DE4042257A1 - Verfahren und vorrichtung zur ermittlung von fuellstand und pegelhoehen von elektrisch leitenden fluessigkeiten unter verwendung diskreter sensorpositionen - Google Patents

Description

Zur Bestimmung der Höhe eines Flüssigkeitsspiegels können nahezu alle physikalischen Meßprinzipe und für diese je eine große Mannigfaltigkeit von Untermethoden angewendet werden.

Wird speziell die elektrische Leitfähigkeit vorausgesetzt, mit deren Hilfe eine Bestimmung ermöglicht werden soll, reduziert sich diese Vielzahl für die Ausführung fast immer auf den elektrischen Schluß eines Stromes über zwei in der Flüssigkeit befindliche Elektroden. Diese werden von oben in Richtung Flüssigkeitsspiegel hinuntergelassen. Die Auslotungstiefe ergibt sich aus dem Beginn des Stromflusses durch die Elektroden, sobald diese beide in die Flüssigkeit tauchen.

Dieses Verfahren wird in der Regel manuell angewendet, eine Automatisierung ist nicht ökonomisch und wird nicht praktiziert. Elektrische Methoden für eine Erfassung des Spiegels bei Flüssigkeiten variabler Leitfähigkeit ohne eine Bewegung der Meßanordnung sind mit einer einzigen Ausnahme (siehe Lit.) nicht bekannt.

Eine bewegungsfreie Erfassung wird dadurch ermöglicht, daß längs einem vertikal aufgestellten Pegel, der in die Flüssigkeit hineinragt, viele diskrete Einzel-"Fenster" vorgesehen werden, deren Zustand (benetzt oder trocken) von oben aus elektrisch abgefragt oder analog gemessen wird. Hierzu sind erfindungsgemäß zwei verschiedene Möglichkeiten gegeben.

Einmal wird eine vertikal angeordnete Kette oder starre Anordnung (Pegel-Latte) von ohmschen Widerständen gleichem numerischen Wertes mit für die Flüssigkeit zugänglichen (Metall-) Flächen, die obengenannten Fenster, zwischen je zweien dieser Widerstände, vorgesehen. Die Widerstände selbst sind gegen die Flüssigkeit isoliert. Ferner wird eine Gegenelektrode derart installiert, daß diese stets zumindest anteilig innerhalb der Flüssigkeit ist, unabhängig von der jeweiligen Spiegelhöhe.

Der räumliche Widerstand zwischen den benetzten (Metall-) Flächen und der Gegenelektrode wird durch eine geeignete Geometrie der Anordnung derart klein gehalten, daß er geringer ist als ein einzelner ohmscher Widerstand der Kette. Somit läßt sich aus der Messung des Widerstandes der Gesamtanordnung (Summe der ohmschen Widerstände im Trockenbereich plus Übergangswiderstand durch die Flüssigkeit zur Gegenelektrode) ermitteln, wieviele Widerstände oberhalb des Spiegels liegen, oder, gleichbedeutend, in welcher Tiefe der Flüssigkeitsspiegel liegt, da die Metallflächen längs des Pegels in engem und konstantem Abstand angebracht sind.

Dieses Verfahren ist bereits beschrieben in BUSCH & LUCKNER, Geohydraulik (siehe Lit.) und stellt die oben erwähnte einzige bekannte Ausnahme dar. Es ist jedoch nur für eine sehr begrenzte Anzahl von diskreten Tiefenpunkten anwendbar, da die Anordnung der Fensterflächen und Form und Lage der Gegenelektrode nicht optimiert waren. Die Gegenelektrode hatte nahezu punktuelle Gestalt und befand sich am tiefsten Punkt der Flüssigkeit und damit zumeist weit abseits von den Metallflächen. Das Verfahren konnte sich daher nicht einbürgern. Die optimierende geometrische Anordnung ist hier Gegenstand eines Teiles der Erfindungsgedanken, wonach ohne weiteres eine zehnfach größere Auflösung der Tiefenerfassung oder eine zehnfach größere Erkundungstiefe einer Flüssigkeitssäule ermöglicht werden.

Die konstruktionsbedingt hohen räumlichen Übergangswiderstände von den Metallflächen zur Gegenelektrode des bei BUSCH & LUCKNER beschriebenen Verfahrens müssen aus zwei Gründen wesentlich verringert werden, wenn eine hinreichend universelle Brauchbarkeit garantiert sein soll:
erstens brauchen bei einer Verringerung des räumlichen Übergangswiderstandes zur Gegenelektrode dann auch nicht mehr die ohmschen Widerstände der Kette hohe Werte zu erhalten, um den für variable Leitfähigkeiten von Flüssigkeiten unkalkulierbaren räumlichen Übergangswiderstand übertreffen zu können (um überhaupt einen Pegelstand messen zu können). Das aber würde andererseits bei großer Stückzahl von Einzelwiderständen in der Kette einen unverträglich hohen Gesamtwiderstand mit allen den bekannten Nachteilen in der Meßtechnik bedeuten.

