DE2221741C3 - Vorrichtung zur kapazitiven Messung der örtlichen Lage von Trennschichten zwischen zwei aneinander grenzenden Medien - Google Patents

Vorrichtung zur kapazitiven Messung der örtlichen Lage von Trennschichten zwischen zwei aneinander grenzenden Medien

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DE2221741C3
DE2221741C3 DE2221741A DE2221741A DE2221741C3 DE 2221741 C3 DE2221741 C3 DE 2221741C3 DE 2221741 A DE2221741 A DE 2221741A DE 2221741 A DE2221741 A DE 2221741A DE 2221741 C3 DE2221741 C3 DE 2221741C3
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur kapazitiven Messung der örtlichen Lage von Trennschichten zwischen zwei ancinandrrgrcnzendcn Medien mit mehreren in Abstand angeordneten Kondensatoren, von denen je zwei benachbarte Kondensatoren zu einem Differentialkondensator zusammengefaßt sind und beide Kondensatoren jedes Differentialkondensators so abgeglichen sind, daß bei Auftreffen eines Signals auf die gemeinsame Elektrode die von den Gegenclektroden abgegebenen Signale bei gleichen Medien zeitlich übereinstimmen und bei unterschiedlichen Medien zeitlich voneinander abweichen.
ίο Derartige Vorrichtungen können zur Messung von Trennschichten zwischen Stoffen gleichen und verschiedenen Aggregatzustandes verwendet werden, wenn beide Stoffe verschiedene Dielektrizitätskonstanten oder verschiedene Leitfähigkeiten aufweisen.
'5 Für die 1 rennschichten Flüssigkeit-Gas, sowie Feststoff-Gas, also für den Füllstand eines Behälters, sind kapazitive Meßanordnungen bekannt, weiche auf dem analogen Prinzip beruhen. Diese Sonden sind jedoch abhängig von der Materialbeschaffcnheit des
so Stoffes, mit dem sie in Kontakt kommen, sowie von der Form und der Beschaffenheit des Behälters Zur Kompensation solcher Einflüsse ist ein einwandfreiei Abgleich der Sonde hinsichtlich der störenden NuIlkapa/itä'tcn notwendig.
Aus der USA.-Patentschrift 3 343415 ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Ar' bekannt. Eine Wechselspannungsquelle beaufschlagt eine Elektrode mit einer sinusförmigen Wechselspannung. Diese Elektrode bildet die gemeinsame Elektrode von Differentialkondensatoren, deren Gegenelektroden jeweils übereinander angeordnet sind. Je zwei benachbarte Gegeneleklrodcn sind mit einer Einrichtung /ur Bildung der Differenz /wischen den an den Gegcnelektroden anstehenden Signalen verbunden. Fur jeden aus zwei Kondensatoren gebildeten Diffcrentialkondensator ist eine gesonderte Einrichtung zur Bildung der Differenz /wischen den an den Gegen elektrodcn anstehenden Signalen erforderlich, um die Lage der Trennschicht eindeutig bestimmen zu konnen. Je großer der Meßbereich ist und je kleiner der Abstand zwischen den Gegenelektroden der Diffe rcp.tialkondensatoren gewählt wird, desto größer wird auch die Anzahl der erforderlichen Einrichtungen zur Bildung der Differenz zwischen den an den Gcgenelektroden anstehenden Signalen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung der örtlichen Lage von Trennschichten zwischen zwei Medien zu schaffen, die mit einem Minimum an Einrichtungen zur Bildung der Diffeicn/ zwischen der an den Gegenelektroden anstehenden Signalen auskommt und trotzdem die Lage der Trennschicht eindeutig /u bestimmen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird bei einer Hinrichtung der eiiigangs genannten Art dadurch gelöst, daß die gemeinsamen Elektroden der in Abstand aufeinanderfolgenden Differentialkondensatoren in zeitlicher Reihenfolge an einen Impulsgenerator angeschlossen sind, daß die eisten und die /weilen Gegenelektroden jedes Differentialkondensators jeweils zusammengefaßt sind und jede Gegenelektrode an einen der beiden Eingänge eines Differenzverstärker* angeschlossen ist. daß die Ausgangsimpulse des Impulsgenerators gleichzeitig einem Zähler zugeführt sind und ein am Ausgang des Differenzverstärkers auftretendes Signal die Verbindung zum Zähler unterbricht und vor Beginn eines neuen Meßvorganges tier Zähler auf Null gestellt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der eriindungsgemäßen Vorrichtung sind die Gegenelekiroden kammartig geformte Flachen, in deren Aussparungen die jeweils miteinander verbundenen, gemeinsamen Elektroden der Differentialkondensutoren angeordnet sind.