DE2941652C2

DE2941652C2 - Vorrichtung zur kapazitiven Füllstandsmessung

Info

Publication number: DE2941652C2
Application number: DE2941652A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr.rer.nat. 2000 Hamburg Decker
Original assignee: PRECITRONIC GESELLSCHAFT fur FEINMECHANIK und ELECTRONIC MBH 2000 HAMBURG DE
Current assignee: PRECITRONIC GESELLSCHAFT fur FEINMECHANIK und ELECTRONIC MBH 2000 HAMBURG DE
Priority date: 1979-10-15
Filing date: 1979-10-15
Publication date: 1986-02-20
Also published as: US4373389A; GB2060898B; GB2060898A; DE2941652A1

Description

dadurch gekennzeichnet, daß

d) jede der beiden Teilkapazitäten (C₁, C₂) gesondert an die Auswerteschaltung angeschlossen ist, und

e) daß die Auswerteschaltung Signalverknüpfungseinrichtungen (4,5) aufweist, die aus den Signalen der beiden Teilkapazitäten (C,, C₂) durch eine erste logische Verknüpfung ein erstes Kombinationssignal und durch eine davon verschiedene zweite logische Verknüpfung, ein zweites Kombinationssignal erzeugt und die Kombinationssignale zu einer von der Dielektrizitätskonstante des Füllmediums unabhängigen Füllstandanzeige verarbeitet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverknüpfungseinrichtung (4) eine Einrichtung zur Bildung der Summe und die Signalverknüpfungseinrichtung (5) eine Einrichtung zur Bildung der Differenz der von den beiden Teilelektroden (F₁, F₂) gelieferten Signale aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der einen Teilelektrode (F₁) über die Höhe konstant zunimmt und die der anderen Teilelektrode (F₂) konstant abnimmt und die Summe der beiden Breiten konstant ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilelektroden (F,, F₂) zwei gleich große, in der Abwicklung dreieckige Flächen sind, von denen die eine mit ihrer Spitze nach unten und die andere mit ihrer Spitze nach oben weist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Teilelektroden (F,, F₂) gebildeten Teilkapazitäten (C,, C₂) zur getrennten Ermittlung von Füllstandshöhe (A) und Dielektrizitätskonstante

.15 (K) durch ein dem vorgegebenen Flächenverlauf entsprechendes Mikroprozessorsystem rechnerisch miteinander verknüpft sind.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kapazitiven Füllstandsmessung einer Flüssigkeit in einem Behälter,

a) mit zwei sich über den Füllhöhenbereich des Behälters erstreckenden Elektroden, die einen Meßkondensator bilden,

b) einer an den Meßkondensator angeschlossenen Auswerteschaltung, die aus vom Meßkondensator abgegriffenen Signalen, die von seiner sich füllstandsabhängig ändernden Kapazität abhängend, eine Füllstandsanzeige bewirkt,

c) wobei die eine Elektrode in zwei sich jeweils über den gesamten Meßhöhenbereich erstreckende Teilelektroden unterteilt ist, die zusammen mit der anderen Elektrode zwei Teilkapazitäten bilden und von denen mindestens eine Teilelektrode eine in Abhängigkeit von der Höhe zu- oder abnehmende Breite hat.

Eine derartige Vorrichtung zur kapazitiven Füllstandsmessung ist z. B. aus DE-AS 10 51 020 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung ist eine der beiden Teilelektroden eine Hilfselektrode, die die Streukapazität der ersten Elektrode abschirmen soll und zu diesem Zweck an ein Vergleichspotential, z. B. Masse, angeschlossen ist. Das Meßsignal wird nur von der Teilkapazität geliefert, die aus der ersten Elektrode und der ersten Teilelektrode gebildet wird.

Diese bekannte Vorrichtung hat deshalb den Nachteil, daß, da nur ein einziges Meßsignal ausgewertet werden kann, das Meßergebnis von der dielektrischen Suszeptibilität des Füllmediums abhängt.

