CH433792A - Anordnung zur kapazitiven Messung des Füllstandes eines Behälters - Google Patents

Description

  
 



  Anordnung zur kapazitiven Messung des Füllstandes eines Behälters
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur kapazitiven Messung des Füllstandes eines Behälters mit einer sich im Behälter mindestens annähernd senkrecht erstreckenden Mess-Sonde und mit Einrichtungen zur Messung der durch das Füllgut an dieser Sonde bewirkten Kapazitätsänderungen.



   Bei den bisher bekannten Anordnungen dieser Art besteht die Mess-Sonde im allgemeinen aus zwei koaxialen Rohren, die die beiden Elektroden eines Kondensators bilden. Das äussere Rohr ist auf der unteren Seite offen, damit das Füllgut zwischen die beiden Rohre eindringen kann. Dieses Füllgut verändert entsprechend seiner Höhe im Rohr und seiner Dielektrizitätskonstanten die Kapazität der Sonde. Die Kapazität wird mit Hilfe eines Hochfrequenzgenerators gemessen.



   Zur Vereinfachung der Anzeige kann die Kapazität abgeglichen werden, was meistens in einer Brückenschaltung vorgenommen wird, wobei der Wert Abgleichgrösse entweder in einer elektrischen Grösse oder, bei entsprechender Eichung, direkt in einer Längeneinheit abgelesen werden kann. Bei den bekannten Messanordnungen ist das Zuführungskabel zwischen die Mess Sonde und die Abgleichbrücke geschaltet. Dies führt aber zu Veränderungen der Messkapazität, indem die Kabelkapazität parallel zur Messkapazität zu liegen kommt.

   Der Vollausschlag der Anzeige muss demnach der jeweiligen Kabellänge angepasst werden.   Ausserdem    wird die Messung durch Änderungen der   Kabelkapazi-    tät infolge Alterung und Temperaturänderungen stark beeinflusst. Ändert sich die Dielektrizitätskonstante des Füllgutes infolge   Druck-oder    Temperaturänderungen, so geht diese Änderung ebenfalls direkt in die Messung ein. Ebenso kann eine Messanordnung, die für ein bestimmtes Füllgut eingestellt ist, nicht ohne vorausgehende Messung der Dielektrizitätskonstanten für ein anderes Füllgut verwendet werden.



   Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Messanordnung der eingangs angegebenen Art zu schaffen, bei der die kapazitive Füllstandsmessung weitgehend unabhängig von der Art des Füllgutes ist und bei der Änderungen der Kabelkapazität, der Messfrequenz und des Verstärkungsgrades selbsttätig ausgeregelt werden.



   Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass an der Mess-Sonde ein Kondensator so angebracht ist, dass sein Dielektrikum bei jedem zu messenden Füllstand nur durch das Füllgut gebildet ist, dass die Mess Sonde und der Kondensator jeweils in Reihe mit einem Widerstand parallel an eine Hochfrequenzspannungsquelle angeschlossen sind, dass der eine Widerstand zum Abgleich der von der Mess-Sonde, dem Kondensator und den beiden Widerständen gebildeten   Brücken schal-    tung einstellbar ist, und dass der Schleifer des   ein stell-    baren Widerstandes mit einer Füllstands-Anzeige verbunden ist.



   Bei der erfindungsgemässen Anordnung wirkt sich die Dielektrizitätskonstante des Füllgutes auf die beiden kapazitiven Zweige der Brückenschaltung in gleicher Weise aus, so dass sie das Messergebnis nicht   beins    flusst. Das gleiche gilt für Temperaturschwankungen des Füllgutes und die Kapazität der Verbindungskabel. Die Anordnung kann daher ohne Nacheichung für unter  schiedliche    Füllgüter und bei wechselnden   Betnebsbe-    dingungen verwendet werden.



   Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielshalber erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipschema der Mess-Schaltung,
Fig. 2 einen Ausschnitt des Schemas nach Fig. 1 mit einer schaltungstechnischen Verbesserung, und
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Elektrodenanordnung für die Mess-Schaltung.



   Fig. 1 zeigt einen Hochfrequenzgenerator G, der über einen Trenntransformator T mit der Messbrücke verbunden ist. Ein Kondensator C12 stellt die Mess-Sonde für die Füllstandsmessung in einem Behälter dar, und ein Kondensator C13 ist der Messkondensator für die Dielektrizitätskonstante. Diese beiden Kondensatoren sind über abgeschirmte Kabel, deren   Abschirmung    ge  stricheit    angedeutet ist, mit der einen Aussenklemme der Sekundärwicklung des Transformators T verbunden.

   Am Ort des Transformators T sind auch zwei Widerstände R10 und   Rl 1    angebracht, die mit einer Klemme an die an Masse liegende Mittelanzapfung der Sekundärwicklung angeschlossen sind, während die andere Klemme des Widerstandes R10 über ein abgeschirmtes Kabel mit dem Kondensator C12 und die andere Klemme des Wi  derstandes   R11    mit dem Kondensator C13 verbunden sind. Die beiden Kondensatoren C12, C13 und die beiden Widerstände R10, R11 bilden zusammen eine Brükkenschaltung, an deren Eingangsdiagonale die Spannung V10 zwischen der einen   Aussenklemme    und der Mittelanzapfung der Sekundärwicklung liegt.



