DE7138801U - Capacitive level measuring device - Google Patents
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Description
Unser Zeichen: E 703Our reference: E 703
Kapazitives FüllstandsmeßgerätCapacitive level measuring device
Die Erfindung geht aus von einem kapazitiven FüllstandsmeOgerät mit einer in das Füllgut eintauchenden Sonde mit wenigstens einer ersten Meßelektrode und wenigstens einer zweiten Meßelektrode, einer Anordnung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen der ersten Meßelektrode und der zweiten Meßelektrode und mit einer Meßanordnung zur Messung der durch Änderungen des Füllstands bewirkten Änderungen der Kapazität zwischen der ersten Meßelektrode und der zweiten Meßelektrode der Sonde.The invention is based on a capacitive level measuring device with a probe immersed in the product with at least one first measuring electrode and at least one second measuring electrode, an arrangement for generating a electric field between the first measuring electrode and the second measuring electrode and with a measuring arrangement for Measurement of the changes in the capacitance between the first measuring electrode caused by changes in the fill level and the second measuring electrode of the probe.
Derartige kapazitive Füllstandsmeßgeräte eignen sich für Füllgüter, deren Dielektrizitätskonstante von derjenigen der Luft merklich verschieden ist. Das Füllgut bildet das Dielektrikum für den eingetauchten Teil der Sonde, was zur Folge hat, daß sich die Gesamtkapazität der Sonde in Abhängigkeit von dem Füllstand ändert. Durch eine geeignete Sondenform kann erreicht v/erden, daß die elektrische Feldverteilung über die ganze Höhe der Sonde gleich bleibt, so daß die Kapazitätsänderung direkt der Füllstandsänderung proportional ist. Die Messung der Kapazitätsänderung erfolgtSuch capacitive level measuring devices are suitable for filling goods whose dielectric constant is different from that the air is noticeably different. The filling material forms the dielectric for the immersed part of the probe, which leads to The result is that the total capacitance of the probe changes as a function of the fill level. Through a suitable The shape of the probe can be achieved so that the electric field distribution remains the same over the entire height of the probe, so that the change in capacitance is directly proportional to the change in level. The change in capacitance is measured
Lei/fokLei / focus
in den meisten Fällen dadurch, daß an die Meßelektroden der Sonde eine 1Z/ ech sei spannung angelegt und der über die Sonde fließende kapazitive Wechselstrom gemessen wird; die Stromänderungen sind dann direkt ein Maß für die Änderungen des Füllstands.in most cases, characterized in that the measuring electrodes of the probe, a 1 Z / ech is applied voltage and the current flowing through the probe capacitive AC current is measured; the changes in current are then a direct measure of the changes in the level.
Wenn sich der Füllstand von Null bis zu einem Höchstwert ändert, ändert sich die Kapazität bzw. der dazu proportionale Strom von einem Anfangswert bis zu einem Sndwert, da die Sonde auch bei dem Füllstand Null eine Anfangskapazität hat, die von ihrer Form und ihrem Einbau abhängt. Die Messung ist offensichtlich umso genauer, je größer der Änderungsbereich bezogen auf den Anfangswert ist. Daraus ergibt sich die Forderung, die Sonde so auszubilden, daß sich das elektrische Feld möglichst ausschließlich in dem Raum ausbreitet, in den das zu messende Füllgut eintretan kann; in diesem Fall ergibt sich die relativ größte Feldänderung, was die wichtigste Voraussetzung für eine genaue Messung ist«.When the level changes from zero to a maximum value, the capacity or its proportional capacity changes Current from an initial value to a final value, since the probe has an initial capacitance even when the level is zero, which depends on its shape and its installation. The measurement is obviously more precise, the larger the range of change is in relation to the initial value. From this it follows the requirement to train the probe in such a way that the electric field is as exclusive as possible in the room spreads, in which the product to be measured can enter; in this case the relatively largest field change results, which is the most important prerequisite for an accurate measurement «.
