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PATENTANSPRÜCHE
1. Anordnung zur Erfassung der Grenzfläche zwischen zwei, in einer Zentrifuge separierten Medien mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften, bei welcher Anordnung an der Innenseite des rotierenden konischen Zentrifugenrotors an mindestens einer Stelle des Umfangs eine Mess-Sonde angeordnet ist, die gegenüber dem Rotor elektrisch isoliert und mit einer auf der Aussenseite des Rotors ebenfalls isoliert angeordneten Aussenelektrode verbunden ist, wobei einerseits die Mess-Sonde mit dem Rotor einen Messkondensator und andererseits die Aussenelektrode mit einer ortsfesten Gegenelektrode einen Kopplungskondensator zur Übertragung der Messwerte auf eine ortsfeste Messanordnung bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenelektrode aus einem profilierten Ringsegment (3) besteht,
das isoliert in einer Aussparung (20) eines gleichen Profilquerschnitt aufweisenden Kranzes (2) sitzt, der eine Referenzelektrode des Rotors (1) bildet, dessen ferner Kranz (2) und Ringsegment (3) zusammen mit der Gegenelektrode (7) je einen Differentialkondensator als Teil der Kapazität eines HF-Oszillators (9) bilden, dessen Frequenzänderungen durch einen Diskriminator (11) in Änderungen einer Signalspannung umgewandelt werden, und dass weiterhin ein Signalgeber (6) vorgesehen ist, der Sample andHold -Schaltungen (12) so ansteuert, dass diese je einen Momentanwert (Uf bzw.
Um) dieser Signalspannung entsprechend einer Referenzkapazität (Cr) der Referenzelektrode (2) und einer Serienkapazität (Cg) des Ringsegmentes (3) erfassen und abspeichern, und dass schliesslich sich aus der Differenz dieser Momentanwerte (Um; Ur) ein den Zustand des Mediums in der Zentrifuge eindeutig repräsentierndes Spannungssignal (Ud) ergibt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess-Sonde (25) als bündig mit der Innenwand (28) des Zentrifugenrotors (1) angeordnete Scheibe ausgebildet ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Ringsegment (3), Kranz (2) und ortsfeste Gegenelektrode (7) kammförmig profiliert sind.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Zentrifugenrotor (1) bzw. im Kranz (2) symmetrisch verteilt mehrere Mess-Sonden (26) und Ringsegmente (3) vorgesehen sind.
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung der Grenzfläche zwischen zwei, in einer Zentrifuge separierten Medien mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften, bei welcher Anordnung an der Innenseite des rotierenden konischen Zentrifugenrotors an mindestens einer Stelle des Umfangs eine Mess-Sonde angeordnet ist, die gegenüber dem Rotor elektrisch isoliert und mit einer auf der Aussenseite des Rotors ebenfalls isoliert angeordneten Aussenelektrode verbunden ist, wobei einerseits die Mess-Sonde mit dem Rotor einen Messkondensator und andererseits die Aussenelektrode mit einer ortsfesten Gegenelektrode einen Kopplungskondensator zur Übertragung der Messwerte auf eine ortsfeste Messanordnung bilden;
die für die Erfassung der Grenzfläche ausgewerteten, unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften sind beispielsweise die Kapazität bzw. der komplexe Leitwert eines mit den Medien als Dielektrika gebildeten Kondensators.
Eine Anordnung der vorstehend genannten Art ist aus der GB PS 971242 bekannt; sie dient beispielsweise zur Überwachung der Wassermenge in einer Zentrifuge, mit der Wasser aus dem Brennstoff für eine Brennkraftmaschine ausgeschieden wird, wobei sich das schwerere Wasser aussen sammelt und mit seiner Grenzfläche allmählich in Richtung auf die Rotorachse fortschreitet. Sobald von der Anordnung am Ort der Mess-Sonde ein bestimmter Wassergehalt in dem zentrifugierten Flüssigkeitsgemisch festgestellt wird, löst sie beispielsweise einen Alarm aus.
Es ist jedoch auch möglich, statt dieses Alarms ein selbsttätiges Abziehen des Wassers aus der Zentrifuge in Gang zu setzen.
In dieser bekannten Anordnung werden dabei mit Hilfe der an der Innenseite des Zentrifugenrotors an mindestens einer Stelle des Umfangs isoliert angeordneten Mess-Sonde unterschiedliche Kapazitäten erfasst. Der aus Mess-Sonde und Rotor bestehende Messkondensator ist leitend mit der Aussenelektrode verbunden, die einen Kopplungskondensatormit der ortsfesten Gegenelektrode bildet, der die Kopplung an eine ebenfalls ortsfeste Messanordnung bewirkt. Dabei bilden -wie in dem Ersatzschaltbild der Fig. 8a dargestellt- die Kapazität Cm des Messkondensators, die im folgenden vereinfacht als Messkapazität bezeichnetwird, und die Kapazität Ck des Kopplungskondensatorsweiterhin kurz Kopplungskapazität - in Reihe zueinander liegend die Serienkapazität C'g, deren Änderungenin derMessanordnung erfasst werden.
Bei einer Ausführung der bekannten Anordnung dienen als Mess-Sonden mit einer Isolierschicht umhüllte Drähte, die während des Betriebs der Zentrifuge gegen ein Leitblech des Gehäuses gepresst werden; die Kapazität zwischen diesem Leitblech und dem Messdraht wird dabei in dem Masse verändert, in dem die Grenzfläche zwischen dem Öl mit niedriger Dielektrizitätskonstante und dem Wasser mit seiner hohen Dielektrizitätskonstanten zwischen das Leitblech und den Messdraht eindringt und dazwischen fortschreitet. Bei einer anderen Ausführungsform ragen Messelektroden frei in den inneren Hohlraum der Zentrifuge hinein; diese Elektroden müssen eine erhebliche mechanische Festigkeit besitzen, um den in der Zentrifuge bei hohen Tourenzahlen auftretenden mechanischen Kräften zu widerstehen.
Während bei der ersten Ausführungsform eine kontinuierliche Änderung der gemessenen elektrischen Eigenschaften beim Fortschreiten der Grenzfläche erfasst wird, ermittelt die zweite Ausführungsform den Augenblick, in dem die Grenzfläche den Ort der Messelektroden erreicht und überschreitet.
Da die mit relativ hoher Tourenzahl umlaufende Zentrifuge in ihrem Lager ein Spiel bis zu einigen Millimetern aufweist, ist die Kopplungskapazität Änderungen unterworfen, durch die Kapazitätsmessungen verfälscht werden. Bei der bekannten Anordnung werden diese Schwankungen in ihrer Wirkung auf die Messungen teilweise dadurch unwirksam gemacht, dass diese Kopplungskapazität Ck relativ zur Messkapazität Cm sehr gross gemacht wird, so dass der ihr reziproke kapazitive Widerstand gegenüber dem kapazitiven Widerstand der Messkapazität vernachlässigbar klein wird.