   Der Verbindungspunkt 11 zwischen dem Widerstand R10 und dem Kondensator C12 ist über einen Kompensationskondensator   Cii    mit der anderen   Awssenklemme    der Sekundärwicklung verbunden, und in entsprechender Weise ist auch der Verbindungspunkt 10 zwischen dem Widerstand   Rl 1    und dem Kondensator C13 über einen Kompensationskondensator C14 mit dieser Aussenklemme verbunden.



   Der Widerstand   Rot 1    ist mit einem verstellbaren Schleifer versehen. Die Spannung V13 zwischen diesem Schleifer und Masse wird dem einen Eingang eines Differenzverstärkers D10 zugeführt. Diese Spannung ist ein einstellbarer Teil der am Widerstand R11 abfallenden Spannung, die von der Kapazität des Kondensators C13 abhängt, die ihrerseits durch die Dielektrizitätskonstante des Füllgutes bestimmt ist. Dem anderen Eingang dieses Differenzverstärkers wird die am Widerstand R10 abfallende Spannung V11 zugeführt, die von der Kapazität des Kondensators C12 abhängt, die ihrerseits durch die Höhe des Füllgutes im Behälter und die Dielektrizitätskonstante des Füllgutes bestimmt ist.



   Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers   D10,    das der Differenz zwischen den Spannungen V11 und V13 entspricht, wird in einem   Kraftverstärker    A10 verstärkt, dessen Ausgangsspannung einen Stellmotor M10 antreibt. Der Stellmotor M10 verstellt den Schleifer des Widerstandes   Ril,    bis die Spannungen   Vil    und V13 gleich gross sind. Die Brückenschaltung befindet sich dann gewissermassen im Abgleich, wenn man unterstellt, dass die   Nulidiagonale    zwischen dem Schleifer und dem Punkt 11 liegt. Die Stellung des Schleifers ist dann ein Mass für den Füllstand des Behälters, der mittels einer geeigneten Anzeige direkt abgelesen werden kann.

   Diese Anzeige des Füllstandes ist unabhängig von der   Dielek-    trizitätskonstante des Füllgutes, da sich diese auf die beiden die Kondensatoren C12 und C13 enthaltenden   Brückenzweige    in gleicher Weise auswirkt. Das gleiche gilt für die Kapazität der Verbindungskabel, die in den beiden kapazitiven Brückenzweigen stets gleich ist.



   Die beiden Messkondensatoren C12 und C13 werden mit den Kompensationskondensatoren   Cli    und C14 derart abgeglichen, dass bei leerem Behälter die Anzeige des Schleifers des Widerstandes   Rl 1    Null ist.



   Werden die beiden Messkondensatoren C12 und C13 in der gleichen Mess-Sonde angeordnet, so entsteht durch die notwendigen Durchführungen eine schädliche Kapazität zwischen den Punkten 10 und 11, die sich auf das   Messergebnis    auswirkt, weil die Punkte 10 und 11 auch bei Abgleich der Brücke gewöhnlich auf verschiedenen Potentialen liegen. Dieser Nachteil wird bei der Schaltung von Fig. 2 vermieden, in welcher die Teile C21, C22, R20, R21, D20, A20, M20 den Teilen C12, C13, R10,   Ril,    D10, A10,   M10    von Fig. 1 entsprechen.



  In Fig. 2 ist aber der Schleifer des Widerstandes R21 mit Masse verbunden, so dass er den einen Teil dieses Widerstandes kurzschliesst, und dem entsprechenden Eingang des Differenzverstärkers D20 wird der ganze Spannungsabfall am Widerstand R21 zugeführt. Der Abgleich erfolgt also in diesem Fall durch Veränderung des Widerstandswertes des Widerstandes R21, und man erkennt, dass im Abgleich die schädliche Kapazität zwischen zwei Punkten angeschlossen ist, die auf gleichem Potential liegen.



   Fig. 3 zeigt den mechanischen Aufbau der Mess Sonde mit den beiden Messkondensatoren C12 und C13 von Fig. 1. Der zu Messung des Füllstandes vorgesehene Kondensator C12 ist durch die koaxial   ineinanderliegen-    den Rohre 36 und 37 gebildet. Der Kondensator C13 zur Messung der Dielektrizitätskonstanten besteht aus den   kreisförmigen    Platten 43, 44 und 45, die am unteren Ende der Rohre 36 und 37 im Abstand voneinander angebracht sind. Die drei Platten sind unter sich mit isolierenden Distanzstücken 47 und Schrauben 46 so gehalten, dass die äusseren Platten 43 und 45 leitend miteinander verbunden und von der mittleren Platte 44 isoliert sind. Die Platte 43 ist leitend mit dem äusseren Rohr 36 verbunden, und besitzt ein grosses Mittelloch, in welchem die Bodenverschlussplatte 50 des inneren Rohres 37 liegt.

