DE1229743B

DE1229743B - Arrangement for capacitive measurement of the fill level of a container

Info

Publication number: DE1229743B
Application number: DEE26299A
Authority: DE
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1963-02-02
Filing date: 1964-01-28
Publication date: 1966-12-01

Description

Anordnung zur kapazitiven Messung des Füllstandes eines Behälters Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur kapazitiven Messung des Füllstandes eines Behälters mit einer sich im Behälter im wesentlichen senkrecht erstreckenden Meßsonde und mit Einrichtungen zur Messung der durch das Füllgut an dieser Sonde bewirkten Kapazitätsänderungen.Arrangement for capacitive measurement of the fill level of a container The present invention relates to an arrangement for capacitive measurement the fill level of a container with an in the container is essentially perpendicular extending measuring probe and with devices for measuring the through the filling material this probe caused changes in capacitance.

Bei den bisher bekannten Anordnungen dieser Art besteht die Meßsonde im allgemeinen aus zwei koaxialen Rohren, die die beiden Elektroden eines Kondensators bilden. Das äußere Rohr ist auf der unteren Seite offen, damit das Füllgut zwischen die beiden Rohre eindringen kann. Dieses Füllgut verändert entsprechend seiner Höhe im Rohr und seiner Dielektrizitätskonstanten die Kapazität der Sonde. In the previously known arrangements of this type, there is the measuring probe generally made up of two coaxial tubes that form the two electrodes of a capacitor form. The outer tube is open on the lower side, so that the product between the two pipes can penetrate. This filling material changes according to its height in the pipe and its dielectric constant is the capacitance of the probe.

Die Kapazität wird mit Hilfe eines Hochfrequenzgenerators gemessen.The capacity is measured with the help of a high frequency generator.

Zur Vereinfachung der Anzeige kann die Kapazität abgeglichen werden, was meistens in einer Brückenschaltung vorgenommen wird, wobei der Wert der Abgleichgröße entweder in einer elektrischen Größe oder bei entsprechender Eichung direkt in einer Längeneinheit abgelesen werden kann. To simplify the display, the capacity can be adjusted, which is mostly done in a bridge circuit, where the value of the adjustment variable either in an electrical quantity or, with the appropriate calibration, directly in one Unit of length can be read.

Bei den bekannten Meßanordnungen ist das Zuführungskabel zwischen die Meßsonde und die Abgleichbrücke geschaltet. Dies führt aber zu Veränderungen der Meßkapazität, indem die Kabelkapazität parallel zur Meßkapazität zu liegen kommt. Der Vollausschlag der Anzeige muß demnach der jeweiligen Kabellänge angepaßt werden. Außerdem wird die Messung durch Änderungen der Kabelkapazität infolge Alterung und Temperaturänderungen stark beeinflußt. Ändert sich die Dielektrizitätskonstante des Füllgutes infolge Druck- oder Temperaturänderungen, so geht diese Änderung ebenfalls direkt in die Messung ein. Ebenso kann eine Meßanordnung, die für ein bestimmtes Füllgut eingestellt ist, nicht ohne vorausgehende Messung der Dielektrizitätskonstanten für ein anderes Füllgut verwendet werden.In the known measuring arrangements, the feed cable is between the measuring probe and the balancing bridge are switched. But this leads to changes the measuring capacitance, in that the cable capacitance comes to lie parallel to the measuring capacitance. The full scale of the display must therefore be adapted to the respective cable length. In addition, the measurement is affected by changes in the cable capacitance due to aging and Temperature changes strongly influenced. If the dielectric constant changes of the product as a result of pressure or temperature changes, this change is also possible directly into the measurement. Likewise, a measuring arrangement, which for a certain Medium is set, not without prior measurement of the dielectric constant can be used for another product.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung der eingangs angegebenen Art zu schaffen, bei der die kapazitive Füllstandsmessung weitgehend unabhängig von der Art des Füllgutes ist und bei der Änderungen der Kabelkapazität, der Meßfrequenz und des Verstärkungsgrades selbsttätig ausgeregelt werden. The invention is therefore based on the object of a measuring arrangement to create the type specified above, in which the capacitive level measurement is largely independent of the type of product and changes in the cable capacitance, the measuring frequency and the gain level are automatically adjusted.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß an der Meßsonde ein Kondensator so angebracht ist, daß sein Dielektrikum bei jedem zu messenden Füllstand nur durch das Füllgut gebildet ist, daß die Meßsonde und der Kondensator jeweils in Reihe mit einem Widerstand parallel an eine Hochfrequenzspannungsquelle angeschlossen sind, daß der eine Widerstand zum Abgleich der von der Meßsonde, dem Kondensator und den beiden Widerständen gebildeten Brückenschaltung einstellbar ist und daß der Schleifer des einstellbaren Widerstandes mit einer Füllstandsanzeige verbunden ist. According to the invention, this is achieved in that on the measuring probe a capacitor is attached so that its dielectric is measured at each Level is only formed by the product, that the measuring probe and the capacitor each in series with a resistor in parallel with a high frequency voltage source are connected that the one resistor for balancing the of the measuring probe, the Capacitor and the two resistors formed bridge circuit adjustable is and that the slider of the adjustable resistor with a level indicator connected is.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wirkt sich die Dielektrizitätskonstante des Füllguts auf die beiden kapazitiven Zweige der Brückenschaltung in gleicher Weise aus, so daß sie das Meßergebenis nicht beeinflußt. Das gleiche gilt für Temperaturschwankungen des Füllguts und die Kapazität der Verbindungskabel. Die Anordnung kann daher ohne Nacheichung für unterschiedliche Füllgüter und bei wechselnden Betriebsbedingungen verwendet werden. The dielectric constant has an effect in the arrangement according to the invention of the product to the two capacitive branches of the bridge circuit in the same way So that it does not affect the measurement result. The same goes for temperature fluctuations of the product and the capacity of the connecting cables. The arrangement can therefore without Recalibration for different filling goods and with changing operating conditions be used.

