DE19528384C2 - Kapazitive Meßeinrichtung zur kontinuierlichen Standregelung für Medien unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten - Google Patents

Kapazitive Meßeinrichtung zur kontinuierlichen Standregelung für Medien unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten

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Description

Die Erfindung betrifft eine kapazitive Meßeinrichtung zur kontinuierlichen Standregelung für Medien unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten, bei der das Prinzip des kapazitiven Spannungsteilers benutzt wird.
So wird in DE 41 31 582 A1 eine kapazitive Füllstandsmeßeinrichtung für Flüssigkeiten oder Schüttgüter in Behältern, Silos oder Bunkern beschrieben, bei welcher die Meßelektrode oder die Schirmelektrode flächig ausgebildet sind, eine dünne Zwischenisolation aufweisen und übereinander liegend mit einer Zwischenisolation auf der Basiselektrode so angeordnet sind, daß zwischen der Meßelektrode und der Basiselektrode eine maximale Feldlinienlänge entsteht.
In der Schrift DD 220 657 A1 eine Schaltungsanordnung zur elektronischen Überwachung des Schmierflüssigkeitspegels beschrieben, bei der der Ausgang eines Hochfrequenzgenerators dem Eingang eines kapazitiven Spannungsteiler zugeführt wird und der kapazitive Spannungsteiler mit einem kapazitiven Sensor und einem Eingang eines Gleichrichters verbunden wird, wobei der Ausgang des Gleichrichters mit einem ersten Eingang eines Komperatorverstärkers, mit einer Vergleichsspannungsquelle und über ein Kalibriernetzwerk mit dem zweiten Eingang des Komperatorverstärkers verbunden ist, und wobei der Ausgang des Komperatorverstärkers gleichzeitig mit dem Eingang des Verstärkers und dem Kalibriernetzwerk verbunden ist. Wie ersichtlich ist diese Anordnung relativ kompliziert und daher sehr aufwendig.
In der Schrift EP 568973 A2 wird ein Niveauschalter erläutert, bei welchem der invertierende Eingang eines positiv und negativ rückgekoppelten Operationsverstärkers mit einer Ringplatte und sein nichtinvertierender Eingang mit einer Elektrode und sein Ausgang über einen Kondensator mit Masse verbunden sind. Eine an Masse angeschlossene Gegenelektrode umgibt ein Ende eines dielektrischen Körpers einer Sonde, in den nahe an dessen anderem Ende eine Ringplatte koaxial eingebaut ist, und am Umfang des Körpers zwischen der Gegenelektrode und der Ringplatte ist eine Schirmelektrode angeordnet, die über einen Kondensator an den Ausgang des Operationsverstärkers angeschlossen ist. Das andere Ende des Körpers ist durch die Elektrode abgeschlossen. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist über ein frequenztiefes Bandfilter, einen Gleichrichter, einen Amplitudenbegrenzer und einen Verstärker, die in Reihe geschaltet sind, an den Ausgang des Niveauschalters angeschlossen. Auch dieser Schalter, mit dem wahrgenommen werden soll, daß die Oberfläche eines in einem Behälter enthaltenden Materials das Niveau der dem Niveauschalter zugehörenden Sonde erreicht hat, ist relativ aufwendig und bewährt sich daher im praktischen Einsatz nicht.
Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte kapazitive Meßeinrichtung zur kontinuierlichen Standregelung für Medien unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten zu schaffen.
Dies gelingt nach der Erfindung mit dem Gegenstand des Anspruches 1. Er bringt den Vorteil, daß eine kapazitive Füllstandsmessung realisiert ist, die auch bei schwankenden Materialparametern im Zusammenwirken mit entsprechenden Stelleinrichtungen für eine kontinuierliche Beschickung oder Entleerung den Füllstand in üblichen Einlauftrichtern, Behältern, Zwischensilos und ähnlichem konstant hält. Der Meßfühler ist technologisch leicht handhabbar, besitzt wenig Einbauvolumen und umfaßt ein großes, definiertes Meßvolumen.
Die Medien können sowohl Flüssigkeiten als auch Schüttgüter sein, vorzugsweise Kunststoffgranulate. Die Messung ist in Zulauftrichtern von Verarbeitungsmaschinen, aber auch in Behältern, Bunkern und Silos einsetzbar und durch die meßtechnische Erfassung großer Volumina unempfindlich gegenüber Inhomonigenitäten der Produkte.
Als Meßfühler empfiehlt sich eine Elektrodenanordnung, die auf einem als Träger dienenden Kunststoffrohr befestigt ist und aus zwei Elektroden besteht, die gegeneinander und nach außen durch auf Nullpotential liegende, kleinere Schirmelektroden abgeschirmt sind.
Das Verhältnis der unteren Elektrodenfläche zu oberen Elektrodenfläche ist bevorzugt 1 zu 2 (oder bei angepaßter Ausführung der nachfolgenden Elektronik auch größer). Bei konzentrischer Anordnung des Meßfühlers im Behälter werden also zwei Meßkapazitäten zwischen Behälterwand und den Elektrodenflächen entstehen, die ebenfalls das Verhältnis 1 zu 2 zueinander haben.
