DE2151078B1 - Kapazitives fuellstandsmessgeraet - Google Patents

Description

• Es gibt jedoch Anwendungsfälle in der Praxis, wo die Meßsonden nicht so eingebaut werden können, daß sie ohne Feldverzerrung allseitig von dem Füllgut umgeben sind. Wenn die Meßkondensatoren beispielsweise an einer Wand eines Behälters angebracht sein müssen, kommt es zu Feldverzermngen, und ein großer Teil der Feldlinien verläuft durch die Behälterwand anstatt durch das Füllgut. In solchen Fällen kommt es zu einem unlinearen Zusammenhang zwischen Füllstand und Kapazität, und man erhält außerdem eine im Vergleich zu der sich
• ergebenden Kapazitätsänderung große Anfangskapazität, wodurch die Meßgenauigkeit beeinträchtigt wird.
• Ein solcher Anwendungsfall besteht beispielsweise dann, wenn die Meßkapazität zur Messung des Pegelstandes in einem offenen Gerinne verwendet wird. Bekanntlich besteht für offene Gerinne eine definierte Funktion zwischen momentaner Durchflußmenge und dem Pegelstand, so daß es möglich ist, die Durchflußmenge kapazitiv auf dem Umweg über die Messung des Pegelstandes zu messen. In diesem Fall ist im allgemeinen die Verwendung von frei in das Innere der Rinne ragenden Sonden nicht erwünscht, weil der Einbau schwierig ist und der Durchflußquerschnitt gestört wird. Es wird daher vorgezogen, die kapazitive Meßsonde bündig mit der Wandung des Gerinnes einzubauen, was zu den zuvor angegebenen Erscheinungen führt.
• Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines kapazitiven Füllstandsmeßgerätes der eingangs angegebenen Art, dessen Meßsonde auch bei Einbau in die Wand des Behälters einen linearen Zusammenhang zwischen Füllstand und Kapazität gewährleistet und die theoretisch größte Änderung der Kapazität in Abhängigkeit von dem Füllstand, bezogen auf den Anfangswert ergibt.
• Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß bei Anordnung des Meßkondensators an einer einseitig mit dem Füllgut in Berührung stehenden dielektrischen Wand auf der dem Füllgut abgewandten Seite der ersten Meßelektrode eine Abschirmelektrode angeordnet ist.
• Die erfindungsgemäße Ausbildung ergibt die Wirkung, daß das elektrische Feld zwischen den Meßelektroden ausschließlich durch das Innere des Behälters bzw. das darin befindliche Füllgut geht; dagegen verläuft der durch die Wand des Behälters gehende Teil des Feldes nicht zwischen den beiden Meßelektroden, sondern zwischen der Abschirmelektrode und der zweiten Meßelektrode. Durch Messung der Kapazitätsänderungen ausschließlich zwischen den beiden Meßelektroden ist es daher möglich, den vom Füllgut nicht beeinflußten und gegebenenfalls durch äußere Einflüsse verzerrten Teil des Feldes von der Messung auszuschließen.
• Die gemessene Anfangskapazität entspricht daher ausschließlich dem vom Füllgut beeinflußten nutzbaren Teil des elektrischen Feldes, und die Änderung der Kapazität in Abhängigkeit von Änderungen des Füllstandes entspricht dem theoretisch erreichbaren Höchstwert.
• Die Bestimmung der Kapazitätsänderungen durch Messung eines kapazitiven Wechselstroms erfolgt nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch, daß die erste Meßelektrode und die Abschirmelektrode mit der ersten Klemme einer Wechselstromquelle verbunden sind, daß die zweite Meßelektrode mit der zweiten Klemme der Wechselspannungsquelle verbunden ist und daß ein Wechselstrommeßgerät in die Verbindung zwischen die erste Klemme der Wechselspannungsquelle und die erste Meßelektrode eingefügt ist.
• Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgeräts besteht darin, daß durch Vergrößening der Anzahl der Meßelektroden das Auflösungsvermögen des Meßkondensators wesentlich vergrößert werden kann. Dies geschieht gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstands dadurch, daß mehrere erste Meßelektroden und mehrere zweite Meßelektroden jeweils paarweise nebeneinander angeordnet sind, daß die ersten Meßelektroden einerseits und die zweiten Meßelektroden andererseits elektrisch miteinander verbunden sind und daß jeder ersten Meßelektrode eine Abschirmelektrode zugeordnet ist.
• Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielshalber beschrieben. Es zeigt Fig. 1 ein Diagramm des Zusammenhangs zwischen der Kapazitätsänderung bzw. der Meßstromänderung und der Füllstandsänderung bei einem kapazitiven Füllstandsmeßgerät, F i g. 2 die Anordnung der Elektroden einer Meßsonde für die Messung des Pegelstands in einem offenen Geringe, Fig. 3 einen Schnitt durch den die Elektroden enthaltenden Teil der Wandung der Gerinne mit Darstellung der elektrischen Feldlinien bei fehlender Abschirmelektrode und Fig.4 eine entsprechende Schnittansicht mit Darstellung der elektrischen Feldlinien der erfindungsgemäßen Ausbildung des Füllstandsmeßgeräts.
• Fig. 1 zeigt ein Diagramm der Änderung der Kapazität C bzw. des Meßstroms I bei einem kapazitiven Füllstandsmeßgerät in Abhängigkeit von dem Füllstand, der auf der Abszisse in Prozenten des maximalen Füllstandes aufgetragen ist. Wie zu erkennen ist, hat die Kapazität bei dem Füllstand Null einen von Null verschiedenen Anfangswert Ca, dessen Größe von der Form und Einbauart des Meßkondensators abhängt. Mit steigendem Füllstand ändert sich die Kapazität im wesentlichen linear, und sie erreicht bei einem Füllstand von 1000/o einen Endwerte.
• In gleicher Weise ändert sich der Meßstrom 1 von einem Anfangswert 1a zu einem Endwerte.
