DE19643286C1 - Vorrichtung zum Erkennen von strömenden Medien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erkennen strömender Medien in einer geschlossenen Leitung beste­ hend aus mindestens einer Fühleranordnung, die minde­ stens einen Kondensator aufweist, und einer elektroni­ schen Schaltung, die einen Frequenzgenerator und einen mit dem Kondensator und einem Widerstand gebildeten phasenverschiebenden Tiefpaß beinhaltet.

Leitungen für strömende Medien, beispielsweise Rohrlei­ tungen, in denen Wasser, Öl, Gas oder staubförmige Stoffe gefördert werden, müssen überwacht werden, um das Fließen des Mediums zu gewährleisten. Ein eventuel­ ler Stau oder eine Verstopfungen muß rechtzeitig be­ merkt werden, um eine weitere Zuförderung zu unterbre­ chen, damit es im Zuförderbereich nicht zum Überlaufen kommt. Ebenso soll ein Fließen detektiert werden, wenn die Leitung an sich gesperrt sein soll, aber aufgrund von Leckagen trotzdem eine Medienströmung vorhanden ist. Solche Leckageströmungen können bei gesperrten Gasleitungen, an denen beispielsweise Reparaturarbeiten ausgeführt werden sollen, verheerende Folgen haben.

Aus der EP 0 280 814 A2 ist eine Vorrichtung zur Be­ stimmung des Durchflusses von Öl durch ein Rohr be­ kannt. Durch Verwendung von kapazitiven Sensoren, die auf der Außenseite des Rohrs angeordnet sind und die auf eine sich veränderndes elektrisches Feld reagieren, wird die Menge und die Geschwindigkeit des Öls be­ stimmt. Das elektrische Feld wird durch einen Oszilla­ tor erzeugt.

Aus der DD 1 28 231 ist eine Schaltungsanordnung zur be­ rührungslosen Messung des Volumens auf Gurtbandförde­ rern bekannt. Hierbei ist der Schaltung eine Fühleran­ ordnung zugeordnet. Das Signal der Fühleranordnung wird über einen Produktentdetektor verglichen, um dann line­ arisiert ausgegeben zu werden.

Aus der US 4 472 968 ist eine Vorrichtung zur Messung der Füllhöhe in einem Tank bekannt. Die Vorrichtung be­ steht aus einem Ozsillator, der mit einem Kondensator verbunden ist. Zwischen den Kondensatorplatten ist eine Flüssigkeit angeordnet, deren Füllhöhe bestimmt werden soll. Parallel zum Kondensator ist eine Phasenver­ gleichsvorrichtung geschaltet.

Aus der JP 08114473 A ist eine Vorrichtung zur Bestim­ mung von Flußveränderungen in einem Rohr bekannt. Hier­ bei wird ein Kondensator in Form von dünnen Folien um die Außenseite des Rohrs gewickelt.

Aus keinen der Druckschriften ist eine Schaltung zu di­ gitalen Auswertung der Phasenverschiebung bekannt. Die Verarbeitung von digitalen Werten ist aufgrund der ver­ gleichsweise niedrigen Preise von entsprechenden Bau­ teilen günstiger als die analoge Datenverarbeitung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrich­ tung zu schaffen, mit dem mit einfachen Mitteln eine Medienströmung in einer Rohrleitung festgestellt werden kann.

Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß der Kondensator mit einem digitalisierenden Schmitt-Trigger verbunden ist, der Ausgang des Schmitt-Triggers und des Frequenz­ generators mit einer digitalen Vergleichsschaltung ver­ bunden sind und der digitalen Vergleichsschaltung ein Signalgeber nachgeschaltet ist.

Hierdurch wird die zu überwachende Leitung mittels ei­ ner aus Plattenkondensatoren bestehenden Fühleranord­ nung einem wechselnden elektrischen Feld ausgesetzt, wobei beim Fließen eines Mediums durch das zu überwa­ chende Rohr das Dielektrikum des Plattenkondensators sich ändert und die dadurch erfolgte Kapazitätsänderung mittels einer elektronischen Schaltung erkannt und zu einem Schaltsignal benutzt wird. Bei einer Kapazität­ sänderung der Kondensatoren wird der Signalgeber an­ regt.

