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Meßkondensator zum Bestimmen des Wassergehaltes von Schüttgut Die
vorliegende Erfindung betrifft einen MeS kondensator zur Bestimmung des Wassergehaltes
bei vorgegebenen Gewichtsmengen von gleichartigen Schüttgütern unterschiedlichen
Schüttvolumens.
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Es ist an sich bekannt, den Wassergehalt von Schüttgut der verschiedensten
Art durch die Ermittlung der Kapazität eines Meßkondensators zu bestimmen, indem
das Schüttgut als Dielektrikum eingebracht wird. Derartige Bestimmungen sind besonders
wichtig bei der Ernährung dienenden Schüttgütern, wie z. B. Getreidearten aller
Art, Hülsenfrüchten u. dgl. m., da der Wassergehalt nicht nur für den Preis, sondern
unter anderem für die Lagerfähigkeit derartiger Schüttgüter von Bedeutung ist. Daher
muß beispielsweise auch ein Einkäufer in der Lage sein, mittels eines einfachen
aber zuverlässigen Gerätes den Wassergehalt möglichst genau zu bestimmen. Ein derartiges
Meßgerät ist auch für derartige Schüttgüter verarbeitende Betriebe von Bedeutung,
wenn es gilt, den Feuchtigkeitsgehalt vor der Verarbeitung auf einen bestimmten
Wert einzustellen.
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Je nach der betreffenden Sorte und den Wachstumsbedingungen des betreffenden
Körnergutes oder der Hülsenfrüchte ergeben sich bei in Prozent Wassergehalt geeichten
Instrumenten, deren Meßkondensatoren jeweils mit einer vorgegebenen, stets gleichbleibenden
Gewichtsmenge des zu messenden Schüttgutes beschickt werden, teilweise erhebliche
Meßabweichungen, die - wie man weiß - durch die verschiedenen Schüttvolumina der
zur Messung gelangenden Schüttgüter gleicher Kategorie bedingt sind.
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Man weiß, daß das Verhältnis der Dielektrizitätskonstanten von Schüttgütern
gleicher Kategorie keineswegs gleich, sondern etwa umgekehrt proportional den Verhältnissen
der entsprechenden Schüttvolumina angepaßt ist, weshalb bei hohen Genauigkeitsanforderungen
besondere Korrekturwerte durch besondere Messungen und Rechnungen ermittelt werden
müssen, was recht zeitraubend ist.
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Ziel und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, derartige Hilfsmessungen
und Rechnungen überflüssig zu machen und eine selbsttätige Kompensation des Schüttvolumeneinflusses
auf das Meßergebnis zu erzielen, so daß es innerhalb von vorgegebenen Fehlergrenzen
bleibt.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei dem Kondensator,
der vorzugsweise als Zylinderkondensator ausgebildet ist, an mindestens einer Elektrode
unterhalb der durch die geringstmögliche Schütthöhe gegebenen Horizontalebenen ein
Flachenanteil beliebiger Form ausgespart ist, der gleich ist einem Rechteck, das
sich über die gesamte Breite bzw. über den gesamten Umfang der Elektrode erstreckt,
und dessen Höhe H durch die Gleichung H= ht l)-h2(e2- (E1 - 1) e1 -bestimmt ist,
in der hl und h2 die unterschiedlichen Füllhöhen für die gleichbIeibenden Einwaagen
und £t und £2 deren unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten sind.
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Die theoretischen und rechnerischen Grundlagen für die Entwicklung
des Meßgerätes gemäß der Erfindung beruhen auf den nachstehenden Überlegungen, wobei
der Einfachheit halber von einem quaderförmigen Meßkondensator ausgegangen wird,
an dessen Stelle selbstverständlich ohne weiteres auch ein zylinderringförmiger
Kondensator treten kann.
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Ein quaderförmiger Meßkondensator mit zwei parallelen, einander im
Abstand dgegenüberliegenden Belägen, deren Breiteb und deren Höhe I sei, hat leer
die Kapazität C = b # l # #0/d , wobei £0 die Dielektrizitätskonstante der Luft
sei.