• Die Messung des Füllstandes ist offensichtlich um so genauer, je größer der Kapazitätsänderungsbereich Ce-ca bzw. der Stromänderungsbereich Ie-Ia bezogen auf den Anfangswert Ca bzw. 1a ist. Daraus ergibt sich die Forderung, den Meßkondensator so auszubilden, daß sich das elektrische Feld möglichst ausschließlich in dem Raum ausbreitet, in den das Füllgut eintreten kann.
• Fig. 2 zeigt als Beispiel für einen Anwendungsfall, bei dem diese Forderung nur schwierig zu erfüllen ist, die Anordnung des Meßkondensators für die Messung des Pegelstands in einem offenen Gerinne 1. Das Gerinne ist durch zwei Seitenwände 2, 3 und einen Boden 4 gebildet und führt ein fließfähiges Medium 5. Da bei einem solchen offenen Gerinne eine definierte Funktion zwischen momentaner Durchflußmenge und dem Pegelstand besteht, ist es möglich, die Durchflußmenge durch Messung der Füllhöhe zu messen. Um den Durchflußquerschnitt nicht zu stören, zur Vereinfachung der Montage und aus anderen Gründen strebt man an, die Elektroden der kapazitiven Meßsonde bündig mit der Wandung des Gerinnes einzubauen. Deshalb sind zwei streifenförmige Elektroden 6, 7 im Abstand nebeneinander in die Seitenwand2 des Gerinnes 1 eingelassen.
• Fig.3 zeigt einen Schnitt durch den die Elektroden 6, 7 enthaltenden Teil der Seitenwand 2 des Gerinnes mit dem zugehörigen Feldlinienverlauf.
• Wie zu erkennen ist, verlaufen die elektrischen Feldlinien von der Elektrode 6 zur Elektrode 7 zum Teil durch das Innere der Gerinne und das darin befindliche Füllgut und zum anderen Teil durch die Seitenwand 2. Bei der Messung der Kapazität zwischen den Elektroden 6 und 7 geht daher der in der Wand fließende Verschiebestrom mit in die Messung ein, so daß er zu einer großen Anfangskapazität Ca bzw.
• einem großen Anfangs strom 1a beiträgt. Andrerseits wird aber dieser Teil des elektrischen Feldes von den Füllstandsänderungen nicht beeinflußt, so daß insgesamt ein ungünstiges Verhältnis der Kapazitätsänderungen zu der Anfangskapazität erhalten wird.
• Dieser Nachteil ist bei der in F i g. 4 dargestellten Ausbildung des Meßkondensators vermieden. Dieser enthält wieder die in die Seitenwand 2 des Gerinnes eingelassenen streifenförmigen Meßelektroden 6 und 7.
• Zusätzlich ist auf der dem Füllgut abgewandten Seite der Meßelektrode 6 eine Abschirmelektrode 8 angeordnet, die auf dem gleichen Potential wie die Elektrode 6 liegt, so daß zwischen diesen beiden Elektroden kein elektrisches Feld besteht. Wie zu erkennen ist, verlaufen in diesem Fall die elektrischen Feldlinien im Inneren des Gerinnes zwischen den Meßelektroden 6 und 7, während sie in der Wand 2 zwischen der Abschirmelektrode 8 und der Meßelektrode 7 verlaufen. Wenn jetzt die Kapazität zwischen den Meßelektroden 6 und 7 gemessen wird, trägt nur der im Inneren des Gerinnes liegende und zum Teil durch das Füllgut verlaufende Teil des elektrischen Feldes zur gemessenen Kapazität bei.
• Da dieser Teil des elektrischen Feldes vollständig von dem Füllstand beeinflußt wird, erhält man den theoretischen Höchstwert der Kapazitätsänderungen in Abhängigkeit von dem Füllstand, bezogen auf den Anfangswert.
• Die Kapazitätsmessung erfolgt bei dem dargestellten Beispiel dadurch, daß die Abschirmelektrode 8 direkt mit der einen Klemme eines Wechselspannungsgenerators 9 verbunden ist und daß eine Anordnung zur Messung des in der Verbindung zwischen der Meßelektrode 6 und dieser Klemme des Wechselspannungsgenerators 9 fließenden Wechselstroms vorgesehen ist. Diese Meßanordnung ist symbolisch durch ein Wechselstrommeßgerät 10 dargestellt. Die Meßelektrode7 ist an die andere Klemme des Wechselspannungsgenerators 9 angeschlossen.
• Bei der in F i g. 4 gezeigten Anordnung muß der Wechselspannungsgenerator 9 insgesamt den gleichen Strom liefern wie bei der in F i g. 3 gezeigten Elektrodenanordnung ohne Abschirmelektrode. Durch die Verwendung der Abschirmelektrode wird dieser Strom in zwei Teile aufgespalten, von denen der eine Teil zur Meßelektrode 6 fließt und zwischen den Elektroden 6 und 7 ein Feld aufbaut, das sich ausschließlich in das Gerinne hinein ausbreitet, während der andere Teil die Abschirmelektrode 8 so auflädt, daß diese in jedem Zeitpunkt auf dem gleichen Potential wie die Meßelektrode 6 liegt.
• Für die Messung des Füllstandes im Gerinne ist nur der Strom maßgebend, der zu der Meßelektrode 6 fließt und im Meßgerät 10 gemessen wird. Dagegen trägt der zur Abschirmelektrode 8 fließende Teil des Stroms zu der Messung nicht bei.
• Wenn das Gerinne leer ist, ergibt sich ein Anfangsstrom, der der Anfangskapazität zwischen den Meßelektroden 6 und 7 entspricht. Ist das Gerinne vollständig gefüllt, so ist der Strom um den Faktor der relativen Dielektrizitätskonstante größer als der Anfangsstrom. Eine größere Änderung der Kapazität in Abhängigkeit von der Füllhöhe, bezogen auf den Anfangswert, läßt sich theoretisch nicht erreichen.
• Die beschriebene Elektrodenanordnung bietet die Möglichkeit, durch Parallelschalten mehrerer streifenförmiger Elektroden nach Art der Meßelektroden 6 und 7 das Auflösungsvermögen des Meßkondensators wesentlich zu vergrößern. In diesem Fall wird natürlich jeder Meßelektrode, die mit der einen Klemme des Wechselspannungsgenerators verbunden ist, eine Abschirmelektrode nach Art der Abschirmelektrode 8 zugeordnet.

