DE3926218A1 - Messvorrichtung zur fuellstandsmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung, insbesondere zur Füllstandsmessung, mit einem in ein Medium hineinragenden, vor­ zugsweise stabförmigen Sensor mit mindestens einer Meßelektrode und mit einer an dem Sensor angeschlossenen Auswerteeinrichtung zur Ableitung eines Signals für die Füllstandshöhe aus dem Meß­ signal des Sensorstabes.

Eine Meßvorrichtung dieser Art ist aus der DE-PS 30 26 342 be­ kannt. Der Sensor ist dort stabförmig und hat eine Meßelektrode, die von einer Isolationshülle zur kapazitiven Messung umgeben ist. Eine derartige Vorrichtung erlaubt eine zuverlässige Füll­ standsmessung, wenn in dem zu messenden Medium eine homogene Leitwertverteilung über die gesamte Füllhöhe vorliegt. Dies liegt meistens bei der Messung der Füllstandshöhe einer Flüssig­ keit in einem Gas vor. Probleme bei dieser Messung treten jedoch auf, wenn die elektrischen Eigenschaften bei dem zu messenden Medium nicht homogen über das gesamte Füllvolumen verteilt sind. Dies ist z. B. bei der Füllstandshöhenmessung einer Emulsion oder einer Suspension der Fall, insbesondere, wenn sich die Dichte einer Phase von der Dichte der anderen Phase stärker unterschei­ det.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Meßvorrichtung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, die eine genaue Füllstandshöhen­ messung von Stoffen mit über das Volumen inhomogenen elektri­ schen Eigenschaften zuläßt, und die sich vor allem für die Mes­ sung von mehrphasigen Stoffmischungen eignet.

Die Aufgabe wird bei einer Meßvorrichtung der gattungsgemäßen Art dadurch gelöst, daß die Meßelektrode über die Länge des Sensors in mehrere, jeweils mit der Auswerteeinrichtung verbun­ dene Einzelelektroden unterteilt ist.

Die von den Einzelelektroden gemessenen Signale können jetzt je­ weils zur Erzeugung eines binären Signals verwendet werden, wo­ durch die Anfälligkeit des Meßsignals gegenüber inhomogenen elek­ trischen Eigenschaften, z. B. in einer Emulsion, nicht mehr ge­ geben sind. Nimmt man so z. B. eine Öl/Wasser-Emulsion, so gibt es in dieser Emulsion am Boden eine Zone mit Wasser, in der Mitte eine Zone, in der das Öl und das Wasser noch als Emulsion vorlie­ gen und oben eine Zone, in der sich das Öl aufgrund seiner ge­ ringeren Dichte abgesetzt hat. Während eine genaue Messung der Ölstandshöhen der einzelnen Schichten nicht oder nur mit einer Vielzahl an Sensoren möglich war, ist die Messung der Aufteilung in diese drei Schichten durch die erfindungsgemäße Meßvorrich­ tung möglich. So zeigen die im Wasser befindlichen Einzelelektro­ den einen ersten Widerstands- oder Kapazitätswert an, während die in den anderen zwei Schichten befindlichen Einzelelektroden in diskreten Schritten jeweils andere Widerstands- bzw. Kapazi­ tätswerte liefern. Das Verfahren kann daher in besonders vor­ teilhafter Weise in einem Ölabscheider verwendet werden.

Es ist wichtig, daß das Meßsignal jeder Einzelelektrode der Aus­ werteeinrichtung zugeführt wird. Dies kann bei einer geringeren Anzahl von Einzelelektroden durch Ausbildung mehrerer Meßkanäle in der Auswerteeinrichtung erfolgen. Sind jedoch viele Einzel­ elektroden vorgesehen, so bietet sich ein Multiplexverfahren zum zyklischen sequentiellen Anschließen der Einzelelektroden an die Auswerteeinrichtung an. In dem stabförmigen Sensor muß demnach eine der Anzahl der Einzelelektroden entsprechende Anzahl von Anschlußleitungen vorgesehen sein.

Wird die Meßvorrichtung für einen Ölabscheider verwendet, so ist es vorteilhaft, die Einzelelektroden im oberen Bereich des Sen­ sors kürzer zu machen, weil sich in diesem Bereich im wesentli­ chen die Veränderungen gegen Ende des Ölabscheidungsprozesses abspielen. Man hat in diesem Bereich dann eine sehr gute örtli­ che Auflösung der Meßsignale. Wird die Meßvorrichtung jedoch zur Messung der Füllstandshöhe einer Flüssigkeit in einem Tank ver­ wendet, so ist dort die Ausbildung kurzer Einzelelektroden am unteren Ende des Sensors vorzuziehen. In dieser Phase muß die örtliche Auflösung des Füllstandssignals sehr gut sein, um ein Wiederauffüllen des Tanks nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten möglichst spät, aber noch früh genug durchführen zu können.

