DE102006057136A1

DE102006057136A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen des Mischungsverhältnisses eines Stoffgemisches

Info

Publication number: DE102006057136A1
Application number: DE102006057136A
Authority: DE
Inventors: Norbert Reindl; Lothar Jayme
Original assignee: Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2006-05-19
Filing date: 2006-12-01
Publication date: 2007-11-22
Also published as: EP2018548A1; WO2007134572A1; US20090309615A1; JP2009536323A

Abstract

Ein Verfahren zum Messen des Mischungsverhältnisses eines Stoffgemisches aus mindestens zwei Stoffen (10, 11), ist im Hinblick auf einen möglichst einfachen Messaufbau und zum Erreichen einer möglichst geringen Beeinflussung des Mischvorgangs oder des Stofftransports derart ausgestaltet, dass das Stoffgemisch in den Messbereich eines kapazitiven Sensors (1) gebracht - insbesondere an diesem vorbei- oder durch diesen hindurchbewegt - wird und dass aus der durch das Stoffgemisch hervorgerufenen Veränderung der Kapazität des Sensors (1) das Mischungsverhältnis bestimmt wird. Eine entsprechende Sensoranordnung, bei der das Stoffgemisch durch einen schlauchförmigen Bereich (2) geführt wird, ist angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen des Mischungsverhältnisses eines Stoffgemisches aus mindestens zwei Stoffen. Ferner betrifft die Erfindung eine entsprechende Sensoranordnung, wobei das Stoffgemisch durch einen schlauchförmigen Bereich geführt wird.
In der Technik besteht in den verschiedensten Anwendungsgebieten die Notwendigkeit das Mischungsverhältnis von Stoffen in Stoffgemischen zu bestimmen. So ist es beispielsweise beim Sandstrahlen von Interesse, zu welchem Volumenprozentsatz in dem Luftstrahl Sandpartikel enthalten sind. Auch beim Wasserstrahlschneiden werden genauere Informationen über den Gehalt von Partikeln in dem Wasserstrahl benötigt, um die Qualität des Schneidvorgangs optimal zu steuern. Hierbei befinden sich in einem Strom aus einem gasförmigen oder flüssigen Stoff feste Partikel. Allerdings können auch Stoffgemische durch mehrere Feststoffe gebildet sein.
Zur Bestimmung des Mischungsverhältnisses kann dieses beispielsweise bereits beim Herstellen des Stoffgemisches gemessen werden. So können beispielsweise in einem Wasser/Sandgemisch die Durchflussmenge des Wassers und gleichzeitig die Menge des beigemischten Sands bestimmt werden. Auf diese Weise lässt sich das Mischungsverhältnis vergleichsweise einfach ermitteln. Dieses Verfahren weist jedoch den entscheidenden Nachteil auf, dass jederzeit die genaue Menge der aktuell vermischten Stoffe bekannt sein muss. Dies ist häufig nur mit relativ großem Aufwand oder vergleichsweise ungenau realisierbar. Außerdem kann dies lediglich bei separat vorliegenden Stoffen angewendet werden. Das Mischungsverhältnis fertiger Stoffgemische ist damit nicht bestimmbar.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Sensoranordnung der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass kostengünstig und mit einfachen Mitteln das Mischungsverhältnis eines Stoffgemischs bestimmt werden kann. Dabei soll möglichst wenig in den Mischvorgang und/oder in den Transport des Stoffgemischs eingegriffen werden.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Danach ist das in Rede stehende Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das Stoffgemisch in den Messbereich eines kapazitiven Sensors gebracht – insbesondere an diesem vorbei- oder durch diesen hindurchbewegt – wird und dass aus der durch das Stoffgemisch hervorgerufenen Veränderung der Kapazität des Sensors das Mischungsverhältnis bestimmt wird.
