DE2412165A1 - Suspension measuring device for concentration of solids - has capacitive sensor whose permittivity depends on concentration of particles - Google Patents
Suspension measuring device for concentration of solids - has capacitive sensor whose permittivity depends on concentration of particlesInfo
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Abstract
Description
Meßgerät zur Messung der Konzentration von Feststoffen in Suspensionen Die Erfindung betrifft ein Meßgerät zur Messung der Konzentration von Feststoffen in Suspensionen, bei dem eine als Kapazität ausgebildete Meßsonde derart in die Suspension eingetaucht ist, daß deren Di-elektrizitätskonstante von der Feststoffkonzentration der sie durchströmenden Suspension abhängt, und bei dem an der Kapaztät der Meßsonde eine Wechselspannung anliegt und ein Meßgerät einen Meßwert anzeigt, der der Anderung der Dielektrizitätskonstante der Kapazität entspricht.Measuring device for measuring the concentration of solids in suspensions The invention relates to a measuring device for measuring the concentration of solids in suspensions, in which a measuring probe designed as a capacitance is inserted into the Suspension is immersed so that its dielectric constant depends on the solids concentration depends on the suspension flowing through it, and on the capacitance of the measuring probe an alternating voltage is applied and a measuring device displays a measured value that corresponds to the change corresponds to the dielectric constant of the capacitance.
Derartige Meßgeräte sind bekannt (DT-OS 2 120 744, DT-PS 935 257, DT-PS 904 214; siehe auch Metzger, Elektronisches Verfahren zur Messung von Feststoffkonzentrationen in Suspensionen, "Chemieanlagen und Verfahrentt, Juli 1973, 5.47/48). Sie messen die Änderung der Kapazität, die infolge einer Änderung der Di-elektrizitätskonstante auftritt, die ihrerseits auf einer Änderung der Feststoffkonzentration in der Suspension beruht, die die Kapazität durchströmt. Alle bekannten Meßgeräte schalten die Kapazität der Meßsonde als Element einer Brückenschaltung, deren Diagonalspannung als Meßwert abgegriffen und angezeigt wird.Such measuring devices are known (DT-OS 2 120 744, DT-PS 935 257, DT-PS 904 214; see also Metzger, Electronic method for measuring solids concentrations in suspensions, "Chemieanlagen und Verfahrentt, July 1973, 5.47 / 48). They measure the change in capacitance resulting from a change in the dielectric constant occurs, which in turn is due to a change in the solids concentration in the suspension is based, which flows through the capacity. All known measuring devices switch the capacitance the measuring probe as an element of a bridge circuit, its diagonal voltage as a measured value tapped and displayed.
Diese zur Messung von Änderungen der Widerstandswerte elektrischer Schaltelemente infolge irgendwelcher Einflüsse an sich naheliegende Methode weist jedoch für den vorliegenden Verwendungszweck erhebliche Nachteile auf: Die Verwendung der Brückenschaltung bedingt eine Anordnung der Kapazität, bei der Stör- und Streupotentiale auf den Zuleitungen zur Kapazität, die etwa durch induktive oder kapazitive Kopplungen wirksam werden, die Diagonalspannung direkt beeinflussen. Das läßt sich auch nicht durch Abschirmung der Zuleitungen vermeiden, da auch bei metallischer Abschirmung (etwa durch den Außenleiter eines Koaxialkabels) bis zum Erdungspunkt Ströme fließen, die über die Kapazität zwischen Abschirmung und abgeschirmter Zuleitung die Streupotentiale in die Zuleitungen einkoppeln.This used to measure changes in electrical resistance values Switching elements as a result of any influences on the obvious method however, it has considerable disadvantages for the present purpose: The use the bridge circuit requires an arrangement of the capacitance, with the interference and stray potentials on the supply lines to the capacitance, for example through inductive or capacitive coupling take effect, directly affect the diagonal tension. That cannot be done either Avoid by shielding the supply lines, as this is also the case with metallic shielding Currents flow (e.g. through the outer conductor of a coaxial cable) to the grounding point, the stray potentials via the capacitance between the shielding and the shielded supply line couple into the supply lines.
Daß etwa die Berührung solcher Abschirmungen mit der Hand bei hochempfindlichen Meßplätzen zur Verfälschung des Meßergebnisses führt, das an einer Anzeige (etwa einem Oszillographen oder einem Meßschreiber) sofort sichtbar wird, ist ein allgemein geläufiger Effekt.That about touching such shields with the hand in the case of highly sensitive ones Measuring stations leads to falsification of the measurement result, which is shown on a display (e.g. an oscilloscope or a measuring recorder) is immediately visible is a general one common effect.
