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Messung des Flüssigkeitsinhalts von Behältern mittels Kondensator
Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßkondensator zur Anzeige des Flüssigkeitsinhalts
in Behältern mit zwei im Abstand voneinander angeordneten Elektroden und einem Träger
für diese Elektroden zum Eintauchen in ein in einem Behälter befindliches, nicht
gasförmiges dielektrisches Medium. Mittels eines solchen Meßkondensators kann z.
B. der Flüssigkeitsstand in einem Behälter, aber auch Volumen oder Masse des Flüssigkeitsinhalts
im Behälter bestimmt werden.
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Meßkondensatoren dieser Bauart bestehen im allgemeinen aus einem
Paar konzentrisch angeordneter zylindrischer Elektroden. Wenn ein solcher Meßkondensator
in Verbindung mit einem Behälter unregelmäßiger Gestalt benutzt wird, weist die
innere Elektrode allgemein eine sich über die Länge ändernde Breite auf, um unter
Anpassung an die Behälterform einen linearen Ausgang für die Anzeige zu schaffen.
Bei Anwendung einer so profilierten Elektrode wurde es bisher als zweckmäßig erachtet,
eine weitere Elektrode einzuführen, welche die Seitenkanten der profilierten Elektrode
unter Belassung eines kleinen Spaltes begrenzt. Dabei steht die zusätzliche Elektrode
gewöhnlich auf Erdpotential und dient dazu, eine Streuung des elektrostatischen
Feldes an den Seitenkanten zu unterdrücken.
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Infolge von unvermeidlichen Herstellungstoleranzen weichen die Kapazitätscharakteristiken
der in einer Serie hergestellten Meßkondensatoren voneinander teilweise nicht unwesentlich
ab. Es ist jedoch häufig erwünscht, Meßkondensatoren gegeneinander austauschbar
in einer Schaltung zu benutzen, so daß es notwendig ist, die Anfangskapazität eines
Kondensators, d. h. die Kapazität vor Eintauchen in die Flüssigkeit, auf einen vorbestimmten
Wert einzustellen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Meßkondensator der eingangs genannten
Bauart zu schaffen, bei welchem diese Anfangskapazität bei der Herstellung einfach
und exakt auf den vorbestimmten Wert eingestellt werden kann. Gemäß der Erfindung
wird dies dadurch erreicht, daß eine der Elektroden aus einer ersten Lage leitfähigen
Materials besteht, das mit einem Spalt ausgestattet und auf einer Seite eines Isolierträgers
derart aufgebracht ist, daß diese Lage der anderen Elektrode gegenübersteht, daß
eine zweite Lage leitfähigen Materials auf der gegenüberliegenden Seite des Isolierträgers
dicht benachbart zu dem Spalt angeordnet ist und daß eine Anordnung mit getrennten
Verbindungen für jede Elektrode vorgese1,len ist. Die Anbringung der zweiten Lage
leitfähigen Materials dicht benachbart zu dem Spalt ist
herstellungsmäßig sehr einfach
und ermöglicht eine Veränderung bzw. Einstellung der Streuwirkung zwischen den beiden
Elektroden auf besonders einfache Weise, wodurch die Kapazität in dem gewünschten
Sinne vermindert oder erhöht werden kann. Erhöht wird dabei die Kapazität durch
Vergrößerung der wirksamen Oberfläche der anderen Elektrode, während eine Verminderung
der Kapazität durch Unterdrückung des Anteils der Streuung bewirkt wird.