   Die Zuführung zum Kondensator C13 erfolgt über die Leitung 40 zur mittleren Platte 44. In der Bodenverschlussplatte 50 ist ein Durchführungsisolator 41 vorgesehen. Die Leitung 40 ist bei 42 im Mittelloch 48 der Platte 44 angelötet. Damit kein Kurzschluss zwischen dem Leiter 40 und der Platte 45 auftreten kann, ist diese ebenfalls mit einem Mittelloch 49 versehen. Die Führung des inneren Rohres 37 gegen über dem äusseren Rohr 36 geschieht mit Zapfen 38 und   Durchführungsisoiatoren    39. Auf dem Umfang sollten vorteilhafterweise drei solche Führungen vorgesehen sein. Die Halterung der Rohre 36 und 37 am Deckel 53 des Behälters erfolgt über ein Distanzstück 52. Die Zentrierung der beiden Rohre wird mit einem Isolierstück 33 vorgenommen, das mit einem Halterungsring 31 befestigt ist.

   Der elektrische Anschluss des inneren Rohres 37 erfolgt über den Schraubenkopf 34 einer Schraube die durch eine Mutter 51 über eine Beilagscheibe 35 mit dem Isolierstück 33 verschraubt ist. Die   Mittelaneap-    fung der Sekundärwicklung des Transformators T wird mit dem Halterungsring 31 verbunden, der Anschluss der Messkapazität C12 für die Füllstandsmessung erfolgt an der Schraube 32, und der Anschluss der Kapazität C13 zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstanten erfolgt an der Leitung 40.



   In der durch den Halterungsring 31 und das Isolierstück 33 gebildeten Vertiefung könnte auch ein   Dreipot-      steckersodkel    vorgesehen werden.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Anordnung zur kapazitiven Messung des Füllstandes eines Behälters mit einer sich im Behälter mindestens annähernd senkrecht erstreckenden Mess-Sonde und mit Einrichtungen zur Messung der durch das Füllgut an dieser Sonde bewirkten Kapazitätsänderungen, dadurch gekennzeichnet, dass an der Mess-Sonde (C12, C21) ein Kondensator (C13, C22) so angebracht ist, dass sein Dielektrikum bei jedem zu messenden Füllstand nur durch das Füllgut gebildet ist, dass die Mess-Sonde (C12, C21) und der Kondensator (C13, C22) jeweils in Reihe mit einem Widerstand (R10, R20 ;

   Ril, R21) parallel an eine Hochfrequenzspannungsquelle (G, T) angeschlossen sind, dass der eine Widerstand (oil, R21) zum Abgleich der von der Mess-Sonde (C12, C21), dem Kondensator (C13, C22) und den beiden Widerständen (R10, R20 ; Ri 1, R21) gebildeten Brückenschaltung eioS stellbar ist, und dass der Schleifer des einstellbaren Wi Widerstandes (all, R21) mit einer Füllstandsanzeige verbunden ist.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Anordnung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nuildiagonale der Brücke ein Differenzverstärker (D10, D20) so angeschlossen ist, dass er die Differenz der Spannungsabfälle (V11, V13) in den beiden Widerstandszweigen der Brücke misst.

   2. Anordnung nach Patentanspruch und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der einstellbare Widerstand (all) ein Potentiometer ist, und dass die Nulldiagonale der Brücke mit dem Schleifer des Potentiometers verbunden ist.

   3. Anordnung nach Patentanspruch und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schleifer des einstellbaren Widerstands (R21) mit dem einen Ende des Widerstands verbunden ist.

   4. Anordnung nach Patentanspruch und den Unteransprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Differenzverstärkers (D10, D20) über einen Kraftverstärker (A10, A20) mit einem den Schleifer des einstellbaren Widerstands (all, R21) steuernden Stellmotor (M10, M20) verbunden ist.

   5. Anordnung nach Patentanspruch und den Unteransprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzspannungsquelle einen an einen Hochfrequenzgenerator (G) angeschlossenen Transformator (T) enthält, dessen Sekundärwicklung eine Mittelanzapfung aufweist, dass die Eingangsdiagonale der Brückenschaltung (C12, C13, R10, Ril) zwischen der einen Aussenklemme und der Mittelanzapfung der Sekundärwicklung so angeschlossen ist, dass die einen Klemmen der beiden Widerstände (R10, Rl 1) mit der Mittelanzapfung verbunden sind, und dass zwischen der anderen Klemme jedes Widerstandes (R10, Ril) und der anderen Aussenklemme der Sekundärwicklung je ein Kompensationskondensator (coli, C14)

   angeschlossen ist.

   6. Anordnung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess-Sonde (C12) aus zwei koaxial ineinander angeordneten senkrechten Hohlrohren (36, 37) besteht, und dass der Kondensator (C13) aus am unteren Ende der Mess-Sonde (C12) im Abstand voneinander angebrachten Metallplatten (43, 44, 45) besteht.