Die Gegenelektrode für die Meßelektrode kann durch eine elek­ trisch leitende Behälterwand gebildet sein. Wenn der Behälter, in dem die Füllstandsmessung durchgeführt werden soll, jedoch aus Kunststoff besteht, oder die Verwendung der Wand als Re­ ferenzelektrode aus anderen Gründen nicht möglich ist, ist es vorteilhaft, wenn die Gegenelektrode in dem Sensor ausgebil­ det ist. Wenn die Meßelektrode und die Gegenelektrode über eine geerdete Abschirmelektrode voneinander abgeschirmt sind, wird ein Übersprechen zwischen der Meßelektrode und der Referenz­ elektrode verhindert.

In einer sehr platzsparenden Ausführung hat der Sensor eine Mehr­ lagenstruktur, in der Elektroden und Isolationsschichten alter­ nierend angeordnet sind, wobei die Gegenelektrode und die Meßelektrode an den Außenseiten der Mehrlagenstruktur zu liegen kommen. Auf diese Weise werden die Meß- und die Gegenelektrode gut gegeneinander abgeschirmt und die Elektrodenflächen der Meß­ elektrode und der Gegenelektrode sind günstig an der Oberfläche des Sensorstabes angeordnet, wodurch Meßsignale mit einer höheren Amplitude erhalten werden. Für die kapazitive Messung ist die Mehrlagenstruktur von einer Isolationsschicht, insbesondere einem Schrumpfschlauch, umgeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der schema­ tischen Zeichnung beschrieben. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine teilgeschnittene Seitenansicht eines gefüllten Behälters mit einer Meßvorrichtung zur Füllstandsmes­ sung;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Sensor aus der Meßvor­ richtung aus Fig. 1;

Fig. 3a und 3b eine Schaltung zur Ableitung von Signalen für die Füll­ standshöhe aus den Meßsignalen der Einzelelektroden des Sensors und

Fig. 4a und 4b eine Stromversorgung für die Schaltung aus Fig. 3a und 3b.

Fig. 1 zeigt einen Behälter 10, in dem sich eine Öl-/Wasser­ emulsion 12 befindet. Am oberen Rand des Behälters 10 ist ein Sensor 14 mittels einer Strebe 16 befestigt. Der Sensor 14 hat einen in die Emulsion 12 hineinragenden stabförmigen Sensorteil 18, der nachfolgend als Sonde bezeichnet wird. Diese Sonde 18 hat als Meßelektrode drei in axialer Richtung hintereinander angeord­ nete Einzelelektroden 20, 22, 24 und eine Gegenelektrode 26, mit denen eine Kapazitäts- oder Widerstandsmessung zur Ermittlung der Füllstandshöhe durchgeführt wird. Der genaue Aufbau der Sonde 18 ist Fig. 2 zu entnehmen. Dort ist die Sonde 18 aus Fig. 1 als vergrößerter Längsschnitt dargestellt.

Die Sonde 18 ist als Mehrlagenstruktur ausgebildet. An den Außen­ seiten dieser Mehrlagenstruktur befinden sich die Gegenelektrode 26 auf der linken Seite und die Einzelelektroden 20, 22 und 24 auf der rechten Seite. Zwischen der als gemeinsamer Pol dienen­ den Gegenelektrode 26 und den Einzelelektroden 20, 22, 24 ist in der Mehrlagenstruktur eine Abschirmelektrode 28 und zwischen dieser und den Einzelelektroden 20, 22, 24 eine Verdrahtungsebene 30 für die Einzelelektroden 20, 22, 24 angeordnet. Diese vier Lagen 20, 22, 24; 26; 28; 30 sind durch Isolationsschichten 32, 34, 36 aus Kunststoff voneinander getrennt. Da die Abschirmelektrode 28 zwi­ schen der Gegenelektrode und den Einzelelektroden 20, 22, 24 ange­ ordnet ist, wird ein Übersprechen durch die Isolationsschichten 32, 34, 36 verhindert. In der Verdrahtungsebene 30 hat jede Einzel­ elektrode 20, 22, 24 eine eigene Leitung, die an der Oberseite der Sonde 18 zum Anschluß an eine Auswerteeinheit herausgeführt ist. Die oben aus der Sonde austretenden elektrischen Verbin­ dungen führen in einen in Fig. 1 dargestellten oberen schaftför­ migen zweiten Sensorteil 38, der zur Halterung der Sonde 18 dient und in dem die Auswerteelektronik angeordnet ist. Über eine Lei­ tung 40 ist der zweite Sensorteil 38 mit einer Anzeigeeinheit 42 verbunden, in der vier Leuchtdioden 44, 46, 48, 50 die aktuelle Füllstandshöhe anzeigen. Die genaue Wirkungsweise der Auswerte­ einheit und der Anzeigeeinheit 42 wird in den Fig. 3 und 4 er­ läutert.

