DE2240813B2

DE2240813B2 - Meßsystem zur Messung einer die Ausgangssignale euter Scheinleitwertsonde beeinflussenden Eigenschaft eines Materials

Info

Publication number: DE2240813B2
Application number: DE2240813A
Authority: DE
Inventors: Frederick L. Jenkintown Pa. Maltby (V.St.A.)
Original assignee: Drexelbrook Controls Inc
Current assignee: Drexelbrook Controls Inc
Priority date: 1971-08-20
Filing date: 1972-08-18
Publication date: 1979-05-31
Also published as: DE2240813C3; JPS5847662B2; JPS4830496A; JPS5756719A; JPS619566B2; DE2240813A1; CA965148A; US3746975A; GB1359778A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Meßsystem zur Messung einer die Ausgangssignale einer Scheinleit-

wertsonde beeinflussenden Eigenschaft eines Materials, bei dem die in die Nähe des Materials oder mit diesem in Berührung bringbare Scheinleitwertsonde mit eine Meßbrücke einschließenden Auswerteeinrichtungen zur Erzeugung eines ersten sich in Abhängigkeit von dieser ersten sowie einer zweiten Eigenschaft des Materials ändernden Signals und eines zweiten Signals verbunden ist, das sich lediglich in Abhängigkeit von der zweiten Eigenschaft d?·? Materials ändert, die jeweils dem Blindleitwert- bzw. Leitwertanteil des Scheinleitwertes der Sonde entsprechen.

Es ist bereits bekannt, Messungen des Gewichts von körnigem Material durch Feststellung des Blindleitwertes einer in das Material, dessen Gewicht zu messen ist, eingetauchten Scheinleitwertsonde durchzuführen. Die Genauigkeit derartiger Messungen ist jedoch erheblichen Fehlern auf Grund der Feuchtigkeit ausgesetzt, die das zu messende Material aufweist und die bewirkt, daß der Blindleitwert der Scheinleitwertsonde sich nicht nur als Funktion des Trockengewichtes des Materials, sondern auch als Funktion der hiermit verbundenen Feuchtigkeit ändert Weiterhin wurde festgestellt, daß die Scheinleitwertsonde eine Leitfähigkeitskomponente aufweist, die sich als Funktion des Feuchtigkeitsgehaltes des Materials ändert, in das die Scheinleitwertsonde eingetaucht ist In manchen Fällen ändert sich der Leitwert als Funktion des Feuchtigkeitsgehaltes entsprechend der im wesentlichen gleichen Beziehung wie der Blindleitwert, während er sich in anderen Fällen entsprechend einer im wesentlichen abweichenden Beziehung ändert

Bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten Art (US-Patentschrift 25 35 027) wird der Feuchtigkeitsgehalt eines Materials gemessen, wobei die Messung dieses Feuchtigkeitsgehaltes durch Messen der Blind- und Leitanteile des Scheinleitwertes einer Scheinleitwertsonde erfolgt, die die Form von zwei Kondensatorplatten aufweist, zwischen denen sich das Material befindet Dem Feuchtigkeitsgehalt entsprechende Änderungen sind sowohl in dem Blind- als auch in dem Leitanteil vorhanden, so daß die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens einen komplizierten Aufbau aufweisen muß und insbesondere ein mechanisches Servosystem benötigt, das die verwendeten Meßdrücke bei Änderungen des Blind- und Leitant.eiis der Scheinieitwertsonde neu abgleicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßsystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei einfachem Aufbau eine Messung einer die Ausgangssignale einer Gcheinleitwertsonde beeinflussenden Eigenschaft eines Materials mit höherer Genauigkeit ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Erfindung gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verwendungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße Meßsystem weist einen einfachen Aufbau ohne komplizierte mechanische Servoeinrichtungen auf und ermöglicht eine genaue Messung der gewünschten, die Ausgangssignale der Scheinleitwertsonde beeinflussenden Eigenschaft des Materials, wobei dieser Meßwert von Änderungen einer zweiten Eigenschaft des Materials, die ebenso zumindest eines der Ausgangssignale der Scheinleitwertsonde beeinflußt nicht oder ir nur unwesentlichem Ausmaß beeinträchtigt wird.

Bei einer Verwendung des erfindungsgemäßen Meßsystems zur Messung des Trockengewichts eines Materials mit einem veränderlichen Feuchtigkeitsgehalt ändert sich der Blindleitwert-Anteil der Scheinleitwert sonde entsprechend dem Gewicht des Materials und außerdem entsprechend dem Feuchtigkeitsgehalt des Materials während sich der Leitwert-Anteil nur mit dem Feuchtigkeitsgehalt des Materials ändert, so daß die Einrichtungen zur algebraischen Addition des ersten

ίο Signals mit dem zweiten Signal ein Signal liefern, das hauptsächlich Gewichtsveränderungen des Materials darstellt und im wesentlichen unabhängig von Änderungen des Feuchtigkeitsgehaltes ist Bei einer anderen Verwendung des Meßsystems zur Messung der Leitfähigkeit zwischen mit Abstand angeordneten Punkten eines auf ein relativ nicht leitendes Grundmaterial aufgebrachten Überzuges weist die Scheinleitwertsonde zwei mit Abstand in der Nähe des Grandmaterials auf der dem Oberzug gegenüberliegenden Seite angeordnete Elektroden auf und es sind Einrichtungen zur Ableitung erster und zweiter Signale vorgesehen, die jeweils nur den Blindleitwert- bzw. Leitwert-Anteil des Scheinleitwertes der Elektroden darstellen, wobei weiterhin Einrich- tungen iur Verarbeitung der ersten und zweiten Signale zur Erzeugung einer Größe vorgesehen sind, die die Leitfähigkeit des Überzuges zwischen den beiden mit Abstand angeordneten Elektroden darstellt

Bei einer anderen Verwendung des ^rfindungsgemä-

ßen Meßsystems zur Messung des Pegels eines leitenden Materials in einem Behälter, wobei die Scheinleitwertsonde in das Material eintauchbar ist und das Material eine Überzugsbildung auf der Scheinleitwertsonde hervorruft, ändert sich der Blindleitwert-An- teil mit dem Pegel des Materials sowie auf Grund des Anhaftens des Materials an der Scheinleitwertsonde, während sich der Leitwert-Anteil lediglich auf Grund des Anhaftens des Materials an der Scheinleitwertsonde ändert, wobei das Ausgangssignal des Meßsystems Änderungen des Pegels darstellt jedoch im wesentliche', durch das Anhaften des Materials an der Scheinleitwertsonde unbeeinflußt ist.