Die Forderung nach einem sehr grossen Kopplungskondensator erfordert grossflächige, isolierte Aussenelektroden; das bedingt erhebliche Volumina an Isolationsmaterialien, die grossen thermischen undmechanischenBelastungen ausgesetzt sind.
Bei der geschilderten Verwendung einer Zentrifuge zur Reinigung des Brennstoffes einer Brennkraftmaschine besteht der weitere Nachteil, dass die grossflächigen Aussenelektroden und ihre Isolationen leicht verschmutzen, wodurch korrekte Messungen zumindest erschwert, sehr häufig jedoch verunmöglicht werden. Weiterhin ergeben sich bei der Herstellung und Montage der grossflächigen isolierten Aussenelektroden auf dem Rotor erhebliche technologische Schwierigkeiten.
Unter Beibehaltung der an sich vorteilhaften Konzeption der bekannten Anordnung, dass der Rotor der Zentrifuge keine aktiven elektronischen Elemente trägt, was die Zuverlässigkeit der Anordnung im rauhen Betrieb der Praxis, beispielsweise bei Schiffsmaschinen erhöht, ist es daher die Aufgabe der Erfindung, eine Messanordnung zu schaffen, bei der die erwähnten technologischen Schwierigkeiten und die geschilderte Verschmutzung möglichst weitgehend beseitigt wird.
Diese Aufgabe wird mit der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass die Aussenelektrode aus einem profilierten Ringsegment besteht, das isoliert in einer Aussparung eines gleichen
Profilquerschnitts aufweisenden Kranzes sitzt, der eine Referenzelektrode des Rotors bildet, dass ferner Kranz und Ringsegment zusammen mit der Gegenelektrode je einen Differentialkondensator als Teil der Kapazität eines HF-Oszillators bilden, dessen Frequenzänderungen durch einen Diskriminator in Änderungen einer Signalspannung umgewandelt werden, und dass weiterhin ein Signalgeber vorgesehen ist, der Sample and Hold -Schaltungen so ansteuert, dass diese je einen Momentanwert dieser Signalspannung entsprechend einer Referenzkapazität der Referenzelektrode und einer Serienkapazität des Ringsegments erfassen und abspeichern, und dass schliesslich sich aus der Differenz dieser Momentanwerte ein den Zustand des Mediums in der Zentrifuge eindeutig repräsentierendes Spannungssignal ergibt.
Die Erfindung verwendet wie die bekannte Anordnung eine kapazitive Messung des Mediums im Zentrifugenrotor und auch eine kapazitive Ankopplung der Messkapazität an die ortsfeste Messelektronik; dadurch verzichtet sie ebenfalls auf die Verwendung aktiver elektronischer Elemente auf dem Rotor, was - wie bereits erwähnt - die Zuverlässigkeit des Systems erhöht.
Als Kapazitäts-Messanordnung dient ein frequenzmodulierter Oszillator, dessen Frequenz durch Änderungen der - durch den in Serie mit der Kopplungskapazität Ck liegenden, komplexen LeitwertGmbestimmten-Serienkapazität C6 (Fig. 8a) und der Referenzkapazität Cr erfassten reinen Kopplungskapazität Ck variiert wird.
Durch die Erfassung des komplexen - d. h. nicht nur des kapazitiven (Cm), sondern auch des Ohmschen (IIRm) Leitwerts (Gm) des Mediums wird die Mess-Empfindlichkeit wesentlich erhöht. Weiterhin muss die Kopplungskapzazität Ck zwischen Aussenelektrode und ortsfester Elektronik bei der neuen Anordnung und dem damit durchgeführten Messverfahren nicht gross gegenüber der Messkapazität Cm sein; beide liegen in der selben Grössenordnung. Dadurch sind grossflächige isolierte Aussenelektroden und voluminöse Isolationsschichten nicht mehr erforderlich.
Die Ausbildung des Referenz- sowie des Kopplungskondensators als Differentialkondensatoren vermindert den Einfluss des axialen Rotorspiels. Ferner werden die Änderungen der Kopplungskapazität Ck, bedingt durch mechanische und thermische Verlagerungen des Rotorkörpers gegenüber der ortsfesten Gegenelektrode, durch die Messung der von der Mess-Sonde unabhängigen Referenzkapazität Cr erfasst und durch Berücksichtigung bei der Auswertung der durch die Mess-Sonde beeinflussten Serienkapazität Cg eliminiert.
Messungen der beiden Kapazitäten Cr und Cg erfolgen kurzzeitig mindestens einmal bei jeder Umdrehung des Rotors mit Hilfe von elektronischen Sample- and Hold -Schaltungen, deren Messzeiten von einer Impulslogik bestimmt werden, die ihrerseits von einem am Rotor angeordneten Impulsgeber getriggert wird. Der Zeitabstand zwischen der Messung des Referenzwertes Cr und der Messung des von der Mess-Sonde beeinflussten Messwertes der Serienkapazität Cgliegt dabei in der Grössenan ordnungvon Bruchteilen von Millisekunden, so dass sich die geometrische und thermische Lage des Rotors zwischen diesen beiden Messungen praktisch nicht ändert.
Die unmittelbar nacheinander erfolgenden Messungen von Referenz- bzw. Serienkapazität Cr bzw. Cm macht die Serienkapazität Cg somit vom Spiel des Rotors unabhängig. Die Verwendung von an sich bekannten Sample- and Hold -Schaltungen, mit denen ein Messwert kurzzeitig erfasst, gespeichert und mit einem zweiten, ebenso kurzzeitigen Messwert verglichen werden kann. ermöglicht dabei die Ermittlung eines bereinigten, d. h.
von thermischen und mechanischen Einflüssen auf den Rotor unabhängigen Messwertes für die Ermittlung der Lage der Grenzfläche in der Zentrifuge; eine Vielzahl der bereinigten Messwerte wird gemittelt und in Form eines Gleichspannungssignals ausgegeben, durch das die Auslösung eines Alarms oder die Steuerung einer Vorrichtung zum Abziehen des Wassers aus der Zentrifuge bewirkt werden kann.
Die mechanische Beanspruchung der Mess-Sonde wird besonders gering, wenn diese als bündig mit der Innenwand des Zentrifugenrotors angeordnete Scheibe ausgebildet ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform für die Differentialkondensatoren sind Ringsegmente, Kranz und ortsfeste Gegenelektrode kammförmig profiliert.