An Hand der Zeichnung wird die Erfindung beispielshalber erläutert. Darin zeigt F i g. 1 ein Prinzipschema der Meßschaltung, F i g. 2 einen Ausschnitt des Schemas nach F i g. 1 mit einer schaltungstechnischen Verbesserung, und F i g. 3 einen Querschnitt durch eine Elektrodenanordnung für die erfindungsgemäße Meßschaltung. The invention is explained by way of example with reference to the drawing. In it, F i g. 1 shows a basic diagram of the measuring circuit, FIG. 2 a section of the scheme according to FIG. 1 with a circuit improvement, and F i G. 3 shows a cross section through an electrode arrangement for the measuring circuit according to the invention.

F i g. 1 zeigt einen Hochfrequenzgenerator G, der über einen Trenntransformator T mit der Meßbrücke verbunden ist. Ein Kondensator C12 stellt die Meßsonde für die Füllstandsmessung in einem Behälter dar, und ein Kondensator C 13 ist der Meßkondensator für die Dielektrizitätskonstante. Diese beiden Kondensatoren sind über abgeschirmte Kabel, deren Abschirmung gestrichelt angedeutet ist, mit der einen Außenklemme der Sekundärwicklung des Transformators T verbunden. Am Ort des Transformators T sind auch zwei Widerstände R10 und R 11 angebracht, die mit einer Klemme an die an Masse liegende Mittelanzapfung der Sekundärwicklung angeschlossen sind, während die andere Klemme des Widerstandes R 10 über ein abgeschirmtes Kabel mit dem Kondensator C 12 und die andere Klemme des Widerstandes R11 mit dem Kondensator C13 verbunden sind. Die beiden Kondensatoren C 12, C 13 und die beiden Widerstände R 10, R 11 bilden zusammen eine Brückenschaltung, an deren Eingangsdiagonale die Spannung 1710 zwischen der einen Außenklemme und der Mittelanzapfung der Sekundärwicklung liegt, Der Verbindungspunkt 11 zwischen dem Widerstand R 10 und dem Kondensator C 12 ist über einen Kompensationskondensator C11 mit der anderen Außenklemme der Sekundärwicklung verbunden, und in entsprechender Weise ist auch der Verbindungspunkt 10 zwischen dem Widerstand R 11 und dem Kondensator C 13 über einen Kompensationskondensator C 14 mit dieser Außenklemme verbunden. F i g. 1 shows a high-frequency generator G via an isolating transformer T is connected to the measuring bridge. A capacitor C12 represents the measuring probe for the Level measurement in a container, and a capacitor C 13 is the measuring capacitor for the dielectric constant. These two capacitors are shielded over Cable, the shielding of which is indicated by dashed lines, with one outer terminal of the Secondary winding of the transformer T connected. At the location of the transformer T are also attached two resistors R10 and R 11, with a clamp connected to the ground lying center tap of the secondary winding are connected, while the other Terminal of resistor R 10 via a shielded cable with to the Capacitor C 12 and the other terminal of resistor R11 to the capacitor C13 are connected. The two capacitors C 12, C 13 and the two resistors R 10, R 11 together form a bridge circuit, on whose input diagonal the Voltage 1710 between one outer terminal and the center tap of the secondary winding The connection point 11 between the resistor R 10 and the capacitor C 12 is connected to the other external terminal of the via a compensation capacitor C11 Secondary winding connected, and in a corresponding manner the connection point is also connected 10 between the resistor R 11 and the capacitor C 13 via a compensation capacitor C 14 connected to this outer terminal.