In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass zur Messung des Mischungsverhältnisses in einfachster Weise Materialeigenschaften der Stoffe in dem Stoffgemisch genutzt werden können. Einzelne Materialeigenschaften sind dazu geeignet, durch elektrische oder elektromagnetische Felder erfasst zu werden. Derartige Felder sind durch kapazitive Sensoren erzeugbar und Auswirkungen der Materialeigenschaften auf den Sensor direkt messbar. Durch Verwendung eines kapazitiven Sensors lassen sich demzufolge einzelne Materialien unterscheiden. Hierbei wird ausgenutzt, dass einzelne Stoffe unterschiedlich starken Einfluss auf die Kapazität des Sensors nehmen, wenn sie in dessen Messbereich gebracht werden. Erfindungsgemäß kann eben dieser Effekt auch bei der Bestimmung des Mischungsverhältnisses genutzt werden. Ebenso wie bei einzelnen Stoffen führt auch ein Stoffgemisch im Messbereich eines kapazitiven Sensors zu einer Beeinflussung der Kapazität des Sensors. Allerdings ist dieser Effekt summarisch, d.h. es wird der Einfluss des gesamten Stoffgemischs in dem Messbereich des Sensors erfasst. Die Auswirkung eines einzelnen Stoffes ist nicht bestimmbar. Diese Informationen können erfindungsgemäß dennoch genutzt werden. Ist die Zusammensetzung des Stoffgemischs hinsichtlich der enthaltenen Stoffe im Wesentlichen bekannt, kann aus dem summarischen Einfluss des Stoffgemischs auf das Mischungsverhältnis geschlossen werden.
Dabei ist es prinzipiell ohne Bedeutung, wie das Stoffgemisch zusammengesetzt ist. So kann das Stoffgemisch durch mehrere Stoffe gebildet sein. Allerdings kann das zu untersuchende Stoffgemisch wiederum andere Stoffgemische enthalten. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn das Mischungsverhältnis eines Granulats in einem Luftstrom bestimmt werden soll, wobei das Granulat durch ein Stoffgemisch gebildet ist. Hier ist es im Allgemeinen nur von Bedeutung, das volumenmäßige Verhältnis des Granulats zu der Luft – also eines Stoffgemisch zu einem Stoff – zu kennen. Voraussetzung bei der erfindungsgemäßen Bestimmung des Mischungsverhältnisses ist lediglich, dass sich die Stoffe oder Stoffgemische hinsichtlich der untersuchten Materialeigenschaften ausreichend unterscheiden und dass die untersuchte Materialeigenschaft während einer Messung ausreichend konstant bleibt. Zusätzlich sollte das Stoffgemisch über eine ausreichende Homogenität verfügen.
Ist das Mischungsverhältnis im Messbereich des Sensors während einer Messung zu stark von der Position abhängig, so kann das gewonnene Ergebnis unter Umständen nicht aussagekräftig genug sein.
Diese erfindungsgemäßen Erkenntnisse werden in verfahrensmäßiger Hinsicht dahingehend genutzt, dass das zu untersuchende Stoffgemisch in den Messbereich eines kapazitiven Sensors gebracht wird. Dabei ist es prinzipiell unerheblich, ob sich das Stoffgemisch während der Messung in Ruhe befindet oder bewegt wird. In den meisten Anwendungsfällen wird das Stoffgemisch jedoch an dem Sensor vorbei-oder durch diesen hindurchbewegt werden. Durch das Stoffgemisch im Messbereich des Sensors verändert sich dessen Kapazität. Aus dieser Veränderung kann – in Verbindung mit der Kenntnis über die in dem Stoffgemisch enthaltenen Stoffe oder Stoffgemische und über die jeweiligen Materialeigenschaften – auf das Mischungsverhältnis geschlossen werden.
Im Allgemeinen müssen nicht alle in einem Stoffgemisch enthaltenen Stoffe oder Stoffgemische exakt bekannt sein. Wichtig ist lediglich, dass Informationen über die Bestandteile vorliegen, die wesentlichen Einfluss auf die Kapazität des Sensors nehmen. So könnte beispielsweise bei der Anwendung des Verfahrens im Zusammenhang mit Sandstrahlen das Sand/Luftgemisch Spuren eines Metalls enthalten, das bei einem Strahlvorgang bereits von einem Werkstück abgetragen wurde. Dies wird dann auftreten, wenn der Sand mehrfach verwendet wird. In diesem Fall ist wichtig, dass die zusätzlichen Partikel in Bezug auf die anderen Bestandteile des Stoffgemischs lediglich einen geringen Einfluss auf die Kapazität des Sensors haben.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Materialeigenschaft des Stoffgemischs die Permittivität genutzt. Die Permittivität ist eine physikalische Größe, die die Durchlässigkeit von Materie für elektrische Felder angibt. Dieser Effekt tritt bei nichtleitenden und halbleitenden Materialien auf. Wird ein derartiges Material in den Bereich eines Kondensators bzw. eines kapazitiven Sensors gebracht, so kann eine Erhöhung der Kapazität festgestellt werden. Wenn daher ein Stoffgemisch aus derartigen Stoffen in den Messbereich eines kapazitiven Sensors gebracht wird, erhöht sich die Kapazität des Sensors.