Die Anzahl der für die Mittelwertbildung erfassten Messwerte lässt sich verdoppeln bzw. vervierfachen, wenn im Zentrifugenrotor bzw. im Ring der Aussenelektrode symmetrisch verteilt zwei oder vier Mess-Sonden bzw. Ringsegmente angeordnet sind; dabei gewährleistet die symmetrische Anordnung der Ringsegmente gleichzeitig den Ausgleich einer einseitigen Unwucht am Rotor, die durch den Einbau eines einzigen Ringsegmentes in den Kranz entstehen würde.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau der neuen Anordnung;
Fig. 2 ist ein Detail von Fig. 1, vergrössert dargestellt;
Fig. 3 und 4 sind die Schnitte III-III und IV-IV von Fig. 2;
Fig. 5 und 6 geben in je einem Block-Schaltbild den Aufbau der für die Auswertung benötigten Sample and Hold -Schaltungen bzw. einer Schaltung für die Erzeugung der für dieselben benötigten Steuerimpulse wieder;
Fig. 7 stellt den zeitlichen Verlauf des aus der Kapazitätsmessung resultierenden Spannungssignals sowie die zeitliche Zuordnung der verschiedenen Steuersignale dar;
Fig. 8a und 8b sind elektrische Ersatzschaltbilder.
Der in Fig. 1 schematisch in einer Ansicht von oben angedeutete Rotor 1 der Zentrifuge besteht in bekannter Weise beispielsweise aus einem kreiszylindrischen Gehäuse, das nach oben durch einen konischen Deckel abgeschlossen ist. Auf der Aussenseite dieses Deckels sitzt ein Kranz 2, der als geerdete Referenzelektrode mit einer ortsfesten Gegenelektrode 7 den Referenzkondensator bildet.
Der Kranz 2 ist an einer Stelle seines Umfangs über einen Winkelsektor von etwa 30 unterbrochen; in diesem Winkelsektor ist ein Ringsegment 3 als isolierte Aussenelektrode eingesetzt. Dieses ist zusammen mit der Gegenelektrode 7 ein Kopplungskondensator; der aus dem Kranz 2 und dem Ringsegment 3 bestehende Ring bildet somit ein mit dem Rotor 1 umlaufendes Elektrodensystem zur Erfassung und Übertragung der Referenzkapazität Cr sowie zur Weiterleitung der ermittelten Serienkapazität Cg, die - das sei nochmals betont - sich bei der neuen Anordnung aus der Reihenschaltung des komplexen Leitwertes Gm mit der Kopplungskapazität Ck (Fig. 8a) ergibt.
Weiterhin trägt der Rotor 1, dessen Drehrichtung durch einen Pfeil A angedeutet ist, an einer Stelle seines Umfangs einen Nocken 4, der mit einem elektromagnetischen Impulsgeber 5 zusammen den Signalgeber 6 der Messanordnung 10 bildet. Die gegenseitige räumliche Anordnung von Nocken 4, Impulsgeber 5 und Ringsegment 3 ist dabei so, dass - wie später noch ausführlich beschrieben wird - der Signalgeber 6 die Erfassung des Momentanwertes des Mess-Signals entsprechend der Referenzkapazität, beispielsweise im Bereich 8 des Kranzes 2, auslöst, unmittelbar bevor das Ringsegment 3 die Gegenelektrode 7 durchläuft.
In der Messanordnung 10 ist die Gegenelektrode 7 Teil des Schwingkreises eines frequenzmodulierten HF-Oszillators 9, dessen Grundfrequenz 1,5MHz beträgt; durch die von der Gegenelektrode 7 aufgenommenen Kapazitätsänderungen werden in diesem Oszillator Frequenzänderungen von ca. 50 KHz bewirkt. Diese werden in einem Diskriminator 11 bekannter Bauart und Funktionsweise so umgewandelt, dass Kapazitätsverminderungen am Oszillator 9 positive Spannungssignale ergeben; die als Spannungen vorliegenden Messwerte gelangen in eine elektronische Auswertelogik 12, die in der bekannten Sample and Hold -Technik ausgeführt ist.
Die Zeitsteuerung, wann Mess-Signale für die Referenzkapazität Cr an dem umlaufenden Rotor 1 aufgenommen werden können, erfolgt, wie erwähnt, durch den Signalgeber 6, der über einen Impulsformer 13 mit der Auswertelogik 12 verbunden ist; in diesem Impulsformer 13 werden die Signale des Signalgebers 6 aufbereitet und mit verschiedenen Verzögerungen und in verschiedenen Längen als Auslöseimpulse A (Fig. 6) ausgegeben.
Das Ausgangssignal der Auswertelogik 12 gelangt in dem gezeigten Beispiel auf eine Anzeigevorrichtung 14 und/oder eine Alarmanlage 15. Selbstverständlich kann dieses Ausgangssignal auch zur Steuerung einer automatischen Ablassvorrichtung für das Entfernen des Wassers aus der Zentrifuge benutzt werden.
Das in Fig. 2 dargestellte, vergrösserte Detail der Fig. 1 zeigt das in einer Ausnehmung20 des Kranzes 2 eingesetzte Ringsegment 3, das durch Isolationselemente 21 vom Kranz 2 elektrisch getrennt ist. Um seine Masse möglichst gering zu halten, ist es beispielsweise aus Aluminium gefertigt, während der Kranz 2, der mit dem Rotor 1 verschraubt oder verschweisst sein kann, aus Stahl besteht. Eine weitere Möglichkeit für die Herstellung des Kranzes 2 besteht darin, diesen mit dem Rotor aus einem Stück zu fertigen, z. B. zu giessen. Die Drehrichtung des Rotors 1 ist hier durch einen Pfeil B angedeutet.
Wie Fig. 4 erkennen lässt, besitzt der Kranz 2 im Querschnitt ein kammartiges Profil mit einer Decke 2a, einem Mittelteil 2b und einem Boden 2c. Die Aussparung 20, die in vertikaler Richtung über die Höhe der Decke 2a und des Mittelteils 2b verläuft, erstreckt sich in ihrem inneren Bereich über einen grösseren Winkelsektor als in ihrem äusseren, so dass zwei Absätze 22 entstehen; gegen diese wird das Ringsegment3, das mit Spiel im Bereich 20a der Aussparung gelagert ist, bei rotierender Zentrifuge durch die Fliehkraft nach aussen gepresst und dadurch relativ zu den Platten der ebenfalls kammartig ausgebildeten Gegenelektrode 7 genau ausgerichtet.