Die bisher bekannten Sonden sind meist Stab- und Seilsonden sowie Sonden mit Außenelektrode in Form einer Koaxialleitung. Bei diesen Sonden sind die elektrischen Felder radial symmetrisch, und we"nn die Sonden frei im Innern eines Behälters angeordnet sind, ist auch die Forderung erfüllt, daß das Füllgut eine möglichst große Änderung der Kapazität hervorrufen kann.The probes known so far are mostly rod and rope probes as well as probes with external electrodes in the form of a coaxial line. With these probes the electric fields are radial symmetrically, and if the probes are arranged freely inside a container, the requirement that the contents can cause the largest possible change in capacity.
Es gibt jedoch Anwendungsfälle in der Praxis, wo die Sonden nicht so eingebaut werden können, daß sie ohne Feldverzerrung allseitig von dem Füllgut umgeben sind. Wenn die Sonden beispielsweise an einer Wand eines Behälters angebracht sein müssen, kommt es zu Feldverzerrungen, und ein großer Teil der Feldlinien verläuft durch die Behälter- -wand anstatt durch das Füllgut. In solchen Fällen kommt es zu einem unlinearen Zusammenhang zwischen Füllstand undHowever, there are applications in practice where the probes cannot be installed in such a way that they can be used without field distortion are surrounded on all sides by the product. For example, if the probes are attached to a wall of a container field distortions occur, and a large part of the field lines runs through the container -wall instead of through the product. In such cases comes there is a non-linear relationship between level and
Kapazität, und man erhält außerdem eine im Vergleich zu der sich ergebenden Kapazitätsänderung große Anfangskapzität, wodurch die Meßgenauigkeit beeinträchtigt wird.Capacity, and one also obtains an initial capacity which is large compared to the resulting change in capacity, whereby the measurement accuracy is impaired.
Ein solcher Anwendungsfall besteht beispielsweise dann, wenn die Sonde zur Messung des Pegelstands in einem offenen Oerinne verwendet wird. Bekanntlich besteht für offene Gerinne eine definierte Funktion zwischen momentaner Durchflußmenge und dem Pegelstand, so daß es möglich ist, die Durchflußmenge kapazitiv auf d©m Umweg über die Messung des Pegelstandes zu massen. In diesem Fall ist im allgemeinen die Verwendung von frei in das Innere der Rinne ragenden Sonden nicht erwünscht, weil der Einbau schwierig ist und der Durchflußquerschnitt gestört wird.Es wird daher vorgezogen, die kapazitive Meßsonde bündig mit der Wandung des Gerinnes einzubauen, was zu den zuvor angegebenenSuch an application exists, for example, when the probe for measuring the water level is in an open Oerinne is used. It is well known that there is for open Channel a defined function between the current flow rate and the water level, so that it is possible to measure the flow rate capacitively in a detour via the measurement of the water level. In this case, in general the use of probes protruding freely into the interior of the channel is undesirable because installation is difficult and The flow cross-section is disturbed. It is therefore preferred that the capacitive measuring probe be flush with the wall of the channel to be installed, leading to the previously stated
Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines kapazitiven Füllstandsmeßgeräts der eingangs angegebenen Art, dessen Meßsonde auch bei Einbau in die ¥and des Behälters einen linearen Zusammenhang zwischen Füllstand und KapazitätThe aim of the invention is to create a capacitive level measuring device of the type specified, whose Measuring probe a linear relationship between level and capacity even when installed in the ¥ and of the container
Kapazität in Abhängigkeit von dem Füllstand, bezogen auf den Anfangswert ergibt.Capacity as a function of the level, based on the initial value.
Nach der !Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die ließelektrodai im Abstand nebeneinander an einer einseitig mit dem Füllgut in Berührung stehenden dielektrischen ¥and angeordnet sind, und daß auf der des Füllgut abgewandten Seite der ersten MePeIektrode eine Äbschirmelektrode angeordnet ist, die auf dem gleichen Potential wie die erste Meßelektrode liegt.According to the invention, this is achieved in that the letelectrodai at a distance next to one another on a dielectric ¥ and which is in contact with the filling material on one side are arranged, and that on the side of the first MePeI electrode facing away from the filling material, a shielding electrode is arranged, which is at the same potential as the first measuring electrode.