Die Bestimmung des Mischungsverhältnisses wird also auf die Bestimmung der Kapazität des Sensors zurückgeführt. Für die Bestimmung der Kapazität stehen sämtliche aus der Praxis bekannten Verfahren zur Verfügung. Die gemessene oder auf andere Weise bestimmte Kapazität des Sensors wird danach mit einem Vergleichswert verglichen. Dieser Vergleichswert repräsentiert im Allgemeinen die Kapazität des Sensors ohne Beeinflussung durch das Stoffgemisch. Dadurch kann auf das Ausmaß der Erhöhung oder Reduzierung der Kapazität geschlossen werden.
Hinsichtlich einer möglichst genauen Messung könnte vor Durchführung des Vergleichs zwischen der gemessenen Kapazität und dem Vergleichswert eine Korrektur von Messfehlern durchgeführt werden. Diese Korrektur umfasst insbesondere die Korrektur von systematischen Fehlern. So wird beispielsweise beim Führen des Stoffgemischs in einem Schlauch die Kapazität des Sensors bereits durch die Permittivität des Schlauches beeinflusst. Dadurch erhöht sich die Kapazität des Sensors bereits ohne Einfluss des Stoffgemisches. Derartige Fehler könnten kompensiert werden.
Zur Bestimmung eines Vergleichwertes könnte mindestens eine Kalibrierungsmessung durchgeführt werden. Auf diese Art und Weise ließe sich die Kapazität des Sensors messtechnisch erfassen. Hierbei könnte auch eine Sensorkennlinie aufgenommen werden, die beispielsweise das Verhalten des Sensors auf Speisesignale mit unterschiedlichen Frequenzen und/oder Amplituden widerspiegelt. Die Kalibrierungsmessungen könnten zum einen mit dem Sensor durchgeführt werden, während er sich in einer neutralen Umgebung befindet, d.h. ohne Beeinflussung durch andere Stoffe. Alternativ oder zusätzlich könnte die Kapazität des Sensors in seiner Arbeitsumgebung bestimmt werden. Damit wären einige der sonst eventuell bei Messungen notwendigen Korrekturen von Messfehlern vermeidbar.
Der Vergleichswert könnte allerdings auch errechnet werden. Diesbezüglich sind verschiedene Verfahren aus der Praxis bekannt, mit denen die Kapazität eines vergleichsweise beliebigen leitfähigen Gebildes berechenbar ist. Je nach Komplexität des eingesetzten Sensors ist die Berechnung verschiedentlich komplex. In einigen Fällen können einfache Näherungslösungen gefunden werden – beispielsweise bei einem aus zwei parallelen Platten bestehenden Sensor. In anderen Fällen sind komplexere Berechnungen notwendig. Hierzu sind aus der Praxis geeignete Verfahren bekannt.
Als Ergebnis des Vergleiches der im Betrieb gemessenen Kapazität des Sensors mit dem Vergleichswert ergibt sich der Grad des Einflusses des Stoffgemischs auf die Kapazität des Sensors. Werden nun zusätzlich Informationen über die Bestandteile des Stoffgemischs eingesetzt, so kann mittels eines mathematischen Modells auf das Mischungsverhältnis des Stoffgemisches geschlossen werden. Die Wahl und der Aufbau des mathematischen Modells werden von der jeweiligen Anwendungssituation abhängen. Derartige Modelle sind jedoch aus der Praxis hinlänglich bekannt. Alternativ zu der Verwendung eines mathematischen Modells können die Zuordnungen der Messergebnisse zu einem Mischungsverhältnis auch basierend auf bereits in anderem Zusammenhang bestimmte Messwerte oder dergleichen erfolgen.
