DE1275777B

DE1275777B - Messverfahren, insbesondere fuer die Fuellstandsmessung

Info

Publication number: DE1275777B
Application number: DE1965V0028423
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Hans Ruediger
Original assignee: Chemische Werke Buna VEB
Current assignee: Chemische Werke Buna VEB
Priority date: 1965-05-11
Filing date: 1965-05-11
Publication date: 1968-08-22

Description

Meßverfahren, insbesondere für die Füllstandsmessung Die Erfindung betrifft ein Meßverfahren auf kapazitiver oder konduktiver Basis, insbesondere für Füllstandsmessungen, unter Verwendung einer von einem Oszillator erzeugten Wechselspannung, die danach verstärkt und gleichgerichtet zur Aussteuerung eines Relais oder Meßgerätes benutzt wird.
Bei Füllstandsmessungen ist eine ausreichende Genauigkeit bei geringer Störanfälligkeit erforderlich, wobei einerseits die Füllstandsmessung solcher Medien, die zu Ansätzen neigen, möglich sein soll und andererseits das Meßergebnis durch elektrische, thermische, mechanische und chemische Einwirkungen auf den Meßfühler nicht beeinflußt werden soll.
Es sind Meßverfahren, insbesondere für die Füllstandsmessung, bekannt, bei denen die Kapazität eines Meßfühlers gegen die Behälterwand in der Weise gemessen wird, daß eine mittels eines HF-Oszillators erzeugte Wechselspannung über einen in das Medium eintauchenden isolierten Meßfühler geleitet, verstärkt und gleichgerichtet zur Aussteuerung eines Relais oder Meßgerätes verwendet wird.
Die Abschirmung der Zuleitung zwischen Meßfühler und Schalt- bzw. Verstärkeranordnung liegt hierbei am Erdpotential.
Bei leerem Behälter besitzt der Meßfühler eine Kapazität C0 gegen Erde; durch die Behälterfüllung erhöht sich die Kapazität um dC. Diese Tatsache wird in einem Schalt- oder Meßgerät für eine Anzeige der Standhöhe weiterverarbeitet. Bei den bekannten Meßeinrichtungen setzt sich die MeßfühlerkapazitätC0 näherungsweise aus zwei Teilen zusammen, und zwar CX, der Kapazität des freien Teiles des Meßfühlers, Cd, der Kapazität der Durchführung durch die Behälterwand.
Ct ist der eigentlich wirksame Teil des Meßfühlers, der bei der Füllung vom Medium umspült wird. Cd ist eine unerwünschte Konstante, die das relative Kapazitätsverhältnis - - c, das für die Co Stabilitätsanforderungen an das Gerät maßgebend ist, verschlechtert.
Bei der konduktiven Messung wird die galvanische Komponente des Mediums verwendet.
Im Leerzustand des Behälters besitzt der Meßfühler gegen die Erde einen Isolationswiderstand; bei der Behälterfüllung durch ein leitfähiges Medium nimmt der Meßfühlerwiderstand entsprechend der Leitfähigkeit des Mediums um einen bestimmten Betrag ab. Dieser Unterschied wird von einem Schaltgerät für eine diskontinuierliche Standanzeige weiterverarbeitet.
Thermische, mechanische und chemische Einflüsse können Cd verändern, der innere Isolationswiderstand kann nachlassen. Cl kann durch einen Belag entlang der Meßfühlerhalterung vergrößert werden, und schließlich kann ein Belag mit Leitfähigkeitskomponente ebenfalls den Isolationswiderstand herabsetzen. Vor allem die beiden letzteren Einflüsse stellen häufig eine Grenze für diese Meßverfahren dar, so daß dann aufwendige Meßverfahren angewandt werden müssen.
Die Grenze wird z. B. erreicht für das kapazitive Verfahren bei pulverförmigen Medien geringer DK und Schüttdichte, z. B. pulverisierten Kunststoffen.
Wenn die relative DK wenig größer ist als 1, so muß das Gerät auf ein sehr geringes dC ansprechen.
In diesem Fall genügt bereits ein geringer Belag vor allem in Verbindung mit etwas Feuchtigkeit (=81), um eine Fehlmeldung auszulösen.
Bei den konduktiven Meßverfahren wird die Grenze dann erreicht, wenn durch ansetzende Medien eine Verschmutzung des Meßfühlers auftritt, so daß dadurch kein definierter Widerstandssprung an dem Meßfühler vorhanden ist.
Die bekannten Meßverfahren haben außerdem eine sehr begrenzte Kabellänge, wenn kein Meßkopf an dem Meßfühler vorhanden ist.