Die erfindungsgemäße Ausbildung ergibt die Wirkung, daß das elektrische Feld zwischen den Meßelektroden ausschließlich durch das Innere des Behälters bzw. das darin befindliche Füllgut geht? dagegen verläuft der durch die Wand des Behälters gehende Teil des Feldes nicht zwischen den beiden Meßelektroden, ßondern zwischen der Abschirmelektrode und der zweiten Meßelektrode. Durch Messung der Kapazitätsänderungen ausschließlich zwischen den beiden Meßelektroden ist es daher möglich, den vom Füllgut nicht beeinflußten und gegebenenfalls durch äußere Einflüsse verzerrten Teil des Feldes von der Messung auszuschließen. Die gemessene Anfangskapazität entspricht daher ausschließlich dem vom Füllgut beeinflußten nutzbaren Teil des elektrischen Feldes, und die Änderung der Kapazität in Abhängigkeit von Änderungen des Füllstands entspricht dem theoretisch erreichbaren Höchstwert.The design according to the invention has the effect that the electric field between the measuring electrodes is exclusively goes through the inside of the container and / or the product contained therein? on the other hand, it runs through the wall of the container passing part of the field not between the two measuring electrodes, but between the shielding electrode and the second measuring electrode. By measuring the changes in capacitance exclusively between the two measuring electrodes, it is therefore possible to the part of the measurement field not influenced by the product and possibly distorted by external influences to exclude. The measured initial capacity therefore corresponds exclusively to the usable capacity influenced by the product Part of the electric field, and the change in capacitance as a function of changes in the level corresponds to that theoretically achievable maximum value.
Bin weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Füllstandsmeßgeräts besteht darin, daß durch Vergrößerung der Anzahl der Meßelektroden das Auflösungsvermögen der Sonde wesentlich Tfe?gH58ert werden kann. Dies geschieht gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes dadurch, daß mehrere erste Meßelektroden und mehrere zweite Meßelektroden jeweils paarweise nebeneinander angeordnet sind.A further advantage of the fill level measuring device according to the invention is that by increasing the number of measuring electrodes, the resolving power of the probe becomes essential Tfe? GH58ert can be. This happens according to a further training of the subject matter of the invention in that a plurality of first measuring electrodes and a plurality of second measuring electrodes each are arranged in pairs next to each other.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielshalber beschriebeu. Darin zeigensThe invention is described by way of example with reference to the drawing. Show in it
Fig· 1 ein Diagramm des Zusammenhangs zwischen der Kapazitätsänderung bzw. der MeßStromänderung und der Füllstandsänderung bei einem kapazitiven Füllstandsmeßgerät, Fig. 1 is a diagram showing the relationship between the change in capacitance or the change in measuring current and the change in level in the case of a capacitive level measuring device,
Fig. 2 die Anordnung der Elektroden einer Meßsonde für die Messung des Pegelstands in einem offenen Gerinne,2 shows the arrangement of the electrodes of a measuring probe for measuring the water level in an open channel,
Fig. 3 einen Schnitt durch den die Elektroden enthaltenden xeil.der Wandung der Gerinne sit Darstellung der elektrischen Feldlinien bei fehlender Abschirmelektrode undFig. 3 shows a section through the xeil.der wall of the channel containing the electrodes sit representation of the electric field lines in the absence of a shielding electrode and
Fig. 4 eine entsprechende Schnittansicht mit Darstellung4 shows a corresponding sectional view with an illustration
der elektrischen Feldlinien bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Füllstandsmeßgeräts.of the electric field lines in the inventive Training of the level measuring device.