Werden lediglich Messungen mit konstanten Parametern durchgeführt, so können lediglich zwei Bestandteile des Stoffgemisches unterschieden werden. Sollen mehr als zwei Komponenten in ihrem Mischungsverhältnis untersucht werden, so müssen mehrere Messungen mit unterschiedlichen Rahmenbedingungen vorgenommen werden. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass weitere Materialkenngrößen herangezogen werden. Voraussetzung ist jedoch immer, dass diese eindeutig aus der gemessenen Kapazität errechenbar sind.
Der kapazitive Sensor wird vorteilhafterweise bei der Bestimmung seiner Kapazität mit Gleichspannung und/oder Wechselspannung gespeist. Wird der Sensor mit einer Gleichspannung versorgt, können auf einfache Weise Schwankungen in dem Mischungsverhältnis detektiert werden. Im statischen Zustand fließt bei einer angelegten Gleichspannung kein oder allenfalls ein vernachlässigbarer Strom. Ändert sich jedoch die Kapazität des Sensors, so fließen detektierbare Ausgleichsströme. Das Messen der Ausgleichströme lässt also Rückschlüsse auf die Änderung der Kapazität zu. Da abgesehen von der Permittivität des Stoffgemischs alle Komponenten, die die Kapazität des Sensors beeinflussen können, konstant sein werden, kann auf diese Art die Änderung des Stoffgemischs ermittelt werden.
Bei Versorgen des Sensors mit einer Wechselspannung kann die Impedanz des Sensors bestimmt werden. Die Frequenz wird je nach Aufbau des verwendeten Sensors, dem zu untersuchenden Stoffgemisch und/oder weiteren Rahmenbedingungen geeignet gewählt. Verfahren zur Bestimmung der Impedanz und zum Wählen einer geeigneten Frequenz sind aus der Praxis bekannt. Dabei ist auch der Einsatz von Messungen mit verschiedenen Frequenzen denkbar.
Neben der Verwendung von Gleich- oder Wechselspannung kann auch eine Überlagerung einer Gleichspannung und einer Wechselspannung sinnvoll sein.
Neben einer Einstellbarkeit der Frequenz der Versorgungsspannung für den Sensor könnte eine Einstellbarkeit der Amplitude vorgesehen sein. Durch Einstellung der Amplitude könnten Nichtlinearitäten verschiedener Materialien auf unterschiedlich starke Felder ausgenutzt werden.
Die Wahl des Messverfahrens wird von dem zu untersuchenden Stoffgemisch abhängen. Ist bekannt, dass in dem Stoffgemisch lediglich zwei Stoffe enthalten sind, so wird eine Kapazitätsmessung mit Anregung durch eine relativ niederfrequente Wechselspannung ausreichend sein. Soll hingegen ein Gemisch aus mehreren Stoffen, beispielsweise Sand und Polyäthylen in einem Wasserstrom, detektiert werden, können Messungen mit mehreren verschiedenen Frequenzen durchgeführt werden, um die einzelnen Bestandteile in ihrem Mischungsverhältnis zu bestimmen.
Zur möglichst flexiblen Steuerung des Messvorgangs könnten Mittel vorgesehen sein, mit denen die Eindringtiefe des durch den Sensor erzeugten Feldes beeinflusst werden kann. So kann der Grad des Einflusses des Stoffgemischs auf die Kapazität des Sensors beeinflusst werden. Je weiter das Feld in das Stoffgemisch eindringt, desto größer dürfte die detektierbare Auswirkung des Gemischs auf die Kapazität ausfallen. Allerdings sind Grenzen beispielsweise dadurch gesteckt, dass die Dämpfung in dem Materialgemisch dazu führen kann, dass höhere Eindringtiefen zu keinem weiterreichenden Messeffekt führen.
Hinsichtlich einer Sensoranordnung wird die zuvor genannte Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 13 gelöst. Danach ist die in Rede stehende Sensoranordnung derart ausgestaltet, dass sich ein schlauchförmiger Bereich, durch den das Stoffgemisch geführt wird, in dem Messbereich eines kapazitiven Sensors befindet, der die durch das Stoffgemisch hervorgerufene Veränderung seiner Kapazität erfasst. Diese Sensoranordnung ist insbesondere zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.