Es sind weiterhin Füllstandsmeßverfahren bekannt, bei denen die Kapazität eines Meßfühlers mittels einer Brückenschaltung gemessen wird. Die Kapazität des Abschirmkabels ist hierbei parallel zur Meßfühlerkapazität geschaltet, was den Nachteil hat, daß die Kapazität des Verbindungskabels zwischen Meßfühler und Schaltungs- bzw. Meßanordnung mit in das Meßergebnis eingeht. Aus diesem Grund muß - wie schon an anderer Stelle erwähnt - die Kabellänge sehr kurz gehalten werden, damit das für eine genaue Messung notwendige relative Kapazitätsverhältnis c optimal bleibt.
Man hat diesen Nachteil dadurch auszugleichen versucht, daß man die nachfolgende Verstärkereinrichtung in der Nähe des Meßfühlers montierte.
In chemischen Betrieben erwächst hieraus jedoch ein wesentlicher Nachteil, weil aggressive Medien, Temperaturemflüsse und der in chemischen Betriebsstätten notwendige Explosionsschutz die Montage elektrischer Verstärkeranordnungen in unmittelbarer Nähe des Meßfühlers nur in Ausnahmefällen zulassen bzw. besondere Schutzmaßnahmen erforderlich sind. Die bekannten Meßverfahren weisen weiterhin den Nachteil auf, daß innere und äußere Veränderungen des Isolationswiderstandes des Meßfühlers, wie sie beispielsweise durch Beläge oder Eindringen von Feuchtigkeit in den Anschlußkopf des Meßfühlers hervorgerufen werden, das Meßergebnis fälschen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren und einen Meßfühler, insbesondere für die Füllstandsmessung, zu entwickeln, bei dem vor allem bei der diskontinuierlichen Messung durch äußere Einwirkungen hervorgerufene Änderungen des Isolationswiderstandes nicht in das Meßergebnis eingehen und Kabellängen zwischen Meßfühler und Meß- bzw. Schaltungsanordnung bis zu 200 m zulässig sind. Durch die Einhaltung eines optimalen relativen Kapazitätsverhältnisses Co soll eine Erwei-C0 terung des Anwendungsbereichs der kapazitiven und konduktiven Meßmethode bei gleichzeitiger Erhöhung der Betriebssicherheit erreicht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Innenleiter eines Abschirmkabels mit dem einen Ende an einen Meßfühler und mit dem anderen Ende an den Eingang eines Verstärkers angeschlossen wird, während die Kabelabschirmung mit dem Nullpotential der aus einem Generator und dem Verstärker bestehenden Schaltungsanordnung erdfrei verbunden ist, und daß die Erdung der Schaltungsanordnung über die heiße Eingangsklemme des Generators erfolgt.
Der Meßfühler zur Durchführung des Meßverfahrens besteht aus einem an den Verstärkereingang angeschlossenen, elektrisch isolierten und an seinem freien Ende verbreiterten oder beispielsweise mit einem Kreuzblech versehenen Metallstab, der von einem nach außen isolierten Metallrohr, das mit dem vom Erdpotential verschiedenen Nullpotential des Verstärkers verbunden ist, umgeben wird.
Die Erfindung soll an Hand des folgenden Ausfülrrungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigt F i g. 1 eine Prinzipschaltung, F i g. 2 ein Ersatzschaltbild.
Die Bezugszeichen haben die Bedeutung: 1 Metallstab, 2 Kreuzblech, 3 Isolierrohr, 4 Metallrohr, 5 Isolierrohr, 6 Flansch, 7 Metallscheibe, 8 Schaltgerät, 8 a Oszillator, 8 b Verstärker mit Relais, 9 Abschirmkabel, 10 Potentiometer, Die von dem Generator G (8a) gelieferte Indikatorwechselspannung wird in die Erde eingespeist, so daß die Erde gegenüber dem Nulleiter des Gerätes auf dem Potential dieser Spannung liegt.
Die Indikatorspannung wird nun über die Erdkapazität C0 des wirksamen Teiles des Meßfühlers, d. h. der aus dem Metallrohr herausragenden Teile 1 und 2 auf den Meßfühler übertragen und über das erdfreie Kabel 9 dem Verstärkereingang zugeführt.
Der Verstärker V (8 b) kann beispielsweise aus einem Transistorverstärker bestehen, dem sich eine Gleichrichteranordnung für die Gleichrichtung der Indikatorspannung anschließt. Durch Vergleich mit einer von der Oszillatorspannung über das Potentiometer 10 direkt abgeleiteten Gleichspannung kann eine Differenzspannung gebildet werden, die über einen Schalttransistor das Relais aussteuert.