Der Widerstand R 11 ist mit einem verstellbaren Schleifer versehen. Die Spannung V13 zwischen diesem Schleifer und Masse wird dem einen Eingang eines Differenzverstärkers D10 zugeführt. Diese Spannung ist ein einstellbarer Teil der am Widerstand R 11 abfallenden Spannung, die von der Kapazität des Kondensators C 13 abhängt, die ihrerseits durch die Dielektrizitätskonstante des Füllguts bestimmt ist. Dem anderen Eingang dieses Differenz verstärkers wird die am Widerstand R 10 abfallende Spannung 1711 zugeführt, die von der Kapazität des Kondensators C 12 abhängt, die ihrerseits durch die Höhe des Füllguts im Behälter und die Dielektrizitätskonstante des Füllguts bestimmt ist. The resistor R 11 is provided with an adjustable slider. The voltage V13 between this wiper and ground becomes one input of one Differential amplifier D10 supplied. This voltage is an adjustable part of the voltage drop across resistor R 11, which depends on the capacitance of the capacitor C 13 depends, which in turn is determined by the dielectric constant of the product is. The other input of this differential amplifier is the resistor R 10 falling voltage 1711 supplied by the capacitance of the capacitor C 12 which in turn depends on the height of the product in the container and the dielectric constant of the product is determined.

Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers D 10, das der Differenz zwischen den Spannungen V11 und V13 entspricht, wird in einem Kraftverstärker A 10 verstärkt, dessen Ausgangsspannung einen Stellmotor M 10 -antreibt. Der Stellmotor M10 verstellt den Schleifer des Widerstands R11, bis die Spannungen V11 und V13 gleich groß sind, Die Brückenschaltung befindet sich dann gewissermaßen im Abgleich, wenn man unterstellt, daß die Nulldiagonale zwischen dem Schleifer und dem Punkt 11 liegt. Die Stellung des Schleifers ist dann ein Maß für den Füllstand des Behälters, der mittels einer geeigneten Anzeige direkt abgelesen werden kann. Diese Anzeige des Füllstands ist unabhängig von der Dielektrizitätskonstante des Füllguts, da sich diese auf die beiden die Kondensatoren C 12 und C 13 enthaltenden Brükkenzweige in gleicher Weise auswirkt, Das gleiche gilt für die Kapazität der Verbindungskabel, die in den beiden kapazitiven Brückenzweigen stets gleich ist. The output signal of the differential amplifier D 10, that of the difference corresponds to between the voltages V11 and V13, in a force amplifier A 10 amplified, the output voltage of which drives a servomotor M 10. The servomotor M10 adjusts the wiper of the resistor R11 until the voltages V11 and V13 are of the same size, the bridge circuit is then to a certain extent in alignment, if one assumes that the zero diagonal between the grinder and the point 11 lies. The position of the grinder is then a measure of the level of the container, which can be read directly from a suitable display. This display the level is independent of the dielectric constant of the product, there these on the two bridge branches containing the capacitors C 12 and C 13 affects in the same way, the same applies to the capacity of the connecting cables, which is always the same in the two capacitive bridge branches.

Die beiden -Meßkondensatoren C12 und C 13 werden mit den Kompensationskondensatoren C 11 und C 14 derart abgeglichen, daß bei leerem Behälter die Anzeige des Schleifers des Widerstandes R 11 Null ist. The two measuring capacitors C12 and C 13 are connected to the compensation capacitors C 11 and C 14 matched in such a way that when the container is empty, the display of the grinder of the resistance R 11 is zero.

