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Einrichtung zum Messen einer in einem Kanal, einer Rinne od. dgl.
strömenden Flüssigkeitsmenge Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum
Messen einer in einem Kanal, einer Rinne od. dgl., in welchen Verdrängungskörper
angeordnet sind, strömenden Flüssigkeitsmenge, deren Niveau vor der Verdrängungsstelle
ein Maß für die diese passierende Flüssigkeitsmenge ist, mit einem eine gegen die
Flüssigkeit isolierte Elektrode aufweisenden kapazitiven elektrischen Meßfühler.
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Zur Messung der Strömung in Kanälen oder Rinnen wird in bekannter
Weise im Strömungsverlauf ein Stau vorgesehen und vor dem Stau das Niveau der Flüssigkeit
gemessen, welches ein Maß für die passierende Flüssigkeitsmenge ist. Hierbei gilt
folgender rechnerischer Zusammenhang: Q = kl h$, (1) wobei mit Q die strömende Flüssigkeitsmenge
pro Zeiteinheit, mit kl die für den Kanal bzw. die Rinne, wie z. B. den Venturikanal,
die Thompsonrinne oder die Parshallrinne, charakteristische Konstante, mit h das
Niveau vor dem Stau und mit a der für jede Meßeinrichtung konstante Exponent bezeichnet
ist.
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Es ist bekannt, zur Mengen- bzw. Volumenbestimmung einer in Ruhe
befindlichen Flüssigkeit einen kapazitiven elektrischen Meßfühler zu verwenden.
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Dieser Meßfühler besteht im wesentlichen aus den beiden Elektroden
eines Kondensators, welcher in die Flüssigkeit taucht, wobei die Flüssigkeit das
Dielektrikum dieses Kondensators darstellt. Die Änderung des Flüssigkeitsstandes
bewirkt eine Kapazitätsänderung, die somit ein Maß für den Flüssigkeitsstand ist.
Bekanntermaßen ist die Kapazität eines Kondensators der Fläche der Kondensatorplatten
proportional. Befindet sich die Flüssigkeit in einem gleichförmigen Behälter, so
ändert sich der Flüssigkeitsstand bzw. die vom Meßfühler gemessene Kapazität nach
einer linearen Funktion mit der Flüssigkeitsmenge. Bei einer in einem ungieichförmigen
Behälter befindlichen Flüssigkeit besteht jedoch kein linearer Zusammenhang zwischen
dem Flüssigkeitsstand bzw. der gemessenen Kapazität und der Flüssigkeitsmenge. Um
bei der Mengenmessung einer in einem ungleichförmigen Behälter befindlichen Flüssigkeit
eine Linearisierung der Anzeige zu erhalten, ist es weiterhin bekannt, von einer
berechenbaren Formung der Elektrodenfläche des Fühlers Gebrauch zu machen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einrichtung so zu gestalten,
daß zum Messen einer in einem Kanal, einer Rinne od. dgl. strömenden Flüssigkeitsmenge
ein Meßinstrument mit linearer Skala verwendet werden kann. Liegt an dem Kondensator
des
kapazitiven elektrischen Meßfühlers eine Gleichspannung, so kann die gesamte Menge
der strömenden Flüssigkeit durch Integrieren mit einem einfachen, handelsüblichen
Leistungsmesser bestimmt werden.
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Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß
die Elektrodenfläche des Meßfühlers derart geformt ist, daß sich die Kapazität zwischen
der Fühlerelektrode und der auf Erdpotential liegenden Flüssigkeit bzw. Gegenelektrode
linear mit der Strömungsmenge ändert, wobei die Breite b der Elektrodenfläche durch
die Formel bestimmt ist: b = k - - h( worin b die Breite der Elektrode, k eine vom
Dielektrikum und dem Kanal- oder Rinnentyp abhängige Konstante, a: einen von der
Art der Meßeinrichtung abhängigen konstanten Faktor und h die gesuchte Meßgröße
darstellt.
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Diese Formel errechnet sich wie folgt: Für eine kapazitive Strömungsmessung
gilt Q=k2.C, (2) wobei C die Kapazität des Meßfühlers und Q die Flüssigkeitsmenge
darstellt Aus den Formeln (1) und (2) erhält man C= kl . h . (3) k2
Bezeichnet
man mit A die Fläche jenes Teiles der Kondensatorplatte, die von der Flüssigkeit
bis zur Höhe h bedeckt ist, und mit CO die Kapazität bei einem Flüssigkeitsstand
h = O, so gilt die Gleichung C = C0 + k3 A. (4) Hieraus erhält man A= c0 k3 oder
mit Gleichung (3) A = k, CO. h k2.k3 k3 (5) Geht man davon aus, daß der Rand der
einen Kondensatorplatte vertikal und geradlinig verläuft, so ergibt sich für die
Fläche A folgender Zusammenhang:
wobei b die Breite der Platte bei der Höhe h ist.
