DE3822344C2 - Vorrichtung zum Messen von das dielektrische Verhalten beeinflussenden Eigenschaften einer Flüssigkeit - Google Patents
Vorrichtung zum Messen von das dielektrische Verhalten beeinflussenden Eigenschaften einer FlüssigkeitInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von das
dielektrische Verhalten beeinflussenden Eigenschaften von Flüs
sigkeiten, insbesondere der Stoffzusammensetzung.
Diese Messung wird z. B. benötigt zum Überwachen und automatischen
Nachregulieren des Alkoholgehaltes von Alkohol- Wasser- Mischun
gen, wie sie als sog. Feuchtemittel in Druckereien verwendet
werden.
Nach dem Stand der Technik wird dies mit Hilfe eines
Schwimmers oder Aerometers bewerkstelligt, welcher auf die Änder
ung des spezifischen Gewichts aufgrund des Alkoholgehaltes rea
giert und je nach seiner Eintauchtiefe einen Schalter auslöst.
Der Nachteil hierbei ist die hohe Störanfälligkeit gegenüber
Verschmutzungen, Luftbeimischungen und mechanischen Bewegungen.
Außerdem ist ein genaues Ablesen der Meßwerte schlecht möglich.
DE 33 35 882 A1 beschreibt einen Teilchenanalysator zum Messen
von in Flüssigkeiten suspendierten Teilchen, und Maßnahmen zur
Verengung des verwendeten elektrische Abtastfeldes. Die Funktion
dabei ist, feinere Teilchen in höherer Auflösung zu erkennen, ohne
dabei die Durchström-Öffnung verkleinern zu müssen. Zur Messung
von homogenen Flüssigkeits-Gemischen hat dies jedoch keine
Relevanz.
Es sind andere Verfahren bekannt, welche die Änderung der
Dielektrizitätszahl ausnützen zum Ermitteln vom Wassergehalt
eines Materials. Die DE 35 07 507 A1 beschreibt einen
kapazitiven Geber für Feuchtemittel, welcher jedoch nicht
geeignet ist zur Messung von Stoffzusammensetzung, sondern
lediglich zur Füllstandsmessung. DE 35 18 186 A1 schreibt ein
kapazitiv arbeitendes Verfahren zum Ermitteln des Wasser
gehaltes in Alkohol, die DE-PS 20 02 168 eine Elektrodenvor
richtung zur Messung von Öl-Wasser-Gemischen, die DE 24 33 740 A1
und DE 24 36 344 B2 beschreiben eine Sonde zur Messung des Wasser
gehaltes in Butter. Die genannten Verfahren basieren jeweils
auf Auswertung der an einer kapazitiven Vorrichtung auftreten
den Kapazität. Diese Verfahren lassen sich jedoch nicht zur
genauen Messung des Mischungsverhältnissen verwenden, wenn der
Wasseranteil überwiegt und gleichzeitig das Wasser durch Zugabe
verschiedener Salze oder Pufferchemikalien in seiner elek
trischen Leitfähigkeit erhöht ist und daher die Messung der
Kapazität störend beeinflußt.
Ein weiterer Nachteil ist die Tatsache, daß sich Verschmutzungen,
z. B. Ölbeimengungen, an den Elektroden anlagern, haften bleiben
und die Messung durch deren eigene Dielektrizitätszahl unkontrol
lierbar verfälschen. Dies liegt daran, daß deren Dielektrizitäts
zahl mit ca. 3 einen extrem verschiedenen Wert aufweist als die
zu messende Flüssigkeit mit ca. 80, wenn diese zum größten Teil
Wasser enthält, und sich als in Reihe liegende Isolation aus
wirkt. Das gleiche gilt für Gasbläschen, die sich aus der
Flüssigkeit abscheiden und an den Elektroden haften bleiben.
Aufgabe der Erfindung ist ein Gerät, welches die genannten
Nachteile nicht aufweist, keine bewegten Teile enthält und auch
gegenüber Anlagerungen von Schmutz unempfindlich ist.
Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch erzielt, daß in
der kapazitiven Elektrodenvorrichtung mindestens ein elektrisch
nichtleitender Körper, nachfolgend "Blende" genannt, vorhanden
ist, der die Flüssigkeit berührt und der in einem Bereich des
elektrischen Feldes angeordnet ist in der Weise, daß er eine
Umlenkung, Verlängerung oder Verengung der Feldlinien bewirkt, um
somit die Feldstärke an der Oberfläche der Elektroden zu verrin
gern.
Der isolierende Körper als Blende zwischen den Elektroden
bewirkte daß die Feldlinien auf dem in der Flüssigkeit gegebenen
Weg von Elektrode zu Elektrode umgelenkt werden, und zwar zum
Beispiel verlängert oder verengt. Dies bewirkt eine Verringerung
der Feldstärke in der Nähe der Elektroden und an dessen Ober
fläche: Bei relativ kleiner Kapazität ist eine im Prinzip
beliebig große Oberfläche der Elektroden möglich.
Hierdurch wird erreicht, daß
- 1. der Hauptanteil des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden sich in der Flüssigkeit aufbaut und nicht in der Nähe der Elektroden, und somit
- 2. trotz der vergleichsweise hohen Dielektrizitätszahl der Flüssigkeit von etwa 80 auch bei hohem Wasseranteil die Feldstärke in der Nähe der Elektroden so stark abgeschwächt ist, daß anlagernde Verschmutzungen auf das Feld keinen wesentlichen Einfluß haben;
- 3. daß aufgrund dieser Abschwächung der Feldstärke die durch Salz oder Puffergehalt auftretende hohe Leitfähigkeit soweit reduziert ist, daß ihr Einfluß auf die Messung der Kapazität mithilfe einer Schaltung gemäß der Erfindung völlig ausgeglichen / kompensiert werden kann, und
- 4. daß trotz dieser Abschwächung sich der Hauptanteil des Feldes in der Flüssigkeit aufbaut und nicht etwa in isolierenden Körpern, wie dies der Fall wäre, wenn die Elektroden mit elektrischer Isolierung umhüllt wären.
Eine Möglichkeit zur Umlenkung kann wie im 1. Ausführungsbeispiel
und gemäß Anspr. 2 und 3 durch eine Verengung der Feldlinien
geschehen, indem die Feldlinien durch ein enges Loch einer Blende
geführt werden, oder wie im 2. Ausführungsbeispiel, Anspr. 4 u.
5, durch Verlängerung der Feldlinien. Beides hat eine Verringer
ung der Kapazität zwischen den Elektroden zur Folge und daher
eine Absenkung der Feldstärke an den Elektroden und daher eine
Absenkung von Stör- Einflüssen durch Verschmutzung der Elektro
den. Die Verringerung der Kapazität wird hierbei nicht in erster
Linie durch die in Reie liegende Kapazität eines Dielektrikums
verursacht, wie es bei einer einfachen isolierenden Umhüllung der
Elektroden der Fall wäre, sondern durch den unterschiedlichen Weg
der Feldlinien im Meßgut.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Messung unabhängig von
Veränderungen des elektrischen Leitwertes, die durch verschiede
nen Ionengehalt der Flüssigkeit verursacht werden und üblicher
weise durch elektrische Dämpfung die Kapazitätsmessung stören.
Eine elektronische Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung
Anspr. 6-10, ermöglicht die Auswertung der an der kapazitiven
Vorrichtung anliegenden Kapazität, wobei die Stör-Einflüsse
durch verschiedene Leitfähigkeiten der Flüssigkeiten ausgeglichen
werden, indem die Phasenlage eines mit der Flüssigkeit gebildeten
Schwingkreises gemessen wird und verglichen wird bei einer
getakteten Bedämpfung des Schwingkreises.