Aus Elektronik (1957) Nr. 12, Seiten 360 bis 363 ist eine Vorrichtung zur kapazitiven Füllstandsmessung der eingangs genannten Art bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung sind die beiden Teilelektroden miteinander verbunden und bilden somit eine gemeinsame Elektrode. Deshalb wird auch bei dieser bekannten Vorrichtung nur ein einziges füllstandabhängiges Meßsignal erzeugt.
Der Nachteil dieser bekannten Vorrichtung ist, daß die Kapazität des Meßkondensators und damit das Füllstandsmeßergebnis nicht nur von der Füllstandshöhe abhängt, sondern in erheblichem Maße auch von der dielektrischen Suszeptibilität K des Filmmediums. Diese kann für verschiedene zu messende Füllmedien erhebliche Unterschiede aufweisen. Ferner kann die dielektrische Suszeptibilität oder die damit über die Formel ε, = 1 + K verknüpfte Dielektizitätskonstante ε, von der Temperatur des Füllmediums abhängen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur kapazitiven Füllstandsmessung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei der die aktuelle dielektrische Suszeptibilität bzw. Dielektrizitätskonstante des Füllmediums berücksichtigt wird und dadurch eine von der Dielektrizitätskonstante unabhängige Messung der Füllhöhe sowie eine Messung der Dielektrizitätskonstante ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede der beiden Teilkapazitäten C₁, C₂ gesondert an die Auswerteschaltung angeschlossen ist, und daß die Auswerteschaltung Signalverknüpfungseinrichtungen 4, 5 aufweist, die aus den Signalen der beiden Teilkapazitäten C,, C₂ durch eine erste logische Verknüpfung ein erstes Kombinaticnssignal und durch eine davon verschiedene zweite logische Verknüpfung ein zweites Kombinationssignal erzeugt und die Kombinationssignale zu einer von der Dielektrizitätskonstante des Füllmediums unabhängigen Füllstandanzeige verarbeitet. lü

Durch die unterschiedlichen logischen Verknüpfungen werden zwei jeweils vom Füllstand und den Materialeigenschaften des Füllmediums abhängige Meßwerte erhalten, aus denen durch geeignete Verarbeitung vorteilhafterweise mit Hilfe eines Mikroprozessorsystems die Werte für Füllstandshöhe und Dielektrizitätskonstante voneinander unabhängig extrahiert werden können.

Vorteilhafterweise wird dabei als erste bzw. zweite logische Verküpfung eine Addition bzw. Subtraktion angewendet. Dabei nimmt die Breite der einen Teilelektrode vorteilhafterweise über die Höhe konstant zu und die der anderen konstant ab, wobei die Summe der beiden Breiten konstant ist. Von besonderem Vorteil ist es dabei, wenn die beiden Teilelektroden zwei gleich große, in der Abwicklung dreieckige Flächen sind, von denen die eine mit ihrer Spitze nach unten und die andere mit ihrer Spitze nach oben weist.

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren erläutert. Es zeigt M

Fig. 1 die Teilflächen der Innenelektrode in der Abwicklung;

Fig. 2 die für die Messung erforderliche Schaltung in schematischer Darstellung;

Fig. 3 die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ermittelten Teilkapazität in Abhängigkeit von der Füllhöhe in graphischer Darstellung.

Der erfindungsgemäße Meßkondensator besteht zweckmäßigerweise aus zwei koaxialen zylindrischen Elektroden, deren Innenelektrode in zwei Blechen wie in F i g. 1 in der Abwicklung gezeigt, aufgeteilt ist. Die Teilflächen F\ und F₂ sind kongruente Dreiecke, die zusammen eine rechteckige Abwicklungsfläche mit der Höhe H und der Breite b, die den Umfang der Innenülektrode entspricht, ergeben.