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Aus den Gleichungen (5) und (6) erhält man die eingangs erwähnte
Funktion für die Breite b: k1 ks . oc . h = k . o h($- 1) (7) k2 k3 Die gleichen
Zusammenhänge gelten im Prinzip, wenn der vertikale Rand der Platte als schräge
Linie, Kurve oder der ganze Fühler als Rotationskörper gestaltet ist oder wenn der
Fühler aus einem Stab oder einem Draht mit konstantem Querschnitt besteht, det jedoch
so gebogen ist, daß sich die Kapazität des Fühlers linear mit der durchströmenden
Flüssigkeitsmenge ändert.
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Ferner kann der stabförmige Fühler so ausgebildet sein, daß sich
sein Querschnitt über die Höhe derart ändert, daß sich die Kapazität zwischen diesem
und der Gegenelektrode linear mit der Strömungsmenge ändert.
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Ist die strömende Flüssigkeit selbst ein elektrischer Leiter, so
müssen die Meßfühler in bekannter Weise isoliert sein. Hierbei haben sich Isolierungen
aus einem Kunststoff auf der Basis von Fluor als besonders zweckmäßig erwiesen.
So kann die Isolierung aus Polytetrafluoräthylen oder Polytrifinorchloräthylen bestehen.
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Auch Isolierungen aus einem Silikonkunststoffüberzug sind geeignet.
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Der Gegenstand der Erfindung ist an Hand von Ausführungsbeispielen,
die schematisch in den F i g. 1 und 2 der Zeichnung dargestellt sind, näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 A und 1B zwei verschiedene Ausführungsformen eines plattenförmigen
Fühlers für einen Venturikanal, Fig. 1C bis 1F Querschnitte durch Fühlerplatten
für verschiedene Verwendungsmöglichkeiten, Fig. 2A eine Aufsicht eines Venturikanals
und einer Fühlerplatte in schematischer Darstellung, die in dem Kanal bzw. in einem
mit dem Kanal verbundenen Brunnen angeordnet sind, mit den zugehörigen Instrumenten
und F i g. 2 B einen Vertikalschnitt durch den Venturikanal nach Fig. 2A. -Der in
den Fig. 1 A bis 1F dargestellte Fühlen besteht aus einer in F-i g. 1 A gestrichelt
dargestellten Platte 2, welche in einen Isolator 3 konstanter Stärke
eingebettet
ist. Es ist wichtig, daß die Oberfläche des Fühlers, die mit der zu messenden Flüssigkeit
in Berührung kommt, wasserabweisend ist. Hierfür sind Stoffe wie Polytetrafluoräthylen
(Teflon), Polytrifluorchloräthylen (Kel-F) oder Silikone geeignet. Diese Platte
wird vertikal in die zu messende Flüssigkeit gehängt, deren Flüssigkeitsstand h
ein Maß für die strömende Flüssigkeitsmenge Q ist. Wie in den Fig. 1 A und 1 B angedeutet,
ist die Fühlerplatte 2 an ihrem unteren Ende längs der Linie 2 a abgeschnitten,
damit sie gegenüber dem Boden des Kanals ge nügend isoliert ist.
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In den Fig. 2A und 2B ist eine Meßanordnung schematisch dargestellt.
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Der Fühler kann entweder bei la in einen Brunnen 4, der mit dem Kanal
5 verbunden ist, oder bei 1 b in den Kanal selbst eingehängt werden, wobei er beidseitig
vom Wasser bis zur Höhe h (vgl. F i g. 2B) umgeben ist.
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Ist er dagegen bei lc an der Wand des Kanals angebracht, wird praktisch
nur die dem Wasser zugekehrte Seite des Fühlers zur Messung ausgenutzt. Damit zwischen
der Wand und dem Meßfühler zurückbleibendes Wasser oder Verunreinigungen den Meßwert
nicht beeinflussen können, soll diese Seite mit einem Metallschirm 6, welcher in
die Isolierung 3 eingelegt ist, versehen sein, wie in F i g. 1 D veranschaulicht
ist. Hierbei ist die Kapazität zwischen dem Schirm 6 und der Meßplatte 2 konstant
und unabhängig vom Wasserstand.