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 498 404 ist es bekannt, für kapazitive Meßsonden zur Bestimmung der Niveauhöhe kammarug geformte Kondensatorelektroden zu verwenden, die als metallische Belage auf elektrisch isolierendem Material aufgebracht sind. Aus dieser Druckschrift ist es auch bekannt, den Träger für die Elektroden als Rohr auszubilden und die Elektroden mit einer Isolierschicht zu überziehen.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Er- '5 findung an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 die Abwicklung der die Kondensatoren bildenden Elektrodenflächen, und
Fig. 2 das Blockschaltbild einer Schaltungsanord- *° ining zur digitalen Anzeige der örtlichen Lage einer Trennschicht bzw. zweier Trennschichten.
Fig. 1 zeigt die Abwicklung der die Kondensatoren bildenden Elektrodenflachen, die uif einem zylindrischen kupfcrkaschierten Isolierrohr aufgebracht sind. Dieses Rohr einhält in seinem Inneren die Anschlußdrähle für die einzelnen Elektroden, /.um besseren Schutz der Elektrodenflächen ist das Isolierrohr mit einem Teflonsehlauch überzogen. Zwischen zwei kummartig geformten Gegenelektrode!) .-4' und A" sind je fünf Elektroden E1' bis E, b/.w E1" bis Ii" angeordnet. Die Gegcnelektroden A' und A" sind galvanisch voneinander getrennt. Die L-.lektrodcn E1' und E1" sind an einen gemeinsamen Anschluß E1 ge führt. Entsprechend sind die Elektroden mit E,' und E/', E,' und E,", E4' und E4", E4' und Es" an die jeweiligen gemeinsamen Anschlüsse E3, E,, E4 b/w. Es gefuhrt. Die Elektroden E1', E2'. E,', E4' und E.' bilden zusammen mit der Gegenelektrode A' je einen Kondensator. Ebenso bilden die Elektroden E", EY', E,", E4" und Es" mit der Gegenelektrode A" jeweils einen Kondensator. In dem Ausfuhrlingsbeispiel situ! zur besseren Übersichtlichkeil nur jeweils fünf Elektroden gezeigt. Je mehr Elektroden jedoch verwendet werden, um so genauer wird die Messung der örtlichen Lage der Trennschicht. Die Flachen der Elektroden und der vlegenelektroden sind so beinessen, daß die Kapazität zwischen der Elektrode E1' und der Gegenelektrode A' gleich der Kapazität zwischen der Elekirodc E1" und der Gegenelektrode A" ist, wenn sich beide Kondensatoren in demselben Medium befinden. Ebenso ist die Kapazität /wischen der Elektrode E/ und der Gegenelektrode A' gleich der Kapazität zwischen der Elektrode E," und der Gegenelektrode A". Entsprechendes gilt für die aus den Elektroden E,', E,", E4', E4", E<' und Es" und «!en Gegcnelektroden A' sowie A" gebildeten Kondensatoren. Die Elektroden E1' und E1", EY und E,", E,' und /·.','', E4' und E4", Es' und Es" sind längs des durch die Gegenelektrode η gebildeten Kammes um einen bestimmten Betrag, in der F i g. 1 um eine Sektion, verseizt angeordnet. Die Trennschicht ist als doppelt gestrichelte Linie zwischen den Elektroden E,' und E4' sowie /wischen den Elektroden E," und E," dargestellt und \eiliiiit't senkrecht zur Kar.-.nuiehse. Der aus der Elektrode E1' und der Gegenelektrode A' gebildete Kondensator ist dem einen Medium, der aus der Elektrode E," und der Gegenelektrode .1" gebildete kondensator ist dem anderen Medium ausgesetzt. Wegen der verschiedenen Dielek'rizitätskonstanten der beiden Medien ist daher die kapazitive Kopplung zwischen der Elektrode E3' und der Gegenelektrode A' anders als diejenige zwischen der Elektrode E3" und der Gegenelektrode A". An den beiden Gegenelektroden treten also verschieden starke Signale auf, wenn die Elektrode E3 an den Ausgang eines Inipulsgenerators angeschlossen wird.