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Die getrennten Verbindungen für jede Elektrode sind vorgesehen, um
das Elektrodenpaar mit der zweiten Lage an einen elektrischen Meßkreis anzuschalten.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Anordnung eine elektrische Verbindung
innerhalb des Kondensators zwischen der ersten und zweiten Lage auf, wobei die zweite
Elektrode durch eine Einrichtung mit dem Meßkreis verbunden ist und die beiden Lagen
mittels einer gemeinsamen Einrichtung mit dem Meßkreis verbunden sind.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung grenzt
eine weitere Elektrode unter Belassung eines schmalen Spaltes an jenen Seitenrand
der zweiten Elektrode an, an welchem eine Unterdrückung des Streufeldes des elektrostatischen
Feldes, das sonst auftreten würde, erforderlich ist, wobei die Anordnung zur Verbindung
mit dem elektrischen Meßkreis eine elektrisch leitende Verbindung innerhalb des
Kondensators zwischen der Elektrode und der zweiten Lage aufweist und jede Elektrode
des Elektrodenpaares mit einem elektrischen Meßkreis verbunden ist und die zweite
Elektrode
und die zweite Lage gemeinsam mit dem Meßkreis verbunden sind.
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Der Spalt kann sich dabei in der ersten Lage in Längsrichtung derselben
und über die gesamte Länge erstrecken. Die Abmessung des Spaltes wird dabei so klein
gewählt, daß die Streuwirkung des elektrostatischen Feldes zwischen den Elektroden
die Wirkung des Spaltes auf den Kapazitätswert des Kondensators ausgleicht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist
der Isolierträger die Gestalt eines Zylinders auf, der die Elektrode umgibt und
die erste und zweite Lage sind auf der inneren bzw. äußeren Oberfläche dieser zylindrischen
Elektroden aufgebracht. Dabei besteht die zweite Elektrode zweckmäßigerweise aus
einer dritten Lage leitfähigen Werkstoffes, der auf der äußeren Oberfläche eines
weiteren aus Isolierwerkstoff bestehenden Zylinders aufgebracht und derart gestaltet
ist, daß sie weniger als die gesamte äußere Oberfläche des Zylinders einnimmt, wobei
die dritte Lage gegenüber der ersten Lage derart angeordnet ist, daß sie einen den
Spalt übergreifenden Abschnitt aufweist.
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Durch Anwendung eines leitfähigen Firnis oder einer metallischen
Besprühung od. dgl. kann Form bzw. Gestalt der Hilfselektrode zum Zweck der Kap
azitätseinstellung leicht geändert werden.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung
zeigt F i g. 1 eine teilweise schaubildliche, teilweise schematische Darstellung
der Hauptbestandteile des erfindungsgemäßen Kondensators und einer Schaltung, in.
welcher er Anwendung finden kann, F i g. 2 einen schematischen Schnitt längs der
Linie A-A gemäß Fig.l, der die Streuung des elektrostatischen Feldes veranschaulicht,
die im Spalt der äußeren aktiven Elektrode bei Abwesenheit der Hilfselektrode auf
der äußeren Oberfläche des äußeren Rohres auftritt, F i g. 3 eine der F i g. 2 ähnliche
schematische Ansicht, welche die Wirkung der Hilfselektrode veranschaulicht, die
in Verbindung mit dem Spalt in der äußeren aktiven Elektrode die Grundlage der vorliegenden
Erfindung bildet, F i g. 4 eine Abwicklung der konzentrischen Rohre des in F i g.
1 dargestellten Kondensators, F i g. 5 eine Abwicklung der äußeren Rohrelektrode
gemäß F i g. 4 in einer abgeänderten Ausfiihrungsform, F -i g. 6 eine schematische
Darstellung der Anwendung der Erfindung auf einen Kondensator, wobei die Profilelektröde
die Gestalt einer Schraube oder Spirale aufweist.
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Gemäß F i g. 1 bis 3 weist der dargestellte Kondensator einen ersten
oder äußeren Zylinder 10 auf, der aus Isoliermaterial besteht. Die innere Oberfläche
des Zylinders 10 weist eine erste leitfähige Schicht 12 auf, die sich im wesentlichen
über die gesamte Höhe des Kondensators erstreckt und gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel
mit einem Längsspalt 14 ausgestattet ist, der sich über die gesamte Länge érstreckt.
