechendes elektrisch weiterverarbeitbares Signal anliegt.

3. Kapazitive Füllstands- und Niveaumeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Relaxationsoszillator (5) ein Frequenzteiler nachgeschaltet ist und an dessen Ausgang ein der Meßgröße proportionales Impulszeitsignal anliegt.

4. Kapazitive Füllstands- und Niveaumeßeinrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die dielektrische Isolation aus einem Kunststoff mit besonders hoher Langzeitresistenz gegenüber einer Beeinflussung der Dielektrizitätskonstante durch das zu messende Medium und andere Umwelteinflüsse besteht.

5. Kapazitive Füllstands- und Niveaumeßeinrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die dielektrische Isolation an ihrer, dem zu messenden Medium zuge wandten Seite mit einer Antihaftschicht versehen ist oder selbst aus einem Dielektrikum mit Antihafteigenschaften besteht.

6. Kapazitive Füllstands- und Niveaumeßeinrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch ge kennzeichnet, daß ein zweiter Meßkondensator am unteren Ende des ersten Meßkonden sators im zu messenden Medium angeordnet ist und mit einem zweiten Relaxations oszillator verbunden ist und die zwei Ausgänge der Relaxationsoszillatoren mit einer Rechenschaltung verbunden sind, an deren Ausgang ein kompensiertes Signal anliegt.

7. Kapazitive Füllstands- und Niveaumeßeinrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch ge kennzeichnet, daß auf dem Meßkondensator ein Maßstab angeordnet ist.

8. Kapazitive Füllstands- und Niveaumeßeinrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die dielektrische Isolation (4) in ihrem Querschnitt als Doppel-T (9) ausgebildet ist oder nach außen ragende Abstandshalter (9) aufweist.

9. Kapazitive Füllstands- und Niveaumeßeinrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch ge kennzeichnet, daß über dem Umfang des Meßkondensators in vertikalen Abständen Distanz halter angeordnet sind.

10. Kapazitive Füllstands- und Niveaumeßeinrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Masseelektroden über Kondensatoren mit der Schaltungsmasse des Relaxationsoszillators oder der Kapazitätsmeßeinrichtung verbunden sind und außerdem mit von der Meßaufgabe unabhängigen Einrichtungen gleichstrommäßig verbunden sind.

11. Kapazitive Füllstands- und Niveaumeßeinrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch ge kennzeichnet, daß mehrere Meßeinrichtungen vertikal übereinander angeordnet sind.