Der Begriff „schlauchförmiger Bereich" ist sehr allgemein zu verstehen. So kann es sich bei diesem Bereich tatsächlich um einen Schlauch handeln, der aus den unterschiedlichsten Materialien und in unterschiedlichster Art und Weise ausgestaltet ist. Allerdings kann der schlauchförmige Bereich auch durch andere aus der Praxis bekannten Anordnungen gebildet sein. Voraussetzung ist lediglich, dass das Stoffgemisch durch die eingesetzte Anordnung geführt werden kann. Dabei kann der Sensor selbst zur Führung des Stoffgemischs genutzt werden, so dass das Stoffgemisch in direkten Kontakt mit dem Sensor kommt. Hier ist der Sensor selbst Teil des schlauchförmigen Bereichs. Wird der Sensor lediglich auf den schlauchförmigen Bereich aufgesetzt, muss das den schlauchförmigen Bereich umrandende Material dazu geeignet sein, von elektrischen Feldern durchdrungen zu werden. Letztendlich muss der schlauchförmige Bereich dazu geeignet sein, einen definierten Bereich abzugrenzen, der durch den Messbereich des Sensors erfassbar ist.
Die Sensoranordnung weist mindestens zwei Elektroden auf. Mindestens eine Elektrode ist als Messelektrode ausgestaltet, die mit einem Messsignal beaufschlagt werden kann. Darüber hinaus sollte mindestens eine Elektrode vorhanden sein, die als Gegenelektrode zu der Messelektrode geeignet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Gegenelektrode als Teil eines Schirms, vorzugsweise dessen speziell ausgestalteten Endbereich, ausgestaltet. Aufgabe des Schirms ist es dabei zum einen, zur Ausbildung von Feldlinie zwischen Messelektrode und Schirm zu dienen. Darüber hinaus kann der Schirm dazu verwendet werden, eine gewisse Abschirmung gegenüber eingestreuten elektrischen oder elektromagnetischen Feldern zu ermöglichen. Dazu umschließt der Schirm die Messelektrode vorzugsweise von mehreren Seiten.
Ferner könnte der Sensor eine Steuerelektrode aufweisen, mit der die Reichweite des Messbereichs des Sensors steuerbar ist. Dies kann zum einen dadurch realisiert werden, dass der effektive Abstand zwischen der Messelektrode und der Gegenelektrode verändert wird. Hierzu könnte die Steuerelektrode unterschiedlich breit ausgeführt sein. Die Reichweite des Messbereichs wird somit bereits bei der Fertigung des Sensors vorgegeben. Je nach gewünschter Reichweite könnten dann unterschiedlich ausgestaltete Sensoren verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich könnte die Steuerelektrode mit einer Spannung beaufschlagt werden, die zur Ausbildung eines elektrischen oder elektromagnetischen Feldes führt. Dieses Feld kann derart ausgestaltet sein, dass es das zwischen der Messelektrode und der Gegenelektrode ausgebildeten Feldes beeinflusst. Die Beeinflussung würde sich darin äußern, dass das eigentliche Messfeld unterschiedlich weit in den Bereich vor dem Sensor reicht. Im Extremfall kann das elektrische Feld sogar über den schlauchförmigen Bereich hinausreichen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Sensor auf den schlauchförmigen Bereich aufgesetzt. Dabei könnte der Sensor auf den schlauchförmigen Bereich aufgeklebt oder in anderer Weise damit verbunden sein. Insbesondere zum Erreichen eines formschlüssigen Kontakts zwischen Sensor und schlauchförmigen Bereich könnte der Sensor auf den schlauchförmigen Bereich gedrückt werden. Dies könnte – je nach Beschaffenheit des den schlauchförmigen Bereich bildenden Materials – zu einer Verformung des Bereichs führen. Als Gegenlager könnte auf der dem Sensor gegenüberliegenden Seite des schlauchförmigen Bereichs eine Platte angeordnet sein. Diese Platte kann zum einen aus einem nichtleitenden Material, wie beispielsweise einem Kunststoff, gebildet sein, zum anderen können leitende Materialien, wie beispielsweise Stahl, eingesetzt werden.