Die Schicht 12 bildet die äußere aktive Eiektrode des Kondensators. Die innere aktive
Elektrode weist die Gestalt einer metallischen Schicht 16 auf, die auf der äußeren
Oberfläche eines zweiten zylindrischen Rohres 18 aus Isolierwerkstoff aufgebracht
ist. Das Rohr 18 weist einen kleineren Durchmesser auf als das Rohr 14) und ist
konzentrisch innerhalb
des letzteren angeordnet. Eine weitere oder Schutzelektrode
20 in Form einer weiteren Schicht aus leitfähigem Werkstoff ist auf einem Teil der
äußeren Oberfläche des Rohres 18 aufgebracht. Sie ist durch die Spalte 22 und 24
von der -Elektrode 16 getrennt.
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Aus F i g. 2 ist ersichtlich, daß der Spalt 14 der Elektrode 12 der
inneren aktiven Elektrode 16 gegenüberliegt. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die
Elektrode 12 über eine Verbindungsleitung 28 mit einer Anschlußklemme 26 elektrisch
verbunden ist. In gleicher Weise ist die Elektrode 16 mit der Anschlußldemme 30
über eine Leitung 32 verbunden, und die Elektrode 20 ist mit der Anschlußklemme
34 über eine Leitung 36 verbunden. Mit Ausnahme des Spaltes 14 entspricht die vorbeschriebene
Konstruktion der üblichen Ausbildung.
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Eine typische Schaltung zur Anwendung des Kondensators ist in der
oberen Hälfte der Fig.1 dargestellt. Ein Transformator 38 weist eine Primärwicklung
40 auf, deren Klemmen an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen sind. Die Sekundärwicklung
42 des Transformators weist einen Mittelabgriff 44 auf, welche geerdet ist. Außerdem
ist das erste Ende 46 der Sekundärwicklung mit der Klemme 26 verbunden. Zwischen
den Abgriffen 50 und 52 der anderen Seite der Sekundärwicklung 42 liegt ein Rückausgleichs-Potentiometer
48. Der einen Teil des Potentiometers 48 bildende Schleifer 54 ist mit einem Bezugskondensator
56 verbunden, der seinerseits über eine Verbindung 60 mit dem Eingang eines Verstärlcers
58 verbunden ist. Eine weitere Verbindungsleitung 62 liegt zwischen der Verbindung
60 und der Anschlußklemme 30 des Meßkondensators. Der Eingangskreis des Verstärkers
58 wird durch die Erdverbindung 64 vervollständigt. Der Verstärkerausgang ist zwecks
Speisung eines Motors 66 mit diesem verbunden, dessen Antriebswelle die Einstellung
des Potentiometerschleifers 54 bewirkt. Die Schaltung wird durch eine Verbindung
zwischen Kondensatorklemme 34 und Erde vervollständigt.
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Während des Betriebes stellt der Motor 66 den Schleifer 54 nach unten
ein, bis der durch den Kondensator 56 fließende Strom gleich und entgegengesetzt
gerichtet dem Strom ist, der zwischen den Klemmen 26 und 30 des Meß- oder Eichkondensators
fließt. Eine Änderung der Menge des Strömungsmittels zwischen den Elektroden 12
und 16 bewirkt eine Wiedereinstellung des Schleifers 54 zwecks Herstellung eines
Gleichgewichts der Schaltung.
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Die Konstruktion des Kondensators ist auch aus der F i g. 4 zu ersehen.
Diese Figur ist dadurch entstanden, daß ein Schnitt der beiden Rohre 10 und 18 (F
i g. 1) längs eines gemeinsamen Radius durchgeführt wurde und daß danach eine Abwicklung
erfolgte, so daß die Rohre flach ausgebreitet in par allelen Ebenen liegen. Wo immer
möglich, wurden die gleichen Bezugszeichen in den Fig.1,2 und 3 und ebenfalls in
F i g. 4 benutzt. Der inneren aktiven Elektrode 16 wurde aus Gründen der besseren
Darstellung ein willkürliches Profil verliehen. Aus Zweckrnäßigkeitsgründen wurde
hier der Isolierzylinder 10 weggelassen. Dadurch können die von dem Rohr 10 getragenen
Elektroden deutlicher dargestellt werden.