Bei Schaltung der Kapazität der Meßsonde in einer Meßbrücke besteht ferner der Nachteil, daß die Kapazität zwischen den Zuleitungen parallel zur Kapazität der Meßsonde liegt; es ist also erstens ein.hochemprindlicher Abgleich notwendig und zweitens eine hohe Empfindlichkeit gegen Veränderungen dieser Kapazität und Aufladungen durch irgendwelche Stör- bzw. Streupotentiale gegeben.When switching the capacitance of the measuring probe in a measuring bridge also the disadvantage that the capacitance between the leads is parallel to the capacitance the measuring probe lies; First of all, a high-quality comparison is necessary and secondly, a high sensitivity to changes in this capacity and Charges given by any interference or stray potentials.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, en. MeRgergt der eingangs genannten Art zu schaffen, das diese. Nachteile nicht aufweist, das insbesondere gegen- Störeinflüsse in den Zuleitungen zu der durch eine Kapazität gebildeten Meßsonde weniger empfindlich ist.The invention is therefore based on the object en. MeRgergt the entrance called type to create this. Does not have disadvantages, in particular counter interference in the supply lines to the measuring probe formed by a capacitance is less sensitive.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, daß die Wechselspannung eine Reihenschaltung der Kapazität der Meßsonde mit einem im Vergleich zum Widerstand der Kapazität niederohmigen Meßwiderstand beaufschlagt und der Spannungsabfall am Meßwiderstand angezeigte Meßgröße darstellt, wobei das der Verbindung mit der Kapazität (C) abgewandte Ende des Meßwiderstandes geerdet ist, und die an der Reihenschaltung anliegende Wechselspannung einen im Vergleich mit dem Widerstand (1/2 Mr fC) der Kapazität (C) geringen Innenwiderstand (Ri) aufweist.According to the invention this is achieved in that the alternating voltage a series connection of the capacitance of the measuring probe with a compared to the resistance the capacitance applied to a low-resistance measuring resistor and the voltage drop on Measuring resistance represents the measured variable indicated, whereby that of the connection with the capacitance (C) the remote end of the measuring resistor is grounded, and the one on the series circuit applied alternating voltage a in comparison with the resistance (1/2 Mr fC) of the Capacitance (C) has low internal resistance (Ri).
Die Erfindung geht davon aus, daß die Schwierigkeiten, die beim Stande der Technik bei der Ausschaltung von Störeinflüssen auftreten, grundsätzlich durch die Verwendung der für Meßzwecke an sich naheliegenden Brückenschaltungen bedingt sind, so daß sie deshalb auch nicht durch weitere Verfeinerungen des Abgleichs oder der Empfindlichkeit der Brückenschaltungen, spezielle Ausbildungen der Abschirmung oder Abschirmungen der Meßsonde selbst ausgeschaltet werden können. Die Erfindung geht vielmehr vom Prinzip einer Brückenschaltung ab. Die Stör-bzw. Streupotentiale an den Zuleitungen zur Kapazität der Meßsonde bauen sich daher jeweils vorwiegend über den inneren Widerstand der Quelle der Wechselspannung am Eingang der Reihenschaltung bzw. über den Meßwiderstand ab. Beide Widerstände sind aber klein gegenüber dem Widerstand der Kapazität. Die Streu- bzw. Störpotentiale werden über einen Schaltungsweg abgebaut, der gegenüber dem Schaltungsweg über die Kapazität niederohmig ist; in anderen Worten: Der Erdungspfad (Zuleitung zur Erde) jedes Punktes der beiden Zuleitungen zur Kapazität wird jeweils durch einen niederohmigen Schaltungsweg, der nicht über die Kapazität (C)BErt, bestimmt. Die Störpotentiale laden also die Kapazität der Meßsonde nicht auf.The invention assumes that the difficulties that stand of the technology in the elimination of interferences occur, in principle the use of the bridge circuits, which are obvious for measurement purposes, is required are so that they are therefore not through further refinements of the comparison or the sensitivity of the bridge circuits, special shielding designs or shields of the measuring probe itself can be switched off. The invention rather goes from the principle of a bridge circuit. The sturgeon or. Scatter potentials the leads to the capacitance of the measuring probe are therefore predominantly built up in each case via the internal resistance of the source of the alternating voltage at the input of the series circuit or via the measuring resistor. Both resistances are small compared to that Resistance of capacitance. The stray or interference potentials are via a circuit path dismantled, which is low-resistance compared to the circuit path on the capacitance; in In other words: The earth path (lead to earth) of each point of the two leads to the capacity is in each case by a low-resistance circuit path that does not have the capacity (C) BErt, is determined. The interference potentials load the capacity of the Measuring probe not open.
Andererseits wird der durch den Meßwiderstand fließende Strom durch die Größe der Kapazität (abhängig von der sich mit der Konzentration der durchfließenden Suspension ändernden Di-elektrizitätskonstante) bestimmt, so daß eine genaue Messung der Kapazität und ihrer Veränderung durch Messung des Spannungsabfalls am Meßwiderstand gegeben ist.On the other hand, the current flowing through the measuring resistor is through the size of the capacity (depending on the concentration of the flowing through Suspension changing dielectric constant), so that an accurate measurement the capacitance and its change by measuring the voltage drop across the measuring resistor given is.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der innere Widerstand der an der Reihenschaltung anliegenden Wechselspannung gleich dem Meßwiderstand; der "Erdungsabstand" beider Zuleitungen zur Kapazität wird damit gleich. Bildet man gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung beide Zuleitungen ferner getrennt als Koaxialkabel aus, dann kompensieren sich auch die Kabelkapazitäten.According to an advantageous development of the invention, the inner Resistance of the alternating voltage applied to the series circuit equal to the measuring resistor; the "earthing distance" of both supply lines to the capacitance is thus the same. Forms according to a further advantageous development of the invention, both supply lines furthermore separately as coaxial cable, then the cable capacities also compensate each other.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung betreffen die Verwendung einer eingeprägten Speisespannung der Reihenschaltung, zu der die Kapazität gehört, die Verwendung eines auf die Frequenz der Speisespannung abgestimmten Filters hinter dem Meßwiderstand, die Einstellbarkeit der Lage der Nullanzeige des Anzeigegerätes, sowie die verschiedenen Möglichkeiten zur Temperaturkompensation.Further advantageous developments of the invention relate to the use an impressed supply voltage of the series circuit to which the capacitance belongs, the use of a filter that is matched to the frequency of the supply voltage the measuring resistor, the adjustability of the position of the zero display of the display device, as well as the various options for temperature compensation.
