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Vorrichtung zur Messung von Stoffeigenschaften,
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insbesondere zur Feuchte Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Messung von Stoffeigenschaften, insbesondere der Feuchte, unter Bestimmung der
Dielektrizitätskonstante und/oder des dielektrischen Verlustwiderstandes der Stoffe
mit einer Meßsonde in Form eines Kondensators, an den eine Hochfrequenzspannung
angelegt ist und dessen Dielektrikum wenigstens zum Teil durch den jeweiligen Stoff
gebildet wird, und mit einer Schaltung zur Messung der Kapazität und/oder des Verlustwiderstandes
des Kondensators.
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Bekannte Vorrichtungen der vorgenannten Art verwenden Meßsonden, deren
Kondensator durch wenigstens zwei Elektroden mit dem zu messenden Stoff als Dielektrikum
gebildet wird.
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So wird in der DE-OS 32 37 594 eine kapazitive Meßsonde zur kontinuierlichen
Bestimmung der Dielektrizitätskonstante von Schüttgut beschrieben, die aus einer
stabförmigen, in das Schüttgut eintauchenden Sonde mit zwei Kondensatorelektroden
besteht. Die Elektroden werden durch einen Rohrabschnitt und einen dazu koaxial
angeordneten Elektrodenkörper gebildet, zwischen denen ein Isolierkörper angebracht
ist. Bei einer ebenfalls bekannten Einrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstanten
von Stoffen (DE-AS 20 21 811) besteht der Meßkondensator aus zwei an der Oberfläche
des zu messenden Stoffes anliegenden Hauptelektroden. Zusätzlich ist eine Hilfselektrode
vorgesehen, die eine Ausschaltung von Oberflächeneinflüssen ermöglicht.
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Das Meßprinzip bei den bekannten Vorrichtungen, von denen es noch
zahlreiche weitere Beispiele gibt, besteht demnach immer darin, einen Meßkondensator
mit Hilfe von wenigstens zwei Elektroden zu bilden, die definiert zueinander angeordnet
sind und definierte Größe besitzen. Zwischen den Elektroden, oder anders gesagt,
im elektrischen Feld des Meßkondensators befindet sich dann der Stoff, dessen dielektrische
Eigenschaften
bestimmt werden sollen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Meßprinzip
so abzuwandeln, daß sich der Aufbau der Meßsonden und Meßvorrichtungen vereinfacht
und damit einfachere Messungen mit gegebenenfalls neuen Anwendungen ermöglicht werden.
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Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung aus von einer Vorrichtung
der eingangs genannten Art und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator durch
eine an, in oder nahe dem Stoff angeordnete Elektrode und die Umgebung als andere
Elektrode gebildet ist. Die elektrischen Feldlinien des Kondensators verlaufen demnach
von der einen Elektrode zur Gesamtumgebung dieser Elektrode, also beispielsweise
zu umgebenden Gehäuseteilen, den Wänden und der Decke eines Raumes usw.. Ein ähnlicher
Kondensator wird beispielsweise durch eine in einem Raum isoliert aufgehängte Kugel
gebildet. Wenn sich dann der zu messende Stoff im elektrischen Feld oder einem Teil
des elektrischen Feldes dieses Kondensators befindet, so beeinflussen die dielektrischen
Eigenschaften des Stoffes die Kapazität und den Verlustwiderstand des so gebildeten
Meßkondensators. Dabei ist vorausgesetzt, daß alle übrigen Bedingungen konstant
sind, also insbesondere die Umgebung sich nicht verändert, d.h., die Lage der einen
Elektrode mit Bezug auf ihre Umgebung unverändert bleibt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zwar insbesondere zur Messung
der Feuchte von Stoffen, beispielsweise von Schüttgut verwendet werden, es sind
aber viele andere Anwendungsmöglichkeiten gegeben. So sollen unter "Stoff" nicht
nur feste Stoffe, sondern auch flüssige und gasförmige Stoffe verstanden werden.
So läßt sich beispielsweise der Wassergehalt von Ö1 oder Kunststoffen durch eine
Messung der Dielektrizitätskonstante mit einer Vorrichtung nach der Erfindung ermitteln.
Als weitere, an sich bekannte Anwendungsmöglichkeit ergibt sich die Messung von
Füllhöhen,
wobei dann die gemessene Kapazität von einer Kombination
aus den Dielektrizitätskonstanten für das Füllgut einerseits und Luft bzw. eine
andere Umgebung andererseits bestimmt wird.