Durch diese Maßnahmen wird eine Vorrichtung geschaffen, mit der die Detektierung strömender Medien in einer ge­ schlossenen Leitung, beispielsweise in einer geschlos­ senen Rohrleitung beliebigen Querschnitts, möglich ist. Durch die Strömung des Mediums, beispielsweise Wasser oder Gas, ändert sich das Dielektrikum der der Rohrlei­ tung zugeordneten Plattenkondensatoren, was wiederum deren Kapazitätsänderung zur Folge hat. Diese Kapazi­ tätsänderung wird von der zugeordneten elektronischen Schaltung erkannt und zur Signalgebung verarbeitet.

Dazu ist es vorgesehen, daß an einer zu überwachenden Leitung in einem vorbestimmten Abstand zueinander zwei aus zwei Kondensatoren bestehende Fühleranordnungen an­ geordnet sind. Die dabei detektierte Kapazitätsänderung wird durch einen Phasenvergleicher ermittelt und die Phasenänderung zur Erstellung eines Schaltsignales aus­ gewertet.

Um das Vorhandensein von Strömung in einem bestimmten Rohrabschnitt feststellen und deren Unterbrechung ver­ anlassen zu können, ist es bei einer Ausführung vorge­ sehen, daß die an einer zu überwachenden Leitung in ei­ nem vorbestimmten Abstand zueinander angeordneten, aus zwei Kondensatoren bestehenden zwei Fühleranordnungen in Strömungsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind.

Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den übrigen Un­ teransprüchen beschrieben. Die Erfindung ist in der beiliegenden Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher be­ schrieben; es zeigt:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer Rohr­ leitung im Schnitt, mit einer Fühleran­ ordnung aus zwei einander gegenüberlie­ gend aufgeklebten Kondensatorfolien;

Fig. 2 die schematische Darstellung einer Rohr­ leitung im Schnitt, mit einer Fühleran­ ordnung aus zwei V-förmig zueinander an­ geordneten Kondensatorplatten;

Fig. 3 das Blockschaltbild einer elektronischen Schaltung zur Erkennung von Kapazitätsän­ derungen der der zu überwachenden Rohr­ leitung zugeordneten Plattenkondensato­ ren;

Fig. 4 das Blockschaltbild einer elektronischen Schaltung zur Erkennung von Kapazitätsän­ derungen der der zu überwachenden Rohr­ leitung zugeordneten Plattenkondensato­ ren, mit einem Mikroprozessor zum Detek­ tieren einer konstanten Phasenänderung;

Fig. 5 das Blockschaltbild einer elektronischen Schaltung zur Erkennung von Kapazitätsän­ derungen der der zu überwachenden Rohr­ leitung zugeordneten Plattenkondensato­ ren, mit einem Integrator nachge­ ordneten Mikroprozessor.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung 10 zum Detektieren von strömenden Medien 12 in einer Lei­ tung 11, vorzugsweise einem Rohr, besteht im wesentli­ chen aus einer Fühleranordnung 32, die mit einer elek­ tronischen Schaltung 29 verbunden ist.

Bei der in der Fig. 1 dargestellten Vorrichtung 10 be­ steht die Fühleranordnung 32 aus zwei Kondensatorfolien 13 und 13a, die einander gegenüberliegend auf die Rohr­ leitung 11 aufgeklebt sind. Die Kondensatorfolien 13 und 13a sind über Kontakte 15 mit den elektronischen Bauteilen 16 der auf einer Leiterplatte 17 angeordneten elektronischen Schaltung 29 verbunden. Die Leiterplatte 17 ist zusammen mit den Kondensatorfolien 13 und 13a in einem Gehäuse 18 untergebracht. Das Gehäuse 18 weist eine der Außenoberfläche der zu überwachenden Rohrlei­ tung 11 entsprechend konturierte Aussparung 31 auf. Durch dieser Aussparung 31 kann die Vorrichtung 10 mit einem ihr Gehäuse 18 abschließenden Deckel 19 an der Rohrleitung 11 angeschraubt werden.