Fig« 1 zeigt ein Diagramm der Änderung der Kapazität C bzw. £es iieBstroiBS I bsi sines kapazitiven Füllstandsmeßgerät in Abhängigkeit von dem Füllstand, der auf der Abszisse in Prozenten des maximalen Füllstandes aufgetragen ist. Wie zu erkennen ist, hat die Kapazität bei dem Füllstand Null einen von Null verschiedenen Anfangswert C_, dessen GrößeFig. 1 shows a diagram of the change in capacitance C or It is iieBstroiBS i its capacitive level measuring device depending on the level, which is plotted on the abscissa as a percentage of the maximum level. As It can be seen that the capacity at zero level has an initial value C_, the size of which is different from zero
Cl ~Cl ~
von der Form und Einba.uart der Meßsonde abhängt. Mitdepends on the shape and type of installation of the measuring probe. With
f I e.^Ä-5 εγα>*Λαϊ» ΊΓχϊΤ ~ί c4*oM/i ουϊΛay^ ct r*Tn /j j.Q Voτ\α *? τ *ί"Η"ί" "ι τη tiro etοτι*f*1 τ /1^Vi c f I e. ^ Ä-5 εγα> * Λαϊ »ΊΓχϊΤ ~ ί c4 * oM / i ουϊΛ ay ^ ct r * Tn / j j. Q Vo τ \ α *? τ * ί "Η" ί "" ι τη tiro etοτι * f * 1 τ / 1 ^ Vi c
linear, und sie erreicht bei einem Füllstand von 100% einen Endwert C. . In gleicher Weise ändert sich der Meßstrom I von einem Anfangswert I zu einem Endwert Ilinear, and it reaches a level of 100% Final value C.. In the same way, the measuring current I changes from an initial value I to an end value I.
EL 6EL 6
-S--S-
Bie Messung des Füllstands Ist .offensichtlich umso genauer, 3e ,größer «der Eapazitatsa^eriang-sljereieli C0-G3^ DZW- der berseieh I -I, !bezogen auf den AnfangswertThe measurement of the fill level is obviously the more precise, 3e, greater "the Eapazitatsa ^ eriang-sljereieli C 0 -G 3 ^ DZW - the greater I -I,! Based on the initial value
C5 λ\ C5 λ \
C bzw, τ ist- Daraus ergibt sich die Forderung, die Sonde so auszubilden, daß sick das elektrische Feld möglichst ausschließlich in dea Saiaa ausbrel-tet, in den das Füllgut eintreten Scann,. C or, τ ist- This results in the requirement to design the probe in such a way that the electric field is generated as far as possible exclusively in the saiaa into which the filling material can enter.
Fig c 2 zeigt als Beispiel f^ elses aSwesömigsfail, bei L .· dem diese Forderung nur schwierig zu erfüllen ist, die Anordnung der Meßsonde für die Itessung des Pegelstands in einem offenen Gerinne 1* Bas Gerinne ist durch zwei Seitenwände 2, 3 und einen Boden 4 gebildet und führt ein fließfähiges Medium 5. Da bei einen solchen offenen Gerinne eine definierte Funktion zwischen momentaner Durchflußmenge und dem Pegelstand besteht, ist es abglich, die Durchflußmenge durch Messung der Füllhöhe zu messen. Um den Durchflußquerschnitt nicht zu stören, zur Vereinfachung der Montage und aus anderen Gründen strebt aas an, die Elektroden der kapazitiven Meßsonde bündig mit der Wandung . des Gerinnes einzubauen. Deshalb sind zwei streifenförmige Elektroden 6, 7 im Abstand nebeneinander in die Seitenwand 2 de£3 Gerinnes 1 eingelassen.FIG c 2 shows an example of f ^ elses aSwesömigsfail, wherein L. · The is difficult to meet this requirement, the arrangement of the measuring probe for the Itessung of the surface level of in an open channel 1 * Bas flume is defined by two side walls 2, 3 and a Bottom 4 is formed and carries a flowable medium 5. Since there is a defined function between the instantaneous flow rate and the water level in such an open channel, it is necessary to measure the flow rate by measuring the fill level. In order not to disturb the flow cross-section, to simplify assembly and for other reasons, aas aims to place the electrodes of the capacitive measuring probe flush with the wall. of the channel to be installed. For this reason, two strip-shaped electrodes 6, 7 are set into the side wall 2 of the 3 channel 1 at a distance from one another.