Werden die beiden Meßkondensatoren C 12 und C13 in der gleichen Meßsonde angeordnet, so entsteht durch die notwendigen Durchführungen eine schädliche Kapazität zwischen den Punkten 10 und 11, die sich auf das Meßergebenis auswirkt, weil die Punkte 10 und 11 auch bei Abgleich der Brücke gewöhnlich auf verschiedenen Potentialen liegen. If the two measuring capacitors C 12 and C13 are in the same measuring probe arranged, the necessary bushings create a harmful capacity between points 10 and 11, which affects the measurement result because the Points 10 and 11 usually at different potentials even when the bridge is balanced lie.

Dieser Nachteil wird bei der Schaltung von Fig.2 vermieden, in welcher die Teile C21, C22, R 20, R21, D20, A 20, M20 den Teilen C12, C13, R 10, R11JD10,A10,M10 von Fig. 1 entsprechen. In Fig.2 ist aber der Schleifer des Widerstands R 21 mit Masse verbunden, so daß er den einen Teil dieses Widerstandes kurzschließt, und dem entsprechenden Eingang des Differenzverstärkers D 20 wird der ganze Spannungsabfall am Widerstand R 21 zugeführt. Der Abgleich erfolgt also in diesem Fall durch Veränderung des Widerstandswerts des Widerstands R 21, und man erkennt, daß im Abgleich die schädliche Kapazität zwischen zwei Punkten angeschlossen ist, die auf gleichem Potential liegen.This disadvantage is avoided in the circuit of FIG parts C21, C22, R 20, R21, D20, A 20, M20 parts C12, C13, R 10, R11JD10, A10, M10 of Fig. 1 correspond. In Figure 2, however, the wiper of the resistor R 21 is with Ground connected so that he has one part of this Resistance shorts, and that corresponding input of the differential amplifier D 20 is the entire voltage drop fed to resistor R 21. In this case, the comparison is made by means of a change of the resistance value of the resistor R 21, and it can be seen that in the adjustment the harmful capacity is connected between two points that are at the same potential lie.

Fig. 3 zeigt den mechanischen Aufbau der Meßsonde mit den beiden Meßkondensatoren C 12 und C13 von Fig. 1. Der zur Messung des Füllstandes vorgesehene Kondensator C 12 ist durch die koaxial ineinanderliegenden Rohre 36 und 37 gebildet. Der Kondensator C 13 zur Messung der Dielektrizitätskonstanten besteht aus den kreisförmigen Platten 43, 44 und 45, die am unteren Ende der Rohre 36 und 37 im Abstand voneinander angebracht sind. Die drei Platten sind unter sich mit isolierenden Distanzstücken 47 und Schrauben 46 so gehalten, daß die äußeren Platten 43 und 45 leitend miteinander verbunden und von der mittleren Platte 44 isoliert sind; Die Platte 43 ist leitend mit dem äußeren Rohr36 verbunden und besitzt ein großes Mittelloch, in welchem die Bodenschlußplatte 50 des inneren Rohres 37 liegt. Die Zuführung zum Kondensator C 13 erfolgt über die Leitung 40 zur mittleren Platte 44. In der Bodenverschlußplatte 50 ist ein Durchführungsisolator 41 vorgesehen. Die Leitung 40 ist bei 42 in Mittelloch 48 der Platte 44 angelötet. Damit kein Kurzschluß zwischen dem Leiter 40 und der Platte 49 auftreten kann, ist diese ebenfalls mit einem Mittelloch 49 versehen. Die Führung des inneren Rohres 37 gegenüber dem äußeren Rohr 36 geschieht mit Zapfen 38 und Durchführungsisolatoren 39. Auf dem Umfang sollten vorteilhafterweise drei solche Füh rungen vorgesehen sein. Die Halterung der Rohre 36 und 37 am Deckel 53 des Behälters erfolgt über ein Distanzstück 52. Die Zentrierung der beiden Rohre wird mit einem Isolierstück 33 vorgenommen, das mit einem Halterungsring 41 befestigt ist. Der elektrische Anschluß des inneren Rohrs 37 erfolgt über den Schraubenkopf 34 einer Schraube 32, die durch eine Mutter 51 über eine Beilagscheibe35 mit dem Ioslierstück 33 verschraubt ist. Die Mittelanzapfung der Sekundärwicklung des Transformators T wird mit dem Halterungsring 31 verbunden, der Anschluß der Meßkapazität C 12 für die Füllstandsmessung erfolgt an der Schraube 32, und der Anschluß der Kapazität C 13 zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstante erfolgt an der Leitung 40. Fig. 3 shows the mechanical structure of the measuring probe with the two Measuring capacitors C 12 and C13 of FIG. 1. The one provided for measuring the level Condenser C 12 is formed by tubes 36 and 37 lying coaxially one inside the other. The capacitor C 13 for measuring the dielectric constant consists of the circular Plates 43, 44 and 45 at the lower end of the tubes 36 and 37 at a distance from each other are appropriate. The three plates are under each other with insulating spacers 47 and screws 46 held so that the outer plates 43 and 45 are conductive with each other connected and isolated from central plate 44; The plate 43 is conductive connected to the outer tube 36 and has a large central hole in which the Bottom closing plate 50 of the inner tube 37 is located. The feed to the condenser C 13 takes place via the line 40 to the middle plate 44. In the bottom closure plate 50, a bushing insulator 41 is provided. The line 40 is at 42 in the center hole 48 of the plate 44 soldered on. So that no short circuit between the conductor 40 and the Plate 49 can occur, this is also provided with a central hole 49. The guidance of the inner tube 37 relative to the outer tube 36 is done with pins 38 and bushing insulators 39. There should advantageously be three such guides may be provided. The mounting of the tubes 36 and 37 on the cover 53 of the container takes place via a spacer 52. The centering of the two tubes is made with an insulating piece 33, which is fastened with a retaining ring 41 is. The electrical connection of the inner tube 37 is made via the screw head 34 a screw 32, which by a nut 51 via a washer 35 with the Ioslierstück 33 is screwed. The center tap of the secondary winding of the transformer T is connected to the retaining ring 31, the connection of the measuring capacitance C 12 for the level measurement takes place at the screw 32, and the connection of the capacitance C 13 for determining the dielectric constant takes place on line 40.