Erfindungsgemäss haben Ringsegment 3 und Kranz 2 den gleichen Profilquerschnitt, in den von aussen die Gegenelektrode 7 eingreift (Fig. 3). Das Ringsegment 3 (Fig. 3) setzt sich daher aus drei Aluminium-Platten der in Fig. 2 gezeigten Form zusammen, die durch zwei Stege 23 in der gewünschten Distanz gehalten sind. Die Kammformen der ineinander greifenden Elektrode 2,3 und 7 bilden Differentialkondensatoren, durch welche Einflüsse von Kapazitätsänderungen infolge des axialen Spieles des umlaufenden Rotors 1 auf die Messungen entscheidend vermindert werden.
Die eigentliche Mess-Sonde 25 (Fig. 3) besteht aus einer dünnen Scheibe aus rostfreiem Blech, die über ein Isolierstück 26 in einer Aussparung 27 der Innenwand 28 des Zentrifugenrotors 1 gehalten ist. Durch die bündige Montage wird eine Störung des dynamischen Verhaltens der Flüssigkeit im Rotor vermieden.
Die Mess-Sonde 25 ist kapazitätsarm mit dem Ringsegment 3 durch einen in einer Bohrung 29 verlaufenden Draht 30 elektrisch verbunden, wobei der Draht 30 zusätzlich in einem zweiten Isolierstück 26 geführt ist. Die Mess-Sonde 25 ist dabei längs einer Mantellinie der konischen Innenwand 28 des Rotors 1 an der Stelle angeordnet, bis zu der die Grenzfläche zwischen dem ausgeschiedenen Wasser und dem gereinigten Brennstoff gelangen darf; diese Ja/Nein -Messung entspricht also im Prinzip derjenigen der zweiten Ausführungsform der eingangs diskutierten bekannten Anordnung.
Wegen eines ev. notwendigen Unwucht-Ausgleichs können statt eines Ringsegments 3 mit Vorteil zwei sich diametral symmetrisch gegenüberliegende Ringsegmente vorhanden sein, wodurch gleichzeitig die Anzahl der für eine Mittelwertildung zur Verfügung stehenden Messwerte verdoppelt wird. Die Anzahl der zur Verfügung stehenden Messwerte lässt sich nochmals verdoppeln, wenn eine Anordnung von vier Ringsegmenten in 90"Versetzung vorgesehen wird.
Das Messprinzip der geschilderten Anordnung beruht darauf, dass die Kapazität des Oszillators 9 durch die Kopplungskapazität Ck (Fig. 8a) bzw. die Serienkapazität Cg beeinflusst wird.
Dabei ist die Kopplungskapazität Ck die Kapazität der zwischen der ortsfesten Gegenelektrode 7 des HF-Oszillators 9 und dem Kranz 2 bzw. dem Ringsegment 3 gebildeten Differentialkondensatoren. Diese Kopplungskapazität Ck hat einen Minimalwert bei zentrisch laufendem Rotor 1 und einen Maximalwert, der etwa doppelt so hoch wie ihr Minimalwert ist, bei ausgelenktem Rotor 1.
Während in Fig. 8a in einem Ersatzschaltbild die in die Messungen eingehenden elektrischen Grössen verdeutlicht sind, zeigt Fig. 8b schematisch, wo diese Grössen der neuen Anordnung entstehen. Die Bewegungsrichtung der Elektroden 2 und 3 sowie 25 und 28 relativ zur ortsfesten Gegenelektrode 7 ist durch einen Pfeil E angedeutet.
Zwischen der Elektrode 7 und dem geerdeten Kranz 2 wird die Kopplungskapazität Ck als Referenzkapazität Cr erfasst. Der zwischen der Mess-Sonde 25 und der geerdeten Rotorinnenwand 28 gebildete Messkondensator hat die Kapazität Cm und den Ohmschen Leitwert 1/Rm; die Summe beider ergeben den komplexen Leitwert Garn, der in die Serienkapazität C5 eingeht. Der reelle Anteil 1/Rm des Leitwertes Gm ist die Folge eines durch Verunreinigungen im wässrigen Bereich der Flüssigkeit vorhandenen Ionenstromes.
Wie bereits erwähnt, wird, ausgelöst von einem Steuerimpuls M (Fig. 7) des Signalgebers 6, der durch das Spiel des Rotors 1 bestimmte momentane Ck-Wert kurz vor dem Vorbeilaufen des isolierten Ringsegmentes 3 an der Gegenelektrode 7 im Bereich 8 des Kranzes 2 als Referenzkapazität Cr erfasst und je nach der Anzahl der in dem Ring der Aussenelektrode 2 vorhandenen Ringsegmente 3 -für die Dauer einer ganzen, halben oder viertel Umdrehung in Form einer elektrischen Gleichspannung in einer Sample and Hold -Schaltung als Referenzspannung Ur festgehalten, wie im einzelnen noch ausführlich beschrieben wird.
Während des Vorbeilaufens des Ringsegmentes 3 beeinflusst der von der Mess-Sonde 25 im Medium erfasste Leitwert Gm die Serienkapazität Cg des Oszillators 9. Diese sinkt auf einen durch die Serienschaltungvon Crund Gm bestimmten Wert. Das verursacht eine momentane Erhöhung der Frequenz des HF Oszillators 9, welche in der Elektronik eine momentane positive Spannungsspitze Um des Mess-Signals ergibt. Dieser Spitzenwert wird ebenfalls durch eine zweite Sample and Hold -Schaltung für die Dauer bis zur Erfassung des nächsten Referenzwertes Ur festgehalten.
Die beiden Hold-Werte werden in einem Differentialverstärker IC 9 (Fig. 5) verglichen, ihre Differenz ist ein Mass für die Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit im Bereich der Mess Sonde 25 und damit- im Falle des erwähnten Beispiels - für den WassergehaltimBrennstoff. Ist die Mess-Sonde 25 durch gereinigten Brennstoff benetzt, so ist der Leitwert Gm klein und damit die Signalspannungsspitze Um hoch. Bei grösserem Wassergehalt steigt durch die Vergrösserung des komplexen Leitwertes Gm des Mediums die Kapazität praktisch auf den Referenzwert Cran, womit die ermittelte Differenz Ud fast verschwindet.
Die gemessenen und in Spannungen umgeformten Kapazitätswerte werden über viele Umdrehungen des Rotors 1 gemittelt und liefern ein Signal, welches zur Anzeige bzw. zur Betätigung einer Alarmvorrichtung venvendet wird.
In der apparativen Realisierung der neuen Anordnung ist darüberhinaus - wie in Fig. 8a verdeutlicht - eine der durch die Sonde 25 gemessene Kapazität Cm parallelgeschaltete einbaubedingte Kapazität Ce mit einem konstanten Wert vorhanden, durch welche die auszuwertenden Änderungen von Cm relativ verringert werden. Deshalb muss der Einbau der Mess-Sonde 25 sowie des Ringsegmentes 3 möglichst kapazitätsarm erfolgen; aus diesem Grunde wird für die Abstützung der Mess-Sonde 25 bzw. des Ringsegmentes 3 im Rotor 1 bzw. im Kranz 2 relativ wenig Isolationsmaterial venvendet, so dass die Einbaukapazität C, möglichst weitgehend durch einen Luft -Kondensator gebildet wird.