Erklärung eines Ausführungsbeispiels
(siehe Querschnittzeichnung Fig. 1):
Ein äußeres Metallrohr 11 dient als eine Elektrode. Koaxial darin ist ein kleineres Metallrohr 12 als zweite Elektrode angeordnet. Die beiden Blenden 14 und 15 sind isolierende Kunststoffscheiben mit je einer Bohrung die das innere Rohr halten und es bis auf zwei Öffnungen abdecken. Der Zwischenraum ist dicht ausgefüllt durch das isolierende Füllmaterial 13. Beide Elektroden sind über das geschirmte Kabel 16 mit der elektronischen Schaltung 30 verbunden. Die Feldlinien (gestrichelt gezeichnet) erfahren in den Löchern der Blenden 14 und 15 eine Verengung, so daß der Hauptanteil der Feldstärke in diesem Bereich liegt.
Ein äußeres Metallrohr 11 dient als eine Elektrode. Koaxial darin ist ein kleineres Metallrohr 12 als zweite Elektrode angeordnet. Die beiden Blenden 14 und 15 sind isolierende Kunststoffscheiben mit je einer Bohrung die das innere Rohr halten und es bis auf zwei Öffnungen abdecken. Der Zwischenraum ist dicht ausgefüllt durch das isolierende Füllmaterial 13. Beide Elektroden sind über das geschirmte Kabel 16 mit der elektronischen Schaltung 30 verbunden. Die Feldlinien (gestrichelt gezeichnet) erfahren in den Löchern der Blenden 14 und 15 eine Verengung, so daß der Hauptanteil der Feldstärke in diesem Bereich liegt.
Zweites Ausführungsbeispiel (gemäß Anspruch 4 und 5) siehe Fig. 2:
Ein äußeres Metallrohr 21 dient als die größere Elektrode und ist auf der Innenseite mit dem isolierenden Rohr 23 ausgekleidet. Die innere Elektrode 2 befindet sich im Innenraum, und ist über das Kabel 26 angeschlossen. Der Innenraum ist mit der zu messenden Flüssigkeit ausgefüllt. Indem die Fläche der Elektrode 21 bzw. ihrer Abdeckung 23 wesentlich größer ist als der Abstand zur inneren Elektrode 22, resultiert für die Feldlinien, daß sie sich in einen wesentlich größeren Raum ausbreiten, als es ohne die Isolation 23 der Fall wäre und in Fig 2b angedeutet ist.
Ein äußeres Metallrohr 21 dient als die größere Elektrode und ist auf der Innenseite mit dem isolierenden Rohr 23 ausgekleidet. Die innere Elektrode 2 befindet sich im Innenraum, und ist über das Kabel 26 angeschlossen. Der Innenraum ist mit der zu messenden Flüssigkeit ausgefüllt. Indem die Fläche der Elektrode 21 bzw. ihrer Abdeckung 23 wesentlich größer ist als der Abstand zur inneren Elektrode 22, resultiert für die Feldlinien, daß sie sich in einen wesentlich größeren Raum ausbreiten, als es ohne die Isolation 23 der Fall wäre und in Fig 2b angedeutet ist.
Die Isolation 23 kann vorteilhafterweise etwas kürzer sein als
das äußere Rohr 21, so daß die Feldlinien im Bereich der Rohrenden
auch direkt in die Elektrode 21 münden. Hierdurch werden die
Feldlinien unter Umgehung der Isolation auf einen längeren Weg
gezwungen.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Schaltung nach
Ansprüchen 6 bis 9; Fig. 4 ist ein Zeigerdiagramm der Signale.
Die kapazitive Vorrichtung bildet mit der Induktivität L einen
Schwingkreis 31. Dieser ist mittels Kondensator 32 an den
Hochfrequenzoszillator 33 lose angekoppelt. Die
Spannungsdifferenz U 34 zwischen Oszillatorspannung U 33 und
Schwingkreisspannung U 31 wird über den Gleichrichter 34 gemessen
und im Verstärker 35 verstärkt. Wenn Schwingkreis und Oszillator
aufeinander abgestimmt sind (Resonanzfall), hat die Spannung
U 24 im Wesentlichen die gleiche Amplitude wie die Oszillator
spannung U 33, da U 31 wegen der kapazitiven Ankopplung in
seiner Phasenlage senkrecht zu U 33 steht
und wesentlich kleiner ist. (Siehe Fig. 4.)