In der durch den Halterungsring 31 und das Isolierstück 33 gebildeten Vertiefung könnte auch ein Dreipolsteckersockel vorgesehen werden. In that formed by the retaining ring 31 and the insulating piece 33 A three-pin plug base could also be provided in the recess.

Claims

Claims: 1. Arrangement for capacitive measurement of the fill level a container with a container extending substantially perpendicularly in the container Measuring probe and with devices for measuring the through the medium on this probe caused changes in capacitance, since you re marked that on the measuring probe (C12) a capacitor (C 13) is attached so that its dielectric is to be measured with each Level is only formed by the product that the measuring probe (C12, C21) and the Capacitor (C13, C22) each in series with a resistor (R10, R20; R11, R21) parallel to a high frequency voltage source (Q, T) connected are that the one resistor (R 11, R 21) for balancing the measuring probe (C 12, C 21) the capacitor (C 13, C 22) and the two resistors (R 10, R 20; R 11, R 21) formed bridge circuit is adjustable and that the slider of the adjustable resistance (R 11, R 21) is connected to a level indicator.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that in the A differential amplifier (D 10, D 20) is connected to the zero diagonal of the bridge in such a way that that it is the difference between the voltage drops (V11, V13) in the two resistor branches the bridge measures.

3. Arrangement according to claim 2, characterized in that the adjustable Resistance (R 11) is a potentiometer and that the zero diagonal of the bridge with connected to the wiper of the potentiometer.

4. Arrangement according to claim 2, characterized in that the grinder of the adjustable resistor (R 21) connected to one end of the resistor is.

5. Arrangement according to one of claims 2 to 4, characterized in that that the output of the differential amplifier (D10, D 20) via a force amplifier (X10, A 20) with a den Controlling the adjustable resistor slider (R11, R Z1) Stelhnotor (M 10, M 20) is connected.

6. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that that the high-frequency voltage source is connected to a high-frequency generator (Q) Contains transformer (T), the secondary winding of which has a center tap, that the input diagonal of the bridge circuit (C12, C 13, R 10, R 11) between the one outer terminal and the center tap of the secondary winding are connected in this way is that one clamps the two resistors (R 10, R 11) with the center tap are connected, and that between the other terminals of each resistor (R 10, R 11) and the other external terminal of the secondary winding each have a compensation capacitor (C 11, C 14) is connected.

7. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that that the measuring probe (C 12) consists of two coaxially arranged vertical hollow tubes (36, 37), and that the capacitor (C 13) from the lower end of the measuring probe (C 12) spaced apart metal plates (43, 44, 45).