Werden die beiden Gegenefcktroden A' und A" an verschiedene Eingänge eines Differenzverstärker angeschlossen, so wird für diejenigen Elektroden E' und E", welche sich im Bereich der Trennschicht zwischen den beiden Medien befinden, ein Differenzsignal auftreten, während für alle anderen Elektroden, die sich vollständig in einem der beiden Medien befinden, das Differenzsignal Null beträgt.
Fig. 2 zeigt das Blockschallbild einer Schaltungsanordnung zur digitalen Anzeige der örtlichen Lage der Trennschicht zwischen zwei Medien. An Hand dieses Blockschaltbildes wird im folgenden die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert.
Die Elektrodenanordnung aus Fig. 1 mit den fünf Eingängen E1 bis Es und den beiden Ausgängen A' und A" ist in Fig. 2 mit der Bezugsziffer 1 versehen. Ein Impulsgenerator 2 erzeugt periodisch Impulse, die dem Mittelanschluß eines Sehrittschalters 3 sowie einer Torschaltung 4 direkt zugeführt werden. Über eine Verzögerungssehaliung 5 werden die Impulse des Impulsgenerators 2 einem Schrittmotor 6 verzögert zügelührt. Die Verzögerungsschaltung 5 ist so bemessen, daß in den Pausen zwischen zwei Impulsen des Impulsgenerator 2 ein Impuls an den Schrittmotor 6 weitergeleitet wird. Der Schrittmotor 6 schaltet bei jedem Impuls den Schallarm des Schrittschalters 3 im Uhrzeigersinn auf den nächsten Konlaki weiter. In den Fi g. 2 ist der Sehaltarm des Schuttschalters 3 gerade mit dem Eingang E2 der Elektrodenanordnung 1 verbunden. Durch das Weiterschalten des Schaltarmes des Schrittschalter 3 wird nacheinander auf die Eingange E, bis E5 der Elektrodenanordnung 1 ein Impuls gegeben. Zu Beginn eines neuen Meßvorganges wird ein Impuls auf den Steuereingang Aa der Torschaltung 4 gegeben und damit eine Verbindung zwischen dem Impulsgenerator 2 und einem Zähler 7 hergestellt. Derselbe Impuls, der dem Steuercingang 4a zugeführt ist, stellt über den Sleuereingang 7a den Zähler 7 auf Null In der Pause bis zum nächsten Impuls des Impulsgenerators 2 schallet der Schrittmotor 6 den Schaltarm des Sehritlschalters 3 in die nächste Stellung. In dieser Stellung ist der Impulsgenerator 2 mil dem Eingang E1 der Elektrodenanordnung 1 veibunden und der nächste Impuls des Impulsgeneralors 2 wird den Elektroden E1' und E1" (vgl. Fig. 1) über den Eingang E1 zugeführt. Da die Elektroden E1' und E1" sich in demselben Medium befinden (vgl. Fig 1) erseheinen an den Ausgängen A' und A" dieselben Signale. Ein Differenzverstärker 8 bildet die Differenz der an den Ausgängen A' und A" anstehenden Signale. In diesem Fall ist das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 8 Null. Dem Differenzverstärker 8 ist eine lmpulsformerstufe 9 nachgeschaltet, deren Ausgang mit einem zweiten Sleuereingang Ab der Torschaltung 4 verbunden ist. Ein auf diesem Steuereingang gegebener Impuls unterbricht die Verbindung zwischen dem Impulsgenerator 2 und dem Zähler 7. Da bei der Aufschaltung
