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Die
Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtung zur Homogenitätsmessung
fließfähiger Medien. Dies kann insbesondere zur
Erkennung von Inhomogenitäten, beispielsweise störender
Partikel oder Luftblasen in fließfähigen Medien,
insbesondere in Flüssigkeiten, in Vergussmassen oder Schmierfetten sinnvoll
sein. Ferner kann eine quantitative Messung, etwa der Größe
von Partikeln oder anderen Einschlüssen, oder deren Häufigkeit,
sinnvoll sein.
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DE 103 23 03 A1 beschreibt
einen Sensor zur Erfassung von die Kapazität in einem Messraum beeinflussenden
Messgrößen, unter Messung einer zwischen zwei
Elektroden auftretenden kapazitiven Kopplung.
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DE 3822344.9 und
DE 101 34 517.8 beschreiben
Sensoren zur Messung von Materialeigenschaften einer Flüssigkeit,
welche deren dielektrische Eigenschaften beeinflussen, wobei die
Einflüsse von Luftblasen gerade eliminiert werden sollen.
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Eine
ausreichende Erkennung oder gar Messung von Partikeln oder Blasen,
die von einer Flüssigkeit eingschlossen sind und sich an
einem unbekannten Ort der Flüssigkeit befinden, ist aufgrund
der sehr kleinen Kapazitäts-Änderung nach dam
Stand der Technik mittels einer elektrischen Messung oder Kapazitätsmessung
nicht naheliegend, insbesondere bei kleinen Partiken, auch mit den
o. g. Verfahren.
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Aufgabe
der Erfindung ist eine Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art.
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Hierfür
sind die in den unabhängigen Ansprüchen gegebenen
Merkmale vorgesehen.
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Inhomogenitäten
des Mediums können beim Durchfließen der Vorrichtung
die Elektroden passieren und in deren elektrisches Feld kurzzeitig
eintauchen.
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Das
entstehende elektrische Wechselfeld reicht in das fließfähige
Medium hinein. Das Feld kann dort inhomogen sein, das heißt
das Feld und insbesondere seine Intensität kann ungleich
verteilt sein. Vorteilhaft ist eine ungleiche Verteilung des Feldes
und örtliche Eingrenzung insbesondere längs der Fließrichtung
des Mediums. Das Feld muss demnach nur in einen Abschnitt des fließfähigen
Mediums hineinreichen.
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Zu
messende Inhomogenitäten des fließfähigen
Mediums haben im Regelfall eine unterschiedliche relative Diekektrizitätskonstante
als das Medium und haben somit einen Einfluss auf das Feld.
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Durch
die Inhomogenität sowohl des Feldes als auch eines relativ
dazu bewegten Mediums resultiert eine Signal-Schwankung. Durch eine
weiter unten erklärte Hochpassfilterung kann in einem weiteren
Aspekt der Erfindung erreicht werden, dass nur diese sich ändernden
Signalanteile zur Messung herangezogen werden.
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Die
an einem Teilchen im fließenden Medium auftretende Feldstärke
erfährt eine Änderung als Funktion der Zeit, wegen
der Bewegung des Mediums und dem feststehenden aber örtlich
unterschiedlich verteiltem Verlauf des Feldes. Ebenso erfährt
die Kopplung über das Feld vom Flüssigkeits-Teilchen zur
Empfangselektrode eine Änderung. Beide Änderungen
zusammenwirkend resultieren in einem zeitlichen Ablauf der resultierenden
Kopplung, wenn eine Inhomogenität des Mediums sich durch
das Feld bewegt. Die Kopplung kann kapazitiv erfolgen und/oder über
die Leitfähigkeit des Mediums, falls diese gegeben ist.
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Im
Allgemeinen unterscheidet sich die Dielektrizitätskonstante
einer zu messenden Inhomogenität von der des Mediums. Luftblasen
bewirken eine geringe Abschwächung der kapazitiven Kopplung, Partikel
können eine Erhöhung bewirken. Beide sind Beispiele
von erfindungsgemäß erkennbaren oder messbaren
Inhomogenitäten.
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Die
Messung der Kopplung kann erfolgen, indem eine an der Empfangselektrode
auftretenden Amplitude gemessen wird. Gemessen werden kann eine
Strom- und/oder Spannungs-Amplitude. Hierzu kann die Empfangselektrode
an einen Verstärker gekoppelt sein. Die Amplitudenmessung
kann durch einen getakteten Gleichrichter erfolgen, der mit der
gesendeten Wechselspannung synchronisiert wird. Die Wechselspannung
kann beispielsweise Rechteck- oder Nadelform haben. Sie muss keine
definierte Frequenz haben sondern kann unregelmäßige Wechsel
aufweisen. Die Phasendauer kann vorteilhafterweise kürzer
sein als die Verweildauer einer im Medium bewegten Inhomogenität
im Feld.