Durch die Unterteilung der Meßelektrode in drei Einzelelektroden 20, 22, 24 wird bei dieser in den Fig. 1 und 2 dargestellten An­ ordnung eine höhere örtliche Auflösung des Meßsignals erreicht, wodurch differenzierte Aussagen über die Füllhöhe bzw. über Ab­ setzungsvorgänge in Emulsionen möglich sind, auch wenn die elek­ trischen Eigenschaften der Emulsion vor allem in der Abscheidungs­ zone inhomogen sind. Die größere Unempfindlichkeit gegen, auf das Volumen bezogen, inhomogene elektrische Eigenschaften eines Stoffs resultiert daraus, daß aus den Meßwerten der Einzelelektroden nicht mehr Analogsignale abgeleitet werden müssen, sondern daß die Meßsignale der Einzelelektroden 20, 22, 24 zur Ableitung von diskreten und entsprechend unempfindlicheren Signalen verwendet werden. Dies läßt sich z. B. durch das Vorsehen von einem oder mehreren Schwellwerten für den analogen Meßbereich einer Einzel­ elektrode 20, 22, 24 erreichen, wodurch aus dem analogen Meßsignal der Einzelelektrode 20, 22, 24 ein diskretes Füllstandshöhensignal erzeugt wird. Entsprechend erfolgt dann auch die Anzeige der Füll­ standshöhe auf der Anzeigeeinheit 42 mittels vier Leuchtdioden 44, 46, 48, 50 in diskreten Stufen.

In dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel eines Behälters 10 mit einer Öl/Wasser-Emulsion 12 scheidet beispielsweise eine Leit­ fähigkeits- oder Widerstandsmessung nach dem bekannten Verfahren wegen zu großer Verschmutzungsgefahr der Elektroden und damit ver­ bundener Meßfehler aus. Mit der bekannten Kapazitätsmeßmethode mit einem einstufigen Sensor läßt sich daher die in dem Be­ hälter 10 befindliche Wassermenge schlecht bestimmen, und somit inwie­ weit sich Öl und Wasser schon voneinander getrennt haben oder noch emulgiert sind. Die Messung ist deswegen schlecht durchführbar, da die elektrischen Eigenschaften der Emulsion 12 weder bekannt noch konstant sind. Mit dem Sensor 14 läßt sich hingegen sowohl der Öl- als auch der Wasseranteil der voneinander abgesetzten Schich­ ten ermitteln. Da der Füllstand im Behälter 10 konstant ist und nur der Öl- und Wasseranteil sich verändert, muß nur der relativ leicht zu messende Wasseranteil ermittelt werden. Der Füllstand minus dem Wasserstand ergibt hierbei die Dicke der Ölschicht. Die Einzelelektroden 20, 22, 24 können eine Länge von etwa 30 cm haben, wodurch man Meßpunkte bei einer Tiefe von 30 cm, 60 cm und 90 cm erhält. Der Sensor 14, bestehend aus der Sonde 18 und dem Sensorschaft bzw. Sondenkopf 38, hat zum Beispiel eine Länge von ca. 1 m, wobei die Sonde einen rechteckigen Querschnitt mit Ab­ messungen von etwa 27 mm × 5 mm haben kann.

Für eine kapazitive Messung ist die Mehrlagenstruktur 18 von einer Isolationsschicht 37, vorzugsweise von einer Schrumpffolie, umgeben.