Das Anwendungsgebiet derartiger Meßgeräte ist außerordentlich weit. Es kann in der Aufbereitungstechnik zur Messung des Feststoffgehaltes im Schlammaustrag von Eindickern, in der Chemieindustrie zur Messung des Feststoffgehaltes von Binderflüssigkeiten und beim Kunststoffspritzen, im Bergbau zur Messung des Feststoffgehaltes bei der Fest-Flüssig-Trennung von Kohle bzw. Erz, in der Kontrolle der Umweltverschmutzung zur Messung des Feststoffgehalts von Abwässern, in der mechanischen Verfahrenstechnik ganz allgemein zur Messung der Feststoffkonzentration bei Filtern, Zentrifugen, Glasierern, Misch- und Rührapparaten u.a. Verwendung finden. Ein besonderer Vorteil ist auch darin zu sehen, daß mit Hilfe dieses Meßgeräts kontinuierliche Messungen und ihre Registrierung mit Kompensationsschreibern möglich sind, die ihrerseits wieder eine fortlaufende Regelung oder Steuerung von Verfahrensabläufen ermöglichen. Das gilt insbesondere im Vergleich mit den noch weitverbreiteten Auswägeverfahren zur Bestimmung von Feststoffkonzentrationen, bei denen zunächst eine Probe gezogen, diese abgewogen, danach die Flüssigkeit ausgedampft, nochmals gewogen und die Feststoffkonzentration aus den geergebnissen durch Umrechnung ermittelt wird.The field of application of such measuring devices is extremely wide. It can be used in processing technology to measure the solids content in the sludge discharge of thickeners, in the chemical industry for measuring the solids content of binder liquids and in plastic injection molding, in mining for measuring the solids content in the Solid-liquid separation of coal or ore, in the control of environmental pollution for measuring the solids content of Sewage, in the mechanical Process engineering in general for measuring the solids concentration in filters, Centrifuges, glazers, mixing and stirring devices, etc. are used. A special The advantage is also to be seen in the fact that with the help of this measuring device continuous Measurements and their registration with compensation recorders are possible for their part enable continuous regulation or control of process sequences. This is especially true in comparison with the weighing methods that are still widely used for the determination of solids concentrations at which a sample is initially taken, weighed this, then evaporated the liquid, weighed again and the solids concentration is determined from the results by conversion.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschieben. Es stellen dar: Fig. 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels; Fig. la ein Ersatzschaltbild der Schaltung nach Fig. 1; Fig. 2 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels; Fig. 3 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels; Fig. 4 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels; Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel der Meßsonde; Fig. 5a einen Schnitt entlang der Linie Va - Va in Fig. 5; Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Meßsonde; Fig. 6a eine weitere Darstellung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 6.Embodiments of the invention are referred to below refer to the attached drawings. The figures show: FIG. 1 a block diagram a first embodiment; La is an equivalent circuit diagram of the circuit according to Fig. 1; 2 shows a block diagram of a further exemplary embodiment; Fig. 3 a Block diagram of a further embodiment; Fig. 4 is a block diagram another embodiment; 5 shows an embodiment of the measuring probe; FIG. 5a shows a section along the line Va - Va in FIG. 5; FIG. 6 shows a further embodiment the measuring probe; FIG. 6a shows a further illustration of the exemplary embodiment according to FIG. 6th
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bzw. la besteht aus einem Generator 1, der an den Klemmen 2 und 2 eine Wechselspannung U1 abgibt. Zwischen den beiden Klemmen 2 und 3 liegen in Reihen geschaltet die Meßsonde 10 mit der Kapazität C und ein Meßwiderstand Rm . Die Erdung erfolgt an der Klemme, an der dasjenige Ende des Widerstands Rm anliegt, das nicht mit der Kapazität C verbunden ist. Der Spannungsabfall U2 am Meßwiderstand Rm gelangt an die Klemmen 5 und 6 des Meßverstärkers 4 und von dessen Ausgang an ein Anzeigegerät 7. Die beiden Zuleitungen 8 und 9 zur Kapazität C der Meßsonde 10, d.h. erstens die Zuleitung von der Klemme 3 zur einen Seite der Kapazität C und zweitens die Zuleitung von der Klemme 6 zur anderen Seite der Kapazität C werden durch Koaxial-Leitungen gebildet, deren Außenleiter 8' bzw. 9' geerdet sind.The embodiment of Fig. 1 or la consists of a generator 1, which outputs an alternating voltage U1 at terminals 2 and 2. Between the two Terminals 2 and 3 are connected in series, the measuring probe 10 with the capacitance C. and a measuring resistor Rm. The grounding takes place at the terminal at which that end of the resistor Rm, which is not connected to the capacitance C, is present. The voltage drop U2 at the measuring resistor Rm reaches the terminals 5 and 6 of the measuring amplifier 4 and from its output to a display device 7. The two leads 8 and 9 to the capacitance C of the measuring probe 10, i.e. firstly the supply line from terminal 3 to one side of the Capacity C and secondly the supply line from terminal 6 to the other side of the capacity C are formed by coaxial lines whose outer conductors 8 'or 9' are grounded are.
Bei der verwendeten Frequenz f der vom Generator 1 abgegebenen Wechselspannung U1 ist der vom Ausgang zwischen den Klemmen 2 und 3 her gemessene innere Widerstand R.At the frequency f used, the alternating voltage output by the generator 1 U1 is the internal resistance measured from the output between terminals 2 and 3 R.
des Generators und der Meßwiderstand Rm klein gegenüber dem Absolutwert des Spannungsabfalls an der Kapazität C.of the generator and the measuring resistor Rm small compared to the absolute value the voltage drop across the capacitance C.