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Die
Amplitude kann auch um einen Nullpunkt schwanken und negative Amplituden
beinhalten, entsprechend einer trägerlosen Amplitudenmodulation. Die
Amplitudenmessung kann in diesem Fall nach einem für trägerlose
Amplitudenmodulation geeigneten Demodulationsverfahren erfolgen.
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Die
Amplitude kann fortlaufend gemessen werden. Der zeitliche Verlauf
des Amplituden-Messignals kann in einer Auswertschaltung ausgewertet werden.
Allgemein kann die Auswertschaltung mit analogen und/oder digitalen
und/oder programmgesteuerten Bausteinen aufgebaut sein. Durch die
ungleiche Feldverteilung längs der Fließrichtung
entsteht bei Passieren einer Inhomogenität ein Amplitudenverlauf,
dessen Geschwindigkeit bzw. Frequenzspektrum von der Fließgeschwindigkeit
des Mediums und vom Orts-Verlauf der Feld-Verteilung abhängt, während
die Änderungs-Amplitude des Amplitudensignals von der Größe
der Inhomogenität abhängt.
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Die
Auswertung des Amplitudenverlaufs kann insbesondere einen Schwellwertvergleich
beinhalten. Das Über- und/oder Unterschreiten eines definierten
Schwellwertes kann ein Erkennungssignal auslösen. Das Erkennungssignal
kann an einem Schaltausgang ausgegeben werden. Hierdurch ist eine
Ereignismessung ermöglicht, die das Vorhandensein einer
Inhomogenität meldet. Ebenso ist eine quantitative Messung
möglich. Hierzu kann ein Spitzengleichrichter oder ein
Maximalwert-Algorithmus verwendet werden, welcher aus einer zeitlichen
Folge von Messwerten den Betrag einer Abweichung ermittelt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Verlauf der
gemessenen Amplitude hochpassgefiltert. Als Hochlass kann eine zeitliche Differenzierung
verwendet werden. Dies kann vor dem Schwellwertvergleich vorgesehen
sein.
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Somit
werden lediglich Änderungen des Signals erkannt, während
konstanter Offset, wie er beispielsweise durch unterschiedliche
Medien mit unterschiedlicher relativer Dielektrizitätskonstante – bekannt
auch als Dielektrizitätszahl oder DK – verursacht
wird, keinen Einfluss auf die Messung hat.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere Elektrodenpaare
vorgesehen, und entlang der Fließrichtung versetzt angeordnet. Vorbeifließende
Inhomogenitäten werden nacheinander die Felder der Elektrodenpaare
passieren. Es können getrennte Messwerte je Elektrodenpaar
auftreten und in Bezug zueinander ausgewertet werden. Beispielsweise
kann als Bedingung für das Ausgeben eines Erkennungssignales
eine die in Fließrichtung ablaufende zeitliche Reihenfolge
der Signale vorgegeben werden.
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Zur
Vermeidung diverser Störungen kann in einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung ein weiteres Elektrodenpaar vorgesehen sein und dessen kapazitive
Kopplung gegensinnig gewichtet ausgewertet werden, beispielsweise
indem Messwerte subtrahiert werden.
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Wenn
Druck-Unterschiede im Medium zu einer Ausdehnung des Hohlkörpers
führen, würde ohne Vorkehrung die gemessene kapazitive
Kopplung und somit der Messwert beeinflusst. Die erfindungswgemäße
Anordnung ermöglicht eine zumindest teilweise Auslöschung
der Ausdehnungs-Einflüsse sowie alter weiteren systembedingten
Einflüsse, welche sich auf beide Elektrodenpaare gleichermaßen
auswirken.
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Ein
weiterer Vorteil dieser Methode ist die Möglichkeit, Medien
mit verschiedener Dielektrizitätskonstante zu messen, ohne
dass ein Offset im Messignal auftritt.
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Zur
Bildung einer Differenz können die von beiden Elektrondenpaaren
empfangenen Signale gegensinnig ausgewertet werden. Eine weitere
Möglichkeit ist, die empfangenen Siglale gleichsinnig auszuwerten,
wobei lediglich die Sendeelektroden mit gegenphasiger Wechselspannung
beaufschlagt werden. Insbesondere können hierbei die Empfangselektroden
miteinander an einen gemeinsamen Messeingang gekoppelt werden. Als
Messeingang kann der Eingang eines Verstärkers dienen.