Die Wirkungsweise der elektronischen Messanordnung kann in Verbindung mit den Fig. 5-7 wie folgt beschrieben werden.
Wie bereits erwähnt, hat der HF-Oszillator eine Nennfrequenz von 1,5 MHz; durch den Wechsel der erfassten Kapazität Cr und Cg ändert sich die Frequenz um maximal +50 KHz. Das HF Signal des Oszillators 9 gelangt - wie ebenfalls bereits angedeutet -zunächst in den Diskriminator 11, von dem es als Spannungssignal F positiver Polarität in die Auswertelogik 12 fliesst.
Den Zeitpunkt für die Erfassung bestimmter Momentanwerte des Signals F bestimmt der Signalgeber 6. Dieser erzeugt zur Zeit t0 (Fig. 7) den wellenförmigen Steuerimpuls M, der in der Schaltung der Fig. 6 zunächst in einem Komparator ICI in einen normierten Rechteckimpuls N umgeformt und über die Mono flop-Schaltung IC2 verzögert wird, wobei die Verzögerung an einem Potentiometer P1 einstellbar ist.
Über weitere Monoflop-Schaltkreise IC3, IC4 und IC5 werden dann Auslöseimpulse A1, A2 und A3 erzeugt; der Monoflop IC3, der unmittelbar dem Komparator IC1 folgt, liefert den Impuls A1 unverzögert und in einer Dauer von 0,1 ms. Die Funktion des Impulses A1, der als Steuerimpuls auf die Sample and Hold -Schaltung IC10 der Fig. 5 gegeben wird, wird später beschrieben.
Der Monoflop IC5 erzeugt den Sample-Impuls A2 von ebenfalls 0,1 ms Dauer, der mit einer Verzögerung tv von 0,5 ms auf die Sample and Hold -Schaltung IC6 und IC7 der Fig. 5 gelangt; dort bewirkt er, dass die in diesen Schaltungen gespeicherten Spannungswerte Umo und Uro des vorhergehenden Mess-Zyklus Z0, die ein Mass für die Momentanwerte von Cg und Cr sind, vor Beginn eines neuen Mess-Zyklus Z1 gelöscht bzw. an einen neuen Wert der Referenzspannung Uri angeglichen werden.
Dies verdeutlicht in Fig. 7 die oberste Zeile, in der ausgezogen der Verlauf des Signals F in Abhängigkeit von der Zeit für zwei aufeinander folgende Mess-Zyklen Z1 und Z2 dargestellt ist, während die obere gestrichelte Linie bzw. die untere gestrichelte Linie den am Kondensator C7 der Hold-Schaltung IC7 gespeicherten Spitzenwert der die Gesamtkapazität Cg repräsentierenden Mess-Spannung Um bzw. den am Kondensator C6 der Hold Schaltung IC6 gespeicherten momentanen Referenzwert Ur für die zum Zeitpunkt der Messung vorhandenen Kopplungskapazität Cr wiedergegeben.
Durch den Steuerimpuls A2 werden dabei zur Zeit t' die Spannungen Uro und Umo des Zyklus ZO auf den neuen Momentanwert der Referenzspannung Uri heruntergezogen , indem der Steuerimpuls A2 kurzzeitig die Schalter S6 bzw. S7 schliesst, durch die die Ladungen der Kondensatoren C6 bzw. C7 auf den beim Vorbeilaufen des Bereichs 8 (Fig. 1) des Kranzes 2 erfassten - neuen Referenzwert Uri ausgeglichen werden; dieser Ausgleich ist zur Zeit t" beendet.
Gleichzeitig mit dem verzögerten Steuerimpuls A2 wird durch den Monoflop IC4 ein weiterer Auslöse- oder Steuerimpuls A3 ausgegeben, der eine Dauer von etwa 1 ms hat und während dieser Zeit den Schalter S8 im Schaltkreis IC8 der Fig. 5 schliesst; dadurch wird der während des Vorbeilaufens des Ringsegmentes 3 an der Gegenelektrode 7 erfasste, der Gesamtkapazität Cg entsprechende Spitzenwert des Signals F als Mess-Spannung U über die Diode D1 im Kondensator C7während des Zyklus Z1 gerspeichert; der Steuerimpuls A3 endet im Zeitpunkt t"'.
Aus den Hold-Werten von IC6 und IC7 wird in einem weiteren Schaltkreis IC9 die Differenzspannung Udl gebildet; diese steht als Signal an einer weiteren Hold-Schaltung IC10 an und wird im Kondensator C10 neu gespeichert, sobald am Ende des Zyklus Z1 der Schalter S10 für die Dauer des neu eintreffenden Steuerimpulses A1 schliesst. Die an C10 liegende Spannung, die sich von einem Messzyklus zum anderen sprungweise leicht ändert, wird im Filter R2C2 gemittelt. Der Komparator IC11 vergleicht diesen über viele Zyklen Zu . . .Zn gebildeten Mittelwert mit der am Potentiometer P2 eingestellten Schwellenspannung und veranlasst die Ausgabe eines Alarms in einer Vorrichtung 15, wenn der Mittelwert unter den Schwellenwert sinkt.
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PATENT CLAIMS
1. Arrangement for detecting the interface between two media separated in a centrifuge with different electrical properties, in which arrangement a measuring probe is arranged on the inside of the rotating conical centrifuge rotor at at least one point on the circumference, which is electrically insulated from the rotor and is connected to an outer electrode which is also insulated on the outside of the rotor, the measuring probe on the one hand forming a measuring capacitor with the rotor and on the other hand the outer electrode with a stationary counter electrode forming a coupling capacitor for transferring the measured values to a stationary measuring arrangement, characterized in that the Outer electrode consists of a profiled ring segment (3),
which sits insulated in a recess (20) of a ring (2) having the same profile cross section, which forms a reference electrode of the rotor (1), the further ring (2) and ring segment (3) together with the counter electrode (7) each as a differential capacitor Form part of the capacity of an RF oscillator (9), the frequency changes of which are converted by a discriminator (11) into changes in a signal voltage, and that a signal transmitter (6) is also provided which controls the sample and hold circuits (12) in such a way that these each have an instantaneous value (Uf or
Um) of this signal voltage in accordance with a reference capacitance (Cr) of the reference electrode (2) and a series capacitance (Cg) of the ring segment (3), and that the difference between these instantaneous values (Um; Ur) is used to determine the state of the medium in the centrifuge gives a clearly representative voltage signal (Ud).