In einer anderen Ausgestaltung der Sensoranordnung ist der Sensor derart ausgestaltet, dass er den schlauchförmigen Bereich zumindest teilweise umgreift. Dies könnte beispielsweise dadurch erreicht werden, dass ringförmige Elektroden den schlauchförmigen Bereich umschließen. Dadurch könnte eine besonders effektive Vermessung des in dem schlauchförmigen Bereich enthaltenen Stoffgemischs erreicht werden.
Eine ganz besonders einfache Ausführungsform besteht aus einer Messelektrode, der gegenüberliegend in einem festen Abstand eine Gegenelektrode zugeordnet ist. Die Elektroden könnten wie die eines Plattenkondensators ausgebildet sein. Zwischen den Elektroden befindet sich das Stoffgemisch oder wird zwischen ihnen hindurchbewegt. Zur Abschirmung gegenüber eingestreuten Störfeldern könnte um die Anordnung ein Schirm vorgesehen sein.
Je nach Ausgestaltung des schlauchförmigen Bereichs und je nach gewünschtem Einsatzbereich könnte sich die eine oder die andere Ausgestaltung des Sensors als geeigneter erweisen. Darüber hinaus sind weitere Ausgestaltungen von kapazitiven Sensoren einsetzbar.
Zum Betrieb wird eine Versorgungseinheit mit dem Sensor verbunden. Diese Versorgungseinheit könnte eine Versorgungsspannung für den Sensor erzeugen. Als Versorgungsspannung kommt eine Gleich- oder eine Wechselspannung in Betracht. Allerdings könnte auch eine Versorgungsspannung Verwendung finden, die eine Überlagerung einer Gleichspannung mit einer Wechselspannung darstellt.
Zum Erreichen einer möglichst flexiblen Messung könnte die Versorgungsspannung in ihrer Amplitude und/oder Frequenz veränderbar sein. Bei der Veränderung der Versorgungsspannung könnte eine einmalige Erhöhung der Spannung von einem Wert zu einem zweiten Wert vorgesehen sein. Die Erhöhung kann linear, in Form eines oder mehrerer Sprünge oder in sonstiger Art erfolgen. Auch wiederholte, beispielsweise periodische Veränderungen wären denkbar. Statt der Erhöhung der Werte kann auch eine Absenkung eingesetzt werden. Hier muss wiederum der Anwendungsfall entscheiden, ob eine Veränderbarkeit benötigt wird und wie sie dann ausgestaltet ist.
Zur Auswertung der veränderten Kapazität ist eine Vorrichtung vorgesehen, mit der die Kapazität und/oder die Änderung der Kapazität des Sensors erfassbar sind. Dies kann durch Strommessvorrichtungen, Analog-Digital-Wandler und/oder sonstigen aus der Praxis bekannten Vorrichtungen erfolgen. Daneben sollte eine Auswerteelektronik zur Auswertung der gemessenen Kapazität des Sensors vorhanden sein. Hierzu stehen wiederum sämtliche aus der Praxis bekannten Verfahren zur Verfügung. Wegen ihrer sehr umfassenden und flexiblen Einsatzmöglichkeiten umfasst die Auswerteelektronik vorzugsweise einem Mikrorechner mit zugehöriger Beschaltung einschließlich eines oder mehrerer Analog-Digital-Wandler.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 13 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt die
einzige Fig. in einer schematischen Darstellung den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
Die einzigen Fig. zeigt schematisch den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung. Ein Sensor 1 ist auf einen schlauchförmigen Bereich 2 aufgesetzt. Der Sensor 1 besteht aus einem Anschlussbereich 3 und verschiedene Elektroden 4, 7, 12. Diese Elektroden umfassen eine Messelektrode 4, die über einen Generator 5 mit einer Wechselspannung beaufschlagt wird. Die Messelektrode 4 ist von einem Schirm 6 umschlossen. Dabei ist die Messelektrode 4 lediglich in Richtung des schlauchförmigen Bereichs 2 offen zugänglich. Das eine Ende des Schirms 6 geht in den Anschlussbereich 3 über, das andere Ende ist als Gegenelektrode 7 ausgebildet, die sich in der Fig. links und rechts der Messelektrode 4 anschließt. Dadurch diente der Schirm 6 zum einen dazu, eine Gegenelektrode 7 zur Messelektrode 4 zu bilden, zum andern ist er als Schirmung der Anschlussleitung zwischen Generator 6 und Messelektrode 4 ausgebildet. Insofern ist der Schirm 6 dazu geeignet, das zur Messelektrode 4 geführte elektrische Signal gegen äußere Einflüsse abzuschirmen.