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Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
So kann die Meßsonde durch ein Gefäß aus Isolierstoff und eine auf der Außenseite
des Gefäßes angeordnete Elektrode gebildet sein. Die von dieser Elektrode ausgehenden
elektrischen Feldlinien durchqueren dann zu einen Teil das Gefäß mit seiner Füllung,
so daß die gemessene Kapazität von den dielektrischen Eigenschaften des Stoffes
im Gefäß abhängt. Auf diese Weise läßt sich beispielsweise einfach und genau die
Feuchte eines Schüttgutes, beispielsweise Sand messen.
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Die Sonde kann in an sich bekannter Weise auch aus einer Ring- oder
Rohrelektrode bestehen, durch die ein Stoffstrang geführt ist, dessen Eigenschaften
kontinuierlich gemessen werden sollen. Viele andere Elektroden lassen sich ebenfalls
verwenden. Es muß nur immer dafür gesorgt werden, daß wenigstens ein Teil der von
der Elektrode ausgehenden elektrischen Feldlinien durch den jeweiligen Stoff beeinflußt
werden. Außerdem muß sichergestellt werden, daß die Sonde und insbesondere die jeweilige
Elektrode eine definierte Lage zur Umgebung einnehmen, weil sonst auch Lageänderungen
zu Kapazitätsänderungen führen und dann gegebenenfalls die durch die Stoffeigenschaften
bewirkten Änderungen überdecken. In Weiterbildung der Erfindung kann hierzu vorgesehen
sein, daß die Sonde in einer fixierten Lage an oder wenigstens teilweise in einem
gegebenenfalls die Meßschaltung enthaltenden-Gerätegehäuse angeordnet ist.
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Eine andere Ausführungsform sieht vor, daß die Elektrode der Sonde
zusammen mit der Kapazitätsmeßschaltung in einem Schutzrohr aus Isolierstoff untergebracht
ist. Das Schutzrohr kann dann beispielsweise zur Bestimmung der Feuchte
in
angeschüttetes Gut gesteckt werden oder auch ortsfest in einen Schüttgutstrom oder
auch eine Flüssigkeit eintauchen.
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Zur Messung der Kapazität und/oder des Verlustwiderstandes des durch
die Elektrode und ihre Umgebung gebildeten Kondensators können bekannte Schaltungen
üblicher Art vorgesehen werden. Eine Weiterbildung der Erfindung schlägt vor, daß
die Kapazitätsmeßschaltung eine Brückenschaltung aufweist, deren Längszweige einerseits
an Erde liegen und andererseits von der Hochfrequenzspannung gespeist werden, daß
der eine Längs zweig den Sondenkondensator und der andere Längszweig einen Widerstand
aufweist und daß die zwischen dem Sondenkondensator und dem Widerstand abgegriffene
Brückenspannung als Differenzspannung einem Verstärker zugeführt ist. Dem Verstärker
können dann ein Gleichrichter und weitere Schaltungsstufen folgen, die eine dem
Meßwert proportionale Analogspannung für ein Anzeigeinstrument und gegebenenfalls
auch einen digitalen Ausgangswert liefern.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in
Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine Meßsonde in Form
eines Bechers mit ringförmiger Außenelektrode; Fig. 2 eine stabförmige Sonde; Fig.
3 das Prinzipschaltbild einer Meßschaltung für die Sondenkapazität.
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Bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird die
Sonde durch einen im Schnitt dargestellten, zylindrischen Becher 1 aus Glas, keramischem
Material oder auch Kunststoff und eine umgebende, rohrförmige Elektrode 2 aus Metall
gebildet. Die Elektrode 2 ist über eine angedeutete Leitung 3 mit einer Meßschaltung
verbunden, beispielsweise an den Anschlußpunkt 4 der Schaltung nach Fig. 3 angeschal-
tet.
Der Becher 1 mit seiner Elektrode 2 nimmt eine definierte und fixierte Lage mit
Bezug auf die Umgebung ein, so daß die Elektrode 2 eine bestimmte und konstante
Kapazität gegen die Umgebung hat. Beispielsweise kann der Becher 1 mit der Elektrode
2 definiert in einem Gerätegehäuse (nicht dargestellt) so untergebracht sein, daß
die Öffnung des Bechers mit einer entsprechenden Öffnung des Gerätegehäuses korrespondiert
oder auch der Becher geringfügig aus dem Gerätegehäuse vorsteht. Die von der Elektrode
2 in Richtung zur Umgebung als Gegenelektrode ausgehenden Feldlinien laufen dann
zum Teil durch die Wand des Bechers 1 sowie die Füllung 5, die beispielsweise aus
Sand besteht, zu der Begrenzung des umgebenden Raums. Damit hängt die Kapazität
der Elektrode 2 gegen die Umgebung auch von den dielektrischen Eigenschaften der
Becherfüllung 5 ab, bei Sand insbesondere von seiner Feuchte. Die für verschiedene
Sandproben gemessene Kapazität ist daher ein Maß für die Feuchte und kann nach entsprechender
Umrechnung direkt zur Feuchteanzeige benutzt werden.
