DE8216323U1 - Sonde zur kapazitiven messung des fuellstands in einem behaelter, insbesondere von heissem fuellgut - Google Patents

Description

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München Stuttgart

4. Juni 1982

Endress u. Hauser GmbH u. Co,

Hauptstraße 1

7867 Maulburg

Unser Zeichen: E 1101

Sonde zur kapazitiven Messung des Füllstands in einem Behälter, insbesondere von heißem Füllgut

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sonde zur kapazitven Messung des Füllstands in einem Behälter, insbesondere von heißem Füllgut, mit einer Sondenelektrode, die mittels eines Befestigungsteils elektrisch isoliert durch eine Öffnung in der Behälterwand hindurchgeführt ist, und mit einem vom Befestigungsteil außerhalb des Behälters getragenen Sondenkopf, der eine mit dem Anschluß der Sondenelektrode verbundene elektronische Schaltung enthält.

Die kapazitive Füllstandsmessung beruht bekanntlich darauf, daß die Kapazität zwischen der Sondenelektrode und einer Gegenelektrode, die meist durch die metallische Behälterwand gebildet ist, in Abhängigkeit vom Füllstand veränderlich ist. Kapazitive Sonden können zur kontinuierlichen Füllstandsmessung oder zur Erfassung von Grenzständen verwendet werden. In jedem Fall werden an die Sonden besonders große Anforderungen gestellt, wenn das zu messende Füllgut

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eine hohe Temperatur hat. Beispiele für solche Füllgüter sind Heißmineralien und Flugasche. Unter Heißmineral ist gemahlenes Gestein zu verstehen, das im Drehrohrofen auf Temperaturen bis zu 400° C erhitzt wird und zur Herstellung von Straßenbelag verwendet wird. Heiße Flugasche entsteht beispielsweise in Kohlekraftwerken und erreicht ähnliche Temperaturen. Die zur Messung des Füllstands von heißen Füllgütern dieser Art verwendeten Sonden müssen hitzebeständig, druckfest und abriebfest sein. Darüber hinaus besteht das Problem, daß die im Sondenkopf untergebrachte Elektronik durch die vom Behälter auf den Sondenkopf übertragene Wärme gefährdet ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer kapazitiven Sonde, die insbesondere zur Messung des Füllstands von heißen Füllgütern geeignet ist und bei der die im Sondenkopf untergebrachte Elektronik vor der im Innern des Behälters herrschenden Hitze geschützt ist.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß an dem Befestigungsteil ein mit Kühlrippen versehender rohrförmiger Kühlkörper befestigt ist, der den Sondenkopf trägt und durch den der Verbindungsleiter zwischen der Sondenelektrode und der elektronischen Schaltung hindurchgeht.

Der gemäß der Erfindung vorgesehene Kühlkörper führt einen großen Teil der über das Befestigungsteil übertragenen Wärme an die Außenluft ab, so daß sie nicht zu der im Sondenkopf untergebrachten Elektronik gelangen kann.

Die Verwendung des Kühlkörpers ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Sonde ein im Innern des Behälters liegendes Feuchteschutzrohr hat, das einen Teil der Sondeneloktrode umgibt und mit dem Befestigungsteil in wärmeleitender Verbindung steht. In diesem Fall wird nämlich eine

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beträchtliche zusätzliche Wärmemenge über das Feuchteschutzrohr auf das Befestigungsteil übertragen.

Vorzugsweise ist der Kühlkörper ein Aluminium-Gußteil.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigen:

Fig. 1 eine zum Teil geschnittene Ansicht einer ersten Ausführungsform der kapazitiven Sonde nach der Erfindung und

Fig. 2 eine zum Teil geschnittene Ansicht einer zweiten Ausführungsform der kapazitiven Sonde nach der Erfindung.