Es gilt also: Ein Ausführungsbeispiel wies folgende Werte auf: Der innere Widerstand Ri und der Meßwiderstand Rm betrugen je ca. 10 Ohm, die Frequenz des Generators 1 ca. 2 NHz, die Kapazität Co der Meßsonde 10 bei Luft als Di-elektrikum ca. 200 pF. Bei Verwendung dieser Kapazität als Meßsonde in einer Feststoffpartikelsuspension ergab sich ein Widerstand in der Größenordnung von ca. 200 Ohm bis 1 Kiloohm.So the following applies: An exemplary embodiment had the following values: the internal resistance Ri and the measuring resistance Rm were each approx. 10 ohms, the frequency of the generator 1 approx. 2 NHz, the capacitance Co of the measuring probe 10 with air as a dielectric approx. 200 pF. Using this capacitance as a measuring probe in a solid particle suspension resulted in a resistance of the order of magnitude of approx. 200 ohms to 1 kilo ohm.
Um den Spannungsabfall am Meßwiderstand Rm exakt anzeigen zu können, muß der Eingangswiderstand des Meßverstärkers 4 groß gegenüber dem Meßwiderstand Rm sein.In order to be able to display the voltage drop at the measuring resistor Rm exactly, the input resistance of the measuring amplifier 4 must be large compared to the measuring resistor Be rm.
Wird nun die Meßsonde 10 mit der Kapazität C in eine Flüssigkeit bzw. Flüssigkeitsströmung mit wechselndem Feststoffgehalt, die damit die Di-elektrizitätskonstante zwischen den beiden Platten der Kapazität C bestimmt, getaucht, son ändert sich die Kapazität C entsprechend in Abhängigkeit vom Feststoffgehalt. Es ändert sich demgemäß bei gleichbleibender Spannung 1 und gleichbleibender Frequenz f auch der durch C fließende Strom; das führt dann zu einer entsprechenden Änderung der Spannungsabfalls am Meßwiderstand R,also auch zu einer Änderung des am Anzeigegerät 7 angezeigten Meßwertes.If the measuring probe 10 with the capacitance C is now immersed in a liquid or Liquid flow with changing solids content, which thus the dielectric constant between the two plates of the capacity C is determined, immersed, but changes the capacity C depending on the solids content. It changes accordingly with constant voltage 1 and constant frequency f also the current flowing through C; this then leads to a corresponding change in the voltage drop at the measuring resistor R, so also to a change in the displayed on the display device 7 Measured value.
Der Generator 1 sollte vorzugsweise so ausgebildet sein, daß die Spannung U1 an den Klemmen 2 und 3 von den Stromänderungen bei Änderung der Kapazität C nicht beeinflußt wird; die Spannung U1 sollte also eingeprägt sein.The generator 1 should preferably be designed so that the voltage U1 at terminals 2 and 3 of the current changes when the capacitance C changes being affected; the voltage U1 should therefore be impressed.
Die Vorteile dieser Schaltung gegenüber der Verwendung der an sich bekannten Brückenschaltungen kapazitärer Meßsonden (DT-OS 2 120 744, t'Chemieanlagen und Verfahren", Juli 1973, S. 47/48) sind folgende: Die hauptsächlichen Störeinflüsse sind Stör- und Streupotentiale auf den Leitungen 8 bzw. 9. Diese Leitungen sind nun zwar durch die geerdeten Außenleiter 8' bzw. 9' abgeschirmt; diese Abschirmung und Erdung schließt jedoch nicht aus, daß die Stör- und Streupotentiale U51 bzw. U52 über die zwischen Innen- und Außenleiter bestehenden Kapazitäten C8 bzw. C9 auch auf den Innenleiter der Foaxialkabel, d.h. die Zuleitungen 8 bzw. 9 übertragen werden.The advantages of this circuit over the use of the per se known bridge circuits of capacitive measuring probes (DT-OS 2 120 744, t'Chemieanlagen undverfahren ", July 1973, p. 47/48) are as follows: The main interfering influences are interference and stray potentials on lines 8 and 9. These lines are now shielded by the grounded outer conductor 8 'or 9'; this shield and grounding does not exclude the possibility of interference and stray potentials U51 or U52 about the capacities existing between inner and outer conductors C8 or C9 also on the inner conductor of the foaxial cable, i.e. the supply lines 8 or 9 are transmitted.
Das Auftreten von Streu- bzw. Störpotentialen kann z.B.The occurrence of stray or interference potentials can e.g.
elektrostatisch durch Berührung oder durch anderweitige elektrostatische Aufladung, ferner durch induktive und/oder kapazitive Kopplung mit anderen Potentialquellen im selben Raum o.dgl. verursacht sein. Auch die Erdung beseitigt dies nicht, da von der Stelle, an der ein Störpotential auftritt, bis zum Erdungspunkt Erdungsströme fließen, die ihrerseits in den Abschirmungen Spannungsabfälle hervorrufen, die die Kapazität der abgeschirmten Leitung aufladen bzw. über sie abfließen und damit eine Messung störend beeinflussen. Diese Phänomene sind an sich wohl bekannt.electrostatic by touch or by any other electrostatic Charging, also through inductive and / or capacitive coupling with other potential sources in the same room or the like. be caused. The grounding does not remove this either, there from the point at which an interference potential occurs to the earthing point earth currents flow, which in turn cause voltage drops in the shields, which the Charging the capacitance of the shielded line or draining it and thus a Interfering with the measurement. These phenomena are well known per se.