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Der in der äußeren aktiven Elektrode 12 vorgesehene Spaltt4 (Fig.2)
bewirkt das Auftreten einer beträchtlichen Streuung des elektrostatischen
Feldes
zwischen den Elektroden 12 und 16. Dieses Streufeld ist schematisch durch die Feldlinien
68 angedeutet. Tatsächlich erstreckt sich das Feld durch den Spalt in der Elektrode
12 und durch das Isoliermaterial, welches den Zylinder 10 bildet, worauf es einem
zurückspringenden Pfad folgt, der auf die äußere Oberfläche der Elektrode 12 auftrifft.
Natürlich erreicht ein Teil der Feldlinien die Elektrode 12, ohne daß sie über die
äußere Oberfläche des Zylinders 10 hervortreten. Der größere Anteil des Streu feldes
folgt jedoch einem Pfad, der in Annäherung in der Zeichnung dargestellt ist. Die
resultierende Wirkung besteht darin, daß die Kapazität des Kondensators infolge
der Feldlinien 70, welche die Elektrode 12 nicht erreichen, um einen kleinen Betrag
vermindert wird. Diese Kapazitätsverringerung ist jedoch keineswegs so groß wie
dies infolge der Verminderung der wirksamen Fläche der Elektrode 12 zu erwarten
ist.
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Bei der Herstellung sollten die Elektroden des Kondensators so bemessen
werden, daß, wenn der Kondensator die Herstellungsstufe gemäß F i g. 2 erreicht,
die Gesamtkapazität ohne Fluß zwischen den Elektroden etwas größer ist als die schließlich
erwünschte Kapazität. Es ist klar, daß die Abweichung der tatsächlichen Kapazität
von dem schließlich erwünschten Wert in kleinen Grenzen schwankt, weil die bereits
erwähnten Herstellungstoleranzen unvermeidlich sind. Unter der Annahme, daß es erforderlich
ist, die Kapazität zwecks Erreichung des erwünschten Wertes zu senken, kann die
in den F i g. 3 und 4 dargestellte Anordnung Anwendung finden. Wie aus der Zeichnung
ersichtlich, ist eine Hilfselektrode 72 auf der äußeren Oberfläche des äußeren Zylinders
10 befestigt und elektrisch mittels einer inneren Verbindung 74 an die Schutzelektrode
20 angeschlossen. Wenn der Kondensator in einer der Fig. 1 entsprechenden Schaltung
benutzt wird, wird demgemäß die Hilfselektrode 72 auf Erdpotential gehalten. Die
Wirkung der Hilfselektrode auf das in der Nähe des Spaltes 14 bestehende elektrostatische
Feld ist in Fig.3 veranschaulicht.
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Es ist erkennbar, daß ein beträchtlicher Anteil des Feldes, der vorher
den Weg über die äußere aktive Elektrode 12 fand, nunmehr nach der Hilfselektrode
72 abgelenkt wird. Dies dient dazu, die zwischen den Elektroden 12 und 16 bestehende
Kapazität zu vermindern, was zur Folge hat, daß auch die zwischen den Klemmen 26
und 30 (Fig. 1) bestehende Kapazität erniedrigt wird.
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Wie aus F i g. 4 ersichtlich, besteht eine bevorzugte Anordnung darin,
einen schmalen Streifen 76 auf die Außenseite des Zylinders 10 (in der Zeichnung
nicht dargestellt) dicht benachbart und parallel zu dem Spalt 14 aufzubringen. Dieser
Streifen kann auf die Oberfläche des Zylinders 10 mittels eines leitfähigen Firnis
oder unter Verwendung eines metallischen Sprühmittels aufgebracht werden, welches
über eine geeignet geformte Abdeckung aufgespritzt wird. Das spezielle Verfahren
zur Herstellung einer metallischen oder leitfähigen Schicht bildet für sich nicht
den Gegenstand der Erfindung. Wenn der Streifen 76 auf der äußeren Oberfläche des
Zylinders 10 aufgebracht ist, ist er so angeordnet, daß er keine Wirkung auf die
Streuung in der Nähe des Spaltes 14 hat. Jetzt kann der Kondensator an einen Eich-Stromkreis
angeschlossen werden, von welchem die Grundelemente in F i g. l dargestellt sind.