Die in Fig. 1 der Zeichnung dargestellte kapazitive Sonde dient zur Messung des Füllstands in einem Behälter, von dem nur ein Abschnitt der den oberen Abschluß bildenden Behälterwand 12 dargestellt ist. In der Behälterwand 12 ist eine mit einem Innengewinde versehene öffnung 14 angebracht, in der die Sonde 10 mittels eines mit einem Außengewinde versehenen Einschraubstücks 16 unter Einfügung einer Dichtung befestigt ist. Die Messung des Füllstands im Behälter erfolgt mittels einer Sondenelektrode 20, die elektrisch isoliert und druckdicht durch eine Mittelöffnung 18 des Einschraubstücks 16 hindurchgeführt ist und im Behälter nach unten ragt. Je nach dem Füllstand im Behälter ist die Sondenelektrode 20 mehr oder weniger weit von dem Füllgut bedeckt, so daß die Kapazität zwischen der Sondenelektrode 20 und einer Gegenelektrode, die meist durch die metallische Behälterwand gebildet ist, in Abhängigkeit vom Füllstand veränderlich ist. Die Kapazitätsänderungen werden von einer elektronischen Schaltung festgestellt, die in einem außerhalb des Behälters angeordneten Sondenkopf 22 untergebracht ist. Die von dieser Schaltung gelieferten Meßsignale werden zur Anzeige des Füllstands im Behälter ausgewertet.

Die Sondenelektrode 20 besteht bei dem dargestellten Beispiel aus zwei Teilen, nämlich aus einer Metallstange 24, die elektrisch isoliert und druckdicht durch das Einschraubstück 16 hindurchgeführt ist, und der eigentlichen aktiven Sondenelektrode 26, die am unteren Ende der Metallstange befestigt ist. Zu diesem Zweck ist der obere Teil der aktiven Sondenelektrode 26 als Gewindekopf 28 ausgebildet, der eine mit einem Innengewinde versehene Bohrung 30 aufweist, die auf einen am unteren Ende der Stange 24 angebrachten Gewindeabschnitt 32 aufgeschraubt ist.

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Die zweiteilige Ausbildung der Sondenelektrode 20 macht es
mögich, die kapazitive Sonde durch einfaches Auswechseln
der aktiven Sondenelektrode 26 an sehr unterschiedliche Betriebsbedingungen anzupassen, ohne daß der übrige Teil der
Sonde verändert werden muß. Die Art und Form der aktiven
Sondenelektrode 26 hängt insbesondere davon ab, ob die kapazitive Sonde zur kontinuierlichen Messung des Füllstands
oder zur Feststellung eines Grenzstands im Behälter verwendet werden soll. Für die kontinuierliche Füllstandsmessung
muß die aktive Sondenelektrode 26 eine große Länge haben, | so daß sie sich im wesentlichen über die ganze Höhe des Be- § hälters erstreckt. In diesem Fall besteht die aktive Sonden- | elektrode 26 gewöhnlich aus einem Sondenseil, das am Gewinde- I kopf 28 befestigt ist und durch ein am unteren Ende ange- f. brachtes Sondengewicht belastet ist. Für die Feststellung | eines Grenzstandes kann die aktive Sondenelektrode 26 eine | verhältnismäßig kurze Länge haben; sie ist dann beispiels- & v/eise durch ein am Gewindekopf 28 angebrachtes flaches oder %. rohrförmiges Metallteil gebildet. Die Sonde 10 kann in diesem I Fall auf der Höhe des festzustellenden Füllstandes horizontal |

an der seitlichen Behälterwand eingebaut werden. f

Die Beschaffenheit der aktiven Sondenelektrode 26 kann ferner f noch in Abhängigkeit von dem zu messenden Füllgut variieren.
Da diese verschiedenen Elektrodenformen an sich bekannt sind,
werden sie hier nicht näher beschrieben.

Die in Fig. 1 dargestellte Ausbildung der kapazitiven Sonde
eignet sich insbesondere für die Messung des Füllstands von
Füllgut hoher Temperatur, wie Heißmineralien, Flugasche oder
dergleichen. Unter Heißmineral ist gemahlenes Gestein zu
verstehen, das im Drehrohrofen auf Temperaturen bis zu 400° C
erhitzt wird und zur Herstellung von Straßenbelag dient.
Heiße Flugasche, die beispielsweise in Kohlekraftwerken

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entsteht, erreicht ähnliche Temperaturen. Die Messung des Füllstands von heißen Füllgütern dieser Art stellt an die kapazitive Sonde besondere Anforderungen, insbesonders hinsichtlich der mechanischen Robustheit und Hitzebeständigkeit. Darüber hinaus besteht das Problem der Verfälschung der Meßergebnisse durch eine feuchte Ansatzbildung an der Durchführung s s te lie der Sondenelektrod·" .