Diese Streu- bzw. Störpotentiale sind im Ersatzschaltbild nach Fig. la durch die Spannungen U51 und U52 zwischen den Zuleitungen 8 bzw. 9 und dem Erdungspunkt dargestellt.These stray or interference potentials are shown in the equivalent circuit diagram according to Fig. la through the voltages U51 and U52 between the supply lines 8 and 9 and the grounding point shown.
Berücksichtigt man dabei, daß, wie bereits erwähnt, die beiden Ohm'schen Widerstände Ri bzw. Rm bei der Frequenz f klein gegenüber dem Widerstand (1/2 C) der Kapazität C sind, so ergibt sich, daß ein Störpotential Usi einen Strom durch den Widerstand Ri zur Folge haben wird, der wesentlich größer als der von demselben Störpotentialin der Kapazität C und im Widerstand Rm hervorgerufene Strom ist. Das Störpotential U51 baut sich also vorwiegend über den Widerstand Ri ab. Wegen des angegebenen Verhältnisses der Widerstände zueinander sorgt also der vergleichsweise kleine Widerstand Ri dafür, daß eine Ladung der Platte des Kondensators C, an der die Leitung 8 angeschlossen ist, praktisch nicht auftreten kann; durch den Widerstand Ri wird die Kapazität C für ein Störpotential Usi praktisch kurzgeschlossen. Dasselbe gilt für eine Störspannung Us2. Auch hier schließt der relativ geringe Widerstand Rm den Strompfad, auf dem eine Aufladung der mit der Leitung 9 verbundenen Platte des Kondensators C erfolgen könnte, praktisch kurz. Der Strom über C und Ri ist wesentlich kleiner als über Rm Man kann diese Wirkung auch derart beschreiben: Gemessen in Potentialdifferenzen, ist der Erdungs-"Abstand" der beiden Zuleitungen 8 und 9 klein gegenüber dem Potentialabstand beider Platten der Kapazität C zueinander.If one takes into account that, as already mentioned, the two ohms Resistances Ri or Rm at frequency f small compared to the resistance (1/2 C) of the capacitance C, it follows that an interference potential Usi carries a current through will result in the resistance Ri which is much greater than that of the same Interference potential in the capacitance C and the current produced in the resistance Rm. That Interference potential U51 is therefore mainly reduced via the resistance Ri. Because of the specified ratio of the resistances to each other ensures the comparative small resistance Ri that a charge on the plate of the capacitor C, on the the line 8 is connected, can practically not occur; through the resistance Ri, the capacitance C is practically short-circuited for an interference potential Usi. The same thing applies to an interference voltage Us2. Here, too, the relatively low resistance closes Rm the current path on which one Charging the line 9 connected plate of the capacitor C could be done, practically short. The current over C and Ri is much smaller than over Rm describe: Measured in potential differences, is the earthing "distance" of the two Leads 8 and 9 small compared to the potential distance between the two plates of the capacitance C to each other.
Dieser vorzugsweise bei gleichen Werten von Ri und Rm für beide Zuleitungen 8 und 9 gleiche Rrdungsabstand führt dazu, daß die Wirkungen von Störpotentialen bei der vorliegenden Schaltung an der Kapazität C weitgehend ausgeschaltet sind. Im Gegensatz dazu haben die Schaltungen nach dem Stande der Technik, die alle auf Brückenschaltungen der Kapazität zurückgreifen und sie zu vervollkommnen oder besonders sorgfältig abzuschirmen suchen, im Prinzip immer den Nachteil, daß Störpotentiale auf den Zuleitungen zur Kapazität diese auf laden. Das ist bei den bekannten Brückenschaltungen besonders deshalb äußerst nachteilig, weil Brückenschaltungen ja im Prinzip darauf basieren, daß sich das Potential des Punktes zwischen dem eigentlichen Meßwertaufnehmer (Kapazitätssonde) und einem festen Widerstand gegenüber einem festen Bezugspotential in Abhängigkeit vom aufgenommenen Meßwert ändert, so daß ein Ausschalten der an diesem Punkt besonders wirksamen Störpotentiale durch Pestlegung dieses Punktes gegenüber Erae -schon im Prinzip ausscheidet. Bei der Schaltung nach Fig.1 und la wird das aber praktisch durch die gleichen und relativ kleinen Erdungsabstände der Zuleitungen 8 bzw. 9 erreicht, die durch die Widerstände Ri und Rm gegeben sind. Es wird ferner im Zusammenwirken mit der Tatsache erreicht, daß bei der Erfindung nicht die Messung des Potentials an der Kapazität, sondern die Messung des Stroms durch die Kapazität bei eingeprägter Spannung erfolgt, indem der durch den Strom hervorgerufene Spannungsabfall am Meßwiderstand Rm gemessen wird. Durch die getrennte Ausbildung der beiden Zuleitungen 8 und 9 in Form zweier verschiedener Koaxialkabel tritt ferner bezüglich der Kabelkapazitäten der Effekt ein, daß sie nicht parallel zur Kapazität C der Meßsonde 10, sondern über den relativ niederohmigen Widerständen R. bzw. Rm liegen. Sie kompensieren sich gegenseitig in Bezug auf die Kapazität C, Der Nachteil bekannter Brückenschaltungen, der darin zu sehen ist, daß - prinzipiell bedingt durch den grundsätzlichen Aufbau einer Brückenschaltung - die Kabelkapazität parallel zur Kapazität der Meßsonde liegt, entfällt. Darin liegt auch ein Vorteil gegenüber allen Meßsonden, die eine koaxiale Zuführung beider Anschlüsse zur Kapazität der Meßsonde in Form nur eines Koaxialkabels vorsehen.This preferably with the same values of Ri and Rm for both supply lines 8 and 9 the same grounding distance leads to the effects of interference potentials are largely