In regelmäßigen Zeitabständen wird der Transistor 36, vom
Langsamen Oszillator 37 angesteuert, leitend geschaltet so daß er
den Schwingkreis 31 voll bedämpft und daher die Spannung U 31
abschaltet. Im Resonanzfall (bei 90 grad Phasenverschiebung) hat
diese Bedämpfung wie oben geschildert keinen Einfluß auf die in
34 gemessene Amplitude. Wenn durch geänderte Stoffzusammensetzung
in der kapazitiven Vorrichtung eine Veränderung der Kapazität
eintritt, so wird die durch die Verstimmung resultierende Phasen
verschiebung über Gleichrichter 34 und Verstärker 35 gemeldet als
ein getakteter Amplitudensprung. Dieser wird im getakteten
Gleichrichter 38 in eine Gleichspannung umgeformt und dem Regel
verstärker 39 zugeführt. Dieser verstellt die Spannung der
Kapazitätsdioden-Schaltung 40 und damit die Abstimmung des Krei
ses 31 solange, bis die Resonanz wieder eingestellt ist. Hierbei
ist die Ansteuerung der Kapazitätsdiode ein Maß für die gemessene
Kapazität und somit für die Stoffzusammensetzung.
Claims (13)
1. Vorrichtung zur Messung von das dielektrische Verhalten beeinflussenden
Eigenschaften von Flüssigkeiten, insbesondere Stoffzusammensetzung,
mit einer von der Flüssigkeit durchsetzten kapazitiven Elektrodenvor
richtung zum Erzeugen eines elektrischen Wechselfeldes in der
Flüssigkeit, dadurch gekenn
zeichnet, daß in der kapazitiven Elektrodenvorrichtung mindestens
ein elektrisch nichtleitender Körper, nachfolgend "Blende" ge
nannt, vorhanden ist, der die Flüssigkeit berührt und der in
einem Bereich des elektrischen Feldes angeordnet ist in der
Weise, daß er eine Umlenkung, Verlängerung oder Verengung der
Feldlinien bewirkt, um somit die Feldstärke an der Oberfläche der
Elektroden zu verringern.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Blende in dem in der Flüssigkeit gegebenen Weg von Elektrode zu
Elektrode angeordnet ist und daß der von der Blende freigelassene
Querschnitt kleiner ist als die Fläche der Elektroden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch
ein äußeres Metallrohr (11) als erste Elektrode, ein darin axial
angeordnetes kleineres und kürzeres Metallrohr (12) als zweite
Elektrode, sowie elektrisch isolierende Mittel (13, 14, 15),
welche den Raum zwischen innerem und äußerem Rohr trennen oder
abdecken und das innere Rohr an seinen Enden abdecken und
mindestens eine Öffnung zur zweiten Elektrode freigeben.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie
zwei Elektroden aufweist, wobei die erste Elektrode zur
Flüssigkeit hin eine wesentlich größere Oberfläche aufwiest als
die zweite, und daß die erste Elektrode von einem isolierenden
Material bedeckt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein äußeres
Metallrohr (21) als erste Elektrode, ein darin angeordnetes
elektrisch isolierendes Rohr (23) und ein darin oder teilweise
darin angeordneter Metallkörper (22) als zweite, kleinere Elek
trode.