Trotz der im Inneren des Behälters herrschenden hohen Temperaturen kann nämlich an den verhältnismäßig kalten Behälterwänden Kondensat entstehen. Die in Fig. 1 dargestellte Ausbildung ergibt die Wirkung, daß die Sonde gegen feuchte Ansatzbildung unempfindlich gemacht ist und daß ein Eindringen von Feuchte in das Innere der Sonde verhindert wird. {§

Zu diesem Zweck ist der in das Innere des Behälters ragende Teil der Sondenelektrode 20 von der Durchführungsstelle an über eine beträchtliche Länge von einem Feuchteschutzrohr umgeben, das durch ein Metallrohr 36, vorzugsweise aus $

Stahl, gebildet ist. Bei dem dargestellten Beispiel umgibt | das Metallrohr 36 einen beträchtlichen Teil der Metallstange 24. An das Metallrohr 36 schließt sich ein Keramikrohr 38 an, das den restlichen Teil der Metallstange 24, mit Ausnahme des Gewindeabschnitts 32, umgibt. Das Metall- |

rohr 36 ist koaxial zur Mittelöffnung 18 an der unteren |

Stirnfläche des Einschraubstücks 16 angeschweißt. Der Innendurchmesser des Metallrohrs 36 ist wesentlich größer als der Außendurchmesser der Metallstange 24, so daß zwischen der Metallstange 24 und dem Metallrohr 3 6 ein ringförmiger Zwischenraum 40 besteht. Am unteren Ende des Metallrohrs 36 ist ein metallisches Verschlußstück 42 angeschweißt, das eine Mittelöffnung für die Durchführung der Metallstange aufweist. Die untere Stirnfläche des VerschlußStücks 42 ist mit einer flachen Vertiefung versehen, die das obere Ende des Keramikrohrs 38 unter Einfügung eines Dichtungsrings

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aufnimmt. Das untere Ende des Keramikrohrs 38 sitzt unter Einfügung einer Dichtung 46 in einer flachen Vertiefung an der oberen Stirnfläche eines Widerlagers 48, das auf den Gewindeabschnitt 32 aufgeschraubt und zusätzlich durch eine Schweißnaht fest und druckdicht mit der Metallstange verbunden ist.

Das nach oben aus der Mittelöffnung 18 des EinschraubStücks 16 herausragende Ende der Metallstange 24 ist gleichfalls als Cewindeabschnitt 50 ausgebildet. Der zwischen den beiden Gewindeabschnitten 32 und 50 liegende Teil der Metallstange 24 ist über seine ganze Länge mit einem Mantel 52 aus elektrisch isolierendem Material bedeckt, der beispielsweise durch einen Schlauch aus wärmebeständigem Kunststoff, wie Polytetrafluoräthylen, gebildet sein kann. Durch den Isoliermantel 52 ist die Metallstange 24 gegenüber dem Einschraubstück 1f und dem Verschlußstück 42 elektrisch isoliert.

Im oberen Teil des Einschraubstücks 16, der als Sechskantkopf ausgebildet ist, ist eine Ausnehmung 54 angebracht, die einen wesentlich größeren Durchmesser als die Mittelöffnung 18 hat. Der durch aie Ausnehmung 54 ragende Gewindeabschnitt 50 ist von einem Stapel aus einem Dichtungsring 56, einer Keramikscheibe 58, einem weiteren Dichtungsring 60 und einer Metallscheibe 62 umgeben. An der Metallscheibe 62 liegt eine auf den Gewindeabschnitt. 50 aufgeschraubte Mutter 64 an, die durch eine Gegenmutter 66 gesichert ist.

Durch das Anziehen der Mutter 64 wird einerseits das Keramikrohr 38 unter Zusammenpressung der Dichtungen 44 und 46 zwischen dem Verschlußstück 42 und dem Widerlager 48 eingespannt, und andererseits wird der Stapel 56, 58, 60, 62 gegen den Boden der Ausnehmung 54 gepreßt. Auf diese Weise sind alle diese Teile fest mit dem Einschraubstück 16 verbunden. Die Sondenelektrode 20 ist durch das Keramikrohr 38,

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den Isoliermantel 52 und die Keramikscheibe 58 elektrxoch von dem Einschraubstück 16 und dem Metallrohr 36 isoliert, die mit der Behälterwand 12 in elektrisch leitender Verbindung stehen. Durch die Dichtungen 44 und 46 ist der Innen— raum des Feuchteschutzrohres 36 gegen das Eindringen von Feuchte abgedichtet.