Claims (4)

1. Patentansprüche: 1. Kapazitives Füllstandsmeßgerät mit einem in das Füllgut eintauchenden Meßkondensator mit wenigstens einer ersten Meßelektrode und wenigstens einer zweiten Meßelektrode, die im Abstand voneinander und parallel zueinander an einem mit dem Füllgut in Berührung stehenden Dielektrikum angeordnet sind, einer Anordnung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen der ersten Meßelektrode und der zweiten Meßelektrode, und mit einer Meßanordnung zur Messung der durch Änderungen des Füllstandes bewirkten Änderungen der Meßkapazität zwischen der ersten Meßelektrode und der zweiten Meßelektrode des Meßkondensators, d a d u r c h gekennzeichnet, daß bei Anordnung des Meßkondensators an einer einseitig mit dem Füllgut in Berührung stehenden dielektrischen Wand (2) auf der dem Füllgut abgewandten Seite der ersten Meßelektrode (6) eine Abschirmelektrode (8) angeordnet ist.
2. 2. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Meßelektrode (6) und die Abschirmelektrode (8) mit der ersten Klemme einer Wechselspannungsquelle verbunden sind, daß die zweite Meßelektrode (7) mit der zweiten Klemme der Wechselspannungsquelle verbunden ist und daß ein Wechselstrommeßgerät in die Verbindung zwischen die erste Klemme der Wechselspannungsquelle und die erste Meßelektrode eingefügt ist.
3. 3. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere erste Meßelektroden und mehrere zweite Meßelektroden jeweils paarweise nebeneinander angeordnet sind, daß die ersten Meßelektroden einerseits und die zweiten Meßelektroden andrerseits elektrisch miteinander verbunden sind und daß jeder ersten Meßelektrode eine Abschirmelektrode zugeordnet ist.
4. 4. FüTlstandsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (6, 7) in die Wand (2) eines offenen Gerinnes (1) eingebaut sind.

