DE2819731A1

DE2819731A1 - Anordnung zur kapazitiven fuellstandsmessung in einem behaelter

Info

Publication number: DE2819731A1
Application number: DE19782819731
Authority: DE
Inventors: Guenter Kech
Original assignee: VEGA VERTRIEB und FERTIGUNG ELEKTRONISCHER GERAETE und APPARATE GRIESHABER KG; Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 1978-05-05
Filing date: 1978-05-05
Publication date: 1979-12-13
Also published as: DE2819731C2

Description

Anordnung zur kapazitiven Füllstandsmessung
in einem Behälter Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur kapazitiven Füllstandsmessung in einem Behälter, der Medien von starker Adhäsion enthält, mit einer Bezugselektrode und einer Meßsonde, die eine von einer hochfrequenten Meßspannungs bzw. Meßstromquelle gespeiste Meßelektrode aufweist, wobei die Kapazität zwischen Meß- und Bezugselektrode durch den Füllstand des Mediums verändert wird und die von der Kapazitätsänderung hervorgerufene Änderung des über die Meßelektrode fließenden Stroms erfaßt wird.
Die Arbeitsweise von Füllstands-Grenzwertmeldern, die auf kapazitiver Basis arbeiten, wird durch Medien beeinträchtigt, die einerseits elektrisch leitend sind und andererseits durch Adhäsion an den Sondenoberflächen anhaften. Auf einer mit dem entsprechenden Medium in BerUhrung gekommenen Sonde bleibt auch nach dem Absinken des Niveaus unter die Sonde eine leitfähige Schicht zurück, über die ein wesentlicher Teil des hochfrequenten Meßstroms zur Bezugselektrode abfließt. Je nach dem Leitwert des Mediums, der Abmessung der Sonde und der Stärke der Schicht kann dieser Teil des Stroms gegenüber demjenigen Teil, der Uber den von der Meßelektrode und der Bezugselektrode gebildeten Kondensator fließt, so groß werden, daß sich die Änderung des von der FUllstandshöhe abhängigen Teils nicht mehr oder nur mit sehr großem Aufwand erfassen läßt. Der FUllstands-Meßwertgeber ist in einem solchen Fall für die Feststellung eines Niveaugrenzwerts nicht mehr geeignet.
Eine Möglichkeit, die mit dem leitfähigen Überzug zusammenhängenden Schwierigkeiten zu vermindern, besteht in der Verwendung einer Meßspannung bzw. eines Meßstroms von möglichst hoher Frequenz. Bei sehr hoher Frequenz nimmt der Uber den Ohmschen Widerstand des leitenden Überzugs fließende Anteil des Stroms gegenUber dem über die Meßelektrode zur Bezugselektrode fließenden Anteil stark ab. Die Frequenz läßt sich jedoch nicht beliebig steigern. Eine Grenze fUr die Frequenz ist einerseits durch die verfUgbaren elektronischen Bauteile oder die zur Erzielung der Wirtschaftlichkeit geeigneten Bauteile und andererseits durch die bei sehr hohen Frequenzen entlang der Meßelektrode entstehende Stromverteilung gegeben, bei der im Abstand der Wellenlänge Stromknoten auftreten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebene Anordnung derart weiterzuentwickeln, daß eine kapazitive Erfassung des Niveaus, insbesondere von Grenzwerten des Niveaus auch bei leitenden, stark anhaftenden Medien, ohne die bei sehr hohen Frequenzen auftretenden Schwierigkeiten möglich ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß neben der an den einen Pol der Meßspannungs- bzw. Meßstromquelle angeschlossenen Meßelektrode eine Schirmelektrode vorgesehen ist, über die eine zwischen der Meßelektrode und der Bezugselektrode sich erstreckende, anhaftende Schicht des Mediums verläuft und die an den zweiten Pol der Meßspannungs- bzw. Meßstromquelle angeschlossen ist, und daß zwischen den zweiten Pol und die Bezugselektrode ein Meßwandler geschaltet ist. Das Prinzip der Erfindung besteht darin, die von der Meßelektrode über den leitenden Überzug fließenden Ströme von der Erfassung in einer Meßeinrichtung auszuschließen. Die nicht zu beseitigenden Ströme Uber den leitenden Überzug werden deshalb nicht bei der FUllstandsüberwachung erfaßt. Die Meßelektrode liegt auf dem hohen Potential des einen Pols der Meßspannungs- bzw. Meßstromquelle. Daher fließt ein hoher Blindstromanteil über die Meßelektrode zur Bezugselektrode. Je nach der Stärke des Überzugs und der Leitfähigkeit des Mediums im Behälter sowie der Länge der Schirmelektrode kann auch der Anteil des Stroms, der zur Schirmelektrode fließt, groß sein.