In Fig. 3a ist eine Auswerteschaltung zur Erzeugung von Füll­ standssignalen beschrieben. Der Schaltungsteil 56 bildet einen R/C-Oszillator, der ein Rechtecksignal mit einer Frequenz von ca. 75 kHz liefert. Zu diesem Zweck wurde ein Komparator-Schaltkreis mit Widerständen und einem Kondensator entsprechend beschaltet. Der Ausgang dieses Oszillators 56 ist mit der Gegenelektrode 26 verbunden, die eine Außenlage der Sonde 14 bildet. Eine zweite Außenlage wird von den Einzelelektroden 20, 22 und 24 gebildet. Diese Einzelelektroden 20, 22, 24 sind mit eigenen Meßkanälen ver­ bunden, die beispielsweise anhand des Kanals für die Einzelelek­ trode 20 beschrieben werden. Die von dem Oszillator 56 erzeugte Wechselspannung gelangt über die Kapazität der Sonde 14 an die Eingänge der einzelnen Meßkanäle. Da die Kapazität der Sonde 14 von der Zusammensetzung des Mediums abhängig ist, ändert sich mit dieser auch die Größe des Signals am Eingang jedes Meßkanals. Die Einzelelektrode 20 ist über eine Sieb- und Gleichrichterschaltung 52 mit dem Eingang eines Komparators 54 verbunden. Die Sieb- und Gleichrichterschaltung 52 dient zur Verhinderung von hochfrequen­ ten Störungen, zur Gleichrichtung der Wechselspannung und zur Ver­ ringerung der Eingangsimpedanz und damit der Empfindlichkeit. Der Komparator 54 vergleicht das von der Einzelelektrode 20 kommende Signal mit einer Referenzspannung, die über einen Spannungsteiler aus der Betriebsspannung abgeleitet wird. Die Referenzspannung ist hier für alle Elektroden 20, 22, 24 gleich, da auch die Elektro­ denflächen und die gewünschte Empfindlichkeit gleich sind.

Für unterschiedlich große Einzelelektroden und für unterschiedli­ che Empfindlichkeit könnten unterschiedliche Referenzspannungen für jeden einzelnen Kanal erzeugt werden. Ist jetzt die Kapazität der Sonde 14 so groß, daß die Amplitude des Eingangssignals die Referenzspannung überschreitet, liefert der Komparatorausgang Pulse nach 0 Volt mit der vom Oszillator 56 erzeugten Frequenz. Diese Pulse werden von dem Tiefpaßfilter 58 geglättet. Die Zeit­ konstante des Tiefpaßfilters 58 wurde groß gewählt, um Fehlanzei­ gen, die beispielsweise durch Turbulenzen in der Flüssigkeit bzw. dem Medium verursacht werden könnten, zu vermeiden. Das invertie­ rende UND-Gatter 60 besitzt einen Schmidt-Trigger-Eingang mit einer definierten Schaltschwelle, so daß an dessen Eingang ein reines digitales Signal A vorliegt. Für die Kanäle 22 und 24 sind die dem Punkt A entsprechenden Punkte mit B und C bezeich­ net. Die folgenden invertierenden UND-Gatter sind zu einem 3 : 2- Prioritätsencoder verschaltet. Diese liefert an seinen Ausgän­ gen E und F eine den vier möglichen Zuständen entsprechende Binär­ zahl (s. Tabelle 1):

Tabelle 1

Die beiden Signale E und F gelangen über Spannungsfolger 68, 70 zur Impedanzwandlung auf die Übertragungsleitung 40 zur Anzeigen­ einrichtung. In Fig. 4a ist die Spannungsstabilisierung zur Ver­ sorgung der Auswerteelektronik dargestellt. Sie besteht aus einem Siebkondensator 112 und einem Festspannungsregler 114 und wird an den Punkten G und H über die Übertragungsleitung 40 mit ge­ glätteter Gleichspannung gespeist. Die Spannungsstabilisierung befindet sich zusammen mit der Auswerteelektronik im Sondenkopf 38.

Die Schaltung der Anzeigeeinrichtung 42 ist in Fig. 3b darge­ stellt. Die Eingangssignale E und F aus der in Fig. 3a beschrie­ benen Schaltung gelangen jeweils nach Filterung über ein R/C-Glied an die Eingänge eines invertierenden UND-Gliedes 72, 74. Diese Maßnahme dient der Verbesserung des Störabstandes. Mit den in­ vertierenden UND-Gliedern 76, 78, 80, 82, 84, 86 wird die übertragene Binärzahl decodiert und über die Treiberstufen 88, 90, 92, 94 wird jeweils eine der vier Leuchtdioden 44, 46, 48, 50 angesteuert.