6. Verfahren zur Messung von das dielektrische Verhalten beeinflussenden
Eigenschaften von Flüssigkeiten, insbesondere Stoffzusammensetzung,
bei dem mittels einer von der Flüssigkeit durchsetzten kapazitiven
Elektrodenvorrichtung ein elektrisches Wechselfeld in der Flüssigkeit
erzeugt wird, unter Verwendung einer elektronischen Schaltung, welche
eine Induktivität enthält, die mit der Elektrodenvorrichtung verbunden
ist und mit der an der Elektrodenvorrichtung anliegenden Kapazität einen
Schwingkreis (31) bildet, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Schwingkreis
lose an einen Hochfrequenzoszillator (33) angekoppelt ist, und daß die
Phasenlage zwischen den Signalen des Oszillators (33) und des Schwingkreises (31)
gemessen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß die
Messung der Phasenlage geschieht, indem eine Differenzspannung
zwischen Oszillator (33) und Schwingkreis (31) gemessen wird,
indem zwischen Oszillator-Ausgang und Schwingkreis (31) ein
Amplitudendemodulator (34) angeschlossen ist und daß in
wiederholten Zeitabschnitten der Schwingkreis (31) durch ein
daran angeschlossenes elektronisch schaltendes Bauteil (36)
bedämpft oder kurzgeschlossen oder abgetrennt wird, und daß die
dabei am Demodulator (34) gemessene wiederholte
Amplitudenänderung ausgewertet wird zum Ermitteln der Phasenlage.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der
Oszillator (33) und Schwingkreis (31) gegeneinander abgestimmt werden
mittels eines frequenzbeeinflussenden Bauteils (40), das im
Schwingkreis (31) oder im Oszillator (33) eingebaut ist, und daß die am
Demodulator (34) gemessene Amplitudenänderung mittels dieser
Abstimmung über eine Regelschaltung (39) auf einen bestimmten
Wert oder auf Null nachgeregelt wird, indem die Regelschalung das
frequenzbeeinflussende Bauteil (40) als Stellwert ansteuert, und daß
dieser Stellwert verwendet wird als Maß für die
Dielektrizitätszahl der Flüssigkeit.
9. Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch eine Induktivität, welche
an die kapazitive Vorrichtung angeschlossen ist und mit dieser
einen Schwingkreis (31) bildet, einen hochfrequenten Oszillator (33)
und ein Glied (32) zum losen Ankoppeln des Oszillators (33) an den
Schwingkreis (31), elektronisch schaltende Mittel (36) rum taktweisen
Bedämpfen oder Abschalten des Schwingkreises (31), einen
Demodulator (34), welcher zwischen den Schwingkreis (31) und den
Oszillator (33) geschaltet ist, ein frequenzbeeinflussendes
Bauteil (40) im Oszillator oder im Schwingkreis, und eine
getastete Regelschaltung (35, 38, 39), deren Regelwert die Stärke
des demodulierten Signals ist und deren Stellwert ein Maß für die
Dielektrizitätszahl der Flüssigkeit ist.
10. Verfahren zur Messung von das dielektrische Verhalten beeinflus
senden Eigenschaften von Flüssigkeiten unter Verwendung einer
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die durch die Flüssigkeit bewirkten elek
trischen Eigenschaften der kapazitiven Vorrichtung ausgewertet
werden mit einer Schaltung welche auf den Blindanteil und/oder
Wirkanteil der an der kapazitiven Vorrichtung auftretenden Impedanz
gesondert reagiert und mit einer Abgleichmöglichkeit ausge
rüstet ist, mit welcher der Phasenwinkel oder das Verhältnis
zwischen Wirk- und Blindanteil der gesonderten Reaktion justiert
werden kann.
11. Vorrichtung nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß sie mit einer geeichten elektronischen
Anzeige für das Mischungsverhältnisses von Alkohol-Wasser-
Mischungen ausgerüstet ist.
12. Vorrichtung nach einem den vorausgehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Temperaturfühler zum Messen der
Temperatur der zu messenden Flüssigkeit vorhanden ist und mit
der elektronischen Schaltung derart verknüpft ist, daß er eine an
der Flüssigkeit auftretende Temperaturabhängigkeit der
die elektrischen Eigenschaften kompensiert.
13. Vorrichtung nach einem den vorausgehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß daß sie zur Konstantregelung des Alkoholge
haltes im Feuchtemittel für Druckmaschinen ausgerüstet ist, indem
eine Schaltung zum Vergleichen des Meßwertes mit einem einstell
baren Sollwert eingebaut ist sowie eine Anschluß, welcher mit dem
Ausgang der Vergleichsschaltung verbunden ist, um zum Ansteuern
einer Vorrichtung zur automatischen Alkohol-Zufuhr zu dienen.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE3822344A DE3822344C2 (de) | 1988-07-01 | 1988-07-01 | Vorrichtung zum Messen von das dielektrische Verhalten beeinflussenden Eigenschaften einer Flüssigkeit |
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1988
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1989
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