Bei der in der Fig. 2 dargestellten Ausführung der Vorrichtung 10 besteht die Fühleranordnung 32 aus zwei V-förmig zueinander angeordneten, kupferkaschierte Plattenkondensatoren 14 und 14a. Die Plattenkondensato­ ren 14 und 14a sind in einem Gehäuse 18 untergebracht, welches mit einer Aussparung 31 versehen ist, die der Kontur der Außenoberfläche der Rohrleitung 11 ent­ spricht. Das Gehäuse 18 kann mit dieser Aussparung 31 an die zu überwachen der Rohrleitung 11 angelegt und mit einem Deckel 19 befestigt werden. Die Kontakte 15 sind dabei integrierte Bestandteile der Leiterplatte 17, auf der die elektronischen Bauteile 16 der die Füh­ leranordnung 32 überwachenden elektronischen Schaltung 29 angeordnet sind.

In der Fig. 3 ist in einem Blockschaltbild die Schal­ tung 29 dargestellt, mit dem die von den Plattenkonden­ satoren 13 bzw. 14 kommenden Kapazitätsänderung einem Phasenvergleicher 24 zugeleitet und ausgewertet werden können.

Die Schaltung 29 besteht aus einem Frequenzgenerator 20, der sein Signal zum einen auf den Phasenvergleicher 24 und zum anderen auf einen Widerstand 21 gibt. Der Widerstand 21 stellt zusammen mit dem Plattenkondensa­ tor 13 bzw. 14 einen Tiefpaß dar. Der Plattenkondensa­ tor 13 bzw. 14 ist dabei an Masse 28 gelegt.

Durch diesen Tiefpaß wird das ursprüngliche Signal des Frequenzgenerators 20 phasenverschoben. Dieses phasen­ verschobene Signal wird am Plattenkondensator 13 bzw. 14 abgegriffen und mit Hilfe eines Schmitt-Triggers 22 in ein digitales Signal umgeformt.

An dem Phasenvergleicher 24 stehen nun zwei phasenver­ schobene digitale Signale an, die miteinander vergli­ chen werden. Im Ruhezustand der Schaltung kommt es im­ mer zu einem Phasenunterschied, den der Phasenverglei­ cher 24 in Form von konstanten Impulsen anzeigt.

Diese Impulse werden von einem Integrator 23 so weiter­ verarbeitet, daß an seinem Ausgang eine relativ kon­ stante Gleichspannung entsteht. Alle bisherigen Tole­ ranzen im System bewirken nur eine Veränderung des Be­ trages dieser Gleichspannung.

Die am Ausgang des Integrators 23 befindliche Gleich­ spannung wird nun einem Differenzierer 25 zugeführt. Im Ruhezustand der Schaltung liegt am Ausgang des Diffe­ renzierers 25 kein digitales Signal an und somit bleibt auch der Schmitt-Trigger 22 in Ruhe.

Fließt nun ein Medium 12 durch das elektrische Feld des Plattenkondensators 13 bzw. 14, so ändert sich sein Dielektrikum und daher auch seine Kapazität. Das hat für den aus dem Widerstand 21 und dem Plattenkondensa­ tor 13 bzw. 14 bestehenden Tiefpaß zur Folge, daß sich die Phase in Bezug auf den Frequenzgenerator 20 um ei­ nen Betrag Δϕ ändert. Damit ändert sich am Ausgang vom Phasenvergleicher 24 auch die Impulsbreite. Diese rela­ tiv schnelle Phasenänderung führt am Ausgang des Inte­ grators 23 zu einem Sprung in der Gleichspannung.

Dieser Sprung in der Gleichspannung wird vom Differen­ zierer 25 wahrgenommen und führt an seinem Ausgang zu einem Impuls. Dieser Impuls wird nun von einem zweiten Schmitt-Trigger 26 in ein digitales Signal umgeformt und am Digitalausgang 27 einem Signalgeber 30 zur Ver­ fügung gestellt. Durch die Sprungantwort des Differen­ zierers 25 ist es möglich, eine positive oder negative Phasenänderung zu erkennen und auszuwerten.