Wenn sich bei dem erfindungsgemäßen Meßsystem der Blindleitwert-Anteil und der Leitwert-Anteil ent sprechend im wesentlichen der gleichen mathemati schen Beziehung ändern, werden sie direkt einem Differenzverstärker oder einer anderen geeigneten Subtrahierschaltung zugeführt, an deren Ausgang eine Größe erzeugt wird, die direkt die Änderungen der gewünschten Eigenschaft darstellt, und zwar unabhängig von den Änderungen deranderen Eigenschaft.

Wenn sich andererseits der Bliiidleitwert- und der Leitwert-Anteil entsprechend unterschiedlicher mathematischer Beziehungen ändern, wird eine Größe erzeugt, die das Verhältnis des Leitwertes zum Blindleitwert darstellt und die einem geeigneten nicht linearen Verstärker oder Funktionsgenerator zugeführt wird, der diese Größe modifizieren und eine Größe erzeugen kann, dit. sich entsprechend im wesentlichen der gleichen mathematischen Beziehung ändert, wie der Blindleitwert-Anteil. Dann werden der Blindleitwert-Anteil und die das modifizierte Verhältnis der beiden Anteile darstellende Größe dem Differenzverstärker zugeführt, der in der beschriebenen Weise ein

Ausgangssignal erzeugt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. I ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform des Meßsystems,

Fig. IA ein Blockschaltbild eines gegenüber dem Aijsführungsbeispiel nach F i g. 1 abgeänderten Ausführungsbeispiels des Meßsystems,

F i g. 2, 3 und 4 graphische Darstellungen zur Erläuterung der Betriebsweise der Ausführungsbeispie-Ie nach den F i g. 1 und t A,

Fig.5 ein Blockschaltbild einer Modifikation des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1.

Fig. 5A und 5B Vektordiagramme zur Erläuterung der Betriebsweise der Ausführungsform nach F i g. 5.

Fig. 6 eine Darstellung einer weiteren Modifikation des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1,

F i g. 6A und 6B äquivalente Schaltbilder der Modifikation nach Fig. 6,

Fig. 7 ein Blockschaltbild einer weiteren Modifika-

t %r\r\ fie*r Λ nc fi~tVtr-ttr\ewcfr\rm rtiol·» P ι <τ ί

F i g. 8 eine Darstellung, die einen Zustand darstellt, der beim Betrieb des Ausführungsbeispiels nach Fi g. I auftreten kann,

F i g. 8A eine äquivalente Schaltung zur Erläuterung des Zustandes nach F i g. 8.

In dem in Fig I dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Ausgang eines Oszillators 10 mit einer Betriebsfrequenz von beispielsweise 200 kHz über eine Kombinationsschaltung 11 dem Eingang eines Pufferverstärkers 12 mit hoher Verstärkung, d.h. weit oberhalb von 1000 zugeführt. Der Ausgang des Verstärkers 12 wird an die KombinationsschaJtung 11 zurückgeführt und mit dem Ausgang des Oszillators 10 kombiniert, um eine im wesentlichen hundertprozentige negative Rückkopplung zu erzeugen, um eine hochstabile Quelle mit niedriger Impedanz für ein Hochfrequenz-Wechselspannungssignal ;im Ausgang des Verstärkers 12 zu schaffen, der mit der Primärwicklung 13 eines Übertrages 14 verbunden ist. Die zwei Hälften 1.5 und 16 der Sekundärwicklung des Übertragers 14 bilden jeweils zwei benachbarte Zweige einer Brückenschaltung 17. Einer der verbleibenden zwei Zweige der Brücke umfaßt die Parallelschaltung eines Widerstandes 18 und eines Kondensator; 19. die jeweils den Leitwert- und Blindleitwert-Anteil des Scheinleitwertes einer Sonde 20 darstellen, die ir ein Material eintauchbar ist, dessen Gewicht zu messer ist. Die Sonde 20 ist mit dem oberer. Anschluß der oberen Häifte 15 der Übertragersekundärwicklung über ein Koaxialkabel 21 verbunden, dessen Außenleiter über eine Verbindung 23 mit dem Punkt 19a verbunden ist. Der andere Zweig der Brücke umfaßt die Parallelschaltung eines veränderlichen Widerstandes 24 und eines veränderlichen Kondensators 25. Der Ausgang der Brückenschaltung wird längs eines Kondensators 22 erzeugt, der zwischen dem Verbindungspunkt 152 der beiden Hälften 15 und 16 der Übertragersekundärwicklungen und dem Punkt 19a angeschaltet ist Dieser Ausgang wird dem Eingang eines Impedanz-Pufferverstärkers 26 zugeführt, dessen Ausgang über die Verbindungen 27 und 28 jeweils den Eingängen der Hochfrequenzverstärker 29 bzw. 30 zugeführt wird, die beide Einrichtungen zur Einstellung ihrer jeweiligen Verstärkungen aufweisen können. Die Ausgänge dieser Verstärker werden jeweils den Eingängen von phasenempfindlichen Detektoren 31 und 32 zugeführt. Dem Detektor 31 wird außerdem über die Verbindung 33 ein gleichphasiges Signal von dem Ausgang des Pufferverstärkers 12 zugeführt, während dem Detektor 32 über die Verbindung 34 und den Phasenschieber 35 ein um 90° phasenverschobenes