Eine elektronische Auswerteschaltung wird mit Vorteil mit dem Behälter sowie den Elektrodenflächen und Schirmelektroden verbunden. Ein Generator liegt mit seinem "heißen" Ausgang auf dem Behälterpotential, die beiden Elektroden werden dann jeweils über einen Innenleiter zweier Koaxialkabel an den Eingang zweier identischer, linear Wechselspannungsverstärker angeschlossen. Die Zwischenelektroden sind zweckmäßig über die Schirme der Koaxialkabel mit dem "kalten" Nullpotential der Elektronik verbunden.
Damit bilden sich zwischen Behälterwand und den Schirmelektroden, also zwischen höchstem und niedrig­ sten Potential Feldlinien aus, die das Volumen der durch Behälterwand und Elektrode gebildeten Meßkapazität eindeutig begrenzen. Bei einem zylindrischen Behälter und konzentrischer Anordnung der Elektroden stellen die den Meßkapazitäten zugeordneten Meßvolumina Zylinderscheiben dar.
Die Ausgangssignale der linearen Wechselspan­ nungsverstärker werden gleichgerichtet und in nachfol­ genden Schaltungen durch solche Gegenspannungen kompensiert, die den Signalpegeln bei leerem Behälter entsprechen.
Das so gewonnene, im folgenden Uref genannte Si­ gnal hat also bei leerem Behälter den Wert Null und bei gefluteter Elektrode entspricht es
Uref = k . εr
ε: Relative Dielektrizitätskonstante des Materials
k: Konstante, die sich aus dem Wert der Meßkapazität und den Parametern der Elektronik ergibt.
Für das entsprechende Signal der oberen Elektrode, im folgenden UM genannt, gilt entsprechend
UM = 2 . k . εr
Führt man für die Materialbedeckung der oberen Elektrode den Faktor α ein, so gilt für den Fall der variablen Füllhöhe
UM = 2 . k . α . εr
Durch Differenzbildung zwischen UM und Uref in ei­ nem nachgeschalteten Differenzverstärker ergibt sich das Differenzsignal UD zu
UD = UM - Uref = k . εr(1 - 2α)
Für α = ½, also für die halbe Bedeckung der oberen Elektrode, ergibt sich ein Nullwert, unabhängig von Ma­ terialkonstanten. Das Signal UD ist also vom Bedec­ kungsfaktor α linear abhängig. Störend ist in dieser Funktion jedoch der Einfluß von εr auf die Steilheit der linearen Funktion.
Dieser Einfluß kann eliminiert werden, indem in Ab­ hängigkeit vom εr des Materials die Verstärkung der beiden linearen Wechselspannungsverstärker oder die Amplitude des Generators geregelt wird.
Das Signal UD kann durch entsprechende Schaltungs­ stufen in jedes gewünschte Ausgangssignal umgeformt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in der Fig. 1 dargestellt und nachfolgend beschrieben.
Im zylindrischen Teil eines metallischen Behälters 1 ist der isolierende Meßfühlerträger 2 angeordnet. Zwi­ schen der unteren Meßelektrode 3 und der Innenwand des Behälters 1 bildet sich eine Kapazität aus. Diese Kapazität umfaßt als Meßvolumen eine Zylinderscheibe mit dem Innenmaß des Behälters als Durchmesser und den beiden benachbarten Schirmelektroden 5 als Hö­ henbegrenzung.
Analog umfaßt die obere Meßelektrode 4 mit ihrer Kapazität ebenfalls das Volumen einer Zylinderscheibe, wegen des Größenverhältnisses der Elektroden zuein­ ander ist dieses Volumen doppelt groß.
Diese großen Meßvolumina bewirken, daß der größte Teil des sich im Behälter befindenden Produktes für die Messung erfaßt wird und die Messung vom Durch­ schnittswert dieser großen Menge bestimmt wird.
Die äußere Isolation 6 aus elektrisch isolierendem Material ist für die Funktion bei nichtleitenden Füllstof­ fen nicht erforderlich, sie bietet jedoch mechanischen Schutz und gestattet darüber hinaus den Einsatz der Meßeinrichtung auch bei elektrisch leitenden Stoffen, dann übernimmt sie die Funktion des Dielektrikums.
Die Meßelektroden 3 und 4 sind über Koaxialkabel 8 mit den Eingängen der linearen Wechselspannungsver­ stärker 9 verbunden, der Behälter ist an den Ausgang des Generators 7 angeschlossen.
Den linearen Wechselspannungsverstärkern 9 sind Gleichrichter 10 nachgeschaltet.
Das verstärkte und gleichgerichtete Signal der unte­ ren Meßelektrode 3 wird einem Regelverstärker 14 zu­ geführt, der die Amplitude des Generators 7 entspre­ chend dem DK-Wert des Füllgutes steuert.
Die Gleichrichterausgänge werden auf die Eingänge von Gegenspannungsquellen 11 geführt. Diese Gegen­ spannungsquellen 11 werden sinnvollerweise im Leer­ zustand des Behälters eingestellt, damit wird die Meß­ einrichtung auf die Behältergeometrie abgeglichen. Werden z. B. die Gegenspannungen betragsmäßig auf die Werte der Leersignale eingestellt, entsteht ein zum Nullpunkt symmetrisches Ausgangssignal. Andere Ein­ stellungen sind ebenso möglich, um andere Ausgangssi­ gnale zu erhalten.
Die Ausgänge der Gegenspannungsquellen 11 sind auf die Eingänge des Differenzverstärkers 12 geschaltet. Die Zuordnung ist frei wählbar und bestimmt die Polari­ tät des Ausgangssignales.
Die dem Differenzverstärker 12 folgende Ausgangs­ stufe 13 dient der Erzeugung des gewünschten Aus­ gangssignales.