eines Impulses auf die Elektroden E1' und E," kein Differenzsignal an dem Ausgang des Differcn/verslärkcrs 8 aufgetreten ist, bleibt der Impulsgenerator 2 weiterhin mit dem Zähler 7 verbunden. In der Pause bis zum nächsten Impuls des Impulsgenerators 2 wird der Schailarm des Schrittschalters 3 von dem Schrittmotor 6 auf den Eingang E2 der Elektrodenanordnung 1 weitcrgcschaltet. Der folgende Impuls des Impulsgenerator 2 wird in den Zähler 7 eingezählt und die Verbindung zwischen dem Impulsgenerator 2 und dem Zähler 7 bleibt bestehen, da am Ausgang des Differenzverstärkers 8 kein Signal erscheint, denn die Elektroden E2' und E2" befinden sich in demselben Medium. Anschließend wird der Schaltarm des Schrittschalters 3 durch den Schrittmotor 6 auf den Eingang E3 der Elektrodenanordnung 1 weitergeschaltet. Der folgende Impuls wird wieder in den Zähler eingezahlt. Da aber auf Grund der verschiedenen Medien sich die Kapazitäten der durch die ElekWv»iL E,' und die Gegenelektrode A' sowie der durch die Elektrode E," und die Gegenelektrode A" gebildeten Kondensatoren voneinander unterscheiden, werden dem Differenzverstärker 8 verschiedene Signale zugeführt. Es entsteht ein Ausgangssignal, das in der Impulsformerstufe 9 in einen Impuls zur Betätigung des Steuereinganges Ab der Torschaltung 4 umgeformt wird. Damit ist die Verbindung zwischen dem Impulsgenerator 2 um' dem Zähler 7 unterbrochen. Der Schaltarm des Schrittschalters 3 wird zwar weilerbewcgt und es werden nacheinander Impulse auf die Eingänge £.4 und Es der Elektrodenanordnung 1 gegeben, aber da die Verbindung zwischen dem Impulsgenerator 2 und dem Zähler 7 unterbrochen ist, werden keine Impulse mehr in den Zähler 7 gezählt. Die Zahl der in den Zähler 7 eingezahlten Impulse ist ein Maß für die örtliche Lage der Trennschicht. Je mehr Impulse in den Zähler 7 eingezahlt sind, desto höher befindet sich die Trennschicht. Der Meßvorgang ist beendet, wenn der Schaltarm des Schrittschaltcrs 3 den Impulsgenerator 2 mit dem Eingang E5, also dem letzten Eingang der Elektrodenanordnung 1, verbunden hat. Beim nächsten Schaltschritt beginnt sofort ein neuer Meßvorgang und der Zähler 7 wird wieder auf Null gestellt und die Verbindung zwischen dem Impulsgenerator 2 und dem Zähler 7 über die Torschaltung 4 wieder hergestellt.
Soll die örtliche Lage der Trennschicht als analoger Wert angezeigt werden, so wird der Ausgang der Torschaltung 4 mit einem Integrator 10 verbunden, der die einzelnen Impulse integriert und an dessen Ausgangein analoges Anzeigegerät 11 geschaltet ist. Über den Steucreingang 1Oo wird der Integrator zu Beginn jedes Meßvorganges auf Null gestellt.