Signal vom Ausgang des Pufferverstärkers 12 zugeführt wird. Der Detektor 31 leitet einen Ausgang ab, der proportional zum Blindleitwert-Anteil des Scheinleitwertes der Sonde 20 ist, während der Detektor 32 einen Ausgang entwickelt, der proportional zum Leitwert-Anteil des gleichen Scheinleitwertes ist. Die jeweiligen Ausgänge der Detektoren 31 und 32 werden in Tiefpaßfiltern 36 bzw. 37 gefiltert, um im wesentlichen reine Gleichspannungen zu erzeugen. Der Ausgang des Filters 37 wird dem Eingang einer veränderlichen Spannungsteilerschaltting zugeführt, die aus einem Potentiometer 41 besteht, das in Reihe mit einem Widerstand 39 geschaltet ist, dessen anderes Ende mit der Schaltungserde verbunden ist. Der Schleifer des Potentiometers 41 stellt den Ausgang des veränderbaren Spannungsteilers dar. Sowohl der Ausgang des veränderbarer, Spannungsteilers als auch der Ausgang

VtCS I !Cl pUb/l (I ld"!» ~J\J V*'C Tt-I C M VlC" LJt "g MtIgC ΓΪ C ("CS

Differenz Verstärkers 42 zugeführt, dessen Ausgang über einen Schalter 43 entweder mit dem Eingang eines Ausgangs-Gleichspannungsverstärkers 44 oder mit dem Eingang eines Teilers 45 verbindbar ist. Weiterhin ist eine Verbindung 46 von dem Ausgang des veränderbaren Spannungsteilers zum Eingang des Teilers 45 vorgesehen. Mit Hilfe eines Schalters 47 kann der Ausgang des Teilers 45 mit dem Eingang des Verstärk π 44 verbunden oder von diesem getrennt weiden, wie dies weiter unten erläutert wird. Der Ausgang des Verstärkers 44 kann durch ein Meßinstrument oder eine andere (nicht gezeigte) Einrichtung entnommen oder gemessen werden, oder er kann in irgendeiner gewünschten Weise verwendet werden, um eine Steuerwirkung auszuüben.

Das in F i g. I gezeichnete Meßsystem weist getrennte Phasendetektoren 31 und 32 zur Erzeugung getrennter Ausgänge auf, die jeweils die Blindleitwert- und Leitwertanteile des Scheinleitwertes der Sonde 20 darstellen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 arbeiten der Oszillator, die Kombinationsschaltung 11 und der Pufferverstärker 12 zusammen, um eine hochstabile Quelle mit niedriger Impedanz für ein Hochfrequenzsignal zu liefern, das der Brückenschaltung 17 zugeführt wird, deren Spannung sich nicht bemerkbar ändert, selbst wenn der Leitwert der Sonde 20 sehr groß wird. Die Impedanz des Kondensators 22, längs dessen der Brückenausgang erzeugt wird, ist wesentlich kleiner als die Impedanz der Sonde 20. so daß an diesem Kondensator Blindkomponenten erzeugt werden, die jeweils die Blindleitwert- und Leitwert-Anteile der Sonde darstellen. Der Detektor 31, den. ein gleichphasiger Anteil des Ausgangs vom Pufferverstärker 12 zugeführt wird, erzeugt einen Ausgang, der den Blindleitwert-Anteil des Sonden-Scheinleitwerts darstellt, während der Detektor 32, dem ein um 90° phasenverschobener Anteil des Pufferverstärkerausgangs zugeführt wird, einen Ausgang erzeugt, der den Leitwert-Anteil des Sonden-Scheinleitwerts darstellt Der Impedanz-Pufferverstärker 26 kann einen hochstabilen Verstärker mit einem Eingang mit hoher Impedanz umfassen.

Die durch den Kondensator 22 dargestellte Impedanz ist vorzugsweise Wein und weist einen stabilen Phasenwinkel auf. Die Impedanz kann entweder ein physikalisches Element sein, oder sie kann eine reflektierte oder virtuelle Impedanz sein. Beispielsweise könnte sie durch eine Transformatorprimärwicklung gebildet sein, die anstelle des Kondensators 22 eingeschaltet ist In diesem Fall würde, wenn die

Sekundärwicklung unbelastet wäre, die primäre induktive Reaktanz die Impedanz darstellen. Wenn die Sekundärwicklung des Transformators stark belastet wäre, würde die in die Primärwicklung reflektierte Impedanz die Impedanz darstellen. In gleicher Weise > würde, wenn der Eingang eines Verstärkers mit hoher Verstärkung mit Stromrückkopplung anstelle des Kondensators 22 eingeschaltet wäre, die virtuelle Eingangsimpedanz des Verstärkers mit Rückkopplung die Impedanz darstellen. in

Zum besseren Verständnis der Betriebsweise des verbleibenden Teils der Anordnung nach F i g. I wird zunächst auf die graphische Darstellung nach F i g. 2 Bezug genommen. Diese graphische Darstellung zeigt Darstellungen des Blindleitwertes und des Leitwertes π einer Sonde gegenüber dem prozentualen Feuchtigkeitsgehalt von Polyestergranalien oder -körnern mit unterschiedlichen hiermit verbundenen Feuchtiekeits mengen. Der Blindleitwert ändert sich über einen Bereich von ungefähr 1,34 : 1 für eine Änderung des :n Feuchtigkeitsgehaltes von 0—1%. Unter diesen Umständen ist es klar, daß der Blindleitwert-Anteil der Sonde nicht zur Erzielung einer befriedigenden Anzeige des Trockengewichtes der Polyestergranalien verwendet werden kann. Es ist jedoch zu erkennen, daß die >■> Leitwert-Kurve im wesentlichen die gleiche Form wie die Blindleitwert-Kurve aufweist und daß, wenn sie mit einer geeigneten Konstanten (P) multipliziert wird und die sich ergebende Kurve (P ■ Leitwert) von der Blind'^itwert-Kurve subtrahiert wird, eine Kurve jii (Blindleitwert- P ■ Leitwert) erzielt wird, die im wesentlichen unabhängig von Änderungen des Feuchtigkeitsgehaltes ist. Insbesondere ändert sich die Differenzkurve für eine Feuchtigkeitsänderung von 0-1% um weniger als 1%. Entsprechend kann durch Bilden y, der Differenz zwischen dem Blindleitwert und P ■ Leitwert eine Größe gewonnen werden, die das Trockengewicht der Granalien mit einer Genauigkeit von besser als 1% darstellt.