Die gegensinnige Auswertung ist hierbei schon durch die Ansteuerung
der Sender-Elektrden implementiert. Vorteil dieser Ausführung
ist, dass sich bei homogener Verteilung beide Mess-Signale schon
vor dem Verstärker gegenseitig zumindest weitgehend auslöschen und
somit den Verstärker nicht beaufschlagen. Daher dann die
Verstärkung weiter erhöht werden, wodurch die
Auswertung kleinerer Unterschiede und somit die Erkennung kleinerer
Inhomogenitäten möglich wird.
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In
einer weiteren Ausführung der Erfindung kann die beschriebene
Funktion der Elektroden als Sender und Empfänger gegeneinander
vertauscht sein. Unter Ausnutzung des Superpositionsprinzips elektrischer
Felder und der Invarianz einer kapazitiven Kopplung gegenüber
der Richtung senden/empfangen (bzw. umgekehrt) kann damit ebensi
die gewünschte Wirkung erzielt werden.
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Insbesondere
können die gekoppelten Elektroden als Sender dienen und
mit einer gemeinsamen Wechselspannung beaufschlagt sein, und einzelne
Elektroden als Empfänger dienen und mit Eingängen
eines Differenzverstärkers verbunden sein.
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Das
Differenzsignal kann verstärkt und wie oben beschrieben
weiter ausgewertet werden.
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Die
beiden elektrisch gekoppelten Elektroden können auch als
eine gemeinsame größere Elektrode ausgeführt
sein.
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Elektroden
können kombiniert sowohl als Sender als auch Empfänger
verwendet werden. Insbesondere kann eine Kombination aus beiden
beschriebenen Varianten erreicht werden. Hiezu kann beispielsweise
das Bezugspotenzial eines an die Elektrode gekoppelten Verstärkers
seinerseits mit einer Wechselspannung beaufschlagt werden, welche an
die angeschlossene Elektrode weitergeleitet wird, sodass diese ein
eigenes Wechselfeld bildet während gleichzeitig ihr Verschiebungsstrom
gemessen wird.
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Der
Hohlkörper kann zumindest teilweise aus isolierendem Material
gebildet sein.
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Es
ist sinnvoll, den Hohlkörper zumindest außen mit
einem elektrisch leitfähigen Material auszubilden oder
einzufassen. Hierzu kann ein Metallrohr dienen. Der Spalt zwischen
Metallrohr und isolierendem Teil des Hohlkörpers kann mit
Vergussmasse gefüllt sein.
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An
den für das Medium vorgesehenen Einlass und Auslass-Stellen
kann leitfähiges Material vorgesehen sein. Das leitfähige
Material ist als elektrische Abschirmung vorteilhaft. Es kann mit
einer elektrischen Masse verbunden sein.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung können allgemein alle beschriebenen
Felder und elektrischen Kopplungen wahlweise kapazitiv oder über
die Leitfähigkeit und insbesondere auf galavanischem Wege
erfolgen und gemessen werden, oder beides kombiniert. Dies ist bei
leitfähigen Medien, insbesondere bei wässrigen
Substanzen vorteilhaft.
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Elektroden
können so angeordnet sein dass sie in den Hohlraum teilweise
hineinreichen. Eine andere Möglichkeit ist, dass ein Abschnitt
ihrer Oberfläche näherungsweise bündig
mit der Innenwand des Durchflusskanals sind und somit einen Abschnitt
der Innenwand bilden.
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Elektroden
könnnen das Medium berühren; dies ist vorteilhaft
bei Medien mit hoher Diekeltrizitätskonstante oder elektrischer
Leitfähigkeit und ermöglicht Messung der Kopplung über
die Leitfähigkeit.
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Elektroden
können auch gegenüber dem Medium isoliert sein,
wobei die Isolation als zusätzliches Dielektrikum wirkt
und vom Feld durchdrungen wird. Dies ermöglicht die Messung über
kapazitive Kopplung. Die Elektroden können mit einem dünnen isolierenden Überzug
versehen sein. Dies ist vorteilhaft zur erreichen einer geschlossenen
Oberfläche im Inneren der Sensorvorrichtung.