Bei Beaufschlagung der Elektroden 4, 7 mit einer Spannung bilden sich zwischen der Messelektrode 4 und der Gegenelektrode 7 elektrische Feldlinien 8 aus. Diese Feldlinien 8 dringen zunächst in das den schlauchförmigen Bereich 2 umrandende Material 9 – hier einem Kunststoff – ein. Ein Teil der Feldlinien 8 schließt sich direkt von der Messelektrode 4 zu der Gegenelektrode 7 im Material 9 und tritt nicht in den schlauchförmigen Bereich 2 ein. Dieser Anteil ist konstant und muss in einer Auswerteelektronik geeignet kompensiert oder bereits bei Kalibrierungsmessungen be rücksichtigt werden. Ein Teil der Feldlinien 8 verlässt jedoch das Material 9 und dringt in das Innere des schlauchförmigen Bereichs 2 ein. Dieser Teil stellt den eigentlich messtechnisch relevanten Teil des Feldes dar. Diese Feldlinien werden durch das in dem schlauchförmigen Bereich befindliche Stoffgemisch beeinflusst. Das Stoffgemisch besteht in diesem Fall aus Sandkörnern 10, die sich in einem Strom aus Luft 11 befinden und in dem schlauchförmigen Bereich 2 geführt werden. Das Gemisch kann in einer nachgelagerten Stufe mit Wasser vermischt und zum Wasserstrahlschneiden verwendet werden. Gleichermaßen kann das Luft/Sandgemisch aber auch in Sandstrahlkabinen eingesetzt werden. Der Sandanteil liegt typischerweise bei 1–10% des Volumen. Dieses Gemisch führt in Abhängigkeit des Mischungsverhältnisses zwischen Sand 10 und Luft 11 zu einer unterschiedlich starken Beeinflussung der Kapazität des Sensors 1.
Zur Berechnung des Mischungsverhältnisses müssen mehrere Anteile der Kapazität des Sensors berücksichtigt werden. Die Gesamtkapazität setzt sich näherungsweise aus einer kombinierten Reihen- und Parallelschaltung von Einzelkapazitäten zusammen. Ein Anteil wird durch den Teil der Feldlinien 8 gebildet, die direkt zwischen der Messelektrode 4 und der Gegenelektrode 7 in dem Material 9 geschlossen sind. Eine andere Teilkapazität umfasst die Feldlinien 8, die zunächst durch das Material 9 in den schlauchförmigen Bereich 2 eindringen und diesen wiederum über das Material 9 verlassen. Für diesen Teil der Feldlinien 8 muss demnach ein aus drei Schichten bestehendes Dielektrikum berücksichtigt werden und es kann näherungsweise eine Kapazität von
errechnet werden. Dabei haben die Formelzeichen folgende Bedeutung: A Fläche, d₁ mittlere Feldlänge im Gemisch, ε₁ rel. Permittivität des Gemisches, d₂ Wanddicke des Schlauchs und ε₂ rel. Permittivität des Schlauchs. Da alle Parameter mit Ausnahme von ε₁ konstant sind, kann eine Abhängigkeit der Gesamtkapazität vom Gemisch festgestellt werden. Dies kann in einer nachfolgenden nicht eingezeichneten Auswerteelektronik dazu genutzt werden, Rückschlüsse auf das Mischungsverhältnis des im Innern des schlauchförmigen Bereichs 2 geführten Stoffgemisches zu erhalten.