Dieser Anteil gelangt jedoch nicht zum Meßwandler. Da die Schirmelektrode nahezu das gleiche Potential wie der zweite Pol der Meßspannungs- bzw. Meßstromquelle hat, ist der von der Schirmelektrode zur Bezugselektrode fließende Strom, der Uber den Meßwandler zurückfließt, gegenUber dem auf der Kapazität der Meßelektrode und der Bezugselektrode beruhenden Strom sehr klein. Daher ist der Einfluß des über die Schirmelektrode zur Bezugselektrode fließenden Stroms auf die Messung so gering, daß er für die Genauigkeit nicht ins Gewicht -fällt. Mit der oben erläuterten, konstruktiv einfachen Anordnung kann somit die Höhe des FUllstands von elektrisch leitenden, eine starke Adhäsion aufweisenden Medien genau festgestellt werden. Eine mit großem Aufwand verbundene Erhöhung der Frequenz ist nicht notwendig. Die Anordnung läßt sich deshalb wirtschaftlich herstellen.
Bei einer zweckmäßigen AusfUhrungsform ist die Bezugselektrode die Behälterwand. Bei Ausnutzung der leitenden Behälterwand als Bezugselektrode ergibt sich eine relativ große Kapazität, deren Änderungen durch unterschiedliche FUllstandshöhen zu entsprechend großen Stromänderungen führen, die sich leicht feststellen lassen. FUr den Uber den leitfähigen Überzug fließenden Strom ist dabei die Länge der Meßsonde von großer Bedeutung. Durch die Schirmelektrode und ihre oben dargelegte schaltungstechnische Verbindung wird der Einfluß des durch den Überzug fließenden Stroms auf die Messung so stark reduziert, daß auch kurze Sonden, die große Ströme im Überzug hervorrufen, verwendet werden können.
Vorzugsweise sind die Meßelektrode und die Schirmelektrode von einer elektrisch isolierenden Schicht überzogen. Diese Anordnung eignet sich insbesondere für die Überwachung des Füllstands von Medien, die eine sehr große Leitfähigkeit aufweisen. Weiterhin wird mit dieser Anordnung der von der Meßelektrode über den elektrisch leitenden Überzug zur Bezugselektrode fließende Strom erheblich vermindert. Die Größe dieses Stroms hängt nicht nur vom Ohmschen Widerstand des leitenden Überzugs, sondern auch von der Kapazität zwischen der Meßelektrode und dem leitenden Überzug ab.
Bei einer günstigen Ausführungsform ist die Meßelektrode neben dem ins Behälterinnere ragenden Ende der Schirmelektrode angeordnet und hat gegenüber dieser eine kleinere Ausdehnung. Mit dieser Anordnung können Grenzwerte von Füllständen genau überwacht werden. Der Grenzwert ist jeweils durch die Höhe der Schirmelektrode festgelegt.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Meß- und die Schirmelektrode als Hohlzylinder von gleichem Durchmesser ausgebildet sind und daß die aus Meß- und Schirmelektrode bestehende zylindrische Meßsonde an einem Ende der Schirmelektrode in die Behälterwand eingeschraubt ist. Diese Anordnung zeigt einen konstruktiv einfachen Aufbau. Die Sonde läßt sich daher wirtschaftlich herstellen.
Vorzugsweise sind der erste und zweite Pol der Meßspannungs- bzw. Meßstromquelle die Enden der Sekundärwicklung eines Übertragers, dessen Primärwicklung von einem Oszillator gespeist wird. Mit dem Übertrager kann die Größe der Spannung bzw. des Stroms in dem die Meßelektrode enthaltenden Stromkreis den Impedanzen und den vom Meßwandler abhängigen Bedingungen angepaßt werden.