Die Bedienungsperson be-
stimmt dann den Betrag der erforderlichen Einstellung, durch
welchen die ursprüngliche Kapazität des Kondensators auf den erwünschten Wert gebracht
werden kann. Es wird dann die Kapazität dadurch stufenweise herabgesetzt, daß horizontal
oder seitlich angebrachte Elektrodenansätze 78 angeordnet werden. Ein geeigneter
Weg zur Hinzufügung dieser Ansätze der Elektrode 76 besteht darin, einen leitfähigen
Firnis anzuwenden, der nur aufgebürstet wird. Jeder der Ansätze78 beeinflußt das
elektrostatische Feld wie in Verbindung mit F i g. 3 beschrieben. Als Ergebnis wird
eine Änderung der Gestalt und Anordnung der Hilfselektrode gegenüber dem Spalt 14
erlangt.
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Aus F i g. 4 ist ersichtlich, daß die Ansätze 78 auf der einen Seite
des Spaltes zahlreicher und dichter liegend angeordnet sind als auf der anderen
Seite.
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Die Dichte der Einstellansätze 78 entspricht, wie ersichtlich, der
Breite der aktiven Elektrodel6. Der Grund dafür ergibt sich aus folgendem: Wenn
die Ansätze gleichmäßig verteilt würden, dann würde bewirkt, daß die Kapazität des
Kondensators gleichmäßig über seine Länge hin abnimmt. Dies hätte zur Folge, daß
die proportionale Abhängigkeit, welche zwischen den verschiedenen Breiten der inneren
aktiven Elektrode 16 besteht, geändert wird.
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Diese Änderung der Proportionalität ist vom Standpunkt der Meßgenauigkeit
und Austauschbarkeit unerwünscht. Deshalb wird versucht, die proportionale Abhängigkeit
aufrechtzuerhalten, wenn der größere Anteil der Einstellung sich auf jene Flächen
konzentriert, welche durch einen breiteren Abschnitt der profilierten Elektrode
gebildet werden. Natürlich ist dies im Endeffekt nur eine Annäherung, und sie kann
vernachlässigt werden, wenn die so eingeführten Fehler als unbedeutend anzusehen
sind.
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Anstatt zusätzliches Material zwecks Erzeugung der Ansätze 78 hinzuzufügen,
ist es auch möglich, anfänglich die Hilfselektrode 76 derart zu gestalten, daß sie
den Spalt 14 vollständig bedeckt. Daraufhin wird die Einstellung dadurch bewirkt,
daß das Material geeigneten Stellen weggenommen wird. Es kann entweder ein leitfähiger
Firnis oder eine metallische Sprühschicht manuell entfernt werden.
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Die Benutzung horizontaler Ansätze gemäß F i g. 4 wird durch Zweckmäßigkeitsgründe
bestimmt. Es ist jedoch bei der Anwendung der Erfindung nicht erforderlich, eine
Beschränkung auf diese Art der Ausgestaltung zu treffen. Statt dessen kann auch
die in Fig. 5 veranschaulichte kontinuierliche Einstellung Anwendung finden. Der
Anteil, welcher die Einstellung bewirkt, erscheint auf der rechten Seite der strichpunktierten
Linien 80. Fig. 5 veranschaulicht außerdem eine Abwandlung der Erfindung, wobei
es Aufgabe der Hilfselektrode ist, die Kapazität zu erhöhen, statt diese zu vermindern.
Hinsichtlich der Schaltung unterscheidet sich diese Anordnung von dem vorstehend
beschriebenen Kondensator dadurch, daß die Hilfselektrode 76 jetzt mit der Innenseite
der äußeren aktiven Elektrode 12 verbunden ist, anstatt, wie bei dem vorerwähnten
Ausführungsbeispiel, mit der Schutzelektrode (vergleiche hierzu die Verbindung82).