Für die Anzeige von Volumina in bestimmten vorgegebenen Behältern kann die in Fig. 1 gezeigte Elektrodenanordnung leicht ensprechend abgewandelt und an die spezielle Form des Behälters angepaßt werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, den Abstand der einzelnen Elektroden voneinander so zu wählen, daß ein linearer Zusammenhang zwischen der Anzeigegröße und dem Volumen desjenigen Behälters besteht, für welchen die Elektrodenanordnung vorgesehen ist. Soll beispielsweise die Füllhöhe in einem liegenden zylinderförmigen Behälter gemessen werden, ist es zweckmäßig, den Abstand der Elektroden am oberen und am unteren Ende der Anordnung zu vergrößern, während er im mittleren Bereich relativ eng gewählt ist. Die genauen Abmessungen lassen sich leicht mit Hilfe von Krcisfunklionen berechnen.
Es ist auch möglich, mit einer einzigen Elektrodenanordnung mehrere Trennschichten in einem Behälter zu erfassen. Zu diesem Zweck ist in F i g. 2 eine zweite Torschaltung 12 und ein zweiter Zähler 13 an den Impulsgenerator 2 angeschlossen. Zu Beginn eines neuen Meßvorganges wird der Zähler 13 über den Steucreingang 13« auf Null gestellt und dem Steuercingangl2« ein Impuls zugeführt, der die Verbindung zwischen dem Impulsgenerator 2 und dem Zähler 13 herstellt. Das Ausgangssignal der Impulsformerstufe 9 wird dem Sleuereingang 12h der Torschaltung 12 über eine Flip-Flop-Schaltung 14 zugeführt, die nur bei jedem zweiten Eingangsimpuls einen Aus-
J5 gangsimpuls abgibt. Bis zum Auftreten des ersten AusgangssignalsdesDiffcren/verstärkers 8 werden in beide Zähler 7 und 13 Impulse eingezählt. Tritt der erste Ausgangsimpuls des Differenzverstärkers 8 während eines Meßvorganges auf, so wird die Verbindung zwischen dem Impulsgenerator 2 und dem Zähler 7 unterbrochen. Die Flip-Flop-Schaltung 14 gibt dagegen noch keinen Impuls ab. Dies geschieht erst dann, wenn innerhalb des Meßvorgangs der zweite Ausgangsimpuls des Differenzverstärkers 8 auftritt.
Der Ausgangsimpuls der Flip-Flop-Schaltung 14 wird der Torschaltung 12 über den Steuereingang 12/> zugeführt und unterbricht die Verbindung zwischen dem Impulsgenerator 2 und dem Zähler 13. Die Zahl der in den Zähler 13 eingezahlten Impulse ist ein Maß für die örtliche Lage der zweiten Trennschicht in dem Behälter.
Wie in den Erläuterungen zu der Fig. 1 ausgeführt ist, sind die Elektrodenflächen mit einer Isolierschicht, z.B. einem Isolierschlauch, überzogen. Durch diese Isolierschicht sind die Elektrodenflächen von dem sie umgebenden Medium galvanisch getrennt. Es besteht jedoch noch eine kapazitive Kopplung über die Isolierschicht, d. h. zwischen zwei Elcktrodenflächen liegt die Hintereinanderschaltung dreier Kondensatoren, von denen der miniere als Parallelschaltung eines idealen Kondensators und eines ohmschen Widerstandes, die beiden äußeren Kondensatoren dagegen als ideale Kondensatoren anzusehen sind. Aus diesem Grund ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch dann eine Messung der örtlichen Lage der Trennschicht zwischen zwei Medien möglich, wenn die Dielektrizitätskonstanten der beiden Medien gleich groß sind, ihre Leitfähigkeitskonstanten jedoch verschieden groß sind. Bei der Ausgestaltung der Elektrodenflächcn ist deshalb auch der Einfluß des ohm sehen Anteils zu berücksichtigen, vgl. z.B. der symmetrischen Aufbau der Abwicklung nach Fig. 1 Diese Ausgestaltung kann sowohl zur Messung de örtlichen Lage von Trennschichlen zwischen Mediei verschiedener Dielektrizitätskonstanten als auch vcr schicdcncr Leitfähigkeitskonstanten verwendet wer den.