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Setzt man - wie dies üblicherweise geschieht -an Stelle des Bruches
- die Bezeichnung k ein, so d ergibt sich für die Kapazität des Meßkondensators
C k b 1.
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Wenn dieser Meßkondensator bis zur Höhe h mit einem Meßgut von der
Dielektrizitätskonstanten E gefüllt wird, so erhöht sich die Kapazität des Meßkondensators
auf den Wert c = k b [h (F l)$!J.
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Wird in diesem Meßkondensator unterhalb der Horizontalebene der jeweils
niedrigsten Schütthöhe die vertikale Länge der Beläge im Bereich des Meßgutes mit
der Dielektrizitätskonstanten E um den Betrag x vermindert, so wird die Kapazität
des Meßkondensators C = k b [lt ( - 1)+ I -oder - nach entsprechender Umstellung
innerhalb der eckigen Klammer -: C = k b b fr (h - x) + 1 - h].
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Nun ergibt sich für die gleiche Gewichtsmenge von Meßgütem mit gleichem
prozentualem Wassergehalt, aber voneinander verschiedenem Schüttvolumen eine verschieden
große Schütthöhe h, wobei das Verhältnis der verschiedenen Schüttvolumina und daher
der Schütthöhen h etwa umgekehrt proportional ist den Dielektrizitätskonstanten
dieser verschiedenen Meßgüter gleicher Kategorie.
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Da das Meßgut mit geringerem Schüttvolumen eine größere Dichte aufweist,
wird auch dessen Dielektrizitätskonstante größer. Diese Zunahme ist aber wie wie
umfangreiche Messungen erwiesen haben - keineswegs genau proportional der Abnahme
der Schütthöhe.
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Um nun diese die Erzielung exakter Meßwerte störenden, einander entgegenstehenden
Faktoren auszuschalten, muß, um bei gleichem prozentualem Wassergehalt das gleiche
Meßresultat zu erhalten, die Kapazität des Meßkondensators in beiden Fällen gleich
groß sein. Versieht man die entsprechenden Werte, die sich auf das eine Meßgut beziehen,
mit dem Index 1 und die sich auf das andere Meßgut der gleichen Kategorie beziehenden
Werte mit dem Index 2, so ergibt sich aus dem vorstehend Gesagten, daß für die Erzielung
einer selbsttätigen Kompensation des Meßgerätes C1 = C2 sein muß.
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Damit ergibt sich also für ein Meßgerät mit selbsttätiger Kompensation
der verschiedenen Schüttvolumina die Gleichung kl - (El 1 - x = h2'(E2 - 1) $ 1
- x F2.
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Aus dieser Gleichung errechnet sich für den Wert x, um den die Kondensatorbeläge
in der Höhe verkürzt werden müssen, h1 # (#1 - 1) - h2 # (#2 - 1) x = .
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#1 - #2 Erfindungsgemäß muß also bei einem quaderförmigen Meßkondensator,
dessen Beläge die Breite b und die Höhe h haben, bei mindestens einem der Beläge
unterhalb der Horizontalen, die der niedrigsten Schütthöhe eines Schüttgutes der
betreffenden Kategorie entspricht, eine Fläche von der Größe x b ausgespart sein,
wobei es gleichgültig ist, welche Form diese Fläche aufweist.
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Analog liegen die Verhältnisse bei einem Meßkondensator mit zylinderringförmigem
Meßraum.
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Alles Nähere über die Erfindung ergibt sich aus der nachfolgenden
Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung, auf der eine Meßvorrichtung gemäß
der Erfindung mit zylindrischem Meßkondensator in einem Vertikalschnitt mehr oder
minder schematisch dargestellt ist.
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Der Meßbehälter besteht aus dem Metallzylinder 1, der die Außenelektrode
des Meßkondensators bildet.
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Der BodenS des Meßbehälters besteht aus einem Isolierstoff mit kleiner
Dielektrizitätskonstante. Im Innern des Meßbehälters befindet sich koaxial der massive
metallische Innenzylinder 2, der die Innenelektrode des Meßkondensators bildet.