In Betrieb bewirkt die Hilfselektrode 76 nunmehr ein Einfangen der elektrostatischen
Feldlinien, die in F i g. 2 mit dem Bezugszeichen 70 versehen wurden und bisher
verlorengingen. Es ist jedoch erforderlich, den größeren Teil der Einstellung
in
jene Räume zu verlegen, in denen die Profilbreite am größten ist, um die Proportionalität
zwischen den verschiedenen Abschnitten der Elektrode 16 aufrechtzuerhalten.
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Es wurde bei der vorerwähnten Diskussion angenommen, daß die profilierte
Elektrode in Längsrichtung auf dem Rohr 18 aufgebracht ist. Es ist jedoch gelegentlich
erwünscht, diese Elektrode in Form einer in F i g. 6 veranschaulichten Spirale aufzubringen.
Der Spalt in der äußeren aktiven Elektrode kann dann mit der spiralförmig profilierten
Elektrode zusammenwirken, wie durch die strichlierten Linien 84 veranschaulicht.
Es muß jedoch beachtet werden, daß die Einstellung auf die Bereiche beschränkt ist,
in welchen eine Üb erl appung eintritt und die mit 86, 88 und 90 bezeichnet sind.
Hierdurch wird natürlich eine gewisse Störung in die Profilcharakteristik der inneren
aktiven Elektrode eingeführt. Es ist jedoch möglich, einen Teil dieser Störung zu
mildern, indem die profilierte Fläche in der Nähe der Überlappungsbereiche in der
gleichen Zone hiermit vergrößert wird.
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Es wurde noch kein Versuch unternommen, die genaue Größe des Spaltes
in der äußeren aktiven Elektrode zu spezifizieren. Theoretisch kann der Spalt jede
Ausbildung haben, aber in der Praxis ist es erwünscht, ihn so klein als möglich
zu halten in Übereinstimmung mit dem erforderlichen Einstellbereich. Die Wirkung
eines größeren Spaltes ist die, daß er ein Anwachsen der gesamten physikalischen
Größe des Kondensators für jeden gegebenen anfänglichen Kapazitätswert erfordert.
In der Praxis hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Spalt genügend klein zu
wählen, damit die Streuwirkung bei Abwesenheit der Hilfselektrode im wesentlichen
die Wirkung des Spaltes auf die Kapazität des Kondensators neutralisiert.
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Es können zahlreiche Abänderungen und Ausgestaltungen getroffen werden,
ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es kann z. B. mehr als ein Spalt in
der äußeren Elektrode vorgesehen werden und derartige Spalte können an Zwischenabschnitten
in der Elektrode vorgesehen werden, ohne daß sich diese über die Gesamtlänge erstrecken.
Die Elektroden können selbsttragend sein, anstatt auf einem Isolierträger angeordnet
zu sein. Die Stellung des Spaltes relativ zu der Profilelektrode kann geändert werden
insoweit, als er wenigstens einem Teil davon gegenüberliegt. Das zusätzliche leitfähige
Material, welches bei der Einstellung, welche die verschiedenen Ausführungsbeispiele
erfordern, hinzugefügt wird, kann unter Zuhilfenahme geeigneter Masken aufgespritzt
werden.
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Aus Gründen einer vollständigen Offenbarung soll erwähnt werden,
daß als geeignetes Sprühmittel zur Erzeugung einer metallischen Silberschicht eine
Silbernitratlösung in Verbindung mit einer reduzierenden Lösung benutzt werden kann.
Diese Lösungen können gleichzeitig mit einer Doppelsprühdüse aufgebracht werden.
Ein leitfähiger Firnis bzw. Lack kann aus gleichen Gewichtsteilen Eirnis bzw. Lack
und Silberschupp-Pulver bestehen. Bei der Verwendung von Lack kann eine gewisse
Trocknung in einem Trockenofen erforderlich sein.
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Die inneren Verbindungen 74 und 82 in dem Kondensator dienen zur
Verminderung der bei der vervollständigten Baueinheit erforderlichen Verbindungen.
Die Art und Weise, in welcher die Verbin-
dungen tatsächlich hergestellt werden,
ist dam Fachmann geläufig.
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Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel
beschränkt, sondern umfaßt alle Ausgestaltungen im Rahmen der Ansprüche.