Wenn sich die Suspension 12 noch vollständig im Suspensionszu­ stand befindet, so ist die Kapazität aller drei Teilelektroden groß und die Komparatoren übertragen einen Puls. Hieraus werden als Übertragungssignale E und F logisch-1-Zustände erzeugt, die in der Auswerteelektronik 72 bis 86 ein Aufleuchten der grünen Leuchtdiode 44 bewirken (s. Tabelle 1). Hat sich nun im Bereich der oberen Einzelelektrode 24 bereits soviel Öl abgesetzt, daß am Ausgang des Komparators keine Pulse mehr vorliegen, so führt dies zu einem Aufleuchten der Diode 46, was anzeigt, daß der Ölabscheidungsprozeß begonnen hat. Wenn sich noch mehr Öl ab­ scheidet, wird auch die Kapazität der Einzelelektrode 22 so klein, daß auch der Komparator für diesen Meßkanal keinen Puls mehr erkennt, was ein Aufleuchten der gelben Leuchtdiode 48 be­ wirkt. Dies ist ein Anzeichen dafür, daß der Ölstand im Behälter sich seinem Maximum nähert. Wenn die auf dem Wasser schwimmende Ölschicht eine Dicke erreicht hat, daß alle drei Einzelelektroden 20 bis 24 im Öl liegen, werden die Signale E und F beide logisch 0. Die rote Leuchtdiode 50 signalisiert, daß die Ölschicht ihre maximale Dicke erreicht hat und abgepumpt werden muß. Der Über­ tragungspegel von 0 Volt für die Signale E und F für die maximale Ölschichtdicke wurde deshalb gewählt, weil dies der Zustand ist, bei dem der Behälter kontrolliert werden muß. Ein Bruch der Über­ tragungsleitung 40 würde die gleiche Anzeige bewirken und kann deshalb schneller bemerkt werden. Für diesen Anwendungsfall sind nur drei Stufen mit einer geringen Auflösung gefordert. Die Sonde kann aber auch wesentlich mehr Stufen, z. B. zehn Stufen, mit einer größeren Auflösung haben.

In Fig. 4b ist die Schaltung für die Versorgungsspannung der Elektronik dargestellt. Die Netzspannung gelangt über einen Aus­ schalter 100 und eine Feinsicherung 102 an einen Transformator 104. Die heruntertransformierte Wechselspannung wird mit dem Brückengleichrichter 106 gleichgerichtet und mit dem Elektrolyt­ kondensator 108 geglättet. Der Festspannungsregler 110 stabili­ siert die Gleichspannung zur Versorgung der Anzeigeeinheit 42. Über die Punkte G und H wird der Auswerteelektronik die unsta­ bilisierte Gleichspannung zugeführt. Die Stabilisierung findet im Sondenkopf 38 statt, um Spannungsabfälle bei langen Übertra­ gungsleitungen zu kompensieren.

Claims (10)

1. Meßvorrichtung zur Füllstandsmessung mit einem in ein Medium hineinragenden, vorzugsweise stab­ förmigen Sensor mit mindestens einer Meßelektrode und mit einer an den Sensor angeschlossenen Auswerteeinrichtung zur Ableitung eines Signals für die Füllstandshöhe aus dem Meß­ signal des Sensors, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektrode über die Länge des Sensors (18) in mehrere, jeweils mit der Auswerteeinrichtung verbundene Einzelelektroden (20, 22, 24) unterteilt ist.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Einzelelektroden (20, 22, 24) die gleiche Länge haben.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelektroden unterschiedliche Länge aufweisen, insbesondere am oberen oder am unteren Ende des Sensors kürzer als in dessen übrigen Bereich ausgebildet sind.

4. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (18) weiterhin eine Gegen- bzw. Referenz­ elektrode (26) aufweist.

5. Meßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektrode (20, 22, 24) und die Gegenelektrode (26) über eine Abschirmelektrode (28) voneinander abgeschirmt sind.

6. Meßvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (14) eine Mehrlagenstruktur (18) aufweist, in der Elektroden (20, 22, 24, 26, 28) und Isolationsschichten (32, 34, 36) alternierend angeordnet sind, wobei die Gegen­ elektrode (26) und die Meßelektrode (20, 22, 24) an den Außenseiten der Mehrlagenstruktur (18) zu liegen kommen.

7. Meßvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrlagenstruktur (18) von einer Isolationsschicht (37) umgeben ist.

8. Meßvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (37) aus einem Schrumpfschlauch besteht.

9. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Einzelelektrode (20, 22, 24) in der Auswerteeinrich­ tung jeweils einem Meßkanal zugeordnet ist.

10. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsignale der Einzelelektroden sequen­ tiell in einem Multiplexverfahren auf einen in der Auswerte­ einrichtung ausgebildeten Meßkanal gelegt werden.