Vorzugsweise ist der Meßwandler ein Stromwandler. Mit dem Stromwandler kann die Änderung des von der Füllstandshöhe abhängigen Stroms auf einfache Weise genau festgestellt werden. Der Innenwiderstand des Stromwandlers ist dabei sehr klein.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Es zeigen: Fig. 1 eine Anordnung zur kapazitiven Füllstandsmessung in einem Behälter mit einer Sonde im Längsschnitt und den elektrischen Verbindungen der Sonde.
Fig. 2. die in Fig. 1 dargestellte Anordnung, wobei die elektrischen Kopplungen zwischen den einzelnen Teilen durch Symbole für Widerstände und Kondensatoren erläutert sind.
Fig. 3 ein Schaltbild der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Anordnung mit Symbolen gemäß Fig. 2 in übersichtlicher Form unter Weglassung der mechanischen Einzelteile der Sonde.
Eine Anordnung zur kapazitiven Füllstandsmessung in einem Behälter enthält eine Meßsonde 10, die in eine Behälterwand 12 eingesetzt ist. Die Meßsonde 10 besteht aus einer Meßelektrode 14 und einer Schirmelektrode 16. Die Meß- und die Schirmelektrode sind hohlzylindrisch ausgebildet und weisen gleiche Durchmesser auf. Die Meßsonde 10 ist nahe an einem Ende der Schirmelektrode 16 an der Behälterwand 12 befestigt. Vor dem der Behälterwand 12 abgewandten Ende der Schirmelektrode 16 ist die Meßelektrode 14 angeordnet, deren Stirnfläche von der Stirnfläche der Schirmelektrode 16 durch eine nicht näher bezeichnete, elektrisch isolierende Schicht getrennt ist Die äußeren Oberflächen der beiden Elektroden 14 und 16 sind ebenfalls von einer elektrisch isolierenden Schicht 18 bedeckt.
Die Meßelektrode 14 ist über eine Leitung 20 mit dem einen Pol 22 einer hochfrequenten Meßspannungs- bzw. Meßstromquelle verbunden. Die Leitung 20 verläuft entlang der Längsachse der Schirmelektrode 16. Der zweite Pol 24 der Meßspannungs- bzw. Meßstromquelle ist über eine Leitung 26 an die Schirmelektrode 16 angeschlossen. Mit dem Pol 24 ist auch der eine Eingang eines Meßwandlers 28 verbunden, dessen anderer Eingang an eine Bezugselektrode angeschlossen ist.
Als Bezugselektrode dient die Behälterwand 12, wobei angenommen ist, daß die Behälterwand 12 elektrisch leitend ist.
Das zylindrische eine Ende der Schirmelektrode 16 ist von einer Verschraubung 30 umgeben, die aus Metall bestehen kann. Von der Schirmelektrode 16 ist die Verschraubung durch die Isolierschicht 18 getrennt. Die Verschraubung 30 ist in eine Gewindebohrung der Behälterwand 12 eingesetzt.
Der Meßwandler 28 ist als Stromwandler mit kleinem Innenwiderstand ausgebildet, d.h. er erzeugt einen Gleichstrom bzw. eine Gleichspannung, die der Amplitude der seinem Eingang zugeführten Wechselströme proportional ist. Die Größe der Ausgangsgleichspannung des Stromwandlers 28 zeigt die Füllstandshöhe in dem nur teilweise dargestellten Behälter an.
In dem die Meßelektrode 14, die Schirmelektrode 16, den Meßwandler 28 und die Behälterwand 12 enthaltenen Stromkreis ist als Meßspannungs- bzw. Meßstromquelle die Sekundärwicklung 32 eines Übertragers vorgesehen, dessen Primärwicklung 34 von einem Oszillator 36 gespeist wird, der hochfrequente Ströme bzw. Spannungen erzeugt.
Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung dient zur Grenzwertüberwachung eines nicht näher dargestellten, elektrisch leitenden Mediums im Behälter. Das Medium hat eine große Adhäsion, so daß nach dem Absinken des Behälterinhalts auf ein niedrigeres Niveau an den einmal vom Medium bedeckten Teilen Überzüge aus dem Medium haften bleiben. Ein solcher Überzug auf der Meßsonde 10 ist mit 40 bezeichnet. Da die Sonde 10 einen Grenzwert des Füllstands überwachen soll, ist die Länge der Meßelektrode 14 nur gering. Die Schirmelektrode 16 ist demgegenüber länger als die Meßelektrode 14.