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Elektroden
können stabförmig sein, wobei die zur Gegenelektrode
weisende Seite eine Stirnfläche des Stabes ist. Solche
Elektroden können in Löchern angebracht sein,
welche in den Wandungen eines isolierenden Hohlkörpers
quer zur Fließrichtung des Mediums vorgesehen sind. Diese
Löcher können zum Durchflusskanal hin geschlossene
und nach außen hin offene Sacklöcher sein, was
eine elektrische Isolation sowie eine Abdichtung zum Medium ermöglicht.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel im Schnitt längs einer
Fließrichtung sowie ein Blockschaltbild einer beispielhaften
Auswert-Elektronik.
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Der
Hohlkörper besteht aus einem metallischen Außenrohr 40 und
einem darin vorgesehenen isolierenden Innenrohr 1, welches
einen Durchflusskanal 2 aufweist, dessen Querschnitt auf
mittlerer Höhe eingeengt ist. Sendeelektrode 11 und
gegenüberliegende Empfangselektrode 12 befinden
sich in Sacklöchern des Innenrohres 1 und reichen
mit ihren Stirnflächen nahe an das durchfließende
Medium. Ein weiteres Elektrodenpaar 21, 22 ist
in Fließrichtung abwärts in gleicher Weise vorgesehen.
Alternativ kann dieses Elektrodenpaar um die Fließ-Achse verdreht
angeordnet sein, sodass es quer zum ersten Elektrodenpaar liegt,
oder insbesondere im rechten Winkel dazu. EinlassStutzen 41 und
AuslassStutzen 42 sind zur Abschirmung aus Metall.
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Rechteck-Oszillator 3 ist
mit Sendeelektrode 11 verbunden. Inverter 4 erzeugt
eine gegenphasige Wechselspannung und ist mit Elektode 21 verbunden.
Empfangselektroden 21 und 22 sind miteinander
und mit dem Eingang des Verstärkers 5 verbunden.
Bei homogenem Medium resultiert eine gleich starke Kopplung von
Eletroden 11 und 12, sodass empfangsseitig eine
Auslöschung der Signale erfolgt, wohungegen bei Eintritt
einer Luftblase 44 sich zuerst die Kopplung von Oszillator 3 und
dann die Kopplung vom Inverter 4 verringert. Das nach Verstärker 5 resultierende
Signal wird im getakteten Gleichrichter 6 nach seiner Amplitude
gleichgerichtet, wobei je nach Phasenlage ein positives oder negatives
Amplitudensignal 50 resultiert. Der Umschalter 6 des
getakteten Gleichrichters ist zur Synchronisation mit dem Sender-Oszillator
verbunden. Das resultierende Amplitudensignal 50 wird hinter
dem Verstärker 51 im Hochpass 52 von
Offset-Anteilen getrennt, sodass nur Änderungen weitergeleitet
werden. Wenn diese Änderungen eine definierte Schwelle überschreiten,
schaltet die daran angeschlossene Schwellwertschaltung 53 und
meldet durch den entstehenden Impuls an ihrem Ausgang 54 das
Vorhandensein der Luftblase 44.
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2 zeigt
an einem Ausführungsbeispiel eine Teilansicht eines Elektrodenpaares
mit elektrischen Feldern.
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Die
Messung basiert hierbei aus Messung der Kapazität zwischen
Elektrode 11 und 12. Insofern bilden diese Elektroden
einen Kondensator mit einem elektrischen Feld 33. Die entstehenden
Feldlinien des Elektrodenpaares verlaufen mit einer wesentlichen
Komponente quer zur Fließrichtung des Mediums. Damit möglichst
kleine Inhomogenitäten gemessen werden können,
ist die Ausdehnung des Feldes 33 möglichst klein,
wozu die Stirnflächen 61, 62, der Elektroden 11 und 12 klein
sind. Es ist vorteilhaft, wenn die Feldstärke längs
der Fließrichtung start variiert, insbesondere örtlich
möglichst eingegrenzt ist. Hiermit können höhere
Frequenz-Anteile im Amplitudensignal entstehen. Um dies zu erreichen,
können die Elektroden kleine Stirnflächen im Vergleich
mit der Größe oder Länge des Durchflusskanals
aufweisen. Vorteilhaft ist, wenn die in Fließrichtung gemessene
Größe der Elektroden- Stirnfläche höchstens das
Dreifache des Elektrodenabstandes haben, besonders bewährt
hat sich eine 0,5 bis 2-fache Größe.