switched off at the capacitance C in the present circuit. In contrast, the prior art circuits have all of them Access bridge circuits of capacity and perfect them or special Look carefully to shield, in principle always the disadvantage that interference potentials load them on the leads to the capacitance. This is the case with the known bridge circuits especially extremely disadvantageous because bridge circuits are based on it in principle based that the potential of the point between the actual transducer (Capacitance probe) and a fixed resistance to a fixed reference potential changes depending on the recorded measured value, so that switching off the on This point is particularly effective interference potential by pesting this point compared to Erae - already ruled out in principle. In the circuit according to Fig.1 and la but this is practically due to the same and relatively small grounding distances of the Reached leads 8 and 9, which are given by the resistors Ri and Rm. It is also achieved in conjunction with the fact that in the invention not the measurement of the potential on the capacitance, but those Measurement of the current through the capacitance at impressed voltage is done by the voltage drop caused by the current is measured at the measuring resistor Rm will. Due to the separate design of the two leads 8 and 9 in the form of two The effect of various coaxial cables also occurs with regard to the cable capacities one that they are not parallel to the capacitance C of the measuring probe 10, but rather across the relative low resistance resistors R. and Rm respectively. They compensate each other in terms of capacitance C, the disadvantage of known bridge circuits that is in it it can be seen that - in principle due to the basic structure of a bridge circuit - the cable capacitance is parallel to the capacitance of the measuring probe is not applicable. In this there is also an advantage over all measuring probes that have a coaxial supply of both Provide connections for the capacitance of the measuring probe in the form of a coaxial cable only.
Bei Ausführung der Schaltung nach Fig. 1 haben sich diese Vorteile auch in der Praxis bestätigt; ein Meßaufbau mit üblichen brückenschaltungen erwies sich als wesentlich störungsempfindlicher, etwa bei Berühren der Leitungen o.dgl..When the circuit according to FIG. 1 is implemented, these advantages are found also confirmed in practice; a test setup with conventional bridge circuits proved prove to be much more sensitive to interference, for example when touching the lines or the like.
Der Meßwiderstand Rm ist in den Figuren als veränderlicher Widerstand dargestellt; durch Einstellung dieses Widerstandes kann eine Abstimmung auf den Anzeigewert "Null" des Anzeigegerätes 7 erfolgen.The measuring resistor Rm is shown in the figures as a variable resistor shown; by setting this resistance, a vote on the Display value "zero" of the display device 7 take place.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sieht zusätzlich zum Generator 1 eine diesem nachgeschaltete Endstufe lt vor, die dazu dient, die Spannung an den Klemmen 2 und 3 stromunabhängig auf einen konstanten Wert einzuregeln und den gewünschten niedrigen Wert des Widerstandes Ri zu gewährleisten. Die am Meßwiderstand Rm gemessene, an den Klemmen 5 und 6 abgegriffene Spannung gelangt an den Doppelweg- Gleichrichter 11 (Graetz-Schaltung).The embodiment of FIG. 2 looks in addition to the generator 1 there is an output stage downstream of this, which is used to supply the voltage to the Terminals 2 and 3 are to be regulated to a constant value independently of the current and the desired to ensure a low value of the resistance Ri. The measured at the measuring resistor Rm, The voltage tapped at terminals 5 and 6 is applied to the two-way Rectifier 11 (Graetz circuit).
Durch die Kapazität C15 und den Widerstand R13 wird die Spannung am Ausgang des Doppelweg-Gleichrichters 11 geglättet. An den Klemmen 14 und 15 liegt somit eine Gleichspannung, die dem Spannungsabfall am Meßwiderstand Rm proportional ist. Ihre Anzeige erfolgt über ein Digitalvoltmeter 16, dessen einer Eingang mit der Klemme 14 verbunden ist. Der andere Eingang des Digitalvoltmeters ist mit dem einstallbaren Abgriff eines Regelwiderstandes 17 verbunden, dessen eines Ende mit der Klemme 15 verbunden ist. Das ermöglicht eine an sich bekannte Nullpunktverschiebung der Anzeige des Digitalvoltmeters 16. Im Digitalvoltmeter 16 ist gleichzeitig eine GleichstromVerstärkung der diesem an seinem Eingang zugeführten Spannung vorgesehen. Die Stromversorgung des Digitalvoltmeters 16 (nicht gezeigt) erfolgt über die Klemmen 18. Die Stromversorgung des Generators 1 und der Endstufe 1' erfolgt über ein Netzgerät 19. Die Speisung des Regelwiderstandes 17 erfolgt über das Netzgerät 20.Through the capacitance C15 and the resistor R13, the voltage on Output of the full wave rectifier 11 smoothed. Is connected to terminals 14 and 15 thus a direct voltage which is proportional to the voltage drop across the measuring resistor Rm is. They are displayed via a digital voltmeter 16, one of which has an input the terminal 14 is connected. The other input of the digital voltmeter is with the einstallbaren tap of a variable resistor 17 connected, one end with connected to terminal 15. This enables a zero point shift that is known per se the display of the digital voltmeter 16. In the digital voltmeter 16 is a Direct current amplification of the voltage supplied to it at its input is provided. The digital voltmeter 16 (not shown) is supplied with power via the terminals 18. The generator 1 and the output stage 1 'are supplied with power via a power supply unit 19. The supply of the regulating resistor 17 takes place via the power supply unit 20.