Der Überzug 40 aus dem leitenden Medium bedeckt sowohl die Meßelektrode 14 als auch die Schirmelektrode 16. Er erstreckt sich bis zur Verschraubung 30 und der Behälterwand 12. Für die von der Meßelektrode 14 über den Überzug 40 zur Behälterwand 12 fließenden Ströme stellt der Überzug einen Widerstand dar, der in Fig. 2 symbolisch durch die Reihenschaltung von Ohmschen Widerständen 42 dargestellt ist.
Infolge der Isolierschicht 18 besteht keine galvanische, sondern eine kapazitive Kopplung zwischen der Meß- bzw.
Schirmelektrode 14, 16 und dem Überzug 40. Die kapazitive Kopplung ist in Fig. 2 symbolisch durch eine Reihe von Kondensatoren 44 dargestellt. Diese Kondensatoren 44 sind jeweils mit den Elektroden 14, 16 und den Widerständen 42 verbunden.
Die Meßelektrode 14 bildet mit der Behälterwand 12 einen mit 46 bezeichneten Kondensator, dessen Kapazität infolge der veränderlichen Füllstandshöhe ebenfalls veränderlich ist. Darüber hinaus liegt zwischen der Schirmelektrode und der Behälterwand 12 eine kapazitive Kopplung vor, die durch einen Kondensator 48 dargestellt ist. Zwischen der Leitung 20 und der Schirmelektrode 16 ergibt sich eine durch einen Kondensator 50 dargestellte Kapazität.
Der von der Sekundärwicklung 32 ausgehende Strom fließt über die Leitung 20 zur Meßelektrode 14 bzw. über den Kondensator 50 zur Schirmelektrode. Der vom Kondensator 50 bestimmte Teil des Stroms gelangt von der Schirmelektrode 16 über den Pol 24 zurUck zur Wicklung 32. Die Messung beeinflußt dieser Teil des Stroms nicht. Der über die Meßelektrode 14 fließende Anteil des Stroms spaltet sich auf. Ein erster Teilstrom gelangt über den Kondensator 46 zur Bezugselektrode, der Behälterwand 12. Dieser Teilstrom fließt über die Behälterwand 12 und den Meßwandler 28 zurück zum Pol 24 und zur Wicklung 32. Die Höhe des Füllstands im Behälter beeinflußt die Größe des über den Kondensator 46 fließenden Teilstroms. Eine sehr starke Änderung der Kapazität des Kondensators 46 tritt ein, wenn das Medium die Meßelektrode 14 bzw. deren Isolierung berührt.
Diese starke Änderung kann mit einem konstruktiv einfach aufgebauten Meßwandler 28 erfaßt und fUr eine Meldung benutzt werden.
Der Pol 24 ist über den Meßwandler 28 niederohmig an die Behälterwand 12 angeschlossen. Am Meßwandler 28 fällt nur eine sehr geringe Spannung ab. Daher hat die mit dem Pol 24 verbundene Schirmelektrode 16 nahezu das Potential der Behälterwand 12. Der zwischen der Schirmelektrode 16 und der Behälterwand 12 über die Kondensatoren 44 und 48 und die Widerstände 42 fließende Strom, der einen Meßfehler verursacht, ist in seinem Einfluß auf die Messung daher unbedeutend.
Während der über die Schirmelektrode 16 zur Behälterwand 12 abfließende Strom wegen des geringen Potentialunterschieds und der vorhandenen hohen Impedanzen vernachlässigbar klein ist, treibt der zwischen Meß- und Schirmelektrode 14 bzw.
16 vorhandene größere Potentialunterschied einen entsprechend größeren Strom über die Kondensatoren 44 und die Widerstände 42 zur Schirmelektrode 16. Dieser Strom gelangt von der Schirmelektrode 16 über die Leitung 26 zum Pol 24 und zur Wicklung 32. Von besonderer Bedeutung ist hierbei, daß die Ströme, die von der Meßelektrode 14 zur Schirmelektrode 16 fließen und über die Leitung 26 zum Pol 24 geleitet werden, keinen Einfluß auf die Messung mittels des Stromwandlers 28 ausüben.