In der Fig. 4 ist eine elektronische Schaltung 29 dar­ gestellt, bei der hinter dem Ausgang des Schmitt- Triggers 22 und dem Frequenzgenerator 20 ein Mikropro­ zessor 33 vorgesehen ist. Der Mikroprozessor 33 mißt eine mögliche konstante Phasenlage zwischen dem Schmitt-Triggers 22 und dem Frequenzgenerator 20 und kann sie im Ruhezustand des Systems als Referenzwert ablegen.

Fließt nun ein Medium durch das elektrische Feld des Kondensators 13 bzw. 14, ändert sich die Phase zwischen den beiden Eingängen des Mikroprozesses 33 und er kann diese Phasenlage einem Medium 12, beispielsweise einem Gas, zuordnen. Dadurch ist es möglich, ein anderes Me­ dium zu erkennen, und dieses an mehreren Mikroprozes­ sorausgängen zu signalisieren.

Ist das System in Ruhe, so steht am Ausgang des Inte­ grators 23 eine relativ konstante Gleichspannung. Alle bisherigen Toleranzen im System bewirken nur eine Ver­ änderung des Betrags dieser Gleichspannung. Wird diese Gleichspannung einem Mikroprozessor 33a zugeführt, wie dies in der Fig. 5 dargestellt ist, kann mit Hilfe ei­ nes entsprechenden Programmes dieser Wert als Bezug ge­ nommen werden.

Fließt nun ein Medium durch das elektrische Feld des Kondensators 13, 13a bzw. 14, 14a, ändert sich die Gleichspannung am Ausgang des Integrators 23 und der Mikroprozessor 33a erkennt durch den neuen Gleichspan­ nungswert, daß sich das Medium in Rohr geändert hat und signalisiert dies an mehreren Mikroprozessorausgängen.

Bezugszeichenliste

10 Vorrichtung
11 Rohrleitung
12 strömendes Medium
13, 13a Kondensatörfolie
14, 14a Plattenkondensator
15 Kontakt
16 elektronisches Bauteil
17 Leiterplatte
18 Gehäuse
19 Deckel
20 Frequenzgenerator
21 Widerstand
22 Schmitt-Trigger
23 Integrator
24 Phasenvergleicher
25 Differenzierer
26 zweiter Schmitt-Trigger
27 Digitalausgang
28 Masse
29 elektronische Schaltung
30 Signalgeber
31 Aussparung
32 Fühleranordnung
33, 33a Mikroprozessor

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Erkennen strömender Medien in einer geschlossenen Leitung bestehend aus mindestens einer Fühleranordnung, die mindestens einen Kondensator auf­ weist, und einer elektronischen Schaltung, die einen Frequenzgenerator und einen mit dem Kondensator und ei­ nem Widerstand gebildeten phasenverschiebenden Tiefpaß beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (13, 13a; 14, 14a) mit einem digitalisierenden Schmitt- Trigger (22) verbunden ist, der Ausgang des Schmitt- Triggers (22) und des Frequenzgenerators (20) mit einer digitalen Vergleichsschaltung (24, 33) verbunden sind und der digitalen Vergleichsschaltung (24, 33) ein Si­ gnalgeber (30) nachgeschaltet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die digitale Vergleichsschaltung ein Phasen­ vergleicher (24) mit nachgeschaltetem Integrator (23), Differenzierer (25) und Schmitt-Trigger (26) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die digitale Vergleichsschaltung ein Mikropro­ zessor (33) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die digitale Vergleichsschaltung ein Phasen­ vergleicher (24) mit nachgeschaltetem Integrator (23) und Mikroprozessor (33a) ist.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an einer zu überwachenden Leitung (11) in einem vorbestimmten Abstand zueinander zwei Fühleranordnungen (32) mit jeweils einem Kondensator (13, 13a; 14, 14a) in Strömungsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühleranordnung (32) aus zwei Kondensatorfolien (13, 13a) besteht.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühleranordnung (32) aus zwei Plattenkondensatorerl (14, 14a) besteht.