Zweitens aber würden - als Folge zu hoher Werte der ohmschen Widerstände in der Kette - bei einer Absenkung des Flüssigkeitsspiegels zwischen den Metallflächen verbleibende Flüssigkeitsreste relativ unverträglich hohe parallele Leckströme zu den ohmschen Widerständen verursachen, was wiederum die Meßergebnisse verfälschen würde.

Zum anderen können in ähnlicher Form die obenerwähnten Metallfenster, jetzt an der Außenseite eines hermetisch abgeschlossenen Kunststoffrohres angebracht, zur Erkennung des Zustandes eines elektrischen Potentials dienen, das in Abhängigkeit der Zustände benetzt oder trocken ansteht. Die Gegenelektrode, hier am unteren Ende des Rohres und im Kontakt mit der Flüssigkeit, erhalte beispielsweise positives Potential. Die Fenster sind sodann nach innen je mit einem Gatter von hochohmigen digitalen ICs (CMOS) verbunden, für deren Stromversorgung das GND-Potential (ground) und das Potential der oben bezeichneten Gegenelektrode dienen. Da alle Gattereingänge sehr hochohmig sind, hat die Flüssigkeit praktisch überall das gleiche Potential wie die Gegenelektrode am Ende des Rohres. Durch den Zustand der ICs am Ausgang läßt sich bei geeigneter Auswahl der Bausteine und der geometrischen Anordnung eindeutig von oben erkennen, ob sich ein zum Gatter zugehöriges Fenster innerhalb der Flüssigkeit befindet oder außerhalb derselben liegt, d. h. ob es positiv oder indefinit ist und zugeordnet wirkt.

Die Vielheit der IC-Ausgänge wird durch zyklische Fernabfrage abgetastet. Hierzu ist bei geeignetem elektronischen Konzept ein Zweileiter-System ausreichend.

Lit. BUSCH, K.-F. & LUCKNER, L. (1972) Geohydraulik, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig

Claims (3)

1. Verfahren und Vorrichtungen zur Ermittlung von Füllstand und Pegelhöhen von elektrisch leitenden Flüssigkeiten unter Verwendung von längs einer vertikalen Latte vorgesehenen Sensoren in Form von Metallflächen oder anderweitig elektrisch leitenden Flächen, deren je zwei jeweils durch einen ohmschen Widerstand überbrückt sind, die unterhalb des Spiegels im direkten Kontakt mit der Flüssigkeit sind, wobei diese Sensorflächen einen niederohmigen Schluß zu einer weiterhin vorgesehenen Gegenelektrode ermöglichen, so daß im wesentlichen ausschließlich die Anzahl der Sensoren oberhalb des Spiegels von oben aus elektrisch in Form einer Widerstandsmessung meßbar wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Minimierung des niederohmigen Schlusses die Gegenelektrode in langer Ausdehnung längs sämtlicher dieser Sensoren in unmittelbarer Nachbarschaft vorbeigeführt wird.

2. Verfahren und Vorrichtungen nach 1., dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke einer weiteren Verringerung des Übergangswiderstandes zur Gegenelektrode anstelle von bisher nur einer linearen Sensoranordnung deren mehrere auch vertikal versetzte, Sensorpositionen verwendet werden, bei denen sämtlich wiederum unmittelbar benachbart eine längliche Gegenelektrode oder gegebenenfalls deren mehrere befindlich sind.

3. Verfahren und Vorrichtungen zur Ermittlung von Füllstand und Pegelhöhen von elektrisch leitenden Flüssigkeiten unter Verwendung von längs einer vertikalen Latte vorgesehenen Sensoren in Form von Metallflächen oder anderweitig elektrisch leitenden Flächen, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential über eine am Grunde der Flüssigkeit befindliche Gegenelektrode über die Flüssigkeit an die benetzten Flächen herangeführt wird und über hochohmige digitale innerhalb eines nichtleitenden Rohres befindliche ICs durch zyklische Fernabfrage von oben aus erkundet wird, während die oberhalb des Spiegels befindlichen Sensorflächen durch ihren indefiniten Potentialzustand eine anderslautende Information abgeben.