Dies kann in der Anordnung nach Fig. 1 erreicht werden. Der Ausgang des Filters 36 entspricht dem Signal, das durch die Blindleitwert-Kurve nach Fig. 2 dargestellt ist. Durch geeignete Vcrstärkungseinstellungen (Maßstabsfaktoren des Hochfrequenzverstärkers 30) kann das Potentiometer 41 in dem veränderbaren Spannungsteiler in »P« geeicht werden, derart, daß der Ausgang des veränderbaren Spannungsteilers dem Signal entspricht, das durch die Kurve P ■ Leitwert nach F i g. 2 dargestellt ist. Beide Ausgangssignale, die durch die Blindleitwert-Kurve bzw. die P ■ Leitwert-Kurve nach F i g. 2 dargestellt sind, werden direkt dem Eingang des Differenzverstärkers 41 zugeführt, dessen Ausgang der Kurve (Blindleitwert — P■ Leitwert) nach Fig.2 entspricht und der das Trockengewicht der Polyestergranalien darstellt, in die die Sonde eingetaucht ist Der Schalter 43 wird daher nach oben umgelegt, um den Ausgang des Differenzverstärkers 42 direkt an den Eingang des Ausgangsverstärkers 44 zu liefern, und der Schalter 47, der mechanisch mit dem Schalter 43, wie dargestellt, gekoppelt sein kann, wird nach unten ω umgelegt, um den Ausgang des Teilers 45 von dem Eingang des Verstärkers 44 abzutrennen.

Während, wie es aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, die beschriebene Ausführungsform eine wesentliche Verbesserung der Genauigkeit der Messung des as Trockengewichtes unter den speziellen, in Fig.2 dargestellten Umständen ergibt, ist es möglich, eine gleiche Verbesserung selbst unter weniger günstigen Umständen zu erzielen, wie dies weiter unten erläutert wird.

In F i g. 3 stellen die Kurven 50 bzw. 51 Darstellungen des Blindleitwertes bzw. des Leitwertes gegenüber der prozentualen Feuchtigkeit für Getreide dar. Es ist zu erkennen, daß die beiden Kurven im Gegensatz zu den Kurven nach F i g. 2 sich im wesentlichen in ihrer Form unterscheiden, und es daher nicht möglich ist, sie direkt zu subtrahieren, um eine Kurve zu gewinnen, die im wesentlichen unabhängig von Änderungen der Feuchtigkeit über einen weiten Bereich ist. Dies beruht darauf, daß das Wasser tatsächlich in dem Getreide absorbiert ist und nicht angelagert ist, wie bei den Polyestergranalien. Das Meßsystem ermöglicht es jedoch, eine Größe abzuleiten, die im wesentlichen unabhängig von Änderungen des Fe ichtigkeitsgehaltes ist. Zu diesem Zweck wird die Form der Blindieitwert-Kurve dadurch modifiziert, daß ein Kondensator in Reihe mit der Sonde geschaltet wird. Die Hinzufügung des Reihenkondensators erniedrigt sowohl die Blindleitwert· als auch die Leitwert-Kurven, wie es durch die Kurven 52 und 53 in F i g. 3 dargestellt ist. Die Wirkung auf die Leitwertkurvt: ist größer, da die Änderung des Leitwertes größer ist. Es ist daher möglich, den richtigen Wert des Reihenkondensators auszuwählen, der die Leitwert-Kurve nach unten »zieht«, so daß diese der Blindleitwert-Kurve mit minimalem Fehler folgt, wie dies bei der Kurve 54 der Fall ist, die in Fig. 3 mit 1,93 · Leitwert bezeichnet ist. Weiterhin ist zu erkennen, daß der richtige Wert des zu verwendenden Reihenkondansators von der Menge des vorhandenen und gemessenen Materials abhängt. Wenn sich der Pegel des Materials ändert, sollte sich der Wert des Serienkondensators, der für einen minimalen Fehler benötigt wird, ebenfalls ändern. Dieses Ziel kann unter Verwendung einer isolierten Sonde, beispielsweise einer mit Teflon überzogenen Sonde erreicht werden. Die Subtraktion der Kurve 54 von der auf diese Weise erzielten Kurve 52 ergibt die gestrichelte Kurve 55, die eine sehr geringe Änderung mit dem Feuchtigkeitsgehalt aufweist und daher eine genaue Anzeige des Trockengewichtes des Getreides gibt. Dieses Ergebnis wird unter Verwendung der Ausführungsform nach F i g. 1 in der gleichen Weise gewonnen, wie sie unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben wurde, jedoch mit der Ausnahme, daß eine isolierte Sonde verwendet wird, und daß ein Kondensator mit geeigneter Größe in Reihe mit der Sonde eingefügt ist.

Es sind zwei Faktoren, die die Form der Blindleitwert- und Leitwertkurven beeinflussen, wie sie durch das Ins rument erkannt werden. Der erste ist die Schwingungsfrequenz und der zweite die Reihenkapazität der Sonde oder die Dicke der Isolation der Sonde. Beide Faktoren können so eingestellt werden, daß sich die beste Anpassung zwischen den Leitwerts- und Blindleitwerts-Kurven ergibt so daß der Fehler des Ausgangs minimal wird. Wenn dieses Verfahren die benötigte Genauigkeit nicht liefert, kann die Anordnung nach F i g. 1A verwendet werden.

Fig. IA zeigt eine Modifikation der Ausführungsform nach F i g. 1 zur Erzielung dieses Ergebnisses, wobei die Anordnung nach F i g. 1A anstelle eines Teiles der Ausführungsform nach F i g. 1 eingesetzt wird, der mit den Filtern 36 und 37 beginnt. Die Ausgänge von den F.ltera 36 und 37, die jeweils die Bündieitwcrt- bzw. Leitwert-Anteile darstellen, werden dem Eingang einer Teilerschaltung 109· zugeführt, die an ihrem Ausgang ein Signal erzeugt, das das Verhältnis der Leitwert- und

Blindleitwert-Anteile darstellt. Dieses Ausgangssignal wird dem Eingang eines Funktionsgenerators 110 zugeführt, um ein Signal abzuleiten, das proportional zum Verhältnis des Leitwertes und des Blindleitwertes ist, wobei dieses Signal einem Multiplizierer 1111 zusammen mit dem Blindleitwert-Anteil von dem Ausgang des FiIt .rs 36 zugeführt wird. Das resultierende Produkt wild von dem Blindleitwert-Anteil im Differenzverstärker 112 subtrahiert, um einen Ausgang zu erzielen, der unabhängig von der Feuchtigkeit ist und das Trockengewicht darstellt. Dieser Ausgang wird in einem Ausgangsverstärker 113 verstärkt und kann in irgendeiner gewünschten Weise verwendet werden.