   Die Erfindung geht aus von einem kapazitiven Füllstandsmeßgerät mit einem in das Füllgut eintauchenden Meßkondensator mit wenigstens einer ersten Meßelektrode und wenigstens einer zweiten Meßelektrode, die im Abstand voneinander und parallel zueinander an einem mit dem Füllgut in Berührung stehenden Dielektrikum angeordnet sind, einer Anordnung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen der ersten Meßelektrode und der zweiten Meßelektrode, und mit einer Meßanordnung zur Messung der durch Änderungen des Füllstandes bewirkten Änderungen der Meßkapazität zwischen der ersten Meßelektrode und der zweiten Meßelektrode des Meßkondensators.

   Derartige kapazitive Füllstandsmeßgeräte eignen sich für Füllgüter, deren Dielektrizitätskonstante von derjenigen der Luft merklich verschieden ist. Das Füllgut bildet das Dielektrikum für den eingetauchten Teil des Meßkondensators, was zur Folge hat, daß sich die Gesamtkapazität des Meßkondensators in Abhängigkeit von dem Füllstand ändert. Durch eine geeignete Sondenform kann erreicht werden, daß die elektrische Feldverteilung über die ganze Höhe des Meßkondensators gleich bleibt, so daß die Kapazitätsänderung direkt der Füllstandsänderung proportional ist. Die Messung der Kapazitätsänderung erfolgt in den meisten Fällen dadurch, daß an die Meßelektroden des Meßkondensators eine Wechselspannung angelegt und der über den Kondensator fließende kapazitive Wechselstrom gemessen wird; die Stromänderungen sind dann direkt ein Maß für die Änderungen des Füllstandes.

   Wenn sich der Füllstand von Null bis zu einem Höchstwert ändert, ändert sich die Kapazität bzw.

   der dazu proportionale Strom von einem Anfangswert bis zu einem Endwert, da der Meßkondensator auch bei dem Füllstand Null eine Anfangskapazität hat, die von ihrer Form und ihrem Einbau abhängt.

   Die Messung ist offensichtlich um so genauer, je größer der Anderungsbereich bezogen auf den Anfangswert ist. Daraus ergibt sich die Forderung, den Meßkondensator so auszubilden, daß sich das elektrische Feld möglichst ausschließlich in dem Raum ausbreitet, in den das zu messende Füllgut eintreten kann; in diesem Fall ergibt sich die relativ größte Feldänderung, was die wichtigste Voraussetzung für eine genaue Messung ist.

   Bei einem aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 498 404 bekannten Füllstandsmeßgerät der eingangs angegebenen Art ist das Dielektrikum ein ebener zylindrischer oder rohrförmiger Körper, der auf einer Fläche die Meßelektroden in Form von mäander-oder wendelförmigen leitenden Streifen trägt. Der so gebildete Kondensator wird derart in das Füllgut eingetaucht, daß die zwischen den Feldlinien verlaufenden elektrischen Feldlinien zwar das Füllgut auf einer hinreichend langen Strecke durchsetzen, daß jedoch das elektrische Feld in Richtung von der Sonde weg so stark abfällt, daß es an der Stelle der Behälterwand nur noch in einer mit den praktischen Meßmöglichkeiten nicht mehr feststellbaren Intensität vorhanden ist. Nach einem ähnlichen Prinzip ist auch die Sonde bei dem aus der deutschen Auslegeschrift 1 243 890 bekannten Füllstandsmeßgerät aufgebaut; sie besteht aus einem stab- oder seilförmigen dielektrischen Körper, in und/oder auf dem die Elektroden so angebracht sind, daß die Feldlinien zwischen den Elektroden teilweise außerhalb des Körpers verlaufen.

   All diese bekannten Meßkondensatoren setzen voraus, daß sie allseitig von dem Füllgut umgeben im Inneren des Behälters so angeordnet sind, daß die Messung von der Behälterwand praktisch nicht beeinflußt werden kann.