Claims (4)

1. Kapazitive Meßeinrichtung zur kontinuierlichen Standregelung für Medien unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten mit einem analogen Ausgangssignal zur Ansteuerung einer Befüll- oder Entleerungseinrichtung unter Verwendung des Meßprinzips der kapazitiven Spannungsteiler, bei dem
zwei gegeneinander durch auf Nullpotential liegende Schirmelektroden (5) entkoppelte Meßelektroden (3, 4) auf einem isolierenden Meßfühlerträger (2) übereinander angeordnet sind, wobei das Flächenverhältnis der unteren Meßelektrode (3) zu der oberen Meßelektrode (4) mindestens 1 zu 2 beträgt,
beide Meßelektroden (3, 4) über einen an den Behälter (1) angeschlossenen Generator (7) erregt werden und über Koaxialkabel (8) jeweils mit dem Eingang von zwei identischen linearen Wechselspannungsverstärkern (9) mit nachgeschalteten Gleichrichtern (10) verbunden sind,
an den Ausgängen der Gleichrichter (10) zwei identische, bei der Inbetriebnahme im Leerzustand des Behälter (1) zur Kompensation der jeweiligen Leersignale abzugleichende Gegenspannungsquellen (11) angeschlossen sind,
die Ausgänge der Gegenspannungsquellen (11) mit den Eingängen eines Differenzverstärkers (12) verbunden sind und dem Differenzverstärker (12) eine Ausgangsstufe (13) zur Erzeugung des analogen Ausgangssignals nachgeschaltet ist.
2. Kapazitive Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den mit der unteren Elektrode (3) verbundenen Wechselspannungsverstärker (9) mit nachfolgendem Gleichrichter (10) ein Regelverstärker (14) angeschlossen ist, dessen Ausgang auf einen zur Regelung der Amplitude und/oder Frequenz dienenden Eingang des Generators (7) geschaltet ist.
3. Kapazitive Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenverhältnis der unteren Meßelektrode (3) zu der oberen Meßelektrode (4) größer ist als 1 zu 2 und der an die untere Meßelektrode (3) angeschlossene lineare Wechselspannungsverstärker (9) eine um diesen Vergrößerungsfaktor erhöhte Verstärkung gegenüber dem an der oberen Meßelektrode (4) angeschlossenen Verstärker (9) hat.
4. Kapazitive Meßeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektroden (3, 4) und die Schirmelektroden (5) nach außen mit einer Isolation versehen sind.
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