Das Feuchteschutzrohr 36 hat die Aufgabe, die Sondenelektrode 20 erst an einer Stelle in den Behälter eintreten zu lassen, die so weit von der Behälterwand 20 entfernt ist, daß dort eine Temperatur erreicht ist, an der keine Kondensatbildung mehr auftritt. Die erforderliche Länge des Feuchteschutzrohres hängt von den Betriebsbedingungen ab, insbesondere von der Temperatur des Füllguts und von der zu erwartenden Kondensatbildung. Grundsätzlich ist es um so günstiger, je größer die Länge des Feuchteschutzrohres ist. Die Länge des Feuchteschutzrohres ist jedoch durch andere Faktoren begrenzt; insbesondere muß natürlich das Feuchteschutzrohr bei vertikalem Einbau vor dem höchsten zu messenden Füllstand enden.

E3 wurde festgestellt, daß sich das Feuchteschutzrohr 36 um mindestens 300 mm frei in das Innere des Behälters erstrecken sol! Als Standard hat sich eine Länge von 400 mm als zweckmäßig erwiesen, doch kann je nach den Anwendungsbedingungen auch eine größere Länge zweckmäßig sein. Ein an der Außenseite des Feuchteschutzrohrs 3 6 entstehendes Kondensat und eine dadurch verursachte feuchte Ansatzbildung hat keinen Einfluß auf die Kapazität zwischen der Sondenelektrode 20 und der Behälterwand, weil das metallische Feuchteschutzrohr über das Einschraubstück 16 elektrisch leitend mit der Behälterwand 12 verbunden ist und daher auf dem Potential der Behälterwand liegt. Die Füllstandsmessung wird somit durch die Kondensation und Ansatzbildung nicht beeinträchtigt,

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Die Länge des Keramikrohrs 38 ist so bemessen, daß ein ausreichender Isolationsabstand zwischen der frei in den Behälter ragenden aktiven Sondenelektrode 26 und dem Feuchteschutzrohr 36 erzielt wird. In der Praxis hat sich hierfür eine Länge von etwa 100 mm als ausreichend erwiesen.

Bei der in Fig. 1 dargestellten kapazitiven Sonde sind zusätzliche Maßnahmen getroffen, um die im Sondenkopf 22 untergebrachte Elektronik vor der im Innern des Behälters herrschenden Hitze zu schützen. Zu diesem Zweck ist der Sondenkopf 22 am oberen Ende eines rohrförmigen Kühlkörpers 68 befestigt, der auf der Außenseite mit Kühlrippen versehen ist. Der rohrförmige Kühlkörper 68 ist mittels Schrauben 72 auf der Oberseite des Einschraubstücks 16 befestigt. Eine durch das hohle Innere des Kühlkörpers 68 geführte Verlängerung 74 des Metallstabs 24 verbindet die Sondenelektrode mit der im Innern des Sondenkopfs 22 angebrachten Elektronik. Der Kühlkörper 68 führt einen großen Teil der über das Feuchteschutzrohr 36 und das Einschraubstück 16 übertragenen Wärme an die Außenluft ab. Vorzugsweise ist der Kühlkörper 68 ein Aluminium-Gußteil.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform der kapazitiven Sonde unterscheidet sich von der Ausführungsform von Fig. im wesentlichen nur durch die Art der Befestigung an der Behälterwand. Da die übrigen Bestandteile im wesentlichen die gleiche Ausbildung und Funktion wie bei der Ausführungsform von Fig. 1 haben, sind sie mit Bezugszeichen bezeichnet, die gegenüber den Bezugszeichen der entsprechenden Teile von Fig. 1 jeweils um 100 erhöht sind.

Die kapazitive Sonde 110 von Fig. 2 sitzt somit in der öffnung 114 einer Behälterwand 112, und sie weist eine

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Metallstange 124 auf, deren unteres Ende als Gewindeabschnitt 132 zur Befestigung des Gewindekopfs 128 der aktiven Sondenelektrode 126 ausgebildet ist. Die Metallstange 124 ist über | einen großen Teil ihrer Länge von einem Feuchteschutzrohr 136 aus Metall umgeben, an das sich ein Keramikrohr 138 anschließt, das unter Einfügung von Dichtungen 144, 146 zwischen einem am unteren Ende des Feuchteschutzrohres 136 befestigten Verschlußstück 142 und einem am unteren Ende der Metallstange 124 befestigten Widerlager 148 eingespannt ist. Das obere Ende der Metallstange 124 ist wiederum als Gewindeabschnitt 150 ausgebildet, auf den eine Mutter 164 aufgeschraubt ist. Der Isoliermantel 152 \ umgibt in diesem Fall nur den oberen Teil der Metallstange 124, da im übrigen die Isolation, insbesondere gegenüber dem Verschlußstück 142, durch ausreichend große Zwischenräume erzielt ist.