2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the measuring probe (25) is designed as a disc arranged flush with the inner wall (28) of the centrifuge rotor (1).
3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the ring segment (3), ring (2) and stationary counter electrode (7) are profiled in a comb shape.
4. Arrangement according to claim 1, characterized in that several measuring probes (26) and ring segments (3) are provided symmetrically distributed in the centrifuge rotor (1) or in the ring (2).
The invention relates to an arrangement for detecting the interface between two media separated in a centrifuge with different electrical properties, in which arrangement a measuring probe is arranged on the inside of the rotating conical centrifuge rotor at least one point on the circumference, which is electrically opposite the rotor insulated and connected to an outer electrode which is also arranged insulated on the outside of the rotor, the measuring probe on the one hand forming a measuring capacitor with the rotor and, on the other hand, the outer electrode with a stationary counter electrode forming a coupling capacitor for transmitting the measured values to a stationary measuring arrangement;
the different electrical properties evaluated for the detection of the interface are, for example, the capacitance or the complex conductance of a capacitor formed with the media as dielectrics.
An arrangement of the type mentioned above is known from GB PS 971242; it is used, for example, to monitor the amount of water in a centrifuge, with which water is separated from the fuel for an internal combustion engine, the heavier water collecting on the outside and gradually progressing with its interface towards the rotor axis. As soon as a certain water content in the centrifuged liquid mixture is determined by the arrangement at the location of the measuring probe, it triggers an alarm, for example.
However, it is also possible to start the automatic removal of the water from the centrifuge instead of this alarm.
In this known arrangement, different capacitances are detected with the aid of the measuring probe, which is insulated on the inside of the centrifuge rotor at at least one point on the circumference. The measuring capacitor consisting of measuring probe and rotor is conductively connected to the outer electrode, which forms a coupling capacitor with the stationary counter electrode, which effects the coupling to a likewise stationary measuring arrangement. As shown in the equivalent circuit diagram in FIG. 8a, the capacitance Cm of the measuring capacitor, which is hereinafter simply referred to as measuring capacitance, and the capacitance Ck of the coupling capacitor continue to form briefly coupling capacitance - lying in series with one another, the series capacitance C'g, the changes of which are recorded in the measuring arrangement will.
In one embodiment of the known arrangement, the wires used as measuring probes are coated with an insulating layer and are pressed against a guide plate of the housing during operation of the centrifuge; the capacity between this baffle and the measuring wire is changed to the extent that the interface between the oil with low dielectric constant and the water with its high dielectric constant penetrates between the baffle and the measuring wire and progresses therebetween. In another embodiment, measuring electrodes project freely into the inner cavity of the centrifuge; these electrodes must have a considerable mechanical strength in order to withstand the mechanical forces occurring in the centrifuge at high speeds.
While in the first embodiment a continuous change in the measured electrical properties is detected as the interface progresses, the second embodiment determines the moment at which the interface reaches and exceeds the location of the measuring electrodes.
Since the centrifuge with a relatively high number of revolutions has a play of up to a few millimeters in its warehouse, the coupling capacity is subject to changes which falsify capacity measurements. In the known arrangement, these fluctuations in their effect on the measurements are partially rendered ineffective by making this coupling capacitance Ck very large relative to the measuring capacitance Cm, so that the reciprocal capacitive resistance compared to the capacitive resistance of the measuring capacitance becomes negligibly small.
The requirement for a very large coupling capacitor requires large, insulated outer electrodes; this requires considerable volumes of insulation materials that are exposed to large thermal and mechanical loads.
When using a centrifuge as described for cleaning the fuel of an internal combustion engine, there is the further disadvantage that the large-area outer electrodes and their insulations become slightly dirty, which at least makes correct measurements difficult, but very often impossible. Furthermore, there are considerable technological difficulties in the manufacture and assembly of the large-area insulated outer electrodes on the rotor.
While maintaining the advantageous design of the known arrangement, that the rotor of the centrifuge does not carry any active electronic elements, which increases the reliability of the arrangement in rough operation in practice, for example in ship machines, it is therefore the object of the invention to provide a measuring arrangement , in which the technological difficulties mentioned and the pollution described are eliminated as far as possible.
This object is achieved with the present invention in that the outer electrode consists of a profiled ring segment which is insulated in a recess of the same
Sitting cross-sectional wreath, which forms a reference electrode of the rotor, further that the ring and ring segment together with the counter electrode each form a differential capacitor as part of the capacitance of an RF oscillator, the frequency changes of which are converted by a discriminator into changes in a signal voltage, and that a Signal generator is provided, which controls the sample and hold circuits so that they each capture and store an instantaneous value of this signal voltage corresponding to a reference capacitance of the reference electrode and a series capacitance of the ring segment, and that the state of the medium in the Centrifuge clearly represents voltage signal.
Like the known arrangement, the invention uses a capacitive measurement of the medium in the centrifuge rotor and also a capacitive coupling of the measurement capacitance to the stationary measurement electronics; this also means that it does not use active electronic elements on the rotor, which - as already mentioned - increases the reliability of the system.
A frequency-modulated oscillator is used as the capacitance measuring arrangement, the frequency of which is varied by changes in the pure coupling capacitance Ck, which is determined by the series series capacitance C6 determined in series with the coupling capacitance Ck (FIG. 8a) and the reference capacitance Cr.
By capturing the complex - i.e. H. Not only the capacitive (Cm), but also the ohmic (IIRm) conductance (Gm) of the medium is significantly increased. Furthermore, the coupling capacitance Ck between the outer electrode and the fixed electronics in the new arrangement and the measurement method carried out with it need not be large compared to the measurement capacitance Cm; both are of the same order of magnitude. As a result, large-area insulated external electrodes and voluminous insulation layers are no longer necessary.
The design of the reference and coupling capacitors as differential capacitors reduces the influence of the axial rotor play. Furthermore, the changes in the coupling capacitance Ck due to mechanical and thermal displacements of the rotor body relative to the stationary counterelectrode are detected by measuring the reference capacitance Cr independent of the measuring probe and are eliminated by taking into account the evaluation of the series capacitance Cg influenced by the measuring probe .
Measurements of the two capacitances Cr and Cg are carried out briefly at least once with every revolution of the rotor with the aid of electronic sample and hold circuits, the measuring times of which are determined by a pulse logic, which in turn is triggered by a pulse generator arranged on the rotor. The time interval between the measurement of the reference value Cr and the measurement of the measurement value of the series capacitance C influenced by the measurement probe is in the order of fractions of a millisecond, so that the geometric and thermal position of the rotor practically does not change between these two measurements.