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch den die Elektroden 6, 7 enthaltenden Teil der Seitenwand 2 des Gerinnes mit dem zugehörigen Feldlinienverlauf. Wie zu erkennen ist, verlaufen die elektrischen Feldlinien von der Elektrode 6 zur Elektrode 7 zum Teil durch das Innere der Gerinne und das darin befindliche Füllgut und zum anderen Teil durch die Seitenwand 2. Bei der Messung der Kapazität zwischen den Elektroden 6 und 7 geht daher der in der Wand fließende Verschiebestrom mit in die Messung ein, so daß er zu einer3 shows a section through the electrodes 6, 7 containing part of the side wall 2 of the channel with the associated field lines. As can be seen, run the electric field lines from the electrode 6 to the electrode 7 partly through the interior of the channel and the product located therein and the other part through the side wall 2. When measuring the capacitance between the electrodes 6 and 7, therefore, the displacement current flowing in the wall is included in the measurement, so that it becomes a
großen Anfangskapazität C& bzw. einem großen Anfangs strom I beitragt. Andrerseits -wird aber dieser Teil des elektrischen Feldes von den Füllstandsänderungen nicht beeinflußt, so da3 insgesamt ein ungünstiges Verhältnis der Kapazitäts-Snderaangen zu der Anfangskapazität erhalten wird.large initial capacitance C & or a large initial current I contributes. On the other hand, however, this part of the electric field is not influenced by the level changes, so that overall an unfavorable ratio of the capacitance sender ranges to the initial capacitance is obtained.
Biöser Nachteil ist bei der in Fig.4 dargestellten Ausbildung der Sonde vertaieden. Diese enthält wieder die in die Seitenwand 2 des Gerinnes eingelassenen streifenförmigen Meßelektroden 6 und 7. Zusätzlich ist auf der dem Füllgut abgewandten Seite der KeSelektrods 6 eine Abschirmelektrode 8 angeordnet, die auf --% dem jgleichän Potential wie die Elektrode 6 liegt, so daß zwischen diesen beiden Elektroden kein elektrisches Feld besteht. VJIe zu erkennen ist» verlaufen in diesem Fall die elektrischen Feldlinien im Inneren des Gerinnes zwischen den Meßelektroden 6 und 7, während sie in der Wand 2 zwischen der Abschirmelektrode 8 und der MeSelefctrode 7 verlaufen. Wenn jetzt die Kapazität zwischen den Meßelektroden 6 und 7 gemessen wird, trägt nur der im Inneren dek Gerinnes liegende und zum Teil durch das Füllgut verlaufende !Teil des elektrischen Feldes zur gemessenen Kapazität bei .Da dieser Teil des elektrischen Feldes vollständig von dem Füllstand beeinflußt wird, erhält man den theoretischen Höchstwert der Kapazitätsänderungen in Abhängigkeit von dem Füllstand, bezogen auf den Anfangswert.A serious disadvantage is avoided in the design of the probe shown in FIG. This again contains the strip-shaped measuring electrodes 6 and 7 embedded in the side wall 2 of the channel. In addition, a shielding electrode 8 is arranged on the side of the KeSelectrods 6 facing away from the filling material, which is at -% the same potential as the electrode 6, so that between there is no electric field between these two electrodes. In this case, the electric field lines run in the interior of the channel between the measuring electrodes 6 and 7, while they run in the wall 2 between the shielding electrode 8 and the measuring electrode 7. Now, if the capacitance between the measuring electrodes 6 and 7 is measured, only the dek inside flume carries obvious and in part extending through the filling! Part of the electric field to the measured capacitance at .As this part is completely affects the electric field of the filling level , one obtains the theoretical maximum value of the capacity changes as a function of the filling level, based on the initial value.