Die Art und Weise, wie dieses Ergebnis erzielt wird, ist aus F i g. 4 zu erkennen, in der die gleichen Kurven 50 und 51 des Blindleitwertes und des Leitwertes gegenüber dem Feuchtigkeitsgehalt für Getreide, wie die nach Fig. 3 dargestellt sind. Der Anstieg des Blindleitwertes ist eine Funktion von sowohl der Menge des vorhandenen Materials als auch der prozentualen Feuchtigkeit. Das Verhältnis des Leitwertes zum Blindleitwert ist andererseits eine Funktion lediglich der prozentualen Feuchtigkeit. Wenn somit die passende Funktion des Leitwert-zu-Blindleitwert-Verhältnisses mal dem Blindleitwert von dem Blindleitwert selbst subtrahiert wird, so ist das Ergebnis die Kurve 52, die unabhängig von der prozentualen Feuchtigkeit und direkt abhängig von dem Trockengewicht des Materials gemacht werden kann, vorausgesetzt, daß die passende Funktion in dem Funktionsgenerator verwendet wird, der in der Schaltung nach Fig. IA gezeigt ist. Die passende Funktion für ein gegebenes Material kann abgeleitet werden. Das Ausgangssignal des Instrumentes soll unabhängig von der Feuchtigkeit sein. Daraus folgt aus den Kurven nach F i g. 4, daß das gewünschte Ausgangssignal gleich dem Ausgang ist, der den Blindleitwert des Materials darstellt, bei dem der Feuchtigkeitsgehalt Null ist (So).

Ausgang = S - Sf ( —) = So

damit ist

So_ S

Für ein vorgegebenes Material kann die Funktion experimentell durch Bestimmung des Blindleitwertes und des Leitwertes für eine gegebene Probe des Materials für verschiedene Größen des Feuchtigkeitsgehaltes gefunden werden. Eine diese Funktion darstellende Kurve für Getreide ist bei 53 in Fig.4 gezeigt, deren Ordinaten numerische Werte entsprechend der vertikalen Skala auf der rechten Seite der graphischen Darstellung sind. Die Kurve 54 in Fig.4 zeigt das Ergebnis der Multiplikation dieser Verhältnisse mit dem Blindleitwert für unterschiedliche Werte der prozentualen Feuchtigkeit

Ähnliche Ergebnisse, jedoch mit etwas geringerer Genauigkeit, können unter Verwendung der Anordnung nach F i g. 1 in der folgenden Weise gewonnen werden: In F i g. 1 wird, wenn sich der Schalter 43 in seiner unteren Stellung und der Schalter 47 in seiner geschlossenen Stellung befindet, der Ausgang des veränderbaren Spannungsteilers 41, der das Gewicht von Wasser darstellt, durch den Ausgang des Differenzverstärkers 42 (,!vidiert, der das Trockengewicht darstellt. Der Ausgang des Teilers 45 und der Ausgang des Ausgangsverstärkers 44 stellt einen Bruchteil des Wassers gegenüber dem Trockengewicht oder mit > geeigneten Maßstabsfaktoren, den Prozentsatz von Wasser gegenüber dem Trockengewicht dar. Wenn der Wassergehalt als prozentualer Anteil des Gesamtgewichtes ausgedrückt werden soll, so kann der Ausgang des veränderbaren Spannungsteilers 41 durch die Summe des Ausgangs des Differenzverstärkers 42 und des Ausgangs des Spannungsteilers 41 in der Teilerschaltung 45 durch geeignete Änderungen der Eingänge an die Schaltung 45 dividiert werden, wie dies zu erkennen ist.

r> In der Anordnung nach Fig. IA kann der Funktionsgenerator 110 irgendeine geeignete übliche Form aufweisen. Beispielsweise kann er die Form aufweisen, die in dem »Handbook and Catalog of Operational Amplifiers«, LI-227, Seite 48, untere Hälfte, Copyright 1969, der Burr-Brown Research Corporation gezeigt ist. Bei diesem Funktionsgenerator kann der Operationsverstärker A beispielsweise die Form aufweisen, die in dem RCA-Datenblatt Nr. 360 vom November 1968 dargestellt ist. Der Differenzverstärker 112 kann die

λ> Form aufweisen, wie sie in der erstgenannten Literaturstelle auf Seite 41 unter der Bezeichnung »Simple Circuit« gezeigt ist. Auch in dieser Schaltung kann der Operationsverstärker A von der Form sein, wie sie in dem obengenannten RCA-Datenblatt bezeichnet ist.

Der Teiler 109 kann die Form aufweisen, die in der Literaturstelle »The Microelectronics Data Book«, 2. Ausgabe, Dezember 1969, der Motorola Semiconductor Products, Inc., in dem Abschnitt über Multiplizierer, Modulatoren und Detektoren und linearen Vierqua-

Ji dranten-Multiplizierern MC 1595 L, Figur 13, gezeigt ist.