Im Gegensatz zu der Ausführungsform von Fig. 1 ist das Befestigungsteil für die Sonde nicht durch ein Einschraubstück, sondern durch einen Flansch 180 gebildet, der eine öffnung 182 aufweist, deren Durchmesser gleich dem Außendurchmesser des Feuchteschutzrohres 136 ist. Das Feuchteschutzrohr 136 ist durch die öffnung 182 hindurchgeführt und ragt geringfügig über die Oberseite des Flansches 180 vor. Das Feuchteschutzrohr 136 ist mit dem Flansch 180 durch Verschweißen fest und druckdicht verbunden. Am oberen | Ende des Feuchteschutzrohrs 136 ist ein Metalldeckel 184 angeschweißt, der eine Mittelöffnung aufweist, durch die |

die Metallstange 124 hindurchgeführt ist. Der Metalldeckel 184 dient als Auflager für den Stapel aus dem Dichtungsring 156, der Keramikscheibe 158, dem Dichtungsring 160 und der Metallscheibe 162, der, wie bei der Ausführungsform von Fig. 1, durch Festziehen der Mutter 164 gegen das Auflager gedrückt wird, das in diesem Fall von dem Metalldeckel 184 gebildet wird.

Der Flansch 180 liegt unter Einfügung einer ringförmigen Dichtung 186 auf der Oberseite eines Gegenflansches 188 auf, der an einem an der Oberseite der Behälterwand 112 angeschweißten rohrförmigen Zwischenstück 190 angeformt

< ist. Dia beiden Flansche 180 und 188 sind mittels Schrau-

\ ben 192 fest miteinander verbünden.

Auch bei der Ausführungsform von Fig. 2 wird der Sondenkopf 122 von einem mit Kühlrippen 170 versehenen Kühlkörper 168 getragen, durch den die als Elektrodenanschluß dienende Verlängerung 174 der Metallstange 124 hindurchgeht. Der Kühlkörper 168 ist in diesem Fall mittels der Schrauben 172 auf der Oberseite des Flansches 180 befestigt.

Hinsichtlich des Feuchteschutzes und der Wärmeabführung gelten für die Ausführungsform von Fig. 2 die Erläuterungen, die zuvor für die Ausführungsform von Fig. 1 gegeben worden sind.

Claims (4)

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3. München Stuttgart
4. 4. Juni 1982

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   7867 Maulburg

   Unser Zeichen: E 1101

   Schutzansprüche

   \..) Sonde zur kapazitiven Messung des Füllstands in einem Behälter, insbesondere von heißem Füllgut, mit einer Sondenelektrode, die mittels eines Befestigungsteils elektrisch isoliert durch eine Öffnung in der Behälterwand hinaurchgeführt ist, und mit einem vom Befestigungsteil außerhalb des Behälters getragenen Sondenkopf, der eine mit dem Anschluß der Sondenelektrode verbundene elektronische Schaltung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Befestigungsteil (16; 180) ein mit Kühlrippen (70, 170) versehener rohrförmiger Kühlkörper (68; 168) befestigt ist, der den Sondenkopf (22; 122) trägt und d«. rch den der Verbindungsleiter (74; 174) zwischen der Sondenelektrode (20; 120) und der elektronischen Schaltung hindurchgeht.

   2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (68; 168) ein Aluminium-Gußteil ist.

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   3. Sonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungsteil ein mit einem Außengewinde versehenes Einschraubstück (16) ist, das in die mit einem Innengewinde versehene Öffnung (14) der Behälterwand (12) eingeschraubt ist, und daß der Kühlkörper (68) auf der vom Behälter nach außen gewandten Stirnfläche des Einschraubstücks (16) festgeschraubt ist.

   4. Sonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungsteil ein mit der Behälterwand (11?) verbundener Flansch (180) ist, und daß der Kühlkörper (168) auf der dem Behälter abgewandten Fläche des Flansches (180) festgeschraubt ist.