Die Frequenz des Oszillators 8 a richtet sich nach dem Verwendungszweck. Soll in erster Linie eine galvanische Komponente des Mediums benutzt werden (konduktive Messung), so läßt sich beispielsweise eine aus einem Trafo gewonnene Spannung von 50Hz verwenden. Damit lassen sich einfache wartungsfreie Schaltgeräte aufbauen, die bei leitfähigen Medien selbst bei stark verschlammten Meßfühlern betriebssicher arbeiten. Für die kapazitive Messung läßt sich beispielsweise ohne größeren Aufwand bei einer Frequenz von etwa 10 KHz eine Empfindlichkeit von etwa 1 bis 2 pF erzielen. Auch hier kann der Geräteaufbau relativ einfach gehalten werden, da es nicht mehr notwendig ist, zwecks Verringerung des Einflusses der Leitfähigkeitskomponente eines Belages die Frequenz stark zu erhöhen.
Soll die Meßmethode für eine kontinuierliche Anzeige benutzt werden, so kann die am Verstärker gebildete Differenzspannung direkt einem Meßgerät zugeführt werden. In diesem Fall sollte man die Oszillatorfrequenz höher wählen, um den Einfluß von Leitfähigkeitsschwankungen zu verringern.
Die Wirkungsweise der Anordnung soll an dem Ersatzschaltbild F i g. 2 näher erläutert werden.
Der Meßfühler besitzt folgende Teilkapazitäten: C2 ist die Kapazität der neutralen Elektrode 4 und 7 gegen die Erde und liegt dem Generator parallel; C, ist die Kapazität des Stabes 1 gegen die neutrale Elektrode 4,7 und liegt dem Verstärkereingang parallel; CO ist die wirksame Meßfühlerkapazität des eigentlichen Meßfühlers 1,2 gegen die Erde und liegt zwischen dem Generator 8 a und dem Verstärker 8 b.
Weiter liegt die Kapazität des Kabelmantels des Abschirmkabels gegen die Erde(CM) dem Generator parallel, die Kapazität der Kabelseele gegen den Mantel (Ck) am Verstärkereingang.
Ein Belag auf dem Meßfühler wird durch die neutrale Elektrode in zwei komplexe Widerstände geteilt, von denen W2 dem Generator, Wl dem Verstärkereingang parallel liegt.
Für die Schaltung des Relais ist die Spannung (Strom) am Verstärkereingang maßgebend. Bei Überschreiten eines einstellbaren Schwellwertes erfolgt die Schaltung. Elektronisch ist es leicht möglich, Generator und Verstärker so niederohmig zu dimensionieren, daß die Parallelwiderstände bei Medien mittlerer und kleiner Leitfähigkeit keinen Einfluß haben.
CM und Ch kann man in Betrieb als konstante Größen ansehen und als Bestandteil von Oszillatorausgang und Verstärkereingang betrachten. Daher ist eine große Kabellänge möglich.
Da außerdem wc- wesentlich größer als die übrigen Widerstände ist, gilt für den Eingangsstrom (mit Ug als Generatorspannung, w als Frequenz) Je Ug WCO, const. Ce.
Die Aussteuerung des Verstärkers ist nur von C0 abhängig. Erst wenn die komplexen Widerstände eines Belages in die Größenordnung der Innenwiderstände kommen, nimmt Je ab. Es erfolgt eine Verstimmung in Richtung der Leeranzeige. Der Belag kann hier nicht zu einer Fehlschaltung führen (Vollmeldung).
Bei Behälterfüllung und überflutetem Meßfühler ergibt sich eine Potentialverteilung zwischen dem Meßfühler 1,2, der neutralen Elektrode 4,7 und der Erde, die eine Zunahme der Teilkapazitäten bzw.
Leitwerte etwa in gleicher Größenordnung bewirkt.
Hierdurch entsteht eine Aufsteuerung des Verstärkers durch die Zunahme von C0 um A C bzw. der Parallelschaltung eines Leitwertes zu C0, solange nicht die Oszillatorspannung fast völlig kurzgeschlossen wird.
Da durch die Anordnung die Durchführungskapazität elektrostatisch ausgeschaltet wird, ist C0 sehr gering und stets ein optimales relatives Kapazitätsverhältnis dC vorhanden. Die Genauigkeitsanforderungen an das Gerät werden dadurch relativ gering.
Innere Veränderungen der Meßfühlerdurchführung und Feuchtigkeit im Anschlußkopf sind unkritisch, da auch hier eine Aufteilung der Widerstände in der beschriebenen Weise erfolgt. Daher kann eine solche Durchführung mit Vorteil auch für kontinuierliche Meßanlagen verwendet werden, obgleich sich in diesem Fall keine ausgesprochene Vergrößerung des Anwendungsbereiches der kapazitiven Meßmethode ergibt wie im Fall der diskontinuierlichen Messung.