In Fig.5 ist eine Modifikation des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 gezeigt, bei der die Subtraktion der Leitwert- und Blindleitwert-Anteile des Brückenausgangs unter Verwendung eines einzigen pbasenempfindlichen Detektors durchgeführt wird, der so phasengesteuert wird, daß er unter einem speziellen Winkel demoduliert, der so ausgewählt ist, daß er einen Wert zwischen 0° und 90° aufweist, wie dies im folgenden erläutert wird. Die Schaltung nach F i g. 5 ersetzt den gesamten Teil der Fig. I₁ der auf den Impedanzpuffer 26 folgt. Die Schaltung nach F i g. 5 umfaßt einen Hochfrequenzverstärker 80, dem der Ausgang von dem Impedanzpuffer 26 nach F i g. 1 zugeführt wird. Der Ausgang des Hochfrequenzverstärkers 80 wird dem Eingang des phasenempfindlichen Detektors 81 zugeführt, dem außerdem ein phasenverschobenes Signal über einen Phasenschieber 82 zugeführt wird, dessen Eingang gleichphasig mit dem Ausgang des Pufferverstärkers 12 nach F i g. 1 zugeführt wird. Die Betriebsweise des Phasendetektors 81 wird unter Bezugnahme auf Fig.5A erläutert, in der die Blindleitwert- und Leitwert-Anteile des Brücken-Ausgangssignals durch die Vektoren B bzw. G dargestellt sind, wobei der Detektor-Phasenwinkel λ ist Im Betrieb erzeugt der Detektor einen Gleichspannungsausgang, der proportional zum Unterschied der Größen von B' und G' ist Durch geeignete Auswahl des Winkels « zwischen det Demodulationsphase und dem Leitwert-Anteil G kann die relative Verteilung von G derart gemacht werden, daß der Gleichspannungsausgang des Detektors proportional zu I BI — PI GI ist, wobei P die passende Konstante ist und der Ausgang das Trockengewicht des

gemessenen Materials darstellt. Somit ist in Fig. 5A zu erkennen, dcß

fl'= S sin«

G' = G cos λ

ist, wobei ex. der Winkel zwischen der Demodulationsphase und der Leitwert-Komponente G ist. Das demodulierte Signal ist £? — C, es ist jedoch

B' - G' = B sin χ - G cos \

= sin \ [ß — cot \ χ G]

Daher ist das demodulierte Signal proportional zu I BI - P\ G |, wobei P — cot α und sin λ die Proportionalitätskonstante ist.

In gleicher Weise kann, wie es weiter unten zu erkennen ist, ein Winkel von 45° für die Messung nach Fig.8 und 8* verwendet werden, und dei Ausgang stellt den wahren Flüssigkeitspegel dar. Wie in dem System nach F i g. 1 kann der Ausgang des Detektors über ein Filter 83 einem Ausgangs-Gleichspannungsverstärker 84 zugeführt werden, dessen Ausgang in der gewünschten Weise verwendet werden kann.

Eine weitere Verwendung des Meßsystems besteht bei dem Überziehen eines Kartons mit einem dünnen Überzug aus Ton, um ihn dazu geeignet zu machen, Druckfarbe oder ähnliche Materialien aufzunehmen. Bei diesem Vorgang wird Ton in Form eines flüssigen Breies auf einen Karton in einem kontinuierlichen Vorgang aufgebracht, um einen Überzug mit einigen hundertstel Millimetern Dicke zu bilden — wesentlich dünner als der Karton selbst, der bis zu vierzigmal dicker als der Tonüberzug sein kann. Es ist wesentlich, daß der Überzug so dünn und gleichmäßig wie möglich ist, um die gewünschte Oberfläche zur Aufnahme von Druckfarbe zu schaffen, jedoch dick genug, um eine vollständige Bedeckung zu schaffen und um alle Vertiefungen in der Kartonoberfläche zu füllen. Zu diesem Zweck ist es erwünscht, die Dicke des Überzuges unmittelbar nach seiner Verarbeitung kontinuierlich zu überwachen und die Beschichtungsmaschineneinheit entsprechend zu steuern. Die zur Überwachung der Dicke des Überzuges verwendeten Einrichtungen müssen ohne direkte Berührung mit der aufgeschichteten Oberfläche arbeiten, die noch feucht und klebrig ist. Bisher bekannte Meßverfahren, wie z. B. die die nukleare Techniken verwendeten, sind für diesen Zweck ungeeignet, weil sie Fehlern aufgrund einer Änderung in der Dicke des Kartonmaterials selbst unterworfen sind. Mit der im folgenden beschriebenen Ausführungsform des Msßsystems ist eine kontinuierliche Überwachung des Leitwertes des Überzuges zwischen zwei mit Abstand angeordneten Punkten möglich, wenn dieser Überzug kontinuierlich aus der Beschichtungsmaschineneinrichtung herausläuft, und zwar ohne daß die beschichtete Oberfläche berührt wird.

Zu diesem Zweck kann die in Fig.6 gezeigte Anordnung anstelle der geraden kapazitiven Sonde 20 in dem System nach F i g. 1 verwendet werden. In dieser Anordnung ist gezeigt, wie der Karton 90 mit dem Tonüberzug 91 sich in der durch den Pfeil 92 angedeuteten Richtung bewegt, wenn er die (nicht gezeigte) Beschichtungsmaschineneinrichtung verläßt Kapazitive Elektroden 93 und 94 berühren die unbeschichtete Seite des Kartons an mit Abstand

angeordneten Punkten entlang seiner Bewegungsrichtung und sind beide über ein Koaxialkabel 21 mit dem Punkt 196 der Brückenschaltung in der Ausführungsform nach F i g. 1 verbunden.

Die äquivalenten Schaltungen dieser Anordnung sind in den F i g. 6A, 6B gezeigt, wobei R den Widerstand des Überzuges zwischen den beiden Punkten darstellt, an denen sich die Elektroden befinden, und wobei X die gesamte kapazitive Serienreaktanz beider Elektroden 93 und 94 darstellt. Somit ist die gesamte Impedanz Z der Elektroden R - jX und der Scheinleitwert kann als Y-= G' + jS ausgedrückt werden. Dies ist der Scheinleitwert, der der Brückenschaltung am Punkt 196 in F'g. I dargeboten wird, und dessen Leitwert- und Scheinleitwert-Komponenten durch den Widerstand If und den Kondensator 19 in dieser Figur dargestellt sind. Wie es weiter unten gezeigt wird, kann der Leitwert G des I Jherzupes /wisrhpn tipn Flplffrnrjpn 93 und 94 in Ausdrücken des Leitwerts G'und des Blindleitwerts S wie folgt ausgedrückt werden:

G = G'+ y_r
Somit ist:

Z=R-JX

Y =

R - j X

R + j X R + j X

___ IS

Y =

KR

R² + K² R²

R __

R² -^K¹R²

11 K

Ύ~' Τ+"κ^{Γ +} ^J "RoTk¹T

" 1 + K²
= G' + jS

' T

Vk²'

So ist:

r- ^G λ τ ^GK

^G = TTT?- ^und ^s = ΊΤΊ?-

G = G'(l

"■-4

5(1 +K²) K

Aus den Gleichungen (1) und (2) ergibt sich:
G = G'(I +K²)

= G' Π +(-Zr]

= G'

S²

Zur Gewinnung der Größe G entsprechend dieses Ausdruckes wird die Anordnung narh Fi σ 1 u/pitpr

modifiziert indem die Anordnung nach F i g. 7 anstelle des Teils nach F i g. 1 eingesetzt wird, der mit den Filtern 36 und 37 beginnt und rechts von diesen liegt Der Ausgang des Filters 36, der den Blindleitwert-Anteil Sin dem Ausdruck darstellt, wird einer Quadrierungsschaltung 100 zugeführt um einen Ausgang zu erzeugen, der S² darstellt und der einem Eingang einer Teilerschaltung 101 zugeführt wird Der Ausgang des Filters 37, der den Leitwert-Anteil Cdarstellt, wird dem anderen Eingang des Teilers 101 zugeführt Der Ausgang des Teilers 101, to

der-gT darstellt wird einem Eingang einer Addierschaltung 102 zugeführt, dessen anderen Eingang der Ausgang (C) von dem Filter 37 zugeführt wird Der Ausgang des Addierers 102 stellt dann

G +

G¹

= G

² = T ⁼ 7-

ist der Blindleitwert pro Längeneinheit der isolierten Sonde:

wobei f die Meßfrequenz und C die Kapazität pro Längeneinheit der Sonde ist Damit ist:

dar. also den Leitwert des Überzuges auf dem Karton, der zwischen den kapazitiven Elektroden 93 und 94 nach F i g. 6 gemessen wird. Dieser Wert kann wie vorher in einem Ausgangsverstärker 103 verstärkt werden, dessen Ausgang zur Steuerung des Beschichtungsvorganges verwendet werden kann. -

In der Anordnung nach F i g. 7 kann die Quadrierungsschaltung 100 die Form aufweisen, wie sie in der vorstehend genannten Literaturstelle der Firma Burr-Brown auf Seite 48 oben links gezeigt ist Der Teiler 101 kann dieselbe Form aufweisen wie der Teiler 45 der Anordnung nach F i g. 1.

Eine weitere Verwendung des Meßsystems bezieht sich auf die Messung des Pegels eines leitenden Materials durch eine Tauchsonde, wobei das leitende Material bestrebt ist einen Überzug auf der Sonde bis zu einem Pegel zu erzeugen, der höher ist als der tatsächliche Flüssigkeitspegel. In F i g. 8 ist zu erkennen, daß der Überzug 106 als unendliche Reihenkette von kleinen Widerständen zwischen der Oberkante des Sondenüberzuges und der Oberkante des Flüssigkeitspegels wirkt, wobei die Isolation 105 wie eine unendliche Anzahl von kleinen Nebenschluß-Kondensatoren wirkt. Eine derartige Schaltung kann als Übertragungsleitung dargestellt werden, wobei die Serienimpedanz pro Längeneinheit (Z) von dem Überzug und der Sondenausbildung abhängig ist, und wobei der Nebenschluß-Scheinleitwert pro Längeneinheit (y) von der Sondenisolation und der Sondenform abhängt. Da die Pegelmessung mit Hochfrequenz erfolgt, wirkt eine kurze Länge des Überzuges (einige Zentimeter) auf der Sonde wie eine unendlich lange Übertragungsleitung. Die Impedanz einer unendlichen Übertragungsleitung ist deren charakteristische Impedanz (Zc), die durch

gegeben ist.

Die Serienimpedanz pro Längeneinheit ζ ist lediglich der Überzugswiderstand pro Längeneinheit:

wobei ρ der spezifische Widerstand des Überzuges und A die Querschnittsfläche des Überzuges ist.
Der Nebenschluß-Scheinleitwert pro Längeneinheit y Z - m -

1/2

oder

Diese Impedanz aufgrund des Überzuges, wie sie durch das Instrument gesehen wird kann durch eine PaiallelschaJtung nach Fig.8A dargestellt werden, bei der die Größe von Ä_rgleich der Größe von X_cist:

Die von dem Instrument gesehene Impedanz aufgrund des Materialpegels an der Sonde ist die kapazitive Reaktanz der Länge der Sonde (I), die in dem Material eingetaucht ist:

X₁ =

/2.-T-/C

Unter Verwendung des Meßsystems werden zwei Gleichspannungssignale erzeugt, von denen eines proportional zum Leitwert der Sonde gegenüber Erde und das andere proportional zum Blindleitwert der Sonde gegenüber Erde ist. Durch Subtraktion der beiden Signale voneinander wird ein Ausgang gewonnen, der proportional lediglich zum tatsächlichen Materialpegel ist Dies wird wie folgt gezeigt:

40

45 iß =

IXiI

G =

Instrumentenausgang λ I B \ - [Cl
1 1 1

jedoch ist: |X_C| = \R_e\
und daher ist: Ausgang

IX

Daraus folgt, daß für einen Überzug, der lang genug ist, um durch eine unendliche Übertragungsleitung dargestellt zu werden (in den meisten Fällen maximal einige Zentimeter) der Überzug vernachlässigt wird und der tatsächliche Materialpegel gemessen wird.