The measurements of reference or series capacitance Cr or Cm, which take place immediately one after the other, therefore make the series capacitance Cg independent of the play of the rotor. The use of known sample and hold circuits, with which a measured value can be briefly recorded, stored and compared with a second, just as brief, measured value. enables the determination of an adjusted, d. H.
measurement value independent of thermal and mechanical influences on the rotor for determining the position of the interface in the centrifuge; a large number of the corrected measured values are averaged and output in the form of a DC voltage signal, by means of which the triggering of an alarm or the control of a device for withdrawing the water from the centrifuge can be effected.
The mechanical stress on the measuring probe is particularly low if it is designed as a disc arranged flush with the inner wall of the centrifuge rotor. In a preferred embodiment for the differential capacitors, the ring segments, ring and stationary counterelectrode are profiled in a comb shape.
The number of measured values recorded for averaging can be doubled or quadrupled if two or four measuring probes or ring segments are arranged symmetrically in the centrifuge rotor or in the ring of the outer electrode; the symmetrical arrangement of the ring segments ensures at the same time the compensation of one-sided imbalance on the rotor, which would result from the installation of a single ring segment in the ring.
The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment in conjunction with the drawing.
Fig. 1 shows schematically the structure of the new arrangement;
Fig. 2 is an enlarged detail of Fig. 1;
Figures 3 and 4 are sections III-III and IV-IV of Figure 2;
5 and 6 each show in a block diagram the structure of the sample and hold circuits required for the evaluation or a circuit for the generation of the control pulses required for the same;
7 shows the time profile of the voltage signal resulting from the capacitance measurement and the time assignment of the various control signals;
8a and 8b are electrical equivalent circuit diagrams.
The rotor 1 of the centrifuge, indicated schematically in a view from above in FIG. 1, consists in a known manner, for example of a circular cylindrical housing, which is closed at the top by a conical cover. On the outside of this cover sits a ring 2, which forms the reference capacitor as a grounded reference electrode with a fixed counter electrode 7.
The ring 2 is interrupted at one point on its circumference over an angular sector of approximately 30; In this angular sector, a ring segment 3 is used as an insulated outer electrode. Together with the counter electrode 7, this is a coupling capacitor; the ring consisting of the ring 2 and the ring segment 3 thus forms an electrode system rotating with the rotor 1 for detecting and transmitting the reference capacitance Cr and for forwarding the determined series capacitance Cg, which - it should be emphasized again - is evident in the new arrangement from the series connection of the complex conductance Gm with the coupling capacitance Ck (FIG. 8a).
Furthermore, the rotor 1, whose direction of rotation is indicated by an arrow A, carries a cam 4 at one point on its circumference, which together with an electromagnetic pulse generator 5 forms the signal transmitter 6 of the measuring arrangement 10. The mutual spatial arrangement of cams 4, pulse generator 5 and ring segment 3 is such that - as will be described in detail later - the signal transmitter 6 triggers the detection of the instantaneous value of the measurement signal in accordance with the reference capacitance, for example in the region 8 of the ring 2 , immediately before the ring segment 3 passes through the counter electrode 7.
In the measuring arrangement 10, the counter electrode 7 is part of the resonant circuit of a frequency-modulated RF oscillator 9, the fundamental frequency of which is 1.5 MHz; Due to the capacitance changes recorded by the counter electrode 7, frequency changes of approximately 50 kHz are brought about in this oscillator. These are converted in a discriminator 11 of known design and mode of operation so that reductions in capacitance at the oscillator 9 result in positive voltage signals; the measured values present as voltages are fed into electronic evaluation logic 12, which is implemented in the known sample and hold technique.
As mentioned, the timing of when measurement signals for the reference capacitance Cr can be recorded on the rotating rotor 1 is carried out by the signal generator 6, which is connected to the evaluation logic 12 via a pulse shaper 13; In this pulse shaper 13, the signals of the signal generator 6 are processed and output as trigger pulses A (FIG. 6) with different delays and in different lengths.
In the example shown, the output signal of the evaluation logic 12 reaches a display device 14 and / or an alarm system 15. Of course, this output signal can also be used to control an automatic drain device for removing the water from the centrifuge.
The enlarged detail of FIG. 1 shown in FIG. 2 shows the ring segment 3 inserted in a recess 20 of the ring 2, which is electrically separated from the ring 2 by insulation elements 21. In order to keep its mass as low as possible, it is made of aluminum, for example, while the ring 2, which can be screwed or welded to the rotor 1, is made of steel. Another possibility for the production of the ring 2 is to manufacture it in one piece with the rotor, e.g. B. to pour. The direction of rotation of the rotor 1 is indicated here by an arrow B.
As can be seen in FIG. 4, the cross-section of the ring 2 has a comb-like profile with a cover 2a, a central part 2b and a base 2c. The recess 20, which extends in the vertical direction over the height of the ceiling 2a and the middle part 2b, extends in its inner area over a larger angular sector than in its outer area, so that two shoulders 22 are formed; against this, the ring segment 3, which is supported with play in the area 20a of the recess, is pressed outwards by centrifugal force when the centrifuge is rotating, and is thus precisely aligned relative to the plates of the counter-electrode 7, which is also comb-shaped.
According to the invention, ring segment 3 and ring 2 have the same profile cross-section, in which the counter electrode 7 engages from the outside (FIG. 3). The ring segment 3 (FIG. 3) is therefore composed of three aluminum plates of the shape shown in FIG. 2, which are held at the desired distance by two webs 23. The comb shapes of the intermeshing electrodes 2, 3 and 7 form differential capacitors, by means of which influences of changes in capacitance due to the axial play of the rotating rotor 1 on the measurements are decisively reduced.
The actual measuring probe 25 (FIG. 3) consists of a thin disk made of rust-free sheet metal, which is held in an opening 27 in the inner wall 28 of the centrifuge rotor 1 via an insulating piece 26. The flush mounting prevents a disturbance of the dynamic behavior of the liquid in the rotor.
The measuring probe 25 is electrically connected to the ring segment 3 with a low capacitance by a wire 30 running in a bore 29, the wire 30 additionally being guided in a second insulating piece 26. The measuring probe 25 is arranged along a surface line of the conical inner wall 28 of the rotor 1 at the point up to which the interface between the separated water and the purified fuel may reach; this yes / no measurement thus corresponds in principle to that of the second embodiment of the known arrangement discussed at the outset.
Because of a possibly necessary unbalance compensation, instead of a ring segment 3, two diametrically symmetrically opposite ring segments can advantageously be present, whereby the number of measured values available for averaging is doubled at the same time. The number of available measurement values can be doubled again if an arrangement of four ring segments with a 90 "offset is provided.
The measuring principle of the arrangement described is based on the fact that the capacitance of the oscillator 9 is influenced by the coupling capacitance Ck (FIG. 8a) or the series capacitance Cg.