Die durch den Stromwandler 28 fließenden Meßströme nehmen deshalb nahezu vollständig ihren Weg über den Kondensator 46 und unterliegen dem Einfluß des Füllstands auf die Kapazität. Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip ist somit darin zu sehen, die über den leitenden Überzug 40 fließenden Ströme möglichst von der Erfassung im Stromwandler 28 auszuschließen. Obwohl ein Stromfluß durch den leitenden Überzug 40 nicht zu vermeiden ist, hat die oben erläuterte Anordnung infolge der Beseitigung des Einflusses dieser Ströme auf die Messung eine hohe Genauigkeit.
In Fig. 3 ist in übersichtlicher Form ein Schaltbild dargestellt, aus dem die einzelnen Wege der Teilströme zu entnehmen sind. Es sind nicht alle Widerstände 42 und Kondensatoren 44 aus der Fig. 2 in die Fig. 3 übernommen worden.
Aus der Fig. 3 geht aber infolge der Weglassung der konstruktiven Einzelheiten der Sonde 10 klarer als aus Fig.
2 hervor, daß der Widerstand des leitenden Überzugs 40 als ein durch hintereinander geschaltete Widerstände gebildeter Spannungsteiler betrachtet werden kann, wobei die Kapazität zwischen der Schirmelektrode 16 und dem Überzug 40 durch an die Verbindungsstellen der Widerstände angeschlossene Kondensatoren 44 gebildet ist. Von der Meßelektrode 14 fließen Teilströme über diese Widerstände 42 und Kondensatoren 44 zur Schirmelektrode 16 und zum Pol 24, so daß unmittelbar am Einschraubteil 30 nahezu kein Potential gegen die Behälterwand 12 und daher auch kein Fehlerstrom zur Behälterwand 12 existiert.
L e e r s e i t e

Claims

Anordnung zur kapazitiven Füllstandsmessung in einem Behälter Patentansprüche: 1. Anordnung zur kapazitiven Fiillstandsmessung in einem Behälter, der Medien von starker Adhäsion enthält, mit einer Bezugselektrode und einer Meßsonde, die eine von einer hochfrequenten Meßspannungs- bzw. Meßstromquelle gespeiste Meßelektrode aufweist, wobei die Kapazität zwischen Meß- und Bezugselektrode durch den Füllstand des Mediums verändert wird und die von der Kapazitätsänderung hervorgerufene Änderung des über die Meßelektrode fließenden Stroms erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß außer der an den einen Pol (22) der Meßspannungs-bzw. Meßstromquelle (32) angeschlossenen Meßelektrode (14) eine Schirmelektrode (16) vorgesehen ist, über die eine zwischen der Meßelektrode (14) und der Bezugselektrode (12) sich erstreckende, anhaftende Schicht (40) des Mediums verläuft und die an den zweiten Pol (24) der Meßspannungs bzw. Meßstromquelle (32) angeschlossen ist, und daß zwischen den zweiten Pol (24) und die Bezugselektrode (12) ein Meßwandler (28) geschaltet ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugselektrode (12) die Behälterwand ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektrode (14) und die Schirmelektrode (16) von einer elektrisch isolierenden Schicht (18) überzogen ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektrode (14) außer dem ins Behälterinnere ragenden Ende der Schirmelektrode (16) angeordnet ist und gegenüber dieser eine kleinere Ausdehnung hat.
5. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und die Schirmelektrode (14, 16) als Hohlzylinder von gleichem Durchmesser ausgebildet sind und daß die aus Meß- und Schirmelektrode bestehende zylindrische Meßsonde (10) an einem Ende der Schirmelektrode in die Behälterwand (12) eingeschraubt ist.
6. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- bzw. die Schirmelektrode (14, 16) als Massiv- bzw. Hohlzylinder von gleichem Durchmesser ausgebildet sind und daß die aus Meß- und Schirmelektrode bestehende Meßsonde (10) an einem Ende der Schirmelektrode in die Behälterwand (12) eingeschraubt ist.
7. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der erste und zweite Pol (22, 24) der Meßspannungs-bzw. Meßstromquelle die Enden der Sekundärwicklung (32) eines Übertragers sind, dessen Primärwicklung (-36) von einem Oszillator (38) gespeist wird.
8. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Meßwandler (28) ein Stromwandler ist.