Claims

Patentansprüche: 1. Meßverfahren auf kapazitiver oder konduktiver Basis, insbesondere für Füllstandsmessungen, unter Verwendung einer von einem Oszillator erzeugten Wechselspannung, die danach verstärkt und gleichgerichtet zur Aussteuerung eines Relais oder Meßgerätes benutzt wird, d a d u r c h gekennzeichnet, daß der Innenleiter eines Abschirmkabels (9) mit dem einen Ende an einem Meßfühler(1,2) und mit dem anderen Ende an dem Eingang eines Verstärkers (8 b) angeschlossen wird, während die Kabelabschirmung mit dem Nullpotential der aus einem Generator (8 a) und dem Verstärker (8 b) bestehenden Schaltungsanordnung (8) erdfrei verbunden ist, und daß die Erdung der Schaltungsanordnung (8) über die heiße Eingangsklemme des Generators (8a) erfolgt.
2. Meßfühler zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein an den Verstärkereingang angeschlossener, elektrisch isolierter und an seinem freien Ende verbreiterter oder mit einem Kreuzblech (2) versehener Metallstab (1) von einem nach außen isolierten Metallrohr (4), das mit dem vom Erdpotential verschiedenen Nuilpotential des Verstärkers verbunden ist, umgeben wird.

In Betracht gezogene Druckschriften: Graue: »Elektrische Messung nichtelektrischer Größen« (1962), S. 255 bis 266.