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Wichtig für die Meßgenauigkeit ist, daß die Stärke der Isolierung
3 konstant ist und daß sich die Kapazität nicht mit der Temperatur ändert. Es kann
daher zweckmäßig sein, die Isolierung aus zwei oder mehreren Schichten verschiedener
Materialien auszuführen, wobei die äußere Schicht wasserabweisend sein soll (vgl.
F i g. 1 E). Hier ist die Meßplatte 2 von einem Isoliermaterial 7 mit geeigneten
dielektrischen Eigenschaften umgeben, welches selbst in ein anderes Isoliermaterial
8 mit wasserabweisenden Eigenschaften eingebettet ist (z. B. in Material aus Polytetrafluoräthylen,
Polytrifluorchloräthylen oder Silikone, beispielsweise in Form einer Folie oder
Lackschicht).
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Wie bereits erwähnt, ist in Fig. 1 F ein Fühler dargestellt, welcher
vorzugsweise an der Wand eines Meßkanals montiert werden kann. Die Platte 2 ist
von einer Isolierschicht 7 mit konstanter Stärke und guten dielektrischen Eigenschaften
umgeben. An der dem Wasser zugekehrten Seite ist die Isolierschicht mit einer wasserabweisenden
Isolierschicht 8 belegt, die den beidseitig angebrachten Schichten bei der Anordnung
nach Fig. 1E entspricht, während die an der Kanalwand angebrachte Seite mit einem
Metallnetz oder Metallblech 6 belegt ist, welche dem Schirm 6 in F i g. 1 D entsprechen.
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Damit der Fühler 1 eine ausreichende mechanische Stabilität besitzt,
sind seine Ränder mit einem Rahmen 9 aus Metall oder einem anderen Material eingefaßt.
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In Fig. 2 A ist die gesamte Meßanordnung im Schema dargestellt. So
ist der Fühler 1 über ein Kabel 10 an einen kapazitiven Niveaumesser 11 bekannter
Bauart anschließbar, der eine lineare Anzeige der durchfließenden Strömungsmenge
gestattet. An diesen kann ein anzeigendes oder schreibendes Instrument 12 sowie
ein integrierendes Instrument 13 angeschlossen werden. Bei der Anordnung nach F
i g. 2
kann das Kabel 10 wahlweise an den Fühler la, 1 b oder lc
angeschlossen werden, je nachdem, welche Messung durchgeführt werden soll.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung bietet viele Vorteile gegenüber
den bisherigen Anordnungen zur Messung von Strömungen in Kanälen und Rinnen, bei
welchen das Niveau in einem Meßbrunnen oder direkt in der Rinne mit Hilfe von Schwimmern
und mechanischer Umformung der Schwimmerbewegung in einen linearen Wert gemessen
wird.
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Neben den geschilderten Vorteilen kann der Fühler, der beispielsweise
als Platte geformt ist, leicht gereinigt werden, er kann beliebig im Kanal, an dessen
Wänden oder in einem Meßbrunnen angeordnet werden. Sämtliche Meßinstrumente können
weit von der eigentlichen Meßstelle entfernt in geschützten Räumen untergebracht
werden. Da die erfindungsgemäße Einrichtung keine beweglichen Fühler od. dgl. aufweist
und das Meßresultat ohne Umformung über ein einfaches elektrisches Kabel über weite
Strecken weitergegeben werden kann, wobei der Meßstrom nur eine Stärke von wenigen
Milliampere hat, ist diese Anordnung wenig störanfällig.
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Als Meßgerät dient ein handelsüblicher kapazitiver Niveaumesser,
der direkt in Strömungsmenge geeicht werden kann. Die gesamte Durchflußmenge kann
in einfacher Weise mit einem Leistungsmesser bestimmt werden, der in den Meßkreis
eingeschaltet wird und über ein Rechenwerk die Menge angibt.
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Eine Einrichtung der erfindungsgemäßen Art kann in einfacher und
kostensparender Weise gefertigt werden, wobei die Unterhaltskosten gering und die
Betriebssicherheit im Vergleich zu konventionellen Instrumenten dieser Art groß
ist.
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Je nach der Dimensionierung des Fühlers können als Meßrinne Venturikanäle,
Thompsonrinnen oder Parshallrinnen verwendet werden.