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Durch
die kleine Elektrodenfläche resultiert eine sehr kleine
Kapazität. Die insgesamt an den Elektroden auftretende
Kapazität ist jedoch zusätzlich durch die Felder 31 und 32 bestimmt,
welche an den übrigen Seiten der Elektroden und an den
Zuleitungen zwangsläufig auftreten und eine wesentlich höhere
Kapazität bilden. Diese drängt die kleine zu messende
Kapazitität 33 in den Hintergrund, sodass deren
Messung mit normalen Mitteln schwierig wäre. Um die Messung
weitgehend auf den kleinen Bereich 33 einzuschränken,
ist die Funktion der Eleltroden getrennt in Sender und Empfänger,
sidass es möglich wird, lediglich die Kopplung zwischen
den Elektroden zu messen. In diesem Beispiel ist die linke Elektrode 11 an
den Oszillator 3 und die rechte Elektrode 12 an den
Eingang des Verstärkers 5 angeschlossen.
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Der
Eingang des Verstärkers 5 kann, muss aber nicht
eine niedrige Impedanz bezogen auf den Scheinwiderstand der Elektrode
aufweisen. Unabhängig von der Eingangs-Impedanz des Verstärkers wirken
die zusätzlichen Kapazitäten am Feld 32 als Spannungsteiler
zur Umgebungs-Masse. Die gemessene Spannung der Empfangselektrode 12 ist
proportional zum Verschiebungsstrom im Feld 33 zwischen
den Elektroden. Die gesamte Kapazität dieser Elektrode 12 ist
viel höher als die des Mess-Kondensators im Feld 33.
Somit ist die an der Empfangselektrode 12 auftretende Spannung
stak vermindert, daher ist auch die Feldstärke ihres Umgebungs-Feldes 32 und
somit ihr störender Einfluss viel kleiner, als wenn die
Kapazität dieser Elektrode auf direktem Wege gemessen würde.
Mit einer niedrigen Impedanz am Eingang des Verstärkers 5 kann
die Eingangsspannung weiter vermindert werden und somit die Messung
weiter vom Feld 32 unabhängig gemacht werden.
Zur Verringerung der Eingangsimpedanz genügt ein zusätzlicher
Kondensator 55 am Eingang, dessen Gegenpol mit Masse verbunden
ist oder als Gegenkopplungszweig wirkend mit einen invertierenden
Verstärkerausgang verbunden ist.
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3 zeigt
beispielhaft einen zeitlichen Ablauf der Signale beim Durchfluss
einer Inhomogenität durch die Anordnung der 1.
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61a ist
ein auf Zeitachse t aufgetragener Ablauf des Amplitudensignals 50 aus
Gleichrichter 6, wie er beim Eintritt einer Luftblase entsteht.
Zunächst entsteht beim Passieren des oberen Elektrodenpaares 11, 12 ein
negatives Amplitudensignal, weil die positive Koppleung abgeschwächt
wird, danach umgelehrt ein positives.
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60a zeigt
das nach dem Hochpass 52 resultierende differenzierte Signal;
es weist in beide Richtungen Maxima auf. Das positive Maximum kann
vorteilhaft durch Schwellwertvergleich mit der Schwelle 64a zum
Auslösen eines Schaltimpulses 70a benutzt werden.
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DIe
entsprechenden mit b indizierten Kurven gelten beim Eintreten eines
Partikels mit einer Dielektrizitätskonstante größer
als der des Mediums oder mit einer elektrischer Leitfähigkeit
höher als der des Mediums.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können mehrere
Elektroden in einer Querschnittsebene des Durchflusskanals als Array
verteilt oder aufgereiht angeordnet sein. Damit können
die Maxima der einzelnen Teil-Felder auf verschiedene Abschnitte
innerhalb der Querschnittsebene verteilt werden, sodass die Teil-Felder
kleiner sind als der gesamte Querschnitt. Dies ermöglicht
eine Messung noch kleinerer Teilchen oder Inhomogenitäten.
Die Messung der kapazitiven Kopplung einzelner Elektroden kann separat
erfolgt und mehrere resultierende MessSignale in Bezug zueinander
ausgewertet werden, beispielsweise mit einer Oder-Schaltung. Die
separate Messung kann erfolgen, indem Sendesignale verschiedener
Sendeelektroden verschieden markiert werden, beispielsweise zu verschiedenen Zeiten
oder in verschiedenen Frequenzen gesendet werden, und aus dem empfangenen
Signal die Anteile der verschiedenen Sendesignale in einer für
die Sendesignale selektive Empangsschaltung, beispieslweise mittels
Zeit-Multiplexing oder Frequenz-Selektion, voneinander unterschieden
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 1032303
A1 [0002]
- - DE 3822344 [0003]
- - DE 10134517 [0003]