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Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich
eine zylindrische Metallelektrode 6 am Boden eines unten geschlossenen Schutzrohres
7 aus Isolierstoff. In dem Schutzrohr 7 ist außerdem die Kapazitätsmeßschaltung
8 oder wenigstens deren Eingangsstufe untergebracht und über eine kurze Leitung
9 mit der Elektrode 6 verbunden. Ein Kabel 10 führt von der Meßschaltung 8 zu den
weiteren Auswerteschaltungen. Zum Schutz der Schaltung 8 und zur Vermeidung von
Lageveränderungen kann das gesamte Gehäuse 7 mit einem Isolierstoff ausgegossen
sein.
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Die Sonde gemäß Fig. 2 wird mit dem Schutzrohr 7, wie angedeutet,
in das zu messende Gut eingesteckt, beispielsweise in einen aufgeschütteten Sandhaufen.
Dann hängt die gegen die Umgebung, also das Schüttgut, gemessene Kapazität der Elektrode
6 (und ihrer Verbindungsleitung 9) von den Eigenschaften des Schüttgutes, beispielsweise
der
Feuchte von Sand oder einem anderen Schüttgut ab. Wie bei dem
Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 kann dann die gemessene Kapazität direkt in die
Feuchte umgerechnet werden.
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Figur 3 zeigt das Prinzipschaltbild einer Schaltung zur Messung der
Sondenkapazität, die schematisch als Elektrode 12 mit Kondensatoren 13 dargestellt
ist. Die gestrichelt gezeichneten Kondensatoren 13 repräsentieren die Kapazität
der Sonde 12 gegen die Umgebung. Die eigentliche Meßschaltung ist eine Brückenschaltung
mit zwei Längszweigen, die zwischen einer Quelle 14 für eine hochfrequente Spannung,
vorzugsweise eine sinusförmige Spannung und Masse bzw.
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Erde liegen. Die Quelle 14 liefert eine Spannung mit einer Frequenz
von beispielsweise 100 kHz. Es können aber auch wesentlich niedrigere oder höhere
Frequenzen verwendet werden. Der linke Längszweig enthält einen Kondensator 15 sowie
einen weiteren Kondensator 16, der parallel zur Sondenkapazität 12, 13 geschaltet
ist. Der rechte Längszweig enthält eine Reihenschaltung aus einem Kondensator 17
und einem Widerstand 18. Die an den Punkten 4, 19 abgegriffene Brückenspannung wird
über zwei Begrenzungswiderstände 20, 21 dem invertierenden bzw. nicht invertierenden
Eingang eines Operationsverstärkers 22 zugeführt, dessen Ausgangsanschluß 23 zu
einer Auswerteschaltung (nicht dargestellt) führt.
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Die Werte der Bauteile 15 bis 18 sind so gewählt, daß sich beispielsweise
dann, wenn die Sonde 12 dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.l entspricht und der Becher
5 mit vollständig trockenem Sand gefüllt ist, die Brückenschaltung abgeglichen ist
und demnach dem Operationsverstärker 22 eine Differenzspannung mit dem Wert 0 zugeführt
wird. Die (nicht dargestellte) Auswerteschaltung rechnet die dann vom Operationsverstärker
22 am Ausgang 23 abgegebene Spannung so um, daß ein Feuchtewert von 0% angezeigt
wird.
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Wenn die Sandfüllung 5 eine bestimmte Feuchte hat, nimmt die Kapazität
der Elektrode 2 zu, so daß in der Schaltung
gemäß Fig. 3 die Sondenkapazität
parallel zum Kondensator 16 größer wird. Dann erscheint eine Differenzspannung am
Operationsverstärker 22. Dessen Ausgangsspannung wird von der Auswerteschaltung
in einen prozentuellen Feuchtewert umgerechnet. Die Grundlage für die Umrechnung
kann durch Messung der Sondenkapazität für Sandfüllungen 5 mit mehreren bekannten
Feuchtewerten geschaffen werden.
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