Wird die Außenelektrode aus einem Generator 1 mit einem Wechselstrom bekannter Spannung, Kurvenform und Frequenz beaufschlagt, dann fließt die Elektrode in der an sich bekannten Schaltung der F i g. 2 in jedem der beiden Teilzweige mit entgegengesetzt gepolten Dioden la, Ib, lc, Id ein gleich großer, pulsierender Gleichstrom entgegengesetzter Polarität, der proportional zu jeweiligen Kapazität C, und C₂ ist. Durch die Geometrie der Teilflächen F₁ und F₂ gegeben, hängen diese Teilkapazitäten C₁ und C₂ in berechenbarer Weise von der Füllhöhe h und der dielektrischen Suszeptibilität K des zu messenden Füllmediums ab.

Wenn davon ausgegangen wird, daß der Zylinderdurchmesser groß gegenüber dem Elektrodenabstand ist, und ein homogenes Medium gegeben ist, dann sind die beiden Teilkapazitäten C| und C₂ in für den ebenen Plattenkondensator gültiger Näherung durch die folgenden Gleichungen gekennzeichnet:

C₁ = C_L+K ■ F₁C = C_L+K -b ■ c- -jjj- (la)

C₂ = C₁ + K ■ F₂ ■ c = Q + K ■ c ■ b

Hierbei ist Q die für beide Zweige etwa gleich große Leerkapazität, die sich aus der Kapazität der Elektroden mit Luft als Dielektrikum und den parasitären Kapazitäen zusammensetzt. K ist die dielektrische Suszeptibilität des Mediums, c ist eine geometrieabhängige Konstante, b ist der Umfang der Innenelektrode und h ist die zu bestimmende Füllhöhe des Mediums.

Durch Addition und Subtraktion der Gleichungen la und Ib werden die neuen Gleichungen wie folgt erhalten:

C_t+C₂ = 2C_L + K ■ ft² ■ b ■ c + K ■ c ■ (h ■ b -h² ■ b) = 2C_L+K ■ c ■ h -b (2a)

C₂-Ct = K -c(h-b-h²-b) - K ■ h² ■ b ■ c = K ■ c ■ b · (h - -j-\ (2b)

Diese Addition kann auf elektronischem Wege sehr einfach durch Summation der Ströme je eines Teilzweiges Ib, Ic und Anzeige über ein Strom-Meßgeraät 3 erfolgen. Hierbei kann das Strom-Meßgerät 3 gleichzeitig zur Notanzeige dienen. Die Addition und Subtraktion können auch durch analog oder digital arbeitende Recheneinheiten 4 und 5 ausgeführt werden.

Wenn die Werte C_L, c und b numerisch bekannt sind, lassen sich die zu ermittelnden Werte K und h aus diesen beiden Gleichungen leicht berechnen. Dies kann beispielweise mit Hilfe eines Mikroprozessors folgen, der es zudem ermöglicht, den Einfluß eines beliebig geformten Behälters zu berücksichtigen, so daß aus der Füllhöhe h auch das Volumen des Mediums bestimmt werden kann.

Weiterhin ist es unter Zugrundelegung eines funktionalen Zusammenhanges zwischen den Materialgrößen Suszeptibilität K und spezifischer Dichte ρ möglich, die Masse des Füllmediums zu berechnen, ohne daß eine gesonderte Dichtmessung erforderlich ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur kapazitiven Füllstandsmessung einer Flüssigkeit in einem Behälter,

a) mit zwei sich über den Füllhöhenbereich des Behälters erstreckenden Elektroden, die einen Meßkondensator bilden,

b) einer an den Meßkondensator angeschlossenen Auswerteschaltung, die aus vom Meßkondensator abgegriffenen Signalen, die von seiner sich fullstandsabhängig ändernden Kapazität abhängend, eine Füllstandsanzeige bewirkt,

c) wobei die eine Elektrode in zwei sich jeweils über den gesamten Meßhöhenbereich erstreckende Teilelektroden unterteilt ist, die zusammen mit der anderen Elektrode zwei Teilkapazitäten bilden und von denen mindestens eine Teilelektrode eine in Abhängigkeit von der Höhe zu- oder abnehmende Breite hat,