Je nach Beschaffenheit der Sensoranordnung, insbesondere des schlauchförmigen Bereichs 2, dringen die Feldlinien 8 unterschiedlich stark in den schlauchförmigen Bereichs 2 ein. Zur Steuerung der Eindringtiefe des elektrischen Feldes ist daher eine weitere Elektrode 12 des Sensors 1 vorgesehen. Die Elektrode 12 ist derart ausgebildet, dass die Breite der Elektrode dem Abstand der Elektroden 4 und 7 zueinander im Wesentlichen entspricht. Zusätzlich ist die Elektrode 12 mit einer Spannung beaufschlagt, wodurch sich ein Potential ausbildet, das die Feldlinien 8 zwischen der Messelektrode 4 und der Gegenelektrode 7 mehr oder weniger stark in den schlauchförmigen Bereichs 2 hineindrängt. Bei einer möglichen Art der Beaufschlagung der Elektrode 12 wird ein Potential erzeugt, das dem Potential der Elektrode 4 entspricht. Auf diese Weise kann je nach Ausgestaltung des schlauchförmigen Bereichs 2 und je nach gewünschten Anforderungen der in den schlauchförmigen Bereich 2 eindringende Teil des elektrischen Feldes gesteuert werden.
Abschließend sei ganz besonders hervorgehoben, dass das zuvor rein willkürlich gewählte Ausführungsbeispiel lediglich zur Erörterung der erfindungsgemäßen Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.

Claims

Verfahren zum Messen des Mischungsverhältnisses eines Stoffgemisches aus mindestens zwei Stoffen (10, 11), dadurch gekennzeichnet, dass das Stoffgemisch in den Messbereich eines kapazitiven Sensors (1) gebracht – insbesondere an diesem vorbei- oder durch diesen hindurchbewegt – wird und dass aus der durch das Stoffgemisch hervorgerufenen Veränderung der Kapazität des Sensors (1) das Mischungsverhältnis bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kenngröße für das Messen des Mischungsverhältnisses die Permittivität von Bestandteilen (10, 11) des Stoffgemischs verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des Sensors (1) bestimmt wird und mit einem Vergleichswert, der die Kapazität des Sensors (1) ohne Beeinflussung durch das Stoffgemisch wiedergibt, verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Vergleich eine Korrektur von Messfehlern, insbesondere systematischen Fehlern, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gewinnung des Vergleichswerts mindestens eine Kalibrierungsmessung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleichswert berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Vergleich die Permittivität des Stoffgemischs bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Permittivität des Stoffgemischs das Verhältnis eines Stoffes oder Stoffgemischs zu einem anderen Stoff oder Stoffgemisch bestimmt wird, wobei die Permittivitäten der einzelnen Stoffe und/oder Stoffgemische bekannt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Materialkenngrößen zur Bestimmung des Mischverhältnisses herangezogen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) mit Gleichspannung und/oder Wechselspannung gespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Messungen mit unterschiedlichen Amplituden und/oder Frequenzen der Versorgungsspannung des Sensors (1) durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindringtiefe des elektrischen Felds zur Veränderung des Messbereichs des Sensors (1) gesteuert wird.
Sensoranordnung zum Messen des Mischungsverhältnisses eines Stoffgemisches aus mindestens zwei Stoffen (10, 11), insbesondere zur Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Stoffgemisch durch einen schlauchförmigen Bereich (2) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass sich der schlauchförmige Bereich (2) in dem Messbereich eines kapazitiven Sensors (1) befindet, der die durch das Stoffgemisch hervorgerufene Veränderung seiner Kapazität erfasst.
Sensoranordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) mindestens zwei Elektroden (4, 7, 12) aufweist.
Sensoranordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden eine Messelektrode (4) aufweisen.
Sensoranordnung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode in Form eines Schirms (6) ausgestaltet ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Schirm (6) die Messelektrode (4) von mehreren Seiten umschließt.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode vorgesehen ist, mit der der Messbereich des Sensors (1) steuerbar ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) auf den schlauchförmigen Bereich (2) aufgesetzt ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) auf den schlauchförmigen Bereich (2) gedrückt wird, so dass sich der Bereich (2) verformt.
Sensoranordnung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem Sensor (1) gegenüberliegenden Seite des schlauchförmigen Bereichs (2) eine Platte als Gegenlager angeordnet ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) den schlauchförmigen Bereich (2) zumindest teilweise umgreift.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gleichspannung und/oder Wechselspannung als Versorgungsspannung für den Sensor (1) erzeugbar ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsspannung in ihrer Amplitude und/oder Frequenz veränderbar ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorhanden sind, mit denen die Kapazität des Sensors (1) erfassbar und/oder auswertbar ist.