Die Verschiebung der sich entsprechenden Elek troden E' und E" längs der Kammachse wird zweck mäßigerweise um so größer gewählt, je weniger schal die Trennung zwischen den beiden Medien ist. Dk ist insbesondere dann der Fall, wenn der Übergar zwischen den beiden Stoffen kontinuierlich ist, als eine Vermischung beider Stoffe in der Übergangszor
stattfindet. |
Die elektromechanischen Bauteile in dem Ausfül rungsbcispicl nach Fi g. 2 können auch durch elektn nische Bauteile ersetzt werden.
Hicrm 1 Blatt Zcichnunpcn
■tv.

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur kapazitiven Messung der örtlichen Lage von Trennschichten zwischen zwei aneinandergrenzenden Medien mit mehreren in Abstand angeordneten Kondensatoren, von denen je zwei benachbarte Kondensatoren zu einem Differentialkondensator zusammengefaßt sind und beide Kondensatoren jedes Differentialkondensators so abgeglichen sind, daß bei Auftreffen eines Signals auf die gemeinsame Elektrode die von den GegeneJektroden abgegebenen Signale bei gleichen Medien zeitlich übereinstimmen und bei unterschiedlichen Medien zeitlich voneinander abweichen, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsamen Elektroden der in Abstand aufeinanderfolgenden Differentialkondensatoren (A', Ex', E1", A"; A', E2', E1", A"; ...,· A', E,', E5", A") in zeitlicher Reihenfolge an einen Impulsgenerator (2) angeschlossen sind, daß die ersten und die zweiten Gegenelektroden jedes Differentialkondensators jeweils zusammengefaßt sind und jede Gegenelektrode (A' bzw. A") an einen der beiden Eingänge eines Differen/versiärkers (8) angeschlossen ist, daß die Ausgangsimpulsc des Impulsgenerators (2) gleichzeitig einem Zähler (7) zugeführt sind und ein am Ausgang des Differenzverstärkers (8) auftretendes Signal die Verbindung zum Zähler (7) unterbricht und vor Beginn eines neuen Meßvorganges der Zähler (7) auf Null gestellt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, J···? die Gegenelektroden (A', A") kammartig geformte Flachen sind, in deren Aussparungen die jeweils miteinander verbundenen, gemeinsamen Elektroden (E1', E1"; E2', E2"; E3', E"; E4', E4"; £,', E5") der D iferentialkondensatoren angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (E1'bis E5', E1" bis Ε,", A', A") in an sich bekannter Weise als gedruckte Schaltung auf einem aus elektrisch isolierenden Material bestehenden Träger aufgebracht sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger in an sich bekannter Weise als Rohr ausgebildet ist und die Elektroden mit einer Isolierschicht überzogen sind.
5. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 1, zur gleichzeitigen Messung der örtlichen Lage von zwei Trennschichten in einem Behälter, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Zähler (13) vorgesehen ist, dem die Ausgangsimpulse des Impulsgenerators (2) zugeführt sind und der Zählvorgang des zweiter. Zählers (13) erst dann abgebrochen wird, wenn während desselben Zählvorganges am Ausgang des Differenzverstärkers (8) ein zweites Ausgangssignal auftritt.
DE2221741A 1971-05-06 1972-05-04 Vorrichtung zur kapazitiven Messung der örtlichen Lage von Trennschichten zwischen zwei aneinander grenzenden Medien Expired DE2221741C3 (de)

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