An der unteren Bodenfläche des Innenzylinders 2 ist die stabförmige metallische
Zuleitung7 angebracht, die oberhalb des Meßbehälterbodens 5 von dem den gleichen
Durchmesser wie der Innenzylinder 2 aufweisenden Isolierstoffzylinder 4 umgeben
ist, dessen Höhe für die in Frage kommende Kategorie von Meßgut in der vorstehend
beschriebenen Weise experimentell bestimmt wird. Auf der oberen Bodenfläche des
Innenzylinders 2 befindet sich der als Verteiler für das einzubringende Schüttgut
dienende aus Isolierstoff bestehende Kegel 3, dessen Bodenfläche gleich der oberen
Bodenfläche des Zylinders 2 ist.
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Oberhalb des Meßbehälters und etwa koaxial zu ihm befindet sich der
Fülltrichter6, der durch den Bodenschieber 8 verschlossen ist. Nach Zurückziehen
des Bodenschiebers fällt das zuvor in den Trichter 6 eingefüllte Meßgut in den Meßbehälter.
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Für die Durchführung von Messungen wird jeweils eine vorgegebene und
stets gleichbleibende Gewichtsmenge, beispielsweise 200g, des zu messenden Schüttgutes
in den Meßkondensator eingebracht.
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Zur Erläuterung des Verfahrens sei angenommen, daß zwei verschiedene
Meßgüter A und B verwendet werden, wobei das Meßgut A ein geringes Schüttvolumen
mit der Schütthöhe a aufweist, während bei der gleichen Gewichtsmenge das Schüttgut
B mit größerem Schüttvolumen die größere Schütthöhe b aufweist.
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Da von den beiden angenommenen Schüttgütern gleichen prozentualen
Wassergehaltes das Schüttgut A infolge seines geringeren Schüttvolumens eine höhere
Dielektrizitätskonstante besitzt als das Meßgut B, anderseits aber die wirksame
- d.h. zwischen die Beläge des Meßkondensators zu liegen kommende, allein für die
Messung herangezogene - Schütthöhe a entsprechend kleiner ist als die wirksame Schütthöhe
b des den gleichen prozentualen Wassergehalt, aber ein größeres Schüttvolumen aufweisenden
MeßgutesB, so ist die gemessene Kapazität bei nach den vorangegangenen Anweisungen
»richtig« bemessener Höhe h des Isolierstoffzylinders 4 gleich, wodurch eine von
dem Schüttvolumen des Meßgutes unabhängige und einwandfreie Messung des prozentualen
Wassergehaltes durchgeführt werden kann.
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Wenn man auch im allgemeinen für die verschiedenen Meßgutkategorien
jeweils verschiedene auswechselbare Innenzylinder2/4 verwenden kann, ist es auch
möglich, die Höhe h des Isolierstoffzylinders 4 beispielsweise durch Höhenverstellung
mittels Schraubgewinde od. dgl. veränderbar zu machen, wobei die Höhe h für die
betreffende Schüttgutkategorie mittels einer Kontrollmarke längs einer Skala od.
dgl. eingestellt werden kann. Schließlich
ist es auch möglich, eine
Meßzelle zu verwenden, bei der die Höhe h des Isolierstoffzylinders 4 dem größten
vorkommenden Wert entspricht und die Anpassung an die für das zu messende Schüttgut
erforderliche Höher durch entsprechend gekennzeichnete Einlagekörper vorzunehmen,
die vorzugsweise die gleiche Grundfläche aufweisen wie die Meßzelle, bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel also Zylinderringe sind.
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Selbstverständlich kann zur Verminderung des Streufeldes im Meßkondensator
der Meßkondensator so ausgebildet sein, daß nicht nur ein Belag um eine Fläche von
der Größe h b verringert wird, sondern beide Beläge um jeweils einander gegenüberliegende
kongruente Flächenteile von der Größe h h vermindert werden.
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Um eine möglichst weitgehende Deckung der in einem KapazitätsFeuchtigkeits-Diagramm
verlaufenden Eichkurven zu erzielen, können in mindestens einem der Beläge des Meßkondensators
noch zusätzliche, beispielsweise dreieckige oder trapezförmige Aussparungen angebracht
werden, deren Form und Lage sich mit Hilfe an sich bekannter Annäherungsverfahren
bestimmen läßt.