Die Kapazitätsmessung erfolgt bei dem dargestellten Beispiel dadurch, daß die Abschirmelektrode 8 direkt mit der einen Klemme eines Ifechselspannungsgenerators 9 verbunden ist, und daß eine Anordnung zur Messung des in der Verbindung zwischen der Meßelektrode 6 und dieser Klemme des Wechselspannungsgenerators fließenden Wechselstroms vorgesehen ist. Diese Meßanordnung ist symbolisch durch ein Wechselstrommeßgerät 10 dargestellt. Die Meßelektrode 7 ist an die andere Klemme des Wechselspannungsgenerators 9 angeschlossen.In the example shown, the capacitance is measured by that the shielding electrode 8 is connected directly to one terminal of an AC voltage generator 9, and that one Arrangement for measuring the in the connection between the measuring electrode 6 and this terminal of the alternating voltage generator is provided alternating current flowing. This measuring arrangement is symbolically represented by an alternating current meter 10. The measuring electrode 7 is connected to the other terminal of the alternating voltage generator 9 connected.
Bei der in Fig.,4 gezeigten i&nordnung maS der "iiechselspannungsgenerator 9 insgesamt den gleichen Strom liefern, wie bei der in Fig. 3 gezeigten Elektrodenanordnung ohne Ahschirmelektrode. Durch die Verwendung der Abschirnelektrode wird dieser Strom in zwei Teile aufgespalten., von denen der eine Teil zur Meßelektrode 6 fließt und zwischen den Elektroden 6 und ein Feld aufbaut, das sich auschließlich in das Gerinne hinein ausbreitet, während der andere Teil die Abschirmelektrode 8 so auflädt, daß diese in federn Zeitpunkt auf f\ des gleichenPotentiai wie di« Meßelektrode 6 liegt.In the arrangement shown in FIG. 4, the ollicular voltage generator 9 delivers the same current overall as in the electrode arrangement without a shielding electrode shown in FIG part flows to the measuring electrode 6, and between the electrodes 6 and a field builds propagating exclusively in the flume into it, while the other part so charging the shield electrode 8, that this is in spring time to f \ of the gleichenPotentiai as di "measuring electrode 6 .
Für die Messung des Füllstands im Gerinne ist nur der Strom maßgebend, der zu der Meßelektrode 6 fließt und im Meßgerät 10 gemessen wird. Dagegen trägt der zur Abschirmelektrode 8 fließende Teil des Stroms zu der Messung nicht bei.For the measurement of the level in the channel, only the current that flows to the measuring electrode 6 and in the measuring device is decisive 10 is measured. In contrast, the part of the current flowing to the shielding electrode 8 does not contribute to the measurement at.
Wenn das Gerinne leer ist, ergibt sich ein Anfangsstrom, der der Anfangskapazität zwischen den Keßelektroden 6 und entspricht. Ist das Gerinne vollständig gefüllt, so ist der Strom um den Faktor der relativen Dielektrizitätskonstante größer als der Anfangsstrom* Sine größere Änderung der r -■, Kapazität in Abhängigkeit von der Füllhöhe,bezogen auf den Anfangswert, läßt sich theoretisch nicht erreichen.When the channel is empty, there is an initial current, which is the initial capacitance between the Keßelectrodes 6 and is equivalent to. If the channel is completely filled, the current is by the factor of the relative dielectric constant greater than the initial current * Sine greater change in the r - ■, capacity as a function of the fill level, based on the The initial value cannot be reached theoretically.
Die beschriebene Elektrodenanordnung bietet die Möglichkeit, durch ParallelschSilten mehrerer streifenförmiger Elektroden nachArt der Meßele&troden 6 und 7 das Auflösungsvermögen der Sonde wesentlich z\i vergrößern. In diesem Fall wird natürlich jeder Meßelektrode, die mit der einen Klemme des Wechselspannungsgenerators verbunden ist, eine Abschirmelektrode nach Art der Abschirmelektrode 8 zugeordnet.The electrode arrangement described offers the possibility of ParallelschSilten plurality of strip-shaped electrodes of the Meßele & nachArt trodes 6 and 7, the resolving power of the probe substantially z \ i enlarge. In this case, of course, each measuring electrode which is connected to one terminal of the alternating voltage generator is assigned a shielding electrode in the manner of the shielding electrode 8.
PatentansprücheClaims
Claims (3)
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