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 entspricht weitgehend demjenigen nach Fig. 2; es ist jedoch um eine Temperaturkompensation erweitert. Der Regelwiderstand 17 wird nicht, wie nach Fig. 2, mit konstantem Strom, sondern von einem Gleichspannungsverstärker 20' gespeist. Dessen Ausgangsspannung ist einer an seinem Eingang liegenden Differenzspannung a U zwischen einer Klemme 21 und einer Klemme 22 proportional. Das Potential an der Klemme 21 stellt eine Bezugsspannung dar und ist einstellbar. Die Spannung an der Klemme 22 wird von einem Temperaturmeßelement 23 abgeleitet, das Bestandteil der Meßsonde 10 ist und die Temperatur in der unmittelbaren Umgebung der Kapazität C mißt. Entsprechend der in dieser unmittelbarem Umgebung der Kapazität C herrschenden Temperatur ändert sich auch die Spannungsdifferenz U und damit der durch den Regelwiderstand 17 fließende Strom, so daß durch eine entsprechende Nullpunktverschiebung eine Temperaturkompensation stattfindet, die die Abhängigkeit der Di-elektrizitätskonstante der Kapazität C von der Temperatur des Mediums, in die die Meßsonde 10 eingetaucht ist, ausgleicht.The embodiment of FIG. 3 largely corresponds to that according to Fig. 2; however, it has been expanded to include temperature compensation. The rheostat 17 is not, as in FIG. 2, with constant current, but from a DC voltage amplifier 20 'fed. Its output voltage is a differential voltage at its input a U between a terminal 21 and a terminal 22 proportional. The potential of terminal 21 represents a reference voltage and is adjustable. The tension on the terminal 22 is derived from a temperature measuring element 23, the component the measuring probe 10 and the temperature in the immediate vicinity of the capacitance C. measures. Corresponding to the capacity in this immediate vicinity C prevailing temperature also changes the voltage difference U and thus the current flowing through the variable resistor 17, so that by a corresponding zero point shift a temperature compensation takes place, the dependence of the dielectric constant the capacitance C depends on the temperature of the medium in which the measuring probe 10 is immersed is, balances.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Temperaturkompensation durch Rückkopplung der Endstufe 1' von einem Punkt 30 der Leitung 8 innerhalb der Meßsonde 10 über eine Kapazität C und einen einstellbaren Widerstand R13 erfolgt. Die Kapazität C' ist in unmittelbarer Nähe der Kapazität C angeordnet, so daß sie der gleichen Temperatur wie die Kåpazität C ausgesetzt ist. Sie ist jedoch elektrisch von der Flüssigkeit, deren Feststoffgehalt gemessen werden soll, und die die Platten der Kapazität C durchströmt, isoliert, d.h. sie befindet sich in einem Di-elektrikum, dessen Eigenschaften feststehen und das nicht selbst Gegenstand der Messung ist, das sich also nur mit der Temperatur und nicht mit dem Feststoffgehalt ändert. Die Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Kapazität C erfolgt also durch entsprechende Änderung der Kapazität C' im Rückkopplungskreis der Endstufe tt. Verallgemeinert kann man die Temperaturkompensation nach Fig. 4 dahingehend beschreiben, daß im Rückkopplungskreis der Endstufe 1' ein temperaturabhängiges Element vorhanden ist, dessen Frequenzgang dem Frequenzgang der Kapazität C in der Meßsonde 10 entspricht. Diese temperaturabhängige Rückkopplung bestimmt die Spannung zwischen den Klemmen 2 und 3 der Endstufe 1'; cquf Temperaturschwankungen zurückgehende Änderungen der Kapazität C werden also durch eine entsprechende Änderung der Spannung U1 ausgeglichen.The embodiment according to FIG. 4 shows a further embodiment, in which the temperature compensation by feedback of the output stage 1 'from a Point 30 of the line 8 within the measuring probe 10 via a capacitance C and a adjustable resistor R13 takes place. The capacity C 'is in the immediate vicinity the capacitance C arranged so that it is the same temperature as the capacitance C is exposed. However, it is electrical from the liquid, its solids content is to be measured, and which flows through the plates of capacitance C, insulates, i.e. it is in a di-electric whose properties are fixed and that is not itself the subject of the measurement, that is, that only relates to the temperature and does not change with the solids content. The compensation of the temperature dependence the capacitance C is thus effected by a corresponding change in the capacitance C 'in the feedback circuit the output stage tt. The temperature compensation according to FIG. 4 can be generalized to the effect that in the feedback circuit of the output stage 1 'a temperature-dependent Element is present, the frequency response of which corresponds to the frequency response of the capacitance C in the Measuring probe 10 corresponds. This temperature-dependent feedback determines the voltage between terminals 2 and 3 of the output stage 1 '; cquf declining temperature fluctuations Changes the capacitance C are therefore by a corresponding Change in voltage U1 compensated.