Ein alternatives Verfahren zur Erzielung des gleichen Ergebnisses besteht darin, den Detektor mit 45° phasenzusteuern, so daß die Subtraktion bei der Demodulation erfolgt und lediglich ein Detektor erforderlich ist. Eine Vektordarstellung des Demodulationsschemas ist in Fig. 5B gezeigt. Wenn die Vektorsumme der drei demodulierten Signale genommen wird, ist zu erkennen, daß der Ausgang lediglich von dem Pegel abhängt und unabhängig von den Überzügen ist, die auf der Sonde aufgebaut werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. MeBsystem zur Messung einer die Ausgangssignale einer Scheinleitwertsonde beeinflussenden Eigenschaft eines Materials, bei dem die in die Nähe des Materials oder mit diesem in Berührung bringbare Scheinleitwertsonde mit eine Meßbrücke einschließenden Auswerteeinrichtungen zur Erzeugung eines ersten sich in Abhängigkeit von einer ersten sowie einer zweiten Eigenschaft des Materials ändernden Signals und eines zweiten Signals verbunden ist, das sich lediglich in Abhängigkeit von der zweiten Eigenschaft des Materials ändert, die jeweils dem Blindleitwert- bzw. Leitwertanteil des Scheinleitwertes der Sonde entsprechen, gekennzeichnet durch Anordnungen (41 bis 47) zur algebraischen Addition des ersten Signals mit dem zweiten Signal unmittelbar und/oder nach Modifikation eines <;<ler beider der Signale zur Erzeugung eines Signals, das die Änderungen der ersten Eigenschaft darstellt und im wesentlichen unabhängig von Änderungen der zweiten Eigenschaft ist

2. Verwendung des Meßsystems nach Anspruch 1 zur Messung des Trockengewichts eines Materials mit einem veränderlichen Feuchtigkeitsgehalt, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Blindleitwert-Anteil entsprechend dem Gewicht des Materials und außerdem entsprechend dem Feuchtigkeitsgehalt des Materials ändert, während sich der Leitwert-Anteil nur mit c"sn Feuchtigkeitsgehalt des Materials ändert, und daß die Einrichtungen zur algebraischen Addition des ersten Signals mit dem zweiten Signal ein Signal liefern, das haupisächi'ch Gewichtsveränderungen des Materials darsteiri und im wesentlli- chen unabhängig von Änderungen des Feuchtigkeitsgehaltes ist.

3. Verwendung des Meßsystems nach Anspruch 1 zur Messung der Leitfähigkeit zwischen mit Abstand angeordneten Punkten eines auf ein relativ nicht leitendes Grundmaterial aufgebrachten Überzuges, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheinleitwertsonde zwei mit Abstand in der Nähe des Grundmaterial (90) auf der dem Überzug (91) gegenüberliegenden Seite angeordnete Elektroden (93, 94) aufweist und daß Einrichtungen (17, 26 bis 37) zur Ableitung erster und zweiter Signale, die jeweils nur den Blindleitwcrt- bzw. Leitwert-Anteil des Scheinleitwerts der Elektroden darstellen und Einrichtungen (100 bis 103) zur Verarbeitung der ersten und zweiten Signale zur Erzeugung einer Größe vorgesehen sind, die die Leitfähigkeit des Überzugs (91) zwischen den beiden mit Abstand angeordneten Elektroden (93,94) darstellt.

4. Verwendung des Meßsystems nach Anspruch 1 zur Messung des Pegels eines leitenden Materials in einem Behälter, wobei die Scheinleitwertsonde in das Material eintauchbar ist und das Material eine Überzugsbildung auf der Scheinleitwertsonde hervorruft, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Blindleitwert-Anteil mit dem Pegel des Materials sowie auf Grund des Anhaftens des Materials an der Scheinleitwertsonde ändert, wenn sich der Pegel des Materials ändert, während sich der Leitwert-Anteil lediglich auf Grund des Anhaftens des Materials an der Scheinleitwertsonde ändert, und daß dsis Ausgangssignal des Meßsystems Änderungen des Pegels darstellt, jedoch im wesentlichen durch dais Anhaften des Materials an der Scheinleitwertsonde unbeeinflußt ist *

5. Meßsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Verarbeitung der ersten und zweiten Signale Einrichtungen (100) zur Quadrierung des ersten Signals, Einrichtungen (101) zur Division des quadrierten Signals durch das zweite Signal und Einrichtungen (102) zur Addition des sich aus der Division ergebenden Signals mit dem zweiten Signal zur Erzeugung eines die Leitfähigkeit darstellenden Signals umfassen.

6. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnungen zur algebraischen Addition des ersten Signals mit dem zweiten Signal eine Einrichtung (42) zur Subtraktion des zweiten Signals von dem ersten Signal umfassen.

7. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Modifikation eines der beiden Signale einen mit der Scheinleitwertsonde (20) in Reihe geschalteten Kondensator umfassen.

8. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheinleitwertsonde zur Modifikation eines der beiden Signale einen Isolierüberzug aufweist

9. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch Einrichtungen (109) zur Division des zweiten Signals durch das erste Signal, einen Funktionsgenerator (110) zur Erzeugung eines Signals, das eine vorgegebene Funktion des durch diese Division erzeugten Quotientensignals ist, Einrichtungen (111) zur Multiplikation des letztgenannten Signals mit dem ersten Signal und Einrichtungen (112) zur Subtraktion des resultierenden Produktsignals von dem ersten Signal zur Erzeugung eines Signals, das im wesentlichen unabhängig von Änderungen der zweiten Eigenschaft ist

10. Meßsystem nach An^inich 9, dadurch gekennzeichnet, daß das von dem Funktionsgenerator (UO) erzeugte Signal derart ist, daß bei einer Multiplikation mit dem ersten Signal das resultierende Produktsignal eine ähnliche mathematische Form wie das erste Signal aufweist.

11. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal, das jeweils nur den Blindleitwert- bzw. Leitwert-Anteil des Scheinleitwertes der Scheinleitwertsonde darstellt, einem phasenempfindlichen Detektor (31, 32) zugeführt wird, der so phasengesteuert ist, daß sein Ausgangssignal die Differenz zwischen den Blindleitwert- und Leitwert-Anteilen darstellt

12. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal, das jeweils nur den Blindleitwert- bzw. den Leitwert-Anteil des Scheinleitwertes der Scheinleitwertsonde darstellt, einem phasenempfindlichen Detektor (36, 37) zugeführt wird, der derart phasengesteuert ist, daß sein Ausgangssignal den Unterschied zwischen dem Blindleitwert-Anteil und dem Produkt einer Konstante multipliziert mit dem Leitwert-Anteil darstellt.