The coupling capacitance Ck is the capacitance of the differential capacitors formed between the fixed counter electrode 7 of the HF oscillator 9 and the ring 2 or the ring segment 3. This coupling capacitance Ck has a minimum value when the rotor 1 is running centrically and a maximum value which is approximately twice as high as its minimum value when the rotor 1 is deflected.
While in Fig. 8a an equivalent circuit diagram illustrates the electrical quantities that are included in the measurements, Fig. 8b shows schematically where these quantities of the new arrangement arise. The direction of movement of the electrodes 2 and 3 and 25 and 28 relative to the stationary counter-electrode 7 is indicated by an arrow E.
The coupling capacitance Ck between the electrode 7 and the grounded ring 2 is recorded as the reference capacitance Cr. The measuring capacitor formed between the measuring probe 25 and the grounded rotor inner wall 28 has the capacitance Cm and the ohmic conductance 1 / Rm; the sum of both results in the complex yarn conductance, which is included in the series capacity C5. The real component 1 / Rm of the conductance Gm is the result of an ion current present due to impurities in the aqueous area of the liquid.
As already mentioned, triggered by a control pulse M (FIG. 7) of the signal transmitter 6, the instantaneous Ck value determined by the play of the rotor 1 is generated shortly before the insulated ring segment 3 passes the counter electrode 7 in the area 8 of the ring 2 recorded as the reference capacitance Cr and, depending on the number of ring segments 3 present in the ring of the outer electrode 2, in the form of an electrical direct voltage in a sample and hold circuit as the reference voltage Ur for the duration of a whole, half or quarter turn, as in detail is still described in detail.
During the passage of the ring segment 3, the conductance Gm detected by the measuring probe 25 in the medium influences the series capacitance Cg of the oscillator 9. This decreases to a value determined by the series connection of Crund Gm. This causes an instantaneous increase in the frequency of the RF oscillator 9, which results in an instantaneous positive voltage peak Um in the electronics of the measurement signal. This peak value is also recorded by a second sample and hold circuit for the duration until the next reference value Ur is recorded.
The two hold values are compared in a differential amplifier IC 9 (Fig. 5), their difference is a measure of the dielectric constant of the liquid in the area of the measuring probe 25 and thus - in the case of the example mentioned - for the water content in the fuel. If the measuring probe 25 is wetted by cleaned fuel, the conductance Gm is small and thus the signal voltage peak Um is high. If the water content is greater, the capacity increases practically to the reference value Cran due to the increase in the complex conductance Gm of the medium, whereby the difference Ud almost disappears.
The measured capacitance values, which are converted into voltages, are averaged over many revolutions of the rotor 1 and deliver a signal which is used to display or to actuate an alarm device.
In the implementation of the new arrangement in terms of apparatus, there is also - as illustrated in FIG. 8a - one of the capacitance Cm connected in parallel, measured by the probe 25, with a constant value, by means of the capacitance Cm, by means of which the changes in Cm to be evaluated are relatively reduced. Therefore, the installation of the measuring probe 25 and of the ring segment 3 must be carried out with as little capacity as possible; For this reason, relatively little insulation material is used to support the measuring probe 25 or the ring segment 3 in the rotor 1 or in the ring 2, so that the installation capacity C is formed as far as possible by an air condenser.
The mode of operation of the electronic measuring arrangement can be described as follows in connection with FIGS. 5-7.
As already mentioned, the RF oscillator has a nominal frequency of 1.5 MHz; by changing the detected capacitance Cr and Cg, the frequency changes by a maximum of +50 KHz. The RF signal of the oscillator 9 first arrives - as also already indicated - in the discriminator 11, from which it flows into the evaluation logic 12 as a voltage signal F of positive polarity.
The signal generator 6 determines the point in time for the detection of certain instantaneous values of the signal F. This generates the wave-shaped control pulse M at time t0 (FIG. 7), which in the circuit of FIG. 6 is first converted into a standardized rectangular pulse N in a comparator ICI and is delayed via the mono flop circuit IC2, the delay being adjustable using a potentiometer P1.
Trigger pulses A1, A2 and A3 are then generated via further monoflop circuits IC3, IC4 and IC5; the monoflop IC3, which immediately follows the comparator IC1, delivers the pulse A1 without delay and with a duration of 0.1 ms. The function of the pulse A1, which is given as a control pulse to the sample and hold circuit IC10 of FIG. 5, will be described later.
The monoflop IC5 generates the sample pulse A2, likewise of 0.1 ms duration, which arrives at the sample and hold circuit IC6 and IC7 of FIG. 5 with a delay tv of 0.5 ms; there it causes the voltage values Umo and Uro of the previous measurement cycle Z0, which are a measure of the instantaneous values of Cg and Cr, stored in these circuits to be deleted before the start of a new measurement cycle Z1 or to a new value of the reference voltage Uri be adjusted.
This is illustrated in FIG. 7, the top line, in which the course of the signal F is shown as a function of time for two successive measuring cycles Z1 and Z2, while the upper dashed line and the lower dashed line that on the capacitor C7 of the hold circuit IC7 stored peak value of the measuring voltage representing the total capacitance Cg Um or the instantaneous reference value Ur stored on the capacitor C6 of the hold circuit IC6 for the coupling capacitance Cr present at the time of the measurement.
The voltages Uro and Umo of the cycle ZO are pulled down to the new instantaneous value of the reference voltage Uri at time t 'by the control pulse A2, in that the control pulse A2 briefly closes the switches S6 and S7, through which the charges of the capacitors C6 and C7 on the new reference value Uri detected when area 8 (FIG. 1) of ring 2 passes by; this compensation has ended at time t ".
Simultaneously with the delayed control pulse A2, a further trigger or control pulse A3 is output by the monoflop IC4, which has a duration of approximately 1 ms and during this time closes the switch S8 in the circuit IC8 in FIG. 5; as a result, the peak value of the signal F, which corresponds to the total capacitance Cg and is detected during the passage of the ring segment 3 against the counter electrode 7, is stored as a measuring voltage U via the diode D1 in the capacitor C7 during the cycle Z1; the control pulse A3 ends at time t "'.
The differential voltage Ud1 is formed in a further circuit IC9 from the hold values of IC6 and IC7; this is present as a signal at a further hold circuit IC10 and is stored again in the capacitor C10 as soon as the switch S10 closes for the duration of the newly arriving control pulse A1 at the end of the cycle Z1. The voltage at C10, which changes slightly from one measuring cycle to the next, is averaged in filter R2C2. The comparator IC11 compares this over many cycles. . .Zn formed mean value with the threshold voltage set on the potentiometer P2 and causes an alarm to be output in a device 15 if the mean value falls below the threshold value.