Die Fig. 5 und Fig. 5a zeigen ein Ausführungsbeispiel der Meßsonde. Die Flüssigkeit, deren Feststoffgehalt laufend überwacht werden soll, läuft über einen Rohranschluß 40 zu und über einen Rohranschluß 41 ab. Die beiden Rohranschlüsse 40 und 41 befinden sich in einem Gehäuse 42; in ihm sind die Platten 43 und 43', durch die die Kapazität C gebildet wird, angeordnet. Die Platten 43 und 43' werden in einem Rohr aus nicht-leitendem Material (Kunststoff, z.B. PVC) 44 durch einen entsprechenden Füllkörper 45 aus ebenfalls elektrisch-nichtleitendem Material, z.B.FIGS. 5 and 5a show an exemplary embodiment of the measuring probe. The liquid, the solids content of which is to be continuously monitored, overflows a pipe connection 40 to and via a pipe connection 41 from. The two pipe connections 40 and 41 are located in a housing 42; in it are the plates 43 and 43 ', by which the capacitance C is formed, arranged. The plates 43 and 43 'are in a pipe made of non-conductive material (plastic, e.g. PVC) 44 through a corresponding filling body 45 made of also electrically non-conductive material, e.g.
PVC, gehalten. Ihre geometrische Konfiguration ist, wie aus Fig. 5a zu ersehen, derart, daß der runde Querschnitt der Rohranschlüsse 40 und 41 in einen schlitzförmigen Querschnitt übergeht. Die elektrischen Zuleitungen zu den Platten-43 und 43t erfolgen über zwei Koaxialleitungen 46 und 47, die durch das Füllmaterial 45 zwischen dem Rohr 44 und dem Gehäuse 42 hindurchgeführt sind. Mit 48 sind Reduzierstücke bezeichnet, die einen kontinuierlichen Übergang des Querschnitts von den Rohranschlüssen 40 und 41 bis in den Raum zwischen den Platten 43 und 43' herbeiführen. 49 und 50 sind HF-Buchsen; an sie werden die Zuleitungen 8 bzw. 9 angeschlossen.PVC, held. Their geometric configuration is as shown in Fig. 5a to be seen, such that the round cross-section of the pipe connections 40 and 41 in one Slit-shaped cross-section merges. The electrical leads to the plates-43 and 43t take place via two coaxial lines 46 and 47, which run through the filler material 45 are passed between the tube 44 and the housing 42. With 48 are reducers denotes that a continuous transition of the cross-section of the pipe connections 40 and 41 bring about into the space between the plates 43 and 43 '. 49 and 50 are RF sockets; the supply lines 8 and 9 are connected to them.
Die Fig. 6 und 6a zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Meßsonde. Fig. 6a zeigt ein Rohr-T-Stück 60, das im wesentlichen aus einem Stück Rohr besteht, das beiderseits mit Flanschen 61 bzw. 62 versehen ist, die zur Befestigung an entsprechenden Flanschen von Rohren dienen. Dieses Stück Rohr ist mit einem Rohrstutzen 63 versehen, der ebenfalls mit einem Flansch 64 versehen ist. In ihn ist die Meßsonde 65 eingehängt, die in Fig. 6a dargestellt ist.FIGS. 6 and 6a show a further embodiment of the measuring probe. Fig. 6a shows a pipe T-piece 60, which consists essentially of a piece of pipe, which is provided on both sides with flanges 61 and 62, which are for attachment to corresponding Flanges of pipes are used. This piece of pipe is provided with a pipe socket 63, that too is provided with a flange 64. In him is that Suspended measuring probe 65, which is shown in Fig. 6a.
Die Meßsonde 65 nach Fig. 6a weist einen Deckel 66 auf, in den eine Halterung 67 eingeschraubt und mit einer Kontermutter 68 gesichert ist. Die Zuleitung von den HF-Buchsen 49 und 50 zu den Platten 43 und 43' der Kapazität C erfolgt über Koaxialkabel 46 und 47 durch entsprechende Durchführungen im Deckel 66 und in der Halterung 67 hindurch. Vom unteren Ende dieser Durchführungen in der Halterung 67 sind die Leitungen in Form isolierter Messingdraht-Anschlüsse 69 bzw. 70 zu den Platten 43 bzw. 43' geführt, die durch Distanzstücke 71 und 72, mit denen sie verklebt sind, in einem bestimmten Abstand voneinander gehalten werden. Der Halterungsstab 67 besteht aus isolierendem Material (Kunststoff).The measuring probe 65 according to FIG. 6a has a cover 66 into which one Bracket 67 is screwed in and secured with a lock nut 68. The supply line from the HF sockets 49 and 50 to the plates 43 and 43 'of the capacitance C takes place via Coaxial cables 46 and 47 through corresponding bushings in the cover 66 and in the Bracket 67 through. From the lower end of these bushings in the holder 67 the lines are in the form of insulated brass wire connections 69 and 70 to the Plates 43 and 43 'guided by spacers 71 and 72 with which they are glued are to be kept at a certain distance from each other. The support rod 67 is made of insulating material (plastic).
Bei sämtlichen Ausführungsbeispielen sind die Platten 43, 43', die die Kapazität bilden und zwischen denen die Feststoffpartikel enthaltende Flüssigkeit hindurchfließt, isoliert, um einen Stromfluß über die ggf. in einem gewissen Umfang elektrisch leitende Flüssigkeit zu vermeiden. Die Isolierung muß so beschaffen sein, daß sie kein Wasser aufnehmen und so ihrerseits elektrisch leitend werden kann. Als besonders geeignet haben sich Glas-, Emaille-Schichten und Kunststoff-Lacke bewährt.In all embodiments, the plates 43, 43 ', the form the capacity and between which the liquid containing solid particles flows through it, insulated to a current flow over the possibly to a certain extent avoid electrically conductive liquid. The insulation must be such that they do not absorb water and so can in turn become electrically conductive. Glass, enamel layers and plastic lacquers have proven to be particularly suitable proven.
Patentansprüche:Patent claims:
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| DE2412165A1 true DE2412165A1 (en) | 1975-09-25 |
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